剝離耕作層土壤重構(gòu)利用技術(shù)研究

王曉芳,王月霞,姚靜,王悅穎,谷晨,陳為峰*

剝離耕作層土壤重構(gòu)利用技術(shù)研究

王曉芳1,王月霞1,姚靜2,王悅穎2,谷晨2,陳為峰2*

1. 山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心, 山東 濟(jì)南 250014 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 泰安 271018

為表土剝離利用工作的順利推行以及土地復(fù)墾技術(shù)優(yōu)化提供支撐，也可為表土剝離與利用技術(shù)規(guī)范的出臺(tái)提供參考。本文采用理論分析和田間模擬試驗(yàn)的方法，在分析土壤重構(gòu)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，研究不同的重構(gòu)技術(shù)對(duì)土壤質(zhì)量的影響。研究表明，分層回填重構(gòu)處理可有效保持不同土層土壤的各營(yíng)養(yǎng)成分含量，而混合回填重構(gòu)處理將不同土層均勻摻混，土壤中各營(yíng)養(yǎng)成分含量也隨之被均勻化處理，分層回填更能有效確保復(fù)墾后的耕地質(zhì)量及提高土地的生產(chǎn)力；復(fù)墾重構(gòu)過(guò)程中對(duì)回填表土的機(jī)械壓實(shí)效果受壓實(shí)次數(shù)和土壤前期含水量的共同影響，容重增大效應(yīng)與含水量正相關(guān)；壓實(shí)1次或3次可使0～30 cm土層土壤容重迅速增加，而3次壓實(shí)后對(duì)土壤進(jìn)一步壓實(shí)的效果不明顯，同時(shí)土層也基本達(dá)到穩(wěn)定沉降狀態(tài)實(shí)踐中；可根據(jù)回填區(qū)重構(gòu)土壤類(lèi)型與狀況、環(huán)境條件，選擇合適的覆土工藝與程序。

表土剝離與利用; 土壤重構(gòu); 分層回填

土壤作為一種重要的自然資源，和耕地資源一樣需要保護(hù)。據(jù)測(cè)算，自然形成1 cm厚的土壤需要200年左右的時(shí)間，形成1 cm厚耕作層土壤需要200-400年的時(shí)間。表土剝離與再利用為緩解我國(guó)人地矛盾、耕地后備資源稀缺，提供了一條行之有效、切實(shí)可行的途徑[1]。近年來(lái)，建設(shè)用地占用耕地的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其中大多數(shù)是位于城郊的優(yōu)質(zhì)耕地[2,3]。建設(shè)占用耕地后，耕地的表土層沒(méi)有被剝離出來(lái)并加以利用，造成了土壤肥力的嚴(yán)重浪費(fèi)[4]。目前，國(guó)家已經(jīng)充分意識(shí)到耕地資源保護(hù)的重要性，國(guó)土資源部在《國(guó)土資源部關(guān)于強(qiáng)化落實(shí)最嚴(yán)格耕地保護(hù)制度的通知》中明確要求“全面實(shí)施耕地剝離再利用制度，建設(shè)占用耕地特別是基本農(nóng)田的耕層應(yīng)予以剝離，用于補(bǔ)充耕地的質(zhì)量建設(shè)”[5]，并于2016年6月發(fā)布實(shí)施了《耕作層土壤剝離利用技術(shù)規(guī)范》（TD/T 1048-2016），為我國(guó)表土剝離和利用工作的進(jìn)行提供了指引綱領(lǐng)。

目前對(duì)表土剝離適用條件[6]、剝離模式[7]、剝離策略[8]的研究較多，而關(guān)于剝離后表土用于補(bǔ)充耕地的質(zhì)量建設(shè)方面的土壤重構(gòu)技術(shù)研究甚少。土壤重構(gòu)是表土剝離利用工作中的重要環(huán)節(jié)，也是土地復(fù)墾研究的核心內(nèi)容[9]，特別是農(nóng)田復(fù)墾往往要求嚴(yán)格的土壤剖面構(gòu)造，對(duì)表土和心土的構(gòu)造都有特定的要求，以保證復(fù)墾土壤的生產(chǎn)力等于或優(yōu)于原土壤[10]，因此科學(xué)合理的土壤重構(gòu)技術(shù)對(duì)保證剝離后表土的利用效率和效益，穩(wěn)定提升耕地質(zhì)量意義重大，開(kāi)展剝離表土的土壤重構(gòu)的研究，可為我省表土剝離利用工作的順利推行以及土地復(fù)墾技術(shù)優(yōu)化提供支撐。

1 土壤重構(gòu)的內(nèi)涵

土地整治中的土壤重構(gòu)，是指應(yīng)用工程技術(shù)手段（工程重構(gòu)技術(shù)）和生物手段（生物重構(gòu)技術(shù)），重新構(gòu)造適宜的土壤剖面、土壤肥力條件以及穩(wěn)定的地貌景觀，在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)和提高重構(gòu)土壤的生產(chǎn)力，并提高和改善重構(gòu)土壤的環(huán)境，使之成為高質(zhì)量農(nóng)田的技術(shù)。土壤重構(gòu)技術(shù)的最終目標(biāo)是重構(gòu)土地平整、土壤特性較好、具備一定條件的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的農(nóng)田[11]。廣義的土壤重構(gòu)所用的物料既包括土壤和土壤母質(zhì)，也包括各類(lèi)巖石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項(xiàng)或多項(xiàng)的混合物[12]，本文研究的土壤重構(gòu)中的物料主要是指建設(shè)占用耕地中剝離的表土，屬于狹義的土壤重構(gòu)，重點(diǎn)在于恢復(fù)重構(gòu)土壤的生產(chǎn)力。

2 不同回填重構(gòu)方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

本文選擇泰安市郊區(qū)不同肥力水平的表層土壤，研究了分層回填和混層回填對(duì)不同回填重構(gòu)方式對(duì)養(yǎng)分的影響進(jìn)行了模擬研究。

表 1 肥力較高小區(qū)不同重構(gòu)方式的土壤理化性狀

注:不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同回填方式間差異顯著(<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between different backfilling methods in the same soil layer (<0.05). The same as follows.

表 2 肥力一般小區(qū)不同重構(gòu)方式的土壤理化性狀

從表1、2可知，分層回填由于保持了剝離前的土層順序，回填前后土壤中各種理化指標(biāo)無(wú)顯著差異，可有效保持不同土層土壤的各營(yíng)養(yǎng)成分含量；而混合回填將不同土層均勻摻混，土壤中各營(yíng)養(yǎng)成分含量也隨之被均勻化處理。因此降低了表層土壤（0～20 cm）土壤的肥力，但可在一定程度上提升底層土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量，分層回填更能有效確保復(fù)墾后的耕地質(zhì)量及提高土地的生產(chǎn)力。

3 覆土壓實(shí)對(duì)容重及土壤折實(shí)度的影響

適宜的土壤容重對(duì)于土壤改良效果的保證具有重要的作用。對(duì)耕作土壤來(lái)說(shuō)，具有一定厚度的犁底層對(duì)保持養(yǎng)分和水分是非常有益的。土壤壓實(shí)效應(yīng)主要與壓實(shí)載重、土壤含水量及壓實(shí)次數(shù)有關(guān)。本文使用重錘模擬常用施工機(jī)械履帶式推土機(jī)（NT855-B280履帶式推土機(jī)，每次對(duì)地面的壓強(qiáng)為33.7 kPa），以相同壓強(qiáng)對(duì)土壤進(jìn)行壓實(shí)不同次數(shù)。同時(shí)控制不同的土壤含水量，探究最為適宜的壓實(shí)方法。為方便敘述，記供試土壤田間持水量的40%、60%、80%為A、B、C，對(duì)照小區(qū)為D（灌水后自然殷實(shí)的土壤），壓實(shí)次數(shù)1、3、5次為1、3、5，0～30 cm、30～60 cm土層為、。

3.1 對(duì)容重的影響

由表3可以看出，灌水后自然殷實(shí)的小區(qū)土壤容重最小，為1.41 g·cm-3和1.38 g·cm-3，在土壤含水量相同的條件下，同一土層的土壤容重均隨著壓實(shí)次數(shù)的增多不斷增大。結(jié)果表明，0～30 cm土層3個(gè)不同含水量處理，壓實(shí)1次和3次的斜率均較大，壓實(shí)3次之后斜率迅速變緩，即3次壓實(shí)后對(duì)土壤進(jìn)一步壓實(shí)的效果不明顯。不同含水量之間，一次壓實(shí)后，容重增大效應(yīng)與含水量正相關(guān)，含水量越高，容重增加幅度越大，但繼續(xù)壓實(shí)后，最高含水量C處理容重增加幅度迅速變緩，含水量A、B處理仍然表現(xiàn)為快速增加，且處理B>A。這說(shuō)明，當(dāng)土壤含水量較高時(shí)（如處理C），一次壓實(shí)可能就會(huì)對(duì)土壤容重產(chǎn)生明顯的影響，但再經(jīng)多次壓實(shí)后，增加緩慢，且最后容重不一定最理想；而含水量較低時(shí)（如處理A），壓實(shí)影響相對(duì)較弱，最后的壓實(shí)度也不一定達(dá)到理想值；因此，只有適宜的含水量（如處理B），可能會(huì)獲得比較理想的容重。

30～60 cm土層，壓實(shí)3次之后進(jìn)一步壓實(shí)處理，其容重進(jìn)一步加大，其增大幅度要大于上層0～30 cm土壤。土壤是彈性變化體，各部位受力并不均勻，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，依次影響以下各層土壤，只有上層土壤被壓實(shí)之后，下層土壤才會(huì)主要受力，因此出現(xiàn)多次壓實(shí)后增速比上層略快的現(xiàn)象。

表 3 壓實(shí)次數(shù)與含水量和容重之間的關(guān)系

圖 1 壓實(shí)次數(shù)與含水量和容重之間的關(guān)系

3.2 對(duì)土壤降深的影響

由表4可知，不論土壤處于何種含水量狀態(tài)，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，單位土體所受壓強(qiáng)增大，土層逐漸下降。其中，首次壓實(shí)土層下降高度最明顯，土層環(huán)比下降高度也要大于后邊幾次壓實(shí)。經(jīng)過(guò)3次壓實(shí)后，土壤已經(jīng)達(dá)到比較緊實(shí)的狀態(tài)，之后的壓實(shí)土層下降高度相對(duì)較小。因此，實(shí)踐工作當(dāng)中，適宜的含水量下（如處理B），壓實(shí)3次才能保證土壤折實(shí)相對(duì)穩(wěn)定，該結(jié)果對(duì)土方回填地面高程的確定很有指導(dǎo)價(jià)值。

表 4 不同含水量土層隨壓實(shí)次數(shù)變化的下降深度

4 覆土重構(gòu)工藝與程序

4.1 覆土工藝

不同地塊重構(gòu)土壤的覆土工藝不盡相同。對(duì)于基本農(nóng)用地的復(fù)墾，土壤剖面重構(gòu)的任務(wù)是應(yīng)保持土層順序不變，構(gòu)造較適宜的新土層,以形成較好作物根系生長(zhǎng)發(fā)育的土壤介質(zhì)；對(duì)于山地或表土層很薄的地區(qū)，常作為林業(yè)復(fù)墾用地，對(duì)土壤肥力要求不嚴(yán)，土壤剖面重構(gòu)的主要任務(wù)是選擇合適的表土替代材料，如剝離物中的砂巖、粘土巖及頁(yè)巖回填在復(fù)墾土地表層，構(gòu)成了獨(dú)特的礦山土（巖土層的混合）；對(duì)原有水田區(qū)回覆土壤時(shí)要在確保不破壞現(xiàn)有水田犁底層的情況下直接進(jìn)行覆土；對(duì)于新造水田區(qū)，要先構(gòu)筑犁底層后再進(jìn)行回填耕作層土壤。進(jìn)行表土回覆之前，若回覆區(qū)表土質(zhì)量好于回填表土質(zhì)量，回覆區(qū)最好也要將表層土壤剝離出來(lái)，根據(jù)土壤質(zhì)量確定回填的位置。

4.2 覆土程序

表土回覆應(yīng)遵循“先粗略整平，再精平”的原則，同時(shí)避免在雨季進(jìn)行。在保證土壤含水量適宜的條件下，一邊卸土一邊進(jìn)行攤鋪。采用自卸汽車(chē)卸土?xí)r，應(yīng)按照作物的種植方向逐步后退卸土，期間要保持汽車(chē)和翻卸速度均勻，并配以推土機(jī)推土、攤平。推土也應(yīng)確保均勻，每層攤鋪厚度最多不超過(guò)50 cm，具體要以設(shè)計(jì)覆土厚度為準(zhǔn)。當(dāng)覆土厚度不滿(mǎn)足耕作層要求時(shí)，人工進(jìn)行局部修復(fù)。當(dāng)攤鋪完成以后，采用小噸位的機(jī)械或者人工進(jìn)行平整，復(fù)墾完以后整體的坡度不大于2°。

5 結(jié)論與建議

（1）分層回填處理由于保持了剝離前的土層順序，回填前后土壤中各種理化指標(biāo)無(wú)顯著差異，可有效保持不同土層土壤的各營(yíng)養(yǎng)成分含量；而混合回填處理將不同土層均勻摻混，土壤中各營(yíng)養(yǎng)成分含量也隨之被均勻化處理。分層回填更能有效確保復(fù)墾后的耕地質(zhì)量及提高土地的生產(chǎn)力；

（2）復(fù)墾中對(duì)回填表土的機(jī)械壓實(shí)效果受壓實(shí)次數(shù)和土壤前期含水量的共同影響。壓實(shí)1次或3次可使0～30 cm土層土壤容重迅速增加，而3次壓實(shí)后對(duì)土壤進(jìn)一步壓實(shí)的效果不明顯。容重增大效應(yīng)與含水量正相關(guān)，含水量越高，容重增加幅度越大。經(jīng)過(guò)3次壓實(shí)后，基本達(dá)到了穩(wěn)定沉降狀態(tài)，再繼續(xù)壓實(shí)，土層的下降幅度均表現(xiàn)為幅度較小。在實(shí)際操作中，針對(duì)不同的土壤含水狀況要采取合適的壓實(shí)次數(shù)。本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)并不代表所有類(lèi)型的土壤。為達(dá)到理想的復(fù)墾土壤狀態(tài)，要根據(jù)實(shí)際土壤狀況采取合理的壓實(shí)處理方式；

（3）不同地塊重構(gòu)土壤的覆土工藝和程序不盡相同，重構(gòu)土壤質(zhì)量的高低是土壤回填重構(gòu)成功與否的關(guān)鍵所在，也是衡量重構(gòu)水平的重要依據(jù)。表土剝離后在運(yùn)輸、貯存、回填過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞和養(yǎng)分損失，因此剝離表土的利用，可根據(jù)回填區(qū)重構(gòu)土壤類(lèi)型與狀況、環(huán)境條件，選擇合適的覆土工藝與程序，并采用工程、生物和化學(xué)等綜合措施實(shí)現(xiàn)重構(gòu)土壤培肥改良與地力恢復(fù)，快速提高土壤生產(chǎn)力。

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Research on Soil Reconstruction and Utilization Technology of Stripped Plow Layer

WANG Xiao-fang1, WANG Yue-xia1, YAO Jing2, WANG Yue-ying2, GU Chen2, CHEN Wei-feng2*

1.250014,2.271018,

To provide support for the smooth implementation of topsoil stripping and utilization work and the optimization of land reclamation technology, as well as provide reference for the issuance of technical specifications for topsoil stripping and utilization. In this paper, theoretical analysis and field simulation experiments were used to study the impact of different reconstruction techniques on soil quality based on the analysis of the connotation of soil reconstruction. It is shows that layered backfilling and reconstruction can effectively maintain the nutrient content of different soil layers, while mixed backfilling and reconstruction can evenly mix different soil layers, resulting in the homogenization of nutrient content in the soil. Layered backfilling can more effectively ensure the quality of cultivated land after reclamation and improve land productivity; During the process of reclamation and reconstruction, the mechanical compaction effect of backfilled topsoil is affected by the number of compaction times and the previous water content of the soil, and the effect of increasing unit weight is positively correlated with the water content; Compaction once or three times can rapidly increase the soil bulk density of 0-30 cm soil layer, but after three times of compaction, the effect of further compaction on the soil is not obvious, and the soil layer also basically reaches a stable settlement state in practice; Suitable soil covering techniques and procedures can be selected based on the type and condition of soil to be reconstructed in the backfill area, as well as environmental conditions.

Topsoil stripping and utilization; Soil reconstruction; layered backfill

S156

A

1000-2324(2023)02-0274-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.016

2023-03-28

2023-04-25

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021CXGC010704);山東省自然資源廳科研項(xiàng)目

王曉芳(1981-),女,碩士研究生,高級(jí)工程師,研究方向:土地綜合整治. E-mail:32942745@qq.com

Author for correspondence. E-mail:chwf@sdau.edu.cn