“双碳”背景下铁尾矿库生态修复技术方向与策略

安如意，王 辉，李晟洲，田鹏飞，吴 浩，刘祥宏

(1.山东省第一地质矿产勘查院，济南 250109；
2.济南市钢城区国土空间综合服务中心，济南 271104；
3.煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013；
4.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

我国是钢铁生产大国也是消费大国，长期高强度、大规模的铁矿资源开发促进了我国经济社会的快速发展，但同时也带来了土地资源流失、地表景观破坏、“三废”污染物等严重生态问题。铁尾矿是我国主要的尾矿类型，2018年我国铁尾矿产生量约4.76亿t(占尾矿总产生量的39.31%)[1]。在国家废弃资源综合利用政策引导下，铁尾矿已在水泥、混凝土、筑路材料、建筑用砖等建材领域[1-3]以及改良酸性土[4]、治理盐碱地[3]、制备植被混凝土基质[5-6]等生态材料方面得到了广泛的应用研究，但实际利用率仍较低(有研究认为约17%[7-8])。铁尾矿堆存形成的铁尾矿库不仅占用土地资源，直接裸露堆置还会在大风天气形成扬尘、在降雨环境产生水土流失，且这些风蚀水蚀过程会造成尾矿中重金属污染物，向周边及下游的水、土壤、大气等环境进一步扩散，严重影响当地的生态安全。按照国家土地复垦、绿色矿山等的相关管理要求，需要对尾矿库进行复垦、复绿治理[9]，但实际上我国废弃土地的复垦治理率仍很低[10]；
多年来科技工作者已从尾矿基质改良、适生植被筛选、绿化植被建植等多个方面，针对铁尾矿的生态修复开展了研究工作，但铁尾矿库存在的土体结构差、植物所需营养匮乏等不利因素[11-12]，会造成植被恢复极为困难，现有技术仍存在治理成本高、见效慢、长期效果不稳定等问题。

2020年我国提出碳达峰碳中和战略目标，在此背景下钢铁行业进行了相关探讨研究[13-14]，但针对铁尾矿库生态修复的碳汇效应方面的研究较少，探索不够。矿业废弃地的生态治理与生态系统碳汇紧密相关，生态修复带来的生态系统碳汇对碳中和具有重要作用和积极意义[15-16]，在“双碳”战略背景下，经济、高效、可持续以及有利于碳汇积累增长的生态修复技术，将是未来铁尾矿库技术研发与工程建设的重要方向。

采用自然恢复或人工恢复法方式，建立稳定的植物群落是矿山治理根本途径和矿区生态重建的前提与核心[17-20]。铁尾矿库生态修复中的植被选择、配置模式、土壤改良方法是重要的技术内容；
同时由于铁尾矿的污染风险问题，针对性的污染防控与修复也得到了研究。

1.1 铁尾矿库生态修复植物选择

植被种类的选择对铁尾矿库的生态修复具有重大影响，矿山废弃地生态修复的先锋物种一般为豆科、菊科、禾本科植物[12]，其中豆科植物对土壤有机质和氮元素含量的改善能力较强[12，21]，而紫穗槐[22]、刺槐[23]被认为是铁尾矿库造林的适宜树种[21，24]，且在人工覆土和密植的情况下短期内可取得良好的植被恢复效果[21]；
黄金东等[25]研究显示种植多年生草本植物沙障是改善栽种生境的良好措施，柠条、紫花苜蓿和沙打旺是铁尾矿库植被重建良好的先锋树种；
其他的适生豆科植物包括杨柴[26]、苦参[27]等。崔照豪[28]通过盆栽模拟的方法，筛选出地肤、波斯菊、紫羊茅三种对尾矿具有较好的适应性且对重金属具有良好耐受性的优势植物。张俊英等[26]在铁尾矿现场开展的小区试验显示，沙枣可以提升铁尾矿养分及微生物数量，更适于作为铁尾矿上生态重建植物。沙棘作为一种耐性经济植物也被认为是铁尾矿的生态治理的良好先锋树种[21，25，29]。其他可用的生态修复植物还包括火炬树[30]、沙地柏[31]、油松[32]、樟子松[32]、板蓝[27]等。

1.2 铁尾矿库植被种植模式

植物的种植模式会对铁尾矿的生态修复产生影响，不同植物的配植可起到增加植物生物量、加快铁尾矿库修复进度等作用[33]。如马云波等[34]对比研究了未造林尾矿地、紫穗槐纯林、沙棘纯林以及沙棘-紫穗槐-桑树人工混交林下土壤的物理、化学及生物性质，结果显示营造混交林模式对尾矿土壤的改良效果最佳；
王岩等[35，36]通过比较不同植被恢复模式对铁尾矿物种多样性及土壤理化性质的影响、评价铁尾矿土壤的改良效益分析，认为沙棘-桑树人工混交林可有效改良铁尾矿土壤的理化性质，增加土壤养分含量；
杜建云等[37]通过分析铁尾矿区沙棘-桑树人工混交林的养分分配状况，也认为沙棘-桑树混交林是生态效益与经济效益双赢的混交模式。黄秋娴等[31]认为采用沙地柏或油松与紫穗槐混交的模式能较好地对铁尾矿各个层深的土壤物理性质和有机质进行综合改良。闫升等[38]建议采用板栗+核桃混交林模式修复尾矿废弃地，同时选择豆科落叶灌木在林下栽植并适时适量施用磷肥，以加快恢复有机质与速效磷。栽种灌木-牧草丛被认为是抵御铁尾矿库极端生境的较佳模式[25]。李霖[39]研究显示灌、草混合群丛模式的恢复效果要优于纯草本群丛模式，并且采用豆科(柠条、紫花苜蓿)和禾本科(披碱草、沙生冰草、白羊草等)植物配置模式的作用明显，其中柠条-披碱草模式的植被-土壤系统协调状态最佳。

1.3 铁尾矿库土壤改良

高杰[40]研究发现在不改良原有土质性状的情况下，通过对地形的简单改造和科学的种植技术可快速实现铁矿尾矿库的植被恢复，这体现了地形地貌处理技术对矿区植被恢复的重要作用。但矿区土壤基质改良、重构是进行植被恢复的重要准备工作，是矿区土地复垦与生态重建的核心内容[41-42]。

有机物料施用是铁尾矿库土壤改良的主要技术方法，有机肥对铁尾矿基质的理化性质、全效养分含量和速效养分含量都有显著的改善作用[32]，孙羽丰等[43]研究认为施用有机肥对增加尾矿基质速效养分的影响最大。宗传娇[44]研究了稻壳、生物炭、有机肥、熟土4种改良剂在单一应用及复合应用下的铁尾矿改良效果，结果显示稻壳、生物炭、有机肥对尾矿基质的容重、孔隙度、有机质、酸碱度、含水率等的影响不同，同时发现当稻壳、生物炭、有机肥、熟土比例为3∶1∶1∶10时改良效果最佳。于海波等[45]研究显示在铁尾矿砂中添加3%秸秆和50%山皮土可使紫穗槐幼苗生长状况良好，可作为复垦配方改良铁尾矿库。吕春娟等[46]的研究显示PAM的合理使用能够有效改善尾矿砂的物理性状和水分运移，为无土区的植被恢复创造适宜的生长条件。张俊英等[47]的研究也认为保水剂可有效提高铁尾矿的含水率和总孔隙度，降低铁尾矿容重。李想等[48]的研究发现，虽然有机肥对尾矿理化性质的改良作用优于保水剂，保水剂与有机肥二者配合施加优于保水剂或有机肥单独添加的改良效果。

包括微生物在内的生物修复措施在铁尾矿库生态修复中也得到了广泛研究。刘惠欣等[49-50]通过模拟生物学试验发现丛枝菌根真菌接种能够促进大豆在铁尾矿中的生长，提高大豆对尾矿中营养物质的吸收，对尾矿生态复垦起到积极作用。接种真菌的紫花苜蓿可增强根际土壤酸性磷酸酶的活性，提高紫花苜蓿对基质中磷元素的吸收能力，进而增加紫花苜蓿生物量、提高铁尾矿库的改善效果[51]，其中王俊娟等[52]的研究表明5%有机肥水平条件下种植接种17 676菌株的紫花苜蓿对铁尾矿砂基质的改良效果显著；
许永利等[53]发现铁尾矿中接种幼套球囊霉可显著提高紫花苜蓿根系的生长、改善根际微生物区系、增加尾矿中磷素的释放，同时以质量比2.5%添加下的效果最好。徐连满等[54]的研究认为，藻类结皮可以固定尾矿砂，提高尾矿基质肥力，有利于铁尾矿废弃地生态系统的恢复，其中海藻酸钠和EM(有效微生物)原液对藻类生长有明显的促进作用。除微生物外，许永利等[55]研究显示蚯蚓可明显促进铁尾矿中高粱和紫花苜蓿的生长，增加铁尾矿中植物根际微生物数量，利于铁尾矿中植被的恢复；
而张烨等[56]研究认为10%蚯蚓粪最适用于铁尾矿植被恢复。

客土覆盖及掺加土壤在铁尾矿库土壤改良具有显著作用。王安宁等[57]针对覆土1～1.5 m尾矿库的土壤质量进行研究，结果显示土地复垦可改善铁尾矿废弃地土壤质量，且复垦恢复7年后土壤质量恢复迅速；
实际上1～1.5 m的覆土厚度，需要的土方量较大，从区域生态、综合能耗等角度出发不具有广泛推广意义。杨振意等[58]研究发现覆盖20%污泥、20%生活垃圾及60%棕红壤组成的混合基质能够提高铁尾矿的养分含量，促进刺槐的定居、改善土壤性质及促进铁尾矿的生态恢复；
黄金东等[25]研究显示分层堆肥是改善铁尾矿种植基质的有效措施。付文昊等[59]针对40～50 cm厚的客土覆盖模式以及客土与尾矿以1∶1的比例混合(厚70～80 cm)的半客土模式进行对比研究，结果显示半客土模式下的物种多样性指数、均匀度指数和土壤有机质含量均较高，并认为客土与铁尾矿混合的半客土是值得推广的改良模式；
张宝娟等[32]研究显示掺土处理对提高碱解氮、速效钾含量作用明显，掺土结合施加无机肥可促进油松、樟子松生长；
宗传娇[44]研究显示熟土掺加对尾矿基质的容重、孔隙度、有机质、酸碱度、含水率等指标均有较好改良效果，但其存在用量较多的弊端。铁尾矿库存在因高度压实而严重抑制水分入渗、降低持水能力等问题，为此针对压实铁尾矿库的复垦修复中应以疏松尾矿基质改善结构特性为主[60]，而在尾矿砂中添加土壤或者类似土壤结构基质可改善其不良的持水性和导水性，促进铁尾矿库生态恢复[61]。

1.4 铁尾矿库土壤污染修复

铁尾矿的重金属污染问题不容忽视，也是开展生态修复、土地复垦需要关注的一项重要内容[62-63]。马亚梦等[64]的研究显示尾矿库附近土壤中Cd、Pb含量均超出相关标准及背景值，Ni和As含量超过了毗邻区土壤背景值，尾矿库附近土壤中Cr、Cu含量均相对较低，对环境影响较小；
而宋凤敏等[65]对铁尾矿库5种金属的分析研究显示，Mn和Cu对环境当地环境影响最大。针对铁尾矿库的土壤污染修复技术研究显示，城市污泥可作为尾矿砂土壤改良剂，改良后土壤质量达到二级标准(但需降低污泥重金属的有效性)[66]；
白茅对Cu、Mn、Zn、Ni和Cd 5种金属的富集能力不强，但可在贫瘠的铁尾矿砂中生长并能改变尾砂的土壤理化性质，尤其是Mn、Ni和Cd含量较高的矿区[67]；
种植对不同重金属元素的富集具有互补性的沙棘-桑树混交林，是一种较优的治理铁尾矿区土壤重金属污染的模式[68]；
植物-微生物联合技术相较于单一植物修复技术，能够更加高效地改善尾矿的理化性质、更加高效地修复尾矿中的重金属污染[28]。

对于土壤结构差、养分不足的铁尾矿而言，在有限土壤基质条件下实现生态系统碳汇量的提升具有一定挑战。通过科学的矿山生态修复可较大程度改善土壤质地、增加植被覆盖率，提高减排增汇水平[69，70]。在尾矿地进行植被恢复可改善土壤特性，随着复垦治理年限的增长，铁尾矿库的土壤质量将进一步得到改善[57]，并且其上的植被种类也会逐渐增多[71]，这有助于生态修复工程生态碳汇效能的进一步显现。以往针对矿区废弃地已有煤矿区等的碳中和技术策略研究，提出生态修复技术侧重本身低碳化和生态碳汇量的提升[16]，这也将成为铁尾矿库未来生态修复工作的引导方向。结合铁尾矿库的生态问题以及已有的生态修复研究成果，其在提升碳汇量、碳汇效应方面可实施的策略主要包括：

2.1 增加土壤碳库储量

土壤有机碳是主要的生态系统碳汇之一，直接的土壤碳施用将有效提升铁尾矿区域的碳储量，特别是针对铁尾矿这种土壤有机碳本底值很低的情况，富碳肥料的施用将起到更加明显的土壤碳库总量提升效应，同时增加富碳肥料施用，也是铁尾矿库实现生态修复植被良好生长、植被生物量提升的重要措施，可进一步提升生态系统的碳汇量。双碳背景下可以施用富碳肥料包括有机肥、绿肥以及生物炭等。

2.2 促进植被碳库增长

植被地上、地下生物量以及枯落物、枯死木均是可计量的碳汇。这些碳汇指标与植物的生物量直接相关，如何提高区域内的植被生物量成为提升碳汇效能的重要方向。不同植被在铁尾矿库上具有不同的生长表现，如张宝娟等[32]研究显示在相同的处理情况下，油松比樟子松的生长要好，更适合作为铁尾矿废弃地修复树种；
陈颖等[30]研究显示火炬树对铁尾矿废弃地具有土壤基质改良及水土保持功能。黄秋娴等[31]研究显示沙地柏对田间持水量、毛管持水量和饱和含水量的改善作用明显，且优于火炬树。李晓莹等[22]研究认为紫穗槐林对铁尾矿基质理化性质和土壤动物综合改良效果最好，其次是沙地柏林；
黄秋娴等[23]通过对比研究发现全砂和半土半砂铁尾矿基质下刺槐生物量远大于紫穗槐生物量，为此可优先选择刺槐作为栽植树种。在已有研究中优选当地铁尾矿库的适生且生物量大的植被种类，是实现生态碳汇效应的重要前提手段。同时可采取菌根施用、生长调节剂施用以及蚯蚓应用等方式，进一步促进铁尾矿库上的植物生长，增加地上地下生物量；
在铁尾矿区水分生态承载力等条件考量下，尽量建立乔灌草的混合植物群落结构，以增加总体生物量并提升系统的稳定性。

2.3 防控区域碳汇损失

尾矿砂的不良结构和严重压实，水土流失严重[61，72]，铁尾矿水土流失的发生不仅威胁复绿植物的生长[73]，也会对土壤碳汇特别是表层土壤碳库储量带来不利影响。控制水土流失对于维持铁尾矿的生态系统碳汇具有重要意义。在生态碳汇理念下应进一步加强尾矿库的水土流失防控，注重通过地形整理等方式，减少铁尾矿区域内表层改良土壤基质的流失损失。吕春娟等[73]的研究显示对于土源缺乏的铁尾矿砂复垦区，同时添加菌糠和土壤可以有效减少土壤侵蚀，利于植被修复。

铁尾矿的污染问题不仅影响区域内植被生长、存在通过食物链威胁人类问题，还会通过侵蚀迁移造成污染面积扩大，进而增大治理机械、材料等碳成本投入。为此，需要在生态修复和提升土壤、植被碳汇的过程中，强化铁尾矿库的污染修复治理。其中，可采取施用生物炭、活性炭等含碳吸附材料，在尾矿库增汇的同时控制污染，实现源头污染外溢防控。

2.4 加强自然修复理念的合理应用

当前生态修复治理倡导自然修复的治理模式，碳中和背景下具有低碳投入特征的生态自修复、引导型修复模式具有一定的优势[69-70]。自然恢复和人工造林虽然均能增加土壤微生物数量、提高土壤酶活性、改善土壤生物学性质[34，74-75]，但人工造林模式的改良效果往往优于自然恢复模式[74-75]；
且非经人工整治、单靠自然力量往往难以实现废弃地的高效生态恢复[10]，这将使得自然修复模式下铁尾矿库的生态碳汇效应受到极大限制。在此情况下，需评估自然修复与人工生态治理的碳投入与产出，进而从碳汇角度界定自然修复的适用条件、适用尺度等，探索形成以人工促进自然修复模式为主导的铁尾矿库生态碳汇提升方略。

碳汇交易是推动生态系统碳汇工作的重要推手，将在碳中和碳达峰战略下逐步发展和完善。按照国内外以往碳交易模式，生态系统碳汇需要经历“按照特定方法学进行项目设计-项目申请-项目审定-碳汇减排量监测-减排量申请-减排量核证”等流程，其中经核证的碳汇、减排量才可进行碳市场交易。从碳汇交易视角出发，以铁尾矿库增汇抵消企业碳排放量或碳交易创收为目标，重新审视铁尾矿库的生态修复工作，提出更为具体、可行的生态修复技术路径，有助于提升铁尾矿的复垦、生态修复的动力与最终生态碳汇效应。在此过程中，需要关注碳汇方法学(特别是《小规模非煤矿区生态修复项目方法学》)的相关内容，确保铁尾矿库生态修复的碳汇建设工作符合碳汇项目要求及碳汇量监测、计量要求。

3.1 关注可计量的碳汇量种类与范围

当前尚无针对尾矿库的碳汇方法学颁布，已有备案的相关碳汇方法学，将可计量的碳汇主要分为地上生物量、地下生物量、枯木、枯落物、土壤有机碳5大类(表1)。但由于碳汇方法学的一些缺陷和不足，特别是在具体计量中多采用保守策略计算碳汇量，这使得生态系统碳汇能力往往被低估[76]。如《可持续草地管理温室气体减排计量与监测方法学》(AR-CM-004-V01)，提到由于可持续草地管理导致的禾本科地上生物量增加是暂时的，地上草本植物碳库的变化不包括在可计量碳库内，且枯木、枯落物碳库量也建议排除[77]；
《碳汇造林项目方法学》(AR-CM-001-V01)[78]和《小规模非煤矿区生态修复项目方法学》(CM-099-V01)[10]，虽然均认为造林活动可带来土壤有机碳储量的增加，但考虑土壤有机碳储量及其变化的监测成本较高、监测结果的不确定性较大，建议对土壤有机碳库的增加量忽略不计。

表1 现有方法学碳库选择情况

基于此，铁尾矿库生态修复中需针对性的衡量可计量碳汇种类及相应方法。如地上生物量和地下生物量是多数方法学均认可的主要碳汇计量类别，需要在生态修复中侧重高生物量植被的引入，尤其是乔木的种植；
土壤有机碳方面，可基于自身有机碳含量过低的实际，在碳汇项目实施后在土壤整地、改良中注重增施有机肥，实现可计量土壤碳量的显著增加，同时为避免后期5年一次碳汇监测中土壤有机碳的矿化分解损失，应在稳定有机碳材料的施用上有所侧重(如施用生物炭、活性炭材料等)。枯死木和枯落物在碳汇计量中一般为“不选择、不考虑”，但凋落物的碳储量动态直接关系到土壤碳储库[79-80]，且枯落物生物量和碳储量均随林龄的增大逐渐增大，从碳汇提升的全局角度出发，应在做好铁尾矿库水土保持等工作过程中，借助植物篱、沙障等措施，减少凋落物的流失，实现枯落物的就地留存，为其转化为土壤有机碳库提供条件，进而提高本地区生态系统碳库量[80]。

另外，现有碳汇方法学中，可计量的碳汇量的计量范围也存在差异。如多数碳汇方法学对土壤碳汇量的计量深度界定为1 m，而《可持续草地管理温室气体减排计量与监测方法学》(AR-CM-004-V01)将模拟或直接测量的土壤深度确定为表层30 cm[77]。在土地复垦和生态修复方面，《铁尾矿刺槐林造林技术规程》(DB13/T 2611-2017)针对铁尾矿造林提出可覆盖厚度30 cm的客土进行改良；
《矿山生态环境保护与恢复治理技术规范(试行)》(HJ 651-2013)指出，尾矿库恢复植被的覆土厚度不低于10 cm。为此，应重点针对铁尾矿10～30 cm厚度表土开展针对性的土壤碳库提升治理，进而确保增碳措施的成本有效性。

3.2 关注生态修复引起的碳排放及其防控

现有碳汇方法学的碳汇交易中，采用阶段性碳汇监测、减排量申请及核证程序，为此，应加强区域碳汇的全过程管理，增加有效可计量碳汇量。火灾造成的CO2、CH4等是主要的碳汇损失源[10，78，81]；
生态恢复后的管理过程中机械、肥料等投入会带来新的碳成本[77]；
而病虫害、不合理种植造成的植被枯死也会引起区域碳汇增量潜力的降低。为降低铁尾矿库的碳排放损失量，进一步提升生态系统的可计量碳汇量，可采取的措施包括：1)加强火灾风险防控。采用设置警示牌、加强监测、配套防火设施等方式，降低铁尾矿库生态修复项目的火灾隐患并强化火灾灾害的治理能力，杜绝火灾引起的生态修复植被大规模死亡及植被碳汇释放。2)加强基质处理碳汇成本管理。客土覆盖作为铁尾矿库的主要土地整治措施需从项目边界外挖取土壤，这会造成项目边界外的碳排放；
由于运输客土的量较大，也会由运输工具使用引起明显的温室气体排放。考虑这些碳排放因素，需要加大铁尾矿库就地土壤基质改良培肥及施用技术研究减少客土量，并采用就地、就近选择材料方式，降低生态修复相关材料运输带来的碳成本。3)减少养护碳汇成本投入。在铁尾矿库生态修复实施中，需严格按照植物生长规律、种植技术要求来进行植被建植活动，借助乡土植物品种、适生时节种植、适度养护管理等措施，有效降低因植被成活率和保存率低而带来的直接碳损耗，以及补植补造施工增加的机械、材料二次成本投入。

铁尾矿库自身的低土壤有机碳含量、植被盖度，使其碳汇储量提升的潜力很大。当前，铁尾矿库的生态修复技术研究取得一定进展，但已有研究对碳组分、碳汇效应等的关注不够，相关技术难于满足双碳战略下生态修复技术需求。建议未来应在双碳战略要求及碳汇交易规则下，从以下几方面开展深入研究工作，推进铁尾矿库的生态系统碳汇效应及价值提升。

1)从技术方法角度出发，探讨铁尾矿库生态修复与生态碳汇量提升的协同策略，包括融合土壤改良、水土保持、污染修复、植物应用、群落结构等多种技术要素，囊括地上地下生物量、土壤有机碳、枯落物与枯死木等主要碳汇类型。

2)从碳汇交易管理视角出发，在综合考虑生态修复治理碳成本、碳泄露问题基础上，建立铁尾矿库的生态修复技术评估模式，确定最经济有效的生态修复技术方案。

3)基于铁尾矿库生态修复工作实际，并结合既有方法学的相关要求，开发针对铁尾矿库的专项碳汇方法学，其中要提出铁尾矿库范围内的碳汇全面计量、监测方法，给出存在污染问题矿区的生态系统碳汇提升路径等。

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