【正文】 中國地質(zhì)調(diào)查局項目設(shè)計書 潼關(guān)金礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù) 試驗研究 總體設(shè)計 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心 長安大學(xué) 地質(zhì)調(diào)查研究院 2021 年 4 月 25 日 潼關(guān)金礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù) 試驗 研究 總體設(shè)計 任務(wù)書編號 ： 水 [2021]03008002 項 目 編 碼 ： 1212021140024 實施 /承擔(dān) 單位 ： 長安大學(xué) 地質(zhì)調(diào)查研究院 項目負(fù)責(zé)人 ： 易 秀 編 寫 人 ： 易 秀 姜 凌 賴?yán)と? 謝 娟 徐 斌 單位負(fù)責(zé)人 ： 裴先治 單位技術(shù)負(fù)責(zé)人 ： 裴先治 提交 單位 ： （蓋章） 提交 時間 ： 2021 年 4 月 25 日 第一章 前言 項目概況 項目來源：青藏高原礦產(chǎn)資源開發(fā)地質(zhì)環(huán)境影響調(diào)查與評價 ； 任務(wù)下達(dá)單位 ： 中國地質(zhì)調(diào)查局（ 1212021140024） ； 項目名稱：西北地區(qū)典型礦山地質(zhì)環(huán)境治理關(guān)鍵技術(shù)協(xié)作單位：長安大學(xué) ； 任務(wù)分工： 污染農(nóng)田土壤重金屬修復(fù) 、 尾礦渣場復(fù)墾還田 農(nóng)作物種植安全性 試驗 研究。 目的任務(wù) 礦產(chǎn)資源開采是迄今最大規(guī)模改變地球表面景觀和破壞地 表生態(tài)系統(tǒng)的有組織的人類活動。中國現(xiàn)有國營礦山企業(yè) 8000多個，個體礦山企業(yè)達(dá)到 23萬多個。如此大規(guī)模的礦山開采對土地和環(huán)境的破壞是驚人的。據(jù) 2021年統(tǒng)計，全國礦區(qū)累計被破壞的土地達(dá) 2. 88106km2，并且每年以大約 467 km2的速度增長，使本已稀缺的土地資源呈加速減少的趨勢。礦山資源的開采，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)退化與環(huán)境污染，尤其在金屬礦的開采中造成了礦山企業(yè)周邊地區(qū)土壤的嚴(yán)重污染。隨著國內(nèi)外工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量呈快速上升趨勢 ,但與之對應(yīng)的生產(chǎn)工藝落后，對尾礦以及金屬冶煉過程產(chǎn)生的廢 棄物處置不當(dāng)，造成礦區(qū)周邊地區(qū)大氣、水及土壤環(huán)境污染的現(xiàn)象普遍發(fā)生，部分地區(qū)大面積土壤退化、糧食減產(chǎn)、品質(zhì)下降，土壤生態(tài)系統(tǒng)原有的生態(tài)平衡也遭到不同程度的破壞。 我國人多地少，耕地資源十分貧乏，充分利用礦區(qū)復(fù)墾地便顯得十分重要。土壤是世界萬物之源，人類生存之本。土壤環(huán)境遭到破壞或是受到污染無疑會給土壤的生態(tài)功能帶來影響，甚至可能使土壤系統(tǒng)崩潰、功能喪失。土壤環(huán)境是植物生長的基地，通過植物的吸收、積累作用可降解土壤中的污染物質(zhì)，但同時也可能將污染物轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后可能通過食物鏈的形式進(jìn)入人體，從而危及人體 健康。在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中，土壤的改良是首先需要解決的問題，也是核心問題。 我國在上世紀(jì) 80年代初開始至 90年代煤礦造地復(fù)田綜合治理研究，提出了矸石充填復(fù)墾、粉煤灰充填復(fù)墾和挖深墊淺 3種復(fù)墾技術(shù)。利用廢棄物料充填復(fù)墾形成農(nóng)田往往需要較高的投入，甚至由于二次污染等問題而不可行。由于煤礦廢棄物中含有多種重金屬元素，矸石、粉煤灰充填復(fù)墾有可能引起土壤污染；而且這些重金屬污染對土壤基本是一個不可逆的過程，重金屬進(jìn)入土壤后很難通過自然過程得以從土壤環(huán)境中消失或稀釋，對生物體的危害和對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響 不容易恢復(fù)。 中國礦區(qū)受損土地的恢復(fù)相當(dāng)緩慢， 相比較而言，對于土壤污染修復(fù)的方方面面，研究工作還處于初步發(fā)展階段，以前人們更多關(guān)注的是顯性的水、大氣的污染， 但其比例在逐年提高。在上世紀(jì) 80年代初得到恢復(fù)的礦區(qū)廢棄地只有 %~ %，到了 80年代末提高到了 2%， 90年代初增至 %， 1994年已達(dá)到 %。 1994年得到修復(fù)利用的礦區(qū)土地面積是 1992年和 1993年的總和，占全國在 1987至 1995年期間共修復(fù)土地的 %。 20年之后，采礦占用、破壞土地 743萬 hm2，每年遞增 4萬 hm2，但礦 山土地復(fù)墾率仍不足 10%；我國大型金屬礦山進(jìn)入集中閉坑期： 26%銅礦、 40%鉛鋅礦已經(jīng)閉坑或接近閉坑，如果不進(jìn)行復(fù)墾或修復(fù)，會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。 近年來國家和政府也日益高度關(guān)注土壤污染的治理工作，但有關(guān)礦區(qū)污染土壤的修復(fù)與生態(tài)恢復(fù)工作仍存在一些具有挑戰(zhàn)性的問題，包括技術(shù)方法、資金配套等。如果由各種原因所造成的土地破壞總量的一半能被恢復(fù)并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，那么中國每年的糧食產(chǎn)量會提高幾百億 kg?？梢?，礦區(qū)復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量的改良、土地的生產(chǎn)力的恢復(fù)和土壤生態(tài)系統(tǒng)健康對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)以及區(qū)域社會 經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實意義。 本研究區(qū)位于小秦嶺金礦區(qū)帶西段北坡的靈寶市和潼關(guān)縣接壤的中低山地區(qū)以北的山前沖洪積斜塬區(qū)、黃土溝壑臺塬區(qū)，面積約 300 km2。金礦選冶活動，尤其是混汞 浮選法及小汞碾、小氰化、小浮選等 “ 三小 ” 提金活動，廢水、廢渣及冶煉廢氣的無序排放造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染及環(huán)境效應(yīng)，造成大量農(nóng)田棄耕。周邊農(nóng)田土壤質(zhì)量惡化，生產(chǎn)的 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)下降，糧食安全受到威脅，制約了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，成為建立和諧社會的瓶頸。針對上述現(xiàn)狀，通過開展野外調(diào)查和大量田間試驗，提出一套適合于該 礦區(qū) 廢棄尾礦渣場 復(fù)墾還田熟化 及重金屬嚴(yán)重污染 農(nóng)田 質(zhì)量恢復(fù) 的綜合技術(shù)體系方案，從而使礦區(qū)污染土壤的質(zhì)量得到根本性地改善，并以期獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益。 本項目通過對現(xiàn)有金礦開采區(qū)及加工區(qū)的各環(huán)境要素分析與評價，利用國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可且經(jīng)濟(jì)有效的 農(nóng)業(yè)栽培 土壤熟化、營養(yǎng)化 技術(shù)及廢棄地工程處理技術(shù)，將現(xiàn)有礦區(qū)壓占 廢棄地 和污染的 農(nóng)田 改造 為 適合于農(nóng)業(yè) 耕種的 優(yōu)質(zhì)良田， 對其耕地質(zhì)量變化趨勢和農(nóng)作物種植安全 性 進(jìn)行長期監(jiān)測，以期為類似礦區(qū)重金屬污染土壤防治提供示范和借鑒。 研究區(qū)范圍 研究區(qū) 位于關(guān)中平 原東端 的潼關(guān)縣 ， 覆蓋了陜西省 潼關(guān) 縣全部地區(qū)及河南省靈寶市與潼關(guān)接壤的西部地段 ， 經(jīng)緯度范圍 為： 經(jīng)度 110176。08′00″~110176。29′00″； 北緯 34176。23′00″~34176。38′00″， 面積約 445km2。潼關(guān) 縣北臨黃河 ， 與 山 西省隔河而望 ； 東北接大荔 ， 以渭水為界 ； 南依秦嶺 ， 與洛南相鄰 ； 西接華陰市 ； 東與河南省靈寶市 接壤。 區(qū)內(nèi)交通便利 ， 隴海鐵路橫貫東西 ， 同蒲線北連山西 。 與隴海鐵路線平行的西安 潼 關(guān)高速公路由此進(jìn)入河南 。 黃河大橋為秦晉連接通道 。 鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間有縣級公路 、 簡易公路相連 。本 項目研究 主要區(qū)域位于 潼 關(guān)縣境內(nèi) （ 圖 11） 。 圖 11 研究區(qū)概圖 第二章 研究現(xiàn)狀 國 內(nèi) 外研究概況及進(jìn)展 礦山生態(tài)恢復(fù)研究可以追述到 20世紀(jì)上半葉 ， 其主要內(nèi)容是研究如何對一采礦業(yè)和開采地下水造成的各種塌陷環(huán)境進(jìn)行生態(tài)恢復(fù) 。 隨著歐洲工業(yè)革命的進(jìn)一步推進(jìn) ， 使得人類對資源的要求和開發(fā)的規(guī)模急劇增長 ， 在輕率地進(jìn)行開發(fā)和獲得直接效益中 ， 基本沒有考慮對土地的破壞 ， 致使土地污染破壞程度由個別發(fā)展現(xiàn)象 轉(zhuǎn)變?yōu)?普遍現(xiàn)象 。 這一現(xiàn)象最早在歐洲出現(xiàn) ， 盡管部分有識之士對此提出異議 ， 但并未引起重視 。 直至 1966年 ，英國南威爾士阿貝芬發(fā)生了一場災(zāi)難才引起 了人們的極大關(guān)注 ， 它使人們更清晰地認(rèn)識到對礦業(yè)廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的重要性 。 一些發(fā)達(dá)國家，特別是礦區(qū)較多的澳大利亞、 德國、美國等國家較早開展了礦區(qū)土地修復(fù)的相關(guān)研究。經(jīng)過 20多年的發(fā)展，礦區(qū)土地修復(fù)研究逐漸成為世界各采礦大國的熱點研究課題。 Anthony對未被嚴(yán)重破壞和污染的礦區(qū)土壤進(jìn)行了自然恢復(fù)的研究，結(jié)果表明在不進(jìn)行人工影響的情況下，礦區(qū)被破壞的土壤可以進(jìn)行自我恢復(fù)。但是，由于大部分礦區(qū)污染較嚴(yán)重，僅僅靠土壤自然恢復(fù)時間太長，效果也不很明顯。為了促進(jìn)廢棄土地快速演化和土壤培育，消除污染，改善土壤環(huán)境質(zhì)量， 目前在國外礦區(qū)土壤修復(fù)方面研究較多的是土壤重構(gòu)。土壤重構(gòu)研究主要集中生物種類與活性、土壤理化性質(zhì)與礦物學(xué)特性、土壤重構(gòu)研究新技術(shù)的使用等三個方面。 世界各國根據(jù)自身情況和技術(shù)水平 ， 其生態(tài)恢復(fù)側(cè)重點各不相同 ， 表現(xiàn)為 ： 歐洲由于工業(yè)資源的過度開發(fā)而側(cè)重于礦山廢棄地的恢復(fù) ； 北美洲則側(cè)重于水體和林地恢復(fù) ；新西蘭和澳洲則由于其畜牧業(yè)而側(cè)重于草原管理與恢復(fù) ； 中國則由于人口眾多而強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)綜合利用和農(nóng)業(yè)復(fù)墾 （ 任海等 ， 2021； 趙曉英等 ， 1998)。 我國學(xué)者在礦區(qū)廢棄的生態(tài)修復(fù)工作方面進(jìn)行了大量工作，主要研究方向包括以下方面。 （ 1）礦山廢棄地復(fù)墾 我國金屬礦山廢棄地大規(guī)模有組織的復(fù)墾工作起步較晚，而目前近 2 /3的礦產(chǎn)資源處于中后期開采階段或接近枯竭，在未來的幾十年將有不少礦山關(guān)閉，大量的廢棄地需要復(fù)墾。何書金和蘇光全篩選出了影響礦山廢棄地復(fù)墾潛力的自然和社會經(jīng)濟(jì)條件方面的 4類 14個亞類因子，并劃分為 6個等級，為全國礦山廢棄地復(fù)墾潛力的評價及礦山廢棄地的有效合理利用提供了參考。中澳礦山廢棄物研究管理項目是原中國有色金屬工業(yè)總公司和澳大利亞在環(huán)境保護(hù)復(fù)墾領(lǐng)域的首次技術(shù)合作項目。 19931997年該項目按綜合性系統(tǒng)工程開展尾礦庫 復(fù)墾研究，研究內(nèi)容包括庫區(qū)復(fù)墾設(shè)計、無土建立植被、壩體穩(wěn)定性研究、復(fù)墾區(qū)社區(qū)發(fā)展、復(fù)墾政策與指南等專項。我國一些已取得較好成果的金屬礦山廢棄地復(fù)墾的案例見表 21。 表 21 我國部分金屬礦山廢棄地復(fù)墾實例 礦山或治理者 復(fù)墾任務(wù)及效果 中國鋁業(yè)貴州 分公司第一鋁礦 19982021 年以來，開展了大規(guī)模自行復(fù)墾活動，植樹 萬株 , 排土場復(fù)墾面積 萬 m2，采空區(qū)復(fù)墾 m2，礦區(qū)荒山、坡地復(fù)墾綠化 m2。廢棄排土場、采空區(qū)植被覆蓋率達(dá) 80. 7%。 孝義鋁土礦， 平果鋁業(yè)公司 鋁土礦 采場、排土場復(fù)墾 18萬 m2， 復(fù)墾率 74%。將工程復(fù)墾與生物復(fù)墾有機(jī)結(jié)合，建立了剝采、排土與復(fù)墾聯(lián)合新工藝，獲得有色金屬協(xié)會科技進(jìn)步二等獎。 銅陵有色集團(tuán)公司 五公里尾礦庫復(fù)墾，建立了 13 hm2無土植被，提出了 “兼綠地與建筑用地為一體 ”復(fù)墾模式。 中條山有色金 屬集團(tuán)公司 毛家灣尾礦庫復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用地，研究了尾沙覆蓋方法、尾沙改良熟化措施： 用少量黃土與尾砂混合覆蓋，改良了尾沙結(jié)構(gòu) , 是一種經(jīng)濟(jì)有效的復(fù)墾方法。 廣東樂山鉛鋅礦 在尾礦廢棄地上鋪蓋厚約 20 cm垃圾及 20kg /m2石灰 , 提高 了尾礦 pH 值，降低了電導(dǎo)率，有效防止了下層尾礦的酸化， 植物生長良好。 銅陵獅子山礦，銅陵有色集團(tuán)公司 水木沖尾礦庫無土植被邊坡穩(wěn)定技術(shù)研究，成功應(yīng)用在共 6期后期壩的護(hù)坡上。在控制壩坡水土流失、邊坡汛期險情上取得良好效果。 （ 2）廢棄地重金屬污染的植物修復(fù) 植物修復(fù)技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的土壤修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)可分為植物提取、植物揮發(fā)、根際過濾和植物固定 4種類型。一般將前三者統(tǒng)稱為去除過程，而將后者稱為穩(wěn)定過程。與覆蓋土壤、物理和化學(xué)處理方法相比，植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、 原位修復(fù)、不造成二次污染 等多種優(yōu)勢，因而成為國際范圍的研究熱點。我國近來在這方面的研究也取得了一定成果，針對不同的重金屬，篩選出了對應(yīng)的高富集植物。如對于 Pb，超富集或富集植物有羽葉鬼針、土荊芥、印度芥菜、雙穗雀稗、雀稗、芥菜、銀合歡等；對于 Cd，有龍葵、小白菜、結(jié)球甘藍(lán)、印度芥菜等；對于 As，有蜈蚣草、大葉井口邊草等；對于 Cu，有鴨跖草、印度芥菜、密毛蕨等；對于 Zn，有東南景天、大葉相思、印度芥菜等；對于 Hg有加拿大白楊幼苗等。 （ 3） 再造耕作土， 改善礦山廢棄地土壤肥力 ，加速土壤熟化 由于 廢棄尾礦渣場表面缺乏耕作土，因此復(fù)墾還田 的第一步就要再造耕作層。對于新建的耕作層有機(jī)質(zhì)、 氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì) 缺乏 ，是植物生長的限制因子之一， 很多學(xué)者用化肥、有機(jī)廢棄物和固氮植物 （ 如豆科植物 ） 改良土壤的營養(yǎng)狀況來解決這類問題。一是 種植豆科牧草 。 主要是用來增加土壤養(yǎng)分，加速土壤熟化。首先種植豆科灌木或牧草（ 有固氮作用），然后將植物（ 有機(jī)物）通過多種方法歸還土壤，如綠肥壓青、 秸稈 還田。通過如此循環(huán)來提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，加速土壤熟化和土壤改良速度。 二是 加入食用菌廢料。食用菌廢料中含有許多植物需要的營養(yǎng)物質(zhì)，其中殘留的菌絲體在其生長發(fā)育過程中能分泌出一些酶 ，可以促進(jìn)生化反應(yīng)，因而能從復(fù)雜的有機(jī)物中釋放出更多的易被植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，并能起到活化土壤的作用，能為多種土壤微生物提供生長基質(zhì)，所以是很好的土壤改良劑。 另外 有機(jī)肥對多種污染物在土壤中的固定有明顯的作用。 如 紅壤種上綠肥紫云英后 ， 鎘在土壤溶液中的含量明顯減少。適量施用有機(jī)肥可以防止作物的汞污染，降低汞的遷移能力。但有機(jī)肥對各種污染物的作用在不同的土壤中表現(xiàn)不一，因