矿山土的认识及其利用研究

张耿杰，白中科,2，王金满,2

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

我国人多地少，因采矿等人类活动造成的土地和生态环境破坏情况很严重[1]。对矿区损毁土地实施土地复垦，通过采取工程和生物措施来恢复已损毁的生态环境已成为矿区生产中不可或缺的一部分[2]。有关研究表明，现代复垦技术研究的重点应是与土壤相关的因素[3-5]。因此对土地复垦来说，复垦的物质是基础，是土地复垦标准和复垦质量验收的落实点，决定着复垦的成败。

土壤是经过风化而破碎的地球表面的外层物质，是作物根系生长的介质[6]。矿区内通过复垦形成的矿山土，是指以采矿业等产生的固体废弃物为母质，经人工整理、改良，促使其风化、熟化而成为的一类土壤[7-10]。矿山土重构是矿区进行地貌重塑后的延续过程，是植被重建的基础，会影响到后期的矿区景观再现与生态系统建设和生物多样性重组与保护的结果。因此，土壤重构是矿区土地复垦过程中的关键环节，其核心是培育矿山土。研究矿山土是为了确定植被生长的介质特性及其生产力制定有效的土壤改良和复垦模式的技术方案。本文对矿山土的形成和性质进行系统总结，尝试对矿山土在土壤系统分类中进行定位，同时对其演变作了简单说明，并对矿山土的利用方式和利用的建议进行了较为详细的阐述，旨在为将来深入研究矿山土质量、加速复垦效益和健全土地复垦制度服务。

1 矿山土的形成

与自然土壤相比，矿山土的形成更依赖于人的作用，其成土过程取决于复垦过程中的具体的成土因素和人类活动的组合。在矿山开采和复垦过程中，由于挖掘、搬运、堆积、混合和大量物质的填埋，原有土壤的形态及理化性质等发生根本性的改变。就母质来说，采矿剥离的矿层上的岩石和地表土壤，矿体内排出的碎石和矿渣，火力发电厂排出的粉煤灰、城市淤泥等都是矿山土壤的母质来源；就地形而言，露天矿区主要通过地貌重塑，以排土场的形式修筑梯田、平整土地等措施，将固体物质依照科学设计的方案进行堆垫；就气候来说，矿区的宏观大气候无法改变，但在人为控制为主的环境条件下，如通过灌溉、排水设施，有条件地方还可进行人工降雨等方式改变土壤的水分状况；在生物方面，人为增加或减少动植物的种类，特别是在植被重建初期有针对性的筛选种植一些植物，通过施用经微生物作用过的有机肥料等来改善土壤的性质；从时间方面来看，可以用定期土地质量监测等措施来来及时掌握矿山土的质量情况，通过多方面的人为措施加快矿山土的风化速度和强度，可大大缩短土壤的熟化过程，据研究，在人工管理得当的情况下，矿山土从形成到能种植植被获取效益可在短期内实现[11]。

因此，矿山土可定义为在因采矿活动造成的挖损、塌陷和压占等损毁土地上，将各种固体废弃物(包括采矿剥离的表层土壤、岩石、矿渣、城市污泥等)重新组合，通过工程、化学、生物等人为措施，使其快速熟化并为人类所利用的土壤。从本质上来说，矿山土是一种“人造土壤”。

2 矿山土的特征

2.1 矿山土剖面

矿产开采破坏了原有地貌和生境，如露天开采剥离了土壤表层，原地貌土壤的心土层、底土层甚至母质层都出露地表，原有的土壤层序和结构被完全打乱。矿山土是人为将采矿过程中的剥离物、排弃物，以及当地的土壤等根据复垦要求堆垫形成的，是对复垦材料的重新组合。因此，矿山土的土壤剖面明显不同于自然土壤的剖面，会出现有的土层倒置，有的土层缺失，多层土层混合等现象。鉴于此，复垦初期的矿山土剖面层次不能作为判断土壤发育程度的标志，通常只反映所堆垫的物质以及堆垫顺序，是鉴别复垦材料的依据。矿山土剖面堆垫的情况从上到下一般有[7]：①表土层、堆垫岩石碎屑层、砾石层、基岩层；②堆垫岩石碎屑表层、砾石层、基岩层；③通体堆垫砾石层、基岩层或通体堆垫土层等。

2.2 矿山土理化性质

矿山土的厚度可人为控制，在土源丰富的地方覆土厚度可达到1.5m以上，而在土源匮乏的地区，能覆土的厚度可能不到30cm甚至直接以碎石屑或粉煤灰等作为矿山土。矿山土的质地跟复垦物质和排土方式密切相关，其颗粒粒径分布可以指示土壤发育强弱，反映成土母质的均一性和风化程度[12]。矿山土在堆垫的过程中，由于重型机械的碾压，使得刚复垦的矿山土的容重明显高于自然土壤，一般在1.7g/cm3以上。但是据野外实地调查和研究，在复垦措施得当且复垦多年的土地上，矿山土的容重能够恢复到自然土壤的容重水平[13-16]。矿山土的酸碱性主要与开采矿物和堆垫物的性质有关，如黄铁矿在开采后，其废石中的二氧化铁与水和氧气接触后，使得矿山土的pH值偏低，而以粉煤灰作为矿山土的表层覆盖物质时，矿山土呈强碱性反应，但采取适当措施后，矿山土的酸碱性能够向正常方向改进。矿山土中的有机质和氮磷钾含量不稳定且呈无规律分布，可以通过施肥的方式直接改善土壤的肥力质量状况，使土壤中的有机质和氮磷钾等含量达到预期目标[17-18]。

3 矿山土的分类与演化

土壤分类反映了土壤类型、成土条件、成土过程和土壤性质的内在联系，从应用角度看，土壤分类是因地制宜的管理土壤、保护生态与环境和转让农业技术的依据。因此，对矿山土进行分类，是为了更好地解析、认识矿山土壤的需要，同时也是为了科学评价与改良矿山土壤性质的需要。

目前矿山土在中国土壤发生分类和中国土壤系统分类中都没有特定的位置[19-21]。鉴于矿山土没有诊断层和诊断特性的特征，笔者建议根据新成土的概念将其划归在新成土纲中，原因有五：第一，矿产资源的开采和土地复垦，均引起大面积的土壤扰动，打乱了原有的土壤层次和剖面发育，这些扰动作用除了保留原有母土物质的某些特性外，没有发育形成新的发生层，成土过程要从新开始；第二，一般自然土壤的形成时间需要几十年甚至成百上千年，而矿山土的成土时间在短时间内即可完成，这是它作为新成土形成的重要标志；第三，矿山土是人们按照矿区土地复垦要求，有意识有目的对土壤进行重构和培肥的结果，直接影响着人类的生产和生活，同时人类也影响着矿山土的形成和发展；第四，矿山土的成土物质具有不确定性，其中大多来自当地的土壤和石砾，或与所在矿区有关的矿渣、煤矸石、粉煤灰、城市污泥等[22]；第五，矿山土是人为堆垫的结果，如果当初的排土设计不到位或后期的管护缺失，会出现二次灾害，如不均匀沉降或严重的水土流失，需要对矿山土实施较长时间的人工管护。因此，将矿山土划归在新成土纲中的亚纲——人为新成土中，作为人为新成土的一类，正式命名“矿山人为新成土”，简称矿山土，与扰动人为新成土和淤积人为新成土并列。

矿山土在完成堆垫后，经过种植植被、灌溉、施肥等措施，将朝着其他土纲的土壤类型演变，见图1。

图1 矿山土的演变

其中(a)表示是下垫面为岩屑、矿渣等固体废弃物，其上为堆垫土壤；(b)表示在土源丰富的地区，直接用当地土壤进行堆垫；(c)表示在土源匮乏的地方，用细碎石砾、石屑，甚至粉煤灰等作为土壤替代物。在人工培育的条件下，经过一定程度的熟化后，可在以复垦物质为主的母质层(C)上出现复垦表土层(A)；随着复垦时间的延续，在复垦表土层和母质层之间弱度发育出雏形层((B))，演化为雏形土纲；再进一步熟化发育后，雏形层((B))演变为成熟土层(B)，即成为了其他类型的成熟土壤，但因为矿山土一直在人工干扰下发育，可形成人为表层，所以最终发育方向以人为土为主。

4 矿山土的利用

4.1 矿山土利用方式

自然土壤无需特殊人工管护，在生态环境稍差的地方应采取水土保持措施，减少土壤的侵蚀。对矿山土的利用，实际上是涉及到对复垦土地的利用方向的选择。在矿区，除了气候因素外，地形因子、土壤因子和生物因子都是完全人为控制的。根据土地复垦利用“因地制宜，综合整治，宜耕则耕，宜林则林，宜渔则渔，宜草则草”的原则，矿山土在利用方式上有多种模式，但其中草地和林地是最常见的。因为不论从土地利用的技术上还是经济成本的考量上，林地和草地均最合理[23-25]。而从我国人多地少，耕地保护和粮食安全的角度出发，复垦为耕地是一种主流选择，但因为其资金、人力和技术的投入上面较林地和草地高，所以在矿山土具体利用过程中，需考虑耕地、林地和草地三者之间的平衡，以实现效益的最大化。

4.2 矿山土利用建议

矿山土是否得到合理利用决定着土地复垦的成败，因此在其利用过程中应注意以下问题。

1) 矿山土的来源较复杂，目前使用较多的是矿山固体废弃物和当地土壤。其中矿山固体废弃物包括掘进和剥离的废石，选矿技术较差的情况下丢弃的“贫矿”，选矿后的尾矿砂，冶炼厂炉渣，以及在凿岩、爆破、铲运、运输等工艺产生的粉尘等。对环境有明显污染的物质不能直接作为矿山土的母质，需要经过污染处理达到允许的标准后再使用，且在复垦初期也不宜种植粮食作物、牧草或果树等，以免危害人畜，建议先造林或选择种植对矿山土内污染物有吸附力或耐受力的草本植被，以逐步消除土壤中的污染物；或者将对植物生长不利的大块废石和有害物料堆置在最下层，上面再用其他无污染物质覆盖一定的厚度，以隔绝污染物对地表植被的影响。而对某些以煤矸石作为填充或堆垫物料的矿山土，土层应覆盖厚一点儿，因为薄的土层会让煤矸石与地表空气有更多的接触，易引起自燃现象或造成地表温度较高，不利于作物的种植。

2) 矿山土堆垫过程中，可根据堆放物质的特性，科学设计一定的安息角，以保证堆垫后的土壤保持稳定，不会发生滑坡或坍塌的现象；同时对安息角的研究，是从地面坡度的角度考虑后期土地复垦的方向。如以砾石、碎石为主的岩堆，其最大安息角建议为39°，而以石灰岩和砂黏土为主的岩堆，可以设置的最大安息角为45°。但在实际堆垫过程中，最大安息角不宜过高，一般为35°，以满足植物的生长和保证林业和农业技术装备生产运行。例如作为林地的坡度不高于35°，作为草地的坡度最高为25～30°，而对耕地的要求则更高，通常在25°以下。

3) 矿山土母质在堆垫过程中不仅需对有碍植被正常生长的物质进行清理、深埋，安息角进行合理设置以及堆垫物表面平整，还应将堆垫物质按照一定的顺序堆垫，如在有土源的前提下，应尽量把废弃物堆垫在最下面然后才在上面覆盖土壤；在没有土源的情况下，建议把一些细碎、易分化的物质堆垫在表面，以缩短矿山土风化时间。作为矿山土组成的不同类型土壤，也应区别对待。例如山西平朔矿区，红黏土和黄绵土均为当地代表性土壤，就其土壤本身质量来说，黄绵土的要较好于前者，所以在堆垫及覆盖的过程中，利用红黏土压实后水稳性较好，强度较高但透气性不好的特性将其作为下垫土层，其上再覆盖透水性及可耕性良好的黄绵土，形成人造“蒙金土”构型，有利于加快复垦进度。

4) 对已堆垫完毕并经过平整后的矿山土要逐渐恢复矿山土的肥力质量。当矿山土最上层或通体为土壤时，经过机械碾压后，土壤会板结成块，使得矿山土表层渗水性差，当遇到降雨时，雨水不易下渗而在地表形成汇流造成堆垫边缘水土流失，或者在低洼部分形成水坑；当矿山土表层或通体是岩石碎屑和砾石时，由于组成物质本身颗粒以及颗粒之间空隙大，使得矿山土的保水保肥性能差，也不利于植被的生长。因此，对刚堆垫平整的矿山土，需通过深耕和人工主动培肥方式，辅以健全的排灌水设施，改善矿山土的理化性质，从而加速矿山土的发育，使之成为成熟的土壤，这样更有利于矿山土快速投入到农业生产中，或向更多的方向转变，例如发展现代化生态农业，以及在条件允许的前提下可以开发为工业旅游用地或其他公共娱乐用地等[26-27]。

5 结束语

矿山土是在矿区特定环境中受强烈的人为作用而形成的一种人造土壤。本文以土壤发生学理论为指导，对矿区土地复垦过程中形成的矿山土的成土条件、剖面特征及理化性质进行系统总结，并结合矿山土的特点建议在新成土土纲中单独划出一类土壤——矿山人为新成土类，同时对其演化进行简单说明。进而认为在当前环境下，对矿山土的利用需要在耕地、林地和草地三者利用方式间进行协调，以实现矿山土利用效益的最大化。最后对矿山土利用在不同阶段提出建议，为土地复垦学理论和技术体系的建立，以及矿区复垦土地质量的监测和评价起到一定的推动作用，对我国土地复垦标准建设也有参考价值。

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