胡振琪，張子璇，孫 煌

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

礦產(chǎn)資源的開采不可避免造成土地的挖損、塌陷和壓占，使耕地損失和生態(tài)環(huán)境惡化。隨著國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實施，礦山生態(tài)修復已經(jīng)成為綠色礦山發(fā)展的重要技術途徑，已經(jīng)成為研究熱點。

我國從20 世紀80 年代開始重視礦區(qū)生態(tài)修復，迄今已經(jīng)實施了大量的土地復墾與生態(tài)修復工程，取得了一定成績，但也有很多失敗或效果欠佳的案例，甚至發(fā)生“一年綠、二年黃、三年死光光”的現(xiàn)象[1]，究其原因主要是缺少土壤或所用土壤質(zhì)量差。有關研究表明：現(xiàn)代土地復墾與生態(tài)修復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，為使土地復墾與生態(tài)修復土壤達到最優(yōu)的生產(chǎn)力，構造一個最優(yōu)的、合理的、穩(wěn)定的土壤物理、化學和生物條件是進行土地復墾和生態(tài)修復最基本的工作[2]。因此，土壤是生命之基，是礦山生態(tài)修復成敗的關鍵。

土壤是地球陸地表面經(jīng)過漫長的地質(zhì)成土過程形成的能夠生長綠色植物的疏松層，其形成受到多種因素的影響并通過多種地質(zhì)和地球化學作用來實現(xiàn)[3-5]，如1 cm 厚的熟土往往要經(jīng)歷數(shù)百年甚至成千上萬年的時間形成。因此，快速成土就成為礦山生態(tài)修復中的重要任務。由于土壤形成是地質(zhì)作用的成土過程，因此，從地質(zhì)視角不妨稱之為地質(zhì)成土。地表土壤是地層中富含生物、支撐生命的生態(tài)關鍵層(也可稱之為地質(zhì)生態(tài)關鍵層)，所以，地質(zhì)科技工作者將利用地質(zhì)學理論應用于礦山生態(tài)修復成土過程的研究，加速成土并促進礦山生態(tài)修復土壤重構的成功。

許多礦山特別是露天開采礦山(例如青海木里礦區(qū))，沒有很好地剝離和儲存土壤，或是開采前土壤資源不足，導致排土場和采場修復時缺乏土壤，只能在巖石和土壤的混合基質(zhì)或者直接在各種巖層的剝離物上種植植被，植被成活和生長困難。因此，對于普遍存在的缺少植物生長土壤的礦區(qū)，為了修復生態(tài)環(huán)境，人工地質(zhì)成土則成為十分緊迫的任務。

筆者目的是基于國內(nèi)外的礦山生態(tài)修復實踐，以礦山生態(tài)修復中的成土為研究對象，試圖借鑒自然地質(zhì)成土原理，闡明成土的艱巨性、復雜性和長期性，將地質(zhì)學與土壤學相結合，提出礦山生態(tài)修復中(人工)地質(zhì)成土的概念與內(nèi)涵，探討其快速成土方法并給出實際案例，以期為礦山生態(tài)修復奠定基礎。

1 自然地質(zhì)成土

1.1 概 念

土壤是具有固液氣三相結構的一種復雜的生物地球化學物質(zhì)，是一個動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)，為植物生長提供了機械支撐、水分、養(yǎng)分和空氣條件[3-5]。土壤形成與發(fā)育可以從物理、化學或生物學觀點研究，也可以從土壤化學、地質(zhì)學和地球化學觀點去研究。

從地質(zhì)學的視角來看，自然地質(zhì)成土首先就是地球表面或近地球表面的巖石在大氣圈各種營力作用下發(fā)生物理、化學、生物風化作用形成巖石碎屑與可溶性物質(zhì)，即成土母質(zhì)。然后，成土母質(zhì)在地質(zhì)運移和沉積以及一定水熱、生物條件作用下，經(jīng)過一系列地質(zhì)作用而發(fā)育形成土壤。在這個過程中，母質(zhì)與成土環(huán)境(如氣候、地形、生物、時間)之間發(fā)生了一系列的物質(zhì)、能量交換和轉(zhuǎn)化，形成了具有肥力、剖面層次分明的土壤[6]。所以，自然地質(zhì)成土是地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)歷經(jīng)漫長時期將“巖石”變成“土壤”的過程(圖1)。在成土過程中，人類活動不斷利用和改造土壤，也是成土的重要因素，因此，土壤是自然因素與人為因素共同作用的結果。本文的重點是在研究自然成土因素的基礎上，通過人為因素加速成土。

1.2 原 理

成土過程也叫土壤形成過程，是指在各種成土因素的綜合作用下，土壤發(fā)生發(fā)育的過程。它是土壤中各種物理、化學和生物作用的總和，包括巖石的崩解風化，遷移與沉積，礦物質(zhì)和有機質(zhì)的分解、合成，以及物質(zhì)的淋失、淀積、遷移和生物循環(huán)等(圖1)。

圖1 自然地質(zhì)成土過程及其產(chǎn)物Fig.1 Process of natural geological soil formation and its products

自然地質(zhì)成土是一個漫長的地質(zhì)過程，由于各個歷史時期的地質(zhì)作用和各種外部環(huán)境的影響，最終形成的土壤也因巖石特性、氣候、地理地形等條件不同而有好有壞，甚至還存在土壤形成過程中的障礙因子。由這一特點可知，應該重視已經(jīng)熟化成土的各種土壤。

從“巖石”到“土壤”的首要標志是顆粒組成的變化，由密實的巖石變成巖石碎屑狀土壤母質(zhì)，然后再從土壤母質(zhì)演變?yōu)轭w粒較細的土壤。“土壤”顆粒由大變小的同時，還伴隨礦物成分和化學成分的變化。不同顆粒組成結構的土壤就構成了不同質(zhì)地和不同理化生物性質(zhì)的土壤。

重要的自然地質(zhì)成土過程是：

1) 風化、遷移、沉積等地質(zhì)作用

土壤的營養(yǎng)成分是土壤優(yōu)劣的重要指標，它主要由成土母質(zhì)中的礦物含量所決定，也受地質(zhì)搬運遷移和沉積等因素的影響。成土母質(zhì)來自于巖石的風化，風化的母質(zhì)材料可能會有部分地質(zhì)遷移，也會有其他母質(zhì)遷移沉積到本地的成土母質(zhì)中，這些地質(zhì)作用決定了土壤營養(yǎng)條件的好壞。同時，巖石或成土母質(zhì)附著的微生物和低等植物將加速風化及后期的土壤的原始成土過程。這一成土過程說明應該重視成土材料的來源和風化作用。

2) 黏化過程

成土過程包含著土體內(nèi)礦物的形成和破壞(如黏化過程、富鐵鋁過程、灰化過程、漂洗過程和潛育過程)[3-4]，其中黏化過程是土壤剖面中黏粒形成和積累的過程，對土壤物理特性的優(yōu)劣發(fā)揮重要作用。土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的不同，導致其土壤質(zhì)地不同，對土壤含水量、持水性和保肥能力等土壤物理特性都有很大影響。黏粒比表面積大，具有很好的吸附水分和營養(yǎng)的能力。自然地質(zhì)成土的黏化過程可分為殘積黏化和淀積黏化。前者是土內(nèi)風化作用形成的黏粒產(chǎn)物，由于缺乏土內(nèi)穩(wěn)定的向下水分運移，黏粒難以向深土層移動而就地積累，形成一個明顯黏化或鐵質(zhì)化的土層；后者是風化和成土作用形成的黏粒，由上部土層在具備充足水分條件下淀積而成。

3) 元素的交換和遷移過程

成土過程中的淋溶、鈣化、鹽化、堿化過程等促進了土壤元素交換和遷移[4]，使不同元素在土壤中的分布不同，產(chǎn)生有利或不利的土壤條件。營養(yǎng)元素的增加有利于土壤肥力的提高，而有害元素往往會導致土壤污染，影響土地健康。

4) 有機質(zhì)的積聚過程

有機質(zhì)是土壤肥力的重要指標。有機質(zhì)積聚過程是在植物作用下有機質(zhì)在土體上部積累的過程，這一過程在各種土壤中都存在。由于成土條件的差異，有機質(zhì)及其分解與積累也可有較大的差異，據(jù)此可將有機質(zhì)積聚過程進一步劃分為腐殖化、粗腐殖化及泥炭化3 種。地表植被及其根系的生理活動，能促進原生礦物風化和有機質(zhì)的積聚，還有助于水穩(wěn)定性團聚體的形成，改善土壤物理結構，提高土壤的生態(tài)功能。

2 礦山生態(tài)修復的地質(zhì)成土

自然地質(zhì)成土中的土壤均自然形成，且難以改變，只能通過人工方式進行表層土壤改良；而大范圍、高強度的礦山開采造成煤層上覆地層，特別是土壤層的破壞，為土壤層(地層)重構創(chuàng)造條件和機會，但許多礦山生態(tài)修復實踐中不合理的礦山土壤重構導致土層混亂、表層土壤缺失或不足、重構失敗的結果，對礦山生態(tài)修復中的土壤重構提出新挑戰(zhàn)，因此，應對科學的人工地質(zhì)成土引起高度重視。

2.1 概念與內(nèi)涵

礦山生態(tài)修復的地質(zhì)成土(簡稱礦山地質(zhì)成土)是指仿自然地質(zhì)成土過程，通過礦區(qū)可利用的成土母質(zhì)或土壤材料，采用物理、化學和生物措施促進土壤快速發(fā)育和熟化并在短期內(nèi)形成期望土壤功能、達到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)的過程(圖2)。顯然，“礦山地質(zhì)成土”就是“礦山人工成土”或“人工造土”或“造土”。

圖2 礦山地質(zhì)成土過程Fig.2 The process of geological soil formation

礦產(chǎn)資源的開采破壞了原有的土層、地層，同時也提供了大量可作為土壤的原始材料，為重新構造土壤提供很好的契機。可以利用自然地質(zhì)成土的原理，在短時間內(nèi)人工快速成土和熟化、重新構造出適宜的土壤，為礦山生態(tài)修復奠定基礎。

從地質(zhì)學視角，自然地質(zhì)成土的內(nèi)涵就是構造土壤。土壤的漫長地質(zhì)成土過程是在各種地質(zhì)作用和地球化學與生物作用下，不僅形成了熟化的土壤，也形成豐富多彩的、不同類型的土壤剖面結構[4,6-7]。從礦山地質(zhì)成土的視角，其核心是將不同備選土壤材料，經(jīng)過物理化學和生物措施，在短時期形成期望的土壤，這也可稱之為 “造土”。

從礦山土地復墾與生態(tài)修復視角，自然地質(zhì)成土與土壤重構二者目的和內(nèi)涵是一致的，都是重構土壤。土壤重構不僅需要各種不同功能、不同生態(tài)空間位的土壤，還需要科學合理的土壤剖面構型[8]。因此，土壤重構的實質(zhì)首先就是土壤材料的篩選與重構(或稱“造土”，即礦山地質(zhì)成土)，然后再將土壤材料進行垂向的土壤剖面的重構，即“造土”加“土壤剖面重構”。也可根據(jù)土壤剖面重構分析中的土層生態(tài)位寬度不足的土壤層進行“造土”以彌補[8]，因此，礦山地質(zhì)成土是礦山生態(tài)修復土壤重構的一部分，是其基礎和首要任務。

2.2 方法和步驟

按照仿自然地質(zhì)成土的理念，礦山生態(tài)修復地質(zhì)成土方法主要包括4 個步驟。

2.2.1 需求分析

不同的采礦活動以及非采礦活動的礦山建設損毀對礦山土壤的破壞情況千差萬別，采后土地利用方式(包括植被恢復方案)對土壤的需求也不盡相同。露天采礦形成巨大的礦坑和堆積成山的排土場、矸石山等人工地貌，其生態(tài)修復時原表土均不足以滿足礦坑、排土場、矸石山治理的植被恢復需求，需要大量的表土替代材料。地下開采導致大量土地沉陷，為恢復更多的耕地，沉陷區(qū)需要大量充填材料，即充填復墾土壤。因此，不同礦山對地質(zhì)成土的要求存在差異。

礦山地質(zhì)成土前，需要充分調(diào)查了解礦山土壤損毀現(xiàn)狀和采礦前原始土壤狀況，分析礦山土壤損毀特征并評價其損毀程度，基于客觀條件和區(qū)域發(fā)展需求，找出礦山土壤存在的問題和差距，提出礦山生態(tài)修復對土壤的要求，并確定礦山地質(zhì)成土的目標。一般情況下，表層種植土是礦山生態(tài)修復最需要的成土土壤，同時也是理化生物特性要求最高的土壤。礦山地質(zhì)成土的需求量應結合礦區(qū)實際治理的面積和厚度確定。

2.2.2 材料篩選

基于自然地質(zhì)成土母質(zhì)的重要性和土壤發(fā)育的長期性，需要充分利用礦山已經(jīng)擁有的熟化土壤和各種可能的成土材料(也可稱之為備選土壤材料)。備選土壤材料既包括原始土壤、損毀土壤，也包括礦山的固廢如風化煤、煤矸石、粉煤灰等以及河湖淤泥、城市垃圾等。對露天礦而言，由于上覆巖土層在開采時已被剝離，因此，均可作為備選材料。對部分采煤塌陷區(qū)而言，需要篩選一些外源充填材料。不同土壤材料與土壤通氣性、保肥保水性、土壤結構、緊實度、黏結性、離子交換和營養(yǎng)物質(zhì)密切相關[9-11]。因此，備選土壤材料篩選應遵循以下原則：

(1) 需求原則。依據(jù)礦山地質(zhì)成土對土壤的要求和成土目標進行選擇。

(2) 成土材料質(zhì)量原則。地質(zhì)成土過程中成土材料的重要篩選標準之一就是土源的質(zhì)量，主要包括成土材料的物理、化學和生物特性。如黃河中下游采煤塌陷區(qū)的充填復墾中選取黃河泥沙作為成土構造的成土材料，其原因是黃河泥沙來源于土壤侵蝕，含有一定量的黏粒、粉粒，具備易成土的基本條件[12]。

(3) 綠色生態(tài)原則。應關注成土材料的環(huán)境性，應盡可能使用不含污染元素的成土材料和天然材料，使成土及其過程綠色生態(tài)。

(4) 成本效應原則。不同的備選土壤材料所需要的處理工藝和投入的時間不同，如對粒度較大的備選材料，搬運、粉碎、攪拌等往往是必不可少的。備選材料越接近成土目標，地質(zhì)成土的成本就越低；備選材料距離復墾修復場地越近，運輸成本就越低。因此，在遵循成土材料質(zhì)量和綠色生態(tài)原則的基礎上，應更多關注地質(zhì)成土材料的成本問題，如煤基生物土中的煤矸石和黃河泥沙作為廢棄物和沉積物進行地質(zhì)成土，可大大縮減礦山生態(tài)修復地質(zhì)成土的成本。

對所有備選土壤材料要進行物理、化學、生物特性的分析，并與期望成土目標對比進行成土材料篩選。有條件的情況下，還可以結合盆栽試驗進行篩選。

2.2.3 材料組配

礦山地質(zhì)成土材料往往不是優(yōu)質(zhì)的土壤，單一備選土壤材料往往滿足不了成土目標的要求，這就需要將多種成土材料有機組合，形成接近成土要求的土壤材料組配，實現(xiàn)與期望土壤相近的理化特性。因此，需要根據(jù)修復方向的不同，仿照自然的土壤類型選用合理材料進行試驗確定組配關系。如黏粒含量高的土壤材料需要添加砂質(zhì)材料；有機質(zhì)含量低的可以添加秸稈等生物質(zhì)；砂性土壤材料需要添加黏性或植物膠材料。如我國生態(tài)脆弱的露天礦，表土土壤砂粒含量多的特性決定了其礦山地質(zhì)成土的主要需求是黏粒含量較豐富的土壤源材料[13]；采礦活動所產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰及風化煤等煤基廢棄物，因其經(jīng)歷風化作用后所具備特定的基本物理性質(zhì)[14-17]，可將其按照不同的比例加以混合形成適宜實際礦山生態(tài)修復的土壤。

礦山地質(zhì)成土的材料組配過程主要是仿自然地質(zhì)作用，進行成土土壤材料的多源組合。將占比大且起骨架作用的材料稱之為基質(zhì)材料，將各種調(diào)節(jié)質(zhì)地、營養(yǎng)等改良材料稱之為輔助材料，因此，地質(zhì)成土材料的組配就是基質(zhì)材料加輔助材料。材料組配過程往往需要對材料進行搬運、粉碎、混合、攪拌、發(fā)酵等措施，材料組配的最佳比例需要通過物理化學分析以及盆栽試驗加以研究確認。例如各種備選土壤材料如煤矸石、風化煤、黃土等相當于一般成土過程中的土壤母質(zhì)材料，通過搬運、粉碎、混合、攪拌、堆積、壓實等仿自然地質(zhì)成土過程成土，經(jīng)過短時間內(nèi)的淋溶、黏粒遷移、礦化、熟化發(fā)育成具備植物生長介質(zhì)能力的“土壤”，往往再通過多種組配的柱狀試驗和盆栽試驗進行優(yōu)化和篩選。

2.2.4 生物熟化

礦山地質(zhì)成土的成土材料組配，在短時間內(nèi)為新構土壤今后的發(fā)育構造了良好的固液氣三相結構，為土壤的發(fā)育熟化奠定了基礎。自然地質(zhì)成土的生物小循環(huán)對土壤發(fā)育熟化發(fā)揮重要作用。為了短期內(nèi)熟化土壤，需要人工接種各種生物，如接種微生物、蚯蚓和種植植物等措施，促進成土過程中水、肥、氣、熱諸因素不斷協(xié)調(diào)，從而利于促進土壤黏化過程和有機質(zhì)聚集過程的進行，形成較好的土壤團聚體的同時提高土壤有機質(zhì)含量。生物熟化過程中應更多關注成土基質(zhì)團聚體和有機質(zhì)等養(yǎng)分、土壤水分入滲、酸堿緩沖性、土壤微生物、土壤結皮等多種指標的變化及其對不同成土材料組配的影響。

不同的成土材料，需要接種不同的菌類、種植不同的植物等，應具體問題具體分析。如接種真菌、根瘤菌促進土壤團聚體的增加和植物生長，接種蚯蚓改善土壤結構和生物特性等。任何生物熟化材料的篩選都需要通過室內(nèi)室外實驗來確定最優(yōu)的種群和適宜的密度。通過2～3 年的生物熟化，礦山地質(zhì)成土基本達到礦區(qū)周邊土壤條件，并達到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)。

3 礦山生態(tài)修復中的地質(zhì)成土案例

盡管本文凝練提出自然地質(zhì)成土和礦山地質(zhì)成土的名稱，但自然地質(zhì)成土是實際客觀存在的，礦山地質(zhì)成土的實踐也已有許多，本文從3 個方面的案例驗證筆者的觀點和方法。

3.1 基于原始地層材料的露天礦新表土的礦山地質(zhì)成土

基于礦山地質(zhì)成土方法，以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市西北部某大型露天礦為例，完成原始地層材料篩選和改良，進行地質(zhì)成土試驗研究[18-21]。

1) 需求分析

根據(jù)采礦損毀土地的特征分析以及當?shù)貙嶋H情況調(diào)查，該礦表層種植土(簡稱表土)約0.5 m，含砂量多，沙化現(xiàn)象嚴重，表土非常缺乏。因此，研究區(qū)的礦山地質(zhì)成土的要求和成土目標是構造大量且適宜的新表土(也稱表土替代材料)。

2) 材料篩選

根據(jù)礦山地質(zhì)成土材料篩選原則進行材料的篩選。研究區(qū)地質(zhì)柱狀如圖3 所示，已知原始地層中Ⅳ層及以下的基質(zhì)為硬度較大的砂礫巖石層，與土壤差別太大，不具備表土替代材料的適宜性，但Ⅱ?qū)?黃土層)和Ⅲ層(亞黏土層)黏粒含量較高、質(zhì)地較好(圖3)。因此，首選Ⅱ?qū)雍廷髮訛楸硗撂娲牧系脑嫉貙觼碓?。選擇Ⅰ層為對照層(CK)，Ⅱ?qū)狱S土的風化及原狀基質(zhì)表示為Ⅱ1、Ⅱ2，Ⅲ層亞黏土的風化及原狀基質(zhì)表示為Ⅲ1、Ⅲ2，對其理化性質(zhì)、營養(yǎng)成分和重金屬含量進行分析[20-21]，其質(zhì)地結果見表1[20]。此外還進行了盆栽試驗，結合出苗率和土壤結皮情況等生物量結果進一步篩選基質(zhì)材料[20-21]。結果表明，Ⅲ層基質(zhì)在酸堿性、養(yǎng)分含量、環(huán)境風險及出苗率等方面均接近當?shù)乇硗?CK 層)，其風化后的土壤特性更優(yōu)。因此，該研究區(qū)礦山地質(zhì)成土的最佳地質(zhì)成土材料為Ⅲ層原狀或其風化土。

表1 露天礦各層不同基質(zhì)粒度組成含量Table 1 Particle size distribution of different soil materials in open-pit mine layers

圖3 研究區(qū)地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Geological bar chart of the study area

3) 土壤材料組配分析

由于篩選的基質(zhì)材料黏粒含量過高、有機質(zhì)缺乏，選用蛭石、秸稈和硝基腐殖酸作為3 種輔助材料進行地質(zhì)成土土壤材料的組配，選用紫花苜蓿作為盆栽宿主植物，利用正交盆栽實驗，篩選出最佳的成土材料有機組合，形成接近成土要求的組配土壤材料。采用三因素三水平正交試驗，具體試驗設計見表2[19,21]。

表2 試驗設計Table 2 Experimental design (g·kg-1)

通過以上9 個處理3 次重復的盆栽試驗研究，其生物量如圖4 所示。結果表明，T9 處理地上部生物量最大。因此，最優(yōu)組配為Ⅲ層亞黏土施加3 種輔助材料，且蛭石、秸稈和硝基腐殖酸三者的質(zhì)量比為50∶50∶0.5(T9)。筆者團隊還對地質(zhì)成土材料的植物和土壤理化生物特性的響應及作用機理進行了探討[19,21]，3 種改良劑中對成土材料養(yǎng)分含量、水分特征有明顯改善。成土材料在未經(jīng)改良之前微生物主要由細菌組成，經(jīng)改良后成土材料中細菌、放線菌、真菌的數(shù)量均有顯著提高。

圖4 紫花苜蓿生物量(地上部干重)Fig.4 Biomass of Medicago sativa (aerial dry weight)

4) 生物熟化分析

生物熟化是提高礦山地質(zhì)成土的生物特性、使其具有可持續(xù)自我修復能力的過程。生物熟化需要人工接種各種生物輔助材料如微生物、動物等以實現(xiàn)并促進仿自然的生物小循環(huán)。本案例以加入蚯蚓作為生物熟化材料為例，探討生物熟化方法。以當?shù)氐谋硗磷鳛閷φ战M表示為CK，改良處理中添加質(zhì)量為0.2 g 左右的蚯蚓10 條，表示為QY，未添加蚯蚓的處理為空白表示為DZ，每個處理3 次重復，選用紫花苜蓿作為盆栽宿主植物。最終生物量如圖5 所示，表明不同處理間地上部分的鮮重具有顯著性差異(P＜0.05)，其中QY 處理的地上部分的鮮重明顯高于其他處理，分別是CK 處理的1.34 倍，DZ 處理的2.37 倍。3 組處理地下部分鮮重間存在顯著性差異(P＜0.05)，其中以CK處理地下部分鮮重最大，QY 處理與DZ 處理相比地下部分鮮重顯著增加，是其質(zhì)量的2.54 倍。在露天新表土野外試驗基地，當年種植植物生物量達到正常對照土地的生產(chǎn)力水平，持續(xù)耕種3 年無顯著變化，實踐證明露天新表土能達到較好的效果。

圖5 不同處理紫花苜蓿生物量Fig.5 Biomass of Medicago sativa in different treatments

3.2 基于煤基材料的礦山地質(zhì)成土

煤炭開采和利用中不可避免產(chǎn)生大量固體廢棄物，如煤矸石、粉煤灰、風化煤等，這些固廢的處置與利用已經(jīng)成為研究熱點。同時，礦山生態(tài)修復缺乏土壤，這些固廢顯然都可以作為礦山地質(zhì)成土的成土材料。長期以來，由于煤矸石、粉煤灰中含有一些礦物質(zhì)和微量元素，已經(jīng)被用于制作成土壤改良劑、微肥等[14-16]。風化煤，俗稱“露頭煤”，是煤炭經(jīng)過長期風化形成的，含有較高的有機質(zhì)[17]，是成土的理想源材料。因此，在礦山生態(tài)修復缺少土壤的情況下，利用煤矸石、粉煤灰、風化煤等煤基固廢材料進行礦山地質(zhì)成土，就能變廢為寶，解決礦區(qū)缺土的難題，具有巨大應用前景。

筆者團隊利用煤基固廢進行的“‘煤基生態(tài)環(huán)境修復劑’的研究與開發(fā)及其應用” (863 計劃項目)，就是礦山地質(zhì)成土的研究與實踐。選擇內(nèi)蒙古3 個采煤礦區(qū)分別以3 種固廢(煤矸石、粉煤灰、風化煤)為基質(zhì)材料，膨潤土、保水劑和穩(wěn)定劑為輔助材料。設計不同比例材料的盆栽試驗進行礦山地質(zhì)成土的基質(zhì)材料組配篩選，風化煤按照質(zhì)量分數(shù)40%～60%添加，煤矸石和粉煤灰按照質(zhì)量分數(shù)10%～40%添加，構成了10 種組配方案，3 個礦區(qū)的材料構成了30 個材料組配。同時按照組配基質(zhì)材料+輔助材料的方法，分別進行了4 種處理：A 處理為基質(zhì)材料+1%保水劑；B 處理為基質(zhì)材料+1%穩(wěn)定劑；C 處理為基質(zhì)材料+0.5%保水劑+0.5%穩(wěn)定劑；D 處理為基質(zhì)材料+3%膨潤土，分別進行了正常供水(75%)、輕度脅迫供水(55%)和重度脅迫供水(25%)共3 種田間持水量條件下的盆栽輔助材料組配試驗。

基質(zhì)材料組配試驗表明，煤矸石、粉煤灰和風化煤的比例為1∶2∶2 時，該基質(zhì)組配材料可以保證其上生長植物的生物量可以好于或接近于對照組水平。最優(yōu)配比基質(zhì)材料生長植物的莖葉生物量可比對照組高20%，根系生物量可比對照組高50%。因此，可以將這種基質(zhì)組配材料作為一種煤基生物土，促進煤礦生態(tài)修復。輔助材料組配試驗結果表明，在正常供水75%情況下，4 種添加劑輔助材料添加后的處理對提高生長植物的生物量的作用并不明顯；而在干旱脅迫情況下，4 種輔助材料添加處理均能不同程度地提高生長植物的生物量，其中0.5%穩(wěn)定劑+0.5%保水劑、1%穩(wěn)定劑效果最好，生長植物的生物量提高38%～59%。因此，4 種輔助材料添加處理對保證植株供水，促進植株生長具有重要的意義，該配方對西部干旱缺水情況下的礦山生態(tài)修復中的植被恢復非常有利。

礦山地質(zhì)成土需要生物熟化過程，因此，該研究采用添加菌根(摩西球囊菌Glomus.mosseae)的方式加速土壤發(fā)育和熟化。試驗表明，基質(zhì)組配材料按1∶2∶2 配比后，在低磷情況下接種菌根處理植株的生物量都優(yōu)于未接種的處理，植株生物量增加40%～300%，且進行基質(zhì)組配后的各個處理接種菌根后植株生物量接近或優(yōu)于對照組土壤接種菌根的植株生物量(圖6)，促進了土壤生物條件的改善。在野外煤基生物土實地(圖7)，當年植物種植生物量達到正常對照土地，持續(xù)耕種3 年無顯著變化，顯然煤基生物土加菌根將是最佳的礦山地質(zhì)成土土壤。

圖6 不同處理接種菌根后的植株生物量Fig.6 Plant biomass after mycorrhizal inoculation in different treatments

圖7 煤基生物土野外場地植物長勢Fig.7 Plant growth in the field of coal-based biological soil

3.3 黃河泥沙基礦山地質(zhì)成土進展與展望

黃河泥沙主要是由水土流失造成，由于雨水、河水的沖刷，黃河泥沙與原始自然的土壤有很大的差異，但仍然是最接近土壤的成土基質(zhì)。因此，在濱黃河的礦區(qū)，利用黃河泥沙作為基質(zhì)材料進行地質(zhì)成土具有很大的應用前景。筆者團隊已經(jīng)在黃河流域下游的山東省實現(xiàn)了利用黃河泥沙充填復墾采煤塌陷區(qū)的應用案例[22]，同時，提出了利用黃河泥沙與山東當?shù)乇硗痢⑿耐吝M行組配作為黃河泥沙充填復墾塌陷區(qū)覆蓋土壤的研究[23]。研究表明，黃河泥沙與表土和心土的2∶1∶1 組配是優(yōu)選的復配土壤。

黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展已成為國家戰(zhàn)略，而黃河中上游大量礦山的生態(tài)修復缺少土壤，因此，將黃河泥沙作為重要成土基質(zhì)利于礦山生態(tài)修復中的土壤重構，能夠進一步促進黃河流域的礦區(qū)生態(tài)修復。此外，在黃河上游、中游礦區(qū)生態(tài)修復中，表層種植土的需求量大，開發(fā)黃河泥沙基的復墾土壤具有很大市場需求。黃河中上游礦區(qū)生態(tài)脆弱、風蝕嚴重，黃河泥沙基質(zhì)成土的難點則是土壤的團聚和抗風蝕以及有機質(zhì)和營養(yǎng)成分的增加與保持。為此，針對濱黃河不同礦區(qū)生態(tài)修復需求，將黃河泥沙與礦區(qū)的風化煤、煤矸石、粉煤灰等礦山固廢有機組配，利用自然地質(zhì)成土的原理，快速發(fā)育熟化黃河泥沙基復墾土壤就成為未來研究的方向，具有廣泛的應用前景。

4 結論

a.土壤是地球陸地表面能夠生長綠色植物的疏松層，是經(jīng)過漫長的地質(zhì)成土過程形成的，礦山生態(tài)修復工程失敗的原因主要是缺少土壤或缺乏科學的重構土壤方法。

b.提出了礦山生態(tài)修復中的地質(zhì)成土的概念和內(nèi)涵，其實質(zhì)為仿自然地質(zhì)成土過程，使礦山備選土壤材料快速發(fā)育和熟化并在短期內(nèi)形成期望土壤功能、達到自我可持續(xù)發(fā)育狀態(tài)的過程，亦即“造土”。自然地質(zhì)成土與廣義的土壤重構內(nèi)涵是一致的，因此礦山復墾土壤重構實際上就是“礦山地質(zhì)成土”加“土壤剖面重構”。

c.礦山地質(zhì)成土方法包含需求分析、材料篩選、材料組配和生物熟化4 步驟。通過基于原始地層材料的露天礦新表、基于固廢的煤基生物土和黃河泥沙基的礦山地質(zhì)成土3 個案例，驗證了本文提出的礦山地質(zhì)成土方法的應用效果。

致謝：論文撰寫過程中趙艷玲教授、位蓓蕾博士等給予了許多意見和建議，在此表示衷心感謝。