試論礦山生態(tài)修復(fù)的地質(zhì)成土

胡振琪，張子璇，孫 煌

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

礦產(chǎn)資源的開(kāi)采不可避免造成土地的挖損、塌陷和壓占，使耕地?fù)p失和生態(tài)環(huán)境惡化。隨著國(guó)家綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，礦山生態(tài)修復(fù)已經(jīng)成為綠色礦山發(fā)展的重要技術(shù)途徑，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。

我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始重視礦區(qū)生態(tài)修復(fù)，迄今已經(jīng)實(shí)施了大量的土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程，取得了一定成績(jī)，但也有很多失敗或效果欠佳的案例，甚至發(fā)生“一年綠、二年黃、三年死光光”的現(xiàn)象[1]，究其原因主要是缺少土壤或所用土壤質(zhì)量差。有關(guān)研究表明：現(xiàn)代土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)是土壤因素的重構(gòu)，而不僅僅是植被的建立，為使土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)土壤達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力，構(gòu)造一個(gè)最優(yōu)的、合理的、穩(wěn)定的土壤物理、化學(xué)和生物條件是進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)最基本的工作[2]。因此，土壤是生命之基，是礦山生態(tài)修復(fù)成敗的關(guān)鍵。

土壤是地球陸地表面經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)成土過(guò)程形成的能夠生長(zhǎng)綠色植物的疏松層，其形成受到多種因素的影響并通過(guò)多種地質(zhì)和地球化學(xué)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-5]，如1 cm 厚的熟土往往要經(jīng)歷數(shù)百年甚至成千上萬(wàn)年的時(shí)間形成。因此，快速成土就成為礦山生態(tài)修復(fù)中的重要任務(wù)。由于土壤形成是地質(zhì)作用的成土過(guò)程，因此，從地質(zhì)視角不妨稱之為地質(zhì)成土。地表土壤是地層中富含生物、支撐生命的生態(tài)關(guān)鍵層(也可稱之為地質(zhì)生態(tài)關(guān)鍵層)，所以，地質(zhì)科技工作者將利用地質(zhì)學(xué)理論應(yīng)用于礦山生態(tài)修復(fù)成土過(guò)程的研究，加速成土并促進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)土壤重構(gòu)的成功。

許多礦山特別是露天開(kāi)采礦山(例如青海木里礦區(qū))，沒(méi)有很好地剝離和儲(chǔ)存土壤，或是開(kāi)采前土壤資源不足，導(dǎo)致排土場(chǎng)和采場(chǎng)修復(fù)時(shí)缺乏土壤，只能在巖石和土壤的混合基質(zhì)或者直接在各種巖層的剝離物上種植植被，植被成活和生長(zhǎng)困難。因此，對(duì)于普遍存在的缺少植物生長(zhǎng)土壤的礦區(qū)，為了修復(fù)生態(tài)環(huán)境，人工地質(zhì)成土則成為十分緊迫的任務(wù)。

筆者目的是基于國(guó)內(nèi)外的礦山生態(tài)修復(fù)實(shí)踐，以礦山生態(tài)修復(fù)中的成土為研究對(duì)象，試圖借鑒自然地質(zhì)成土原理，闡明成土的艱巨性、復(fù)雜性和長(zhǎng)期性，將地質(zhì)學(xué)與土壤學(xué)相結(jié)合，提出礦山生態(tài)修復(fù)中(人工)地質(zhì)成土的概念與內(nèi)涵，探討其快速成土方法并給出實(shí)際案例，以期為礦山生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 自然地質(zhì)成土

1.1 概 念

土壤是具有固液氣三相結(jié)構(gòu)的一種復(fù)雜的生物地球化學(xué)物質(zhì)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)，為植物生長(zhǎng)提供了機(jī)械支撐、水分、養(yǎng)分和空氣條件[3-5]。土壤形成與發(fā)育可以從物理、化學(xué)或生物學(xué)觀點(diǎn)研究，也可以從土壤化學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)觀點(diǎn)去研究。

從地質(zhì)學(xué)的視角來(lái)看，自然地質(zhì)成土首先就是地球表面或近地球表面的巖石在大氣圈各種營(yíng)力作用下發(fā)生物理、化學(xué)、生物風(fēng)化作用形成巖石碎屑與可溶性物質(zhì)，即成土母質(zhì)。然后，成土母質(zhì)在地質(zhì)運(yùn)移和沉積以及一定水熱、生物條件作用下，經(jīng)過(guò)一系列地質(zhì)作用而發(fā)育形成土壤。在這個(gè)過(guò)程中，母質(zhì)與成土環(huán)境(如氣候、地形、生物、時(shí)間)之間發(fā)生了一系列的物質(zhì)、能量交換和轉(zhuǎn)化，形成了具有肥力、剖面層次分明的土壤[6]。所以，自然地質(zhì)成土是地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)歷經(jīng)漫長(zhǎng)時(shí)期將“巖石”變成“土壤”的過(guò)程(圖1)。在成土過(guò)程中，人類活動(dòng)不斷利用和改造土壤，也是成土的重要因素，因此，土壤是自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果。本文的重點(diǎn)是在研究自然成土因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)人為因素加速成土。

1.2 原 理

成土過(guò)程也叫土壤形成過(guò)程，是指在各種成土因素的綜合作用下，土壤發(fā)生發(fā)育的過(guò)程。它是土壤中各種物理、化學(xué)和生物作用的總和，包括巖石的崩解風(fēng)化，遷移與沉積，礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的分解、合成，以及物質(zhì)的淋失、淀積、遷移和生物循環(huán)等(圖1)。

圖1 自然地質(zhì)成土過(guò)程及其產(chǎn)物Fig.1 Process of natural geological soil formation and its products

自然地質(zhì)成土是一個(gè)漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程，由于各個(gè)歷史時(shí)期的地質(zhì)作用和各種外部環(huán)境的影響，最終形成的土壤也因巖石特性、氣候、地理地形等條件不同而有好有壞，甚至還存在土壤形成過(guò)程中的障礙因子。由這一特點(diǎn)可知，應(yīng)該重視已經(jīng)熟化成土的各種土壤。

從“巖石”到“土壤”的首要標(biāo)志是顆粒組成的變化，由密實(shí)的巖石變成巖石碎屑狀土壤母質(zhì)，然后再?gòu)耐寥滥纲|(zhì)演變?yōu)轭w粒較細(xì)的土壤?！巴寥馈鳖w粒由大變小的同時(shí)，還伴隨礦物成分和化學(xué)成分的變化。不同顆粒組成結(jié)構(gòu)的土壤就構(gòu)成了不同質(zhì)地和不同理化生物性質(zhì)的土壤。

重要的自然地質(zhì)成土過(guò)程是：

1) 風(fēng)化、遷移、沉積等地質(zhì)作用

土壤的營(yíng)養(yǎng)成分是土壤優(yōu)劣的重要指標(biāo)，它主要由成土母質(zhì)中的礦物含量所決定，也受地質(zhì)搬運(yùn)遷移和沉積等因素的影響。成土母質(zhì)來(lái)自于巖石的風(fēng)化，風(fēng)化的母質(zhì)材料可能會(huì)有部分地質(zhì)遷移，也會(huì)有其他母質(zhì)遷移沉積到本地的成土母質(zhì)中，這些地質(zhì)作用決定了土壤營(yíng)養(yǎng)條件的好壞。同時(shí)，巖石或成土母質(zhì)附著的微生物和低等植物將加速風(fēng)化及后期的土壤的原始成土過(guò)程。這一成土過(guò)程說(shuō)明應(yīng)該重視成土材料的來(lái)源和風(fēng)化作用。

2) 黏化過(guò)程

成土過(guò)程包含著土體內(nèi)礦物的形成和破壞(如黏化過(guò)程、富鐵鋁過(guò)程、灰化過(guò)程、漂洗過(guò)程和潛育過(guò)程)[3-4]，其中黏化過(guò)程是土壤剖面中黏粒形成和積累的過(guò)程，對(duì)土壤物理特性的優(yōu)劣發(fā)揮重要作用。土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的不同，導(dǎo)致其土壤質(zhì)地不同，對(duì)土壤含水量、持水性和保肥能力等土壤物理特性都有很大影響。黏粒比表面積大，具有很好的吸附水分和營(yíng)養(yǎng)的能力。自然地質(zhì)成土的黏化過(guò)程可分為殘積黏化和淀積黏化。前者是土內(nèi)風(fēng)化作用形成的黏粒產(chǎn)物，由于缺乏土內(nèi)穩(wěn)定的向下水分運(yùn)移，黏粒難以向深土層移動(dòng)而就地積累，形成一個(gè)明顯黏化或鐵質(zhì)化的土層；后者是風(fēng)化和成土作用形成的黏粒，由上部土層在具備充足水分條件下淀積而成。

3) 元素的交換和遷移過(guò)程

成土過(guò)程中的淋溶、鈣化、鹽化、堿化過(guò)程等促進(jìn)了土壤元素交換和遷移[4]，使不同元素在土壤中的分布不同，產(chǎn)生有利或不利的土壤條件。營(yíng)養(yǎng)元素的增加有利于土壤肥力的提高，而有害元素往往會(huì)導(dǎo)致土壤污染，影響土地健康。

4) 有機(jī)質(zhì)的積聚過(guò)程

有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)積聚過(guò)程是在植物作用下有機(jī)質(zhì)在土體上部積累的過(guò)程，這一過(guò)程在各種土壤中都存在。由于成土條件的差異，有機(jī)質(zhì)及其分解與積累也可有較大的差異，據(jù)此可將有機(jī)質(zhì)積聚過(guò)程進(jìn)一步劃分為腐殖化、粗腐殖化及泥炭化3 種。地表植被及其根系的生理活動(dòng)，能促進(jìn)原生礦物風(fēng)化和有機(jī)質(zhì)的積聚，還有助于水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤的生態(tài)功能。

2 礦山生態(tài)修復(fù)的地質(zhì)成土

自然地質(zhì)成土中的土壤均自然形成，且難以改變，只能通過(guò)人工方式進(jìn)行表層土壤改良；而大范圍、高強(qiáng)度的礦山開(kāi)采造成煤層上覆地層，特別是土壤層的破壞，為土壤層(地層)重構(gòu)創(chuàng)造條件和機(jī)會(huì)，但許多礦山生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中不合理的礦山土壤重構(gòu)導(dǎo)致土層混亂、表層土壤缺失或不足、重構(gòu)失敗的結(jié)果，對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)中的土壤重構(gòu)提出新挑戰(zhàn)，因此，應(yīng)對(duì)科學(xué)的人工地質(zhì)成土引起高度重視。

2.1 概念與內(nèi)涵

礦山生態(tài)修復(fù)的地質(zhì)成土(簡(jiǎn)稱礦山地質(zhì)成土)是指仿自然地質(zhì)成土過(guò)程，通過(guò)礦區(qū)可利用的成土母質(zhì)或土壤材料，采用物理、化學(xué)和生物措施促進(jìn)土壤快速發(fā)育和熟化并在短期內(nèi)形成期望土壤功能、達(dá)到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)的過(guò)程(圖2)。顯然，“礦山地質(zhì)成土”就是“礦山人工成土”或“人工造土”或“造土”。

圖2 礦山地質(zhì)成土過(guò)程Fig.2 The process of geological soil formation

礦產(chǎn)資源的開(kāi)采破壞了原有的土層、地層，同時(shí)也提供了大量可作為土壤的原始材料，為重新構(gòu)造土壤提供很好的契機(jī)?？梢岳米匀坏刭|(zhì)成土的原理，在短時(shí)間內(nèi)人工快速成土和熟化、重新構(gòu)造出適宜的土壤，為礦山生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

從地質(zhì)學(xué)視角，自然地質(zhì)成土的內(nèi)涵就是構(gòu)造土壤。土壤的漫長(zhǎng)地質(zhì)成土過(guò)程是在各種地質(zhì)作用和地球化學(xué)與生物作用下，不僅形成了熟化的土壤，也形成豐富多彩的、不同類型的土壤剖面結(jié)構(gòu)[4,6-7]。從礦山地質(zhì)成土的視角，其核心是將不同備選土壤材料，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)和生物措施，在短時(shí)期形成期望的土壤，這也可稱之為 “造土”。

從礦山土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)視角，自然地質(zhì)成土與土壤重構(gòu)二者目的和內(nèi)涵是一致的，都是重構(gòu)土壤。土壤重構(gòu)不僅需要各種不同功能、不同生態(tài)空間位的土壤，還需要科學(xué)合理的土壤剖面構(gòu)型[8]。因此，土壤重構(gòu)的實(shí)質(zhì)首先就是土壤材料的篩選與重構(gòu)(或稱“造土”，即礦山地質(zhì)成土)，然后再將土壤材料進(jìn)行垂向的土壤剖面的重構(gòu)，即“造土”加“土壤剖面重構(gòu)”。也可根據(jù)土壤剖面重構(gòu)分析中的土層生態(tài)位寬度不足的土壤層進(jìn)行“造土”以彌補(bǔ)[8]，因此，礦山地質(zhì)成土是礦山生態(tài)修復(fù)土壤重構(gòu)的一部分，是其基礎(chǔ)和首要任務(wù)。

2.2 方法和步驟

按照仿自然地質(zhì)成土的理念，礦山生態(tài)修復(fù)地質(zhì)成土方法主要包括4 個(gè)步驟。

2.2.1 需求分析

不同的采礦活動(dòng)以及非采礦活動(dòng)的礦山建設(shè)損毀對(duì)礦山土壤的破壞情況千差萬(wàn)別，采后土地利用方式(包括植被恢復(fù)方案)對(duì)土壤的需求也不盡相同。露天采礦形成巨大的礦坑和堆積成山的排土場(chǎng)、矸石山等人工地貌，其生態(tài)修復(fù)時(shí)原表土均不足以滿足礦坑、排土場(chǎng)、矸石山治理的植被恢復(fù)需求，需要大量的表土替代材料。地下開(kāi)采導(dǎo)致大量土地沉陷，為恢復(fù)更多的耕地，沉陷區(qū)需要大量充填材料，即充填復(fù)墾土壤。因此，不同礦山對(duì)地質(zhì)成土的要求存在差異。

礦山地質(zhì)成土前，需要充分調(diào)查了解礦山土壤損毀現(xiàn)狀和采礦前原始土壤狀況，分析礦山土壤損毀特征并評(píng)價(jià)其損毀程度，基于客觀條件和區(qū)域發(fā)展需求，找出礦山土壤存在的問(wèn)題和差距，提出礦山生態(tài)修復(fù)對(duì)土壤的要求，并確定礦山地質(zhì)成土的目標(biāo)。一般情況下，表層種植土是礦山生態(tài)修復(fù)最需要的成土土壤，同時(shí)也是理化生物特性要求最高的土壤。礦山地質(zhì)成土的需求量應(yīng)結(jié)合礦區(qū)實(shí)際治理的面積和厚度確定。

2.2.2 材料篩選

基于自然地質(zhì)成土母質(zhì)的重要性和土壤發(fā)育的長(zhǎng)期性，需要充分利用礦山已經(jīng)擁有的熟化土壤和各種可能的成土材料(也可稱之為備選土壤材料)。備選土壤材料既包括原始土壤、損毀土壤，也包括礦山的固廢如風(fēng)化煤、煤矸石、粉煤灰等以及河湖淤泥、城市垃圾等。對(duì)露天礦而言，由于上覆巖土層在開(kāi)采時(shí)已被剝離，因此，均可作為備選材料。對(duì)部分采煤塌陷區(qū)而言，需要篩選一些外源充填材料。不同土壤材料與土壤通氣性、保肥保水性、土壤結(jié)構(gòu)、緊實(shí)度、黏結(jié)性、離子交換和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)密切相關(guān)[9-11]。因此，備選土壤材料篩選應(yīng)遵循以下原則：

(1) 需求原則。依據(jù)礦山地質(zhì)成土對(duì)土壤的要求和成土目標(biāo)進(jìn)行選擇。

(2) 成土材料質(zhì)量原則。地質(zhì)成土過(guò)程中成土材料的重要篩選標(biāo)準(zhǔn)之一就是土源的質(zhì)量，主要包括成土材料的物理、化學(xué)和生物特性。如黃河中下游采煤塌陷區(qū)的充填復(fù)墾中選取黃河泥沙作為成土構(gòu)造的成土材料，其原因是黃河泥沙來(lái)源于土壤侵蝕，含有一定量的黏粒、粉粒，具備易成土的基本條件[12]。

(3) 綠色生態(tài)原則。應(yīng)關(guān)注成土材料的環(huán)境性，應(yīng)盡可能使用不含污染元素的成土材料和天然材料，使成土及其過(guò)程綠色生態(tài)。

(4) 成本效應(yīng)原則。不同的備選土壤材料所需要的處理工藝和投入的時(shí)間不同，如對(duì)粒度較大的備選材料，搬運(yùn)、粉碎、攪拌等往往是必不可少的。備選材料越接近成土目標(biāo)，地質(zhì)成土的成本就越低；備選材料距離復(fù)墾修復(fù)場(chǎng)地越近，運(yùn)輸成本就越低。因此，在遵循成土材料質(zhì)量和綠色生態(tài)原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)更多關(guān)注地質(zhì)成土材料的成本問(wèn)題，如煤基生物土中的煤矸石和黃河泥沙作為廢棄物和沉積物進(jìn)行地質(zhì)成土，可大大縮減礦山生態(tài)修復(fù)地質(zhì)成土的成本。

對(duì)所有備選土壤材料要進(jìn)行物理、化學(xué)、生物特性的分析，并與期望成土目標(biāo)對(duì)比進(jìn)行成土材料篩選。有條件的情況下，還可以結(jié)合盆栽試驗(yàn)進(jìn)行篩選。

2.2.3 材料組配

礦山地質(zhì)成土材料往往不是優(yōu)質(zhì)的土壤，單一備選土壤材料往往滿足不了成土目標(biāo)的要求，這就需要將多種成土材料有機(jī)組合，形成接近成土要求的土壤材料組配，實(shí)現(xiàn)與期望土壤相近的理化特性。因此，需要根據(jù)修復(fù)方向的不同，仿照自然的土壤類型選用合理材料進(jìn)行試驗(yàn)確定組配關(guān)系。如黏粒含量高的土壤材料需要添加砂質(zhì)材料；有機(jī)質(zhì)含量低的可以添加秸稈等生物質(zhì)；砂性土壤材料需要添加黏性或植物膠材料。如我國(guó)生態(tài)脆弱的露天礦，表土土壤砂粒含量多的特性決定了其礦山地質(zhì)成土的主要需求是黏粒含量較豐富的土壤源材料[13]；采礦活動(dòng)所產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰及風(fēng)化煤等煤基廢棄物，因其經(jīng)歷風(fēng)化作用后所具備特定的基本物理性質(zhì)[14-17]，可將其按照不同的比例加以混合形成適宜實(shí)際礦山生態(tài)修復(fù)的土壤。

礦山地質(zhì)成土的材料組配過(guò)程主要是仿自然地質(zhì)作用，進(jìn)行成土土壤材料的多源組合。將占比大且起骨架作用的材料稱之為基質(zhì)材料，將各種調(diào)節(jié)質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)等改良材料稱之為輔助材料，因此，地質(zhì)成土材料的組配就是基質(zhì)材料加輔助材料。材料組配過(guò)程往往需要對(duì)材料進(jìn)行搬運(yùn)、粉碎、混合、攪拌、發(fā)酵等措施，材料組配的最佳比例需要通過(guò)物理化學(xué)分析以及盆栽試驗(yàn)加以研究確認(rèn)。例如各種備選土壤材料如煤矸石、風(fēng)化煤、黃土等相當(dāng)于一般成土過(guò)程中的土壤母質(zhì)材料，通過(guò)搬運(yùn)、粉碎、混合、攪拌、堆積、壓實(shí)等仿自然地質(zhì)成土過(guò)程成土，經(jīng)過(guò)短時(shí)間內(nèi)的淋溶、黏粒遷移、礦化、熟化發(fā)育成具備植物生長(zhǎng)介質(zhì)能力的“土壤”，往往再通過(guò)多種組配的柱狀試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和篩選。

2.2.4 生物熟化

礦山地質(zhì)成土的成土材料組配，在短時(shí)間內(nèi)為新構(gòu)土壤今后的發(fā)育構(gòu)造了良好的固液氣三相結(jié)構(gòu)，為土壤的發(fā)育熟化奠定了基礎(chǔ)。自然地質(zhì)成土的生物小循環(huán)對(duì)土壤發(fā)育熟化發(fā)揮重要作用。為了短期內(nèi)熟化土壤，需要人工接種各種生物，如接種微生物、蚯蚓和種植植物等措施，促進(jìn)成土過(guò)程中水、肥、氣、熱諸因素不斷協(xié)調(diào)，從而利于促進(jìn)土壤黏化過(guò)程和有機(jī)質(zhì)聚集過(guò)程的進(jìn)行，形成較好的土壤團(tuán)聚體的同時(shí)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。生物熟化過(guò)程中應(yīng)更多關(guān)注成土基質(zhì)團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分、土壤水分入滲、酸堿緩沖性、土壤微生物、土壤結(jié)皮等多種指標(biāo)的變化及其對(duì)不同成土材料組配的影響。

不同的成土材料，需要接種不同的菌類、種植不同的植物等，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。如接種真菌、根瘤菌促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的增加和植物生長(zhǎng)，接種蚯蚓改善土壤結(jié)構(gòu)和生物特性等。任何生物熟化材料的篩選都需要通過(guò)室內(nèi)室外實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)的種群和適宜的密度。通過(guò)2～3 年的生物熟化，礦山地質(zhì)成土基本達(dá)到礦區(qū)周邊土壤條件，并達(dá)到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)。

3 礦山生態(tài)修復(fù)中的地質(zhì)成土案例

盡管本文凝練提出自然地質(zhì)成土和礦山地質(zhì)成土的名稱，但自然地質(zhì)成土是實(shí)際客觀存在的，礦山地質(zhì)成土的實(shí)踐也已有許多，本文從3 個(gè)方面的案例驗(yàn)證筆者的觀點(diǎn)和方法。

3.1 基于原始地層材料的露天礦新表土的礦山地質(zhì)成土

基于礦山地質(zhì)成土方法，以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市西北部某大型露天礦為例，完成原始地層材料篩選和改良，進(jìn)行地質(zhì)成土試驗(yàn)研究[18-21]。

1) 需求分析

根據(jù)采礦損毀土地的特征分析以及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況調(diào)查，該礦表層種植土(簡(jiǎn)稱表土)約0.5 m，含砂量多，沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，表土非常缺乏。因此，研究區(qū)的礦山地質(zhì)成土的要求和成土目標(biāo)是構(gòu)造大量且適宜的新表土(也稱表土替代材料)。

2) 材料篩選

根據(jù)礦山地質(zhì)成土材料篩選原則進(jìn)行材料的篩選。研究區(qū)地質(zhì)柱狀如圖3 所示，已知原始地層中Ⅳ層及以下的基質(zhì)為硬度較大的砂礫巖石層，與土壤差別太大，不具備表土替代材料的適宜性，但Ⅱ?qū)?黃土層)和Ⅲ層(亞黏土層)黏粒含量較高、質(zhì)地較好(圖3)。因此，首選Ⅱ?qū)雍廷髮訛楸硗撂娲牧系脑嫉貙觼?lái)源。選擇Ⅰ層為對(duì)照層(CK)，Ⅱ?qū)狱S土的風(fēng)化及原狀基質(zhì)表示為Ⅱ1、Ⅱ2，Ⅲ層亞黏土的風(fēng)化及原狀基質(zhì)表示為Ⅲ1、Ⅲ2，對(duì)其理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分和重金屬含量進(jìn)行分析[20-21]，其質(zhì)地結(jié)果見(jiàn)表1[20]。此外還進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，結(jié)合出苗率和土壤結(jié)皮情況等生物量結(jié)果進(jìn)一步篩選基質(zhì)材料[20-21]。結(jié)果表明，Ⅲ層基質(zhì)在酸堿性、養(yǎng)分含量、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及出苗率等方面均接近當(dāng)?shù)乇硗?CK 層)，其風(fēng)化后的土壤特性更優(yōu)。因此，該研究區(qū)礦山地質(zhì)成土的最佳地質(zhì)成土材料為Ⅲ層原狀或其風(fēng)化土。

表1 露天礦各層不同基質(zhì)粒度組成含量Table 1 Particle size distribution of different soil materials in open-pit mine layers

圖3 研究區(qū)地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Geological bar chart of the study area

3) 土壤材料組配分析

由于篩選的基質(zhì)材料黏粒含量過(guò)高、有機(jī)質(zhì)缺乏，選用蛭石、秸稈和硝基腐殖酸作為3 種輔助材料進(jìn)行地質(zhì)成土土壤材料的組配，選用紫花苜蓿作為盆栽宿主植物，利用正交盆栽實(shí)驗(yàn)，篩選出最佳的成土材料有機(jī)組合，形成接近成土要求的組配土壤材料。采用三因素三水平正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2[19,21]。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design (g·kg-1)

通過(guò)以上9 個(gè)處理3 次重復(fù)的盆栽試驗(yàn)研究，其生物量如圖4 所示。結(jié)果表明，T9 處理地上部生物量最大。因此，最優(yōu)組配為Ⅲ層亞黏土施加3 種輔助材料，且蛭石、秸稈和硝基腐殖酸三者的質(zhì)量比為50∶50∶0.5(T9)。筆者團(tuán)隊(duì)還對(duì)地質(zhì)成土材料的植物和土壤理化生物特性的響應(yīng)及作用機(jī)理進(jìn)行了探討[19,21]，3 種改良劑中對(duì)成土材料養(yǎng)分含量、水分特征有明顯改善。成土材料在未經(jīng)改良之前微生物主要由細(xì)菌組成，經(jīng)改良后成土材料中細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量均有顯著提高。

圖4 紫花苜蓿生物量(地上部干重)Fig.4 Biomass of Medicago sativa (aerial dry weight)

4) 生物熟化分析

生物熟化是提高礦山地質(zhì)成土的生物特性、使其具有可持續(xù)自我修復(fù)能力的過(guò)程。生物熟化需要人工接種各種生物輔助材料如微生物、動(dòng)物等以實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)仿自然的生物小循環(huán)。本案例以加入蚯蚓作為生物熟化材料為例，探討生物熟化方法。以當(dāng)?shù)氐谋硗磷鳛閷?duì)照組表示為CK，改良處理中添加質(zhì)量為0.2 g 左右的蚯蚓10 條，表示為QY，未添加蚯蚓的處理為空白表示為DZ，每個(gè)處理3 次重復(fù)，選用紫花苜蓿作為盆栽宿主植物。最終生物量如圖5 所示，表明不同處理間地上部分的鮮重具有顯著性差異(P＜0.05)，其中QY 處理的地上部分的鮮重明顯高于其他處理，分別是CK 處理的1.34 倍，DZ 處理的2.37 倍。3 組處理地下部分鮮重間存在顯著性差異(P＜0.05)，其中以CK處理地下部分鮮重最大，QY 處理與DZ 處理相比地下部分鮮重顯著增加，是其質(zhì)量的2.54 倍。在露天新表土野外試驗(yàn)基地，當(dāng)年種植植物生物量達(dá)到正常對(duì)照土地的生產(chǎn)力水平，持續(xù)耕種3 年無(wú)顯著變化，實(shí)踐證明露天新表土能達(dá)到較好的效果。

圖5 不同處理紫花苜蓿生物量Fig.5 Biomass of Medicago sativa in different treatments

3.2 基于煤基材料的礦山地質(zhì)成土

煤炭開(kāi)采和利用中不可避免產(chǎn)生大量固體廢棄物，如煤矸石、粉煤灰、風(fēng)化煤等，這些固廢的處置與利用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)，礦山生態(tài)修復(fù)缺乏土壤，這些固廢顯然都可以作為礦山地質(zhì)成土的成土材料。長(zhǎng)期以來(lái)，由于煤矸石、粉煤灰中含有一些礦物質(zhì)和微量元素，已經(jīng)被用于制作成土壤改良劑、微肥等[14-16]。風(fēng)化煤，俗稱“露頭煤”，是煤炭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化形成的，含有較高的有機(jī)質(zhì)[17]，是成土的理想源材料。因此，在礦山生態(tài)修復(fù)缺少土壤的情況下，利用煤矸石、粉煤灰、風(fēng)化煤等煤基固廢材料進(jìn)行礦山地質(zhì)成土，就能變廢為寶，解決礦區(qū)缺土的難題，具有巨大應(yīng)用前景。

筆者團(tuán)隊(duì)利用煤基固廢進(jìn)行的“‘煤基生態(tài)環(huán)境修復(fù)劑’的研究與開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用” (863 計(jì)劃項(xiàng)目)，就是礦山地質(zhì)成土的研究與實(shí)踐。選擇內(nèi)蒙古3 個(gè)采煤礦區(qū)分別以3 種固廢(煤矸石、粉煤灰、風(fēng)化煤)為基質(zhì)材料，膨潤(rùn)土、保水劑和穩(wěn)定劑為輔助材料。設(shè)計(jì)不同比例材料的盆栽試驗(yàn)進(jìn)行礦山地質(zhì)成土的基質(zhì)材料組配篩選，風(fēng)化煤按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～60%添加，煤矸石和粉煤灰按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～40%添加，構(gòu)成了10 種組配方案，3 個(gè)礦區(qū)的材料構(gòu)成了30 個(gè)材料組配。同時(shí)按照組配基質(zhì)材料+輔助材料的方法，分別進(jìn)行了4 種處理：A 處理為基質(zhì)材料+1%保水劑；B 處理為基質(zhì)材料+1%穩(wěn)定劑；C 處理為基質(zhì)材料+0.5%保水劑+0.5%穩(wěn)定劑；D 處理為基質(zhì)材料+3%膨潤(rùn)土，分別進(jìn)行了正常供水(75%)、輕度脅迫供水(55%)和重度脅迫供水(25%)共3 種田間持水量條件下的盆栽輔助材料組配試驗(yàn)。

基質(zhì)材料組配試驗(yàn)表明，煤矸石、粉煤灰和風(fēng)化煤的比例為1∶2∶2 時(shí)，該基質(zhì)組配材料可以保證其上生長(zhǎng)植物的生物量可以好于或接近于對(duì)照組水平。最優(yōu)配比基質(zhì)材料生長(zhǎng)植物的莖葉生物量可比對(duì)照組高20%，根系生物量可比對(duì)照組高50%。因此，可以將這種基質(zhì)組配材料作為一種煤基生物土，促進(jìn)煤礦生態(tài)修復(fù)。輔助材料組配試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常供水75%情況下，4 種添加劑輔助材料添加后的處理對(duì)提高生長(zhǎng)植物的生物量的作用并不明顯；而在干旱脅迫情況下，4 種輔助材料添加處理均能不同程度地提高生長(zhǎng)植物的生物量，其中0.5%穩(wěn)定劑+0.5%保水劑、1%穩(wěn)定劑效果最好，生長(zhǎng)植物的生物量提高38%～59%。因此，4 種輔助材料添加處理對(duì)保證植株供水，促進(jìn)植株生長(zhǎng)具有重要的意義，該配方對(duì)西部干旱缺水情況下的礦山生態(tài)修復(fù)中的植被恢復(fù)非常有利。

礦山地質(zhì)成土需要生物熟化過(guò)程，因此，該研究采用添加菌根(摩西球囊菌Glomus.mosseae)的方式加速土壤發(fā)育和熟化。試驗(yàn)表明，基質(zhì)組配材料按1∶2∶2 配比后，在低磷情況下接種菌根處理植株的生物量都優(yōu)于未接種的處理，植株生物量增加40%～300%，且進(jìn)行基質(zhì)組配后的各個(gè)處理接種菌根后植株生物量接近或優(yōu)于對(duì)照組土壤接種菌根的植株生物量(圖6)，促進(jìn)了土壤生物條件的改善。在野外煤基生物土實(shí)地(圖7)，當(dāng)年植物種植生物量達(dá)到正常對(duì)照土地，持續(xù)耕種3 年無(wú)顯著變化，顯然煤基生物土加菌根將是最佳的礦山地質(zhì)成土土壤。

圖6 不同處理接種菌根后的植株生物量Fig.6 Plant biomass after mycorrhizal inoculation in different treatments

圖7 煤基生物土野外場(chǎng)地植物長(zhǎng)勢(shì)Fig.7 Plant growth in the field of coal-based biological soil

3.3 黃河泥沙基礦山地質(zhì)成土進(jìn)展與展望

黃河泥沙主要是由水土流失造成，由于雨水、河水的沖刷，黃河泥沙與原始自然的土壤有很大的差異，但仍然是最接近土壤的成土基質(zhì)。因此，在濱黃河的礦區(qū)，利用黃河泥沙作為基質(zhì)材料進(jìn)行地質(zhì)成土具有很大的應(yīng)用前景。筆者團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在黃河流域下游的山東省實(shí)現(xiàn)了利用黃河泥沙充填復(fù)墾采煤塌陷區(qū)的應(yīng)用案例[22]，同時(shí)，提出了利用黃河泥沙與山東當(dāng)?shù)乇硗痢⑿耐吝M(jìn)行組配作為黃河泥沙充填復(fù)墾塌陷區(qū)覆蓋土壤的研究[23]。研究表明，黃河泥沙與表土和心土的2∶1∶1 組配是優(yōu)選的復(fù)配土壤。

黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展已成為國(guó)家戰(zhàn)略，而黃河中上游大量礦山的生態(tài)修復(fù)缺少土壤，因此，將黃河泥沙作為重要成土基質(zhì)利于礦山生態(tài)修復(fù)中的土壤重構(gòu)，能夠進(jìn)一步促進(jìn)黃河流域的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。此外，在黃河上游、中游礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，表層種植土的需求量大，開(kāi)發(fā)黃河泥沙基的復(fù)墾土壤具有很大市場(chǎng)需求。黃河中上游礦區(qū)生態(tài)脆弱、風(fēng)蝕嚴(yán)重，黃河泥沙基質(zhì)成土的難點(diǎn)則是土壤的團(tuán)聚和抗風(fēng)蝕以及有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分的增加與保持。為此，針對(duì)濱黃河不同礦區(qū)生態(tài)修復(fù)需求，將黃河泥沙與礦區(qū)的風(fēng)化煤、煤矸石、粉煤灰等礦山固廢有機(jī)組配，利用自然地質(zhì)成土的原理，快速發(fā)育熟化黃河泥沙基復(fù)墾土壤就成為未來(lái)研究的方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

a.土壤是地球陸地表面能夠生長(zhǎng)綠色植物的疏松層，是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)成土過(guò)程形成的，礦山生態(tài)修復(fù)工程失敗的原因主要是缺少土壤或缺乏科學(xué)的重構(gòu)土壤方法。

b.提出了礦山生態(tài)修復(fù)中的地質(zhì)成土的概念和內(nèi)涵，其實(shí)質(zhì)為仿自然地質(zhì)成土過(guò)程，使礦山備選土壤材料快速發(fā)育和熟化并在短期內(nèi)形成期望土壤功能、達(dá)到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)的過(guò)程，亦即“造土”。自然地質(zhì)成土與廣義的土壤重構(gòu)內(nèi)涵是一致的，因此礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)實(shí)際上就是“礦山地質(zhì)成土”加“土壤剖面重構(gòu)”。

c.礦山地質(zhì)成土方法包含需求分析、材料篩選、材料組配和生物熟化4 步驟。通過(guò)基于原始地層材料的露天礦新表、基于固廢的煤基生物土和黃河泥沙基的礦山地質(zhì)成土3 個(gè)案例，驗(yàn)證了本文提出的礦山地質(zhì)成土方法的應(yīng)用效果。

致謝：論文撰寫過(guò)程中趙艷玲教授、位蓓蕾博士等給予了許多意見(jiàn)和建議，在此表示衷心感謝。