礦區(qū)復(fù)墾土壤研究進展

李玲， 王珂， 王秀麗， 路婕， 黎鵬， 張少然

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省土地整治與生態(tài)重建工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

礦產(chǎn)資源的開采促進了經(jīng)濟和社會的發(fā)展，但礦區(qū)人為活動的強烈影響，與礦區(qū)相關(guān)的土壤問題正變得日益突出,如煤礦開采直接或間接破壞地表，造成地表的塌陷、沉陷、裂縫等，使有限的耕地不斷減少，甚至導(dǎo)致大面積的土壤破壞或退化。這些問題造成礦區(qū)土壤及耕地資源嚴(yán)重不足，對礦區(qū)社會-經(jīng)濟-生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。研究在總結(jié)國內(nèi)外復(fù)墾土壤研究的基礎(chǔ)上，綜述礦區(qū)復(fù)墾土壤在概念、特性、分類系統(tǒng)等方面的研究成果，以期為中國復(fù)墾土壤的未來發(fā)展提供指引。

1 礦區(qū)土地復(fù)墾及其技術(shù)

1.1 礦區(qū)土地復(fù)墾的內(nèi)涵

土地復(fù)墾是指采取工程、生物措施，對生產(chǎn)建設(shè)過程中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞、廢棄的土地和自然災(zāi)害造成破壞、廢棄的土地進行整治，使其恢復(fù)到可利用狀態(tài)的活動[2]，是一種人為擾動極其強烈的過程，將在中國較長時間和較大范圍存在。土地復(fù)墾研究屬于新興的交叉學(xué)科，目前研究多集中于復(fù)墾工程[3]、復(fù)墾工藝[4]與復(fù)墾效益[5]；復(fù)墾活動因復(fù)墾對象的多樣性、復(fù)墾充填物質(zhì)的多樣性和復(fù)墾方式的復(fù)雜性往往造成礦區(qū)土壤的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能等復(fù)雜多樣。

1.2 礦區(qū)土地復(fù)墾的技術(shù)

土地復(fù)墾的基礎(chǔ)是再造良好的土壤結(jié)構(gòu)和層次，為植物生長提供必備的土壤環(huán)境[6]。中國各礦區(qū)結(jié)合實際狀況，在復(fù)墾方式方面因地制宜做出了很多實踐和探索，由最初的非充填復(fù)墾技術(shù)到充填復(fù)墾技術(shù)[7]，由于這兩種治理技術(shù)都是先破壞、后復(fù)墾，為了更好地保護生態(tài)環(huán)境，近年來又有學(xué)者提出了邊采邊復(fù)技術(shù)[8]、微生物復(fù)墾技術(shù)等。

非充填復(fù)墾技術(shù)包括疏排法[9]、挖深墊淺法[10]、泥漿泵法等。充填復(fù)墾技術(shù)包括煤矸石填充復(fù)墾技術(shù)[11]、粉煤灰填充復(fù)墾技術(shù)[12]、河湖泥沙填充復(fù)墾技術(shù)[13]、垃圾填充復(fù)墾技術(shù)[14]等。邊采邊復(fù)技術(shù)是將地下開采與地面復(fù)墾措施相結(jié)合，通過調(diào)整土地損毀的開采措施實現(xiàn)采礦與復(fù)墾同步進行的一種復(fù)墾技術(shù)[8]。將復(fù)墾技術(shù)由“末端治理”轉(zhuǎn)向“源頭控制與治理”[15]，增強了土地復(fù)墾效果。微生物復(fù)墾技術(shù)是利用微生物的接種優(yōu)勢，對復(fù)墾區(qū)域土壤進行綜合治理和改良的一項生物技術(shù)措施[16]，多應(yīng)用于礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善[17]、養(yǎng)分增加[18]和酶活性提高[19]等方面，可以加速礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)速度，有效提高復(fù)墾土壤的肥力，促進植被恢復(fù)，改變土壤生物活性，提升土壤生物多樣性。微生物復(fù)墾技術(shù)已成為土地復(fù)墾技術(shù)的前沿和熱點[20]，在礦區(qū)土壤復(fù)墾中起重要作用。

1.3 礦區(qū)復(fù)墾土壤的概念

復(fù)墾對土壤造成了不同程度的人為擾動，科學(xué)工作者目前已經(jīng)意識到礦區(qū)內(nèi)的土壤正遭受歷史上最為強烈深刻持久的人為活動的影響，演變成一種特定的土壤——復(fù)墾土壤。復(fù)墾土壤最初在國際上類似相當(dāng)于礦區(qū)土壤(Mine soils)，即由于當(dāng)時的露天采礦導(dǎo)致產(chǎn)生的人為擾動土壤，早期被稱為礦山堆積物或礦山土(“Mine dumps” or “strip mines”)[21]。中國在20世紀(jì)末土地復(fù)墾相關(guān)法律頒布前，尚未采用表土剝離及分層剝離技術(shù)，礦區(qū)土壤是剝離的各巖層土石混合物，科學(xué)家把這種礦山剝離混合物稱之為礦山土[22-23]。在此基礎(chǔ)上，陳龍乾定義復(fù)墾土壤為進行土地復(fù)墾活動產(chǎn)生的土壤，是指對被破壞的土地進行復(fù)墾及采取生物、物理和化學(xué)的土壤培肥技術(shù)措施而形成的人工土壤[24],根據(jù)復(fù)墾活動及充填物質(zhì)分為泥漿泵復(fù)墾土壤、粉煤灰充填復(fù)墾土壤、煤矸石充填復(fù)墾土壤，根據(jù)復(fù)墾場地分成露天采礦跡地和排土場復(fù)墾土壤等4類[25]。

2 礦區(qū)復(fù)墾土壤研究現(xiàn)狀

2.1 礦區(qū)復(fù)墾土壤的特性

國外的復(fù)墾工作及對復(fù)墾土壤的研究較早，國內(nèi)對復(fù)墾土壤的研究相對于國外起步較晚，但其研究目的一致，均是圍繞復(fù)墾土壤的物理、化學(xué)、生物特性展開研究。

土壤的物理特性包括土壤結(jié)構(gòu)和孔隙性、土壤水分、土壤空氣、土壤熱量和土壤耕性等[26]。SHUKLA等[27]研究了俄亥俄州東南區(qū)域復(fù)墾土壤的水分特征；王金滿等[28]采用CT掃描技術(shù)對復(fù)墾土壤進行分析，研究排土和復(fù)墾對土壤孔隙數(shù)量和孔隙度的影響；李玉婷等[29]運用描述性統(tǒng)計分析法、單因素方差分析法等方法研究重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)在水平及垂向方向的差異,揭示了不同植被覆蓋類型下的土壤容重和孔隙度差異；黃雨晗等[30]運用方差分析和擬合分析方法,選取土壤容重、土壤含水率等物理指標(biāo),分析了復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)的差異及產(chǎn)生原因。

土壤的化學(xué)特性是指有土壤的化學(xué)組成、有機質(zhì)含量、土壤的酸堿性、吸附性、氧化還原性等。MAHARAJ等[31]用微商熱重法研究了復(fù)墾土壤原有和新的土壤有機碳的差異區(qū)別；秦俊梅等[32]結(jié)合勘探鉆孔與化學(xué)元素分析，研究了復(fù)墾土壤母質(zhì)原始形成環(huán)境、化學(xué)特征、元素組成等；劉美英等[33]通過研究復(fù)墾區(qū)與原狀土壤中的有機質(zhì)碳氮含量變化特征，從而評估復(fù)墾效應(yīng)；于君寶等[34]研究了礦區(qū)復(fù)墾土壤營養(yǎng)元素和重金屬元素時空變化；樊文華等[35]采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對礦區(qū)復(fù)墾土壤中的污染元素進行分析，發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)復(fù)墾土壤中主要的潛在污染因子及重金屬元素潛在的污染特征。

土壤的生物特性包括土壤微生物、土壤動物、土壤酶特性等，及礦化作用和腐殖化作用。MA等[36]研究了蚯蚓和從枝菌根真菌侵染豆科植物的積極影響；張振佳等[37]采用時空替代法和單因素方差分析法研究了土壤微生物的數(shù)量與酶活性及變化，分析了土地復(fù)墾后的土壤質(zhì)量以及生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)狀況；張杰瓊等[38]通過研究礦區(qū)復(fù)墾土壤理化性質(zhì)及微生物量碳、氮的分布特征，證實土壤微生物量碳、氮可以作為表征土壤肥力的敏感因子；方瑛等[39]通過研究不同人工植被下土壤的基本理化性質(zhì)和3種酶的活性，分析了不同植被恢復(fù)下土壤酶活性差異化的原因。

2.2 礦區(qū)復(fù)墾土壤的分類

土壤分類是土壤學(xué)研究中的一項基礎(chǔ)工作，不同級別的土壤類型存儲不同的土壤信息，尤其是土壤基層分類可以直接為生產(chǎn)實踐服務(wù)。

目前的土壤分類研究的是自然土壤或農(nóng)業(yè)土壤，而復(fù)墾土壤本質(zhì)上是一種人為土壤或人造土壤，通過復(fù)墾這一強烈干擾的人為活動，對礦區(qū)土壤造成了不同程度的擾動，如土體構(gòu)型、土壤性質(zhì)的改變等，其特征主要包括受到強烈的人類活動影響、產(chǎn)生的不規(guī)則變換、外來材料的加入和混雜等[40]，1995年成立人為土壤國際委員會(International Committee on Anthropogenic Soils)，1998年國際土壤學(xué)大會成立“城市、工業(yè)、交通和礦區(qū)土壤”工作組[41]，人為土壤研究逐漸引起關(guān)注，但復(fù)墾土壤不是分類學(xué)上的概念，復(fù)墾土壤分類與其他土壤分類比較處在起步與相對不穩(wěn)定階段?，F(xiàn)階段土壤分類體系主要是發(fā)生分類及與系統(tǒng)分類，國際上現(xiàn)在比較通用的是以美國為首的系統(tǒng)分類。

美國1961年提出了土壤系統(tǒng)分類，該分類以診斷層和診斷特性為基礎(chǔ)，以定量為特點。1975年正式出版《土壤系統(tǒng)分類》，美國土壤系統(tǒng)分類檢索每2年更新出版1次，現(xiàn)在世界上已有80多個國家將定量的系統(tǒng)分類作為本國的第一或第二土壤分類基礎(chǔ)。美國土壤系統(tǒng)分類中，復(fù)墾土壤屬人為始成土亞綱和擾動新成土亞綱。AHRENS等認為，人為擾動土壤應(yīng)包含填充人工物質(zhì)等類似土壤，應(yīng)當(dāng)修訂擾動新成土亞綱，同時診斷表層如人為表層和厚熟表層等也應(yīng)當(dāng)修訂，以包括更多的人為擾動產(chǎn)生的物質(zhì)[42-43]。美國土壤系統(tǒng)分類(ST)檢索12版中，人為土壤仍未設(shè)置獨立土綱，此類土壤仍分散在不同亞綱及土類中的低級單元中；但這一版中新增了人為搬運和改變物質(zhì)，并有將壓實層、排水類別等診斷特征作為基層分類標(biāo)準(zhǔn)[44]的提議，用來劃分土系，迄今已經(jīng)建立了30多個煤礦區(qū)土系用于指導(dǎo)礦區(qū)復(fù)墾。美國土壤系統(tǒng)分類檢索2014版新增了原位擾動土壤和運移擾動土壤等診斷特征，定義了人工制品、人為擾動物質(zhì)和人為運移物質(zhì)等。目前美國學(xué)者建議ST成立一個新土綱人為擾動和人為搬運(HAHT)，在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)適當(dāng)?shù)?HAHT 土壤分類、制圖與應(yīng)用[45]。

德國土壤學(xué)會在診斷分類思想指導(dǎo)下，根據(jù)發(fā)育階段和基質(zhì)性質(zhì)在“工業(yè)和城市土”下續(xù)分石質(zhì)土、還原土、酸鹽土、侵入土、酸性硫酸鹽土、結(jié)構(gòu)土、園藝土、墓地土、薄層土、道間土、殘遺土、埋藏土[46]。英國在原來的土壤形態(tài)發(fā)生分類基礎(chǔ)上吸收了美國的診斷分類思想，診斷層中設(shè)有厚人造A層、擾動亞表層和擾動巖石廢渣等診斷表層、亞表層和診斷物質(zhì)。在最高級分類中劃出人造土大土類，其下有人工腐殖土和擾動土2個土類[47]。新西蘭分類系統(tǒng)中人為土綱(Anthroposol)，又續(xù)分為截頭的、廢棄物、混合人和墊埋人為土[48]。南非土壤分類系統(tǒng)設(shè)置了7個人為土層，后熟層、物質(zhì)聚集層、水生層、化學(xué)層、物理層、技術(shù)層和文化層[49]。法國、捷克等國家也非常重視人為土壤的分類，設(shè)立了人為土綱，在人為土定義、性質(zhì)和分類[50]正在深入研究。

國際組織方面，聯(lián)合國糧農(nóng)組織在世界土壤圖圖例(FAO-UNESCO，1988)設(shè)立了人為土參比土類[51]；下續(xù)分耕作擾動、肥熟、堆積和城鎮(zhèn)等幾個二級單元。世界土壤參比基礎(chǔ)(WRB)設(shè)立了人為土Anthropogenic soils一級單元[52]。2006年修訂的WRB新增了技術(shù)土一級單元，確定了一級分類單元技術(shù)土的定義和診斷標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)土前五個前綴封閉、緩滲、城市、工程廢物、有機垃圾[53]，表征技術(shù)土的特性。剩下的前綴限定符主要銜接其他一級單元，如滯水、潛育和松軟等，后綴修飾詞是指詳細的土壤性質(zhì)。檢索中確立了人為過程或工業(yè)過程產(chǎn)生的非土壤物質(zhì)出現(xiàn)在土壤中的數(shù)量、深度和類型，充分肯定了技術(shù)土在分類中的地位[54]。

中國土壤系統(tǒng)分類在世界上首先建立了人為土綱的診斷體系，主要是農(nóng)業(yè)耕作土壤，而對于非農(nóng)業(yè)利用方式下受到擾動的土壤則歸屬為新成土土綱，相關(guān)的診斷層和診斷特征主要為人為擾動層次和人為淤積物質(zhì)；其下分別根據(jù)石灰性、鹽基飽和度、鹽積現(xiàn)象及氧化還原特征進行土類和亞類的續(xù)分[55]。目前，在國內(nèi)關(guān)于人造土壤，研究正在逐漸引起重視。如在研究城市土壤分類時，建議設(shè)立城鎮(zhèn)表層的診斷表層，及在人為新成土亞綱下增設(shè)城鎮(zhèn)人為新成土土類[56]。國內(nèi)對于復(fù)墾土壤分類研究極為少見，王輝等[57]對充填復(fù)墾土壤研究中建議增加復(fù)墾城鎮(zhèn)表層，在人為新成土下增設(shè)復(fù)墾人為新成土土類等；李玲[58]在對高潛水位復(fù)墾土壤性質(zhì)與分類研究中建議在新成土土綱內(nèi)增加“技術(shù)新成土”亞綱(Technic Primosols)；吳克寧等[59]提出含有人工制品的土壤定義，建議增加“技術(shù)擾動層次”診斷特性。2009年在中國科學(xué)院南京土壤研究所主持“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”項目，對中國各省份分布面積較大的土壤類型進行了調(diào)查和系統(tǒng)分類，目前已經(jīng)基本形成了各省土系志、土系標(biāo)本庫及土系數(shù)據(jù)庫等標(biāo)志性成果，為復(fù)墾土壤的分類研究創(chuàng)造了條件；對于中國土壤系統(tǒng)分類，當(dāng)前正在研究對中國土壤系統(tǒng)分類(第三版)再次進行修訂，復(fù)墾土壤的系統(tǒng)分類有望細化擴展更新。

2.3 礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量評價與提升

土地復(fù)墾過程中由于機械的擾動，對原有土壤結(jié)構(gòu)、復(fù)墾后土壤層次及土壤孔隙性、適耕性、酸堿性等特性造成不同程度的破壞。復(fù)墾土壤相較于普通農(nóng)田土壤普遍粗碎屑含量較高、土壤結(jié)構(gòu)較差、容重較高、孔隙度有不同程度的減小，且含水量較高。因此需要科學(xué)地對礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量進行評價，檢驗土地恢復(fù)狀況，從而合理的提升土壤質(zhì)量。中國已頒布《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T 1036—2013)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行 )》(GB 15618—2018)等標(biāo)準(zhǔn)[60]促進復(fù)墾土壤質(zhì)量保護與提升。

當(dāng)前的復(fù)墾土壤質(zhì)量評價多以定量評價為主，常見的方法包括綜合指數(shù)法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊綜合評價法、聚類分析方法等。李鵬飛等[61]采用主成分分析法，結(jié)合Norm值構(gòu)建評價指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集，通過土壤質(zhì)量非線性和線性評分模型對復(fù)墾土壤質(zhì)量進行評價；王楊揚等[62]運用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法，選取土壤的理化性質(zhì)作為評價指標(biāo)，對復(fù)墾土壤的質(zhì)量進行評價；馬力陽等[63]運用單因子數(shù)法和多因子綜合評價法，對復(fù)墾土壤的質(zhì)量進行評價。評價內(nèi)容多以復(fù)墾土壤質(zhì)量、復(fù)墾土壤環(huán)境質(zhì)量、復(fù)墾土壤肥力質(zhì)量等為主。李建華等[64]研究了不同復(fù)墾方式下，10 a間土壤質(zhì)量的變化特征，表明土壤質(zhì)量受復(fù)墾方式影響較??；王安寧等[65]通過構(gòu)建土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系運用迷糊評價法對復(fù)墾土壤質(zhì)量進行綜合評價；鄭永紅等[66]利用灰色關(guān)聯(lián)度方法分析了復(fù)墾區(qū)不同林地土壤肥力狀況,得出楊樹可以做為復(fù)墾區(qū)造林綠化的優(yōu)勢樹種。

3 礦區(qū)復(fù)墾土壤研究存在問題與展望

3.1 存在問題

土地復(fù)墾已成為中國土地整治中十分重要的任務(wù)，通過以上對復(fù)墾土壤的總結(jié)，主要存在以下問題：

一是目前復(fù)墾土壤的研究主要集中于復(fù)墾土壤表層、亞表層的土壤部分理化性質(zhì)變化，而復(fù)墾土壤的剖面構(gòu)型、土壤理化性質(zhì)在復(fù)墾過程中都發(fā)生了巨大的變化，對復(fù)墾土壤的認知遠遠不夠。

二是現(xiàn)階段中國處于發(fā)生分類與系統(tǒng)分類并存階段。復(fù)墾土壤受復(fù)墾方式、人為物質(zhì)等的影響在土壤發(fā)生和演變過程中已經(jīng)脫離區(qū)域地帶性生物氣候的影響，且復(fù)墾土壤剖面構(gòu)型、理化性質(zhì)在短時間內(nèi)發(fā)生了巨大的變化，導(dǎo)致復(fù)墾土壤復(fù)雜多樣，作為“新成土”，其成土過程與成土?xí)r間非常短暫，不能再歸入采礦及復(fù)墾前的土壤類型，無法在發(fā)生分類中找到相應(yīng)的位置，且復(fù)墾土壤的系統(tǒng)分類在國內(nèi)幾乎近于空白，體現(xiàn)中國復(fù)墾土壤特性的分類系統(tǒng)還未真正建立起來，客觀上需要不斷進行深入探索研究，滿足礦區(qū)對于復(fù)墾土壤的生產(chǎn)、生態(tài)恢復(fù)的強烈需求；

三是復(fù)墾土壤具有明顯的地域特征，現(xiàn)有的復(fù)墾土地質(zhì)量評價指標(biāo)多以土壤的理化性質(zhì)為主，較少考慮其他因素的影響，因此需要對復(fù)墾土壤進行詳細的類別劃分為復(fù)墾土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的構(gòu)建與完善提供支撐。

3.2 研究展望

礦區(qū)復(fù)墾將在中國長期大范圍存在，土地復(fù)墾對礦區(qū)土壤的影響越來越深刻，國內(nèi)外研究中充分肯定了人為擾動在土壤分類中的影響，為適應(yīng)逐漸增多的復(fù)墾土壤資源合理開發(fā)與利用的需求，迫切需要人為或人造物質(zhì)的定義、數(shù)量、深度、類型和命名，詳細定義診斷層與診斷標(biāo)準(zhǔn)，擴展、細化檢索系統(tǒng)，進行系統(tǒng)分類等方面開展深入研究。土壤分類是土地評價、土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。尤其是土系作為基層分類單元，集成并體現(xiàn)了一系列用于定義各級分類單元的土壤性質(zhì)，同時具有明顯的地域特色，在應(yīng)用上直接聯(lián)系著各區(qū)域的實際，在土壤水分運移，植物扎根立地、養(yǎng)分保蓄都與此有關(guān)，其分類指標(biāo)可以與土地評價“無縫連接”，可以真正充分發(fā)揮土壤分類的服務(wù)功能；雖然中國開展的中國土系調(diào)查與《中國土系志》建立了大量與生產(chǎn)生態(tài)直接相關(guān)的土系，但對于礦區(qū)復(fù)墾土壤相對關(guān)注極少。

中國復(fù)墾土壤數(shù)量大，分布廣泛，多為耕地區(qū)，中國對復(fù)墾土壤資源的農(nóng)業(yè)利用需求強烈，亟須詳細的土壤類別提供對應(yīng)的土壤信息，但定量診斷分類指標(biāo)極少，檢索系統(tǒng)不能滿足復(fù)雜多樣的復(fù)墾土壤分類與利用的需求。因此，研究復(fù)墾土壤物質(zhì)起源、土壤屬性、人為影響特征，揭示人為活動影響土壤物質(zhì)運移的規(guī)律，提取分類指標(biāo)，針對不同的復(fù)墾土壤提供詳細的土壤性質(zhì)信息，掌握不同復(fù)墾土壤類型的共性和個性，探索擴展現(xiàn)有中國土壤系統(tǒng)分類的分類檢索，根據(jù)分類指標(biāo)指導(dǎo)復(fù)墾土壤質(zhì)量評價，并應(yīng)用于優(yōu)化復(fù)墾工程、改進復(fù)墾工藝、提升土壤質(zhì)量是十分必要的。