張耿杰，白中科,2，王金滿,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

我國(guó)人多地少，因采礦等人類活動(dòng)造成的土地和生態(tài)環(huán)境破壞情況很嚴(yán)重[1]。對(duì)礦區(qū)損毀土地實(shí)施土地復(fù)墾，通過采取工程和生物措施來恢復(fù)已損毀的生態(tài)環(huán)境已成為礦區(qū)生產(chǎn)中不可或缺的一部分[2]。有關(guān)研究表明，現(xiàn)代復(fù)墾技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)是與土壤相關(guān)的因素[3-5]。因此對(duì)土地復(fù)墾來說，復(fù)墾的物質(zhì)是基礎(chǔ)，是土地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)墾質(zhì)量驗(yàn)收的落實(shí)點(diǎn)，決定著復(fù)墾的成敗。

土壤是經(jīng)過風(fēng)化而破碎的地球表面的外層物質(zhì)，是作物根系生長(zhǎng)的介質(zhì)[6]。礦區(qū)內(nèi)通過復(fù)墾形成的礦山土，是指以采礦業(yè)等產(chǎn)生的固體廢棄物為母質(zhì)，經(jīng)人工整理、改良，促使其風(fēng)化、熟化而成為的一類土壤[7-10]。礦山土重構(gòu)是礦區(qū)進(jìn)行地貌重塑后的延續(xù)過程，是植被重建的基礎(chǔ)，會(huì)影響到后期的礦區(qū)景觀再現(xiàn)與生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和生物多樣性重組與保護(hù)的結(jié)果。因此，土壤重構(gòu)是礦區(qū)土地復(fù)墾過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心是培育礦山土。研究礦山土是為了確定植被生長(zhǎng)的介質(zhì)特性及其生產(chǎn)力制定有效的土壤改良和復(fù)墾模式的技術(shù)方案。本文對(duì)礦山土的形成和性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，嘗試對(duì)礦山土在土壤系統(tǒng)分類中進(jìn)行定位，同時(shí)對(duì)其演變作了簡(jiǎn)單說明，并對(duì)礦山土的利用方式和利用的建議進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，旨在為將來深入研究礦山土質(zhì)量、加速?gòu)?fù)墾效益和健全土地復(fù)墾制度服務(wù)。

1 礦山土的形成

與自然土壤相比，礦山土的形成更依賴于人的作用，其成土過程取決于復(fù)墾過程中的具體的成土因素和人類活動(dòng)的組合。在礦山開采和復(fù)墾過程中，由于挖掘、搬運(yùn)、堆積、混合和大量物質(zhì)的填埋，原有土壤的形態(tài)及理化性質(zhì)等發(fā)生根本性的改變。就母質(zhì)來說，采礦剝離的礦層上的巖石和地表土壤，礦體內(nèi)排出的碎石和礦渣，火力發(fā)電廠排出的粉煤灰、城市淤泥等都是礦山土壤的母質(zhì)來源；就地形而言，露天礦區(qū)主要通過地貌重塑，以排土場(chǎng)的形式修筑梯田、平整土地等措施，將固體物質(zhì)依照科學(xué)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行堆墊；就氣候來說，礦區(qū)的宏觀大氣候無法改變，但在人為控制為主的環(huán)境條件下，如通過灌溉、排水設(shè)施，有條件地方還可進(jìn)行人工降雨等方式改變土壤的水分狀況；在生物方面，人為增加或減少動(dòng)植物的種類，特別是在植被重建初期有針對(duì)性的篩選種植一些植物，通過施用經(jīng)微生物作用過的有機(jī)肥料等來改善土壤的性質(zhì)；從時(shí)間方面來看，可以用定期土地質(zhì)量監(jiān)測(cè)等措施來來及時(shí)掌握礦山土的質(zhì)量情況，通過多方面的人為措施加快礦山土的風(fēng)化速度和強(qiáng)度，可大大縮短土壤的熟化過程，據(jù)研究，在人工管理得當(dāng)?shù)那闆r下，礦山土從形成到能種植植被獲取效益可在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)[11]。

因此，礦山土可定義為在因采礦活動(dòng)造成的挖損、塌陷和壓占等損毀土地上，將各種固體廢棄物(包括采礦剝離的表層土壤、巖石、礦渣、城市污泥等)重新組合，通過工程、化學(xué)、生物等人為措施，使其快速熟化并為人類所利用的土壤。從本質(zhì)上來說，礦山土是一種“人造土壤”。

2 礦山土的特征

2.1 礦山土剖面

礦產(chǎn)開采破壞了原有地貌和生境，如露天開采剝離了土壤表層，原地貌土壤的心土層、底土層甚至母質(zhì)層都出露地表，原有的土壤層序和結(jié)構(gòu)被完全打亂。礦山土是人為將采礦過程中的剝離物、排棄物，以及當(dāng)?shù)氐耐寥赖雀鶕?jù)復(fù)墾要求堆墊形成的，是對(duì)復(fù)墾材料的重新組合。因此，礦山土的土壤剖面明顯不同于自然土壤的剖面，會(huì)出現(xiàn)有的土層倒置，有的土層缺失，多層土層混合等現(xiàn)象。鑒于此，復(fù)墾初期的礦山土剖面層次不能作為判斷土壤發(fā)育程度的標(biāo)志，通常只反映所堆墊的物質(zhì)以及堆墊順序，是鑒別復(fù)墾材料的依據(jù)。礦山土剖面堆墊的情況從上到下一般有[7]：①表土層、堆墊巖石碎屑層、礫石層、基巖層；②堆墊巖石碎屑表層、礫石層、基巖層；③通體堆墊礫石層、基巖層或通體堆墊土層等。

2.2 礦山土理化性質(zhì)

礦山土的厚度可人為控制，在土源豐富的地方覆土厚度可達(dá)到1.5m以上，而在土源匱乏的地區(qū)，能覆土的厚度可能不到30cm甚至直接以碎石屑或粉煤灰等作為礦山土。礦山土的質(zhì)地跟復(fù)墾物質(zhì)和排土方式密切相關(guān)，其顆粒粒徑分布可以指示土壤發(fā)育強(qiáng)弱，反映成土母質(zhì)的均一性和風(fēng)化程度[12]。礦山土在堆墊的過程中，由于重型機(jī)械的碾壓，使得剛復(fù)墾的礦山土的容重明顯高于自然土壤，一般在1.7g/cm3以上。但是據(jù)野外實(shí)地調(diào)查和研究，在復(fù)墾措施得當(dāng)且復(fù)墾多年的土地上，礦山土的容重能夠恢復(fù)到自然土壤的容重水平[13-16]。礦山土的酸堿性主要與開采礦物和堆墊物的性質(zhì)有關(guān)，如黃鐵礦在開采后，其廢石中的二氧化鐵與水和氧氣接觸后，使得礦山土的pH值偏低，而以粉煤灰作為礦山土的表層覆蓋物質(zhì)時(shí)，礦山土呈強(qiáng)堿性反應(yīng)，但采取適當(dāng)措施后，礦山土的酸堿性能夠向正常方向改進(jìn)。礦山土中的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀含量不穩(wěn)定且呈無規(guī)律分布，可以通過施肥的方式直接改善土壤的肥力質(zhì)量狀況，使土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等含量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[17-18]。

3 礦山土的分類與演化

土壤分類反映了土壤類型、成土條件、成土過程和土壤性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，從應(yīng)用角度看，土壤分類是因地制宜的管理土壤、保護(hù)生態(tài)與環(huán)境和轉(zhuǎn)讓農(nóng)業(yè)技術(shù)的依據(jù)。因此，對(duì)礦山土進(jìn)行分類，是為了更好地解析、認(rèn)識(shí)礦山土壤的需要，同時(shí)也是為了科學(xué)評(píng)價(jià)與改良礦山土壤性質(zhì)的需要。

目前礦山土在中國(guó)土壤發(fā)生分類和中國(guó)土壤系統(tǒng)分類中都沒有特定的位置[19-21]。鑒于礦山土沒有診斷層和診斷特性的特征，筆者建議根據(jù)新成土的概念將其劃歸在新成土綱中，原因有五：第一，礦產(chǎn)資源的開采和土地復(fù)墾，均引起大面積的土壤擾動(dòng)，打亂了原有的土壤層次和剖面發(fā)育，這些擾動(dòng)作用除了保留原有母土物質(zhì)的某些特性外，沒有發(fā)育形成新的發(fā)生層，成土過程要從新開始；第二，一般自然土壤的形成時(shí)間需要幾十年甚至成百上千年，而礦山土的成土?xí)r間在短時(shí)間內(nèi)即可完成，這是它作為新成土形成的重要標(biāo)志；第三，礦山土是人們按照礦區(qū)土地復(fù)墾要求，有意識(shí)有目的對(duì)土壤進(jìn)行重構(gòu)和培肥的結(jié)果，直接影響著人類的生產(chǎn)和生活，同時(shí)人類也影響著礦山土的形成和發(fā)展；第四，礦山土的成土物質(zhì)具有不確定性，其中大多來自當(dāng)?shù)氐耐寥篮褪[，或與所在礦區(qū)有關(guān)的礦渣、煤矸石、粉煤灰、城市污泥等[22]；第五，礦山土是人為堆墊的結(jié)果，如果當(dāng)初的排土設(shè)計(jì)不到位或后期的管護(hù)缺失，會(huì)出現(xiàn)二次災(zāi)害，如不均勻沉降或嚴(yán)重的水土流失，需要對(duì)礦山土實(shí)施較長(zhǎng)時(shí)間的人工管護(hù)。因此，將礦山土劃歸在新成土綱中的亞綱——人為新成土中，作為人為新成土的一類，正式命名“礦山人為新成土”，簡(jiǎn)稱礦山土，與擾動(dòng)人為新成土和淤積人為新成土并列。

礦山土在完成堆墊后，經(jīng)過種植植被、灌溉、施肥等措施，將朝著其他土綱的土壤類型演變，見圖1。

圖1 礦山土的演變

其中(a)表示是下墊面為巖屑、礦渣等固體廢棄物，其上為堆墊土壤；(b)表示在土源豐富的地區(qū)，直接用當(dāng)?shù)赝寥肋M(jìn)行堆墊；(c)表示在土源匱乏的地方，用細(xì)碎石礫、石屑，甚至粉煤灰等作為土壤替代物。在人工培育的條件下，經(jīng)過一定程度的熟化后，可在以復(fù)墾物質(zhì)為主的母質(zhì)層(C)上出現(xiàn)復(fù)墾表土層(A)；隨著復(fù)墾時(shí)間的延續(xù)，在復(fù)墾表土層和母質(zhì)層之間弱度發(fā)育出雛形層((B))，演化為雛形土綱；再進(jìn)一步熟化發(fā)育后，雛形層((B))演變?yōu)槌墒焱翆?B)，即成為了其他類型的成熟土壤，但因?yàn)榈V山土一直在人工干擾下發(fā)育，可形成人為表層，所以最終發(fā)育方向以人為土為主。

4 礦山土的利用

4.1 礦山土利用方式

自然土壤無需特殊人工管護(hù)，在生態(tài)環(huán)境稍差的地方應(yīng)采取水土保持措施，減少土壤的侵蝕。對(duì)礦山土的利用，實(shí)際上是涉及到對(duì)復(fù)墾土地的利用方向的選擇。在礦區(qū)，除了氣候因素外，地形因子、土壤因子和生物因子都是完全人為控制的。根據(jù)土地復(fù)墾利用“因地制宜，綜合整治，宜耕則耕，宜林則林，宜漁則漁，宜草則草”的原則，礦山土在利用方式上有多種模式，但其中草地和林地是最常見的。因?yàn)椴徽搹耐恋乩玫募夹g(shù)上還是經(jīng)濟(jì)成本的考量上，林地和草地均最合理[23-25]。而從我國(guó)人多地少，耕地保護(hù)和糧食安全的角度出發(fā)，復(fù)墾為耕地是一種主流選擇，但因?yàn)槠滟Y金、人力和技術(shù)的投入上面較林地和草地高，所以在礦山土具體利用過程中，需考慮耕地、林地和草地三者之間的平衡，以實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

4.2 礦山土利用建議

礦山土是否得到合理利用決定著土地復(fù)墾的成敗，因此在其利用過程中應(yīng)注意以下問題。

1) 礦山土的來源較復(fù)雜，目前使用較多的是礦山固體廢棄物和當(dāng)?shù)赝寥?。其中礦山固體廢棄物包括掘進(jìn)和剝離的廢石，選礦技術(shù)較差的情況下丟棄的“貧礦”，選礦后的尾礦砂，冶煉廠爐渣，以及在鑿巖、爆破、鏟運(yùn)、運(yùn)輸?shù)裙に嚠a(chǎn)生的粉塵等。對(duì)環(huán)境有明顯污染的物質(zhì)不能直接作為礦山土的母質(zhì)，需要經(jīng)過污染處理達(dá)到允許的標(biāo)準(zhǔn)后再使用，且在復(fù)墾初期也不宜種植糧食作物、牧草或果樹等，以免危害人畜，建議先造林或選擇種植對(duì)礦山土內(nèi)污染物有吸附力或耐受力的草本植被，以逐步消除土壤中的污染物；或者將對(duì)植物生長(zhǎng)不利的大塊廢石和有害物料堆置在最下層，上面再用其他無污染物質(zhì)覆蓋一定的厚度，以隔絕污染物對(duì)地表植被的影響。而對(duì)某些以煤矸石作為填充或堆墊物料的礦山土，土層應(yīng)覆蓋厚一點(diǎn)兒，因?yàn)楸〉耐翆訒?huì)讓煤矸石與地表空氣有更多的接觸，易引起自燃現(xiàn)象或造成地表溫度較高，不利于作物的種植。

2) 礦山土堆墊過程中，可根據(jù)堆放物質(zhì)的特性，科學(xué)設(shè)計(jì)一定的安息角，以保證堆墊后的土壤保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生滑坡或坍塌的現(xiàn)象；同時(shí)對(duì)安息角的研究，是從地面坡度的角度考慮后期土地復(fù)墾的方向。如以礫石、碎石為主的巖堆，其最大安息角建議為39°，而以石灰?guī)r和砂黏土為主的巖堆，可以設(shè)置的最大安息角為45°。但在實(shí)際堆墊過程中，最大安息角不宜過高，一般為35°，以滿足植物的生長(zhǎng)和保證林業(yè)和農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備生產(chǎn)運(yùn)行。例如作為林地的坡度不高于35°，作為草地的坡度最高為25～30°，而對(duì)耕地的要求則更高，通常在25°以下。

3) 礦山土母質(zhì)在堆墊過程中不僅需對(duì)有礙植被正常生長(zhǎng)的物質(zhì)進(jìn)行清理、深埋，安息角進(jìn)行合理設(shè)置以及堆墊物表面平整，還應(yīng)將堆墊物質(zhì)按照一定的順序堆墊，如在有土源的前提下，應(yīng)盡量把廢棄物堆墊在最下面然后才在上面覆蓋土壤；在沒有土源的情況下，建議把一些細(xì)碎、易分化的物質(zhì)堆墊在表面，以縮短礦山土風(fēng)化時(shí)間。作為礦山土組成的不同類型土壤，也應(yīng)區(qū)別對(duì)待。例如山西平朔礦區(qū)，紅黏土和黃綿土均為當(dāng)?shù)卮硇酝寥?，就其土壤本身質(zhì)量來說，黃綿土的要較好于前者，所以在堆墊及覆蓋的過程中，利用紅黏土壓實(shí)后水穩(wěn)性較好，強(qiáng)度較高但透氣性不好的特性將其作為下墊土層，其上再覆蓋透水性及可耕性良好的黃綿土，形成人造“蒙金土”構(gòu)型，有利于加快復(fù)墾進(jìn)度。

4) 對(duì)已堆墊完畢并經(jīng)過平整后的礦山土要逐漸恢復(fù)礦山土的肥力質(zhì)量。當(dāng)?shù)V山土最上層或通體為土壤時(shí)，經(jīng)過機(jī)械碾壓后，土壤會(huì)板結(jié)成塊，使得礦山土表層滲水性差，當(dāng)遇到降雨時(shí)，雨水不易下滲而在地表形成匯流造成堆墊邊緣水土流失，或者在低洼部分形成水坑；當(dāng)?shù)V山土表層或通體是巖石碎屑和礫石時(shí)，由于組成物質(zhì)本身顆粒以及顆粒之間空隙大，使得礦山土的保水保肥性能差，也不利于植被的生長(zhǎng)。因此，對(duì)剛堆墊平整的礦山土，需通過深耕和人工主動(dòng)培肥方式，輔以健全的排灌水設(shè)施，改善礦山土的理化性質(zhì)，從而加速礦山土的發(fā)育，使之成為成熟的土壤，這樣更有利于礦山土快速投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，或向更多的方向轉(zhuǎn)變，例如發(fā)展現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)，以及在條件允許的前提下可以開發(fā)為工業(yè)旅游用地或其他公共娛樂用地等[26-27]。

5 結(jié)束語(yǔ)

礦山土是在礦區(qū)特定環(huán)境中受強(qiáng)烈的人為作用而形成的一種人造土壤。本文以土壤發(fā)生學(xué)理論為指導(dǎo)，對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾過程中形成的礦山土的成土條件、剖面特征及理化性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，并結(jié)合礦山土的特點(diǎn)建議在新成土土綱中單獨(dú)劃出一類土壤——礦山人為新成土類，同時(shí)對(duì)其演化進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。進(jìn)而認(rèn)為在當(dāng)前環(huán)境下，對(duì)礦山土的利用需要在耕地、林地和草地三者利用方式間進(jìn)行協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)礦山土利用效益的最大化。最后對(duì)礦山土利用在不同階段提出建議，為土地復(fù)墾學(xué)理論和技術(shù)體系的建立，以及礦區(qū)復(fù)墾土地質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)起到一定的推動(dòng)作用，對(duì)我國(guó)土地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)也有參考價(jià)值。

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