矿区复垦土壤研究进展

李玲， 王珂， 王秀丽， 路婕， 黎鹏， 张少然

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.河南省土地整治与生态重建工程技术研究中心，河南 郑州 450002)

矿产资源的开采促进了经济和社会的发展，但矿区人为活动的强烈影响，与矿区相关的土壤问题正变得日益突出,如煤矿开采直接或间接破坏地表，造成地表的塌陷、沉陷、裂缝等，使有限的耕地不断减少，甚至导致大面积的土壤破坏或退化。这些问题造成矿区土壤及耕地资源严重不足，对矿区社会-经济-生态的协调可持续发展构成严重威胁[1]。研究在总结国内外复垦土壤研究的基础上，综述矿区复垦土壤在概念、特性、分类系统等方面的研究成果，以期为中国复垦土壤的未来发展提供指引。

1 矿区土地复垦及其技术

1.1 矿区土地复垦的内涵

土地复垦是指采取工程、生物措施，对生产建设过程中因挖损、塌陷、压占等造成破坏、废弃的土地和自然灾害造成破坏、废弃的土地进行整治，使其恢复到可利用状态的活动[2]，是一种人为扰动极其强烈的过程，将在中国较长时间和较大范围存在。土地复垦研究属于新兴的交叉学科，目前研究多集中于复垦工程[3]、复垦工艺[4]与复垦效益[5]；复垦活动因复垦对象的多样性、复垦充填物质的多样性和复垦方式的复杂性往往造成矿区土壤的形态、结构、性质、功能等复杂多样。

1.2 矿区土地复垦的技术

土地复垦的基础是再造良好的土壤结构和层次，为植物生长提供必备的土壤环境[6]。中国各矿区结合实际状况，在复垦方式方面因地制宜做出了很多实践和探索，由最初的非充填复垦技术到充填复垦技术[7]，由于这两种治理技术都是先破坏、后复垦，为了更好地保护生态环境，近年来又有学者提出了边采边复技术[8]、微生物复垦技术等。

非充填复垦技术包括疏排法[9]、挖深垫浅法[10]、泥浆泵法等。充填复垦技术包括煤矸石填充复垦技术[11]、粉煤灰填充复垦技术[12]、河湖泥沙填充复垦技术[13]、垃圾填充复垦技术[14]等。边采边复技术是将地下开采与地面复垦措施相结合，通过调整土地损毁的开采措施实现采矿与复垦同步进行的一种复垦技术[8]。将复垦技术由“末端治理”转向“源头控制与治理”[15]，增强了土地复垦效果。微生物复垦技术是利用微生物的接种优势，对复垦区域土壤进行综合治理和改良的一项生物技术措施[16]，多应用于矿区土壤结构改善[17]、养分增加[18]和酶活性提高[19]等方面，可以加速矿区的生态恢复速度，有效提高复垦土壤的肥力，促进植被恢复，改变土壤生物活性，提升土壤生物多样性。微生物复垦技术已成为土地复垦技术的前沿和热点[20]，在矿区土壤复垦中起重要作用。

1.3 矿区复垦土壤的概念

复垦对土壤造成了不同程度的人为扰动，科学工作者目前已经意识到矿区内的土壤正遭受历史上最为强烈深刻持久的人为活动的影响，演变成一种特定的土壤——复垦土壤。复垦土壤最初在国际上类似相当于矿区土壤(Mine soils)，即由于当时的露天采矿导致产生的人为扰动土壤，早期被称为矿山堆积物或矿山土(“Mine dumps” or “strip mines”)[21]。中国在20世纪末土地复垦相关法律颁布前，尚未采用表土剥离及分层剥离技术，矿区土壤是剥离的各岩层土石混合物，科学家把这种矿山剥离混合物称之为矿山土[22-23]。在此基础上，陈龙乾定义复垦土壤为进行土地复垦活动产生的土壤，是指对被破坏的土地进行复垦及采取生物、物理和化学的土壤培肥技术措施而形成的人工土壤[24],根据复垦活动及充填物质分为泥浆泵复垦土壤、粉煤灰充填复垦土壤、煤矸石充填复垦土壤，根据复垦场地分成露天采矿迹地和排土场复垦土壤等4类[25]。

2 矿区复垦土壤研究现状

2.1 矿区复垦土壤的特性

国外的复垦工作及对复垦土壤的研究较早，国内对复垦土壤的研究相对于国外起步较晚，但其研究目的一致，均是围绕复垦土壤的物理、化学、生物特性展开研究。

土壤的物理特性包括土壤结构和孔隙性、土壤水分、土壤空气、土壤热量和土壤耕性等[26]。SHUKLA等[27]研究了俄亥俄州东南区域复垦土壤的水分特征；王金满等[28]采用CT扫描技术对复垦土壤进行分析，研究排土和复垦对土壤孔隙数量和孔隙度的影响；李玉婷等[29]运用描述性统计分析法、单因素方差分析法等方法研究重构土壤典型物理性质在水平及垂向方向的差异,揭示了不同植被覆盖类型下的土壤容重和孔隙度差异；黄雨晗等[30]运用方差分析和拟合分析方法,选取土壤容重、土壤含水率等物理指标,分析了复垦地与未损毁地土壤物理性质的差异及产生原因。

土壤的化学特性是指有土壤的化学组成、有机质含量、土壤的酸碱性、吸附性、氧化还原性等。MAHARAJ等[31]用微商热重法研究了复垦土壤原有和新的土壤有机碳的差异区别；秦俊梅等[32]结合勘探钻孔与化学元素分析，研究了复垦土壤母质原始形成环境、化学特征、元素组成等；刘美英等[33]通过研究复垦区与原状土壤中的有机质碳氮含量变化特征，从而评估复垦效应；于君宝等[34]研究了矿区复垦土壤营养元素和重金属元素时空变化；樊文华等[35]采用Hakanson潜在生态风险指数对矿区复垦土壤中的污染元素进行分析，发现了研究区复垦土壤中主要的潜在污染因子及重金属元素潜在的污染特征。

土壤的生物特性包括土壤微生物、土壤动物、土壤酶特性等，及矿化作用和腐殖化作用。MA等[36]研究了蚯蚓和从枝菌根真菌侵染豆科植物的积极影响；张振佳等[37]采用时空替代法和单因素方差分析法研究了土壤微生物的数量与酶活性及变化，分析了土地复垦后的土壤质量以及生态系统的恢复状况；张杰琼等[38]通过研究矿区复垦土壤理化性质及微生物量碳、氮的分布特征，证实土壤微生物量碳、氮可以作为表征土壤肥力的敏感因子；方瑛等[39]通过研究不同人工植被下土壤的基本理化性质和3种酶的活性，分析了不同植被恢复下土壤酶活性差异化的原因。

2.2 矿区复垦土壤的分类

土壤分类是土壤学研究中的一项基础工作，不同级别的土壤类型存储不同的土壤信息，尤其是土壤基层分类可以直接为生产实践服务。

目前的土壤分类研究的是自然土壤或农业土壤，而复垦土壤本质上是一种人为土壤或人造土壤，通过复垦这一强烈干扰的人为活动，对矿区土壤造成了不同程度的扰动，如土体构型、土壤性质的改变等，其特征主要包括受到强烈的人类活动影响、产生的不规则变换、外来材料的加入和混杂等[40]，1995年成立人为土壤国际委员会(International Committee on Anthropogenic Soils)，1998年国际土壤学大会成立“城市、工业、交通和矿区土壤”工作组[41]，人为土壤研究逐渐引起关注，但复垦土壤不是分类学上的概念，复垦土壤分类与其他土壤分类比较处在起步与相对不稳定阶段。现阶段土壤分类体系主要是发生分类及与系统分类，国际上现在比较通用的是以美国为首的系统分类。

美国1961年提出了土壤系统分类，该分类以诊断层和诊断特性为基础，以定量为特点。1975年正式出版《土壤系统分类》，美国土壤系统分类检索每2年更新出版1次，现在世界上已有80多个国家将定量的系统分类作为本国的第一或第二土壤分类基础。美国土壤系统分类中，复垦土壤属人为始成土亚纲和扰动新成土亚纲。AHRENS等认为，人为扰动土壤应包含填充人工物质等类似土壤，应当修订扰动新成土亚纲，同时诊断表层如人为表层和厚熟表层等也应当修订，以包括更多的人为扰动产生的物质[42-43]。美国土壤系统分类(ST)检索12版中，人为土壤仍未设置独立土纲，此类土壤仍分散在不同亚纲及土类中的低级单元中；但这一版中新增了人为搬运和改变物质，并有将压实层、排水类别等诊断特征作为基层分类标准[44]的提议，用来划分土系，迄今已经建立了30多个煤矿区土系用于指导矿区复垦。美国土壤系统分类检索2014版新增了原位扰动土壤和运移扰动土壤等诊断特征，定义了人工制品、人为扰动物质和人为运移物质等。目前美国学者建议ST成立一个新土纲人为扰动和人为搬运(HAHT)，在全球范围内实现适当的 HAHT 土壤分类、制图与应用[45]。

德国土壤学会在诊断分类思想指导下，根据发育阶段和基质性质在“工业和城市土”下续分石质土、还原土、酸盐土、侵入土、酸性硫酸盐土、结构土、园艺土、墓地土、薄层土、道间土、残遗土、埋藏土[46]。英国在原来的土壤形态发生分类基础上吸收了美国的诊断分类思想，诊断层中设有厚人造A层、扰动亚表层和扰动岩石废渣等诊断表层、亚表层和诊断物质。在最高级分类中划出人造土大土类，其下有人工腐殖土和扰动土2个土类[47]。新西兰分类系统中人为土纲(Anthroposol)，又续分为截头的、废弃物、混合人和垫埋人为土[48]。南非土壤分类系统设置了7个人为土层，后熟层、物质聚集层、水生层、化学层、物理层、技术层和文化层[49]。法国、捷克等国家也非常重视人为土壤的分类，设立了人为土纲，在人为土定义、性质和分类[50]正在深入研究。

国际组织方面，联合国粮农组织在世界土壤图图例(FAO-UNESCO，1988)设立了人为土参比土类[51]；下续分耕作扰动、肥熟、堆积和城镇等几个二级单元。世界土壤参比基础(WRB)设立了人为土Anthropogenic soils一级单元[52]。2006年修订的WRB新增了技术土一级单元，确定了一级分类单元技术土的定义和诊断标准：技术土前五个前缀封闭、缓渗、城市、工程废物、有机垃圾[53]，表征技术土的特性。剩下的前缀限定符主要衔接其他一级单元，如滞水、潜育和松软等，后缀修饰词是指详细的土壤性质。检索中确立了人为过程或工业过程产生的非土壤物质出现在土壤中的数量、深度和类型，充分肯定了技术土在分类中的地位[54]。

中国土壤系统分类在世界上首先建立了人为土纲的诊断体系，主要是农业耕作土壤，而对于非农业利用方式下受到扰动的土壤则归属为新成土土纲，相关的诊断层和诊断特征主要为人为扰动层次和人为淤积物质；其下分别根据石灰性、盐基饱和度、盐积现象及氧化还原特征进行土类和亚类的续分[55]。目前，在国内关于人造土壤，研究正在逐渐引起重视。如在研究城市土壤分类时，建议设立城镇表层的诊断表层，及在人为新成土亚纲下增设城镇人为新成土土类[56]。国内对于复垦土壤分类研究极为少见，王辉等[57]对充填复垦土壤研究中建议增加复垦城镇表层，在人为新成土下增设复垦人为新成土土类等；李玲[58]在对高潜水位复垦土壤性质与分类研究中建议在新成土土纲内增加“技术新成土”亚纲(Technic Primosols)；吴克宁等[59]提出含有人工制品的土壤定义，建议增加“技术扰动层次”诊断特性。2009年在中国科学院南京土壤研究所主持“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目，对中国各省份分布面积较大的土壤类型进行了调查和系统分类，目前已经基本形成了各省土系志、土系标本库及土系数据库等标志性成果，为复垦土壤的分类研究创造了条件；对于中国土壤系统分类，当前正在研究对中国土壤系统分类(第三版)再次进行修订，复垦土壤的系统分类有望细化扩展更新。

2.3 矿区复垦土壤质量评价与提升

土地复垦过程中由于机械的扰动，对原有土壤结构、复垦后土壤层次及土壤孔隙性、适耕性、酸碱性等特性造成不同程度的破坏。复垦土壤相较于普通农田土壤普遍粗碎屑含量较高、土壤结构较差、容重较高、孔隙度有不同程度的减小，且含水量较高。因此需要科学地对矿区复垦土壤质量进行评价，检验土地恢复状况，从而合理的提升土壤质量。中国已颁布《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036—2013)和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行 )》(GB 15618—2018)等标准[60]促进复垦土壤质量保护与提升。

当前的复垦土壤质量评价多以定量评价为主，常见的方法包括综合指数法、主成分分析法、灰色关联度法、模糊综合评价法、聚类分析方法等。李鹏飞等[61]采用主成分分析法，结合Norm值构建评价指标最小数据集，通过土壤质量非线性和线性评分模型对复垦土壤质量进行评价；王杨扬等[62]运用土壤质量综合指数法，选取土壤的理化性质作为评价指标，对复垦土壤的质量进行评价；马力阳等[63]运用单因子数法和多因子综合评价法，对复垦土壤的质量进行评价。评价内容多以复垦土壤质量、复垦土壤环境质量、复垦土壤肥力质量等为主。李建华等[64]研究了不同复垦方式下，10 a间土壤质量的变化特征，表明土壤质量受复垦方式影响较小；王安宁等[65]通过构建土壤质量评价指标体系运用迷糊评价法对复垦土壤质量进行综合评价；郑永红等[66]利用灰色关联度方法分析了复垦区不同林地土壤肥力状况,得出杨树可以做为复垦区造林绿化的优势树种。

3 矿区复垦土壤研究存在问题与展望

3.1 存在问题

土地复垦已成为中国土地整治中十分重要的任务，通过以上对复垦土壤的总结，主要存在以下问题：

一是目前复垦土壤的研究主要集中于复垦土壤表层、亚表层的土壤部分理化性质变化，而复垦土壤的剖面构型、土壤理化性质在复垦过程中都发生了巨大的变化，对复垦土壤的认知远远不够。

二是现阶段中国处于发生分类与系统分类并存阶段。复垦土壤受复垦方式、人为物质等的影响在土壤发生和演变过程中已经脱离区域地带性生物气候的影响，且复垦土壤剖面构型、理化性质在短时间内发生了巨大的变化，导致复垦土壤复杂多样，作为“新成土”，其成土过程与成土时间非常短暂，不能再归入采矿及复垦前的土壤类型，无法在发生分类中找到相应的位置，且复垦土壤的系统分类在国内几乎近于空白，体现中国复垦土壤特性的分类系统还未真正建立起来，客观上需要不断进行深入探索研究，满足矿区对于复垦土壤的生产、生态恢复的强烈需求；

三是复垦土壤具有明显的地域特征，现有的复垦土地质量评价指标多以土壤的理化性质为主，较少考虑其他因素的影响，因此需要对复垦土壤进行详细的类别划分为复垦土壤质量评价指标的构建与完善提供支撑。

3.2 研究展望

矿区复垦将在中国长期大范围存在，土地复垦对矿区土壤的影响越来越深刻，国内外研究中充分肯定了人为扰动在土壤分类中的影响，为适应逐渐增多的复垦土壤资源合理开发与利用的需求，迫切需要人为或人造物质的定义、数量、深度、类型和命名，详细定义诊断层与诊断标准，扩展、细化检索系统，进行系统分类等方面开展深入研究。土壤分类是土地评价、土地利用规划、农业生产、生态环境建设的重要基础数据。尤其是土系作为基层分类单元，集成并体现了一系列用于定义各级分类单元的土壤性质，同时具有明显的地域特色，在应用上直接联系着各区域的实际，在土壤水分运移，植物扎根立地、养分保蓄都与此有关，其分类指标可以与土地评价“无缝连接”，可以真正充分发挥土壤分类的服务功能；虽然中国开展的中国土系调查与《中国土系志》建立了大量与生产生态直接相关的土系，但对于矿区复垦土壤相对关注极少。

中国复垦土壤数量大，分布广泛，多为耕地区，中国对复垦土壤资源的农业利用需求强烈，亟须详细的土壤类别提供对应的土壤信息，但定量诊断分类指标极少，检索系统不能满足复杂多样的复垦土壤分类与利用的需求。因此，研究复垦土壤物质起源、土壤属性、人为影响特征，揭示人为活动影响土壤物质运移的规律，提取分类指标，针对不同的复垦土壤提供详细的土壤性质信息，掌握不同复垦土壤类型的共性和个性，探索扩展现有中国土壤系统分类的分类检索，根据分类指标指导复垦土壤质量评价，并应用于优化复垦工程、改进复垦工艺、提升土壤质量是十分必要的。