李玲， 王珂， 王秀麗， 路婕， 黎鵬， 張少然

(1.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002；2.河南省土地整治與生態(tài)重建工程技術研究中心，河南 鄭州 450002)

礦產(chǎn)資源的開采促進了經(jīng)濟和社會的發(fā)展，但礦區(qū)人為活動的強烈影響，與礦區(qū)相關的土壤問題正變得日益突出,如煤礦開采直接或間接破壞地表，造成地表的塌陷、沉陷、裂縫等，使有限的耕地不斷減少，甚至導致大面積的土壤破壞或退化。這些問題造成礦區(qū)土壤及耕地資源嚴重不足，對礦區(qū)社會-經(jīng)濟-生態(tài)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展構成嚴重威脅[1]。研究在總結國內外復墾土壤研究的基礎上，綜述礦區(qū)復墾土壤在概念、特性、分類系統(tǒng)等方面的研究成果，以期為中國復墾土壤的未來發(fā)展提供指引。

1 礦區(qū)土地復墾及其技術

1.1 礦區(qū)土地復墾的內涵

土地復墾是指采取工程、生物措施，對生產(chǎn)建設過程中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞、廢棄的土地和自然災害造成破壞、廢棄的土地進行整治，使其恢復到可利用狀態(tài)的活動[2]，是一種人為擾動極其強烈的過程，將在中國較長時間和較大范圍存在。土地復墾研究屬于新興的交叉學科，目前研究多集中于復墾工程[3]、復墾工藝[4]與復墾效益[5]；復墾活動因復墾對象的多樣性、復墾充填物質的多樣性和復墾方式的復雜性往往造成礦區(qū)土壤的形態(tài)、結構、性質、功能等復雜多樣。

1.2 礦區(qū)土地復墾的技術

土地復墾的基礎是再造良好的土壤結構和層次，為植物生長提供必備的土壤環(huán)境[6]。中國各礦區(qū)結合實際狀況，在復墾方式方面因地制宜做出了很多實踐和探索，由最初的非充填復墾技術到充填復墾技術[7]，由于這兩種治理技術都是先破壞、后復墾，為了更好地保護生態(tài)環(huán)境，近年來又有學者提出了邊采邊復技術[8]、微生物復墾技術等。

非充填復墾技術包括疏排法[9]、挖深墊淺法[10]、泥漿泵法等。充填復墾技術包括煤矸石填充復墾技術[11]、粉煤灰填充復墾技術[12]、河湖泥沙填充復墾技術[13]、垃圾填充復墾技術[14]等。邊采邊復技術是將地下開采與地面復墾措施相結合，通過調整土地損毀的開采措施實現(xiàn)采礦與復墾同步進行的一種復墾技術[8]。將復墾技術由“末端治理”轉向“源頭控制與治理”[15]，增強了土地復墾效果。微生物復墾技術是利用微生物的接種優(yōu)勢，對復墾區(qū)域土壤進行綜合治理和改良的一項生物技術措施[16]，多應用于礦區(qū)土壤結構改善[17]、養(yǎng)分增加[18]和酶活性提高[19]等方面，可以加速礦區(qū)的生態(tài)恢復速度，有效提高復墾土壤的肥力，促進植被恢復，改變土壤生物活性，提升土壤生物多樣性。微生物復墾技術已成為土地復墾技術的前沿和熱點[20]，在礦區(qū)土壤復墾中起重要作用。

1.3 礦區(qū)復墾土壤的概念

復墾對土壤造成了不同程度的人為擾動，科學工作者目前已經(jīng)意識到礦區(qū)內的土壤正遭受歷史上最為強烈深刻持久的人為活動的影響，演變成一種特定的土壤——復墾土壤。復墾土壤最初在國際上類似相當于礦區(qū)土壤(Mine soils)，即由于當時的露天采礦導致產(chǎn)生的人為擾動土壤，早期被稱為礦山堆積物或礦山土(“Mine dumps” or “strip mines”)[21]。中國在20世紀末土地復墾相關法律頒布前，尚未采用表土剝離及分層剝離技術，礦區(qū)土壤是剝離的各巖層土石混合物，科學家把這種礦山剝離混合物稱之為礦山土[22-23]。在此基礎上，陳龍乾定義復墾土壤為進行土地復墾活動產(chǎn)生的土壤，是指對被破壞的土地進行復墾及采取生物、物理和化學的土壤培肥技術措施而形成的人工土壤[24],根據(jù)復墾活動及充填物質分為泥漿泵復墾土壤、粉煤灰充填復墾土壤、煤矸石充填復墾土壤，根據(jù)復墾場地分成露天采礦跡地和排土場復墾土壤等4類[25]。

2 礦區(qū)復墾土壤研究現(xiàn)狀

2.1 礦區(qū)復墾土壤的特性

國外的復墾工作及對復墾土壤的研究較早，國內對復墾土壤的研究相對于國外起步較晚，但其研究目的一致，均是圍繞復墾土壤的物理、化學、生物特性展開研究。

土壤的物理特性包括土壤結構和孔隙性、土壤水分、土壤空氣、土壤熱量和土壤耕性等[26]。SHUKLA等[27]研究了俄亥俄州東南區(qū)域復墾土壤的水分特征；王金滿等[28]采用CT掃描技術對復墾土壤進行分析，研究排土和復墾對土壤孔隙數(shù)量和孔隙度的影響；李玉婷等[29]運用描述性統(tǒng)計分析法、單因素方差分析法等方法研究重構土壤典型物理性質在水平及垂向方向的差異,揭示了不同植被覆蓋類型下的土壤容重和孔隙度差異；黃雨晗等[30]運用方差分析和擬合分析方法,選取土壤容重、土壤含水率等物理指標,分析了復墾地與未損毀地土壤物理性質的差異及產(chǎn)生原因。

土壤的化學特性是指有土壤的化學組成、有機質含量、土壤的酸堿性、吸附性、氧化還原性等。MAHARAJ等[31]用微商熱重法研究了復墾土壤原有和新的土壤有機碳的差異區(qū)別；秦俊梅等[32]結合勘探鉆孔與化學元素分析，研究了復墾土壤母質原始形成環(huán)境、化學特征、元素組成等；劉美英等[33]通過研究復墾區(qū)與原狀土壤中的有機質碳氮含量變化特征，從而評估復墾效應；于君寶等[34]研究了礦區(qū)復墾土壤營養(yǎng)元素和重金屬元素時空變化；樊文華等[35]采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)對礦區(qū)復墾土壤中的污染元素進行分析，發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)復墾土壤中主要的潛在污染因子及重金屬元素潛在的污染特征。

土壤的生物特性包括土壤微生物、土壤動物、土壤酶特性等，及礦化作用和腐殖化作用。MA等[36]研究了蚯蚓和從枝菌根真菌侵染豆科植物的積極影響；張振佳等[37]采用時空替代法和單因素方差分析法研究了土壤微生物的數(shù)量與酶活性及變化，分析了土地復墾后的土壤質量以及生態(tài)系統(tǒng)的恢復狀況；張杰瓊等[38]通過研究礦區(qū)復墾土壤理化性質及微生物量碳、氮的分布特征，證實土壤微生物量碳、氮可以作為表征土壤肥力的敏感因子；方瑛等[39]通過研究不同人工植被下土壤的基本理化性質和3種酶的活性，分析了不同植被恢復下土壤酶活性差異化的原因。

2.2 礦區(qū)復墾土壤的分類

土壤分類是土壤學研究中的一項基礎工作，不同級別的土壤類型存儲不同的土壤信息，尤其是土壤基層分類可以直接為生產(chǎn)實踐服務。

目前的土壤分類研究的是自然土壤或農(nóng)業(yè)土壤，而復墾土壤本質上是一種人為土壤或人造土壤，通過復墾這一強烈干擾的人為活動，對礦區(qū)土壤造成了不同程度的擾動，如土體構型、土壤性質的改變等，其特征主要包括受到強烈的人類活動影響、產(chǎn)生的不規(guī)則變換、外來材料的加入和混雜等[40]，1995年成立人為土壤國際委員會(International Committee on Anthropogenic Soils)，1998年國際土壤學大會成立“城市、工業(yè)、交通和礦區(qū)土壤”工作組[41]，人為土壤研究逐漸引起關注，但復墾土壤不是分類學上的概念，復墾土壤分類與其他土壤分類比較處在起步與相對不穩(wěn)定階段?，F(xiàn)階段土壤分類體系主要是發(fā)生分類及與系統(tǒng)分類，國際上現(xiàn)在比較通用的是以美國為首的系統(tǒng)分類。

美國1961年提出了土壤系統(tǒng)分類，該分類以診斷層和診斷特性為基礎，以定量為特點。1975年正式出版《土壤系統(tǒng)分類》，美國土壤系統(tǒng)分類檢索每2年更新出版1次，現(xiàn)在世界上已有80多個國家將定量的系統(tǒng)分類作為本國的第一或第二土壤分類基礎。美國土壤系統(tǒng)分類中，復墾土壤屬人為始成土亞綱和擾動新成土亞綱。AHRENS等認為，人為擾動土壤應包含填充人工物質等類似土壤，應當修訂擾動新成土亞綱，同時診斷表層如人為表層和厚熟表層等也應當修訂，以包括更多的人為擾動產(chǎn)生的物質[42-43]。美國土壤系統(tǒng)分類(ST)檢索12版中，人為土壤仍未設置獨立土綱，此類土壤仍分散在不同亞綱及土類中的低級單元中；但這一版中新增了人為搬運和改變物質，并有將壓實層、排水類別等診斷特征作為基層分類標準[44]的提議，用來劃分土系，迄今已經(jīng)建立了30多個煤礦區(qū)土系用于指導礦區(qū)復墾。美國土壤系統(tǒng)分類檢索2014版新增了原位擾動土壤和運移擾動土壤等診斷特征，定義了人工制品、人為擾動物質和人為運移物質等。目前美國學者建議ST成立一個新土綱人為擾動和人為搬運(HAHT)，在全球范圍內實現(xiàn)適當?shù)?HAHT 土壤分類、制圖與應用[45]。

德國土壤學會在診斷分類思想指導下，根據(jù)發(fā)育階段和基質性質在“工業(yè)和城市土”下續(xù)分石質土、還原土、酸鹽土、侵入土、酸性硫酸鹽土、結構土、園藝土、墓地土、薄層土、道間土、殘遺土、埋藏土[46]。英國在原來的土壤形態(tài)發(fā)生分類基礎上吸收了美國的診斷分類思想，診斷層中設有厚人造A層、擾動亞表層和擾動巖石廢渣等診斷表層、亞表層和診斷物質。在最高級分類中劃出人造土大土類，其下有人工腐殖土和擾動土2個土類[47]。新西蘭分類系統(tǒng)中人為土綱(Anthroposol)，又續(xù)分為截頭的、廢棄物、混合人和墊埋人為土[48]。南非土壤分類系統(tǒng)設置了7個人為土層，后熟層、物質聚集層、水生層、化學層、物理層、技術層和文化層[49]。法國、捷克等國家也非常重視人為土壤的分類，設立了人為土綱，在人為土定義、性質和分類[50]正在深入研究。

國際組織方面，聯(lián)合國糧農(nóng)組織在世界土壤圖圖例(FAO-UNESCO，1988)設立了人為土參比土類[51]；下續(xù)分耕作擾動、肥熟、堆積和城鎮(zhèn)等幾個二級單元。世界土壤參比基礎(WRB)設立了人為土Anthropogenic soils一級單元[52]。2006年修訂的WRB新增了技術土一級單元，確定了一級分類單元技術土的定義和診斷標準：技術土前五個前綴封閉、緩滲、城市、工程廢物、有機垃圾[53]，表征技術土的特性。剩下的前綴限定符主要銜接其他一級單元，如滯水、潛育和松軟等，后綴修飾詞是指詳細的土壤性質。檢索中確立了人為過程或工業(yè)過程產(chǎn)生的非土壤物質出現(xiàn)在土壤中的數(shù)量、深度和類型，充分肯定了技術土在分類中的地位[54]。

中國土壤系統(tǒng)分類在世界上首先建立了人為土綱的診斷體系，主要是農(nóng)業(yè)耕作土壤，而對于非農(nóng)業(yè)利用方式下受到擾動的土壤則歸屬為新成土土綱，相關的診斷層和診斷特征主要為人為擾動層次和人為淤積物質；其下分別根據(jù)石灰性、鹽基飽和度、鹽積現(xiàn)象及氧化還原特征進行土類和亞類的續(xù)分[55]。目前，在國內關于人造土壤，研究正在逐漸引起重視。如在研究城市土壤分類時，建議設立城鎮(zhèn)表層的診斷表層，及在人為新成土亞綱下增設城鎮(zhèn)人為新成土土類[56]。國內對于復墾土壤分類研究極為少見，王輝等[57]對充填復墾土壤研究中建議增加復墾城鎮(zhèn)表層，在人為新成土下增設復墾人為新成土土類等；李玲[58]在對高潛水位復墾土壤性質與分類研究中建議在新成土土綱內增加“技術新成土”亞綱(Technic Primosols)；吳克寧等[59]提出含有人工制品的土壤定義，建議增加“技術擾動層次”診斷特性。2009年在中國科學院南京土壤研究所主持“我國土系調查與《中國土系志》編制”項目，對中國各省份分布面積較大的土壤類型進行了調查和系統(tǒng)分類，目前已經(jīng)基本形成了各省土系志、土系標本庫及土系數(shù)據(jù)庫等標志性成果，為復墾土壤的分類研究創(chuàng)造了條件；對于中國土壤系統(tǒng)分類，當前正在研究對中國土壤系統(tǒng)分類(第三版)再次進行修訂，復墾土壤的系統(tǒng)分類有望細化擴展更新。

2.3 礦區(qū)復墾土壤質量評價與提升

土地復墾過程中由于機械的擾動，對原有土壤結構、復墾后土壤層次及土壤孔隙性、適耕性、酸堿性等特性造成不同程度的破壞。復墾土壤相較于普通農(nóng)田土壤普遍粗碎屑含量較高、土壤結構較差、容重較高、孔隙度有不同程度的減小，且含水量較高。因此需要科學地對礦區(qū)復墾土壤質量進行評價，檢驗土地恢復狀況，從而合理的提升土壤質量。中國已頒布《土地復墾質量控制標準》(TD/T 1036—2013)和《土壤環(huán)境質量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行 )》(GB 15618—2018)等標準[60]促進復墾土壤質量保護與提升。

當前的復墾土壤質量評價多以定量評價為主，常見的方法包括綜合指數(shù)法、主成分分析法、灰色關聯(lián)度法、模糊綜合評價法、聚類分析方法等。李鵬飛等[61]采用主成分分析法，結合Norm值構建評價指標最小數(shù)據(jù)集，通過土壤質量非線性和線性評分模型對復墾土壤質量進行評價；王楊揚等[62]運用土壤質量綜合指數(shù)法，選取土壤的理化性質作為評價指標，對復墾土壤的質量進行評價；馬力陽等[63]運用單因子數(shù)法和多因子綜合評價法，對復墾土壤的質量進行評價。評價內容多以復墾土壤質量、復墾土壤環(huán)境質量、復墾土壤肥力質量等為主。李建華等[64]研究了不同復墾方式下，10 a間土壤質量的變化特征，表明土壤質量受復墾方式影響較?。煌醢矊幍萚65]通過構建土壤質量評價指標體系運用迷糊評價法對復墾土壤質量進行綜合評價；鄭永紅等[66]利用灰色關聯(lián)度方法分析了復墾區(qū)不同林地土壤肥力狀況,得出楊樹可以做為復墾區(qū)造林綠化的優(yōu)勢樹種。

3 礦區(qū)復墾土壤研究存在問題與展望

3.1 存在問題

土地復墾已成為中國土地整治中十分重要的任務，通過以上對復墾土壤的總結，主要存在以下問題：

一是目前復墾土壤的研究主要集中于復墾土壤表層、亞表層的土壤部分理化性質變化，而復墾土壤的剖面構型、土壤理化性質在復墾過程中都發(fā)生了巨大的變化，對復墾土壤的認知遠遠不夠。

二是現(xiàn)階段中國處于發(fā)生分類與系統(tǒng)分類并存階段。復墾土壤受復墾方式、人為物質等的影響在土壤發(fā)生和演變過程中已經(jīng)脫離區(qū)域地帶性生物氣候的影響，且復墾土壤剖面構型、理化性質在短時間內發(fā)生了巨大的變化，導致復墾土壤復雜多樣，作為“新成土”，其成土過程與成土時間非常短暫，不能再歸入采礦及復墾前的土壤類型，無法在發(fā)生分類中找到相應的位置，且復墾土壤的系統(tǒng)分類在國內幾乎近于空白，體現(xiàn)中國復墾土壤特性的分類系統(tǒng)還未真正建立起來，客觀上需要不斷進行深入探索研究，滿足礦區(qū)對于復墾土壤的生產(chǎn)、生態(tài)恢復的強烈需求；

三是復墾土壤具有明顯的地域特征，現(xiàn)有的復墾土地質量評價指標多以土壤的理化性質為主，較少考慮其他因素的影響，因此需要對復墾土壤進行詳細的類別劃分為復墾土壤質量評價指標的構建與完善提供支撐。

3.2 研究展望

礦區(qū)復墾將在中國長期大范圍存在，土地復墾對礦區(qū)土壤的影響越來越深刻，國內外研究中充分肯定了人為擾動在土壤分類中的影響，為適應逐漸增多的復墾土壤資源合理開發(fā)與利用的需求，迫切需要人為或人造物質的定義、數(shù)量、深度、類型和命名，詳細定義診斷層與診斷標準，擴展、細化檢索系統(tǒng)，進行系統(tǒng)分類等方面開展深入研究。土壤分類是土地評價、土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設的重要基礎數(shù)據(jù)。尤其是土系作為基層分類單元，集成并體現(xiàn)了一系列用于定義各級分類單元的土壤性質，同時具有明顯的地域特色，在應用上直接聯(lián)系著各區(qū)域的實際，在土壤水分運移，植物扎根立地、養(yǎng)分保蓄都與此有關，其分類指標可以與土地評價“無縫連接”，可以真正充分發(fā)揮土壤分類的服務功能；雖然中國開展的中國土系調查與《中國土系志》建立了大量與生產(chǎn)生態(tài)直接相關的土系，但對于礦區(qū)復墾土壤相對關注極少。

中國復墾土壤數(shù)量大，分布廣泛，多為耕地區(qū)，中國對復墾土壤資源的農(nóng)業(yè)利用需求強烈，亟須詳細的土壤類別提供對應的土壤信息，但定量診斷分類指標極少，檢索系統(tǒng)不能滿足復雜多樣的復墾土壤分類與利用的需求。因此，研究復墾土壤物質起源、土壤屬性、人為影響特征，揭示人為活動影響土壤物質運移的規(guī)律，提取分類指標，針對不同的復墾土壤提供詳細的土壤性質信息，掌握不同復墾土壤類型的共性和個性，探索擴展現(xiàn)有中國土壤系統(tǒng)分類的分類檢索，根據(jù)分類指標指導復墾土壤質量評價，并應用于優(yōu)化復墾工程、改進復墾工藝、提升土壤質量是十分必要的。