榮 穎 胡振琪 杜玉璽 楊 坤 趙會順

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

礦業(yè)作為我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在保障國家能源安全和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展中具有重要的地位和作用。我國是露天礦開采較多的國家之一[1-2]，露天礦開采需剝離礦層上方的全部表土和巖層，必然會對土地和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最直接的影響[3]。因此，露天礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建成為當(dāng)前關(guān)注的熱點問題，其中礦區(qū)土地土壤基質(zhì)的恢復(fù)與改良是土地復(fù)墾中的一個重要研究方向。露天礦區(qū)本身自然環(huán)境條件復(fù)雜，加上復(fù)墾土地面積大、經(jīng)費問題及管理問題等多方面因素的制約，使得利用礦區(qū)自然資源進(jìn)行排土場土壤基質(zhì)改良成為解決露天礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)問題的關(guān)鍵。根據(jù)土壤基質(zhì)改良材料特性和來源的不同，可將土壤基質(zhì)改良材料分為表土、表土替代材料及復(fù)配土三大類。本研究對不同類型改良材料在土壤基質(zhì)改良中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為露天礦區(qū)土壤基質(zhì)改良材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 土壤基質(zhì)改良材料的分類

根據(jù)土壤基質(zhì)改良材料特性和來源的不同，可將土壤基質(zhì)改良材料分為表土、表土替代材料及復(fù)配土。表土(topsoil)是指表層部位的土壤，表土的厚薄因土壤類型而異[4]。表土替代材料(topsoil substitutes)，也有學(xué)者稱之為“人工土壤”[5]、“新土源”[6]，是指從礦區(qū)土地復(fù)墾環(huán)境建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，利用礦區(qū)固體廢棄物等非表土資源的理化性質(zhì)，將其合理配比，綜合利用，使之成為適合植物生長的新型土壤[7]。以采礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的剝離基質(zhì)作為母質(zhì)，經(jīng)人工整理、改良，促使其風(fēng)化、熟化后可成為理想的表土替代材料。所謂“復(fù)配土”(remixed soil)，是指理化性質(zhì)差異明顯的2類或多類土壤按比例混合均勻后形成的土壤。復(fù)配土與表土替代材料都是人工土，而非自然成土因素下形成的土壤，兩者的主要區(qū)別在于，復(fù)配土強調(diào)的是質(zhì)地不同但理化性質(zhì)互補的2種或多種土壤之間的人工混合，而表土替代材料是非土壤資源的不同固體廢棄物之間的人工混合。

2 土壤基質(zhì)改良材料的應(yīng)用

2.1 表 土

當(dāng)露天礦區(qū)復(fù)墾土地沒有土壤層時，必須先覆蓋一定厚度的土壤，以表土為首要選擇。表土是植物賴以生存的介質(zhì)，其在很大程度上決定了植物生長立地條件的優(yōu)劣。表土中不僅含有當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的重要種子庫，同時也保證了根區(qū)土壤的高質(zhì)量和微生物數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu)[8]。表土作為復(fù)墾區(qū)不可再生的有限資源，充足優(yōu)質(zhì)的表土能夠縮短土壤的熟化期，快速恢復(fù)礦區(qū)土壤肥力[9]。因此，礦區(qū)土壤基質(zhì)改良最理想的材料為礦區(qū)表土資源。鑒于表土資源的珍貴性，有學(xué)者對表土的剝離和再利用進(jìn)行了相關(guān)研究。表土作為土壤基質(zhì)改良材料的關(guān)鍵在于表土的剝離、保存和復(fù)原，應(yīng)盡量減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞和養(yǎng)分的流失。西方國家對礦區(qū)土地表土剝離過程嚴(yán)格控制，對表土的剝離技術(shù)、剝離深度、剝離后表土的存儲及回填等都有明確的要求[10]。我國《土地復(fù)墾條例》明確規(guī)定對擬損毀的耕地、林地、牧草地進(jìn)行表土剝離，剝離的表土用于被損毀土地的復(fù)墾[11]，許多地方人民政府也相繼將土地復(fù)墾表土納入依法管理。付梅臣等在分析現(xiàn)有煤礦區(qū)土地復(fù)墾工藝效果基礎(chǔ)上，提出了生態(tài)復(fù)墾的表土剝離工藝，即結(jié)合塌陷預(yù)計結(jié)果合理劃分造地區(qū)、條帶、取土區(qū)，按開采時序進(jìn)行施工[12]。才慶祥等著重研究了露天礦表土層剝離與土地復(fù)墾一體化作業(yè)方法及相關(guān)參數(shù)，達(dá)到采礦工程與土地復(fù)墾統(tǒng)籌規(guī)劃的目的[13]。一般認(rèn)為，表土層覆土越厚越好，但覆土厚度增加的同時，工程量和費用也相應(yīng)增加，而且覆土厚度超過一定范圍后，土壤改良效果增長反而不顯著。Bowen等評價了24年來4種覆蓋表土厚度(0、20、40、60 cm)對植物群落和土壤特性的影響，研究結(jié)果表明，60 cm覆蓋表土厚度具有最好的養(yǎng)分含量和土壤蓄水潛力[14]。Schladweiler等比較了3種表土的厚度(15、30、56 cm)種植植物3年后對礦區(qū)土地的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)30 cm覆土厚度即可以取得較好的恢復(fù)效果[15]。Pinchak等在礦區(qū)復(fù)墾中將鈣質(zhì)和中等膠結(jié)的粉砂巖和泥巖鋪設(shè)在底部，其上覆蓋100 cm厚河流粗砂粒后再分別覆蓋不同厚度的表土(0、40、60 cm)，結(jié)果表明，種植4年后，覆蓋40 cm表土?xí)r可以取得較好的恢復(fù)效果[16]?？梢姡延醒芯繉ψ罴驯硗粮餐梁穸炔]有統(tǒng)一的認(rèn)識，具體應(yīng)依據(jù)土壤性質(zhì)、植物類型及復(fù)墾目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。礦區(qū)表土資源在其剝離、存放和二次倒土?xí)r會有一定程度的損失，加上排土場土地復(fù)墾面積明顯多于原開采區(qū)的表面積，從而使得原有表土資源數(shù)量嚴(yán)重不足。當(dāng)土源不足時，可以通過外來客土替代原生土。該技術(shù)的關(guān)鍵在于尋找外來土源，移取的外來土壤一般是壤土、沙壤土或者是肥力較高、質(zhì)地較好或有害物質(zhì)含量較低的土壤。客土技術(shù)廣泛應(yīng)用于原生土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)[17-18]、鹽堿地[19-20]、污染土地[21]及邊坡生態(tài)修復(fù)[22]中的改良，且均取得了良好效果。同時，魯統(tǒng)春[23]、劉永光[24]研究結(jié)果表明，客土技術(shù)能夠快速恢復(fù)廢棄場地植被和土壤理化性質(zhì)。

表土對礦區(qū)土壤基質(zhì)產(chǎn)生的改良和修復(fù)效果顯著，但其作為土壤基質(zhì)改良材料也存在較大的局限性。無論是礦區(qū)原有剝離表土還是異地外來客土，需土量和覆土厚度是首要考慮的問題。通常情況下，覆土的厚度越大，對土壤基質(zhì)的改良效果越好，但覆土厚度增加的同時也會增加運輸成本和管理費用，造成土源地的二次破壞。因此，表土作為礦區(qū)土壤基質(zhì)改良材料只能在土源充足的礦區(qū)適用，在土源短缺的礦區(qū)，應(yīng)該選擇其他土壤基質(zhì)改良材料。

2.2 表土替代材料

許多西方國家在土地復(fù)墾有關(guān)法規(guī)中明確規(guī)定，在礦區(qū)開采前需分析土壤及上覆巖層各基質(zhì)的理化特性和重金屬含量，從而篩選出適宜的表土替代材料。Inoue等介紹了粉煤灰作為表土替代材料在印尼某露天礦區(qū)土地復(fù)墾中的應(yīng)用[25]。Sena等分別利用未風(fēng)化的灰色砂巖、風(fēng)化的褐色砂巖及混砂頁巖作為表土替代材料，在美國肯塔基東部的某露天煤礦進(jìn)行野外種植對比試驗，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化的褐色砂巖最適宜作為表土替代材料[26]。Nicolini等發(fā)現(xiàn)第三紀(jì)風(fēng)化的黃土適合作為德國萊茵蘭露天礦區(qū)土地復(fù)墾的表土替代材料，且改良效果良好[27]。Baker通過在煤矸石中(pH<2)摻入粉煤灰系列燃燒產(chǎn)物和污泥堆肥得到一種“穩(wěn)定土”，該“穩(wěn)定土”作為表土替代材料可直接進(jìn)行種植，而不需要再覆蓋其他表土[28]。Wilson等在西弗吉尼亞某露天礦區(qū)利用風(fēng)化的褐色砂巖和未風(fēng)化的灰色砂巖，通過連續(xù)8年的土壤理化性質(zhì)和樹木生長測定發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化的褐色砂巖土壤理化特性更佳，是理想的表土替代材料[29]。Paradela等測試分析了露天礦開采過程中產(chǎn)生的板巖粉末基本特性，發(fā)現(xiàn)這種粉末砂粒含量較多，缺乏植物生長所需的氮、磷等營養(yǎng)元素，且微生物數(shù)量較少，但電導(dǎo)率、pH值及重金屬含量不會對植物生長造成威脅，認(rèn)為可以將其作為露天礦土地復(fù)墾過程中的表土替代材料[30]。

國內(nèi)方面，胡振琪教授及其團(tuán)隊率先針對露天礦土地復(fù)墾提出了表土替代材料的研制方法。針對內(nèi)蒙古露天礦排土場修復(fù)表土匱乏的問題，胡振琪等首先根據(jù)各上覆巖土層質(zhì)地及賦存量初步篩選出黃土和亞黏土原狀基質(zhì)及其風(fēng)化基質(zhì)作為可能的表土替代材料，通過對比分析各基質(zhì)物理、化學(xué)、生物和環(huán)境特性，最終認(rèn)為風(fēng)化的亞黏土基質(zhì)是較為適宜的表土替代材料，該風(fēng)化基質(zhì)與表土特性接近，基本土壤特性好、環(huán)境風(fēng)險低、出苗率高[31]。但該基質(zhì)直接作為表土替代材料還有一定的局限性：其黏粒含量高達(dá)95%以上，同時氮素、有機(jī)質(zhì)等相對缺乏，需進(jìn)一步改良。針對亞黏土基質(zhì)以上特點，相關(guān)學(xué)者對其作為表土替代材料的不足進(jìn)行改良探索試驗。紀(jì)妍等[32]利用草炭、楊潔等[33]利用改性秸稈、位蓓蕾等[34]利用蛭石、林杉等[35]利用硝基腐殖酸對亞黏土基質(zhì)分別進(jìn)行了改良試驗，通過宿主植物的生長性能和抗逆性能評價改良效果。結(jié)果表明，分別單一添加50 g/kg的草炭、50 g/kg的改性秸稈、10 g/kg的蛭石、0.5 g/kg的硝基腐殖酸時對亞黏土基質(zhì)的改良效果最佳。由于單一改良劑的營養(yǎng)元素常不平衡，單獨用作表土替代材料反而不利于土壤修復(fù)。位蓓蕾等同時選用蛭石、秸稈和硝基腐殖酸3種改良劑對亞黏土基質(zhì)進(jìn)行改良，每種改良劑分別設(shè)置3種用量水平，通過亞黏土基質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)及宿主植物的生長性能反映改良劑的改良效果。試驗表明，蛭石、秸稈、硝基腐殖酸用量水平分別為50、50、0.5 g/kg時，改良后的表土替代材料性能最佳[36]。另外，胡振琪教授基于風(fēng)化煤、煤矸石及粉煤灰等材料研發(fā)替代表土的煤基混合土和相應(yīng)的改良配方，室內(nèi)試驗結(jié)果表明，風(fēng)化煤、煤矸石、粉煤灰用量水平比為5∶1∶4時，對復(fù)墾土壤的改良效果和作物增產(chǎn)效果最佳[37-38]。馬彥卿等通過實驗室盆栽試驗和田間小區(qū)模擬試驗，篩選出平果鋁礦的礦床底板土作為覆土材料，該礦床底板土屬黏性并呈強酸性，添加沙性、強堿性的粉煤灰對其進(jìn)行改良，利用改良后的覆土材料作為表土層對平果鋁礦排土場進(jìn)行復(fù)墾，結(jié)果表明，底板土配施20%～25%的粉煤灰是表土替代材料的最佳構(gòu)成[39-40]。

表土替代材料有效地解決了露天礦區(qū)土壤基質(zhì)改良表土不足或者外來土源缺乏的問題，同時實現(xiàn)了礦區(qū)固體廢棄物的資源化利用，減少了礦區(qū)固廢占地及對環(huán)境的污染，達(dá)到以廢治廢的目的。表土替代材料的篩選和配制是決定礦區(qū)土壤改良效果的關(guān)鍵，需要全面調(diào)查和分析礦區(qū)上覆巖石和土壤酸堿度、營養(yǎng)元素豐缺程度、賦存狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上配制最理想的應(yīng)用配方，才能真正實現(xiàn)“以廢治退，速生生長”的目標(biāo)。

2.3 復(fù)配土

我國大致是在2010年以后才真正開始對復(fù)配土土壤進(jìn)行研究[41]，2010年之前也有學(xué)者提出“復(fù)配土”一詞[42-43]，但并未對其做出任何解釋。近年來不少學(xué)者對復(fù)配土土壤進(jìn)行了相關(guān)研究，其中以韓霽昌及其團(tuán)隊[44-56]、張興昌及其團(tuán)隊[57-60]的研究報道居多。兩大團(tuán)隊均以晉陜蒙接壤地區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)域內(nèi)土壤類型以風(fēng)沙土和黃綿土為主，同時約1/3的面積分布有砒砂巖，現(xiàn)有復(fù)配土研究多圍繞砒砂巖與風(fēng)沙土或者黃綿土二者之間的復(fù)配展開。

利用砒砂巖“質(zhì)地黏重、透水性差”[61]和沙土“結(jié)構(gòu)松散、漏水漏肥”這2種制約毛烏素沙地“兩害”的互補特性，按照砒砂巖與沙土質(zhì)量比分別為1∶0、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1混合進(jìn)行實驗室配比試驗，對比分析不同配比條件下復(fù)配土的理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，隨著砒砂巖比例的增大，土壤質(zhì)地發(fā)生由沙土到砂壤的變化，毛管孔隙度逐漸增加，持水性能逐漸增強，飽和導(dǎo)水率顯著下降，綜合分析認(rèn)為，2～4 cm粒徑的砒砂巖與沙土按質(zhì)量比為0.2～0.5混合時得到的復(fù)配土具有良好質(zhì)地、通透性以及保水保肥性能。并在此基礎(chǔ)上開展田間試驗，研究適宜不同作物生長需求的配方比，結(jié)果表明，玉米、大豆、小麥等作物在砒砂巖與沙按質(zhì)量比為1∶2混合的復(fù)配土壤中長勢最好，馬鈴薯則在砒砂巖與沙按質(zhì)量比為1∶5混合的復(fù)配土壤中長勢最好[44-46]。柴苗苗等對砒砂巖和風(fēng)沙土復(fù)配后土壤耕層的質(zhì)地、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)含量及作物產(chǎn)量進(jìn)行測定，結(jié)果表明，復(fù)配土壤質(zhì)地隨作物種植季數(shù)的增加趨于砂質(zhì)化；砒砂巖與沙按質(zhì)量比為1∶1混合時復(fù)配土壤具有較高的水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量，且隨作物種植季數(shù)的增加而增大；玉米、大豆和冬小麥等作物產(chǎn)量在砒砂巖與沙按質(zhì)量比為1∶2混合的復(fù)配土壤中均達(dá)到最高。羅林濤等測定和評價了砒砂巖與沙復(fù)配土中重金屬含量，評價結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配成土之后可顯著降低沙土中重金屬含量，更有利于農(nóng)作物種植[47]。攝曉燕等評價了不同砒砂巖添加比例對改良后的風(fēng)沙土中養(yǎng)分的吸附性能的影響，研究結(jié)果表明，砒砂巖可顯著增加土壤供磷/氮的持續(xù)性，提高肥料的有效性[57-58]。童偉等[48]從砒砂巖與沙復(fù)配土壤結(jié)皮厚度、土壤凍層深度、土壤水分、地表粗糙度和積雪消融等相關(guān)指標(biāo)評價其固沙效果。張露等[49]則從土壤粒度組成特性分析復(fù)配土的固沙效應(yīng)。以上研究主要從復(fù)配土的物理結(jié)構(gòu)、土壤肥力、作物產(chǎn)量及固沙效應(yīng)等方面分析砒砂巖對風(fēng)沙土的改良效應(yīng)，但對于晉陜蒙地區(qū)來講，土壤水分有效性是限制該地區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主要因素，因此砒砂巖改良風(fēng)沙土后的吸水和保水等水力學(xué)性質(zhì)將顯著影響著風(fēng)沙土改良效果的發(fā)揮。攝曉燕等[59]和張露等[50]從砒砂巖改良風(fēng)沙土的水力學(xué)特性入手，比較和分析不同比例的砒砂巖和風(fēng)沙土復(fù)配模式吸水和保水特性，復(fù)配土壤的持水保水能力隨砒砂巖比例的增加而增強，但以砒砂巖與風(fēng)沙土按質(zhì)量比為5∶1進(jìn)行復(fù)配為宜；王歡元等[51]建立了不同砒砂巖與沙復(fù)配比例下的土壤飽和導(dǎo)水率參數(shù)庫；張磊等[60]研究砒砂巖對風(fēng)沙土和沙黃土的持水特征、供水能力和干旱過程中失水過程的影響。

以上研究主要圍繞復(fù)配土在土地綜合整治中的應(yīng)用，探討核心以土地農(nóng)用為目標(biāo)改良風(fēng)沙土理化性狀和養(yǎng)分供應(yīng)水平，有效推動了毛烏素沙地的生態(tài)整治及沙與砒砂巖的資源化利用。也有學(xué)者針對采砂跡地將晉陜蒙地區(qū)廣泛存在的黃綿土資源與風(fēng)沙土進(jìn)行復(fù)配研究。陳士超利用風(fēng)沙土與其下覆黃綿土2者之間在質(zhì)地性狀和顆粒組成方面的互補性，將2種土壤混合復(fù)配，土壤質(zhì)地隨黃綿土比例增加呈現(xiàn)砂土→砂壤土→壤土→粉壤土的變化特征，同時土壤密度逐漸減小，有效孔隙度和保持水肥的性能不斷加強[62]。王猛著重分析了風(fēng)沙土與砒砂巖復(fù)配對土壤密度、孔隙度、機(jī)械組成、持水性能等物理特性的影響，結(jié)果表明，復(fù)配土顆粒級配隨砒砂巖比例的增加呈良性化趨勢發(fā)展，0～50 cm不同土層含水率、密度和毛管孔隙度均符合正態(tài)分布[63]。劉宗奇則對比了2種復(fù)配土(風(fēng)沙土與黃綿土、風(fēng)沙土與砒砂巖)的物理特性，隨復(fù)配土中黃綿土或砒砂巖比例增大，復(fù)配土砂粒含量和土壤密度均逐漸減小，黏粒和粉粒含量增多，2類復(fù)配土均呈砂土→壤土→粉壤土轉(zhuǎn)變趨勢，風(fēng)沙土與砒砂巖型復(fù)配土較風(fēng)沙土與黃綿土型復(fù)配土變化更明顯[64]。

復(fù)配土有效解決了晉陜蒙地區(qū)風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)性差、漏水漏肥的問題，達(dá)到砒砂巖和沙資源化利用的效果。復(fù)配土應(yīng)用具有一定的地域性，不同土壤之間在性質(zhì)上的交互作用是復(fù)配成土的關(guān)鍵前提，復(fù)配成土的機(jī)理和不同作物的水土耦合作用還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語

露天礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)是當(dāng)今世界關(guān)注的重要問題之一，而土壤基質(zhì)改良是進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。表土、表土替代材料及復(fù)配土這3類土壤基質(zhì)改良材料都有其適用范圍和局限性，無論選擇哪一類材料，都應(yīng)該建立在原材料豐富、能夠就地取材、方便運輸及經(jīng)濟(jì)環(huán)保的基礎(chǔ)之上。今后在露天礦區(qū)土壤基質(zhì)改良材料中，還應(yīng)該特別加強以下幾個方面的研究：

(1)不同露天礦區(qū)的地域特征、氣候特征、人文環(huán)境及恢復(fù)利用目標(biāo)均不相同，對于具體某復(fù)墾土地選用何種改良材料，應(yīng)該遵循因地制宜、就地取材的原則。在分區(qū)域、細(xì)致、全面調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤和固體廢棄物的物理化學(xué)性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、黏土礦物及其他類型礦物組合特征，結(jié)合氣候條件，從而選定或配制適合不同區(qū)域類型的土壤改良材料。此外，土壤基質(zhì)改良材料對土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)特性的改良機(jī)理研究也是今后應(yīng)重點關(guān)注的問題。

(2)我國露天礦區(qū)多位于山區(qū)，普遍存在表土資源短缺的問題。因此，在礦區(qū)開采時尤其要注意對表土、植物種子庫的收集和保存。以礦區(qū)固體廢棄物為原料配制新型表土替代材料和不同類型復(fù)配土的配制將是解決露天礦區(qū)土地復(fù)墾過程中表土資源短缺問題的首要選擇。未來應(yīng)通過研究和試驗配制不同類型的表土替代材料和復(fù)配土，使其能夠因地制宜地運用到不同類型的土地復(fù)墾中。

(3)已有土壤基質(zhì)改良材料研究多是以單個礦山為例，而對地區(qū)露天礦區(qū)土壤基質(zhì)改良所面臨的共性問題研究較少。因此，加強露天礦區(qū)土壤基質(zhì)改良共性問題的研究與探討，根據(jù)礦區(qū)土地的理化性質(zhì)劃分為不同的類型，并在此基礎(chǔ)上研究不同類型礦區(qū)土地的土壤基質(zhì)改良材料，這也是生態(tài)恢復(fù)中的關(guān)鍵問題。

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