尾矿成土生态工程：理论与技术

摘要：矿产资源的开发和利用是维系现代社会经济发展和人类活动的重要基础。然而，近百年来各类矿产资源的开采和加工产生了大量尾矿矿渣，严重威胁着生态环境和人类社会的可持续发展。如何实现尾矿区的生态重建成为实现可持续矿业的关键。在分析传统尾矿生态修复技术不足之处的基础上，提出基于土壤发生学原理的尾矿生态修复新策略，即尾矿成土生态工程。具体而言，本策略将尾矿视为成土母质矿物，通过系统性生态工程手段加速土壤发生，并逐步将尾矿改造成具有多孔物理结构和化学缓冲特性，能够承载一定生态功能的稳定性类土基质，从而实现对尾矿区的生态重建。尾矿成土生态工程需综合考虑尾矿的特性、本地微生物和植物物种资源及气候条件，因地制宜设计技术路线，构建成套技术体系。最后，基于现有研究进展，提出了尾矿成土的关键基础科学问题和技术应用前景。

我国尾矿现状

现代社会的经济发展与矿产资源密不可分。然而，尾矿的堆积已成为重要的生态和社会问题。这些尾矿广泛分布于人口密集区，其产生的重金属污染和盐渍化问题对生态环境构成严重威胁（图1）。特别是在长江流域等关键经济带，尾矿区对土地资源的占用和对环境的破坏限制了区域经济的可持续发展。解决这一问题需要发展新型的生态修复技术，以实现尾矿资源的合理利用和生态环境的改善。

现有尾矿生态修复技术弊端

现有尾矿生态修复技术弊端

传统尾矿生态修复技术以表面覆土为主（图2），虽然能在短期内实现植被恢复，但存在资源消耗大、生态效果有限的问题。覆土法对自然土壤资源的需求巨大，同时可能引发次生生态问题，例如覆土层的水土流失或重金属污染扩散。此外，直接在尾矿上进行植被恢复由于尾矿的致密物理结构和极端化学性质，也难以达到预期效果。因此，现有技术在尾矿治理中仍面临着效率低、可持续性差的困境，亟需创新的修复思路和策略。

尾矿成土生态工程

尾矿成土生态工程是一种基于土壤发生学原理的创新生态修复技术（图3）。该技术将尾矿视为成土母质，通过添加有机质、引入耐性植物和微生物，促进矿物风化和次生矿物形成，以加速土壤结构的发育和生态功能的恢复。

尾矿成土生态工程策略和流程如图4所示，主要包括以下五个方面：
1. 尾矿特性调查：系统分析尾矿物理结构、矿物组成、化学性质和生物属性等，锁定尾矿成土的关键障碍因子和基本条件；
2. 生态工程方法建立：根据矿区气候及耐性植物和微生物种质资源条件，探索并构建生态工程策略克服尾矿障碍因子，逐步实现尾矿安全成土；
3. 重金属阻控：根据尾矿重金属类型和特性，建立有效去除或固定重金属的方法和技术；
4. 尾矿成土指标体系：综合考虑土壤的物理化学及生物属性，从水稳定性团聚体、次生矿物、有机质积累、矿质养分、酸碱缓冲性能、土壤酶活、微生物及植物多样性等多个角度构建指标体系；
5. 安全风险评估：从风险识别（如次生地质灾害和重金属），风险评估（健康风险及生态风险）及风险防范措施等多方面考虑。
综上所述，尾矿成土生态工程旨在通过生态工程手段促进尾矿矿物风化、土壤结构形成和理化性质改善，最终将尾矿转化为稳定、无害的类土基质，推动生态重建并实现持续的碳固持。

支撑尾矿成土生态过程的关键生物地球化学过程

尾矿成土生态工程涉及复杂的生物地球化学过程（图5）。首先，鉴于尾矿的极端理化性质，需要通过微生物或化学作用进行初步改善；其次，随着先锋植物的定植，根际活动促进尾矿矿物的风化及次生矿物的形成，矿物与有机质的相互作用对于土壤有机质的生成与固持，以及土壤缓冲体系的构建具有重要作用；最后，随着多种植物和微生物群落的逐步定殖，土壤团聚体的稳定性不断提高，土壤养分循环和生态功能也得到持续发展。此外，关键的生物与非生物过程在重金属钝化中的作用，也是尾矿成土生态工程中的重要地球化学过程。

尾矿成土生态工程案例

案例1：在澳大利亚磁铁矿尾矿修复过程中，修复工作分为几个关键阶段（图6）。首先，通过综合调查分析尾矿的物理化学特性，明确修复目标和障碍因子。接着，通过添加有机质改良尾矿的物理结构，引入耐性植物如先锋物种以稳定生态系统，并使用功能微生物促进矿物风化和有机质积累。最终，尾矿区的有机碳含量和土壤稳定性显著提高，成功实现了植被覆盖和生态系统恢复，为尾矿修复提供了示范性案例。

案例2：在我国铝土矿尾矿修复中，重点是通过功能微生物技术降低尾矿的碱性和盐分浓度。修复过程中，引入了具有重金属耐性的微生物和植物种群，有效促进了矿物风化和关键营养元素的循环。同时，这些措施显著提升了尾矿中的有机质和氮含量，为植物和微生物的定殖创造了有利条件，从而形成了稳定的土壤结构，并为后续的生态恢复提供了坚实基础。

6. 展望
尾矿成土生态工程不仅能够有效解决尾矿的生态问题，还在绿色矿山建设和区域可持续发展中发挥重要作用。首先，该技术通过资源化利用尾矿，减少了对原生土壤资源的依赖；其次，通过生态修复改善尾矿区的环境质量，推动生物多样性保护和生态系统服务功能的恢复。此外，尾矿修复区还可用于矿山公园建设，促进生态旅游和环境教育。未来，应通过建立长期田间试验基地、完善修复技术标准和生态监测体系，将尾矿成土生态工程打造为实现绿色矿业和生态文明建设的重要支撑。

参考文献：伍松林, 付伟, 陈保冬, 吴雨琪, 韩伟, 朱永官, 黄隆斌. 尾矿成土生态工程: 理论与技术. 科技导报, 2024. DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2024.11.01611.