礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良研究進(jìn)展

趙鵬，史興萍，尚卿，譚菁，王夕剛，黃占斌*

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.青海威斯特銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海 瑪沁 814000；3.北京金元易生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)股份有限公司，北京 100081）

我國(guó)是世界上人口最多和面積最大的發(fā)展中國(guó)家，是世界上最大的煤炭、黃金和稀土生產(chǎn)國(guó)，擁有1 萬多個(gè)生產(chǎn)礦山。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2016—2020 年我國(guó)煤炭產(chǎn)量由34.1 億t 增加到39.0 億t，累計(jì)產(chǎn)煤近184億t[1]。雖然采礦業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)巨大，但卻帶來嚴(yán)重的環(huán)境影響，包括植被破壞、土地廢棄和環(huán)境污染。廢棄土地復(fù)墾成為我國(guó)生態(tài)修復(fù)和實(shí)行土地置換政策的重要工作。所以，礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)和土地復(fù)墾修復(fù)逐漸成為礦區(qū)綜合治理的重要方面，其中土壤結(jié)構(gòu)和肥力的恢復(fù)是土地復(fù)墾修復(fù)的核心[2]。

隨著礦產(chǎn)資源工業(yè)的逐步發(fā)展，因采礦而被破壞的土地面積不斷擴(kuò)大，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化[3]。盡管土壤對(duì)采礦活動(dòng)高度敏感，但它仍可以通過平衡土壤養(yǎng)分、水和能量流來確保生產(chǎn)力和維持生物多樣性，在土壤圈的物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。在礦山開采與復(fù)墾過程中，開挖、運(yùn)輸、傾倒和堆積會(huì)使原始礦區(qū)土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生劇烈變化。最后，受采礦作業(yè)干擾的各種固體廢棄物（碎石、礦渣、粉煤灰、城市污泥、煤矸石等）重新排列，并經(jīng)過一系列物理、化學(xué)、生物和工程措施，快速熟化為人類可利用土壤（可以定義為礦土）[5]。因此，礦土的質(zhì)量和性質(zhì)會(huì)根據(jù)地理?xiàng)l件（如地質(zhì)、氣候、土地利用）而異。礦土系統(tǒng)作為礦區(qū)開采和復(fù)墾系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于調(diào)節(jié)礦區(qū)的植物、水、景觀等子系統(tǒng)具有重要作用。事實(shí)上，礦土的質(zhì)量在很大程度上決定了礦區(qū)未來的復(fù)墾方向。因此，需要進(jìn)一步了解礦區(qū)采礦和復(fù)墾過程對(duì)土壤性質(zhì)變化的影響。

礦區(qū)在連續(xù)開采過程中會(huì)破壞植被/土壤系統(tǒng)，降低土壤生產(chǎn)力和肥力，而復(fù)墾的目標(biāo)是通過一系列復(fù)墾方法恢復(fù)土壤營(yíng)養(yǎng)特征，使礦土恢復(fù)到原始狀態(tài)[6]。土地復(fù)墾作為一種將被擾動(dòng)的土地恢復(fù)到有用狀態(tài)的方法，可以實(shí)現(xiàn)耕地總量的動(dòng)態(tài)平衡[7]，且通過適當(dāng)管理和保護(hù)，可以在短時(shí)間內(nèi)取得較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于礦區(qū)土壤的異質(zhì)性和復(fù)雜性，利用它們來種植作物和恢復(fù)植被，以此提升土壤生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，仍面臨一定挑戰(zhàn)。近十多年來，為改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，最大限度地利用礦區(qū)土地資源，學(xué)者開展了大量礦區(qū)土壤改良技術(shù)研究。在美麗中國(guó)、綠色礦山建設(shè)戰(zhàn)略和“綠水青山就是金山銀山”等生態(tài)文明理念的引領(lǐng)下，礦區(qū)土地復(fù)墾進(jìn)一步形成了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)模式。中共中央、國(guó)務(wù)院《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》中提出：以自然恢復(fù)為主，與人工修復(fù)相結(jié)合作為生態(tài)建設(shè)與修復(fù)的基本原則[8]。

早在20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)就已開始有組織地對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行綜合治理。一些研究還評(píng)估了采礦、建立植被和開發(fā)再生礦土的影響[9]。這些研究使人們對(duì)礦土的性質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有了初步認(rèn)識(shí)。不同種類礦土具有不同的退化機(jī)制和性質(zhì)，需要采取適宜的改良措施。由于礦區(qū)廢棄物堆場(chǎng)等復(fù)墾地的土壤結(jié)構(gòu)和肥力較差，土壤改良成為礦區(qū)復(fù)墾的核心問題。為了充分理解礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的重要性，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦區(qū)土壤改良現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)復(fù)墾地土壤特征，深入分析礦區(qū)土壤改良原理及其技術(shù)，并根據(jù)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良研究和應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的綠色、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)向，提出礦區(qū)土壤改良需要加強(qiáng)研究的改良方法、標(biāo)準(zhǔn)制定和管理對(duì)策，為今后礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良與生態(tài)修復(fù)提供參考和借鑒。

1 礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的重要性

采礦業(yè)被認(rèn)為是世界上最古老和最重要的活動(dòng)之一?？v觀歷史，礦業(yè)活動(dòng)為世界文明作出了巨大而重要的貢獻(xiàn)。但與此同時(shí)它也造成了嚴(yán)重的土地資源破壞和生態(tài)環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的采礦業(yè)已破壞了近40 000 km2土地，而且僅廢棄礦區(qū)就以每年330 km2的速度增加[10]。多年來，采礦業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)的影響引起了廣泛關(guān)注。圖1 概括了采礦業(yè)對(duì)這三個(gè)方面的影響以及每個(gè)類別下的凈效應(yīng)[10]。雖然采礦業(yè)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響，在某種程度上也對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了負(fù)面影響。礦區(qū)開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量尾礦庫(kù)，給人類健康和環(huán)境帶來很大風(fēng)險(xiǎn)[11]。由于尾礦庫(kù)土質(zhì)松散，堆積時(shí)容易流失和崩塌，經(jīng)常發(fā)生災(zāi)難性的潰壩，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[12]。礦山尾礦中還含有大量難降解重金屬或有機(jī)污染物，會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。過量的重金屬往往會(huì)抑制植物根系的生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉片黃化和生物量降低。例如，高含量的重金屬會(huì)增加作物對(duì)重金屬的吸收，并對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡[13]。因此，為了改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，最大程度地利用礦區(qū)土地資源，學(xué)者開展了大量的礦區(qū)土地復(fù)墾與土壤改良技術(shù)研究。

圖1 采礦業(yè)一般影響的概念化框架Figure 1 The conceptualized framework depicting the general impact of mining

礦區(qū)土地復(fù)墾一般被認(rèn)為是一項(xiàng)持續(xù)進(jìn)行的計(jì)劃，因?yàn)殡S著采礦業(yè)的發(fā)展，其對(duì)環(huán)境的影響會(huì)逐漸增強(qiáng)。采礦是土地的臨時(shí)用途，從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，礦區(qū)土地復(fù)墾顯然是合理的[14]。礦區(qū)土地復(fù)墾已成為許多國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，其可以提高土地的彈性、生產(chǎn)力和生物多樣性[15]。不同礦區(qū)對(duì)場(chǎng)地復(fù)墾有不同的原理和方法，因此想要對(duì)所有場(chǎng)地進(jìn)行復(fù)墾是不可行的，但所有被采礦活動(dòng)干擾的土地都具有經(jīng)濟(jì)、娛樂和美學(xué)潛力。因此，復(fù)墾的核心是識(shí)別礦區(qū)的獨(dú)特潛力，并選擇適當(dāng)?shù)母牧技夹g(shù)和措施，將這種潛力轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的能力[14]。在土地長(zhǎng)期可持續(xù)性的范圍內(nèi)，復(fù)墾可提供生態(tài)調(diào)整或土地再利用的潛力。

經(jīng)開采擾動(dòng)的礦區(qū)土壤通過適當(dāng)?shù)膹?fù)墾技術(shù)和復(fù)墾管理措施可以得到恢復(fù)。然而，如果沒有適當(dāng)?shù)膹?fù)墾規(guī)程，礦區(qū)復(fù)墾地很難恢復(fù)到原來的狀態(tài)。一個(gè)滿意的礦區(qū)通常需要50年或100年才能完全開發(fā)，但完全恢復(fù)的情況并不多見[16]。土地復(fù)墾的終極目標(biāo)是恢復(fù)礦區(qū)土壤的生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及礦區(qū)的綠色生態(tài)。植物是綠色生態(tài)的主題。土壤既是植物生長(zhǎng)所需水分、養(yǎng)分和生存環(huán)境的基礎(chǔ)，還是地球大循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。因此，土壤改良是土地復(fù)墾的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，進(jìn)行礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良對(duì)實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)綠色發(fā)展具有核心意義。

2 國(guó)內(nèi)外礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良進(jìn)展

2.1 國(guó)外

礦區(qū)開采造成的土地浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境破壞已是全球面臨的重要問題，由此引發(fā)的礦區(qū)復(fù)墾改良研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和政府的廣泛關(guān)注。美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞等一些礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，十分重視礦產(chǎn)資源開采后的土地復(fù)墾工作[16]，為礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的科學(xué)研究和治理工作投入了大量資金和技術(shù)。早在20 世紀(jì)20 年代初，美國(guó)和德國(guó)就開始在開采后的礦區(qū)進(jìn)行植樹綠化試驗(yàn)以恢復(fù)礦區(qū)植被[17]。20 世紀(jì)50 年代末，一些國(guó)家已系統(tǒng)地進(jìn)行礦區(qū)土壤改良綠化活動(dòng)。20 世紀(jì)60 年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始制定有關(guān)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良等方面的法律法規(guī)，依法開展土壤改良工作，研究復(fù)墾地的利用方向、復(fù)墾地土壤改良技術(shù)和改良效益等，制定復(fù)墾地土壤改良規(guī)劃和實(shí)踐路徑，并獲得突出的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，自此進(jìn)入復(fù)墾地土壤科學(xué)改良時(shí)代[18]。20 世紀(jì)70 年代，復(fù)墾地土壤改良工作已逐步發(fā)展成一門多學(xué)科、多行業(yè)、多部門聯(lián)合協(xié)作的系統(tǒng)工程，很多企業(yè)都自覺將土壤改良?xì)w入設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)實(shí)踐中。在國(guó)家法令和高科技的支持下，美國(guó)的礦區(qū)環(huán)保和恢復(fù)工作卓有成效，尤其是在粉煤灰改良土壤、矸石山植樹造林等實(shí)踐上積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)采用農(nóng)業(yè)復(fù)墾方法對(duì)萊茵露天煤礦和魯爾井工煤礦進(jìn)行土地恢復(fù)，通過施肥和種植作物改良土壤，恢復(fù)礦土生產(chǎn)力，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。2000 年德國(guó)因采煤而破壞的土地已被復(fù)墾62%。以采礦業(yè)為主題產(chǎn)業(yè)的澳大利亞，更是把土地復(fù)墾視為礦區(qū)開發(fā)活動(dòng)的必要組成部分，在地表侵蝕防治和擾動(dòng)土處置方面居世界前列。澳大利亞在礦區(qū)治理過程中，不但注重土地的恢復(fù)，還注重動(dòng)物棲息地的恢復(fù)，目前已形成高科技指導(dǎo)、多專業(yè)聯(lián)合、綜合治理開發(fā)的土地復(fù)墾改良模式[19]。此外，法國(guó)、日本、加拿大等也在礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良方面開展了大量研究。國(guó)外還對(duì)遙感和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)指導(dǎo)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良進(jìn)行了深入研究，如Bakr等[20]將GIS（地理信息系統(tǒng)）用于埃及礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的研究中，通過遙感監(jiān)測(cè)反映土地覆蓋變化，準(zhǔn)確高效地評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)礦區(qū)環(huán)境的影響。20 世紀(jì)90 年代后，國(guó)外將土地復(fù)墾目標(biāo)提升到一個(gè)新階段，轉(zhuǎn)向生態(tài)復(fù)墾和混合土地復(fù)墾[21]。例如：德國(guó)的北萊茵礦區(qū)開始轉(zhuǎn)向物種保護(hù)、休閑用地設(shè)施和循環(huán)體系建設(shè)等方面，形成了人與自然更加協(xié)調(diào)的混合土地復(fù)墾模式[22]；美國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾研究者通過一系列試驗(yàn)表明，橡樹因具有較好的土壤密實(shí)性和積水耐受性，可作為濕地復(fù)墾的主要樹種，用以恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[22]。

2.2 國(guó)內(nèi)

我國(guó)人多地少，且耕地后備資源不足[23]，對(duì)農(nóng)業(yè)用地的需求高于大部分國(guó)家。因此，我國(guó)的土地復(fù)墾工作不僅要恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，更要提升復(fù)墾耕地的質(zhì)量，即更強(qiáng)調(diào)對(duì)土地的珍惜和利用。我國(guó)對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾的研究滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家。20 世紀(jì)50 年代末，我國(guó)最早開始研究礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾工作，當(dāng)時(shí)土地復(fù)墾率還不足1%。我國(guó)的礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)工作真正得到重視是在20 世紀(jì)80 年代[24]，國(guó)家先后頒布了《土地復(fù)墾規(guī)定》和《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》，到80 年代末土地復(fù)墾率提高至12%，標(biāo)志著我國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾研究得到了飛速發(fā)展。1999年，《中華人民共和國(guó)土地管理法》生效，進(jìn)一步加強(qiáng)土地管理，切實(shí)保護(hù)耕地。2011 年，我國(guó)頒布實(shí)施《土地復(fù)墾條例》，土地復(fù)墾工作更加有序、科學(xué)地進(jìn)行。2019 年6 月5 日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法（修訂草案）》，明確指出我國(guó)對(duì)固體廢物污染環(huán)境的防治，實(shí)行減少固體廢物的產(chǎn)生量和危害性、充分合理利用固體廢物和無害化處置固體廢物的原則，促進(jìn)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的迫切需要，人們采用“超前式治理模式”，利用“補(bǔ)償設(shè)計(jì)”對(duì)采礦塌陷區(qū)進(jìn)行回填整治和土地復(fù)墾。礦區(qū)開采過程會(huì)嚴(yán)重破壞區(qū)域碳平衡，使礦區(qū)碳固存能力下降甚至喪失[25]。在2020 年提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下，研究者對(duì)礦區(qū)碳源/匯開展了大量研究，如礦區(qū)低碳土地利用[26-27]、露天礦碳源構(gòu)成[28]、礦區(qū)節(jié)能減排對(duì)策[29]等。2012 年，國(guó)土資源部土地整治中心與德國(guó)合作開展了“中德低碳土地利用項(xiàng)目”，借鑒德國(guó)低碳土地整治成熟經(jīng)驗(yàn)，開展我國(guó)生態(tài)型低碳土地整治工作。礦區(qū)開采努力做到“少占地、少損毀、多造地、礦復(fù)墾”，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)“低排放、高碳匯、高效益”的土地利用發(fā)展?fàn)顟B(tài)[30]。20世紀(jì)末，我國(guó)礦區(qū)復(fù)墾主要是恢復(fù)耕地，如今隨著現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游、景觀規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)以及“碳達(dá)峰、碳中和”等理念的引導(dǎo)，綜合生態(tài)復(fù)墾模式已逐漸形成。我國(guó)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法以及后來的聯(lián)合改良法，主要用于研究土壤重構(gòu)問題。近年來，我國(guó)也逐漸開始將RS（遙感）、GIS和GPS（全球定位系統(tǒng)）等技術(shù)用于露天煤礦的土壤改良工作中。我國(guó)正處于工業(yè)化快速發(fā)展階段，雖已在礦區(qū)土壤改良研究中取得較多成果，但仍有許多亟待研究的方向，如提高土壤改良認(rèn)知、加強(qiáng)土壤改良法制標(biāo)準(zhǔn)、加大土壤改良資金投入、創(chuàng)新土壤改良技術(shù)、闡述土壤改良原理等。

3 礦區(qū)復(fù)墾地土壤特征

礦山開采過程中，因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地和未經(jīng)一定處理而無法使用的土地統(tǒng)稱為礦山廢棄地。根據(jù)廢棄物來源，礦山廢棄地可分為以下四種類型：一是由剝離的表土、開采的廢石以及低品位礦石堆積成的廢石堆廢棄地（排土場(chǎng)）；二是露天開采形成的采空區(qū)和地下開采形成的塌陷區(qū)；三是分選出精礦物后的剩余物排放形成的尾礦庫(kù)；四是被采礦作業(yè)面、機(jī)械設(shè)施、礦山輔助建筑物和道路交通等占用后廢棄的土地。這四種類型礦山廢棄地土壤的共同特征主要表現(xiàn)在表層土被破壞、物理結(jié)構(gòu)不良、持水保肥能力差、貧瘠、極端pH值、抑制植物生長(zhǎng)、重金屬含量高。礦土作為礦區(qū)開采與復(fù)墾的重要組成部分，在很大程度上決定著礦區(qū)未來復(fù)墾的方向。因此，需要進(jìn)一步了解復(fù)墾過程對(duì)礦區(qū)土壤性質(zhì)變化的影響。

3.1 物理性質(zhì)

礦區(qū)復(fù)墾地的物理特征主要體現(xiàn)在土壤結(jié)構(gòu)上。土壤結(jié)構(gòu)、容重、透氣性等物理性質(zhì)，可通過控制土壤水力性和水文穩(wěn)定性對(duì)土壤改良產(chǎn)生很大影響。礦土結(jié)構(gòu)因地而異，有些會(huì)與周圍未被破壞的土壤結(jié)構(gòu)相似，但有些會(huì)由于原狀土的材料被不同質(zhì)地的覆蓋層取代而有所不同。在相同條件下，采場(chǎng)的平均土壤粒徑小于未采場(chǎng)的平均土壤粒徑。此外，復(fù)墾過程中大型機(jī)械壓實(shí)會(huì)引起土壤聚集性的變化，使根系生長(zhǎng)受到限制，從而導(dǎo)致水分和養(yǎng)分有效性、透氣性和植物產(chǎn)量下降[31]，造成實(shí)質(zhì)性的、長(zhǎng)期的甚至不可逆轉(zhuǎn)的破壞，從而對(duì)土壤生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生負(fù)面影響[32]。土壤壓實(shí)是土壤退化的物理表現(xiàn)形式，可改變土壤的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力[33]，對(duì)采礦和復(fù)墾的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成潛在威脅。在礦區(qū)，容重是表征礦土壓實(shí)度最常用的參數(shù)。復(fù)墾土通常有較高的容重（1.55～1.86 mg·m-3）[34]，但隨著復(fù)墾的進(jìn)行，更多的根會(huì)滲入土壤，使孔隙度增加、土壤容重降低。

3.2 化學(xué)性質(zhì)

有關(guān)采礦和復(fù)墾對(duì)特定土壤化學(xué)性質(zhì)的影響已有很多報(bào)道[35-36]。風(fēng)化對(duì)土壤功能的影響是礦區(qū)的主要環(huán)境問題之一。礦渣內(nèi)的重金屬元素和酸液通過風(fēng)化和溶解作用進(jìn)入水體和土壤，可改變礦區(qū)土壤的化學(xué)性質(zhì)。風(fēng)化過程會(huì)除去堿性礦物中的可溶性礦物，導(dǎo)致電導(dǎo)率和pH值降低。在大多數(shù)情況下，風(fēng)化的腐壞物和回收的土壤有利于礦區(qū)恢復(fù)[37]。在礦區(qū)恢復(fù)過程中，土壤pH 可調(diào)節(jié)植物養(yǎng)分的有效性。含有碳酸鹽的未風(fēng)化超載材料污染會(huì)引起pH值的變化[35]。復(fù)墾活動(dòng)也會(huì)顯著改變土壤pH 值，從而影響特定樹種的生長(zhǎng)。研究表明，電導(dǎo)率受土壤質(zhì)地、深度、復(fù)墾時(shí)間、基質(zhì)和風(fēng)化條件等因素的影響，但在較長(zhǎng)一段時(shí)間后（20 年以上），電導(dǎo)率和其他特性可以維持一個(gè)有利于本地物種生長(zhǎng)的水平[35，38-39]。在礦區(qū)，不可持續(xù)的管理會(huì)導(dǎo)致土壤碳氮流失，這些地區(qū)很可能成為溫室氣體排放的凈源[40]。研究礦區(qū)土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)對(duì)理解土壤碳氮循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。擾動(dòng)土中碳庫(kù)的流失主要是由礦化、侵蝕和淋溶作用造成的。采礦和復(fù)墾活動(dòng)后，礦土中土壤有機(jī)碳（SOC）含量呈下降趨勢(shì)。研究證實(shí)，開采復(fù)墾后氮的損失在0～15 cm 土層最大（＞60%）[41]。此外，人類活動(dòng)在采礦過程中也添加了重金屬（As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb、Se等）。因此，礦區(qū)廢棄物中金屬釋放產(chǎn)生的環(huán)境影響一直是復(fù)墾實(shí)踐中的一個(gè)重大問題。

3.3 生物學(xué)性質(zhì)

土壤生物活動(dòng)可以為監(jiān)測(cè)礦區(qū)土壤質(zhì)量提供有用的信息，而且微生物特性已越來越多地用于評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)力[42]。微生物群落對(duì)土壤環(huán)境非常敏感，其敏感性與多種土壤過程有關(guān)，包括有機(jī)殘?bào)w的分解、養(yǎng)分循環(huán)、有毒化合物和污染物的降解等，因而微生物群落已被許多研究人員作為嚴(yán)重?cái)_動(dòng)礦區(qū)的生態(tài)指標(biāo)[43-45]。微生物群落是土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)質(zhì)積累的重要驅(qū)動(dòng)力，為復(fù)墾植物的生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)。對(duì)礦區(qū)微生物特性的野外調(diào)查研究表明，在復(fù)墾場(chǎng)址測(cè)量的大多數(shù)土壤微生物參數(shù)與未受干擾場(chǎng)址的土壤微生物參數(shù)相當(dāng)[46]，證明復(fù)墾活動(dòng)對(duì)土壤微生物沒有顯著影響。土壤酶調(diào)控著生態(tài)系統(tǒng)功能，在土壤系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)等生化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。礦質(zhì)土壤的擾動(dòng)容易影響酶的活性。隨著復(fù)墾演替年限的增加，大部分酶活性提高，且復(fù)墾地的酶含量高于對(duì)照組，但不同植被處理復(fù)墾地的酶活性差異不顯著[47]。土壤動(dòng)物在土壤有機(jī)質(zhì)的分解與融合中具有重要作用。未開墾地中動(dòng)物群落發(fā)育較差，而開墾地中動(dòng)物群落豐富。土壤動(dòng)物多樣性能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝，可作為礦區(qū)土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)礦區(qū)的恢復(fù)狀況。

4 礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良原理及技術(shù)

4.1 改良原理

礦區(qū)復(fù)墾地的土壤改良可依靠恢復(fù)生態(tài)學(xué)原理及理論，其相關(guān)原理的研究還會(huì)涉及到群落演替理論、限制性因子理論、生物多樣性理論、景觀生態(tài)學(xué)理論等[48]，其中群落演替理論是指導(dǎo)礦區(qū)土壤改良和生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)理論，即礦區(qū)植被恢復(fù)過程中引入的先鋒植物經(jīng)過一系列演替，最終達(dá)到頂級(jí)群落，并以整體性原理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與功能協(xié)調(diào)原理、自生原理和循環(huán)再生原理為核心原理[49]。礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)是使一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多樣的功能。礦區(qū)復(fù)墾地的土壤改良應(yīng)持有生態(tài)學(xué)視角，以植被恢復(fù)和生物多樣性保護(hù)為目標(biāo)，選用適宜的技術(shù)改良土壤。礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)可采納白中科等[50]提出的礦區(qū)恢復(fù)重建的“五階段”法，即地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護(hù)。地貌重塑主要是通過有序排棄和土地整形等措施，重新塑造一個(gè)與周邊景觀協(xié)調(diào)的新地貌，提高土地利用率。土壤重構(gòu)的主要目的是應(yīng)用工程措施及物理、化學(xué)、生物等改良措施，恢復(fù)或重構(gòu)礦區(qū)損毀土地的土壤，其是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的核心。植被重建是在地貌重塑和土壤重構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)礦區(qū)不同土地?fù)p毀類型和程度，綜合外界環(huán)境條件，進(jìn)行不同損毀土地類型物種篩選（先鋒和適生植物）、植被配置、栽植及管護(hù)，使重建的植物群落持續(xù)穩(wěn)定。景觀重現(xiàn)則是遵循“山、水、林、田、湖、草”生命共同體理念，重建一個(gè)與周邊景觀相協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng)。生物多樣性重組與保護(hù)主要是借助人工支持和誘導(dǎo)，調(diào)控生物種群的組成和結(jié)構(gòu)，逐步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能，誘導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)最終演替為一個(gè)符合代際（間）需求和價(jià)值取向的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)。胡振琪等[51]總結(jié)出礦區(qū)生態(tài)修復(fù)目標(biāo)遵從的6 條原則：尊重自然，以人為本；因地制宜，宜林則林、宜耕則耕、宜水則水、宜建則建、宜荒則荒；安全高效、可持續(xù)利用；注重生態(tài)環(huán)境效益，經(jīng)濟(jì)合理；恢復(fù)耕地、草地、林地優(yōu)先；控制源頭和過程，末端治理。

4.2 改良技術(shù)

穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和減少水土流失具有重要意義。然而，礦區(qū)具有極端pH值、高鹽度、低保水能力、高含量重金屬、土壤有機(jī)質(zhì)和肥力不足等物理化學(xué)特性，不利于植物的自然生長(zhǎng)。因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)母牧即胧?，改善礦區(qū)的物理、化學(xué)和生物特性，以促進(jìn)植物定植。目前，礦區(qū)土壤改良技術(shù)主要包括物理、化學(xué)、生物和聯(lián)合改良技術(shù)。

4.2.1 物理改良技術(shù)

物理改良是礦區(qū)復(fù)墾的基礎(chǔ)，是幾乎所有類型礦區(qū)恢復(fù)最簡(jiǎn)單的修復(fù)方法，同時(shí)也是土壤重建的核心，對(duì)礦區(qū)景觀和地形的發(fā)展有巨大的影響。改良礦區(qū)土壤的物理方法有回填、傾倒、覆蓋和固化等，物理改良可以快速有效地改善土壤條件和防止污染物遷移，并為植物生長(zhǎng)提供適宜的基質(zhì)。但該技術(shù)處理效率低、成本高，不適合處理大規(guī)模污染土壤。此外，物理處理也無法利用礦區(qū)土壤中有價(jià)值的成分。回填表土是目前最常用且有效的物理改良方法，在礦區(qū)開采前先剝離保存好0～30 cm和30～60 cm的土層，以備回填時(shí)使用，有利于為植被恢復(fù)提供富含高質(zhì)量生物群落的土壤[24]。很多研究都證實(shí)回填表土可以有效減少風(fēng)蝕和水蝕，產(chǎn)生很好的改土和修復(fù)效果。Holmes 等[52]研究發(fā)現(xiàn)，回填10 cm 和30 cm 表土都可以高效提高植物蓋度。Redente 等[53]的研究也表明，回填15 cm 表土即可達(dá)到很好的恢復(fù)效果。也有研究表明，越厚的回填土層越可以有效避免根系長(zhǎng)入有毒的礦土，但超過一定厚度范圍后，對(duì)礦區(qū)的修復(fù)效果提升不顯著[54]。因此，礦區(qū)回填表土厚度建議為10～15 cm，具體厚度可根據(jù)礦區(qū)不同的物理、化學(xué)、生物特性實(shí)際調(diào)整。但回填表土涉及到表土的剝離、存放、二次倒土等很多工作，費(fèi)用高、難管理，且大部分礦區(qū)位于山區(qū)，土源少，有些礦山企業(yè)甚至花巨資進(jìn)行異地熟土覆蓋。因此，這種技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受到材料適用性低和運(yùn)輸費(fèi)用高的局限性。物理改良技術(shù)的總體目標(biāo)是：①減少侵蝕；②在改善土壤質(zhì)量的同時(shí)減少土壤壓實(shí)；③創(chuàng)造恢復(fù)礦山廢棄地的適宜條件。

4.2.2 化學(xué)改良技術(shù)

化學(xué)改良的目的是改變礦土的不平衡狀態(tài)，以及采取一定措施調(diào)節(jié)土壤pH、緩解其重金屬毒性、提高土壤肥力等?；谥参锏淖罴焉L(zhǎng)條件，利用有機(jī)和/或無機(jī)材料在礦區(qū)進(jìn)行土壤改良已被廣泛嘗試。研究表明，石灰、粉煤灰、磷酸鹽材料和有機(jī)材料（如生物固體、凋落物、堆肥和糞肥等）都可用于礦區(qū)的土壤改良。石灰處理是氧化礦區(qū)中最廣泛采用的中和酸性和降低金屬毒性的方法之一[55]，但由于浸灰劑的溶解和浸出，特別是在酸性環(huán)境下，其作用逐漸受到限制[56]。Mcgowen等[57]報(bào)道，添加磷酸鹽基材料可以有效固定土壤中Cd、Pb、Zn。Moreno等[58]進(jìn)一步提出浮石是改善細(xì)粒礦區(qū)排水的優(yōu)良無機(jī)材料?？偟膩碚f，無機(jī)改良劑主要改善礦區(qū)土壤的物理性能（如排水性能）或有限的化學(xué)性能（如pH 值和過量的可溶性金屬含量）[59]。Alcantara等[60]對(duì)礦區(qū)重金屬進(jìn)行提取，研究表明使用75%的生物固體和25%的礦土組合可以最大化促進(jìn)印度芥菜和胡蘿卜的生長(zhǎng)，并可最大化進(jìn)行汞（Hg）和金（Au）的植物提取。Asensio等[61]在污泥改良劑對(duì)銅礦土壤質(zhì)量的影響研究中證實(shí)，污泥可以中和土壤pH值、降低金屬含量和提高土壤肥力，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育也有顯著影響。此外，污泥的添加還可以改善銅礦土壤的生物特性和生物群落結(jié)構(gòu)。Fellet等[62]提出，生物炭作為有價(jià)值的有機(jī)物質(zhì)來源，可以通過提高土壤營(yíng)養(yǎng)和改善礦山結(jié)構(gòu)（包括pH值、陽離子交換量、持水能力和Cd、Pb、Ti、Zn的生物有效性）幫助建立植被的覆蓋。與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料可以緩沖土壤pH值，從而間接影響金屬在礦區(qū)土壤中的吸附和絡(luò)合作用，也可以改善土壤性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)狀況、水分入滲和持水能力?；瘜W(xué)改良技術(shù)的總體目標(biāo)是提高植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，調(diào)節(jié)土壤pH值，改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，提高重金屬的生物有效性和溶解度等，最終改善土壤的整體理化性質(zhì)，減少土壤污染[63]。但化學(xué)改良方法的應(yīng)用會(huì)由于缺乏持久性和需要定期檢查而受到一定限制。

4.2.3 生物改良技術(shù)

礦區(qū)土壤改良也會(huì)采用一些生物改良方法，主要有土壤動(dòng)物改良、植物改良、微生物改良、植物-微生物聯(lián)合改良。土壤動(dòng)物作為生態(tài)系統(tǒng)中的消費(fèi)者和分解者，在改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力和促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)等方面具有重要的作用。Boyer 等[64]研究了蚯蚓對(duì)露天開采后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的恢復(fù)潛力，發(fā)現(xiàn)蚯蚓不僅可以改良礦土的理化性質(zhì)，而且能富集重金屬，提升表土肥力從而加速土地復(fù)墾，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。植物改良是一種利用植物移除、解毒和累積土壤中有機(jī)和無機(jī)污染物的生物修復(fù)技術(shù)，是一種高效、廉價(jià)、環(huán)境友好的改良策略[12]。礦區(qū)植被恢復(fù)是通過穩(wěn)定土壤來降低全球環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。此外，還可以通過提高土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和生物活性來改善土壤質(zhì)量[65-66]。植物改良技術(shù)在礦山尾礦和污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用已得到證實(shí)。植物在清除環(huán)境污染物方面具有排毒作用。根據(jù)不同的植物特性，植物改良技術(shù)可以劃分為三種：植物提?。ㄍㄟ^根部吸收污染物或金屬）、植物穩(wěn)定（冠層減少風(fēng)擴(kuò)散，根防止水蝕、固定重金屬和防止淋失）和植物揮發(fā)（植物與水一起吸收污染物并通過氣孔將其釋放到大氣中）。微生物改良主要是利用微生物的生命代謝活動(dòng)使礦土中有毒有害物質(zhì)減少或無害，幫助實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。微生物可以產(chǎn)生某些有機(jī)酸，通過改變重金屬的土壤環(huán)境（pH 值和氧化還原電位）提高重金屬的溶解度。微生物分泌的部分多糖易與土壤顆粒結(jié)合，從而改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，球囊霉素和叢枝菌根真菌釋放的其他糖蛋白可通過增加顆粒聚集和穩(wěn)定團(tuán)聚體抵抗風(fēng)蝕和水蝕來改善土壤結(jié)構(gòu)。此外，一些土壤細(xì)菌能夠降解礦物加工過程中產(chǎn)生的有毒有機(jī)化合物，包括溶劑。Zhu 等[67]將滴滴涕降解菌接種到Cd 超富集植物——景天屬中，培養(yǎng)超過18 個(gè)月后，土壤Cd 和滴滴涕含量分別下降32.1%～40.3%和33.9%～37.6%，而未種植和未接種的對(duì)照土壤Cd 和滴滴涕含量分別下降3.25%和3.76%。Wu 等[68]研究表明叢枝菌根真菌接種到Pb/Zn 尾礦中，可以減少土壤中Pb/Zn 的遷移，顯著降低香根草根系中重金屬含量，有效緩解重金屬對(duì)植物的毒害作用。樓駿[69]篩選出兩株對(duì)菲具有較高降解能力的變形菌門下的馬賽菌，通過液體培養(yǎng)降解菲實(shí)驗(yàn)得出，菌株在48 h 內(nèi)可以完全降解100 mg·L-1的菲，可以作為修復(fù)礦區(qū)菲污染土壤的環(huán)境友好型生物材料。生物改良技術(shù)可以最大程度地減少現(xiàn)有和潛在污染物的有害影響。盡管該技術(shù)在處理重金屬和其他污染物污染的礦山廢棄地方面具有潛力，但仍有一些局限性，尤其是植物修復(fù)，例如：①大多數(shù)自然發(fā)生的超富集草木和灌木物種生長(zhǎng)緩慢，生物量低；②污染土壤修復(fù)周期長(zhǎng)；③如果不建立適當(dāng)?shù)奶幹脵C(jī)制，存在將重金屬重新釋放到環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)；④金屬生物利用度有限；⑤適用性有限，并不是所有的超富集植物都適用于含有中高含量毒性金屬的土壤[70]。

4.2.4 聯(lián)合改良技術(shù)

礦區(qū)污染程度不同且理化特性多樣，單一的改良技術(shù)已經(jīng)很難達(dá)到低成本、高效、穩(wěn)定和可持續(xù)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果。因此，結(jié)合多項(xiàng)單一改良技術(shù)的聯(lián)合改良技術(shù)逐漸成為我國(guó)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的發(fā)展方向。目前，應(yīng)用較多的聯(lián)合改良技術(shù)主要包括化學(xué)/物化-生物、物理-化學(xué)、微生物-植物、物理/化學(xué)-植物等聯(lián)合改良技術(shù)。其中化學(xué)-植物、微生物-植物聯(lián)合改良技術(shù)最適于礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)?；瘜W(xué)-植物聯(lián)合改良技術(shù)的原理是對(duì)污染土壤先進(jìn)行原位化學(xué)改良，改善土壤環(huán)境，以防止污染元素進(jìn)一步擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，再篩選具有特殊吸收富集能力的植物種植在污染土壤中，徹底吸附土壤中的污染元素，最后收獲并處理植物。該方法可將污染元素從土體中移除，達(dá)到礦區(qū)污染治理和生態(tài)修復(fù)的目的。蘇銀萍[71]通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究海泡石、沸石對(duì)短毛蓼修復(fù)錳礦區(qū)土壤效果的影響，結(jié)果表明海泡石、沸石可顯著提高短毛蓼對(duì)Mn污染土壤的修復(fù)效率。王靜雯等[72]研究表明，施加適量EDTA 可增強(qiáng)魚腥草對(duì)Pb、Zn、Cu、Cd 的吸收富集能力，即增強(qiáng)魚腥草對(duì)礦區(qū)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)能力，因而可用于礦區(qū)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的植物修復(fù)。微生物-植物聯(lián)合改良技術(shù)可通過微生物活動(dòng)改變土壤pH 值，影響重金屬的生物有效性并改變其賦存形態(tài)，增加植物對(duì)重金屬的吸附特性，同時(shí)還可以通過微生物與植物之間的協(xié)同作用，高效降解土壤中的有機(jī)污染物。Zhu 等[67]將DDT 降解菌與Cd 超累積植物東南景天聯(lián)合改良重金屬-有機(jī)復(fù)合污染土壤，田間試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可使土壤中的Cd 和DDT 含量分別降低31.1%和53.6%。很多研究表明，微生物在植物修復(fù)技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，微生物與植物的協(xié)同作用在植物修復(fù)過程中可促進(jìn)對(duì)重金屬的去除和解毒。例如，生物降解菌、植物生長(zhǎng)促進(jìn)菌和絲狀真菌等微生物可以通過改變土壤環(huán)境、增加生物量和提升重金屬生物有效性來降低重金屬毒性，對(duì)植物修復(fù)具有一定作用[73]（圖2）。因此，可以將微生物和植物聯(lián)合用于礦區(qū)的土壤改良。

圖2 微生物對(duì)尾礦植物修復(fù)的貢獻(xiàn)Figure 2 Contribution of microorganisms to the phytoremediation of mine tailings

5 環(huán)境材料在礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良中的應(yīng)用

環(huán)境材料（Environmental materials 或Eco-materials）是20 世紀(jì)90 年代初由日本學(xué)者山本良一等最早提出的，定義為特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料或那些本身具有凈化環(huán)境、修復(fù)土壤等功能的材料。我國(guó)學(xué)者認(rèn)為，環(huán)境材料是那些在加工、制造、使用和再生過程中資源消耗少、無二次污染、可循環(huán)再生利用、具有良好性能/功能并與環(huán)境協(xié)調(diào)的材料。因此，環(huán)境材料是一類要綜合考慮資源、能源和環(huán)境問題的材料總稱，既包括經(jīng)改造后的現(xiàn)有傳統(tǒng)材料，也包括新開發(fā)的環(huán)境材料。環(huán)境材料可分為天然材料、循環(huán)再生材料、高分子材料、低環(huán)境負(fù)荷材料等。由于具有功能性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟(jì)性，環(huán)境材料已被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。目前，環(huán)境材料在礦區(qū)的土壤改良中也得到廣泛應(yīng)用，其對(duì)礦區(qū)土壤和植物的綜合影響如圖3所示。我國(guó)目前應(yīng)用較多的環(huán)境材料主要有腐植酸、生物炭、保水劑、微生物菌肥等，它們?cè)谒时３趾铜h(huán)境治理方面具有很好的實(shí)踐效果。

圖3 環(huán)境材料對(duì)礦區(qū)土壤和植物的綜合影響Figure 3 Comprehensive effects of environmental materials on soil and plants in mining area

腐植酸被稱為土壤的“生命核”，含有20 多種活性官能團(tuán)（羥基、羧基、酚羥基、羰基等），這些官能團(tuán)使腐植酸具有酸性、親水性、陽離子交換性，可與土壤中的污染物發(fā)生吸附、離子交換、絡(luò)合和氧化還原作用。目前，腐植酸及其各類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和污染土壤修復(fù)中。Liu 等[74]研究表明，向玉米種植地中施加腐植酸可以使土壤大團(tuán)聚體增加77.59%～125.58%。候月卿等[75]研究了環(huán)境材料對(duì)豬糞堆肥中Zn 的鈍化效果，試驗(yàn)表明嘉博文生物腐植酸對(duì)Zn 的鈍化效果顯著高于對(duì)照組，高達(dá)64.94%。Perminova 等[76]在研究不同來源腐植酸對(duì)多環(huán)芳烴的解毒特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤腐植酸、泥炭腐植酸和淡水腐植酸都可以降解蒽、熒蒽和芘，而且富含芳烴的腐植酸解毒潛力最高。于學(xué)勝[77]研究了生物腐植酸對(duì)礦區(qū)廢棄土壤微生態(tài)的重建作用，結(jié)果表明在生物腐植酸單施情況下，添加量為每畝（1 畝=667 m2）30 kg 的處理效果最好，與空白對(duì)照相比，其可培養(yǎng)微生物數(shù)量提高96%，植物量提高34%，真菌多樣性指數(shù)提高6.5%；在生物腐植酸與肥料混施的情況下，每畝30 kg生物腐植酸加50 kg 復(fù)合肥處理效果最好，與空白對(duì)照相比，其可培養(yǎng)微生物數(shù)量提高94%，植物量提高70%，真菌多樣性指數(shù)提高15%。

生物炭是有機(jī)廢棄物在完全或部分缺氧條件下熱解炭化生成的一種穩(wěn)定、富碳和高度芳香化的難溶高聚物。生物炭原料來源廣泛，植物、動(dòng)物糞便、市政固體廢物等在熱解、水熱碳化和微波碳化等過程中均能制備成生物炭。生物炭因具有較大比表面積、豐富孔結(jié)構(gòu)以及大量無機(jī)灰分和極性官能團(tuán)，對(duì)重金屬具有很好的吸附性，已被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬修復(fù)中。生物炭可通過靜電相互作用、離子交換、物理吸附、絡(luò)合和沉淀等反應(yīng)，鈍化土壤中的重金屬，降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性[78]。李光炫等[79]的研究表明，廢菌棒生物質(zhì)炭可以有效改良礦區(qū)土壤酸性，提高土壤速效養(yǎng)分和土壤酶活性，豐富細(xì)菌多樣性和有益菌群數(shù)量，降低TCLP 提取態(tài)Cd（12.1%～24.8%）、Zn（8.3%～31.4%）、Pb（32.9%～53.7%）含量。楊凱等[80]利用生物炭修復(fù)鉛礦區(qū)污染土壤，研究表明在30 d 恒溫恒濕、干濕交替和凍融循環(huán)3 種老化條件下，玉米稈生物炭的添加可使Pb 的有效態(tài)含量分別下降47.4%、16.1%和45.0%。

保水劑是一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，攜帶大量的親水基團(tuán)，具有很好的吸水和保水性，短時(shí)間可吸收自身質(zhì)量400～600 倍甚至更高倍數(shù)的水。保水劑施加于土壤可改善土壤環(huán)境，為植物提供更多的水分，且用量少、見效快，已被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土保持和環(huán)境治理等方面[81]。保水劑主要分為淀粉類、纖維素類和合成聚合物類，它們的共性是分子中都攜帶大量羧基和羥基，可以與重金屬發(fā)生絡(luò)合/螯合反應(yīng)，從而降低其在環(huán)境中的生物活性[82]。秦端端等[82]的研究表明，在水溶液吸附試驗(yàn)中，鎘濃度為200 mg·L-1時(shí)，保水劑對(duì)鎘的吸附量在120 mg·g-1以上；在培養(yǎng)60 d 的土盆試驗(yàn)中，單獨(dú)添加保水劑處理組可使土壤鎘下降20%以上，添加保水劑且種植黑麥草處理組可使土壤鎘下降36%以上。Guiwei等[83]在高粱的盆栽種植試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加0.2%保水劑的處理組植株地上部Cd 含量、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶活性均降低，且高粱的生長(zhǎng)得到促進(jìn)[84]。Santos 等[84]對(duì)礦區(qū)修復(fù)的研究表明，保水劑用量為75、150 mg·hm-2時(shí)，可顯著降低植物對(duì)重金屬的吸收，促進(jìn)土壤保水保肥，增強(qiáng)與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和微生物活性相關(guān)的酶活性。

微生物菌肥（微生物肥料）是以特定、可繁殖的微生物活動(dòng)為核心，使植物獲得所需營(yíng)養(yǎng)的一種綠色環(huán)保、高產(chǎn)高效、多功能的新型生物肥料或菌劑。微生物菌肥具有改善土壤肥力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)和絡(luò)合重金屬等作用，同時(shí)，某些特定菌種還可以分解土壤中有機(jī)污染物，活化或鈍化土壤重金屬離子等[85]。我國(guó)礦區(qū)土壤存在重金屬污染嚴(yán)重、肥力低下等情況，可以通過施用微生物菌肥修復(fù)礦區(qū)復(fù)墾地土壤。微生物菌肥對(duì)重金屬的強(qiáng)化機(jī)制有兩種途徑：一是活化重金屬，促進(jìn)植物吸收，減少土壤中重金屬含量以符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；二是鈍化重金屬，降低土壤重金屬污染，防止通過食物鏈二次傳遞[86]。李曉越等[87]的研究表明，微生物肥在添加比例為1.5%時(shí)，可使煙葉中降Cd 率（與CK 相比）最高達(dá)63.9%，添加比例為3.0%時(shí)，可使煙葉中降Cd率最高達(dá)66.6%。張淼等[88]的研究表明，微生物菌劑可以使水稻根部、莖鞘、谷殼和糙米中降Cd 率（與CK 相比）分別達(dá)46.19%、52.46%、38.39%和55.31%。楊繼飛[89]的研究表明，菌肥添加使玉米地上部對(duì)Pb 的吸收率（與CK 相比）提高17.0%～40.1%，玉米根部對(duì)Pb 的吸收率提高19.5%～20.6%。周普雄等[90]的研究表明，重金屬污染土經(jīng)12 d 生物淋濾（氧化亞鐵硫桿菌接種的淋濾液）后，Cu、Zn、Cd 和Pb 的去除率分別達(dá)到66.5%、55.1%、72.8%和35.6%。

6 礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良存在的問題與發(fā)展方向

6.1 存在問題

礦區(qū)開采會(huì)對(duì)土地資源造成一系列影響，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。礦區(qū)土地復(fù)墾與土壤改良已成為幾十年來備受科學(xué)家關(guān)注的世界性課題。但礦區(qū)的復(fù)雜性和脆弱性使復(fù)墾研究和改良實(shí)踐面臨多重困難，在實(shí)際研究過程中存在一些亟待解決的問題。

6.1.1 缺乏礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良原理研究

目前對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的研究主要針對(duì)土壤改良材料對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地土壤性質(zhì)、植物生長(zhǎng)、環(huán)境治理等的改良效果評(píng)價(jià)，而對(duì)土壤改良材料與土壤、植物以及微生物之間的相互作用機(jī)制研究很少。不同改良材料的改良機(jī)理不同，其改良效果會(huì)受重金屬離子種類、植物種類、土壤類型以及環(huán)境因素的影響。因此，今后應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域、不同類型礦區(qū)復(fù)墾地選用恰當(dāng)?shù)母牧疾牧希⑦M(jìn)一步深入系統(tǒng)地研究改良材料的改良機(jī)理。

6.1.2 缺乏礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良技術(shù)研究

土壤改良技術(shù)是礦區(qū)土地復(fù)墾的核心基礎(chǔ)，經(jīng)過近幾十年的研究與實(shí)踐，我國(guó)礦區(qū)土壤改良技術(shù)已經(jīng)有了重要進(jìn)展。從物理改良、化學(xué)改良、生物改良到多項(xiàng)改良技術(shù)聯(lián)合，每種改良技術(shù)都具有一定的實(shí)用性或先進(jìn)性，但同時(shí)其又不可避免地具有某些局限性，仍未形成一種能高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、成熟的礦區(qū)復(fù)墾地改良技術(shù)。礦區(qū)土壤污染存在隱蔽性、累積性、不可逆性和難治理性等特點(diǎn)，因此更需要加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良技術(shù)的研究。

6.1.3 缺乏礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年北京有20 個(gè)礦區(qū)土地復(fù)墾在置換驗(yàn)收中基本不合格，正在完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。各地土地復(fù)墾改良的置換缺乏驗(yàn)收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)綠色礦區(qū)構(gòu)建的法律條例和規(guī)范，也缺少針對(duì)礦區(qū)開采全過程動(dòng)態(tài)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)內(nèi)容。目前我國(guó)土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)相對(duì)落后，且國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在共通性、整體控制的特點(diǎn)，缺乏因地制宜的、詳盡具體的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。因此，我國(guó)需要加強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良相關(guān)法律和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定。

6.1.4 缺乏礦區(qū)土地復(fù)墾監(jiān)管體系

礦區(qū)土地復(fù)墾監(jiān)管是一個(gè)包括礦區(qū)開采、土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)全過程的監(jiān)測(cè)和管理活動(dòng)。近年來，我國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾監(jiān)管體系已初步建成，但仍存在很多問題，如監(jiān)管體系較為單一、監(jiān)管機(jī)構(gòu)不明確、缺乏具體有效的監(jiān)管部門、監(jiān)管手段落后等。因此，我國(guó)需要加強(qiáng)監(jiān)管體系建設(shè)，盡快建立完備、可操作的監(jiān)管機(jī)制。

6.2 我國(guó)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良的發(fā)展方向

礦區(qū)開采伴隨的環(huán)境問題是土壤改良研究的難題，也是制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。在當(dāng)今越來越重視環(huán)境保護(hù)的大環(huán)境下，我國(guó)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良研究已取得了一些成效，但與礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有很多不足之處。因此，我國(guó)應(yīng)抓住當(dāng)前科技快速發(fā)展的機(jī)遇，加大對(duì)礦區(qū)修復(fù)的支持和研究，做到技術(shù)創(chuàng)新，開創(chuàng)一條礦區(qū)開采與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的文明道路。

6.2.1 加強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良原理研究

今后，我國(guó)應(yīng)針對(duì)不同礦區(qū)復(fù)墾地選用不同改良材料，分析其結(jié)構(gòu)組分和理化特性，結(jié)合礦區(qū)復(fù)墾地改良前后土壤的理化和生物特性變化以及植物的生長(zhǎng)和品質(zhì)變化，揭示改良材料對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地土壤的改良原理，在此基礎(chǔ)上研發(fā)針對(duì)不同類型礦區(qū)復(fù)墾地的環(huán)保低價(jià)的新型土壤改良材料。

6.2.2 加強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良技術(shù)研究和集成

在當(dāng)今“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下，礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良工作要做到減排增匯：以礦區(qū)固體廢棄物（粉煤灰、煤矸石等）為原料，因地制宜、就地取材地配制新型表土回填材料，還可以利用生產(chǎn)和生活廢物研究固體廢物充填技術(shù)，達(dá)到“廢物減排、以廢治退”的目標(biāo)；盡量減少大型機(jī)械的使用，綠色施工，減輕土壤壓實(shí)，以減少碳排放；增施有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)碳，提高植被覆蓋面積，以增加碳匯；優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，對(duì)積水坑進(jìn)行濕地改造，建設(shè)郊野公園等。礦區(qū)復(fù)墾可發(fā)揮“3S”技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)，即采用遙感技術(shù)（RS）獲取礦區(qū)復(fù)墾地影像，確定土壤改良范圍、面積和類型；采用全球定位系統(tǒng)（GPS）對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地定位、測(cè)繪；采用地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。復(fù)墾實(shí)踐中，應(yīng)圍繞三大核心技術(shù)——地貌重塑、土壤重構(gòu)和植被恢復(fù)，恢復(fù)礦區(qū)復(fù)墾地生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)碳源向碳匯的轉(zhuǎn)變。此外，礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良還可以采用截排水、邊坡穩(wěn)定、農(nóng)業(yè)調(diào)控等輔助措施，更好地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的土壤改良。

6.2.3 加強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾地土壤改良相關(guān)法律和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定

礦區(qū)開采與修復(fù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期持久的工程，因此，為了降低礦區(qū)開采后修復(fù)的難度和對(duì)周邊環(huán)境造成的污染和損毀程度，要制定邊開采邊復(fù)墾的采礦計(jì)劃，并對(duì)周邊造成損毀的地區(qū)進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)堅(jiān)持“開采與保護(hù)并舉、損毀與復(fù)墾并重”的采礦原則；應(yīng)進(jìn)一步修改完善相關(guān)法律體系，構(gòu)建以生態(tài)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展礦業(yè)為核心的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括礦區(qū)開采、土地復(fù)墾與環(huán)境保護(hù)、閉礦驗(yàn)收等動(dòng)態(tài)全過程；針對(duì)地區(qū)特點(diǎn)、礦區(qū)企業(yè)差異，因地制宜地制定符合自身區(qū)域特點(diǎn)、企業(yè)特點(diǎn)的土壤改良法律體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；構(gòu)建以礦區(qū)環(huán)境保護(hù)、土壤改良和生態(tài)恢復(fù)為核心的礦區(qū)土壤改良標(biāo)準(zhǔn)體系。

6.2.4 加強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾地的土壤質(zhì)量管理和評(píng)價(jià)

礦山開采會(huì)產(chǎn)生大范圍的土地?cái)_動(dòng)和生態(tài)環(huán)境破壞，所以應(yīng)在開采前先進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，依法編制土地開采、復(fù)墾與環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，在開采、復(fù)墾過程中實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。礦區(qū)環(huán)境與社會(huì)利益密切相關(guān)，可建立公眾參與機(jī)制，鼓勵(lì)社會(huì)公眾和土地權(quán)益人積極參與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，共同監(jiān)督、共同受益；加強(qiáng)礦區(qū)恢復(fù)目標(biāo)的管理，建立“3S+N”生態(tài)目標(biāo)評(píng)價(jià)和監(jiān)管機(jī)制，即努力構(gòu)建安全、穩(wěn)定、無污染、可持續(xù)的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系；建立一套管理法律政策完備、管理層級(jí)分明、部門職責(zé)清晰、管理方式多樣、管理指標(biāo)健全的綜合管理體系；提出具有地區(qū)針對(duì)性的、過程控制的土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與管理要求，并根據(jù)礦區(qū)恢復(fù)過程中的實(shí)際情況，建立全面、科學(xué)、合理、實(shí)用、有效的礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。