路 曉，王金滿,2*，李 博，白中科,2

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礦山土壤特性及其分類研究進展①

路 曉1，王金滿1,2*，李 博1，白中科1,2

(1 中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

礦山土分類是認識礦山土壤的基礎，對礦山土壤系統(tǒng)分類研究是進行礦山土壤改良和植被重建的重要基礎。本文從物理、化學、生物和污染 4 個方面闡述了礦山土壤特性的變化及其對礦山土壤系統(tǒng)分類的影響，并對分類名稱、依據(jù)、指標體系和分類方法的相關研究進展進行了綜述。目前，礦山土壤系統(tǒng)分類大多以其特有屬性作為分類指標，運用光譜技術、模糊均值法和神經網絡模型等方法完成分類。但這些方法都有其自身的優(yōu)缺點，建議今后因地制宜地選取定量化分類指標，探索將主成分分析等數(shù)學模型與光譜等技術相結合的方法進行礦山土壤系統(tǒng)分類，以期為今后礦山土地復墾與利用提供科學依據(jù)。

礦山土壤；土壤分類；土壤特性；開采和復墾

土壤的發(fā)育過程受到自然因素和人為因素等多方面的影響，其中自然因素包括成土母質、氣候、環(huán)境、地形等，而人為因素會使這些自然因素發(fā)生不同程度的變化，正如礦山土壤在人類活動的強烈影響下改變了土壤發(fā)育的方向、結構、速度和強度，其成土條件、理化性質和環(huán)境質量等也發(fā)生了很大的變化，造成了土壤污染、土地質量退化和生產力衰竭[1]。礦區(qū)活動造成地表不同程度的裂縫和土地塌陷，改變了地形狀況，進而影響礦山土壤的理化性質[2]；礦山開采直接破壞土壤養(yǎng)分等狀況，減少了動植物的數(shù)量和土壤微生物的種類，降低生物多樣性[3]；固體廢渣(煤矸石等)經雨水沖刷淋溶等作用，改變土壤的酸堿性，造成礦區(qū)污染[4]?？梢?，各種礦區(qū)活動都會引起土壤的物理、化學和生物等各方面特性發(fā)生改變，造成土壤養(yǎng)分含量下降，加速土壤的貧瘠化過程，從而使礦區(qū)農業(yè)生態(tài)環(huán)境嚴重破壞。

礦山開采不僅對生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅，而且給土壤質量帶來很大影響，如何對礦山土進行精準分類，是有針對性地對礦山土壤進行改良、對礦區(qū)進行復墾和植被重建的重要基礎。近幾年來，為研究和解決礦山開采帶來的一系列問題，許多專家和學者在礦區(qū)土地利用[5-6]、土地復墾[7-8]、土壤改良[9-10]等領域展開了深入研究，但關于礦山土分類研究不足。土壤分類主要包括土壤發(fā)生學分類和土壤系統(tǒng)分類兩大類。土壤發(fā)生學分類主要是依據(jù)土壤的發(fā)生演變規(guī)律來劃分，而土壤系統(tǒng)分類則是依據(jù)土壤本身性質進行分類。礦山土的形成主要是由于人為活動對土壤的特性產生了影響，因而采用土壤系統(tǒng)分類方法更適宜。為此，本文對礦山土壤特性，礦山土分類名稱、依據(jù)、指標體系以及礦山土分類技術和方法進行全面分析，以期更好地為礦山土系統(tǒng)分類研究提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 礦山土特性及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響

礦山開采對土壤各方面性質造成不同程度的影響，使土壤構型、地表形態(tài)和植被狀況發(fā)生變化，嚴重影響到土壤分類工作。因此，深入研究和分析礦山土特性及其對礦山土分類的影響是科學合理進行礦山土分類的前提和關鍵。

1.1 物理特性及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響

1.1.1 土壤剖面構型 土壤剖面構型的復雜變異性是礦區(qū)土壤的典型特點之一，定量描述土壤剖面構型對礦區(qū)土壤分類有極其重要的作用。邢虹娟[11]運用礦區(qū)沉陷預計軟件對礦區(qū)擬破壞土地面積大小、破壞程度和生態(tài)環(huán)境影響進行預測分析，發(fā)現(xiàn)土地塌陷使土壤剖面構型破壞嚴重，土壤理化性質發(fā)生復雜變化，依據(jù)其預測結果將土壤理化性質作為礦山土分類的一個影響因子，便于礦區(qū)土地復墾的可行性分析；李梅和張學雷[12]、佘海銘和樊貴盛[13]通過分析不同土壤剖面構型對土壤肥力狀況和入滲能力的影響，發(fā)現(xiàn)土壤剖面構型與土壤肥力關系密切，對土壤的入滲能力也有明顯影響，從而依據(jù)土壤剖面構型分布狀況將土壤肥力和入滲能力作為礦山土分類的另一影響因子，反映礦區(qū)土壤的改良狀況；檀滿枝等[14]結合普通克里格空間預測方法，發(fā)現(xiàn)不同土壤剖面構型在空間上的分布規(guī)律，在宏觀上為區(qū)域礦山土壤分類和利用提供了更加客觀、豐富的基礎信息?？梢?，將以上幾方面融合起來，將礦區(qū)土壤剖面構型作為分類指標，構建指標層，對于礦山土分類、土地復墾與改良有極其重要的作用。

1.1.2 土壤質地 礦山開采改變了原有土壤結構，使土壤水分含量減少、植被蓋度降低、風蝕作用增強。莫愛等[15]用土壤學基本方法和理論發(fā)現(xiàn)礦山土壤黏粒物質不斷減少、沙化現(xiàn)象嚴重，且其含量在土壤表層和底層的變化程度不一；因此，針對礦山土壤質地快速分類的要求，曾慶猛等[16]運用偏最小二乘法建立質地預測模型和粒級回歸模型，從譜線特征、樣本漫反射方式、儀器精度和譜區(qū)范圍不同角度進行對比分析，發(fā)現(xiàn)不同條件下近紅外光譜分析方法用于土壤質地分類研究的可行性，從而為礦山土壤分類提供依據(jù)。

1.1.3 土壤持水能力 礦區(qū)土地塌陷造成的土壤裂縫加強了風力挾走土壤水分的能力，增加土壤水的蒸發(fā)面積和強度，危及植物生長[17]；土地塌陷對土壤的持水能力構成極大威脅，影響土壤有機物和礦物質的分解、淋溶和沉積[18]，可見土壤持水能力與礦區(qū)動植物生長和有機物分解等生物化學反應均有密切關系。此外，史文娟等[19]和臧蔭桐等[20]利用室內土柱構建土壤母質分層對土壤持水性能的影響實驗，發(fā)現(xiàn)土壤持水能力的大小同樣與分層土壤質地差異相關；任利東等[21]利用Hydrus-1D模型模擬不同類型層狀土壤排水過程中水分動態(tài)變化，揭示了不同土壤層狀類型持水能力的差異，為礦山土壤在持水性能分類中的應用提供理論指導。因此，將土壤持水能力作為礦山土分類的影響因子，可有效了解土壤質量，為礦區(qū)土地利用提供依據(jù)。

1.1.4 土壤體積質量 土壤體積質量作為礦山土物理特性之一，受到土壤深度、結構等自然因素和人為擾動等人為因素兩方面影響。臧蔭桐等[20]發(fā)現(xiàn)廢棄礦山體的坡底、坡中和坡頂受到土地塌陷區(qū)的擾動情況不同、土壤結構破壞程度不同、土壤體積質量的變化也存在很大差異；韓光中等[22]基于我國現(xiàn)有土壤數(shù)據(jù)庫，利用SPSS逐步回歸方法確定了土壤體積質量傳遞函數(shù)，說明了土壤體積質量與特殊的人為成土環(huán)境與成土過程有關，故從自然和人為兩方面綜合分析土壤體積質量變化，對礦山土壤類型的確定有很高的實用性。

綜上，從土壤剖面構型、土壤質地、持水能力和土壤體積質量4個方面分析礦山土的物理特性，可以發(fā)現(xiàn)礦山土壤剖面發(fā)生層分化較明顯，各剖面的有效土層隨采礦活動的加強不斷變化，進而影響礦山土的生產能力，以其生產力大小為依據(jù)，結合礦山土壤物理性質變化特點進行礦山土分類，可服務于礦區(qū)系統(tǒng)功能修復工作。

1.2 化學特性及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響

1.2.1 土壤有機質 土壤有機質是土壤中營養(yǎng)元素的重要來源，它對促進土壤結構的形成、提高土壤的保肥能力起著非常重要的作用。胡克林等[23-28]經過多年的連續(xù)觀測和實驗分析土壤有機質時空變異情況，發(fā)現(xiàn)土壤類型和土地利用方式是土壤有機質的主控因素；由于土壤有機質對土壤含水量和pH等也有一定的影響[29]，分析土壤的有機質情況可以為礦山土壤系統(tǒng)分類和礦區(qū)土地利用提供一定的科學依據(jù)，并為礦山土地管理和利用提出可行性建議。

1.2.2 土壤酸堿性 采礦活動造成礦區(qū)表層土壤鹽分積累，交換性鈉離子含量增高，土壤pH發(fā)生變化，影響土壤有機質的分解和營養(yǎng)元素的循環(huán)[30]，對此王寧等[31]從改良土壤狀況出發(fā)，結合生態(tài)效益和經濟效益，分析土壤酸堿化的機理和危害，總結管理和改良酸性土壤研究進展，為礦山土快速分類等相關研究提供了借鑒。

1.2.3 營養(yǎng)元素含量 礦區(qū)土地塌陷使土壤營養(yǎng)元素缺失，對氮素而言，硝態(tài)氮從土壤表層淋至較深土層，水解性有機氮通過礦化作用轉化為易流失的無機態(tài)氮[32]；對磷素而言，非活性磷素隨淋溶作用進入深層土壤，而其他形態(tài)磷在降雨集中時期被雨水沖刷流失，造成不同土壤粒級中磷的分布和礦化特征發(fā)生變化[33]；為了進一步了解土壤營養(yǎng)元素變化情況，Christensen等[34-35]利用超聲波分散-沉降法分析氮、磷、鉀在不同土壤顆粒中的分布特征及其對土壤養(yǎng)分的影響，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量與土壤粒徑和土壤風化程度均有很大關系。由此可知，了解礦山不同土壤粒級中營養(yǎng)元素組成和含量，可為揭示土壤肥力本質、闡明土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況以及合理進行礦山土分類提供科學支撐。

由于土壤的有機質含量表現(xiàn)在礦山土壤腐殖質層的厚度上，且其酸堿性和營養(yǎng)元素含量在不同程度上影響土壤中一系列的生物化學反應，并對土地的復墾類型和土地利用起到干擾作用，因此，了解土壤的化學特性亦是礦山土分類的重要前提和基礎。

1.3 生物特性及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響

1.3.1 土壤微生物區(qū)系與數(shù)量 土壤微生物對土壤有害物質的分解、生物化學循環(huán)和土壤結構的形成起著重要的調節(jié)作用，且礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不利于有益微生物繁殖和活動，降低了土壤中營養(yǎng)元素循環(huán)和能量流動速率[36]。龍健等[37]經過研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物區(qū)系可以敏感地反映土壤環(huán)境質量的變化，且土壤微生物各主要生理類群直接關系到土壤生態(tài)系統(tǒng)的維持和改善。除此之外，在礦山土壤生態(tài)系統(tǒng)退化本質與成因的研究中，土壤微生物又被廣泛用于土壤污染的生態(tài)毒理學診斷中，故以土壤污染的質量評價與修復技術為依據(jù)，劃分礦山土類型，可達到改良礦山土壤基質和生態(tài)修復的目的。

1.3.2 土壤酶活性 在自然狀態(tài)下酶活性大小不僅影響土壤中生化反應的方向和強度，如蔗糖酶和土壤脲酶等參與土壤中的碳循環(huán)和含氮有機物的轉化，酸性磷酸酶加速土壤有機磷的脫磷速度等；而且其自身的活性也會發(fā)生變化，如土壤的過氧化氫酶、多酚氧化酶和脫氫酶活性在采礦活動下表現(xiàn)為下降趨勢[38]。鑒于此，徐華勤等[39]將土壤酶活性作為評價土壤肥力指標，發(fā)現(xiàn)土壤酶活性大小對土壤營養(yǎng)元素的含量及其存在形態(tài)有直接影響，從而影響土壤肥力?？梢?，對礦山土壤性質和土地生產力作相關性分析，依據(jù)礦山土壤植被恢復類型，建立礦山土分類系統(tǒng)是恢復礦山生態(tài)系統(tǒng)功能的關鍵。

土壤的生物特性是表征土壤系統(tǒng)質量和土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要指標，它表征了礦山土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及功能，是礦山土分類及礦區(qū)生態(tài)平衡的必要條件。

1.4 污染特性及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響

1.4.1 礦山大氣沉降污染 礦山的大氣污染源主要包括采礦作業(yè)產生的煙塵、粉塵、懸浮顆粒物及其他有毒氣體等。從宏觀上看，彭建等[40]探究了礦山大氣污染來源，發(fā)現(xiàn)采礦過程中深孔爆破等機械化作業(yè)方式，產生大量的有毒有害氣體以及顆粒懸浮物，嚴重危害礦區(qū)動植物生長和周邊人們的身體健康；王晶等[41]劃分了礦山大氣污染類型，將其分為煙塵、工業(yè)粉塵、礦井排風有害氣體和車輛尾氣等多種污染類型。從微觀上看，由礦山大氣污染導致酸雨頻發(fā)、土壤酸化嚴重、重金屬含量超標，高芳蕾等[42-43]采用Tessier五步連續(xù)萃取法對礦山土中Pb、Zn、Cu的形態(tài)分布特征進行研究，發(fā)現(xiàn)按照遷移性和生物活性，重金屬元素依據(jù)其存在形態(tài)的不同對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的危害存在差異?？梢娡寥赖睦砘再|和礦區(qū)大氣沉降作用等均可影響礦山土中重金屬的含量及存在形態(tài)，可結合這些性質建立礦山土分類指標體系，劃分礦山土類型，從而確定礦山污染修復方法和技術。

1.4.2 礦山廢水污染 礦山廢水中含有大量的重金屬離子、選礦藥劑、硫酸鹽及其他難溶解的分散雜質等，因其排放量大造成地表水系的污染，引起地表巖溶塌陷、水循環(huán)失衡和土地荒漠化等一系列災害[44-45]。為了說明這一系列災害對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，劉鑌鋒等[46]進行了相關研究發(fā)現(xiàn)礦山開采排出的礦井水含有懸浮物和酸性成分，使土壤肥力減退、地面板結，減弱了礦區(qū)原有的承載能力。此外礦山廢水中大多硫酸鹽濃度相對較高，具有很強的溶解性和侵蝕性，嚴重污染礦區(qū)環(huán)境，且酸性礦山廢水具有低 pH、高氧化還原電位及高重金屬等典型污染特征，減弱了礦區(qū)周邊土壤功能[47]。為了解決這一系列礦山廢水污染問題，嚴群等[48]通過研究礦山廢水的特點和危害，提出酸堿中和法、混凝沉降法、化學氧化法、生物法等多種礦區(qū)廢水處理技術，為礦山廢水治理提供技術指導。因此探明礦山廢水污染周邊土壤的狀況，依據(jù)其潛在風險評價結果，進行礦山土污染類型分類，對于尋求經濟實用的礦山廢水治理方法、保護礦山環(huán)境和節(jié)約水資源有重要意義。

1.4.3 礦山固體廢棄物污染 礦山固體廢棄物的主要來源是礦山開采和加工過程中產生的廢石、廢渣和尾礦等，由于受到工藝技術和經營方式的限制，把這些固體廢棄物堆砌在土地表面，造成土地資源浪費的同時引起水土流失加劇，特別是在酸雨等多種條件的長期作用下，導致部分有害元素經過淋溶作用釋放，污染水質，影響礦山生態(tài)環(huán)境和人體健康[49-50]。

因此，按污染來源表述礦山土污染特性及其對礦山土分類的影響，可知礦山大氣沉降污染、廢水污染和固體廢棄物污染直接影響到土壤緩沖能力和自我修復能力，同時也為評價土壤保肥能力、建立礦山土壤分類系統(tǒng)和完善礦區(qū)土壤復墾方案提供了重要依據(jù)。

2 礦山土系統(tǒng)分類名稱、依據(jù)和指標體系

2.1 礦山土系統(tǒng)分類的名稱

土壤分類的名稱是分類的基礎和表現(xiàn)形式，在中美和蘇聯(lián)土壤系統(tǒng)分類中采用分段連續(xù)命名，即土綱、亞綱、土類、亞類為一段的連續(xù)命名法[51]；中國土壤系統(tǒng)分類是多級分類，即土綱、亞綱、土類、亞類4級高級分類單元和土族、土系兩級基層分類單元。其中土族作為土壤系統(tǒng)分類的基層分類單元，是反映與土地利用管理有關的土壤理化性質發(fā)生明顯分異的續(xù)分單元，同一亞類的土族劃分是由地域性差異成土因素引起土壤性質變化的具體體現(xiàn)，不同類別的土壤劃分土族所依據(jù)的指標各異，導致其劃分的依據(jù)和指標具有多元性。礦山土依據(jù)其特性，土族可根據(jù)如剖面控制層段的土壤顆粒大小級別、土壤礦物組成類別、土壤溫度狀況、土壤酸堿性、鹽堿特性、污染特性，以及人為活動導致的其他特性等進行命名，如“壤質云母混合型-弱鹽淡色潮濕雛形土”或“砂質硅質混合型非酸性熱性-鐵聚潛育水耕人為土”[52-53]。但傳統(tǒng)的土族分類命名有一定的局限性和不合理之處，易晨等[54-55]依據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類土族和土系劃分標準，分析了我國土壤系統(tǒng)分類基層單元中的土族在命名格式上存在的問題，包括描述指標匱乏、順序選取有誤及命名格式不符、礦物學類型有誤等。而其下的土系是中國土壤系統(tǒng)分類中最低級別的基層分類單元，它發(fā)育在相同母質上，由若干剖面形態(tài)相似的單個土體組成的聚合土體單元構成，它的性狀變異范圍較小，且主要考慮土族內影響土壤利用的性質差異，鑒于地區(qū)、土壤類型、利用條件的千差萬別，在土系的標準中只列出可能使用的劃分標準進行單獨命名，在分類上具有直觀性和客觀性。此外，徐祥明和何毓蓉[56]應用土壤微形態(tài)學總結了中國土壤系統(tǒng)分類中人為土、富鐵土、變性土及其他土綱的分類成果，提出加強人為土、土壤基層分類的微形態(tài)研究，為礦山土分類的動態(tài)定量研究提供了發(fā)展方向。

而俄羅斯土壤系統(tǒng)分類強調成土因素對土壤的影響，將土壤歸入9個生物氣候省，再劃分土類，根據(jù)土壤水熱狀況劃分亞類，對亞類再按土屬、亞屬、土種、亞種、土組、土相進一步細分[57]。由于它忽視了土壤性質在土壤分類中的作用，造成高級分類單元只反映一種自然條件的劃分，將許多特性不同的土壤歸并在一個土壤單元內；另一方面，它的分類指標不能定量化，且分類單元中存在交叉，不利于礦山土系統(tǒng)分類中的野外土壤類型鑒別和統(tǒng)一意見。

由此可知用土族土系標準對土壤信息進行系統(tǒng)分類并建立數(shù)據(jù)庫，可極大地改進對土壤資源的科學管理，由于在鑒定礦山土壤類別并進行命名時，成土條件、成土過程和土壤屬性三者難以統(tǒng)一，需要選擇土壤本身的性質作為分類指標，保證分類結果符合形式邏輯規(guī)則，提升科學價值。

2.2 礦山土系統(tǒng)分類依據(jù)

從20世紀50年代初開始，美國土壤學方面的專家和學者經過大量的實驗和研究，制定了一項土壤分類制，該土壤分類制從土壤屬性出發(fā)，以診斷層和診斷特性為依據(jù)，規(guī)定劃分標準，并確定其在分類系統(tǒng)中的位置。面對礦山土壤這一人為因素主導下的新情況，其系統(tǒng)分類既要考慮與國際土壤分類相接軌，又要考慮礦山土壤種類復雜這一現(xiàn)實，在過去的礦山土壤分類歷史進程中，對分類依據(jù)的選擇較為靈活，從發(fā)生學分類到形態(tài)學分類再到診斷學分類，直至目前的自動化數(shù)值分類[58]，其分類依據(jù)的逐步完善、標準化和量值化對土壤科學相關領域的發(fā)展具有借鑒意義。目前的美國土壤系統(tǒng)分類常把土壤溫度與水分作為重要依據(jù)，尤其是表現(xiàn)在亞綱的劃分上；而中國土壤系統(tǒng)分類在區(qū)域和單個土體等不同層面與發(fā)生學分類制作參比，又與國際的美國土壤系統(tǒng)分類(ST)和世界土壤資源參比基礎(WRB)制作參比[59-60]，為建立礦山土壤指標化和數(shù)值化分類提供了非常重要的實用價值。

之后許多專家和學者又依據(jù)土壤性質、指標和模型等建立了土壤系統(tǒng)分類，例如曾慶猛等[16]對礦山土壤剖面進行研究，并依據(jù)土壤粒徑、礦物性質、溫度等特點把土壤質地劃分為7級；陳培珠和王芳[61]又以數(shù)種指標確定診斷土層，建立復合指標，并依據(jù)這些復合指標進行土壤分類。他們的研究均以定性分類為主；侯彥林[62]則運用區(qū)域土壤數(shù)值分類模型(RSCM)，對礦山土壤層樣本進行主成分分析，實現(xiàn)土體構型的數(shù)值化，確定各類型間的界線和指標，得出分類結果，彌補了礦山土定量化分類的短缺。此外安紅艷等[63]結合具體分類條件和要求依據(jù)有機質含量、土壤含水量、土壤養(yǎng)分含量等，對土壤形成條件進行調查，并進行土壤理化性質和有機質狀態(tài)分析，從而使分類結果更加完善。

目前，結合礦區(qū)土壤的理化性質及其對礦山土系統(tǒng)分類的影響，計算機技術、3S技術以及土壤景觀模型等技術和方法被廣泛應用于礦山土壤形成和分類中，依據(jù)土壤微形態(tài)學理論和方法開展礦山土壤形成和分類的研究將成為今后土壤科學相關領域研究的重點和方向。

2.3 礦山土分類指標體系

從國內外土壤系統(tǒng)分類來看，土壤分類指標按其性質可大致分為形態(tài)學指標(包括大形態(tài)及少量微形態(tài)指標)、物理指標、化學指標、礦物指標及土壤氣候指標，這些指標都有明確定義和具體的量值，使土壤分類向指標化、定量化的方向逐步發(fā)展和完善。比如，許端陽等[64]選取土壤環(huán)境標準結合重金屬指標構建指標體系，對土壤環(huán)境質量進行綜合評價，為土壤依據(jù)其環(huán)境質量進行分類提供了可行性條件；以此為基礎，Arshad和Martin[65]選取表征土壤環(huán)境功能且可以測量土壤屬性的指標構建指標體系，旨在衡量土壤質量及其功能屬性，進而對土壤按照其功能進行分類；而呂川和陳明輝[66]通過總結前人的土壤環(huán)境質量評價指標體系，根據(jù)地貌單元、巖石類型、土壤組合和氣候特征的生態(tài)組合劃分評價單元，運用歐洲環(huán)境署的DPSRI模型，對典型土壤污染問題進行分析，提出土壤類型與環(huán)境質量分區(qū)管理的對策建議；為了加快礦山生態(tài)環(huán)境的恢復與重建，尹?？萚67]又從微地貌、土壤和植被3個層次，選擇植物生物量等9個指標進行相關分析，得出土壤持水量、粒級組成和植物生物量，找出礦山不同土壤類型間的差異性，從而得出分類結果，對今后的礦區(qū)土壤環(huán)境保護和區(qū)域土地利用具有重要意義。

3 礦山土系統(tǒng)分類技術與方法

3.1 應用光譜技術進行礦山土系統(tǒng)分類

土壤的光譜反射率是土壤特性在光譜信息上的綜合體現(xiàn)，研究土壤光譜特性可以為土壤分類提供判別指標，且目前在土壤分類中應用最多的是近紅外光譜分析技術，國外也逐漸將紫外、可見光等用于土壤檢測的研究中。其中近紅外的主要信息基礎是被測物質有機分子的各級含氫集團倍頻與合頻在近紅外譜區(qū)的吸收，如土壤化學特性主要體現(xiàn)在近紅外光譜的譜峰特征上，而土壤質地等物理特性主要反映在光譜的截距參數(shù)或斜率上，且不同特性在不同譜區(qū)的相對強度有所不同[68]。隨后大量的實驗和研究結果表明光譜技術具有測定快速方便、無損、準確等特點，在研究土壤分類方面有很高的應用潛力。如Frost等[69-70]采用近紅外光譜技術檢測了土壤中氮、磷、鉀和有機質的含量，實現(xiàn)對土壤養(yǎng)分的快速分析；Linker等[71-73]比較了可見-近紅外-中紅外等波段范圍進行土壤質地分類，建立土壤參數(shù)定量模型，實現(xiàn)礦山土的快速分類；趙帥群等[74]則將光譜技術與數(shù)學方法相結合，運用傅里葉變換紅外光譜技術和主成分分析方法(PCA)對土壤特性進行研究，分析反映樣品在該段光譜的主要信息，從而為礦山土壤系統(tǒng)分類提供了科學依據(jù)。

此外，在礦山土壤分類研究中，應用光譜技術可以實現(xiàn)宏觀尺度與微觀尺度的有效結合，通過衛(wèi)星等光譜遙感器從宏觀尺度檢測礦山土壤狀況，結合地面光譜技術從微觀方面對土壤水分、理化特性等進行實時和大批量的微觀分析，獲取的礦山土信息量大、覆蓋面寬；另一方面，光譜技術分析時效性強、分析速度快，可實現(xiàn)實時或在線分析，多組分之間可通過全光譜掃描，獲得土壤各特性光譜信息，操作簡單、成本低。但是考慮到土壤光譜特征曲線在反映礦山土壤質地信息方面要比化學和物理信息少，若采用常見的光譜圖預處理方法對獲得的礦山土壤光譜數(shù)據(jù)進行處理，很有可能會造成光譜特征判斷解譯錯誤的情況，可通過先引入正交信號校正方法對譜圖進行預處理，然后進行特征分析，即可廣泛應用于礦山土系統(tǒng)分類等相關研究中。

3.2 應用模糊均值法進行礦山土系統(tǒng)分類

基于模糊均值算法的土壤數(shù)值化分類方法是目前最為常用的礦山土壤數(shù)值化分類手段，它作為對多性狀事物綜合分析的數(shù)學分析方法之一，在土壤系統(tǒng)分類過程中，克服了單一因素進行分類的弊端，對成分復雜、界限不清的礦山土壤系統(tǒng)分類尤為適用[75]。它可以得到較為實際的分類結果，為相關部門提供可靠數(shù)據(jù)，同時為改良土壤和提高肥力提供有用的價值。如付大友等[76-77]用動態(tài)聚類方法和方差分析方法確定聚類數(shù)目和初始聚類中心，通過建立礦山土分類指標體系，用模糊c-均值法實現(xiàn)礦山土的快速數(shù)值化分類；Amini等[78-83]把土壤剖面發(fā)生亞層的屬性數(shù)據(jù)作為變量，使用主成分分析和非層級聚類方法，根據(jù)模糊c-均值算法將土壤剖面分為不同類型，將此方法與礦山土剖面的各向異性特征相結合，進行礦山土剖面連續(xù)分類；Hengl[84]提出將色彩合成法應用于模糊均值算法獲取的地貌類型監(jiān)督分類結果中，因此在礦山土分類中，可將此方法與Mcbratney等[85-86]提出的模糊性能指數(shù)相結合，避免主觀因素的干擾，使分類結果更精確。在礦山土連續(xù)分類與制圖表達中模糊均值法還可以為礦區(qū)土壤污染空間分布、土壤質量評價、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與保護等提供更精細的信息，使其在礦山土地復墾規(guī)劃應用領域發(fā)揮重要作用，同時在地貌類型和地表植被類型等方面有廣闊的應用前景。

雖然模糊均值算法有它自身的優(yōu)勢，比如用模糊理論可以較合理地解決一些問題，且目標函數(shù)聚類方法能夠準確地用公式表達聚類準則，設計簡單、解決范圍廣、并可以考慮樣本的全局特征，轉化為最優(yōu)化問題求解。但是，模糊均值算法的實時性不太好，尤其當土壤特征點很多時，該算法可能會陷入局部極值點，無法實現(xiàn)全局最優(yōu)解，使聚類效果受到初始聚類中心和聚類數(shù)目的影響。

3.3 應用徑向基函數(shù)神經網絡進行礦山土系統(tǒng)分類

徑向基函數(shù)神經網絡(RBF)是一種多變量插值的3層前向型神經網絡模型，它由輸入層、隱含層和輸出層組成，隱含層神經元傳遞函數(shù)是對中心點徑向對稱且衰減的非負非線性函數(shù)，從輸入層空間到隱含層變換，再從隱含層空間到輸出層空間變換都是線性的[87]。它基于遙感圖像的土壤自動分類方法，能夠有效地提高分類精度，且分類結果可以為礦區(qū)土壤分類、農業(yè)利用、環(huán)境保護和資源可持續(xù)利用等方面提供數(shù)據(jù)支持[88]。孫福振等[89]通過仿真實驗對礦山土壤分類參數(shù)進行選取和深入分析，驗證了徑向基函數(shù)神經網絡在基于遙感圖像的土壤分類中的應用價值，為今后的礦山土以及其他土壤分類提供技術支持；馬海姣和崔晨風[90]結合BP神經網絡和RBF神經網絡技術進行土壤分類研究，探討基于土壤反射光譜特性的土壤分類技術，提高了土壤分類精度和運行時間，為實現(xiàn)基于遙感方法進行土壤快速分類奠定基礎；李啟權等[91-92]采用主成分分析方法和徑向基函數(shù)神經網絡模型建立環(huán)境因子間的非線性關系，發(fā)現(xiàn)神經網絡模型能更準確反映土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子間的關系，為大尺度的土壤分類提供了參考。

應用徑向基函數(shù)神經網絡具有優(yōu)秀的離散數(shù)據(jù)內插特性，可以提供最優(yōu)逼近功能，結構簡單、訓練速度快，函數(shù)逼近能力和分類能力強，不存在局部最優(yōu)等問題，這些優(yōu)點為其在礦山土系統(tǒng)分類中的應用奠定了基礎。然而不同輸入方式下RBF神經網絡對土壤特性信息的空間分布插值的精度差異明顯，因此在今后的礦山土壤系統(tǒng)分類研究中，應增加考慮距離因素的臨近樣點信息作為網絡輸入，使RBF神經網絡能夠更好地反映礦山土壤特性的變異信息，從而更精確地進行礦山土壤系統(tǒng)分類。

此外，還有其他土壤分類技術和方法可以被廣泛應用于區(qū)域礦山土壤系統(tǒng)分類中，Carré和Mcbra-tney[93]在人為設置參比土層的前提下，應用VLADIMIR半自動分類將觀測剖面分為不同類型，但是此方法只考慮依據(jù)土壤剖面類型，不考慮土層厚度及土壤在剖面中的排列組合特征；Carré和Jacobson[94]、Rayner[95]以土壤剖面之間相似性計算為基礎，采用層級式算法對土壤進行數(shù)值分類，但此方法具有運算復雜的缺點，不適合大批量數(shù)據(jù)運算。

4 問題與展望

本文從物理、化學、生物和污染等4個方面概括總結了礦山土壤的特性及其對礦山土分類的影響，綜述了相關土壤分類依據(jù)和方法的研究進展，并指出了當前礦山土分類中存在的突出問題、研究難點和今后的發(fā)展方向。當前對礦山土系統(tǒng)分類的研究較少，分類依據(jù)和分類方法滯后于實際需求，未形成合理的礦山土系統(tǒng)分析體系。因此進一步發(fā)展和優(yōu)化礦山系統(tǒng)分類方法是當前土壤學等相關領域亟需解決的科學問題。建議今后重點圍繞以下關鍵點，尋求突破，促進相關學科深入發(fā)展：

1) 科學設計研究方案，準確診斷礦山土壤特性。不同礦山開采造成的重構土壤特性差異顯著，因此要強化不同采礦時空下的土壤系統(tǒng)分類研究，需開展野外長期跟蹤監(jiān)測礦山土壤動態(tài)特征，重點關注采礦活動對土壤微生物含量、土壤持水能力、重金屬含量以及土壤污染狀況等特性的影響，精確了解礦山土壤特性信息，構建礦區(qū)土壤屬性、植被恢復和土地利用之間的定量關系，深入探討不同尺度下微觀特性和宏觀特性間的內在關系，尤其要搞清楚礦山開采前、中、后等不同時期土壤結構及功能的異同，為礦山土壤系統(tǒng)分類奠定基礎。

2) 合理確定礦山土壤系統(tǒng)分類依據(jù)和定量化指標。中國土壤系統(tǒng)分類的最大特點是建立了診斷層和診斷特性系統(tǒng)，確定了土壤系統(tǒng)各級分類的定量指標，而目前的礦山土壤系統(tǒng)分類研究中，并沒有依據(jù)礦山土壤自身特點形成一套完整的分類指標體系，因此需努力發(fā)展基于土壤系統(tǒng)分類的結構特征和量化分異功能的方法，選取科學的分類依據(jù)，確定礦山土壤系統(tǒng)分類的生物指標、物理指標、化學指標以及污染指標等，完善礦山土壤系統(tǒng)分類定量指標體系，制定出適用于不同礦區(qū)及其治理目標的土地復墾技術導則，為正確評估、篩選和優(yōu)化礦區(qū)土地復墾技術提供科學依據(jù)。

3) 科學確定礦山土壤系統(tǒng)分類技術與方法。從目前研究來看，應用光譜技術、模糊聚類和神經網絡模型等進行礦山土壤系統(tǒng)分類的技術與方法都有其自身的優(yōu)勢和局限性。由于礦山土壤性質復雜，測量工程量大，要實現(xiàn)對其進行快速、無損地系統(tǒng)分類，需要結合主成分分析和聚類分析等數(shù)學模型，綜合運用光譜分析和神經網絡模型等技術與方法，努力提高土壤系統(tǒng)分類精度和運行時間，實現(xiàn)分類技術與方法的優(yōu)勢互補，建立與綠色礦山建設相適應的礦山土壤分類系統(tǒng)，為最終優(yōu)化土地復墾和土地利用技術，實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境良性運轉提供科技支撐。

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Progresses in Soil Properties and Classification of Mining Soils

LU Xiao1, WANG Jinman1,2*, LI Bo1, BAI Zhongke1,2

(1 School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2 Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China)

Classification is one of the foundation in studying mining soils, which is particularly important for the improvement and vegetation reconstruction of mining soils. This paper described the changes of mining soil characteristics and their influences on the classification of mining soils from four aspects of physics, chemistry, biology and pollution, summarized the research advances in the name, basis, index system and method of the classification in mining soils. At present, mining soils were classified by using spectral technology, fuzzy c-mean method and neural network model on the bases of their unique attributes, but these methods have their own advantages and disadvantages, thus, it was recommended for future study to select quantitative classification index according to the local conditions to combine principal component analysis and other mathematical models with spectral techniques for mining soil classificationin order to provide further scientific basis for land reclamation and utilization.

Mining soil; Soil classification; Soil characteristics; Exploitation and reclamation

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.005

S155

A

國家自然科學基金項目(41271528)資助。

(wangjinman2002@163.com)

路曉(1991—)，女，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事土地整治與生態(tài)恢復研究。E-mail：luxiao002016@163.com