礦山復墾土壤重構的理論與方法

胡 振 琪

(中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

礦產資源是國民經濟發展的源泉與動力，但礦產資源開采不可避免地造成土地及生態環境的損傷，嚴重制約著我國生態文明建設，已成為礦山可持續發展的硬約束。因此，礦區土地復墾與生態修復已經成為國內外關注的焦點。

礦產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，都導致歷經數百年甚至上萬年形成的土壤受到破壞，因此，礦區土地復墾與生態修復的首要任務是恢復土壤。許多土地復墾與生態修復工程，沒有很好地考慮土壤重構，甚至把土壤僅僅當成是一般的土石方原料進行土石方工程施工，導致復墾土壤生產力低、復墾工程失敗。

土壤是一切生物之基。如果沒有很好地恢復土壤，礦區生態系統就很難恢復，為此，許多國家把復墾土壤生產力水平作為衡量復墾工程成敗的標準，因此，土壤重構(Soil reconstruction)就成為土地復墾與生態修復的關鍵和核心。

有關研究表明：現代復墾技術研究的重點應是土壤因素的重構，而不僅僅是植被的建立，為使復墾土壤達到最優的生產力，構造一個最優的、合理的、穩定的土壤物理、化學和生物條件是進行土地復墾和生態修復最基本的工作。西方工業國家對礦山復墾土壤重構的研究較多，從土壤重構的立法、實施及驗收標準，到土壤重構的具體內容：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備、表土層厚度的優選、侵蝕控制、地貌及排灌系統設計等，都進行了較為深入的研究，制定了相關的復墾法規或標準，取得了顯著的成果。美國在20世紀70—80年代，主要圍繞露天礦土壤重構進行研究，重點是圍繞巖土混合排放的排土場土壤重構或改良研究，如：DANCER和JANSEN將露天礦不同土層和深部松散巖層混合進行飼料作物種植，表明石灰質巖層和酸性心土混合能改良土壤酸性和質地，從而增加作物產量，且某些深部土層性質優于原始心土層，可以作為心土替代物使用。POWER等在碎巖石為基底的礦區廢棄地上覆蓋0，20，60 cm表土和0～210 cm心土進行復墾，研究表明總覆蓋土壤厚度在90～150 cm內時，4種作物的產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心土時，作物能取得最高的產量。MCSWEENEY等將露天礦不同深度心土層和基巖層材料進行混合后覆蓋30 cm表土層，進行玉米和大豆種植，重構后的土壤剖面獲得了比周圍未破壞農田更高的作物產量。美國1977年頒布的《露天采礦控制與復墾法》要求復墾土地達到等于或超過采前土地生產力，對優質農田復墾要求分別剝離和回填表土及心土，厚度達到1.5 m，以形成較好的作物根系生長發育的土壤介質。

國內學者從20世紀90年代也開始礦山復墾土壤重構的研究。筆者在借鑒國外露天礦內排倒堆開采復墾工藝的基礎上，提出了“分層剝離、交錯回填”的土壤剖面重構工法并建立了土壤剖面重構的數學模型，并推廣應用到采煤塌陷地復墾技術中；2005年筆者又進一步提出了復墾土壤重構的概念并界定了其內涵，對土壤重構進行了系統分類與概括，提出了煤礦區土壤重構的一般方法。王金滿等將土壤多重分形理論等引入排土場土壤重構研究中，揭示了山西平朔礦區安太堡露天煤礦排土場的重構土壤結構特征，通過內蒙古伊敏礦區排土場復墾土壤動態演變規律的研究，分析了草原區露天煤礦排土場復墾土壤演替的一般規律。筆者基于前期土壤重構理論與方法的研究，提出了間隔條帶式充填復墾方法，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。在此研究基礎上，筆者依據仿自然修復原理，仿優質自然土壤剖面構造，進一步提出了夾層式充填復墾原理與方法，構建了多層結構的復墾土壤剖面。

綜上所述，經過國內外幾十年的研究和實踐，復墾土壤重構的研究已取得很大進展，有了“分層”構造的意識，但大都是對礦山損毀土壤改良、表土覆蓋以及結合采礦與復墾技術的土壤重構工藝進行的探討，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，為填補礦區土地復墾與生態修復理論空白，提升整個行業的科學水平，提高復墾工藝效率及效益，有必要對土壤重構的理論與方法進行系統的總結和提升，為礦區土地復墾與生態修復獨特的基礎理論提供支撐。

1 土壤的形成與礦山復墾土壤存在的問題

1.1 土壤的形成與自然土壤剖面

俄國著名學者道庫恰耶夫1900年創立了土壤發生學，他認為：土壤形成過程是由巖石風化過程和成土過程所推動的，影響土壤發生和發育的主要有母質、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過程，是地質大循環和生物小循環的產物，200～400 a只能形成1 cm厚的土壤。母質、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，土壤在風化、沉積等地質作用的原始成土過程、有機質積聚過程、黏化過程等成土作用下發育越好。風化程度隨著土壤深度逐漸減弱，土壤層次分化明顯，如表層土壤有機質積聚顏色加深，且越往深部土壤顏色越淺；表層土壤往往養分含量高、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象(圖1)。土層是成土過程綜合作用下所產生的物質遷移、累積、轉化所形成的土壤性狀差異在剖面的反映，不同的成土條件，導致不同的土壤剖面特征(稱之為土壤剖面構型)，一般包括均質型(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 土壤剖面構型(部分)示意(修改于文獻[17])Fig.2 Schematic diagram of soil profile configuration (partial)(Modified from References[17])

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

1.2 礦山復墾土壤存在問題

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構和地層結構， 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生地裂縫，導致土壤條件的變化或損失；三是壓占，開采過程中產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，植被恢復困難。自然形成的土壤剖面結構不容易改變，但礦山開采對土地造成破壞，為土壤剖面構型的重新構造創造了條件。如果構造得法，就有可能等于或優于原有土壤系統的功能。為深入研究復墾重構土壤剖面，筆者先后挖取23個土地復墾后的土壤剖面(圖3)，并從土壤形態特征、土層發育指數等進行了土壤分類研究，發現：復墾土壤土層發育指數與原狀土壤相似度極小，復墾重構土壤剖面多具有土層排列凌亂或無層次、無規律、土層間多以模糊不規則過渡等特征，部分充填復墾重構土壤表現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”復墾技術重構土壤剖 面案例(混合、無分層現象)Fig.3 A case of reconstructed soil profile by “digging deeper and padding shallower” reclamation technology (mixed，no stratification)

不合理的土壤重構往往會形成雜亂的土壤結構和較低的土壤生產力，植物或作物長勢差并可能進一步導致土壤退化，出現復墾土地植被“一年綠、二年黃、三年死光光”。究其原因是土地復墾過程中對土壤重構重視度不足，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、土壤生產力相關知識應用到土壤重構，缺乏系統科學的理論指導，導致難以規范化實施，也難以監管約束。

2 礦山復墾土壤重構相關概念

2.1 土壤重構的概念

礦山開采和復墾過程中必然擾動土壤剖面結構，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的破壞。因此，土壤重構亦是重構土壤，是綜合運用工程措施及物理、化學、生物、生態措施，使受損的土壤系統功能得以恢復的過程或活動，重點是構造一個適宜土壤剖面，恢復土壤肥力因素，為植物生長構造一個最優的物理、化學和生物條件，在較短時間內達到最優的生產力，并使其具有長期穩定性。盡管土壤重構的范圍主要是地表數米的土壤層，但露天礦土壤重構范圍則是煤層上方的所有土壤和巖石層。

土壤系統由單元土體、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，重構土壤的過程就是一個眾多單元土體有機組合的過程。土壤形成經歷了漫長的地質過程(即自然地質成土)，其資源價值是大自然的饋贈，彌足珍貴。人為重構土壤就應該充分利用已形成和發育好的單元土體，仿照自然土壤結構和形成要素，通過人工措施在短時間里構造一個具有最優、合理、穩定的物理、化學和生物條件的土壤系統。單元土體是土壤的基礎，其特性與成土條件和過程密切相關；土源缺乏時就必須先進行人工成土,即：“造土”。在有土壤的基礎上進行合理的單一土層和土層群的構造，形成科學合理的土壤剖面系統。因此，從“土壤系統”構造的視角，土壤重構就是“造土”加“土壤剖面構造”。由于土壤是由各個單元土體集合而成的，那么單元土體質地、營養和化學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中的功能與空間位置，如單元土體質地好、營養元素含量高往往可以作為表層土壤。單元土體的有機組合可進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型，平面上的有機排列組合就形成地形地貌特征。此外，成土時間要素的影響就是對重構土壤的改良與熟化。因此，土壤重構是單元土體的四維重構(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建合理的土壤剖面構型；在平面上科學重塑地形地貌；在時間維上通過人工和自然的改良提升重構土壤肥力，使重構的土壤達到最優的生產力。因此，廣義的土壤重構包括土壤剖面重構、地貌重塑和土壤改良。由于土壤剖面是決定土壤生產力的關鍵，狹義的土壤重構就是土壤剖面重構。本文將重點討論狹義的土壤重構。

圖4 土壤重構的概念模型示意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系有明顯的差異(圖4)，土壤剖面重構關鍵就是要根據各土層之間的差異構造合理的剖面。土地復墾工程中土壤剖面重構不合理的原因是沒有很好區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”復墾以及如何構造較好土壤剖面的理論依據也十分缺乏，為此，筆者從多年礦山復墾土壤重構的實踐和研究中，提出 “土層生態位”和“土壤關鍵層”2個新概念，旨在從理念上認識不同土層功能的差異和土壤剖面構型的重要性，有助于從基礎理論上支撐科學的土壤剖面重構。

2.2 土層生態位

“生態位”是生態學中的概念，是指一個種群在生態系統中，在時間、空間上所占據的位置及其與相關種群之間的功能關系與作用。由前所述，土壤具有典型的分層特征，是在長期的地質風化、成土和熟化過程中形成的。對于不同的土地利用類型，不同土層的生態功能與作用是不一樣的；不同性狀的土層有其獨特的生態功能，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型)就構成具有獨特功能的土壤系統。因此，將各個土層在空間上所占據的位置及其與相關土層之間的功能關系與作用，稱為“土層生態位”(圖5)。對于植物生長來說，處于不同生態位的多個土層在土壤水分、溶質運移、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之內各個土層是發揮重要生態功能的空間。表土層A是植物萌發、幼苗生長期發揮重要作用的土層，要求較高含水率和有機質及富含營養元素，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，同時保障植物堅挺不倒伏，因此，要求土壤有足夠含水量、緊實度和持續的營養供應，使得根系能夠扎穩。土壤母質層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，為土壤提供基礎支撐。

圖5 “土層生態位”和“土壤關鍵層”示意Fig.5 Schematic diagram of “the niche of soil layer” and “the critical layer of soil”

“土層生態位”的內涵是每一土層有其獨特的生態功能和空間位置，它與其他土層有密切的相互作用關系，需要科學合理的處理每一土層才能構造出理想的土壤剖面，實現高質量的土壤系統功能。這一新概念的提出，其目的就是要求認真對待每一土層的生態特征及功能，而不能將不同土層當成均質的土壤同等對待。將“土壤剖面構型”擴展到考慮“單個土層”和“土層群”的“土層生態位”，不僅僅是概念名稱的變化，更重要的是從生態功能視角，正確認識每一土層的作用及空間位置適宜性，更有利于“土壤剖面構型”的優化和土壤重構技術的革新。

2.3 土壤關鍵層

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

常見的土壤關鍵層主要有3種：

(1)表土層。表土是植物賴以生存的介質，不僅含有當地植被恢復的重要種子庫，還可保證根區土壤的高質量和微生物數量及其群落結構，縮短土壤熟化期。因此，復墾時要對其單獨剝離、儲存和回填，對缺少表土區域，要研發表土替代材料。

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

(3)隔水層。在地質學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、變質巖等。隔水層必須具有結構穩定性和滲流穩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性。

也有一些嚴重影響土壤剖面功能或生產力的障礙層，也稱之為“關鍵層”，這就需要在復墾重構時消除原有的障礙，改善土壤生產力。

2.4 土層生態位與土壤關鍵層的關系

科學理解土壤剖面重構的關鍵是對各個土層功能及相互關系的認識，即“土層生態位”。“土壤關鍵層”是各個土層中發揮重要作用的土層，因此，“土壤關鍵層”是在“土層生態位”基礎上對土壤剖面的進一步認識和精細刻畫。

3 礦山復墾土壤剖面重構原理

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

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

基于對土壤剖面的正確認識，土壤剖面重構原理就是以土層生態位為理論基礎、土壤關鍵層為構造核心，設計和優化土壤剖面構型并付諸實施的過程，重點是優化設計各個土層生態位、確定和優化關鍵層。

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

3.1 重構土壤剖面目標的確定

依據采礦未擾動周邊土壤剖面、地質條件及優勢植被(作物)的分析，確定參考土壤剖面構型，刻畫出土層數和各層的生態位特征。依據采礦損毀土地的特征和當地的實際情況和需求，確定復墾土地的利用目標，再考慮有無外來土源材料及質量情況，確定擬構造的土壤剖面層數、作用等目標，如恢復不低于原始土層生態位的仿自然土壤剖面構型、利用充填材料構建的新土壤剖面構型等。

3.2 土層生態位適宜度評價和各土層生態位的基本屬性特征確定

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

圖6 土壤重構剖面優化設計方法流程Fig.6 Flow chart of soil reconstruction profile optimization design method

一方面需要研究待重構土壤的各種單元土體性質，進行篩選分類，做到物盡其用；另一方面，通過不同方式篩選或研制重構土壤需要的替代材料，如對露天礦復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上，筆者采用“土層生態位適宜度”定量分析的方法確定各待重構土層生態位的基本屬性特征，其主要步驟是：

(1)基于上述確定的重構土壤剖面目標，闡明目標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。

(2)構建土層生態位適宜度評價指標體系及相應指標的標準。選擇易獲取且敏感性強的單元土體物理、化學和生物特性的關鍵指標構成適宜度評價指標體系，如土壤物理特性中的質地和含水特性、土壤化學特性中的pH、有機質和營養成分、土壤生物數量等。這樣就構成了指標體系(，，…，)，其中為指標因子數。

對于單層指標標準體系，每個指標的標準可以采用國家對農用地表土層的標準，即(,,…，s)。對于多層指標標準體系，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準，即層指標標準s1(s11，s12,…，s1)，層指標標準為s2(s21，s22,…，s2),…，層指標標準s(s1，s2,…，s)。大多數情況下，以單層指標標準體系為標準，更方便確定土層生態位和土壤剖面構型，本文后面的相關研究也主要以單層指標標準體系為例。

(3)生態位適宜度(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標準體系(如表土層)的評價模型和方法；另一種是采用多層指標標準體系的評價模型與方法，2者都需要確定各個指標的生態位適宜度模型，對單層指標標準體系，只需要確定一組各個指標的生態位適宜度模型；而對多層指標標準體系的，則需要對每一層指標標準構建生態位適宜度模型，即有組各個指標的生態位適宜度模型。

各個指標的適宜度模型主要有正向型、適度型和負向型3種類型。

第1種是正向型：

(1)

第2種是適度型：

(2)

第3類是負向型：

(3)

式中，為指標的生態位適宜度；為指標的實測值；min為指標的最小值；max為指標的最大值；opt為指標的標準最適宜值。

對待重構土層材料，利用上述模型進行評價，計算出各個指標的生態位適宜度。

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

(4)

式中，NF為土層的生態位適宜度，=1,2,…,；為指標的權重。

對單層指標標準體系的土層綜合生態位適宜度，往往是各個待重構土層對最優土層()的適宜度。對多層指標標準體系的，需要對各個待重構土層進行生態位適宜度綜合評價，確定其對各個多層指標標準的土層生態位適宜度，再綜合對比相關待重構土層對各個多層指標標準土層適宜度的排序結果，確定各個待重構土層的最優土層位置及相互關系。

3.3 土層生態位優化的理論分析和可能的土壤剖面構型和土壤關鍵層確定

土層生態位具有空間位、寬度、重疊、差距和競爭等特性。對生態位各個特性進行分析和優化，就能發揮每個待構土層的作用，構建更好的土壤剖面構型。

土層生態位的空間位(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的能力應該越大。例如，表土層往往空間位最高。土層生態位空間位的定量分析，可以通過“土層生態位適宜度評價”而確定。通過對比分析各個待重構土層的生態位適宜度，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(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為土層的生態位空間位。

土層生態位重疊(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，可以進行混合并可處于同一空間位，它表明土層功能關系的類似、作用相同(圖7)。土層生態位重疊時在土壤水分、溶質運移、氣體熱量傳輸能力的相似性。多個土層重疊度越小，土壤剖面結構越豐富，對土壤水分、空氣競爭性越強，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。有機質含量高的土層比有機質少的土層對肥料吸附更強。多個土層重疊度越大，土壤剖面結構越單一，土層之間對土壤水分、空氣的傳輸性越相似。可用定量指標(式(6))計算土層生態位重疊度。當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，可以混合重疊。

(6)

式中，NO為土層與土層的生態位重疊，,=1,2,…,；為土層的指標的生態位適宜度；為土層的指標的生態位適宜度。

土層生態位競爭(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象，反映土層功能關系的強弱。土層生態位競爭性越強，土層適應性越廣，類似于壤土土層。土層生態位競爭性越弱，土層適應性越窄，類似于沙土土層。

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

(7)

式中,NC為土層的生態位競爭。

土層生態位差距(Niche difference of soil layer，ND)是指土層間的生態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，土層生態位功能提升改良的成本就越低。相對差距小，2個土層關系密切，具有良好的空間位關系。在土壤剖面整體優化時，可以依據該差距進行土層間空間位的優化，也可作為空間位關系評價的驗證。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大的土層或障礙層。也可用定量指標(式(8),(9))計算，當ND值越小時，土層生態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ND越小時，2個土層關系密切。

(8)

(9)

式中，ND為土層與土層的生態位差距，即2者的相對差距；NDopt為土層與標準土層的生態位差距，也稱絕對差距。

土層生態位的寬度(Niche breadth of soil layer，NB)又稱生態位廣度、生態位大小，是指某一土層在空間占據的范圍。土層生態位寬度大，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，土層生態位的厚度就越大，其發揮該土層功能的作用往往也越大。因此，在復墾面積相同的情況下，表土層或關鍵層材料越多，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，在復墾規劃設計時應合理確定各個土層的生態位寬度，增大關鍵層的生態位寬度。也可用定量指標式(10)計算：當NB值越大，說明這種土層資源量大，反之資源量越小。在復墾區面積和土壤重構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為土層的生態位寬度;為土層的厚度。

一般情況下，基于土層生態位適宜度評價結果，首先進行空間位的確定；再根據土層生態位重疊特性的分析，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大層和障礙層，從而初步確定可能的關鍵層；然后進行土層生態位寬度的分析，確定各個土層的生態位寬度及增加關鍵層寬度的可能性。基于以上土層生態位5個特性的分析、優化，可設計出初步的土壤剖面構型及附加的重構改良措施。

3.4 基于科學試驗驗證和優化土層生態位與關鍵層，確定最優的土壤剖面構型

通過室內外種植試驗、柱試驗和數值模擬等方法，對設計的各個土層生態位的空間位、寬度、重疊、差距和競爭等特性進行深入論證與對比分析，尤其對關鍵層的生態位進行優化試驗與模擬，從而確定出每個土層的精準生態位及其功能以及提升改良措施，精準設計出最優功能的土壤剖面構型，包括土壤關鍵層的位置和數量，使土壤系統達到一個可自我持續發展、具有較高生產力的狀態。野外和盆栽試驗以植物(作物)產量或生物量為最主要標準，土柱試驗和數值模擬以土壤保水性、含水量等整體功能關鍵參數為優選標準。

4 土壤剖面重構實施的技術原理與工法

基于土壤重構原理優化出的最優土壤剖面構型如何在土地復墾工程中實現呢？就需要很好的工法。保證各土層的生態位和連續高效施工是實現土壤重構的關鍵。

4.1 礦山復墾土壤剖面重構的技術原理

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

4.2 礦山復墾土壤剖面重構工法

土壤剖面重構實施的技術工藝亦稱工法。由于礦山土壤重構實踐在先、理論在后。許多工法都在前期開發出來并得以實踐，這里僅介紹露天礦采復一體化和采煤塌陷地挖深墊淺2種重構工藝。

筆者在20世紀90年代就針對露天礦研制出“分層剝離、交錯回填”露天礦采復一體化工藝(圖8)，并建立數學模型，后續持續改進。重構開采前土層(包括巖層)順序的土壤重構工藝可用下列通用數學模型表示：

(11)

條帶的{-[-(+1)]}，(=1,2, …,-1)

(12)

(13)

式中，為交錯重構而劃分的條帶或塊段數;為第巖土層；′為剝離的第巖土層在開采區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墾技術，這種情況表土往往是關鍵層，應該盡可能挖掘待挖深區的表土利用，以增加墊淺區表土的生態位寬度。為此，通過挖深墊淺的“分層剝離、交錯回填”工藝，運用土層生態位、土壤關鍵層理論，科學利用待挖深區的表土，與墊淺區表土形成雙表土，構造雙表土的土壤剖面構型(圖9)，提高土壤生產力，其技術工藝(圖10)為：

(1)將復墾區域劃分為“挖深區”和“墊淺區”，并分別將“挖深區”和“墊淺區”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 露天礦采復一體化土壤重構工藝示意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墾土壤剖面構型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”的土壤重構技術原理，先將“挖深區”和“墊淺區”相對應的首塊段(1和1′)上部表土層S剝離堆放然后將“挖深區”的第1塊段的下部土層X剝離填在“墊淺區”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”的第1′塊段上，以此類推直到完成所有塊段，使復墾后的土壤剖面實現雙表土層，增大關鍵層表土層厚度，使復墾土地明顯優于原土地，其土壤重構的數學模型是：

′塊段土壤結構=“(+1)塊段上層土”+

“塊段下層土”+(+1)′塊段剝離的上層土

(14)

′塊段的結構=“1塊段上層土”+“塊段下層土”+“1′塊段預剝離的上層土”

(15)

式中，=1，2，…，-1。

5 礦山復墾土壤重構理論與方法應用案例

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

5.1 黃河泥沙充填復墾土壤重構的優化設計

基于土層生態位、土壤關鍵層理論，依據本文提出的土壤剖面重構優化設計方法及步驟，對黃河泥沙填充復墾土壤重構進行優化設計。

(1)復墾目標的確定。根據調查，案例區采礦前土地以農田為主，種植結構多為冬小麥-夏玉米的一年兩熟形式。原始土壤剖面結構是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、喪失土地生產力，復墾方向優選為耕地。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墾采煤塌陷地。

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

(2)黃河泥沙充填復墾土壤的土層生態位適宜度評價，確定備選土層材料的生態位的基本屬性。該區域重構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。

假設采用單一目標，以耕地表土層為評價目標。參照GB/T 33469—2016《耕地質量等級》、NY/T 309—1996《全國耕地類型區、耕地地力等級劃分》及相關研究構建土層生態位空間適宜度評價指標體系及相應指標的標準，選擇A，B，C三種材料組成土層集(,,)，有機質質量分數、pH、CEC(陽離子交換量) 、黏粒質量分數構成了指標體系(,,,);參考耕地質量及耕地地力等級劃分標準范圍，將各個指標的最高適宜度評價標準(表1)定為(,,,)；通過熵權法確定各指標的權重為(,,,)；評價模型采用加權平均指數和法(表1)。通過分析，確定有機質和CEC兩個指標的評價模型為正向模型，pH和黏粒質量分數兩個指標的評價模型為適度模型；有機質質量分數、pH、CEC和黏粒質量分數各指標的權重分別為0.19，0.22，0.17和0.42；其適宜度標準分別為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位空間適宜度評價值為0.80，0.37，0，初步表現出表土層、心土層、黃河泥沙在土層生態位適宜度空間上的上、中、下位置關系。

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

(3)土層生態位優化的理論分析。通過上述土層生態位適宜度評價已經確定了表土層、心土層、黃河泥沙的土層生態位基本屬性特征和相互間的關系。根據土層生態位特性定量計算公式，結果列于表2～4。表土層、心土層、黃河泥沙的土層生態位空間位值為1.00，0.46，0，表明黃河泥沙材料差、生態適宜度差、空間位低。表土、心土和黃河泥沙的重疊度值差距大，表明3者性質差異大，存在較小重疊度，本案例不進行重疊。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構上加以改良，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墾土層生態 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墾土層生態位重疊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墾土層生態位相對差距Table 4 Relative Niche difference of soil layer for coal mining subsidence reclamation at Qiuji Coal Mine

根據土壤重構原理可得，表土層的生態位寬度取決于塌陷地可以剝離出的表土量，應對塌陷積水區盡可能排水取土，以保障表土層的寬度，復墾區域可以提供厚度的表土，因此通過土層生態位寬度的計算，表土層的土層生態位寬度為NB(表5)；心土資源豐富，其生態位寬度取決于挖掘的深度，與塌陷深度、施工設備有關。復墾區域能夠挖掘心土的深度為，此時的心土層生態位寬度為NB。假設植物生長核心關鍵土層厚度為(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力，則為基礎支撐，剖面采用上土下沙的土壤剖面構型(圖11)，這時上覆土層就是關鍵層，一定要達到或超過。如果+<，此時=--，表明心土不夠，需要泥沙層提供一定的生態功能發揮心土作用，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，設想在其中增加土壤夾層改善充填層的生態功能，就形成了含夾層的土壤剖面構型(圖12)，這時，夾層就是關鍵層，但夾層的位置、厚度和數量需要根據模擬試驗或種植試驗確定。

表5 土壤剖面土層生態位寬度分析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型Fig.12 Possible intercalated soil profile configurations

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

針對夾層式土壤剖面構型，設計了7種可能的土壤剖面結構，并設置2個對照土壤剖面(CK1，CK2)進行試驗驗證和篩選(圖13)。

圖13 不同處理土壤剖面構型示意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，通過入滲和蒸發試驗，研究不同土壤構型的水分和溶質運移情況(圖14)，筆者選擇充填層的含水量()和整個剖面的持水系數()作為土壤剖面持水特性參數進行對比分析和優選(圖10)。

對比圖15中不同處理對重構土壤持水能力的影響，不同夾層式土壤剖面構型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()較CK2(0.362)分別提高了37.93%，39.22%，36.14%，25.99%，49.39%，59.47%和54.39%。試驗結果表明T6即夾層位置為20 cm，夾層厚度為30 cm，夾層數量為2層的夾層式重構土壤的持水能力最優。

② 野外種植試驗。在邱集煤礦試驗田進行了實地充填復墾試驗。從玉米現場測試結果來看，最優重構土壤剖面T6玉米種植的產量達到10 484.54 kg/ha，與對照農田的產量相當(圖16)。野外試驗實現了較土壤重構前耕地更為可觀的產量，驗證了基于土壤關鍵層和土層生態位原理的土壤剖面構型優選室內試驗的可行性，論證了夾層結構不僅保證了玉米千粒重的大小，同時節約了寶貴的土壤資源。

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

5.2 黃河泥沙充填復墾土壤重構工法

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

圖15 不同處理對重構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 優化處理土壤剖面構型的玉米產量結果Fig.16 Maize yield results for optimized treatment soil profile configuration

(1)劃分充填條帶并編號：根據塌陷區面積和機械設備的工作半徑將待復墾區劃分成若干條帶，并按照1，2，3，…,,…，進行編號。

(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。

采用條帶間交替式充填的方式，先充填奇數編號的充填條帶，再充填偶數編號的充填條帶，或相反。同步交替充填的條帶個數，取決于各層泥沙固結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，堆放區由中部表土堆放子區，兩側心土堆放子區組成。對于有積水的塌陷地，需要強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行“交替充填—排水固結—回填心土—再充填—再排水固結—回填心土—覆蓋表土”。

對每一組待交替充填復墾的條帶，先從第1條帶開始充填，當達到設定的泥沙層厚度后，開始充填第2條帶，此時第1充填條帶在進行排水固結，當第2充填條帶達到設定的泥沙層厚度后，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行排水固結或者覆蓋心土，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。以此規則，直至全部充填復墾所有土地。

(5)土地平整。最后進行土地平整，使其恢復到可耕種狀態。

6 結論與展望

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

(2)將土壤學與生態學相結合，提出土層生態位的概念，揭示每一土層有其獨特的生態功能和空間位，土層間的相互關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力的關鍵土層，稱之為土壤關鍵層。這2個新概念的提出，旨在從理念上認識不同土層功能作用和土壤剖面構型的重要性，為土壤剖面構型的優化和土壤重構技術的革新提供理論支撐。

(3)礦山復墾土壤重構原理就是以“土層生態位”為理論基礎、以“土壤關鍵層”為核心，設計和優化土壤剖面構型并付諸實施的過程，其核心是優化設計各個土層生態位、確定和優化關鍵層。

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

(5)基于土層生態位和土壤關鍵層為核心的土壤重構理論，提出了“分層剝離、交錯回填”的土壤重構技術原理。“分層”是滿足“土層生態位”和“關鍵層”構造的要求，“交錯”是實現土壤重構連續、高效的施工工藝，并將技術原理應用于黃河泥沙充填復墾、采煤塌陷地挖深墊淺復墾、露天煤礦復墾的土壤重構，提出了各自土壤重構工法。

以土層生態位和土壤關鍵層為核心的土壤重構理論與方法的提出，對更好地理解土壤重構、指導復墾技術革新提供了理論支撐，為多種土壤重構工藝實踐提供了理論依據，必將會促進復墾工藝的進一步創新發展。由于是從多年實踐中提煉出的新理論，在土層生態位理論分析及其定量表征方面還需隨著復墾實踐的推進，不斷改進和完善。

本文在撰寫過程中，得到中國礦業大學(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。