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矿山生态修复(矿区生态恢复工程遵循的原理)

矿山生态修复(矿区生态恢复工程遵循的原理) 矿山生态恢复原理与技术

根据国际生态学会提出的定义,主态恢复是一门有助于研究生态整合的恢复与管理过程的科学。生态整合包括广泛的生物多样性、生态过程和结构、区域和历史条件以及可持续的社会实践。

从生态学角度看,矿山是一个由资源、环境、经济和社会组成的复杂生态系统。矿山生态环境问题几乎伴随着矿业发展,尤其是伴随着我国社会经济的快速发展。多年的无序开采对环境造成了严重污染,使其生态环境严重偏离自然状态。

一、生态修复原则

矿山生态恢复的生态学原理是生态演替理论,即生态系统从一种类型到另一种类型的有序变化过程。其核心原则是整体性原则、协调平衡原则、自我生成原则和循环利用原则。根据生态演替理论,矿山植被恢复过程始于先锋植物的引入,经过一系列演替阶段,最终达到中性顶极群落。在自然状态下,生态自然恢复是一个相对漫长的自然演替过程。而人工生态修复则通过人为调节植被组成,辅助一些管理措施,可以快速改善生态环境,从而加快生态修复进程。在具体的恢复过程中,应用了许多生态学理论,包括:限制因子原理、热力学定律、种群密度制约和分布格局原理、生态适应性理论、生态位原理、演替理论、植物入侵理论、生物多样性原理、斑块-廊道-基底理论等。通过这些生态学理论的应用,可以消除干扰,恢复极度退化的生态环境,提高退化土地的生产力,合理利用和保护现有的生态系统,维持其服务功能。

二、矿山生态恢复的具体措施

根据生态学原理,矿山生态恢复主要是通过排除干扰,加速生物组分的变化,加速生态演替的进程,使退化的生态系统恢复到理想状态。具体措施包括:

(A)改善土壤基质

矿山生态恢复最重要的限制因素之一是土壤中重金属的毒性和养分缺乏,而氮的极度缺乏是养分缺乏的核心问题。因此,土壤基质的改良成为矿山生态恢复的首要条件。

生物改良主要是利用植物、土壤微生物和土壤动物来改善土壤的理化性质。

植物可用于稳定或提取矿区土壤中的重金属,并从土壤基质中去除有机污染物。植物稳定化,即利用植物根际的一些特殊物质,将土壤中的污染物转化为相对无害的物质。植物提取是目前研究最多、最有发展前景的方法。它主要是利用超积累植物对重金属的吸收作用,改善土壤的理化性质,将重金属从地下转移到地上部分(包括根茎),然后收获地上部分进行集中焚烧、堆肥或金属冶炼。植物富集重金属的能力通常来源于对这种环境的长期适应和自然演替。近年来还发现有一些所谓的“超富集植物”。这些植物不仅对重金属环境有很强的适应性,而且体内重金属的浓度是普通植物的几十倍甚至上百倍。用这些植物修复重金属污染的土地,经过几次收割,土壤中重金属含量明显下降。

土壤是指在土壤中生活了一段时间,对土壤有一定影响的动物,主要包括原生动物、线性动物和环节动物。动物是土壤物质循环的驱动力。大量的土壤动物可以通过食物链形成食物网,参与土壤中氮、碳、磷、硫等植物养分的循环,这是有机质代谢和污染物降解的驱动力,还可以改善土壤的物理结构,提高土壤的通气保肥能力。一些土壤动物对重金属有很强的富集能力,可以降低土壤的毒性。如发现蚯蚓对铜矿床中铜元素有很强的富集能力,在体内可达82.5 ~ 1218.4 mg/kg组织。因此,可以将蚯蚓接种到尾矿废弃地中,使矿山废弃地中的有害元素富集一定量,然后通过化学方法将蚯蚓取出,进行适当处理,去除有毒物质,从而达到去除有毒物质的目的。

(2)植被品种的选择

根据生态恢复规划,植被品种的选择是矿山生态恢复成败的关键因素之一。与附近的农田和绿地相比,矿山生态修复用地的环境因子发生了较大变化,其土层较薄,土壤质量较差,微生物活性较差。面对如此恶劣的种植条件,快速实现植被的高覆盖度尤为困难,这就使得选择植被品种变得更加重要。

根据矿山的自然环境、气候和土壤条件,植被筛选应着眼于植被品种的短期表现,兼顾其长期优势。首先,广泛调查适宜的植被品种资源,筛选可行性好的品种,并在实验室进行抗逆性筛选。成功的候选人参加田间小区模拟人脸测试,表现最好的进入生态修复工业实验。筛选的总原则是:生长快、抗逆性强、适应性好、根系发达;种植容易,种子萌发力强;选择优先固氮植物;本地优良品种优于国外速生品种;先锋植物应落叶丰富,易于分解,以便迅速形成柔软的枯枝落叶层,提高土壤的保水保肥能力;树种选择应突出生态功能,弱化经济价值。

我国各矿山生态修复的适宜植被差异较大,但一年生豆科植物、一年生和二年生禾本科植物往往是首选物种,因为这两类植物大多生命力顽强,耐瘠薄,生长迅速。豆科植物可以在受污染的土壤中生长,并进行有效的固氮,这大大增加了土壤中氮的积累。特别是一些一年生豆科植物茎瘤、根瘤生长速度快,能耐受有毒金属和低营养水平,富含有机质和氮、磷、钾等营养元素,能为后茬作物提供各种有效养分,改善土壤理化性质,加快矸石风化速度。因此,它是一种理想的先锋植物,可以加速人工生境的生态演替。豆科是植物界中最大的类群之一,是第三大科,约有600属18000种,为筛选和培育适合不同地区、不同类型矿山生态修复的耐受植物物种提供了优越条件。禾本科植物中,狗牙根的应用最早也最广泛,而香根草和百喜草的耐酸、耐瘠薄、耐重金属能力强,也非常适合矿山的生态修复。

草和豆科草本植物大多只是恢复过程中的先锋物种。根据生态学原理,物种多样性是生态系统稳定的基础。结合乔、灌、草、藤的多层配置,进行多植被套种、套种、混种,这种效果肯定比单一物种或几个物种好,因为前者能为适应环境变化提供比后者大得多的生存机会,能产生稳定得多的生态系统。因此,除了禾本科和豆科植物外,其他种类的植物(包括茄科和刺槐、沙棘和柠条)应该种植在一起,形成一个多物种的生态系统。同时可以从生物工程的角度选择优良品种,即通过转基因和基因突变培育出适合矿区恶劣环境生长、恢复效果好的新品种。

第三,结论

矿山要完全或基本恢复到开发前的原始状态,特别是生物多样性要达到原始水平,难度相当大,或者需要很长时间。许多地雷的基体已被严重损坏或污染。即使采取各种改良措施,也无法形成适合现有植被或生态系统的栖息地,必然会减缓恢复速度或形成新类型的植被或生态系统。其中草原(牧场)、森林或农田最常见,因为这些最容易,最便宜。

生态恢复应与采矿活动同时进行。根据不同开采时期的技术特点和自然环境,及时制定相应的生态修复方案,尽可能避免或减少对环境的破坏,实现开采与生态修复的一体化。从而促进矿业经济增长方式的转变,从源头上有效控制矿区生态环境问题。

 
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