礦山土的認識及其利用研究

張耿杰，白中科,2，王金滿,2

(1.中國地質大學(北京)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)

我國人多地少，因采礦等人類活動造成的土地和生態(tài)環(huán)境破壞情況很嚴重[1]。對礦區(qū)損毀土地實施土地復墾，通過采取工程和生物措施來恢復已損毀的生態(tài)環(huán)境已成為礦區(qū)生產中不可或缺的一部分[2]。有關研究表明，現(xiàn)代復墾技術研究的重點應是與土壤相關的因素[3-5]。因此對土地復墾來說，復墾的物質是基礎，是土地復墾標準和復墾質量驗收的落實點，決定著復墾的成敗。

土壤是經過風化而破碎的地球表面的外層物質，是作物根系生長的介質[6]。礦區(qū)內通過復墾形成的礦山土，是指以采礦業(yè)等產生的固體廢棄物為母質，經人工整理、改良，促使其風化、熟化而成為的一類土壤[7-10]。礦山土重構是礦區(qū)進行地貌重塑后的延續(xù)過程，是植被重建的基礎，會影響到后期的礦區(qū)景觀再現(xiàn)與生態(tài)系統(tǒng)建設和生物多樣性重組與保護的結果。因此，土壤重構是礦區(qū)土地復墾過程中的關鍵環(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的介質特性及其生產力制定有效的土壤改良和復墾模式的技術方案。本文對礦山土的形成和性質進行系統(tǒng)總結，嘗試對礦山土在土壤系統(tǒng)分類中進行定位，同時對其演變作了簡單說明，并對礦山土的利用方式和利用的建議進行了較為詳細的闡述，旨在為將來深入研究礦山土質量、加速復墾效益和健全土地復墾制度服務。

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墾過程中的具體的成土因素和人類活動的組合。在礦山開采和復墾過程中，由于挖掘、搬運、堆積、混合和大量物質的填埋，原有土壤的形態(tài)及理化性質等發(fā)生根本性的改變。就母質來說，采礦剝離的礦層上的巖石和地表土壤，礦體內排出的碎石和礦渣，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來源；就地形而言，露天礦區(qū)主要通過地貌重塑，以排土場的形式修筑梯田、平整土地等措施，將固體物質依照科學設計的方案進行堆墊；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、排水設施，有條件地方還可進行人工降雨等方式改變土壤的水分狀況；在生物方面，人為增加或減少動植物的種類，特別是在植被重建初期有針對性的篩選種植一些植物，通過施用經微生物作用過的有機肥料等來改善土壤的性質；從時間方面來看，可以用定期土地質量監(jiān)測等措施來來及時掌握礦山土的質量情況，通過多方面的人為措施加快礦山土的風化速度和強度，可大大縮短土壤的熟化過程，據研究，在人工管理得當?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實現(xiàn)[11]。

因此，礦山土可定義為在因采礦活動造成的挖損、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、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、底土層甚至母質層都出露地表，原有的土壤層序和結構被完全打亂。礦山土是人為將采礦過程中的剝離物、排棄物，以及當?shù)氐耐寥赖雀鶕蛪ㄒ蠖褖|形成的，是對復墾材料的重新組合。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)育程度的標志，通常只反映所堆墊的物質以及堆墊順序，是鑒別復墾材料的依據。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

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。礦山土的質地跟復墾物質和排土方式密切相關，其顆粒粒徑分布可以指示土壤發(fā)育強弱，反映成土母質的均一性和風化程度[12]。礦山土在堆墊的過程中，由于重型機械的碾壓，使得剛復墾的礦山土的容重明顯高于自然土壤，一般在1.7g/cm3以上。但是據野外實地調查和研究，在復墾措施得當且復墾多年的土地上，礦山土的容重能夠恢復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有關，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時，礦山土呈強堿性反應，但采取適當措施后，礦山土的酸堿性能夠向正常方向改進。礦山土中的有機質和氮磷鉀含量不穩(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量狀況，使土壤中的有機質和氮磷鉀等含量達到預期目標[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的內在聯(lián)系，從應用角度看，土壤分類是因地制宜的管理土壤、保護生態(tài)與環(huán)境和轉讓農業(yè)技術的依據。因此，對礦山土進行分類，是為了更好地解析、認識礦山土壤的需要，同時也是為了科學評價與改良礦山土壤性質的需要。

目前礦山土在中國土壤發(fā)生分類和中國土壤系統(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，筆者建議根據新成土的概念將其劃歸在新成土綱中，原因有五：第一，礦產資源的開采和土地復墾，均引起大面積的土壤擾動，打亂了原有的土壤層次和剖面發(fā)育，這些擾動作用除了保留原有母土物質的某些特性外，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間需要幾十年甚至成百上千年，而礦山土的成土時間在短時間內即可完成，這是它作為新成土形成的重要標志；第三，礦山土是人們按照礦區(qū)土地復墾要求，有意識有目的對土壤進行重構和培肥的結果，直接影響著人類的生產和生活，同時人類也影響著礦山土的形成和發(fā)展；第四，礦山土的成土物質具有不確定性，其中大多來自當?shù)氐耐寥篮褪[，或與所在礦區(qū)有關的礦渣、煤矸石、粉煤灰、城市污泥等[22]；第五，礦山土是人為堆墊的結果，如果當初的排土設計不到位或后期的管護缺失，會出現(xiàn)二次災害，如不均勻沉降或嚴重的水土流失，需要對礦山土實施較長時間的人工管護。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”，簡稱礦山土，與擾動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?shù)赝寥肋M行堆墊；(c)表示在土源匱乏的地方，用細碎石礫、石屑，甚至粉煤灰等作為土壤替代物。在人工培育的條件下，經過一定程度的熟化后，可在以復墾物質為主的母質層(C)上出現(xiàn)復墾表土層(A)；隨著復墾時間的延續(xù)，在復墾表土層和母質層之間弱度發(fā)育出雛形層((B))，演化為雛形土綱；再進一步熟化發(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，但因為礦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，在生態(tài)環(huán)境稍差的地方應采取水土保持措施，減少土壤的侵蝕。對礦山土的利用，實際上是涉及到對復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。根據土地復墾利用“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。因為不論從土地利用的技術上還是經濟成本的考量上，林地和草地均最合理[23-25]。而從我國人多地少，耕地保護和糧食安全的角度出發(fā)，復墾為耕地是一種主流選擇，但因為其資金、人力和技術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墾的成敗，因此在其利用過程中應注意以下問題。

1) 礦山土的來源較復雜，目前使用較多的是礦山固體廢棄物和當?shù)赝寥馈Ｆ渲械V山固體廢棄物包括掘進和剝離的廢石，選礦技術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、運輸?shù)裙に嚠a生的粉塵等。對環(huán)境有明顯污染的物質不能直接作為礦山土的母質，需要經過污染處理達到允許的標準后再使用，且在復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礦山土內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；或者將對植物生長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覆蓋一定的厚度，以隔絕污染物對地表植被的影響。而對某些以煤矸石作為填充或堆墊物料的礦山土，土層應覆蓋厚一點兒，因為薄的土層會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，可根據堆放物質的特性，科學設計一定的安息角，以保證堆墊后的土壤保持穩(wěn)定，不會發(fā)生滑坡或坍塌的現(xiàn)象；同時對安息角的研究，是從地面坡度的角度考慮后期土地復墾的方向。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，可以設置的最大安息角為45°。但在實際堆墊過程中，最大安息角不宜過高，一般為35°，以滿足植物的生長和保證林業(yè)和農業(yè)技術裝備生產運行。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°，而對耕地的要求則更高，通常在25°以下。

3) 礦山土母質在堆墊過程中不僅需對有礙植被正常生長的物質進行清理、深埋，安息角進行合理設置以及堆墊物表面平整，還應將堆墊物質按照一定的順序堆墊，如在有土源的前提下，應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，建議把一些細碎、易分化的物質堆墊在表面，以縮短礦山土風化時間。作為礦山土組成的不同類型土壤，也應區(qū)別對待。例如山西平朔礦區(qū)，紅黏土和黃綿土均為當?shù)卮硇酝寥?，就其土壤本身質量來說，黃綿土的要較好于前者，所以在堆墊及覆蓋的過程中，利用紅黏土壓實后水穩(wěn)性較好，強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”構型，有利于加快復墾進度。

4) 對已堆墊完畢并經過平整后的礦山土要逐漸恢復礦山土的肥力質量。當?shù)V山土最上層或通體為土壤時，經過機械碾壓后，土壤會板結成塊，使得礦山土表層滲水性差，當遇到降雨時，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?shù)V山土表層或通體是巖石碎屑和礫石時，由于組成物質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。因此，對剛堆墊平整的礦山土，需通過深耕和人工主動培肥方式，輔以健全的排灌水設施，改善礦山土的理化性質，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業(yè)生產中，或向更多的方向轉變，例如發(fā)展現(xiàn)代化生態(tài)農業(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 結束語

礦山土是在礦區(qū)特定環(huán)境中受強烈的人為作用而形成的一種人造土壤。本文以土壤發(fā)生學理論為指導，對礦區(qū)土地復墾過程中形成的礦山土的成土條件、剖面特征及理化性質進行系統(tǒng)總結，并結合礦山土的特點建議在新成土土綱中單獨劃出一類土壤——礦山人為新成土類，同時對其演化進行簡單說明。進而認為在當前環(huán)境下，對礦山土的利用需要在耕地、林地和草地三者利用方式間進行協(xié)調，以實現(xiàn)礦山土利用效益的最大化。最后對礦山土利用在不同階段提出建議，為土地復墾學理論和技術體系的建立，以及礦區(qū)復墾土地質量的監(jiān)測和評價起到一定的推動作用，對我國土地復墾標準建設也有參考價值。

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