南太湖沉积岩芯中金属和营养元素的垂向分布特征及其意义

1、大宝山矿水外排的环境影响：. 综合治理对策林初夏1, 2，黄少伟3，童晓立1，卢文洲1，谭志远4，吴永贵1，聂呈荣1，徐颂军51. 华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；2. School of Environmental Science and Management, Southern Cross University, Lismore, NSW 2480, Australia；3. 华南农业大学林学院，广东 广州 510642；4. 华南农业大学农学院，广东 广州 510642; 5. 华南师范大学地理系，广东 广州 510631摘要：大宝山外排酸性矿水对下游水生生态系统及周

2、边农村地区农业生态系统带来严重影响，并可能已危及当地人民的健康。文章根据大宝山矿所在地区的实际情况，对大宝山矿区及周围地区生态退化和环境污染的综合治理途径进行探讨，提出：（1）必须走系统整治的路径才能做到既治标又治本；（2）治理污染源是整个治理方案的关键环节；（3）为了使深受污染之害的矿区周边人民尽快脱离危险，近期最迫切的治理地段是受矿水严重污染的农田，尤其是重污染区-上坝村；（4）在治理方法上，必须将化学治理、生物治理与工程治理相结合；（5）为了更好地实施各项治理工程，可考虑运用经济杠杆，以便有效地筹集足够的矿山治理资金；（6）着眼于未来更严格的环境质量标准，建立水质的生物预警系统；（7）目

3、前制约大宝山矿地区生态环境治理的主要瓶颈之一是缺乏适合中国国情的高效低投入治理技术，政府应考虑提供研究经费支持相关的应用基础研究和技术开发，以便能加快治理的步伐。关键词：酸性矿水外排；生态退化；环境污染；治理；对策中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）02-0173-05前两文1, 2的研究结果表明：大宝山外排酸性矿水不但对下游水生生态系统造成了强烈的破坏作用，也给周边农村地区农业生态系统带来了严重的负面影响，并可能通过食物链危及当地人民的身体健康。本文根据大宝山矿所在地区的实际情况，结合已开发的部分酸性矿山治理技术3和重金属污染土壤修复技术，对全方

4、位综合治理大宝山矿区及周围地区生态退化和环境污染的问题进行探讨。1 走系统整治的路径大宝山矿区生态退化和环境污染问题包括三大方面：（1）矿区污染源地管理不善。如果不采取有效的措施，废矿土(石)所含的金属硫化物将在未来的几十年甚至几百年里不断氧化产酸，并向下游排放富含重金属酸性矿水。（2）受外排矿水污染的河流水生生态系统遭受严重破坏。大宝山矿区外排酸性矿水主要源自矿区南侧的拦泥库。修建该拦泥坝的目的是为了防止随山洪从山顶排土场下移的泥土流入翁江支流横石水河。目前大量堆积土从山顶的排土场下移并且覆盖了整个谷底。由于土壤呈强酸性，植物无法自然定居，因而形成了一条由山顶延伸到拦泥库的弃荒地带，水土流失

5、十分严重。目前拦泥库严重淤积，导致水位高于大坝坝顶高程，强酸性矿水常年漫过坝顶流入横石水河，导致几十公里长受污染河段无肉眼可见水生生物。（3）用矿水灌溉农业土壤重金属污染严重，产出的农作物重金属含量大大超标，对食用这些农产品的当地农民的身体健康造成严重威胁。由此可见，大宝山矿区生态退化和环境污染的治理是一项系统工程，用简单的治理措施进行局部治理是不可能取得完满的结果，相反可能造成资源的重复浪费。因此，从长远来说，必须统一规划，根据各个治理任务的迫切程度，有步骤地依此推进实施。2 污染源治理是关键酸性矿水外排是含金属硫化物矿山环境污染的焦点所在4。要从根本上治理酸性矿水外排的问题，重点应该放在污

6、染源地，即（1）如何抑制污染源土壤/风化物/岩石中金属硫化物的氧化（即由潜在酸变为实在酸）；（2）如何有效消除土壤中已产生的酸性物质；（3）如何有效控制水土流失，减少外排水量。大宝山矿区的含金属硫化物的污染源土壤具有下列特征：（a）呈强酸性反应并随时间推移而不断释放出新的酸性物质（通过金属硫化物氧化）；（b）土壤有机质含量低；（c）土壤结构不良；（d）土壤保水性能差；（e）土壤肥力差，尤其是作为植物主要营养元素的氮含量低，磷的有效性也因土壤呈强酸性而大为降低。因此，污染源土壤分布区因植被无法自然定居而长期处于弃荒状态，加之地处亚热带高温多雨环境，水土流失十分严重。目前最突出的环境问题是由矿区南

7、侧拦泥库向下方翁江支流横石水河排放酸性矿水。拦泥库上方的山谷与山顶排土场相连，大量堆积土在重力和山洪的作用下向下移动并且覆盖了整个谷底，形成了一条由山顶延伸到拦泥库的弃荒地带。目前拦泥库严重淤积，导致水位高于大坝坝顶高程，强酸性矿水常年漫过坝顶流入横石水河。若此状况不尽快治理，拦泥库淤积势必加快而导致库容进一步缩小。解决拦泥库向下方横石水河排放酸性矿水的问题，关键在减轻拦泥库上方弃荒地带的水土流失。因为如果水土流失得到控制，一方面减缓拦泥库的淤积，另一方面又减少流入拦泥库的酸性矿水水量。加之，为了在弃荒地带恢复植被覆盖，首先必须改良土壤，降低土壤酸度，从而起到降低土壤排出水酸度和重金属元素浓度

8、的作用。通过这些措施，把污染源控制与废弃地的生态恢复/生态建设有机地结合起来,一举两得。然而，由于拦泥库周边的一些“民采”小矿曾将其尾矿堆放在库边以至排入库内，由这些小规模废矿区排出的酸性矿水也可能是排入横石水河酸性矿水的一个重要组成部分。所以，同时对这些小规模废矿区进行治理十分必要。3 受矿水污染农业土壤的修复受外排矿水污染的农用地，直接关系到矿区周边地区人民的健康。因此，污染农田的治理是近期最迫切的任务。因为很多用酸性矿水灌溉农业土壤受污染程度极为严重，即使是在污染源头治理好，灌溉水不再含有毒物质以后，如果不对其进行处理改良，残留在土壤中的重金属将在相当长一段时间内通过食物链继续危害当地人

9、民，达不到治污的真正目的。从本论文系列的第2篇2可见，若以国标土壤环境二级标准为基准点，受大宝山矿水污染的耕种土壤主要以Cd、Zn、Cu等污染为主。在土壤修复方面，宜采取先植物修复后化学修复的路径。因为若先进行化学修复，由于重金属的活性降低从而影响重金属超积累植物吸取重金属的效率。当然，为促进重金属超积累植物的生长和充分发挥其超积累重金属的机能，适当的土壤改良是必要的。研究表明，对酸性污染土壤，进行适当的酸中和并增加土壤肥力既能大大增加重金属超积累植物的生物量，又能使其保持较高的对重金属的吸取能力22。在利用重金属超积累植物去除部分重金属后，接着通过化学修复技术，降低土壤重金属的活性，达到抑制

10、作物吸收重金属的目的，减少作物体重金属含量。另一方面，通过逐步改变作物构成，从目前以生产食用作物为主逐步向以生产经济价值高有市场前景的非食用作物，如能源作物。这样，一方面增加农民的收入，使农民可以通过向外购买食物，降低因食用重金属污染粮食、蔬菜和作物果实而可能带来的健康风险。4 化学治理、生物治理与工程治理相结合对大宝山污染源土壤进行治理和改良需要全面考虑诸多因素，才能保证酸性矿区生态恢复/建设的快速性和永久性。首先, 这类土壤不但含已产生的酸性物质而且还含有潜在的酸性物质(即金属硫化物)。所以，在考虑对土壤施用酸中和材料时，不能照搬用石灰改良一般酸性土壤的方法。因石灰微溶于水，在华南地区高温

11、多雨的环境下，添加的石灰可能在大部分储存在土壤中的金属硫化物尚未完全氧化之前就已经被雨水淋掉了，随后土壤又开始发生酸化，导致已经生长起来的植物又面临生境威胁。所以，在施用石灰的同时，加入其它低移动性的酸中和物质组分如赤泥（从铝土矿提炼氧化铝过程中所产生的工业废渣）所含的去质子化两性胶体,可以达到既有效地中和现有的土壤酸度又能抑制未来因金属硫化物进一步氧化而产生的土壤再酸化5。矿坑和废矿土/石堆（俗称排土场）是大宝山矿最重要的污染源地6，但矿坑与排土场土壤有明显差异，应区别处理。矿坑一般土层浅薄、酸性强、蓄水力极弱。因此，大部分雨水落地后迅速以地表径流形式向下流动，造成酸性物质从矿坑向下游迁移。

12、传统上，治理矿业废弃地多采用客土法（Capping）7，即从异地运来好土铺盖在废弃地上面，并种植植物，逐步建立植被覆盖层。但是，此方法通常造价高，而且仅适合于硫化物含量低、酸度小的矿业废弃地。对于富含硫化物的废矿区，成功率一般较低8。由于该矿矿坑表土酸性强并具有再生酸性物质的巨大潜力，为了有效和持久地根治酸性矿水外排的问题，必须辅以合适的土壤/风化物化学处理措施。首先必须添加酸中和剂消除已形成的酸性物质并抑制硫化物的进一步氧化和新酸性物质的产生。消除已形成的酸性物质可用快速反应酸中和剂如熟石灰；而抑制硫化物的进一步氧化和新酸性物质的产生则宜采用慢速反应酸中和剂如BauxsolTM9。可在铺盖客

13、土之前，将酸中和剂撒播在矿坑表面。根据所取得的化学分析结果，该矿区有一部分堆放在排土场的废土仅含极少量的硫化物，pH值也较高，可就近用作矿坑的覆盖土。通过施用城市污泥等方法提高土壤肥力10，种植一些耐酸和重金属毒性的植物品种，逐步建立起新的生态系统。排土场土壤通常较疏松，土层深厚且金属硫化物含量较低。这类土壤的处理可直接用酸性矿山土壤复合添加剂3与表土混和，为植物创造合适的生长条件。基于降低治理费用的考虑，矿山土壤的化学改良只能局限于土壤表层。因此，需要通过种植速生先锋草本植物如香根草、糖蜜草等，以便快速建立草本覆盖层促进表土“耗氧层”的形成，这样可减少流向心土层的空气量，抑制其所含硫化物的氧

14、化，从而大大节省对污染源进行化学处理的费用。此外还需考虑运用生物工程技术筛选驯化耐酸固氮微生物和耐酸菌根真菌，并按最优化比例混接来改善矿区土壤的理化性质，促进植物对营养的吸收和抵抗污染物的能力。恢复地带性的亚热带森林生态系统是使华南矿山弃荒地达至最佳生态平衡状态的必由之路。虽然，在草本植物覆盖层形成后，心土层中的硫化物氧化可因植物根系呼吸和土壤有机质分解耗氧而减缓，但心土层随时间推移而进一步酸化仍然可能。因此，采用加速地带性木本植物根系向土壤深部发育的技术方法，有利于植物根系躲避酸性环境，从而使植物顺利生长。很多亚热带地带性木本植物耐旱能力不强，使用保水剂可帮助移植树苗度过移植初期可能出现的水

15、分胁迫状况11,12。通过高强度改良土壤促使植被恢复在技术上虽然可行，但因为费用太大而不符合中国的国情。所以，通过应用生物技术，培育耐酸、耐旱植物、豆科先锋植物（保土、保水、固氮）和根际微生物品种，可以在减低土壤改良力度的情况下，完成矿山废弃地植被恢复目标。尽管采取上述措施，溢过拦泥坝顶排入横石水河的矿水水质仍有可能未达国家排放标准。这一潜在问题可通过在拦泥库下方修筑石灰石矿水处理渠或暗沟加以解决。大宝山矿靠近石灰石源地，采用上述方法在经济上具有合理性。不过，在决定采用这些方法之前，还需要进行模拟试验以便评估其技术可行性和预测其效果。此外，提升大坝的高程，增加拦泥库的库容，也将是减轻酸性矿水外

16、排的重要步骤。5 运用经济杠杆，筹集矿山治理资金即使在已获得高效低费用矿山治理技术以后，在现有体制下，用于治理矿山资金的筹集并不容易，往往成为妨碍工程实施的瓶颈。鉴于此状况，探索在经改良矿山土壤上种植有经济价值植物，以便使矿山治理的投资者得到经济补偿，形成环境保护和经济发展的良性互动。结合广东的气候特点和目前市场对木料的大量需求，在经改良矿山土壤上种植速生桉树和相思类树种，将可成为形成环境保护和经济发展良性互动的一个具有前景的途径。速生树种的木材和木质纤维的市场前景主要从两个方面体现。首先，我国将成为世界上最大的纸张和纸板消费国。目前我国每年消耗纸张和纸板约3683万吨，人均29.0 kg，仅

17、是发达国家的1/8，亚洲平均水平的一半，预计到2015年，我国纸张和纸板的年消耗量将达到8000万 t13，即在现有基础上，每年增加4300多万t纸浆的供应。另一方面，我国造纸工业木浆原料的比重相当低，2001年仅为23%13，大量采用草浆造成了严重的环境污染，我国政府正制定法规，加强监管力度，使造纸企业逐步增加木浆使用量，减少草浆使用量，这样，对木片的需求必将大幅度增加。其次，我国已成为世界上中密度纤维板的第一生产大国，2001产量达到570万m3，目前年生产能力为1361.8万m3（数据来源：广东省林学会主办的广东林业科技信息，2003年第6期第6页），对速生材的需求量极大。广东地处南亚热

18、带，水热条件优越，是我国速生丰产林的主产区，又是我国木材加工大省，其行业产值约占全国的1/3，原料供应呈严重短缺现象，木材原料市场行情看涨，在经改良的矿山土壤上发展速生商品林，大有可为。先锋用材树种营造的生态环境，为最终恢复地带性植被创造有利条件。6 建立水质预警系统和恢复受矿水污染河流生态系统由大宝山矿排入下游溪流的酸水对水生生态系统造成了极为严重的破坏1。通过对受矿水影响河段水质和水生生物的定点监测，了解酸性矿水外排的时空变化规律，一方面可为上游污染源治理方案设计和评价治理效果提供必要的技术参数，便于进一步完善设计方案，最大限度保证治理工程的经济性和有效性；另一方面也为受污染河流的生态恢复

19、提供必要的数据。在对上游污染源进行治理，下游水质得到改善以后，可通过在河床种植水草，建立水生生物休养生息的最佳环境，加速受污染河流的生态恢复和持续健康发展。然而，从粤北的气候特点看，通过源头治理而彻底断绝酸性矿水的可能性很小，在某些特殊时段（如大暴雨期间），可能还会出现酸水外排的情况。这一问题如不能加以解决，将会给河流的生态恢复造成困难。因此，需要在矿水排出口下方设置酸水处理应急系统。可根据大宝山矿附近存在大量石灰岩的特点，构筑低投入的开放石灰石排水沟。此外，利用水质和水生生物定点监测所获取的大量数据，建立水质的生物预警系统，着眼于未来更严格的水质标准要求。水生昆虫是淡水河流中最常见水生生物类

20、群，它们与水环境有着错综复杂的相互关系。水生昆虫对环境变化比较敏感，不同种类的水生昆虫对水体污染的适应能力不同，有的种类只适宜在清洁的水体中生活，而有些种类则可生活在污染的水中。水生昆虫的存亡能综合地反映水质变化的程度。因此，水生昆虫可作为水体污化的指示生物。通过水生昆虫的调查可以评价水体被污染的程度。因此，在国外广泛被用来监测和评价水质，成为水质生物监测的主要手段之一14,15。相对于水质理化评价，水质生物学评价有其自身的特点，与理化评价可以互为补充。但这并不一定意味总是结果一致，当结果不一致时，有时可能是生物学评价很有价值的时候，因为它可以综合地反映水质的状况，并可能预示着某种未知因素的存

21、在。我们的前期研究结果表明1，外排矿水的污染对水生昆虫种类多样性的影响视外排矿水污染程度而定，有些污染轻的河流，矿水流经数公里后，水生昆虫的群落就恢复到污染前的状况，而有些受矿水污染严重的河流，矿水流经数十公里后，即使河流的pH接近正常值时，水生昆虫的群落仍然未见恢复。可见河流酸化并非是影响水生昆虫种类多样性下降的最主要的因素，可能还有其它未知的因素存在。虽然国际上有一些利用水生昆虫及其他底栖动物监测由矿水引起的河流生态系统退化方面的研究16, 但到目前为止，国内有关外排矿水对水生昆虫群落以及以水生昆虫为指标评价矿水污染的研究仍然鲜见报道。了解外排酸性矿水与下游河水混合后污染物的化学行为和水生

22、生物的承受能力对建立水质预警系统，指导矿山综合治理和酸性矿水处理具有重要意义。为了解决传统的理化分析结果及生物检测在对水体污染的监测和评价存在的耗时长、花费多、操作复杂、环境干扰大等问题。近年来已经开始考虑利用水体中的关键生物_水溞的某些毒理反应特性建立水质的生物预警系统。水溞属于节枝动物门、甲壳纲、淡水枝角类的浮游水生动物，对于水体中的有害物质比较敏感。60年代以来，大量的研究表明，金属对水溞的毒性由大到小的顺序是：AgHgCuPbCdAlZnNiCo，较低浓度的重金属和一些有毒物质显著影响它们的生长繁殖、行为反应、形态和生理生化过程等17,18。最近的许多研究证实1921，水溞的第一趋光行

23、为是一种遗传属性，但受环境条件的修饰，可以利用它的变化来指示水质的健康状况。某些溞科浮游生物的趋光性为正值，重现性极好，趋光指数随重金属等有害物质浓度的增加而降低，且变化迅速，检测极限远远低于LC50。因此即使重金属的浓度在不足以使水溞死亡的低浓度时，用传统的LC50方法不可能测出重金属对水溞的毒性影响，而用趋光行为法能明显地测出这种毒性物质的存在；所以，从自然水体中筛选出对毒物敏感的溞科浮游生物作为环境污染的生物监测器，根据在污染物影响下水溞趋光行为的变化规律，建立利用水溞趋光性快速监测和预警水体污染的生物监测装置及相关指标与评价体系，更灵敏、更快速地监测地对水环境中的轻度污染进行早期预测，

24、有望为经济、快速、综合地监测和评价矿山废水影响下水体的健康状况和生态风险提供理论依据和研究手段。7 政府支持相关的研究和技术开发在西方经济发达国家，由于政府严格实施控制酸性矿水外排的政策法规，采矿企业不得不选择高效、昂贵的酸水处理技术，以便符合国家规定的排放标准。然而，在像中国这样的发展中国家，采用与西方国家类似的酸性矿水处理方法，从经济角度考虑并不现实，尤其是对那些经济效益较差的采矿企业，更是难上加难。这也是为什么像大宝山矿这样对周边人民生命财产造成严重威胁的环境问题长期得不到解决的重要原因之一。另一方面，酸性矿水处理只是一种治标的办法，其在治理酸性硫化物矿山的效果有很大的局限性。因此，建议

25、政府加大对相关研究和技术开发的支持力度，以便尽快开发出适合中国国情的高效低投入酸性硫化物矿山生态退化和环境污染治理技术，为大宝山矿生态环境问题的早日解决创造有利条件。参考文献：1 吴永贵, 林初夏, 童晓立, 等. 大宝山矿水外排的环境影响: . 下游水生生态系统J. 生态环境, 2005, 14(2): 165168.WU Y, LIN C, TONG X, et al. Environmental impacts of acid mine drainage from the Dabaoshan Mine: . Downstream aquatic ecosystemJ. Ecology a

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