李钦韬 彭涛 杨健 何剑奇
（中冶成都勘察研究总院有限公司）
作为原材料的主要供应商，中国的采矿业必须提高产量，以满足经济发展和人民生活日益增长的需求，采矿业在带动相关产业快速发展的同时，也带来了严重的地质和生态环境问题［1-2］。采矿作业形成了大量的采矿工作面、掌子面、矿堆和残山，影响了土地利用模式，改变了土地形式，造成了矿山生态系统的毁坏［3-5］。
中国有8 000 多家国有矿山企业和23 万多个个体矿山［6］。截至2006 年初，我国由于持续的采矿活动而导致废弃的土地面积已增长至400 万hm2，并且以每年467 km2的趋势持续增长。另外，我国矿山废弃地的再开垦率很低，与西方发达国家相比相差甚远［7］。持续的采矿活动严重破坏了土壤，并对土地造成占用、陷落等不同类型的破坏［8］，同时还会造成土壤退化、土壤环境因子变化、土壤理化性质破坏、土壤结构变化、水土流失、水土保持功能丧失等一系列问题［9］。因此，开展矿山废弃地人工生态恢复是恢复生态环境的有效手段，可大大缩短矿山生态恢复周期，加快推进绿色矿山建设与矿山环境恢复。
为此，本文在介绍矿山废弃地危害现状、国内外矿山废弃地生态复垦措施及客土改良技术研究的基础上，重点阐述了客土改良技术在矿山废弃地生态复垦过程中的应用情况及发展前景，以期为矿山废弃地的生态复垦提供有益参考。
1.1 矿山废弃地定义
矿山废弃地是指对矿山进行开采活动的过程中被产生的剥离土、岩石碎块、废矿坑、尾矿、脉石、洗矿废水沉淀物及采矿作业面、机械设施、矿山附属建筑物、矿山道路占用后未处理而废弃的土地［10-11］。
1.2 矿山废弃地生态复垦定义
在矿山的开采利用过程中，即使采用了最佳的开采方案，矿山的生态系统仍然会遭受破坏。矿山废弃地带来的直接影响就是废弃地的土壤质量下降，并进一步导致土壤结构变化，使其地质条件变得更加脆弱，想要恢复其生态系统十分困难。此外，被破坏的生态系统还会影响邻近的生态系统，导致邻近生态系统质量的下降。相比其他一些比较脆弱的生态系统，矿山废弃地的生态系统一旦遭受破坏，想要恢复和重建难度更大，性质也更特殊［12-13］。尽管恢复矿山废弃地生态的难度很大，但通过提前规划、调整，安排其结构、组成和功能，评估可能出现的问题，并给出相应的保护措施，预防在目标实现过程中可能出现的各种问题，最终重建满足需求的可持续生态系统［14-15］。中国将土地复垦定义为通过采取整治补救措施，将用于生产性建设活动和自然灾害而遭到损害的土地重新恢复利用。一般来说，想要恢复生态系统，重要的是首先恢复生态系统中一些必要的结构和功能，从而使生态系统重建［16-17］。
1.3 矿山废弃地危害
（1）矿山废弃地地形复杂，地貌类型多样，基岩破碎，地形切割强烈，沟谷纵横。在矿山开发过程中，岩土体天然应力—应变状态的改变极大地提高了废弃矿山发生崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂缝等地质灾害的可能性［18-19］。矿山开采产生的废弃石渣、尾矿等占压、损毁大量自然植被、人工林地、农业用地，同时伴随产生了水土流失、地面沉降等问题［20］。大量的采矿活动会使矿区水系产生紊乱，再加上植被的破坏，使矿区内的土质松散，从而导致矿区内发生泥石流、山洪、黄沙、沙漠化等二次环境灾害［21-22］。此外数据显示，大型废弃矿山的粉尘影响范围为10～12 km2［23］。
（2）矿区表土在采矿工程中经常被移除或流失。矿区地表经大型采矿设备碾压后很容易形成硬化，从而使土壤物理结构受到损坏，导致土壤的贮水保温能力变差，使得氮、磷、钾和有机质的含量仅为原始表土的20%～30%［24］。
（3）重金属矿山开采后的废弃地，地表裸露，土壤结构受到严重破坏，在酸雨侵蚀下，矿区内残留的重金属极易持续释放，以水溶性形式通过地表径流迁移，对周围生态系统构成潜在威胁［25-26］。植物在这种自然条件下很难生长，导致矿区植被减少，作物减产［27］。进一步的生态循环会使重金属进入食物链，通过食物链进行生物放大，使人类体内的重金属含量增加，严重危害人类的身体健康。重金属污染的矿山荒地已成为世界环境污染的严重问题之一［28-29］。矿山废弃地存在的危害分类见表1。
2.1 国内矿山废弃地生态复垦现状
我国矿山废弃地的生态复垦工作相比国外发达国家起步较晚。20 世纪50 年代，我国开始针对矿山废弃地的生态恢复和土地退化进行研究［30］，到1980年，矿山废弃地生态恢复受到重视，并逐渐启动相应的恢复工作。为了规范采矿活动，防止更严重的环境问题，我国相继颁布了《土地复垦规定》和《中华人民共和国环境保护法》。20世纪80年代末，我国矿山废弃地再开垦率的比例达到了12%［31］。1999 年，中国政府颁布了《中华人民共和国土地管理法》，该法例的颁布进一步加强了对耕地的保护，为推行土地管理机制、土地补助机制和土地控管机制奠定了基础。土地复垦工作的逐渐规范，使我国土地再垦率剧增［32］。2011 年，中国实施了《土地复垦条例》，进一步促进了土地复垦率的提升。据统计，2015 年中国矿区荒地再垦率达到了30%，至此我国矿区生态恢复迈入了飞速发展阶段［33］。目前，我国矿山废弃地再开垦的主要方法包括直接再开垦、客土覆土、改善土壤物理构造及化学性质、提高土壤肥力等［34］。例如，客土覆土用于替代或改善矿山废弃物地的污染土壤，豆类用于改善有毒金属和贫瘠土壤，蚯蚓用于改善土壤的物理和化学性质［35］。
根据中国矿山废弃地的现状，科学家们深入研究了不同类型的再开垦技术措施及其对矿山废弃地生态恢复的效果，科学、高效地促进了中国矿山废弃地的生态再开垦。何书金和苏光全［36］研究了制约矿山荒地再开垦的自然和社会经济条件14 个要素，将其归纳为6个层级，对我国矿山荒地再开垦发展空间的评估和矿山荒地的科学合理再利用具有十分重要的参考价值。莫测辉等［37］将城市污泥应用于矿山废料再开垦，证明城市中产生的污泥经处理和检测达标后能被用作土壤的改良剂，且效果显著。吴欢等［38］采用恢复生态学理论，根据目前我国矿山荒地的特性对其进行了全面分析，概括了能够恢复矿山荒地生态的核心技术方法，综合了矿山废地生态恢复中的各种技术措施，为实现自我维护良好状态的生态系统提供了理论基础。杨修等［39］研究了德兴铜矿1号尾矿表面净尾矿场的植被恢复和重建过程，发现要使纯尾矿植被恢复原样，最主要的阻碍是土壤因素。
矿山废弃地恢复植被的路径主要有植被转变、土壤生物改良和再开垦3 种模式。陈芳孝［40］详细介绍了植物措施、水利措施、破坏面修复措施和相关措施在北京市矿山生态管理主要技术中的应用和典型模式。李永庚等［41］对于目前矿山废弃地生态重建及将来发展过程中可能会出现的情况进行了研究，并强调了一些能够深化的问题：①对干旱地区的矿区废弃地进行生态恢复，需加强理论及实践研究，并有机结合起来；
②注重对重金属及重金属植物种类的筛选及培育；
③对我国西部矿山荒地的一些常见问题需要更深入的研究。简而言之，即通过分析植物和土壤之间的关系对矿山荒地的类型进行划分，根据不同类型的矿山荒地与植物之间的关联进行研究，研究必要的人工补充性措施。
2.2 国外矿山废弃地生态复垦现状
19 世纪末，发达国家已经对矿区废弃地进行了科学研究和管理［42］。20 世纪20 年代，美国和德国率先着手研究矿山废弃地的土地再开垦和生态恢复［43］。其中，研究历史悠久、规模大、成果好的国家有英国、德国、美国、澳大利亚等［44］。近40 a 来，矿山废弃地的土地再开垦和生态恢复成为环境科学研究的热门领域。
20世纪60年代末，英国发表了《矿山采矿场法》，要求采矿公司在开采时应当同期拟定生态恢复方案和管控方案，并提出了生态恢复的计量准则［45］。除此以外，英国政府参照相关部门的经济情况，每年为相关部门分配相当数目的资金用于土地生态恢复，填补生态修复工程成本的欠缺。因为相关政府部门的关注，各项规范采矿活动法规的颁布，各种经济政策措施的实施，英国的矿山生态恢复取得了显著成效。1993年，恢复了被露天采矿占据的5.4 万hm2土地［46］；
1974—1982 年恢复生态面积1.7 万hm2，恢复率达87.6%。
德国的莱茵露天煤矿和非露天煤矿是土地破坏严重的地区。为此，德国政府要求露天采矿后，一定要恢复以往的农业、林业经济、自然风景。德国政府通过严格的执法和稳定的资金渠道，在土地再开垦和生态恢复方面取得了巨大成果。到1996 年，德国煤矿开采破坏了154.34 万hm2土地，其中8.23 万hm2被恢复。
1985年，法国中南部的煤田矿山公司为LaMartinie 矿田公司进行露天开采，煤炭储量3.0×105t，由于采矿初期对生态恢复的规划及对排土场的合理设计，该矿区的废弃土地基本恢复［47］。
1918 年，美国印第安那州的矿主在采空区开始林业复垦。20世纪20年代的采矿租赁特别强调保障土地和自然生态环境［48］。根据美国矿产局调查报告，美国年采矿活动需要使用土地4 500 hm2，然而50 a 后的生态系统重建率超过70%［49］。到了20 世纪70 年代中期，美国参议院公布了首部国家土地再开垦条例《露天开采控制和复垦法令》。该条例严格规定了采矿的再开垦手续，填埋管理主要由内政部指导，得到了矿业局、土地局、环境保护局的协助。当时出现了许多生态重建技术，其中利用生物再垦技术取得的效果最好，除此外还有土壤改良技术，该技术成本最低，效果最快。《复垦法》要求，边开采边回收，重新开垦率为100%，目前已达到85%［50］。
澳大利亚矿产资源丰富，各种矿物出口量居世界第一。20 世纪70 年代以来，澳大利亚政府开始注重生态可持续发展，关注采矿、农业发展，生态保护及恢复。1974 年澳大利亚政府公布和实施了《采矿法》［51］，坚持“同时重视采矿和保护、破坏和再开垦”的原则，突出加强采矿过程中的填埋和生态修复，保护矿区生态环境，并进一步确立了包括矿业法（1978年修改）在内的比较完整的法律体系，主要包括《采矿法（1978 年修订）》《环境保护法（1986）》《环境和生物多样性保护法（1999）》《原住民土地权法》《场地污染法（2003）》《矿区复垦基金法（2012）》等等。上述法律适用于矿产资源开发、环境影响评价、土地再开垦计划的编制、年度土地再开垦计划的实施等，加强了土地再开垦和生态恢复资金的缴纳和使用、公众参与、生物多样性保护、闭矿验收和移交等重要环节，加强了民众对矿山开采生态保护的认识，实现了对矿区生态环境的综合管理［52-54］。澳大利亚在防止地表侵蚀，稳定地表等技术措施方面的研究也处于世界前列，其利用效用优化原理设计生态修复方案，通过先进设备观察生态修复过程，目前已经采取了高科技诱导、多学科联合综合修复等技术手段［55-57］。
3.1 客土改良技术在土壤改良方面的应用
利用客土改良技术对原生土壤的质地、构造、肥力进行改良，在我国多个地区得到了普及与应用。例如，对于土壤生产力受限严重的盐碱地，科学家们采用客土改良法，在平坦的海湾地区改良了1 267 hm2的沙质垫层盐渍土，目前我国通过客入红黏土改良的红垫盐土面积占总红垫盐土面积的近70%［58-59］。根据诸多科研工作者对分布在近海滩涂和河流三角洲的重盐碱地进行试验得到的结果可知，使用客土改良技术能够使该区域的土壤具备良好的抗盐、排盐功能，可形成良好的生态环境并有利于植物幼苗的生长［60-62］。张瑞喜等［63］研究表明，覆盖在土壤表面的沙可以改善并提高土壤的保水和抑盐性能，对土地深层盐向上层转移和积累有显著的抑制效果，且随着客砂厚度增加，保水效果逐渐提高。此外，可将沙子添加到质地黏度重的土壤中，达到有效改善土壤质量，减少土壤容积，改善土壤通气性的目的［64］。薛铸等［65-66］研究表明，客体土的改善对于提高龟裂碱土中的水分含量具有显著效果，而土壤中水分的保持能够促进作物的生长，提高作物产量。根据目前的研究可知，客土改良技术结合了植物栽培和施肥措施，根据土地情况形成有效的土壤改良模型，从而进一步改良土壤，实现土地的再开垦。
3.2 客土改良技术在矿山废弃地生态复垦方面的应用
采矿和选矿工程对矿山废弃地的土壤破坏严重，因此土壤改良也是矿山废弃地整体生态再开垦的重点。客土法在沿路坡的生态修复中已普遍应用，对缓坡的绿化效果尤其显著［67］。鲁统春等［68-69］在北京某地区进行的关于煤矿和废料采石场的研究成果证明，客土法是一种快速恢复废料场土壤理化性质和植被，预防和治疗水土流失的有效方法。陈怀满等［70］经过3 a 的植被和土壤恢复重建，德兴矿区表层土壤有机质、速效磷和速效钾的含量均有所提高；
但由于矿区污染严重，目前仍不能栽培农作物。此外，闫德民等［71］针对北京某铁矿尾矿区的生态恢复问题，在采用覆盖客土+生态植被毛毯措施后，极大地促进了尾矿区的植被重建和进化，取得了良好的效果。
（1）通过对我国矿山废弃地现状进行分析可知，我国矿山废弃地具有地域性强、类型多等特点，不同地区、不同类型的矿山废弃地的生态再开垦研究需要充分利用当地材料，并对再开垦的具体矿山废弃地进行实际的地质、生态现状调查，进而改善矿山废弃地的现状。
（2）客土、换土、翻土等工程措施对矿山废弃地的污染修复较为彻底，效果迅速明显。客土量越大对生态再开垦的效果就越好，但目前仍存土壤资源不足、工程量及投入成本较大等问题。故今后研究的重点是如何将矿山废弃地的土壤资源和客土结合起来，减少客土量，降低修复成本。
（3）土壤改良技术是废弃矿山生态再开垦的主要技术措施。单一的客土改良技术无法直接有效地恢复矿山废弃地、荒地，如何将矿山生态与物理、化学、生物技术相结合，构建有效的综合管理体系，提高土地再垦率是非常重要的。
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