0 引言

金属矿山具有资源经济与环境污染双重属性，富含汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）、铜 （Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）和锰（Mn）等金属元素，诸类元素既具有经济价值属性，亦可造成环境扰动污染 （徐友宁等，2014；谢龙涛等，2020）。据中国地质调查局调查显示，截至 2018 年，全国露天开采矿山近 19万个，其中废弃的露天矿山8万余座（李建中和张进德，2018）。2021 年全国持证矿山数量 41000 个，开采矿山 18500个，停产矿山 16500个，现有采矿损毁面积891000 hm²。露天开采产生的负面环境问题突出表现在3个方面，露天采坑终了边坡、边帮和底平面形成的巨大采场境界面；矿石选别后的尾矿堆放形成的尾矿库；采矿剥离的废石、废渣、覆土等堆放形成的排土场。金属矿山各类富含硫化物的岩石和废渣在地表环境中氧化，形成含重金属元素的酸性废水，引发土壤酸化，导致植物枯萎与死亡，通过食物链的积聚传导作用最终危害人类健康（程睿，2022）。

矿山创面高陡边坡是矿山地质环境治理与生态修复的难点（刘利嘉等，2021）。前人对露天采矿形成的高陡边坡恢复治理技术进行了研究，研发的物理、化学工程措施和植被恢复技术在个别有色金属矿山进行了应用（高云峰等，2019；黄骤屹等， 2021）。然而，露天采矿境界面的酸性高陡边坡的边坡坡度大、坡面结构形态复杂、土壤酸化严重、立地条件差，构建一种高效、可持续、自我恢复能力强的生态修复技术方法仍面临诸多技术难点（刘立艳，2012；胡文凯等，2020；李予红等，2021）。另外，生产型矿山面临着科学落实“边开采边治理”的制度不完善、资金支撑不到位等问题，仍需建立科学化、精细化生产过程中环境管控并采取高效的生态修复措施，以最大限度降低矿业开发对环境的扰动，提升矿区生态环境恢复的综合效益（许晓明等， 2022）。本文以福建省紫金山高硫型铜金矿山为研究对象，研发了露天开采生产型矿山酸性高陡边坡的废弃地生态修复技术，构建了一种有色金属矿山酸性高陡边坡的生态修复和景观营造的“矿山公园” 模式，为同类型矿山的生态恢复与治理提供借鉴。

1 矿山基本概况

1.1 矿山开采历史及现状

紫金山金铜矿山于 1992 年开展金矿的工业性堆浸试验，1993 年 7 月开始开采上部金矿，截至 2020年，金矿开采已经进入尾声。1998年开始湿法提铜工艺研究，采矿对象为标高148 m以上的露天剥离金铜矿矿体中的铜矿和埋深在标高-100~100 m 的铜矿资源（叶鑫等，2019）。铜湿法厂堆浸场及金三厂堆浸场正处于堆渣阶段，堆渣形成的台阶边坡高度约 15 m，坡度约 45°。露天采场现开采最低台阶520 m，境界内最高台阶标高1024 m，采坑边坡总高度 480 m。采坑上部东西宽 1800 m，南北长1300 m，安全平台宽度 8~15 m，扫清平台 25~45 m，台阶边坡高度为24 m。排土场位于露天采场北侧，最高高程为940 m，在东侧850 m标高以上形成终了边坡，其余地带为临时分台阶堆填边坡。

各类工业场地原金矿一选厂已完成修复，原金矿二选厂堆浸场目前亦在进行边坡修整及修复工作，金矿三选厂继续使用。铜矿二、三选厂基建工作已完成，形成的各级边坡已采取防护措施。

1.2 矿山地质概况

1.2.1 地形地貌

矿区位于 NE 向展布的玳瑁山南端部位，属于构造侵蚀中低山区及剥蚀丘陵区。地势总体中部高，四周低。主峰麒麟顶高程 1138.13 m，为附近最高峰，亦为其东侧旧县河与西侧汀江的分水岭。最低侵蚀基准面位于汀江河床，汀江河谷高程为 200 m，旧县河谷高程为198 m，最大相对高差860 m。矿区内地形切割强烈、地势陡峻，基岩裸露，山体坡度变化大，介于 20°~40°，局部地段达 70°~80°，甚至近于直立。

1.2.2 地质背景

矿区位于华南褶皱系东部，东南沿海火山活动带的西部亚带，NW向云霄—上杭深大断裂与NE向宣和复背斜交汇部位，紫金山复式岩体中部（陈明勇和武丽艳，2020）。区内断裂构造发育，以 NW 向为主，其次为 NNW 向。主要出露震旦系楼子坝群 （Z₁1z），岩性主要为变粉砂岩、千枚岩，硅化、绢云母化和黄铁矿化等蚀变较强烈；白垩系石帽山群 （K₁sh¹）分布于矿区西南部，主要岩性为英安岩、凝灰熔岩、杂砂岩、粉砂岩等。第四系坡残积层 （Q^e1+d1）分布于缓坡地段，主要岩性为碎石土、黏土，厚度为 1~30 m。第四系冲洪积层（Q^4al+p1）主要分布于汀江两岸平缓地带及同康沟等，上部岩性为粉砂、细砂，下部为砾石等，厚度为0.2~5. 0 m。

1.2.3 气象水文

矿区属于亚热带季风气候区，四季气候温和，无霜期长，年均降雨量为1604.1 mm，雨季多在5—6 月，最长连续降雨天数为31 d，总降雨量440.3 mm，日最大降雨量 242 mm。区域流域内水系发育，东、西两侧为旧县河和汀江所环绕，干流汀江为韩江上游的支流，自北向南至永定峰市汇入韩江至汕头入海。汀江东侧的旧县河为境内汀江第一大支流，黄潭河为境内汀江第二大支流。矿区内水系不发育，北部同康沟、西部二庙沟、南部下田寮沟、东南部石圳沟等均在标高650 m以下有山间小溪，标高650 m 以上多为干谷，仅在大雨后有短暂流水。矿区地下水含水岩组可分为4类，即松散岩类孔隙含水岩组、侵入岩类火山岩类裂隙含水岩组、变质岩类裂隙含水岩组和碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。

1.2.4 土壤、植被

矿区耕地土壤以水稻土类分布面积最大，面积达24000 hm²，冲积土、黄壤土、红壤土和紫色土等土类零星分布。山地土壤以红壤土分布面积最大，黄壤土、紫色土、草甸土等均分布较少。矿区属中亚热带常绿阔叶林地带，成片的常绿阔叶林原生植被已由针阔混交林、针叶林次生植被所代替，构成了大面积的常绿针叶林次生植被。

1.3 矿山地质环境问题

采矿剥离对矿区的地形地貌景观产生了影响，尤其是露天开采的陡帮和高台阶开采形成的采矿境界面。采矿爆破会影响岩体结构，导致裂隙加剧和碎裂松散，增加变形崩塌等地质风险。矿区处于南方亚热带季风气候区，温度较高、雨量较大、光照强烈，加速了裸露岩面的自然风化，导致裸露岩体和松散堆渣的金属硫化物暴露面增多。在湿热的气候条件下，嗜酸和产酸性环境微生物活跃，加速酸蚀富含硫化物的废石堆渣、岩石裂隙，加重土壤基质酸化（罗琳等，2022）。

2 生态修复技术研究

2.1 生态修复模式研究

矿山生态修复目标是将已扰动矿区环境重建至满足某种社会需求的状态，恢复至近原生的或与周围自然环境相适应状态，使遭受破坏的生态系统逐步恢复至良性循环方向（姜月华等，2021；王旭东和尹峰，2021）。结合矿山扰动情况及立地条件等，基于恢复生态学原理，采用适宜的技术方法组合，尊重和顺应自然规律，实现矿山环境生态修复治理，避免单一的“改天换地”，尤其是“旧伤未愈，又添新伤”过度修复（孟猛和宗美娟，2010；陈博， 2017；白中科，2021）。

紫金山金铜矿以国家矿山公园规划为引导，本着以人为本的原则，对矿山破坏土地进行专业规划和设计，采用 3 种生态修复技术对不同类型工矿废弃地进行恢复治理，结合园林小品营造的手法，分别打造主碑矿山公园、副碑、一天门植物生态园、高尔夫练习场、游艇码头、湖洋坑农业生态观光园、肚子坑茶园、玫瑰园、樱花大道、标准足球场等景观节点，建成集游览、科普教育为一体的生态植物园区、铁观音茶园、蔬果种植园等。融合周边的森林景观资源和红色革命人文遗址，以工业体验旅游系统为纽带，串联打造了一个矿产资源开发与生态环境保护、废弃资源利用有机统一的“国家矿山公园”（图1）（闫德民，2015；张兆长等，2020；李积普等， 2021）。

2.2 松散堆渣边坡土壤改良技术

金矿尾渣、排土场、露天采场和铜矿堆场等形成的各类松散堆体边坡，渣体酸水浸出、养分极度匮乏、保水性能差，植物生长的立地条件极差（牛百强和张玉有，2022）。采用中和渣原位调和改良、生物基质改良、微生物改良等综合土壤改良技术，有助于全面改善矿区松散堆体边坡立地条件（图2）。

2.2.1 土壤中和渣原位调和改良

紫金山铜金矿堆浸废渣土壤 pH 平均值为 1.90，土壤存在很强的酸化能力，酸性调节是土壤环境改良的一个重要环节（刘珊珊和谢桂芳， 2016）。以往采用原位客土中和方式，但采剥客土会对周围生态环境产生二次“损伤”。此外，客土土壤 pH 值也较低，多属于酸性土壤，会影响中和效果。本次利用矿区的中和硫酸钙渣为基材，构建一种原位调和改良基质层，组分配比为（1 m³）：中和渣 80%~90%，微生物菌肥 5%~10%，有机肥 1%~5%。基质层 pH值介于 7.86~7.98，养分元素全氮含量介于 114~265 mg/kg，磷介于 148~265 mg/kg，钾含量介于 365~11074 mg/kg，有效氮含量为 17~33 mg/kg，有效磷含量 0.9~3. 0 mg/kg，有效钾含量 6.40~53.34 mg/kg（表1）。通过机械覆盖的方式，建立了一种高效的中和阻隔层，利用 Ca²⁺ 与重金属离子的拮抗作用，有助于抑制重金属元素迁移与转化，降低其危害。

a、c—松散堆渣边坡修复前； b、d—松散堆渣边坡修复后

浅表土壤pH值自2.78~5. 05上升至8.21~8.6，由酸性转为碱性，修复区的土壤酸化得到有效控制。另外，磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）等矿质营养元素成分明显增加，为植物生长提供良好的条件（图3）。

2.2.2 生物基质改良

土壤肥力条件是植物种群恢复和生态系统健康发育的基础，各类松散堆体多以强风化碎石渣土为主，质地结构条件差、养分元素极度缺乏。增施各类生物有机肥等，实现生物基质原位改良。生物基质组分包括鸡粪、猪粪、牛羊粪与谷糠等组分，经过一定腐熟处理，适当添加少量的磷镁复合肥。生物基质使用量为 80~200 t/hm²，磷镁复合肥使用量为 70~100 t/hm²。实践应用效果表明有效改善土壤理化性质，重构土壤环境，提升养分元素和有机质含量，快速恢复土壤的生产能力。

a—改良前； b—改良后

注：其中pH无量纲、SOC单位为%、其他为mg/kg。

2.2.3 微生物改良

由于该类松散堆渣边坡存在酸水渗出的现象，因此，在微生物改良的基础上，增施了生物修复菌剂，使用量为 1 g/m²，快速重建土壤微生物群落体系，有效的抑制产酸、嗜酸微生物活动，恢复土壤自净功能，强化土壤改良效果，加快土壤发育过程。同时，微生物细胞外部物理化学沉淀、表面吸附沉积和细胞内部新陈代谢等作用对土壤重金属元素污染进行解毒，通过微生物改良，有效降低土壤中重金属元素的污染，研究区表层的锌、铜、镉等重金属含量明显降低，因此，实践表明微生物解毒土壤重金属与生物基质并用可进一步强化微生物修复效果（程睿，2022）。

2.3 岩质边坡原位固化阻隔技术

露天采场采矿境界面因水土流失引发土壤立地条件不稳定，同时，既缺少植物生长所需的土肥水，又存在酸水渗出导致的土壤酸化问题。采用原位固化阻隔修复技术，修复工艺简单高效，能有效解决和遏制硫矿物氧化成酸性物质导致的酸化及污染问题，营造稳定的土肥水条件。

2.3.1 酸性裸岩原位阻隔修复

根据酸性裸岩污染和环境特征，利用碱性钝化剂、固结剂等固化阻隔材料，通过喷浆法对裸岩表面及裂隙中的酸性沉积物进行浸透式中和、钝化，同时对其进行固化封阻，防止持续氧化、酸化和污染物浸出。该材料以黏（砂）土为骨料，添加一定比例水泥、石灰及其他材料，固化阻隔材料的组分配比（1 m³）：砂土 35%~45%，氧化钙 5%~10%，水泥 10%~20%，聚丙烯酸钾 150~200 g，有机螯合剂 20~60 kg。采用喷射方式，喷射层厚度2~5 cm。阻隔材料的pH值为8.21~8.60，全氮含量为141~262 mg/kg，磷为 276~724 mg/kg，钾含量为 5994~9970 mg/kg，有效氮含量为7~36 mg/kg，有效磷含量为0.1~6.7 mg/kg，有效钾含量介于12.84~64.36 mg/kg（表2）。实践证实在边坡表面形成具有一定强度的固化阻隔层封阻了边坡表面，浅表土壤pH值自2.94~4.21上升至 8.36~8.56，由酸性转为碱性，说明土壤酸化得到有效控制，S 平均含量下降 80.85%，表层土壤富含硫酸根离子等酸化物质组分显著减少，有效阻挡边坡表面硫化物与空气及雨水接触，减少酸水的产出。 P、K、Ca、Mg 等矿质营养元素成分明显增加（图4）。同时水泥、氧化钙和水发生水化反应，在螯合剂的配合下有效固定边坡表面的重金属。

注：其中pH无量纲、SOC单位为%、其他为mg/kg。

2.3.2 防腐蚀挂网微生境营造

由于岩质边坡的立地条件较差，因此增加防腐蚀挂网营造微生境。由于岩质边坡坡度不同，对不同坡度边坡，差异化选择工艺流程，防止坡面水土流失。对坡度大于 45°边坡，沿裸岩坡面自上而下挂设生态棒，规格为φ100 mm×L2000 mm，生态棒填充饱满，沿坡面横向间隔 100 cm，沿坡面纵向间隔 80 cm、100 cm 进行锚杆固定，贴挂坡面厚度不低于 10 cm。沿裸岩坡面自上而下挂高强度塑包铁丝网，网孔 55 mm × 55 mm，铁丝网间搭接宽度≥10 cm，采用涂有防锈漆的 L型 12号螺纹钢进行锚固，锚杆长度25 cm，按2 m×2 m 布置，出露6 cm（图5a、图5b）。

a—改良前； b—改良后

2.3.3 干湿联合客土喷播

客土喷播是为高陡实质边坡营造植物快速生长的土壤基质层，将高分子凝结剂、纤维材料、保水剂、土壤等组成“客土”，利用团粒剂使客土粘合形成密实结构，重构一种可耐降雨侵蚀、透气且稳固、与自然土壤相近的生长条件。将由80%的耕植土、 15% 的稻壳、菌菇肥或有机肥、4% 的土壤调理剂及 1% 的复合肥、钙镁磷肥等组成有机营养客土，利用液压湿喷机或多功能喷浆机喷射形成基质层。对坡度大于 45°岩质边坡，喷射基质层厚不小于 8 cm，种子层 2~3 cm。坡度为 36°岩质边坡，在厚层状阻隔层（20~30 cm）上直接喷播种子层，厚度为 2~3 cm （图5c）。

2.4 立体近自然植物群落恢复技术

高陡岩质边坡由于立地条件较差，面临植被群落结构单一、自我繁殖和更替能力弱等问题（苏绘梦等，2017）。因此，植被群落配置的合理性是人工群落向自然植被演替的关键因素（张鸿龄等，2012），优先采用近自然植物群落恢复技术，是提高生态修复效果的关键。

2.4.1 植物配置选择

基于将采矿用地、空闲地和裸地恢复为林地和草地的目的，植物配置选择抗旱、抗风、抗寒、抗贫瘠、少病虫害等抗逆性能强，根系发达、固坡能力强的植物（王二朋，2015）。人工试验种植的树种和草种主要有：马尾松、天竺桂、胡枝子、月桂、爬山虎、葛藤、香根草、马尼拉草、百喜草、百幕达草、类芦、斑茅以及本地草种。

2.4.2 植物种植方案

植物种植采用草、灌、乔、藤相结合的方式，先种植可快速生长的草本植物，后种植乔木、灌木等生长周期较长的木本植物。先播撒马尼拉草 （Zoysia matrella），后种植香樟 （Cinnamomumcamphora）、紫薇（Lagerstroemia indica）、双荚决明（Cassia bicapsularis）、海桐（Pittosporum tobira）、桂花（Osmanthus fragrans）等。播种方案是将经过适当催芽处理的乔、灌、藤种子与草本植物种子及保水剂、胶粉、复合肥、植物纤维、水等进行混合喷播。为了增加植物群落的立地修复效果，采用栽植营养袋苗与播种方式，促进立体植被快速恢复，营养袋苗栽植方案是利用乔灌木种子在苗圃直接培育或利用地苗移栽两年袋苗，间隔栽植于经过原位土壤改良的平台沟道等。

草本植物的早期生长会迅速消耗土壤中的养分，不利于藤蔓和灌木的后期生长，因此，喷洒基材中草本植物的播种比例不宜高于藤蔓和灌木，否则会严重影响藤蔓和灌木的初始生长（彭东海， 2016）。随着复绿植被的生长发育，植被会逐渐改善高陡岩质边坡原有的立地条件，促进阴性植物的入侵、定居，进而提高高陡岩质边坡物种的多样性，构建自我演替的植被群落，最终达到在自然条件下长期自然生长的效果。

a、b—防腐蚀控网； c—客土喷播； d—植被抚育

2.4.3 植被抚育

植被抚育的关键和首要问题是充足的水分供给，采矿废弃地小气候条件差，自然降水不均匀，需要依靠微地形工程设施拦蓄以满足植被生长对水分的需要（图5d）。因此，在平台修砌蓄水池，铺设供水管网，采用节水型滴管或者喷灌借助重力作用对边坡植被系统进行有效灌溉，保障植被健康生长。

3 结论

（1）根据工矿废弃地边坡的基质类型、边坡形态和酸水浸出量，提出了 3 种酸性高陡边坡生态修复技术：对松散堆渣产酸边坡采用中和渣原位调和-生物基质-微生物改良技术，对岩质产酸边坡采用碱性钝化剂、固结剂等固化阻隔材料的原位固化阻隔技术；对无酸产出的中低斜缓的无酸产出的边坡采用近自然草、灌、乔和藤相结合立体植被群落恢复技术。

（2）修复区浅表土壤pH值自2.78~5. 05上升至 8.21~8.6，由酸性转为弱碱性，S 元素含量明显下降，平均下降超 80%，表层土壤富含硫酸根离子等酸化物质组分显著减少，说明土壤酸化得到了有效抑制，同时 P、K、Ca、Mg 等矿质营养元素含量增加，立地条件改善明显。

（3）利用园林小品营造的方法，将工矿废弃修复为主碑矿山公园、副碑、一天门植物生态园景观节点，融合周边的森林景观资源和红色革命人文遗址，构建生态修复与景观相融合的“国家矿山公园” 的模式，提供了矿产资源开发、生态修复保护和废弃资源利用的协同的生态修复工业实践案例。

参考文献