矿山废弃地土地复垦与生态修复的案例研究-以磷矿为例(南京培训)

1矿山废弃地土地复垦与生态修复的案例研究-以磷矿为例主讲:龙健教授电话:[phone]；[e-mail]贵州师范大学2016.9.24“矿山地质环境恢复治理与土地复垦技术”研修班（南京）2报告提纲矿业废弃地生态恢复的关键理论与技术案例1.瓮福磷矿山废弃地生态护坡机理及其应用研究案例2.赤泥对含磷废水中磷的去除效果及生物毒性效应案例3.磷石膏堆场排水浮床植物处理技术及净化效果评价矿业废弃地生态恢复的关键理论与技术矿业废弃地的定义因矿冶活动所破坏的，非经治理而无法使用的土地生态恢复与植物修复生态恢复（EcologicalRestoration）是帮助退化、受损或毁坏生态系统恢复的过程。植物修复（Phytoremediation）就是利用植物去治理水体、土壤和底泥等介质中的污染的技术。生态恢复污染环境植物修复植物修复与生态恢复的关系矿业废弃地及其环境问题矿业废弃地是一种典型的极度退化生态系统。矿业废弃地不仅破坏和占用大量的土地资源，而且矿山废弃物的排放和堆存也带来了一系列影响深远的环境问题。重金属矿业废弃地（尾矿）重金属矿业废弃地的污染情况铅锌矿区附近水稻受重金属危害情况国外研究现状在理论方面，矿业废弃地生态恢复研究直接推动了恢复生态学的诞生；重金属耐性生态型或种的形成已成为污染情况下物种进化研究的重要模式；在实践方面，发展了直接植被法、覆土与隔离覆土植被法以及表土转换与复原技术；生态恢复的过程可作为检验经典或理论生态学的重要手段。20世纪50年代，欧、美等国率先开展生态恢复研究，1997年，“SCIENCE”发表长文高度评价生态恢复的意义。国内研究现状我国有关废弃地生态恢复的理论研究起步于20世纪80年代，90年代以后才初具规模；一、煤矿废弃地与土地利用；二、重金属矿业废弃地与污染控制和生态恢复。IntegratedRemediationTechniquePhytostabilizationPhytoextractionPhytofiltration问题的提出理论上，生态系统退化与恢复的过程与机理尚不清楚，恢复生态学的核心理论（自然演替、集合、恢复阈值、自我设计）有待检验和完善，以构成这一新学科的理论框架；实践上，需要重点解决生态恢复的最小化投入及与之相关的生态系统安全性、稳定性问题；以退化与恢复阈值的研究为核心，重点研究重金属矿业废弃地退化与恢复的过程与机理。广东乐昌：重金属废弃地植被重建广东韶关：冶炼厂重金属废弃地生态恢复广东凡口：植被重建与重金属废水处理关键理论生态系统退化与恢复阈值植物自然定居、群落集合的过程与机理适应机制与遗传多样性关键技术植物的筛选与生态配置基质改良（理化性质，重金属，酸化）植物－微生物－动物强化修复安全性：稳定性：目标：自维持的生态系统生态恢复调控实践生态恢复阈值研究适应机制与遗传多样性研究植物群落结构与功能研究已取得的研究成果1.尾矿影响植物定居的主要限制因子及基质改良措施;2.尾矿植物自然定居的过程和机理、重金属耐性植物与超富集植物的筛选与机理;3.尾矿酸化的预测与控制、重金属废水的人工湿地处理。总结本研究所要解决的几个关键理论问题指导检验重金属矿业废弃地生态恢复的理论与技术体系典型重金属矿业废弃地受损生态系统调查确定典型退化和恢复序列科学价值矿业废弃地的生态恢复是恢复生态学的四个最主要研究领域之一。在理论上可深刻揭示这一极端类型生态系统的退化与恢复的过程和机理，并可构成恢复生态学这一新兴学科的核心理论。典型生态退化系列实践意义我国重金属矿业废弃地的污染控制是我国实施可持续发展战略应优先关注的问题之一，而生态恢复则是矿业废弃地污染控制的一个重要的、长期有效的手段。结合已有的研究成果，将构建一个较完善的、经济有效的矿业废弃地生态恢复理论框架与技术体系，对指导我国重金属矿业废弃地生态恢复的实践具有重要意义。31案例1：瓮福磷矿山废弃地生态护坡机理及其应用研究32提纲1.选题背景2.研究内容3.结果与分析4.实例分析5.结论与展望33选题背景我国露天矿山的开采导致大量水土流失，滑坡及泥石流等。对矿山进行植被生态护坡，是改善生态环境的基本途径。34坡面的生态防护恢复被破坏的生态环境，从景观上让人们体验到美感。生态护坡具有明显的经济效益和生态效益。选题背景35前人研究存在的问题缺乏专门针对矿山边坡领域生态护坡的机理及应用方面的研究过多引进外来草种，可能会造成生物多样性损失、物种入侵等生态问题选题背景前人研究存在的问题并没有针对性的选择植被，不同的边坡岩土，其土壤特性不同。36研究目的根系在固坡保土增强土体稳定性的作用机理。为提高土体抗拉强度，减少水土流失提供理论依据。为瓮福磷矿生态护坡提供理论依据。选题背景37研究框架38•狗牙根根系密度及根量的分布特征。•对狗牙根、三叶草、紫穗槐及胡枝子根系进行抗拉试验。•对不同含根量对根—土复合体的抗剪强度及其粘聚力和内摩擦角值进行分析。•结合瓮福磷矿山废弃地边坡土层特性，对废弃地边坡的生态护坡形式进行探讨。研究内容39•根系密度测定：采用挖根法。•根系分布特征测定：用根系重量来表示。在1000cm3(10cm×10cm×10cm)土中所含烘干根的重量的多少，即为根系重量Rw（Rootweight）。研究内容植物根系密度和根量的分布特征40•根系的制作：试验选择长约7cm的根，将根侧须根剪除。两端被夹长度各1cm，受拉长度为5cm。试样采回后，轻轻冲去泥土，擦干水分，即作测定。•所用的毛根拉力测定装置。具体操作为：根系上端用夹子固定于铁架，下端用夹子固定并连接一弹簧秤，弹簧秤下端吊一沙桶。往桶里缓慢、连续地加入细沙，直至根系被拉断。用游标卡尺测出根系拉断面的直径，每试样重复测四次，然后求其平均值作为计算直径。研究内容根系抗拉力试验41植物根系沙桶42•植被采用狗牙根、三叶草、紫穗槐及胡枝子根系，进行室内直剪（快剪）试验，分别在四种不同法向应力：100kPa、200kPa、300kPa及400kPa下进行抗剪强度试验。研究内容根土复合体抗剪切强度试验43表4.3-2不同含根量试样表编号123456含根量（g/60cm3）0.00.10.30.50.71.0研究内容根土复合体抗剪切强度试验在含水量不变的前提下，分别进行五组不同含根量试验与无根系岩土样进行对比。44•称取800g岩土试样，利用轻型击实仪将试样击实25次，注意保证所有试样所受的击实功相同。具体步骤是：先击5次试样使试样初步成型。接着把统一长2cm、含根量为0.1g/60cm3的根系垂直均匀的倒插入环刀面积范围内，然后再击实20次，得到根土复合土饼。研究内容试样的制备450.3g/60cm30.1g/60cm34647根(直径d≤1.0mm）密度Rd与土层深度Z关系统计表深度Z（cm）平均根密度重复试验①重复试验②重复试验③重复试验④095978910194107674847770205660515558304037433644403032352429结果与分析根系密度与土层关系48根直径（d1.0mm）密度Rd与土层深度Z关系统计表深度Z（cm）平均根密度重复试验①重复试验②重复试验③重复试验④0424450353910313822293520242023302330162410131740128141016结果与分析根系密度与土层关系49•对于根直径d≤1.0mm及d1.0mm的狗牙根，其根密度与土层关系都可建立如下关系：•式中：y—狗牙根根密度；x—土层深度；m、n—经验常数结果与分析根系密度与土层关系50深度Z（cm）平均根量（g/1000cm3）重复试验①重复试验②重复试验③重复试验④02.3032.2982.3052.3092.301101.7321.7271.7341.7391.729201.2431.2391.2431.2491.241300.9470.9410.9520.9430.953400.6850.6810.6840.6870.688根量Rw（g/1000cm3）与土层深度Z关系表根系重量随土层变化特征结果与分析51•根量与土层深度的关系可建立如下函数式：•式中：y—狗牙根根量；x—土层深度；m、n—经验常数•结果与分析根系重量随土层变化特征52结果与分析根系抗拉力试验狗牙根根系抗拉力F（N）与其根的直径D（mm）之间的关系统计表根系断面直径D（mm）测①0.180.240.340.540.520.720.740.961.021.18测②0.220.280.400.480.540.70.720.881.121.14测③0.240.320.340.520.480.740.880.841.101.08测④0.280.300.420.440.40.620.781.080.981.12平均0.2300.2850.3750.4950.4850.6950.7800.9401.0551.130最大抗拉力F（N）实测3.323.977.118.787.5910.1311.2212.6714.7814.7653结果与分析根系抗拉力试验三叶草根系抗拉力F（N）与其根的直径D（mm）之间的关系统计表根系断面直径D（mm）测①0.080.100.200.240.400.380.480.500.781.10测②0.120.180.220.200.300.460.540.700.821.16测③0.100.280.200.180.240.360.360.580.821.08测④0.060.200.240.280.300.520.440.500.701.12平均0.0900.1900.2150.2250.3100.4300.4550.5700.7801.115最大抗拉力F（N）实测1.382.823.894.156.536.997.409.5010.7214.6454结果与分析根系抗拉力试验紫穗槐根系抗拉力F（N）与其根的直径D（mm）之间的关系统计表根系断面直径D（mm）测①0.380.380.440.600.480.660.780.821.141.58测②0.260.460.480.540.540.600.800.700.821.70测③0.440.320.440.460.520.720.680.781.081.56测④0.280.460.480.460.580.720.760.821.361.58平均0.3400.4050.4600.5150.5300.6750.7550.7801.1001.605最大抗拉力F（N）实测0.340.971.051.892.133.984.704.9110.1720.7055结果与分析根系抗拉力试验胡枝子根系抗拉力F（N）与其根的直径D（mm）之间的关系统计表根系断面直径D（mm）测①0.180.380.400.480.340.580.820.781.000.98测②0.200.300.380.500.700.600.780.840.881.20测③0.220.400.440.500.500.620.740.920.920.96测④0.200.200.320.440.540.620.901.020.881.08平均0.2000.3200.3850.4800.5200.6050.8100.8900.9201.055最大抗拉力F（N）实测1.532.643.545.266.559.1324.4631.1840.3265.4856•得出狗牙根、三叶草、紫穗槐和胡枝子根系的抗拉力与其根系直径之间的关系均服从二次三项式分布，相关性显著。•式中y—根系抗拉力，x—根系直径，a、b、c—经验常数•这与刘世奇、钟亮根及程洪等的研究结论是相似的。•根据实验所得的根系直径、抗拉力等，可计算根断的抗拉强度。结果与分析根系抗拉力试验57•由以上拟合方程式可知，对于狗牙根、三叶草的根系直径与其抗拉强度之间的关系