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1、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:13984318626； 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（Ecological Restoration）是帮助退化、受损或
2、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
3、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。,Integrated Remediation Technique,Phytostabilization,Phytoextraction,Phytofiltration,问题的提出,理论上，生态系统退化与
4、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：
5、 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 尾矿影响植物定居的主要限制因子及基质改良措施; 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; 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
6、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
7、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
8、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(10cm10cm10cm)土中所含烘干根的重量的多少，即为根系重量Rw（Root weight）。,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
9、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,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。
10、,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,45,0.3g/60cm3,0.1g/60cm3,46,47,根(直径d1.0mm）密度Rd与土层深度Z关系统计表,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,结果与分析,根系密度与土层关系,49,对于根直径d1.0mm及d1.0mm的狗牙根，其根密度与土层关系都可建立
11、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,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,53,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,54,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
12、系统计表,55,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,56,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满足指数函数式： 式中：y狗牙根、三叶草根系抗拉强度；x狗牙根、三叶草根系直径； 经验常数,结果与分析,根系抗拉力试验,
13、58,对于紫穗槐、胡枝子的根系直径与其抗拉强度之间的关系满足二次三项式： 式中y紫穗槐、胡枝子根系抗拉强度；x紫穗槐、胡枝子根系直径；a、b、c经验常数,结果与分析,根系抗拉力试验,59,含根量为0.0 g/60cm3时，,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比。,60,含根量为0.1 g/60cm3时，,61,含根量为0.3 g/60cm3时，,62,含根量为0.5 g/60cm3时，,63,含根量为0.7 g/60cm3时，,64,含根量为1.0 g/60cm3时，,65,根土复合体抗剪强度随着法向应力的增大而不断增大，每组数据基本为线性趋势，且抗剪强度与
14、剪切面上的法向应力总成正比，由此可知根土复合体均符合库仑定律： 上式形式与粘性土的抗剪强度表达式一致，但其物理意义却相异。,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,66,结果与分析,不同含根量在相同法向力下的抗剪强度曲线,67,结果与分析,相同含根量在不同法向力下的抗剪强度曲线,68,结果与分析,不同含根量在200kPa法向应力下的抗剪强度分析图,根土复合体抗剪切强度试验,69,根据图4.3-94.3-11中峰值出现的位置可知，狗牙根和三叶草根土复合体的峰值均为0.50.7g/60cm3；紫穗槐和胡枝子根土复合体的峰值为0.7g/60cm3。,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,70,结果与分
15、析,根土复合体抗剪切强度试验,71,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,72,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,73,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,74,由图知，粘聚力、内摩擦角的变化趋势为先增大后减小。有根系土体的粘聚力、内摩擦角均比无根系土体的粘聚力、内摩擦角大。 原因是：当土中的含根量较少时，根土可充分接触并发挥摩阻作用，另一方面，根系的深入形成根土复合体，使根的抗拉及抗剪能力传入到土的抗剪能力中，进而约束了土体在横向和轴向的变形，因此粘聚力、内摩擦角增大，但是，当根系含量达到一定含量时，因为根系数量过度增加会使根系之间互相交错，导致根系与土体不能充分形成根土复合体，因此对
16、土体的加筋效应有所减低。,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,75,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,76,对于草本植物，三叶草根系对土体粘聚力的提高程度比狗牙根根系的大（图4.3-14、图4.3-16），故三叶草的固土护坡作用大于狗牙根的固土护坡作用，推荐三叶草作为瓮福磷矿山边坡生态护坡的植物；对于灌木植物，紫穗槐根系对土体粘聚力的提高程度比胡枝子根系的大（图4.3-14、图4.3-16），推荐紫穗槐作为瓮福磷矿山边坡生态护坡的植物。,结果与分析,根土复合体抗剪切强度试验,77,实例分析,78,79,80,对生态护坡水文效应、草本植物根系及乔灌类植物根系的固土作用进行总结性研究。 在植物根系作用下，土体的内摩擦角值和粘聚力c值均会有所提高，这与第四章的研究结果相符。 推荐三叶草、紫穗槐为瓮福磷矿山废弃地边坡生态护坡植物。 对生态护坡和工程护坡进行了探讨，可较好的解决矿山边坡的防护问题。,结论与展望,
