礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)的理論與方法

胡 振 琪

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源泉與動力，但礦產(chǎn)資源開采不可避免地造成土地及生態(tài)環(huán)境的損傷，嚴(yán)重制約著我國生態(tài)文明建設(shè)，已成為礦山可持續(xù)發(fā)展的硬約束。因此，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)已經(jīng)成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。

礦產(chǎn)資源的開采首先影響的是土地，無論是露天開采的直接挖損還是井工開采的地表沉陷，都導(dǎo)致歷經(jīng)數(shù)百年甚至上萬年形成的土壤受到破壞，因此，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的首要任務(wù)是恢復(fù)土壤。許多土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程，沒有很好地考慮土壤重構(gòu)，甚至把土壤僅僅當(dāng)成是一般的土石方原料進(jìn)行土石方工程施工，導(dǎo)致復(fù)墾土壤生產(chǎn)力低、復(fù)墾工程失敗。

土壤是一切生物之基。如果沒有很好地恢復(fù)土壤，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)就很難恢復(fù)，為此，許多國家把復(fù)墾土壤生產(chǎn)力水平作為衡量復(fù)墾工程成敗的標(biāo)準(zhǔn)，因此，土壤重構(gòu)(Soil reconstruction)就成為土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵和核心。

有關(guān)研究表明：現(xiàn)代復(fù)墾技術(shù)研究的重點應(yīng)是土壤因素的重構(gòu)，而不僅僅是植被的建立，為使復(fù)墾土壤達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力，構(gòu)造一個最優(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。西方工業(yè)國家對礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)的研究較多，從土壤重構(gòu)的立法、實施及驗收標(biāo)準(zhǔn)，到土壤重構(gòu)的具體內(nèi)容：如土壤與巖層的采前分析、表土的剝離與回填、土壤替代材料的選擇、各巖土層剝離與回填的方法和設(shè)備、表土層厚度的優(yōu)選、侵蝕控制、地貌及排灌系統(tǒng)設(shè)計等，都進(jìn)行了較為深入的研究，制定了相關(guān)的復(fù)墾法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，取得了顯著的成果。美國在20世紀(jì)70—80年代，主要圍繞露天礦土壤重構(gòu)進(jìn)行研究，重點是圍繞巖土混合排放的排土場土壤重構(gòu)或改良研究，如：DANCER和JANSEN將露天礦不同土層和深部松散巖層混合進(jìn)行飼料作物種植，表明石灰質(zhì)巖層和酸性心土混合能改良土壤酸性和質(zhì)地，從而增加作物產(chǎn)量，且某些深部土層性質(zhì)優(yōu)于原始心土層，可以作為心土替代物使用。POWER等在碎巖石為基底的礦區(qū)廢棄地上覆蓋0，20，60 cm表土和0～210 cm心土進(jìn)行復(fù)墾，研究表明總覆蓋土壤厚度在90～150 cm內(nèi)時，4種作物的產(chǎn)量均隨著覆蓋土壤厚度的增加而增加，且覆蓋20 cm表土加70 cm心土?xí)r，作物能取得最高的產(chǎn)量。MCSWEENEY等將露天礦不同深度心土層和基巖層材料進(jìn)行混合后覆蓋30 cm表土層，進(jìn)行玉米和大豆種植，重構(gòu)后的土壤剖面獲得了比周圍未破壞農(nóng)田更高的作物產(chǎn)量。美國1977年頒布的《露天采礦控制與復(fù)墾法》要求復(fù)墾土地達(dá)到等于或超過采前土地生產(chǎn)力，對優(yōu)質(zhì)農(nóng)田復(fù)墾要求分別剝離和回填表土及心土，厚度達(dá)到1.5 m，以形成較好的作物根系生長發(fā)育的土壤介質(zhì)。

國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代也開始礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)的研究。筆者在借鑒國外露天礦內(nèi)排倒堆開采復(fù)墾工藝的基礎(chǔ)上，提出了“分層剝離、交錯回填”的土壤剖面重構(gòu)工法并建立了土壤剖面重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并推廣應(yīng)用到采煤塌陷地復(fù)墾技術(shù)中；2005年筆者又進(jìn)一步提出了復(fù)墾土壤重構(gòu)的概念并界定了其內(nèi)涵，對土壤重構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分類與概括，提出了煤礦區(qū)土壤重構(gòu)的一般方法。王金滿等將土壤多重分形理論等引入排土場土壤重構(gòu)研究中，揭示了山西平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦排土場的重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)特征，通過內(nèi)蒙古伊敏礦區(qū)排土場復(fù)墾土壤動態(tài)演變規(guī)律的研究，分析了草原區(qū)露天煤礦排土場復(fù)墾土壤演替的一般規(guī)律。筆者基于前期土壤重構(gòu)理論與方法的研究，提出了間隔條帶式充填復(fù)墾方法，即通過分條帶、分層剝離土壤方式，保障土壤的原有質(zhì)量；通過間隔條帶堆放剝離土壤(表土、心土)，保障了全部塌陷地的充填完整性以及土壤剝離與回填的有序性。在此研究基礎(chǔ)上，筆者依據(jù)仿自然修復(fù)原理，仿優(yōu)質(zhì)自然土壤剖面構(gòu)造，進(jìn)一步提出了夾層式充填復(fù)墾原理與方法，構(gòu)建了多層結(jié)構(gòu)的復(fù)墾土壤剖面。

綜上所述，經(jīng)過國內(nèi)外幾十年的研究和實踐，復(fù)墾土壤重構(gòu)的研究已取得很大進(jìn)展，有了“分層”構(gòu)造的意識，但大都是對礦山損毀土壤改良、表土覆蓋以及結(jié)合采礦與復(fù)墾技術(shù)的土壤重構(gòu)工藝進(jìn)行的探討，但在為什么“分層”和如何“分層”等理論支撐方面十分缺乏，因此，為填補(bǔ)礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)理論空白，提升整個行業(yè)的科學(xué)水平，提高復(fù)墾工藝效率及效益，有必要對土壤重構(gòu)的理論與方法進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和提升，為礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)獨特的基礎(chǔ)理論提供支撐。

1 土壤的形成與礦山復(fù)墾土壤存在的問題

1.1 土壤的形成與自然土壤剖面

俄國著名學(xué)者道庫恰耶夫1900年創(chuàng)立了土壤發(fā)生學(xué)，他認(rèn)為：土壤形成過程是由巖石風(fēng)化過程和成土過程所推動的，影響土壤發(fā)生和發(fā)育的主要有母質(zhì)、氣候、生物、地形、時間5種自然因素。土壤的形成是一個極其漫長的地質(zhì)過程，是地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)的產(chǎn)物，200～400 a只能形成1 cm厚的土壤。母質(zhì)、氣候、生物、地形4種成土因素及其相互間作用，是隨著時間的推移而不斷深化的。時間越長，土壤在風(fēng)化、沉積等地質(zhì)作用的原始成土過程、有機(jī)質(zhì)積聚過程、黏化過程等成土作用下發(fā)育越好。風(fēng)化程度隨著土壤深度逐漸減弱，土壤層次分化明顯，如表層土壤有機(jī)質(zhì)積聚顏色加深，且越往深部土壤顏色越淺；表層土壤往往養(yǎng)分含量高、容重小，適宜植物根系生長。因此，自然土壤剖面往往具有明顯的分層現(xiàn)象(圖1)。土層是成土過程綜合作用下所產(chǎn)生的物質(zhì)遷移、累積、轉(zhuǎn)化所形成的土壤性狀差異在剖面的反映，不同的成土條件，導(dǎo)致不同的土壤剖面特征(稱之為土壤剖面構(gòu)型)，一般包括均質(zhì)型(通體砂、通體壤、通體黏等)、夾層型(壤夾黏、黏夾砂等)和底層型(上砂下黏、上黏下砂等)等(圖2)。

圖1 自然土壤剖面示意Fig.1 Schematic diagram of natural soil profile

圖2 土壤剖面構(gòu)型(部分)示意(修改于文獻(xiàn)[17])Fig.2 Schematic diagram of soil profile configuration (partial)(Modified from References[17])

每一土層的物理、化學(xué)和生物特性直接影響土壤生產(chǎn)力和植物的生長，因此，土壤剖面構(gòu)型對土壤系統(tǒng)功能和生產(chǎn)力起重要作用。

1.2 礦山復(fù)墾土壤存在問題

礦山開采過程中，對土壤的破壞主要有3種：一是挖損，露天開采需要剝離上覆巖土層，挖損破壞了原有天然的土壤結(jié)構(gòu)和地層結(jié)構(gòu)， 徹底擾動了原有土壤條件，影響植物生長和加劇土壤侵蝕和水土流失；二是塌陷，井工開采引起地表塌陷破壞土地，使土地下沉積水或產(chǎn)生地裂縫，導(dǎo)致土壤條件的變化或損失；三是壓占，開采過程中產(chǎn)生的固廢壓占破壞土地，使固廢堆場表面缺乏土壤且還存在酸性或重金屬污染等，植被恢復(fù)困難。自然形成的土壤剖面結(jié)構(gòu)不容易改變，但礦山開采對土地造成破壞，為土壤剖面構(gòu)型的重新構(gòu)造創(chuàng)造了條件。如果構(gòu)造得法，就有可能等于或優(yōu)于原有土壤系統(tǒng)的功能。為深入研究復(fù)墾重構(gòu)土壤剖面，筆者先后挖取23個土地復(fù)墾后的土壤剖面(圖3)，并從土壤形態(tài)特征、土層發(fā)育指數(shù)等進(jìn)行了土壤分類研究，發(fā)現(xiàn)：復(fù)墾土壤土層發(fā)育指數(shù)與原狀土壤相似度極小，復(fù)墾重構(gòu)土壤剖面多具有土層排列凌亂或無層次、無規(guī)律、土層間多以模糊不規(guī)則過渡等特征，部分充填復(fù)墾重構(gòu)土壤表現(xiàn)出充填材料與覆蓋土壤之間明顯間斷的過渡形式。

圖3 某“挖深墊淺”復(fù)墾技術(shù)重構(gòu)土壤剖 面案例(混合、無分層現(xiàn)象)Fig.3 A case of reconstructed soil profile by “digging deeper and padding shallower” reclamation technology (mixed，no stratification)

不合理的土壤重構(gòu)往往會形成雜亂的土壤結(jié)構(gòu)和較低的土壤生產(chǎn)力，植物或作物長勢差并可能進(jìn)一步導(dǎo)致土壤退化，出現(xiàn)復(fù)墾土地植被“一年綠、二年黃、三年死光光”。究其原因是土地復(fù)墾過程中對土壤重構(gòu)重視度不足，如最基本的表土單獨剝離與回填也較少能做到。再深入分析是缺乏將土壤形成過程、土壤生產(chǎn)力相關(guān)知識應(yīng)用到土壤重構(gòu)，缺乏系統(tǒng)科學(xué)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致難以規(guī)范化實施，也難以監(jiān)管約束。

2 礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)相關(guān)概念

2.1 土壤重構(gòu)的概念

礦山開采和復(fù)墾過程中必然擾動土壤剖面結(jié)構(gòu)，如露天開采剝離了全部土壤層的同時還剝離了煤層上覆的巖石地層，是對整個土壤和地層系統(tǒng)的破壞。因此，土壤重構(gòu)亦是重構(gòu)土壤，是綜合運用工程措施及物理、化學(xué)、生物、生態(tài)措施，使受損的土壤系統(tǒng)功能得以恢復(fù)的過程或活動，重點是構(gòu)造一個適宜土壤剖面，恢復(fù)土壤肥力因素，為植物生長構(gòu)造一個最優(yōu)的物理、化學(xué)和生物條件，在較短時間內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力，并使其具有長期穩(wěn)定性。盡管土壤重構(gòu)的范圍主要是地表數(shù)米的土壤層，但露天礦土壤重構(gòu)范圍則是煤層上方的所有土壤和巖石層。

土壤系統(tǒng)由單元土體、土層和土層群(土壤剖面)組成。如果將土壤看成是眾多單元土體的集合，那么，重構(gòu)土壤的過程就是一個眾多單元土體有機(jī)組合的過程。土壤形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)過程(即自然地質(zhì)成土)，其資源價值是大自然的饋贈，彌足珍貴。人為重構(gòu)土壤就應(yīng)該充分利用已形成和發(fā)育好的單元土體，仿照自然土壤結(jié)構(gòu)和形成要素，通過人工措施在短時間里構(gòu)造一個具有最優(yōu)、合理、穩(wěn)定的物理、化學(xué)和生物條件的土壤系統(tǒng)。單元土體是土壤的基礎(chǔ)，其特性與成土條件和過程密切相關(guān)；土源缺乏時就必須先進(jìn)行人工成土,即：“造土”。在有土壤的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的單一土層和土層群的構(gòu)造，形成科學(xué)合理的土壤剖面系統(tǒng)。因此，從“土壤系統(tǒng)”構(gòu)造的視角，土壤重構(gòu)就是“造土”加“土壤剖面構(gòu)造”。由于土壤是由各個單元土體集合而成的，那么單元土體質(zhì)地、營養(yǎng)和化學(xué)元素含量及微生物的差異，直接決定該土體在整個土壤系統(tǒng)中的功能與空間位置，如單元土體質(zhì)地好、營養(yǎng)元素含量高往往可以作為表層土壤。單元土體的有機(jī)組合可進(jìn)行垂向疊加和平面排列，其中在垂向上疊加組合就形成土壤剖面構(gòu)型，平面上的有機(jī)排列組合就形成地形地貌特征。此外，成土?xí)r間要素的影響就是對重構(gòu)土壤的改良與熟化。因此，土壤重構(gòu)是單元土體的四維重構(gòu)(圖4)，即是在考慮土地用途和仿照自然土壤的情況下，單元土體在垂向上疊加構(gòu)建合理的土壤剖面構(gòu)型；在平面上科學(xué)重塑地形地貌；在時間維上通過人工和自然的改良提升重構(gòu)土壤肥力，使重構(gòu)的土壤達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力。因此，廣義的土壤重構(gòu)包括土壤剖面重構(gòu)、地貌重塑和土壤改良。由于土壤剖面是決定土壤生產(chǎn)力的關(guān)鍵，狹義的土壤重構(gòu)就是土壤剖面重構(gòu)。本文將重點討論狹義的土壤重構(gòu)。

圖4 土壤重構(gòu)的概念模型示意Fig.4 Schematic diagram of the conceptual model of soil reconstruction

土壤剖面不同土層之間的位置和功能關(guān)系有明顯的差異(圖4)，土壤剖面重構(gòu)關(guān)鍵就是要根據(jù)各土層之間的差異構(gòu)造合理的剖面。土地復(fù)墾工程中土壤剖面重構(gòu)不合理的原因是沒有很好區(qū)分和理解各個土層的功能差異、無差別地混合土層甚至地層。此外，“分層剝離”復(fù)墾以及如何構(gòu)造較好土壤剖面的理論依據(jù)也十分缺乏，為此，筆者從多年礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)的實踐和研究中，提出 “土層生態(tài)位”和“土壤關(guān)鍵層”2個新概念，旨在從理念上認(rèn)識不同土層功能的差異和土壤剖面構(gòu)型的重要性，有助于從基礎(chǔ)理論上支撐科學(xué)的土壤剖面重構(gòu)。

2.2 土層生態(tài)位

“生態(tài)位”是生態(tài)學(xué)中的概念，是指一個種群在生態(tài)系統(tǒng)中，在時間、空間上所占據(jù)的位置及其與相關(guān)種群之間的功能關(guān)系與作用。由前所述，土壤具有典型的分層特征，是在長期的地質(zhì)風(fēng)化、成土和熟化過程中形成的。對于不同的土地利用類型，不同土層的生態(tài)功能與作用是不一樣的；不同性狀的土層有其獨特的生態(tài)功能，從而也有其獨特的空間位置。不同土層的組合(即不同的土壤剖面構(gòu)型)就構(gòu)成具有獨特功能的土壤系統(tǒng)。因此，將各個土層在空間上所占據(jù)的位置及其與相關(guān)土層之間的功能關(guān)系與作用，稱為“土層生態(tài)位”(圖5)。對于植物生長來說，處于不同生態(tài)位的多個土層在土壤水分、溶質(zhì)運移、氣體熱量傳輸方面具有不同的功能和作用。植物不同對土層深度功能的需求也不同，一般2 m之內(nèi)各個土層是發(fā)揮重要生態(tài)功能的空間。表土層A是植物萌發(fā)、幼苗生長期發(fā)揮重要作用的土層，要求較高含水率和有機(jī)質(zhì)及富含營養(yǎng)元素，此外，要求疏松的土層使得植物根系易于生長穿插，易于植物根冠發(fā)育。心土層B需要為大量植物根系提供空間并為植物提供大量水分、營養(yǎng)，同時保障植物堅挺不倒伏，因此，要求土壤有足夠含水量、緊實度和持續(xù)的營養(yǎng)供應(yīng)，使得根系能夠扎穩(wěn)。土壤母質(zhì)層C往往尚未完全熟化為土壤、顆粒較大、礦物含量高，位于土壤較底層位，為土壤提供基礎(chǔ)支撐。

圖5 “土層生態(tài)位”和“土壤關(guān)鍵層”示意Fig.5 Schematic diagram of “the niche of soil layer” and “the critical layer of soil”

“土層生態(tài)位”的內(nèi)涵是每一土層有其獨特的生態(tài)功能和空間位置，它與其他土層有密切的相互作用關(guān)系，需要科學(xué)合理的處理每一土層才能構(gòu)造出理想的土壤剖面，實現(xiàn)高質(zhì)量的土壤系統(tǒng)功能。這一新概念的提出，其目的就是要求認(rèn)真對待每一土層的生態(tài)特征及功能，而不能將不同土層當(dāng)成均質(zhì)的土壤同等對待。將“土壤剖面構(gòu)型”擴(kuò)展到考慮“單個土層”和“土層群”的“土層生態(tài)位”，不僅僅是概念名稱的變化，更重要的是從生態(tài)功能視角，正確認(rèn)識每一土層的作用及空間位置適宜性，更有利于“土壤剖面構(gòu)型”的優(yōu)化和土壤重構(gòu)技術(shù)的革新。

2.3 土壤關(guān)鍵層

許多相關(guān)學(xué)科的研究都有“關(guān)鍵層”“關(guān)鍵帶”等概念，如地學(xué)研究中的“地球關(guān)鍵帶”、采礦和巖石力學(xué)研究中的巖石“關(guān)鍵層”，都在學(xué)科理論中發(fā)揮了重要作用。在土壤剖面的系列土層中，也有一些土層發(fā)揮著重要作用，直接影響土壤系統(tǒng)的整體功能和生產(chǎn)力，如表土層、毛管阻滯或滲漏阻滯層等，因此，把影響土壤生產(chǎn)力的關(guān)鍵土層，稱為“土壤關(guān)鍵層”(圖5)。土壤關(guān)鍵層以其顯著的形態(tài)分異特征為重要標(biāo)志，其功能明顯區(qū)別于相鄰或其他的土層。土壤關(guān)鍵層的質(zhì)地、位置、厚度直接影響關(guān)鍵層的作用效果。大多數(shù)情況下土壤關(guān)鍵層是對植物生長有關(guān)鍵正向作用的土層，也有一些情況下是植物生長的障礙層。因此，深入了解土壤關(guān)鍵層，對土壤改良和重構(gòu)土壤剖面構(gòu)型具有重要作用。

常見的土壤關(guān)鍵層主要有3種：

(1)表土層。表土是植物賴以生存的介質(zhì)，不僅含有當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的重要種子庫，還可保證根區(qū)土壤的高質(zhì)量和微生物數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu)，縮短土壤熟化期。因此，復(fù)墾時要對其單獨剝離、儲存和回填，對缺少表土區(qū)域，要研發(fā)表土替代材料。

(2)含水層。在地質(zhì)學(xué)上含水層常指土壤通氣層以下的飽和層，其介質(zhì)孔隙完全充滿水分。在土壤剖面構(gòu)型中，含水層主要指具有一定厚度的保水持水性能高的介質(zhì)層次。相關(guān)研究表明，多層質(zhì)地剖面相較于均質(zhì)型剖面可蓄持更多的水分；細(xì)質(zhì)地土壤的含水量高于均質(zhì)土，起到儲水作用；黏土層會對土壤水運動產(chǎn)生影響，且不論黏土層出現(xiàn)的位置，其含水量均相對較高。

(3)隔水層。在地質(zhì)學(xué)中主要指重力水流不能透過的土層或巖層，如黏土層、重亞黏土層及致密完整的頁巖、火成巖、變質(zhì)巖等。隔水層必須具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性才具有阻隔水的能力，其阻隔水能力的大小與巖性組合特征有顯著相關(guān)性。

也有一些嚴(yán)重影響土壤剖面功能或生產(chǎn)力的障礙層，也稱之為“關(guān)鍵層”，這就需要在復(fù)墾重構(gòu)時消除原有的障礙，改善土壤生產(chǎn)力。

2.4 土層生態(tài)位與土壤關(guān)鍵層的關(guān)系

科學(xué)理解土壤剖面重構(gòu)的關(guān)鍵是對各個土層功能及相互關(guān)系的認(rèn)識，即“土層生態(tài)位”。“土壤關(guān)鍵層”是各個土層中發(fā)揮重要作用的土層，因此，“土壤關(guān)鍵層”是在“土層生態(tài)位”基礎(chǔ)上對土壤剖面的進(jìn)一步認(rèn)識和精細(xì)刻畫。

3 礦山復(fù)墾土壤剖面重構(gòu)原理

基于前面對土壤重構(gòu)的分析和提出的新理念，重新構(gòu)造土壤剖面需要遵循以下基本認(rèn)知：

① 土壤剖面是一個多土層的垂向疊加結(jié)構(gòu)；② 每一土層一般由相似和相同質(zhì)地的單元土體集合而成；③ 每一土層有其獨特的生態(tài)功能和空間位置，即“土層生態(tài)位”；④ 每一土層的生態(tài)位由其理化和生物特性及其與其他土層的關(guān)系所決定；⑤ 土層中存在對整個土壤系統(tǒng)功能起決定作用的“關(guān)鍵層”，即“土壤關(guān)鍵層”。

基于對土壤剖面的正確認(rèn)識，土壤剖面重構(gòu)原理就是以土層生態(tài)位為理論基礎(chǔ)、土壤關(guān)鍵層為構(gòu)造核心，設(shè)計和優(yōu)化土壤剖面構(gòu)型并付諸實施的過程，重點是優(yōu)化設(shè)計各個土層生態(tài)位、確定和優(yōu)化關(guān)鍵層。

基于上述原理，土壤剖面重構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法為：① 在深入分析自然土壤剖面結(jié)構(gòu)和損毀土地特征的基礎(chǔ)上，基于需求確定重構(gòu)土壤剖面的功能目標(biāo)；② 通過待構(gòu)土層理化-生物特性的分析及土層生態(tài)位適宜度評價，確定各土層生態(tài)位的基本屬性特征；③ 通過土層生態(tài)位的空間位、寬度、重疊、差距和競爭性等要素分析及土層間相互作用關(guān)系分析，確定可能的土壤剖面構(gòu)型和土壤關(guān)鍵層；④ 通過室內(nèi)外種植試驗或模擬試驗進(jìn)行整體優(yōu)化和方案篩選，重點是土壤關(guān)鍵層的優(yōu)化和作用機(jī)理分析，從而獲得最佳生產(chǎn)力功能的土壤剖面構(gòu)型(圖6)。

3.1 重構(gòu)土壤剖面目標(biāo)的確定

依據(jù)采礦未擾動周邊土壤剖面、地質(zhì)條件及優(yōu)勢植被(作物)的分析，確定參考土壤剖面構(gòu)型，刻畫出土層數(shù)和各層的生態(tài)位特征。依據(jù)采礦損毀土地的特征和當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況和需求，確定復(fù)墾土地的利用目標(biāo)，再考慮有無外來土源材料及質(zhì)量情況，確定擬構(gòu)造的土壤剖面層數(shù)、作用等目標(biāo)，如恢復(fù)不低于原始土層生態(tài)位的仿自然土壤剖面構(gòu)型、利用充填材料構(gòu)建的新土壤剖面構(gòu)型等。

3.2 土層生態(tài)位適宜度評價和各土層生態(tài)位的基本屬性特征確定

每一土層的生態(tài)位由其理化和生物特性及其與其他土層的關(guān)系所決定。因此，需要對各待構(gòu)土層和可能的土壤材料進(jìn)行理化、生物特性分析，為土層生態(tài)位的確定奠定基礎(chǔ)。

圖6 土壤重構(gòu)剖面優(yōu)化設(shè)計方法流程Fig.6 Flow chart of soil reconstruction profile optimization design method

一方面需要研究待重構(gòu)土壤的各種單元土體性質(zhì)，進(jìn)行篩選分類，做到物盡其用；另一方面，通過不同方式篩選或研制重構(gòu)土壤需要的替代材料，如對露天礦復(fù)墾從剝離土層地層中篩選表土替代材料、采煤塌陷地篩選充填復(fù)墾材料、單元土體改良與組配材料等。因此，單元土體性狀的分析、采礦前各個土層地層性狀的分析等都是必不可少的。在各種備選土層材料分析的基礎(chǔ)上，筆者采用“土層生態(tài)位適宜度”定量分析的方法確定各待重構(gòu)土層生態(tài)位的基本屬性特征，其主要步驟是：

(1)基于上述確定的重構(gòu)土壤剖面目標(biāo)，闡明目標(biāo)的各個土層功能特征，并建立土層集(,，…，)以及各土層的空間位置從上到下順序，其中為土層總數(shù)。

(2)構(gòu)建土層生態(tài)位適宜度評價指標(biāo)體系及相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。選擇易獲取且敏感性強(qiáng)的單元土體物理、化學(xué)和生物特性的關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)成適宜度評價指標(biāo)體系，如土壤物理特性中的質(zhì)地和含水特性、土壤化學(xué)特性中的pH、有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)成分、土壤生物數(shù)量等。這樣就構(gòu)成了指標(biāo)體系(，，…，)，其中為指標(biāo)因子數(shù)。

對于單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系，每個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)可以采用國家對農(nóng)用地表土層的標(biāo)準(zhǔn)，即(,,…，s)。對于多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系，可以采用參考土壤剖面各個土層的理化和生物特性作為標(biāo)準(zhǔn)，即層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)s1(s11，s12,…，s1)，層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為s2(s21，s22,…，s2),…，層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)s(s1，s2,…，s)。大多數(shù)情況下，以單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系為標(biāo)準(zhǔn)，更方便確定土層生態(tài)位和土壤剖面構(gòu)型，本文后面的相關(guān)研究也主要以單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系為例。

(3)生態(tài)位適宜度(Niche fitness of soil layer，NF)評價模型，可以采用2種方案：一種是采用單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系(如表土層)的評價模型和方法；另一種是采用多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系的評價模型與方法，2者都需要確定各個指標(biāo)的生態(tài)位適宜度模型，對單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系，只需要確定一組各個指標(biāo)的生態(tài)位適宜度模型；而對多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系的，則需要對每一層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建生態(tài)位適宜度模型，即有組各個指標(biāo)的生態(tài)位適宜度模型。

各個指標(biāo)的適宜度模型主要有正向型、適度型和負(fù)向型3種類型。

第1種是正向型：

(1)

第2種是適度型：

(2)

第3類是負(fù)向型：

(3)

式中，為指標(biāo)的生態(tài)位適宜度；為指標(biāo)的實測值；min為指標(biāo)的最小值；max為指標(biāo)的最大值；opt為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)最適宜值。

對待重構(gòu)土層材料，利用上述模型進(jìn)行評價，計算出各個指標(biāo)的生態(tài)位適宜度。

(4)生態(tài)位適宜度綜合評價。對待重構(gòu)土層材料，通過多個指標(biāo)生態(tài)位適宜度的綜合評價，確定該土層的綜合生態(tài)位適宜度，往往采用考慮各個指標(biāo)重要性的加權(quán)平均模型：

(4)

式中，NF為土層的生態(tài)位適宜度，=1,2,…,；為指標(biāo)的權(quán)重。

對單層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系的土層綜合生態(tài)位適宜度，往往是各個待重構(gòu)土層對最優(yōu)土層()的適宜度。對多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系的，需要對各個待重構(gòu)土層進(jìn)行生態(tài)位適宜度綜合評價，確定其對各個多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的土層生態(tài)位適宜度，再綜合對比相關(guān)待重構(gòu)土層對各個多層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)土層適宜度的排序結(jié)果，確定各個待重構(gòu)土層的最優(yōu)土層位置及相互關(guān)系。

3.3 土層生態(tài)位優(yōu)化的理論分析和可能的土壤剖面構(gòu)型和土壤關(guān)鍵層確定

土層生態(tài)位具有空間位、寬度、重疊、差距和競爭等特性。對生態(tài)位各個特性進(jìn)行分析和優(yōu)化，就能發(fā)揮每個待構(gòu)土層的作用，構(gòu)建更好的土壤剖面構(gòu)型。

土層生態(tài)位的空間位(Niche space of soil layer，NS)是指某一土層在土壤垂直剖面空間的位置，如上、中、下等位置(圖7)。不同土層空間位，在土壤水分、溶質(zhì)運移、氣體熱量傳輸方面具有不同的功能和作用。對耕地土壤，空間位越高，往往其提供植物營養(yǎng)的能力應(yīng)該越大。例如，表土層往往空間位最高。土層生態(tài)位空間位的定量分析，可以通過“土層生態(tài)位適宜度評價”而確定。通過對比分析各個待重構(gòu)土層的生態(tài)位適宜度，就可確定相互之間的空間位置順序，一般最適宜的在上部空間位置，最不適宜的放在下部空間位置。也可利用空間位定量指標(biāo)(式(5))計算各土層的空間位，NS越接近1時，表示該土層空間位越高：

圖7 “土層生態(tài)位”概念模型Fig.7 Conceptual model of “the niche of soil layer”

(5)

式中,NS為土層的生態(tài)位空間位。

土層生態(tài)位重疊(Niche overlap of soil layer， NO)是指2個或2個以上土層具有相似的功能和作用，可以進(jìn)行混合并可處于同一空間位，它表明土層功能關(guān)系的類似、作用相同(圖7)。土層生態(tài)位重疊時在土壤水分、溶質(zhì)運移、氣體熱量傳輸能力的相似性。多個土層重疊度越小，土壤剖面結(jié)構(gòu)越豐富，對土壤水分、空氣競爭性越強(qiáng)，比如，毛管空隙多的土層比毛管空隙少的土層對土壤水的毛管吸力更強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)含量高的土層比有機(jī)質(zhì)少的土層對肥料吸附更強(qiáng)。多個土層重疊度越大，土壤剖面結(jié)構(gòu)越單一，土層之間對土壤水分、空氣的傳輸性越相似。可用定量指標(biāo)(式(6))計算土層生態(tài)位重疊度。當(dāng)2個土層之間的NO越接近1時，表示這2個土層之間相似的功能和作用越強(qiáng)，可以混合重疊。

(6)

式中，NO為土層與土層的生態(tài)位重疊，,=1,2,…,；為土層的指標(biāo)的生態(tài)位適宜度；為土層的指標(biāo)的生態(tài)位適宜度。

土層生態(tài)位競爭(Niche competition of soil layer，NC)是指土層不能在同一空間位存在，存在相對的競爭排斥現(xiàn)象，反映土層功能關(guān)系的強(qiáng)弱。土層生態(tài)位競爭性越強(qiáng)，土層適應(yīng)性越廣，類似于壤土土層。土層生態(tài)位競爭性越弱，土層適應(yīng)性越窄，類似于沙土土層。

為評價復(fù)墾區(qū)土層之間相對的競爭排斥現(xiàn)象，反映土層功能關(guān)系的強(qiáng)弱，找出功能最大的土層。也可用定量指標(biāo)(式(7))計算，當(dāng)土層的NC越接近1時，表示這個土層競爭性越強(qiáng)，當(dāng)2個土層的NC相差較大時表示2者功能關(guān)系弱。

(7)

式中,NC為土層的生態(tài)位競爭。

土層生態(tài)位差距(Niche difference of soil layer，ND)是指土層間的生態(tài)功能差距或某一土層與理想土層功能的相差距離，前者為相對差距，后者為絕對差距(圖7)。絕對差距越小，土層生態(tài)位功能提升改良的成本就越低。相對差距小，2個土層關(guān)系密切，具有良好的空間位關(guān)系。在土壤剖面整體優(yōu)化時，可以依據(jù)該差距進(jìn)行土層間空間位的優(yōu)化，也可作為空間位關(guān)系評價的驗證。分析出差距后，還需要考慮有無縮小差距的途徑和如何縮小差距及其可行性。基于差距可以判斷功能強(qiáng)大的土層或障礙層。也可用定量指標(biāo)(式(8),(9))計算，當(dāng)ND值越小時，土層生態(tài)位功能提升改良的成本就越低，ND值越大時，該土層為障礙層。當(dāng)ND越小時，2個土層關(guān)系密切。

(8)

(9)

式中，ND為土層與土層的生態(tài)位差距，即2者的相對差距；NDopt為土層與標(biāo)準(zhǔn)土層的生態(tài)位差距，也稱絕對差距。

土層生態(tài)位的寬度(Niche breadth of soil layer，NB)又稱生態(tài)位廣度、生態(tài)位大小，是指某一土層在空間占據(jù)的范圍。土層生態(tài)位寬度大，說明這種土層資源量大，反之資源量越小。在面積固定的情況下，資源量越多，土層生態(tài)位的厚度就越大，其發(fā)揮該土層功能的作用往往也越大。因此，在復(fù)墾面積相同的情況下，表土層或關(guān)鍵層材料越多，該土層的寬度就越大，就可提高該土層的功能。基于這種思想，在復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)合理確定各個土層的生態(tài)位寬度，增大關(guān)鍵層的生態(tài)位寬度。也可用定量指標(biāo)式(10)計算：當(dāng)NB值越大，說明這種土層資源量大，反之資源量越小。在復(fù)墾區(qū)面積和土壤重構(gòu)總厚度固定的情況下，資源量越多，土層的厚度就越大。

(10)

式中,NB為土層的生態(tài)位寬度;為土層的厚度。

一般情況下，基于土層生態(tài)位適宜度評價結(jié)果，首先進(jìn)行空間位的確定；再根據(jù)土層生態(tài)位重疊特性的分析，決定需要重疊的土層；然后從競爭和差距的分析判斷功能強(qiáng)大層和障礙層，從而初步確定可能的關(guān)鍵層；然后進(jìn)行土層生態(tài)位寬度的分析，確定各個土層的生態(tài)位寬度及增加關(guān)鍵層寬度的可能性。基于以上土層生態(tài)位5個特性的分析、優(yōu)化，可設(shè)計出初步的土壤剖面構(gòu)型及附加的重構(gòu)改良措施。

3.4 基于科學(xué)試驗驗證和優(yōu)化土層生態(tài)位與關(guān)鍵層，確定最優(yōu)的土壤剖面構(gòu)型

通過室內(nèi)外種植試驗、柱試驗和數(shù)值模擬等方法，對設(shè)計的各個土層生態(tài)位的空間位、寬度、重疊、差距和競爭等特性進(jìn)行深入論證與對比分析，尤其對關(guān)鍵層的生態(tài)位進(jìn)行優(yōu)化試驗與模擬，從而確定出每個土層的精準(zhǔn)生態(tài)位及其功能以及提升改良措施，精準(zhǔn)設(shè)計出最優(yōu)功能的土壤剖面構(gòu)型，包括土壤關(guān)鍵層的位置和數(shù)量，使土壤系統(tǒng)達(dá)到一個可自我持續(xù)發(fā)展、具有較高生產(chǎn)力的狀態(tài)。野外和盆栽試驗以植物(作物)產(chǎn)量或生物量為最主要標(biāo)準(zhǔn)，土柱試驗和數(shù)值模擬以土壤保水性、含水量等整體功能關(guān)鍵參數(shù)為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。

4 土壤剖面重構(gòu)實施的技術(shù)原理與工法

基于土壤重構(gòu)原理優(yōu)化出的最優(yōu)土壤剖面構(gòu)型如何在土地復(fù)墾工程中實現(xiàn)呢？就需要很好的工法。保證各土層的生態(tài)位和連續(xù)高效施工是實現(xiàn)土壤重構(gòu)的關(guān)鍵。

4.1 礦山復(fù)墾土壤剖面重構(gòu)的技術(shù)原理

基于以上土壤剖面重構(gòu)原理分析不難發(fā)現(xiàn)，土壤剖面重構(gòu)的核心是正確理解和認(rèn)識每個土層的生態(tài)位和關(guān)鍵層。為了按照土層生態(tài)位和土壤關(guān)鍵層將土層重構(gòu)到其適宜的空間層位中，必須采用土層的“分層剝離、分層回填或構(gòu)造”，此時不可避免有路徑、方式等工藝的優(yōu)化以及解決連續(xù)工程實施和高效施工等問題，為此 “分層剝離、交錯回填”就成為土壤重構(gòu)的一般技術(shù)原理，即通過對復(fù)墾區(qū)分條帶或塊段，分層剝離各個土層，并通過錯位方式回填，實現(xiàn)土壤剖面重構(gòu)。“分層”是滿足“土層生態(tài)位”和“關(guān)鍵層”構(gòu)造的要求，“交錯”是實現(xiàn)“分層”的手段和途徑，也是土壤重構(gòu)連續(xù)、高效施工的保障。這一新認(rèn)識，是對前期研究的提升和進(jìn)步。

4.2 礦山復(fù)墾土壤剖面重構(gòu)工法

土壤剖面重構(gòu)實施的技術(shù)工藝亦稱工法。由于礦山土壤重構(gòu)實踐在先、理論在后。許多工法都在前期開發(fā)出來并得以實踐，這里僅介紹露天礦采復(fù)一體化和采煤塌陷地挖深墊淺2種重構(gòu)工藝。

筆者在20世紀(jì)90年代就針對露天礦研制出“分層剝離、交錯回填”露天礦采復(fù)一體化工藝(圖8)，并建立數(shù)學(xué)模型，后續(xù)持續(xù)改進(jìn)。重構(gòu)開采前土層(包括巖層)順序的土壤重構(gòu)工藝可用下列通用數(shù)學(xué)模型表示：

(11)

條帶的{-[-(+1)]}，(=1,2, …,-1)

(12)

(13)

式中，為交錯重構(gòu)而劃分的條帶或塊段數(shù);為第巖土層；′為剝離的第巖土層在開采區(qū)域外部堆放的巖土堆。

對井工煤礦采煤塌陷地，常常采用挖深墊淺復(fù)墾技術(shù)，這種情況表土往往是關(guān)鍵層，應(yīng)該盡可能挖掘待挖深區(qū)的表土利用，以增加墊淺區(qū)表土的生態(tài)位寬度。為此，通過挖深墊淺的“分層剝離、交錯回填”工藝，運用土層生態(tài)位、土壤關(guān)鍵層理論，科學(xué)利用待挖深區(qū)的表土，與墊淺區(qū)表土形成雙表土，構(gòu)造雙表土的土壤剖面構(gòu)型(圖9)，提高土壤生產(chǎn)力，其技術(shù)工藝(圖10)為：

(1)將復(fù)墾區(qū)域劃分為“挖深區(qū)”和“墊淺區(qū)”，并分別將“挖深區(qū)”和“墊淺區(qū)”劃分成若干塊段(依地形和土方量劃分)，以1，2，…，和1′，2′，…，′編號。

圖8 露天礦采復(fù)一體化土壤重構(gòu)工藝示意Fig.8 Schematic diagram of soil reconstruction process for open pit mine reclamation

圖9 采煤塌陷地挖深墊淺復(fù)墾土壤剖面構(gòu)型Fig.9 Soil reconstruction profile of the reclamation of deep and shallow pads in coal mining subsidence

(2)將土層劃分為若干層(假定為2個層次：一是上部20～40 cm的表土層S；二是下部土層X)。

(3)按照“分層剝離、交錯回填”的土壤重構(gòu)技術(shù)原理，先將“挖深區(qū)”和“墊淺區(qū)”相對應(yīng)的首塊段(1和1′)上部表土層S剝離堆放然后將“挖深區(qū)”的第1塊段的下部土層X剝離填在“墊淺區(qū)”的第1′塊段的下部土層X，再將第2塊段和第2′塊段的上部表土層S剝離填在“墊淺區(qū)”的第1′塊段上，以此類推直到完成所有塊段，使復(fù)墾后的土壤剖面實現(xiàn)雙表土層，增大關(guān)鍵層表土層厚度，使復(fù)墾土地明顯優(yōu)于原土地，其土壤重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是：

′塊段土壤結(jié)構(gòu)=“(+1)塊段上層土”+

“塊段下層土”+(+1)′塊段剝離的上層土

(14)

′塊段的結(jié)構(gòu)=“1塊段上層土”+“塊段下層土”+“1′塊段預(yù)剝離的上層土”

(15)

式中，=1，2，…，-1。

5 礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)理論與方法應(yīng)用案例

選擇山東邱集煤礦采煤塌陷地黃河泥沙充填復(fù)墾為案例(36.48°N，116.47°E)。該區(qū)域?qū)儆邳S河北部沖積平原，暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，光照充足，年均降水量600 mm，蒸發(fā)量為 1 800～2 000 mm，無霜期可達(dá)210 d以上。

5.1 黃河泥沙充填復(fù)墾土壤重構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

基于土層生態(tài)位、土壤關(guān)鍵層理論，依據(jù)本文提出的土壤剖面重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及步驟，對黃河泥沙填充復(fù)墾土壤重構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

(1)復(fù)墾目標(biāo)的確定。根據(jù)調(diào)查，案例區(qū)采礦前土地以農(nóng)田為主，種植結(jié)構(gòu)多為冬小麥-夏玉米的一年兩熟形式。原始土壤剖面結(jié)構(gòu)是0～20 cm表土層、其下為厚度超過2 m的心土層。該處潛水位高，采后土地極易積水、喪失土地生產(chǎn)力，復(fù)墾方向優(yōu)選為耕地。由于地勢低洼，本身土源有限，但附近有黃河干渠、淤積嚴(yán)重，每年都需要清淤，因此，可采用黃河泥沙作為外來土源充填復(fù)墾采煤塌陷地。

圖10 挖深墊淺復(fù)墾土壤重構(gòu)工藝示意Fig.10 Schematic diagram of the soil reconstruction process for the reclamation of deep and shallow pads in coal mining subsidence

(2)黃河泥沙充填復(fù)墾土壤的土層生態(tài)位適宜度評價，確定備選土層材料的生態(tài)位的基本屬性。該區(qū)域重構(gòu)土壤備選的土層材料有：原始表土層0～20 cm，為A材料，屬于粉黏壤；其下的心土層20～200 cm，為B材料，屬于黏土；此外還有采自黃河干渠的黃河泥沙客土，為C材料。

假設(shè)采用單一目標(biāo)，以耕地表土層為評價目標(biāo)。參照GB/T 33469—2016《耕地質(zhì)量等級》、NY/T 309—1996《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級劃分》及相關(guān)研究構(gòu)建土層生態(tài)位空間適宜度評價指標(biāo)體系及相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，選擇A，B，C三種材料組成土層集(,,)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、CEC(陽離子交換量) 、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成了指標(biāo)體系(,,,);參考耕地質(zhì)量及耕地地力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)范圍，將各個指標(biāo)的最高適宜度評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)定為(,,,)；通過熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重為(,,,)；評價模型采用加權(quán)平均指數(shù)和法(表1)。通過分析，確定有機(jī)質(zhì)和CEC兩個指標(biāo)的評價模型為正向模型，pH和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)兩個指標(biāo)的評價模型為適度模型；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、CEC和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)各指標(biāo)的權(quán)重分別為0.19，0.22，0.17和0.42；其適宜度標(biāo)準(zhǔn)分別為12，7，200和25。最終通過計算得到表層土、心層土、黃河泥沙的土層生態(tài)位空間適宜度評價值為0.80，0.37，0，初步表現(xiàn)出表土層、心土層、黃河泥沙在土層生態(tài)位適宜度空間上的上、中、下位置關(guān)系。

表1 邱集煤礦采煤沉陷地復(fù)墾土層生態(tài)位適宜性評價Table 1 Evaluation of the suitability of the niche of soil layer for coal mining subsidence reclamation in Qiuji Coal Mine

(3)土層生態(tài)位優(yōu)化的理論分析。通過上述土層生態(tài)位適宜度評價已經(jīng)確定了表土層、心土層、黃河泥沙的土層生態(tài)位基本屬性特征和相互間的關(guān)系。根據(jù)土層生態(tài)位特性定量計算公式，結(jié)果列于表2～4。表土層、心土層、黃河泥沙的土層生態(tài)位空間位值為1.00，0.46，0，表明黃河泥沙材料差、生態(tài)適宜度差、空間位低。表土、心土和黃河泥沙的重疊度值差距大，表明3者性質(zhì)差異大，存在較小重疊度，本案例不進(jìn)行重疊。3種材料中表土的絕對差距最小，心土層與表土間存在0.25的相對差距，差距較小；黃河泥沙的絕對差距最大，說明需要在材料或結(jié)構(gòu)上加以改良，否則該材料在植物生長空間中將會成為障礙層。3 種土層競爭值差距大，說明各土層的競爭性差異明顯。

表2 邱集煤礦采煤沉陷地復(fù)墾土層生態(tài) 空間位、競爭、絕對差距Table 2 Niche space，Niche competition，absolute Niche difference of soil layer for coal mining subsidence reclamation in Qiuji Coal Mine

表3 邱集煤礦采煤沉陷地復(fù)墾土層生態(tài)位重疊Table 3 Niche overlap of soil layers for coal mining subsidence reclamation at Qiuji Coal Mine

表4 邱集煤礦采煤沉陷地復(fù)墾土層生態(tài)位相對差距Table 4 Relative Niche difference of soil layer for coal mining subsidence reclamation at Qiuji Coal Mine

根據(jù)土壤重構(gòu)原理可得，表土層的生態(tài)位寬度取決于塌陷地可以剝離出的表土量，應(yīng)對塌陷積水區(qū)盡可能排水取土，以保障表土層的寬度，復(fù)墾區(qū)域可以提供厚度的表土，因此通過土層生態(tài)位寬度的計算，表土層的土層生態(tài)位寬度為NB(表5)；心土資源豐富，其生態(tài)位寬度取決于挖掘的深度，與塌陷深度、施工設(shè)備有關(guān)。復(fù)墾區(qū)域能夠挖掘心土的深度為，此時的心土層生態(tài)位寬度為NB。假設(shè)植物生長核心關(guān)鍵土層厚度為(不同的植被和土壤條件，該值各地是不同的，需要科學(xué)試驗確定)，如果+>，此時=-，表明表土、心土的資源量足夠支撐土壤生產(chǎn)力，則為基礎(chǔ)支撐，剖面采用上土下沙的土壤剖面構(gòu)型(圖11)，這時上覆土層就是關(guān)鍵層，一定要達(dá)到或超過。如果+<，此時=--，表明心土不夠，需要泥沙層提供一定的生態(tài)功能發(fā)揮心土作用，就需要改良或改造黃河泥沙充填層，鑒于其主要障礙在于漏水漏肥，設(shè)想在其中增加土壤夾層改善充填層的生態(tài)功能，就形成了含夾層的土壤剖面構(gòu)型(圖12)，這時，夾層就是關(guān)鍵層，但夾層的位置、厚度和數(shù)量需要根據(jù)模擬試驗或種植試驗確定。

表5 土壤剖面土層生態(tài)位寬度分析Table 5 Analysis of Niche breadth of soil layer for soil profile

圖11 可能的上土下沙土壤剖面構(gòu)型Fig.11 Possible upper soil and lower sand soil profile configuration

圖12 可能的夾層式土壤剖面構(gòu)型Fig.12 Possible intercalated soil profile configurations

(4)基于試驗的土壤剖面構(gòu)型優(yōu)化。針對可能的“上土下沙”土壤剖面構(gòu)型的優(yōu)化，就是充填材料黃河泥沙上覆蓋最優(yōu)厚度的研究，已經(jīng)有很多研究成果。筆者以比較復(fù)雜的夾層式土壤剖面構(gòu)型為例，闡述優(yōu)化的方法。

針對夾層式土壤剖面構(gòu)型，設(shè)計了7種可能的土壤剖面結(jié)構(gòu)，并設(shè)置2個對照土壤剖面(CK1，CK2)進(jìn)行試驗驗證和篩選(圖13)。

圖13 不同處理土壤剖面構(gòu)型示意Fig.13 Schematic diagram of soil profile configuration for different treatments

① 采用柱試驗的方式。利用馬氏瓶實驗系統(tǒng)，通過入滲和蒸發(fā)試驗，研究不同土壤構(gòu)型的水分和溶質(zhì)運移情況(圖14)，筆者選擇充填層的含水量()和整個剖面的持水系數(shù)()作為土壤剖面持水特性參數(shù)進(jìn)行對比分析和優(yōu)選(圖10)。

對比圖15中不同處理對重構(gòu)土壤持水能力的影響，不同夾層式土壤剖面構(gòu)型T1～T7的充填層含水量()較CK2(0.127 cm/cm)分別提高了56.87%，58.08%，61.19%，27.97%，87.76%，121.56%和87.66%；整個剖面的持水系數(shù)()較CK2(0.362)分別提高了37.93%，39.22%，36.14%，25.99%，49.39%，59.47%和54.39%。試驗結(jié)果表明T6即夾層位置為20 cm，夾層厚度為30 cm，夾層數(shù)量為2層的夾層式重構(gòu)土壤的持水能力最優(yōu)。

② 野外種植試驗。在邱集煤礦試驗田進(jìn)行了實地充填復(fù)墾試驗。從玉米現(xiàn)場測試結(jié)果來看，最優(yōu)重構(gòu)土壤剖面T6玉米種植的產(chǎn)量達(dá)到10 484.54 kg/ha，與對照農(nóng)田的產(chǎn)量相當(dāng)(圖16)。野外試驗實現(xiàn)了較土壤重構(gòu)前耕地更為可觀的產(chǎn)量，驗證了基于土壤關(guān)鍵層和土層生態(tài)位原理的土壤剖面構(gòu)型優(yōu)選室內(nèi)試驗的可行性，論證了夾層結(jié)構(gòu)不僅保證了玉米千粒重的大小，同時節(jié)約了寶貴的土壤資源。

圖14 不同土壤剖面構(gòu)型的水分和溶質(zhì)運移試驗裝置示意Fig.14 Schematic diagram of the water and solute transport test setup for different soil profile configurations

5.2 黃河泥沙充填復(fù)墾土壤重構(gòu)工法

由于“上土下沙”和“夾層式”2種充填復(fù)墾土壤剖面重構(gòu)都是采用管道水力輸送黃河泥沙，在復(fù)墾區(qū)都需要剝離和回填表土與心土以及固結(jié)沉淀，因此，它們具有相同的重構(gòu)工法。按照“分層剝離、交錯回填”的土壤重構(gòu)技術(shù)原理，提出了間隔條帶交替式充填復(fù)墾方法，即通過分條帶、分層剝離土壤保障土壤的原有質(zhì)量；通過間隔條帶堆放剝離土壤(表土、心土)，通過交替實現(xiàn)施工的連續(xù)銜接，并使所有的沉陷地都能充填且土壤的剝離與回填有序。以復(fù)雜的夾層式土壤剖面構(gòu)型為例，介紹其具體工藝(圖17)：

圖15 不同處理對重構(gòu)土壤持水能力的影響Fig.15 Effect of different treatments on the water holding capacity of reconstituted soil

圖16 優(yōu)化處理土壤剖面構(gòu)型的玉米產(chǎn)量結(jié)果Fig.16 Maize yield results for optimized treatment soil profile configuration

(1)劃分充填條帶并編號：根據(jù)塌陷區(qū)面積和機(jī)械設(shè)備的工作半徑將待復(fù)墾區(qū)劃分成若干條帶，并按照1，2，3，…,,…，進(jìn)行編號。

(2)確定條帶間交替充填的時間銜接方案和同步交替充填的條帶個數(shù)。

采用條帶間交替式充填的方式，先充填奇數(shù)編號的充填條帶，再充填偶數(shù)編號的充填條帶，或相反。同步交替充填的條帶個數(shù)，取決于各層泥沙固結(jié)時間和夾層及土壤回填時間，保證充填、覆蓋各個條帶間的時間緊密銜接。

(3)間隔條帶分層剝離表土和心土。通過間隔條帶進(jìn)行表土和心土的分層剝離和堆存。將鄰近非本組充填條帶作為該組同步交替充填條帶的土壤剝離堆放區(qū)，堆放區(qū)由中部表土堆放子區(qū)，兩側(cè)心土堆放子區(qū)組成。對于有積水的塌陷地，需要強(qiáng)行排水以方便剝離土壤。

圖17 黃河泥沙交替多層多次充填土壤重構(gòu)工藝示意Fig.17 Schematic diagram of the Yellow River sediment alternating multi-layer multi-fill soil reconstruction process

(4)每一組待交替充填的各個條帶進(jìn)行“交替充填—排水固結(jié)—回填心土—再充填—再排水固結(jié)—回填心土—覆蓋表土”。

對每一組待交替充填復(fù)墾的條帶，先從第1條帶開始充填，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的泥沙層厚度后，開始充填第2條帶，此時第1充填條帶在進(jìn)行排水固結(jié)，當(dāng)?shù)?充填條帶達(dá)到設(shè)定的泥沙層厚度后，再充填第3待交替充填條帶，依次類推，直至本組條帶都充填完成。對于同一組充填條帶，在第充填條帶充填的過程中，之前的充填條帶在進(jìn)行排水固結(jié)或者覆蓋心土，同一組最后一條帶充填完成后，第1條帶已完成回填心土層并可以直接進(jìn)行第2次充填。第2次充填步驟同第1次，待第2次充填完成后，覆蓋表土和心土。以此規(guī)則，直至全部充填復(fù)墾所有土地。

(5)土地平整。最后進(jìn)行土地平整，使其恢復(fù)到可耕種狀態(tài)。

6 結(jié)論與展望

(1)礦山土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)成功與失敗的關(guān)鍵在于土壤重構(gòu)。廣義的土壤重構(gòu)是單元土體的四維重構(gòu)，即垂直方向()的土壤剖面重構(gòu)、水平方向(，)的地貌重塑、時間維()方向的土壤改良，其中土壤剖面重構(gòu)是核心，也是土壤重構(gòu)的狹義概念。

(2)將土壤學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合，提出土層生態(tài)位的概念，揭示每一土層有其獨特的生態(tài)功能和空間位，土層間的相互關(guān)系和作用決定整個土壤功能，并將影響土壤整體功能和生產(chǎn)力的關(guān)鍵土層，稱之為土壤關(guān)鍵層。這2個新概念的提出，旨在從理念上認(rèn)識不同土層功能作用和土壤剖面構(gòu)型的重要性，為土壤剖面構(gòu)型的優(yōu)化和土壤重構(gòu)技術(shù)的革新提供理論支撐。

(3)礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)原理就是以“土層生態(tài)位”為理論基礎(chǔ)、以“土壤關(guān)鍵層”為核心，設(shè)計和優(yōu)化土壤剖面構(gòu)型并付諸實施的過程，其核心是優(yōu)化設(shè)計各個土層生態(tài)位、確定和優(yōu)化關(guān)鍵層。

(4)土壤剖面重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要步驟是：① 基于需求確定重構(gòu)土壤剖面的目標(biāo)；② 對每一土層進(jìn)行土層生態(tài)位適宜度評價；③ 土層生態(tài)位優(yōu)化的理論分析，即通過空間位、寬度、重疊、差距和競爭等生態(tài)位要素分析，確定可能的土壤剖面構(gòu)型和關(guān)鍵層; ④ 通過室內(nèi)外種植試驗或模擬試驗等方法，篩選出最優(yōu)的土壤剖面構(gòu)型。

(5)基于土層生態(tài)位和土壤關(guān)鍵層為核心的土壤重構(gòu)理論，提出了“分層剝離、交錯回填”的土壤重構(gòu)技術(shù)原理。“分層”是滿足“土層生態(tài)位”和“關(guān)鍵層”構(gòu)造的要求，“交錯”是實現(xiàn)土壤重構(gòu)連續(xù)、高效的施工工藝，并將技術(shù)原理應(yīng)用于黃河泥沙充填復(fù)墾、采煤塌陷地挖深墊淺復(fù)墾、露天煤礦復(fù)墾的土壤重構(gòu)，提出了各自土壤重構(gòu)工法。

以土層生態(tài)位和土壤關(guān)鍵層為核心的土壤重構(gòu)理論與方法的提出，對更好地理解土壤重構(gòu)、指導(dǎo)復(fù)墾技術(shù)革新提供了理論支撐，為多種土壤重構(gòu)工藝實踐提供了理論依據(jù)，必將會促進(jìn)復(fù)墾工藝的進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展。由于是從多年實踐中提煉出的新理論，在土層生態(tài)位理論分析及其定量表征方面還需隨著復(fù)墾實踐的推進(jìn)，不斷改進(jìn)和完善。

本文在撰寫過程中，得到中國礦業(yè)大學(xué)(北京)趙艷玲、張子璇和孫煌的大力幫助，此外魏秀菊、王培俊、付梅臣、李晶等人也提出了很多寶貴意見，在此一并感謝。