露天礦區(qū)土壤基質改良材料研究進展

榮 穎 胡振琪 杜玉璽 楊 坤 趙會順

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

礦業(yè)作為我國的基礎產業(yè)，在保障國家能源安全和促進國民經濟健康發(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)境產生最直接的影響[3]。因此，露天礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建成為當前關注的熱點問題，其中礦區(qū)土地土壤基質的恢復與改良是土地復墾中的一個重要研究方向。露天礦區(qū)本身自然環(huán)境條件復雜，加上復墾土地面積大、經費問題及管理問題等多方面因素的制約，使得利用礦區(qū)自然資源進行排土場土壤基質改良成為解決露天礦區(qū)土地復墾與生態(tài)修復問題的關鍵。根據土壤基質改良材料特性和來源的不同，可將土壤基質改良材料分為表土、表土替代材料及復配土三大類。本研究對不同類型改良材料在土壤基質改良中的應用現狀進行歸納總結，以期為露天礦區(qū)土壤基質改良材料的進一步研究和應用提供參考。

1 土壤基質改良材料的分類

根據土壤基質改良材料特性和來源的不同，可將土壤基質改良材料分為表土、表土替代材料及復配土。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)，也有學者稱之為“人工土壤”[5]、“新土源”[6]，是指從礦區(qū)土地復墾環(huán)境建設可持續(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，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]。以采礦生產過程中產生的剝離基質作為母質，經人工整理、改良，促使其風化、熟化后可成為理想的表土替代材料。所謂“復配土”(remixed soil)，是指理化性質差異明顯的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，復配土強調的是質地不同但理化性質互補的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 土壤基質改良材料的應用

2.1 表 土

當露天礦區(qū)復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，其在很大程度上決定了植物生長立地條件的優(yōu)劣。表土中不僅含有當地植被恢復的重要種子庫，同時也保證了根區(qū)土壤的高質量和微生物數量及其群落結構[8]。表土作為復墾區(qū)不可再生的有限資源，充足優(yōu)質的表土能夠縮短土壤的熟化期，快速恢復礦區(qū)土壤肥力[9]。因此，礦區(qū)土壤基質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，有學者對表土的剝離和再利用進行了相關研究。表土作為土壤基質改良材料的關鍵在于表土的剝離、保存和復原，應盡量減少對土壤結構的破壞和養(yǎng)分的流失。西方國家對礦區(qū)土地表土剝離過程嚴格控制，對表土的剝離技術、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《土地復墾條例》明確規(guī)定對擬損毀的耕地、林地、牧草地進行表土剝離，剝離的表土用于被損毀土地的復墾[11]，許多地方人民政府也相繼將土地復墾表土納入依法管理。付梅臣等在分析現有煤礦區(qū)土地復墾工藝效果基礎上，提出了生態(tài)復墾的表土剝離工藝，即結合塌陷預計結果合理劃分造地區(qū)、條帶、取土區(qū)，按開采時序進行施工[12]。才慶祥等著重研究了露天礦表土層剝離與土地復墾一體化作業(yè)方法及相關參數，達到采礦工程與土地復墾統籌規(guī)劃的目的[13]。一般認為，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)土地的修復效果，發(fā)現30 cm覆土厚度即可以取得較好的恢復效果[15]。Pinchak等在礦區(qū)復墾中將鈣質和中等膠結的粉砂巖和泥巖鋪設在底部，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)，結果表明，種植4年后，覆蓋40 cm表土時可以取得較好的恢復效果[16]。可見，已有研究對最佳表土覆土厚度并沒有統一的認識，具體應依據土壤性質、植物類型及復墾目標進行調整。礦區(qū)表土資源在其剝離、存放和二次倒土時會有一定程度的損失，加上排土場土地復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量嚴重不足。當土源不足時，可以通過外來客土替代原生土。該技術的關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、質地較好或有害物質含量較低的土壤?？屯良夹g廣泛應用于原生土壤質地和結構[17-18]、鹽堿地[19-20]、污染土地[21]及邊坡生態(tài)修復[22]中的改良，且均取得了良好效果。同時，魯統春[23]、劉永光[24]研究結果表明，客土技術能夠快速恢復廢棄場地植被和土壤理化性質。

表土對礦區(qū)土壤基質產生的改良和修復效果顯著，但其作為土壤基質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)，應該選擇其他土壤基質改良材料。

2.2 表土替代材料

許多西方國家在土地復墾有關法規(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)土地復墾中的應用[25]。Sena等分別利用未風化的灰色砂巖、風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行野外種植對比試驗，發(fā)現風化的褐色砂巖最適宜作為表土替代材料[26]。Nicolini等發(fā)現第三紀風化的黃土適合作為德國萊茵蘭露天礦區(qū)土地復墾的表土替代材料，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)利用風化的褐色砂巖和未風化的灰色砂巖，通過連續(xù)8年的土壤理化性質和樹木生長測定發(fā)現，風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生的板巖粉末基本特性，發(fā)現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，且微生物數量較少，但電導率、pH值及重金屬含量不會對植物生長造成威脅，認為可以將其作為露天礦土地復墾過程中的表土替代材料[30]。

國內方面，胡振琪教授及其團隊率先針對露天礦土地復墾提出了表土替代材料的研制方法。針對內蒙古露天礦排土場修復表土匱乏的問題，胡振琪等首先根據各上覆巖土層質地及賦存量初步篩選出黃土和亞黏土原狀基質及其風化基質作為可能的表土替代材料，通過對比分析各基質物理、化學、生物和環(huán)境特性，最終認為風化的亞黏土基質是較為適宜的表土替代材料，該風化基質與表土特性接近，基本土壤特性好、環(huán)境風險低、出苗率高[31]。但該基質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95%以上，同時氮素、有機質等相對缺乏，需進一步改良。針對亞黏土基質以上特點，相關學者對其作為表土替代材料的不足進行改良探索試驗。紀妍等[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分別進行了改良試驗，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。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進行改良，每種改良劑分別設置3種用量水平，通過亞黏土基質的物理性質、化學性質、生物性質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的改良配方，室內試驗結果表明，風化煤、煤矸石、粉煤灰用量水平比為5∶1∶4時，對復墾土壤的改良效果和作物增產效果最佳[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行復墾，結果表明，底板土配施20%～25%的粉煤灰是表土替代材料的最佳構成[39-40]。

表土替代材料有效地解決了露天礦區(qū)土壤基質改良表土不足或者外來土源缺乏的問題，同時實現了礦區(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)土壤改良效果的關鍵，需要全面調查和分析礦區(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)，并在此基礎上配制最理想的應用配方，才能真正實現“以廢治退，速生生長”的目標。

2.3 復配土

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

利用砒砂巖“質地黏重、透水性差”[61]和沙土“結構松散、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量比分別為1∶0、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1混合進行實驗室配比試驗，對比分析不同配比條件下復配土的理化性質發(fā)現，隨著砒砂巖比例的增大，土壤質地發(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，飽和導水率顯著下降，綜合分析認為，2～4 cm粒徑的砒砂巖與沙土按質量比為0.2～0.5混合時得到的復配土具有良好質地、通透性以及保水保肥性能。并在此基礎上開展田間試驗，研究適宜不同作物生長需求的配方比，結果表明，玉米、大豆、小麥等作物在砒砂巖與沙按質量比為1∶2混合的復配土壤中長勢最好，馬鈴薯則在砒砂巖與沙按質量比為1∶5混合的復配土壤中長勢最好[44-46]。柴苗苗等對砒砂巖和風沙土復配后土壤耕層的質地、水穩(wěn)性團聚體含量、有機質含量及作物產量進行測定，結果表明，復配土壤質地隨作物種植季數的增加趨于砂質化；砒砂巖與沙按質量比為1∶1混合時復配土壤具有較高的水穩(wěn)性團聚體和有機質含量，且隨作物種植季數的增加而增大；玉米、大豆和冬小麥等作物產量在砒砂巖與沙按質量比為1∶2混合的復配土壤中均達到最高。羅林濤等測定和評價了砒砂巖與沙復配土中重金屬含量，評價結果表明，砒砂巖與沙復配成土之后可顯著降低沙土中重金屬含量，更有利于農作物種植[47]。攝曉燕等評價了不同砒砂巖添加比例對改良后的風沙土中養(yǎng)分的吸附性能的影響，研究結果表明，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]從砒砂巖與沙復配土壤結皮厚度、土壤凍層深度、土壤水分、地表粗糙度和積雪消融等相關指標評價其固沙效果。張露等[49]則從土壤粒度組成特性分析復配土的固沙效應。以上研究主要從復配土的物理結構、土壤肥力、作物產量及固沙效應等方面分析砒砂巖對風沙土的改良效應，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)土地復墾與生態(tài)系統恢復的主要因素，因此砒砂巖改良風沙土后的吸水和保水等水力學性質將顯著影響著風沙土改良效果的發(fā)揮。攝曉燕等[59]和張露等[50]從砒砂巖改良風沙土的水力學特性入手，比較和分析不同比例的砒砂巖和風沙土復配模式吸水和保水特性，復配土壤的持水保水能力隨砒砂巖比例的增加而增強，但以砒砂巖與風沙土按質量比為5∶1進行復配為宜；王歡元等[51]建立了不同砒砂巖與沙復配比例下的土壤飽和導水率參數庫；張磊等[60]研究砒砂巖對風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配土在土地綜合整治中的應用，探討核心以土地農用為目標改良風沙土理化性狀和養(yǎng)分供應水平，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沙土進行復配研究。陳士超利用風沙土與其下覆黃綿土2者之間在質地性狀和顆粒組成方面的互補性，將2種土壤混合復配，土壤質地隨黃綿土比例增加呈現砂土→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]。王猛著重分析了風沙土與砒砂巖復配對土壤密度、孔隙度、機械組成、持水性能等物理特性的影響，結果表明，復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種復配土(風沙土與黃綿土、風沙土與砒砂巖)的物理特性，隨復配土中黃綿土或砒砂巖比例增大，復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類復配土均呈砂土→壤土→粉壤土轉變趨勢，風沙土與砒砂巖型復配土較風沙土與黃綿土型復配土變化更明顯[64]。

復配土有效解決了晉陜蒙地區(qū)風沙土結構性差、漏水漏肥的問題，達到砒砂巖和沙資源化利用的效果。復配土應用具有一定的地域性，不同土壤之間在性質上的交互作用是復配成土的關鍵前提，復配成土的機理和不同作物的水土耦合作用還需進一步研究。

3 結 語

露天礦區(qū)生態(tài)恢復是當今世界關注的重要問題之一，而土壤基質改良是進行生態(tài)恢復的關鍵。表土、表土替代材料及復配土這3類土壤基質改良材料都有其適用范圍和局限性，無論選擇哪一類材料，都應該建立在原材料豐富、能夠就地取材、方便運輸及經濟環(huán)保的基礎之上。今后在露天礦區(qū)土壤基質改良材料中，還應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)境及恢復利用目標均不相同，對于具體某復墾土地選用何種改良材料，應該遵循因地制宜、就地取材的原則。在分區(qū)域、細致、全面調查基礎上，根據土壤和固體廢棄物的物理化學性質、有機質、黏土礦物及其他類型礦物組合特征，結合氣候條件，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，土壤基質改良材料對土壤物理、化學、生物學特性的改良機理研究也是今后應重點關注的問題。

(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配土的配制將是解決露天礦區(qū)土地復墾過程中表土資源短缺問題的首要選擇。未來應通過研究和試驗配制不同類型的表土替代材料和復配土，使其能夠因地制宜地運用到不同類型的土地復墾中。

(3)已有土壤基質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)土壤基質改良共性問題的研究與探討，根據礦區(qū)土地的理化性質劃分為不同的類型，并在此基礎上研究不同類型礦區(qū)土地的土壤基質改良材料，這也是生態(tài)恢復中的關鍵問題。

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