矿山复垦土壤重构的理论与方法

胡 振 琪

(中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

矿产资源是国民经济发展的源泉与动力，但矿产资源开采不可避免地造成土地及生态环境的损伤，严重制约着我国生态文明建设，已成为矿山可持续发展的硬约束。因此，矿区土地复垦与生态修复已经成为国内外关注的焦点。

矿产资源的开采首先影响的是土地，无论是露天开采的直接挖损还是井工开采的地表沉陷，都导致历经数百年甚至上万年形成的土壤受到破坏，因此，矿区土地复垦与生态修复的首要任务是恢复土壤。许多土地复垦与生态修复工程，没有很好地考虑土壤重构，甚至把土壤仅仅当成是一般的土石方原料进行土石方工程施工，导致复垦土壤生产力低、复垦工程失败。

土壤是一切生物之基。如果没有很好地恢复土壤，矿区生态系统就很难恢复，为此，许多国家把复垦土壤生产力水平作为衡量复垦工程成败的标准，因此，土壤重构(Soil reconstruction)就成为土地复垦与生态修复的关键和核心。

有关研究表明：现代复垦技术研究的重点应是土壤因素的重构，而不仅仅是植被的建立，为使复垦土壤达到最优的生产力，构造一个最优的、合理的、稳定的土壤物理、化学和生物条件是进行土地复垦和生态修复最基本的工作。西方工业国家对矿山复垦土壤重构的研究较多，从土壤重构的立法、实施及验收标准，到土壤重构的具体内容：如土壤与岩层的采前分析、表土的剥离与回填、土壤替代材料的选择、各岩土层剥离与回填的方法和设备、表土层厚度的优选、侵蚀控制、地貌及排灌系统设计等，都进行了较为深入的研究，制定了相关的复垦法规或标准，取得了显著的成果。美国在20世纪70—80年代，主要围绕露天矿土壤重构进行研究，重点是围绕岩土混合排放的排土场土壤重构或改良研究，如：DANCER和JANSEN将露天矿不同土层和深部松散岩层混合进行饲料作物种植，表明石灰质岩层和酸性心土混合能改良土壤酸性和质地，从而增加作物产量，且某些深部土层性质优于原始心土层，可以作为心土替代物使用。POWER等在碎岩石为基底的矿区废弃地上覆盖0，20，60 cm表土和0～210 cm心土进行复垦，研究表明总覆盖土壤厚度在90～150 cm内时，4种作物的产量均随着覆盖土壤厚度的增加而增加，且覆盖20 cm表土加70 cm心土时，作物能取得最高的产量。MCSWEENEY等将露天矿不同深度心土层和基岩层材料进行混合后覆盖30 cm表土层，进行玉米和大豆种植，重构后的土壤剖面获得了比周围未破坏农田更高的作物产量。美国1977年颁布的《露天采矿控制与复垦法》要求复垦土地达到等于或超过采前土地生产力，对优质农田复垦要求分别剥离和回填表土及心土，厚度达到1.5 m，以形成较好的作物根系生长发育的土壤介质。

国内学者从20世纪90年代也开始矿山复垦土壤重构的研究。笔者在借鉴国外露天矿内排倒堆开采复垦工艺的基础上，提出了“分层剥离、交错回填”的土壤剖面重构工法并建立了土壤剖面重构的数学模型，并推广应用到采煤塌陷地复垦技术中；2005年笔者又进一步提出了复垦土壤重构的概念并界定了其内涵，对土壤重构进行了系统分类与概括，提出了煤矿区土壤重构的一般方法。王金满等将土壤多重分形理论等引入排土场土壤重构研究中，揭示了山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场的重构土壤结构特征，通过内蒙古伊敏矿区排土场复垦土壤动态演变规律的研究，分析了草原区露天煤矿排土场复垦土壤演替的一般规律。笔者基于前期土壤重构理论与方法的研究，提出了间隔条带式充填复垦方法，即通过分条带、分层剥离土壤方式，保障土壤的原有质量；通过间隔条带堆放剥离土壤(表土、心土)，保障了全部塌陷地的充填完整性以及土壤剥离与回填的有序性。在此研究基础上，笔者依据仿自然修复原理，仿优质自然土壤剖面构造，进一步提出了夹层式充填复垦原理与方法，构建了多层结构的复垦土壤剖面。

综上所述，经过国内外几十年的研究和实践，复垦土壤重构的研究已取得很大进展，有了“分层”构造的意识，但大都是对矿山损毁土壤改良、表土覆盖以及结合采矿与复垦技术的土壤重构工艺进行的探讨，但在为什么“分层”和如何“分层”等理论支撑方面十分缺乏，因此，为填补矿区土地复垦与生态修复理论空白，提升整个行业的科学水平，提高复垦工艺效率及效益，有必要对土壤重构的理论与方法进行系统的总结和提升，为矿区土地复垦与生态修复独特的基础理论提供支撑。

1 土壤的形成与矿山复垦土壤存在的问题

1.1 土壤的形成与自然土壤剖面

俄国著名学者道库恰耶夫1900年创立了土壤发生学，他认为：土壤形成过程是由岩石风化过程和成土过程所推动的，影响土壤发生和发育的主要有母质、气候、生物、地形、时间5种自然因素。土壤的形成是一个极其漫长的地质过程，是地质大循环和生物小循环的产物，200～400 a只能形成1 cm厚的土壤。母质、气候、生物、地形4种成土因素及其相互间作用，是随着时间的推移而不断深化的。时间越长，土壤在风化、沉积等地质作用的原始成土过程、有机质积聚过程、黏化过程等成土作用下发育越好。风化程度随着土壤深度逐渐减弱，土壤层次分化明显，如表层土壤有机质积聚颜色加深，且越往深部土壤颜色越浅；表层土壤往往养分含量高、容重小，适宜植物根系生长。因此，自然土壤剖面往往具有明显的分层现象(图1)。土层是成土过程综合作用下所产生的物质迁移、累积、转化所形成的土壤性状差异在剖面的反映，不同的成土条件，导致不同的土壤剖面特征(称之为土壤剖面构型)，一般包括均质型(通体砂、通体壤、通体黏等)、夹层型(壤夹黏、黏夹砂等)和底层型(上砂下黏、上黏下砂等)等(图2)。

图1 自然土壤剖面示意Fig.1 Schematic diagram of natural soil profile

图2 土壤剖面构型(部分)示意(修改于文献[17])Fig.2 Schematic diagram of soil profile configuration (partial)(Modified from References[17])

每一土层的物理、化学和生物特性直接影响土壤生产力和植物的生长，因此，土壤剖面构型对土壤系统功能和生产力起重要作用。

1.2 矿山复垦土壤存在问题

矿山开采过程中，对土壤的破坏主要有3种：一是挖损，露天开采需要剥离上覆岩土层，挖损破坏了原有天然的土壤结构和地层结构， 彻底扰动了原有土壤条件，影响植物生长和加剧土壤侵蚀和水土流失；二是塌陷，井工开采引起地表塌陷破坏土地，使土地下沉积水或产生地裂缝，导致土壤条件的变化或损失；三是压占，开采过程中产生的固废压占破坏土地，使固废堆场表面缺乏土壤且还存在酸性或重金属污染等，植被恢复困难。自然形成的土壤剖面结构不容易改变，但矿山开采对土地造成破坏，为土壤剖面构型的重新构造创造了条件。如果构造得法，就有可能等于或优于原有土壤系统的功能。为深入研究复垦重构土壤剖面，笔者先后挖取23个土地复垦后的土壤剖面(图3)，并从土壤形态特征、土层发育指数等进行了土壤分类研究，发现：复垦土壤土层发育指数与原状土壤相似度极小，复垦重构土壤剖面多具有土层排列凌乱或无层次、无规律、土层间多以模糊不规则过渡等特征，部分充填复垦重构土壤表现出充填材料与覆盖土壤之间明显间断的过渡形式。

图3 某“挖深垫浅”复垦技术重构土壤剖 面案例(混合、无分层现象)Fig.3 A case of reconstructed soil profile by “digging deeper and padding shallower” reclamation technology (mixed，no stratification)

不合理的土壤重构往往会形成杂乱的土壤结构和较低的土壤生产力，植物或作物长势差并可能进一步导致土壤退化，出现复垦土地植被“一年绿、二年黄、三年死光光”。究其原因是土地复垦过程中对土壤重构重视度不足，如最基本的表土单独剥离与回填也较少能做到。再深入分析是缺乏将土壤形成过程、土壤生产力相关知识应用到土壤重构，缺乏系统科学的理论指导，导致难以规范化实施，也难以监管约束。

2 矿山复垦土壤重构相关概念

2.1 土壤重构的概念

矿山开采和复垦过程中必然扰动土壤剖面结构，如露天开采剥离了全部土壤层的同时还剥离了煤层上覆的岩石地层，是对整个土壤和地层系统的破坏。因此，土壤重构亦是重构土壤，是综合运用工程措施及物理、化学、生物、生态措施，使受损的土壤系统功能得以恢复的过程或活动，重点是构造一个适宜土壤剖面，恢复土壤肥力因素，为植物生长构造一个最优的物理、化学和生物条件，在较短时间内达到最优的生产力，并使其具有长期稳定性。尽管土壤重构的范围主要是地表数米的土壤层，但露天矿土壤重构范围则是煤层上方的所有土壤和岩石层。

土壤系统由单元土体、土层和土层群(土壤剖面)组成。如果将土壤看成是众多单元土体的集合，那么，重构土壤的过程就是一个众多单元土体有机组合的过程。土壤形成经历了漫长的地质过程(即自然地质成土)，其资源价值是大自然的馈赠，弥足珍贵。人为重构土壤就应该充分利用已形成和发育好的单元土体，仿照自然土壤结构和形成要素，通过人工措施在短时间里构造一个具有最优、合理、稳定的物理、化学和生物条件的土壤系统。单元土体是土壤的基础，其特性与成土条件和过程密切相关；土源缺乏时就必须先进行人工成土,即：“造土”。在有土壤的基础上进行合理的单一土层和土层群的构造，形成科学合理的土壤剖面系统。因此，从“土壤系统”构造的视角，土壤重构就是“造土”加“土壤剖面构造”。由于土壤是由各个单元土体集合而成的，那么单元土体质地、营养和化学元素含量及微生物的差异，直接决定该土体在整个土壤系统中的功能与空间位置，如单元土体质地好、营养元素含量高往往可以作为表层土壤。单元土体的有机组合可进行垂向叠加和平面排列，其中在垂向上叠加组合就形成土壤剖面构型，平面上的有机排列组合就形成地形地貌特征。此外，成土时间要素的影响就是对重构土壤的改良与熟化。因此，土壤重构是单元土体的四维重构(图4)，即是在考虑土地用途和仿照自然土壤的情况下，单元土体在垂向上叠加构建合理的土壤剖面构型；在平面上科学重塑地形地貌；在时间维上通过人工和自然的改良提升重构土壤肥力，使重构的土壤达到最优的生产力。因此，广义的土壤重构包括土壤剖面重构、地貌重塑和土壤改良。由于土壤剖面是决定土壤生产力的关键，狭义的土壤重构就是土壤剖面重构。本文将重点讨论狭义的土壤重构。

图4 土壤重构的概念模型示意Fig.4 Schematic diagram of the conceptual model of soil reconstruction

土壤剖面不同土层之间的位置和功能关系有明显的差异(图4)，土壤剖面重构关键就是要根据各土层之间的差异构造合理的剖面。土地复垦工程中土壤剖面重构不合理的原因是没有很好区分和理解各个土层的功能差异、无差别地混合土层甚至地层。此外，“分层剥离”复垦以及如何构造较好土壤剖面的理论依据也十分缺乏，为此，笔者从多年矿山复垦土壤重构的实践和研究中，提出 “土层生态位”和“土壤关键层”2个新概念，旨在从理念上认识不同土层功能的差异和土壤剖面构型的重要性，有助于从基础理论上支撑科学的土壤剖面重构。

2.2 土层生态位

“生态位”是生态学中的概念，是指一个种群在生态系统中，在时间、空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。由前所述，土壤具有典型的分层特征，是在长期的地质风化、成土和熟化过程中形成的。对于不同的土地利用类型，不同土层的生态功能与作用是不一样的；不同性状的土层有其独特的生态功能，从而也有其独特的空间位置。不同土层的组合(即不同的土壤剖面构型)就构成具有独特功能的土壤系统。因此，将各个土层在空间上所占据的位置及其与相关土层之间的功能关系与作用，称为“土层生态位”(图5)。对于植物生长来说，处于不同生态位的多个土层在土壤水分、溶质运移、气体热量传输方面具有不同的功能和作用。植物不同对土层深度功能的需求也不同，一般2 m之内各个土层是发挥重要生态功能的空间。表土层A是植物萌发、幼苗生长期发挥重要作用的土层，要求较高含水率和有机质及富含营养元素，此外，要求疏松的土层使得植物根系易于生长穿插，易于植物根冠发育。心土层B需要为大量植物根系提供空间并为植物提供大量水分、营养，同时保障植物坚挺不倒伏，因此，要求土壤有足够含水量、紧实度和持续的营养供应，使得根系能够扎稳。土壤母质层C往往尚未完全熟化为土壤、颗粒较大、矿物含量高，位于土壤较底层位，为土壤提供基础支撑。

图5 “土层生态位”和“土壤关键层”示意Fig.5 Schematic diagram of “the niche of soil layer” and “the critical layer of soil”

“土层生态位”的内涵是每一土层有其独特的生态功能和空间位置，它与其他土层有密切的相互作用关系，需要科学合理的处理每一土层才能构造出理想的土壤剖面，实现高质量的土壤系统功能。这一新概念的提出，其目的就是要求认真对待每一土层的生态特征及功能，而不能将不同土层当成均质的土壤同等对待。将“土壤剖面构型”扩展到考虑“单个土层”和“土层群”的“土层生态位”，不仅仅是概念名称的变化，更重要的是从生态功能视角，正确认识每一土层的作用及空间位置适宜性，更有利于“土壤剖面构型”的优化和土壤重构技术的革新。

2.3 土壤关键层

许多相关学科的研究都有“关键层”“关键带”等概念，如地学研究中的“地球关键带”、采矿和岩石力学研究中的岩石“关键层”，都在学科理论中发挥了重要作用。在土壤剖面的系列土层中，也有一些土层发挥着重要作用，直接影响土壤系统的整体功能和生产力，如表土层、毛管阻滞或渗漏阻滞层等，因此，把影响土壤生产力的关键土层，称为“土壤关键层”(图5)。土壤关键层以其显著的形态分异特征为重要标志，其功能明显区别于相邻或其他的土层。土壤关键层的质地、位置、厚度直接影响关键层的作用效果。大多数情况下土壤关键层是对植物生长有关键正向作用的土层，也有一些情况下是植物生长的障碍层。因此，深入了解土壤关键层，对土壤改良和重构土壤剖面构型具有重要作用。

常见的土壤关键层主要有3种：

(1)表土层。表土是植物赖以生存的介质，不仅含有当地植被恢复的重要种子库，还可保证根区土壤的高质量和微生物数量及其群落结构，缩短土壤熟化期。因此，复垦时要对其单独剥离、储存和回填，对缺少表土区域，要研发表土替代材料。

(2)含水层。在地质学上含水层常指土壤通气层以下的饱和层，其介质孔隙完全充满水分。在土壤剖面构型中，含水层主要指具有一定厚度的保水持水性能高的介质层次。相关研究表明，多层质地剖面相较于均质型剖面可蓄持更多的水分；细质地土壤的含水量高于均质土，起到储水作用；黏土层会对土壤水运动产生影响，且不论黏土层出现的位置，其含水量均相对较高。

(3)隔水层。在地质学中主要指重力水流不能透过的土层或岩层，如黏土层、重亚黏土层及致密完整的页岩、火成岩、变质岩等。隔水层必须具有结构稳定性和渗流稳定性才具有阻隔水的能力，其阻隔水能力的大小与岩性组合特征有显著相关性。

也有一些严重影响土壤剖面功能或生产力的障碍层，也称之为“关键层”，这就需要在复垦重构时消除原有的障碍，改善土壤生产力。

2.4 土层生态位与土壤关键层的关系

科学理解土壤剖面重构的关键是对各个土层功能及相互关系的认识，即“土层生态位”。“土壤关键层”是各个土层中发挥重要作用的土层，因此，“土壤关键层”是在“土层生态位”基础上对土壤剖面的进一步认识和精细刻画。

3 矿山复垦土壤剖面重构原理

基于前面对土壤重构的分析和提出的新理念，重新构造土壤剖面需要遵循以下基本认知：

① 土壤剖面是一个多土层的垂向叠加结构；② 每一土层一般由相似和相同质地的单元土体集合而成；③ 每一土层有其独特的生态功能和空间位置，即“土层生态位”；④ 每一土层的生态位由其理化和生物特性及其与其他土层的关系所决定；⑤ 土层中存在对整个土壤系统功能起决定作用的“关键层”，即“土壤关键层”。

基于对土壤剖面的正确认识，土壤剖面重构原理就是以土层生态位为理论基础、土壤关键层为构造核心，设计和优化土壤剖面构型并付诸实施的过程，重点是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。

基于上述原理，土壤剖面重构的优化设计方法为：① 在深入分析自然土壤剖面结构和损毁土地特征的基础上，基于需求确定重构土壤剖面的功能目标；② 通过待构土层理化-生物特性的分析及土层生态位适宜度评价，确定各土层生态位的基本属性特征；③ 通过土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争性等要素分析及土层间相互作用关系分析，确定可能的土壤剖面构型和土壤关键层；④ 通过室内外种植试验或模拟试验进行整体优化和方案筛选，重点是土壤关键层的优化和作用机理分析，从而获得最佳生产力功能的土壤剖面构型(图6)。

3.1 重构土壤剖面目标的确定

依据采矿未扰动周边土壤剖面、地质条件及优势植被(作物)的分析，确定参考土壤剖面构型，刻画出土层数和各层的生态位特征。依据采矿损毁土地的特征和当地的实际情况和需求，确定复垦土地的利用目标，再考虑有无外来土源材料及质量情况，确定拟构造的土壤剖面层数、作用等目标，如恢复不低于原始土层生态位的仿自然土壤剖面构型、利用充填材料构建的新土壤剖面构型等。

3.2 土层生态位适宜度评价和各土层生态位的基本属性特征确定

每一土层的生态位由其理化和生物特性及其与其他土层的关系所决定。因此，需要对各待构土层和可能的土壤材料进行理化、生物特性分析，为土层生态位的确定奠定基础。

图6 土壤重构剖面优化设计方法流程Fig.6 Flow chart of soil reconstruction profile optimization design method

一方面需要研究待重构土壤的各种单元土体性质，进行筛选分类，做到物尽其用；另一方面，通过不同方式筛选或研制重构土壤需要的替代材料，如对露天矿复垦从剥离土层地层中筛选表土替代材料、采煤塌陷地筛选充填复垦材料、单元土体改良与组配材料等。因此，单元土体性状的分析、采矿前各个土层地层性状的分析等都是必不可少的。在各种备选土层材料分析的基础上，笔者采用“土层生态位适宜度”定量分析的方法确定各待重构土层生态位的基本属性特征，其主要步骤是：

(1)基于上述确定的重构土壤剖面目标，阐明目标的各个土层功能特征，并建立土层集(,，…，)以及各土层的空间位置从上到下顺序，其中为土层总数。

(2)构建土层生态位适宜度评价指标体系及相应指标的标准。选择易获取且敏感性强的单元土体物理、化学和生物特性的关键指标构成适宜度评价指标体系，如土壤物理特性中的质地和含水特性、土壤化学特性中的pH、有机质和营养成分、土壤生物数量等。这样就构成了指标体系(，，…，)，其中为指标因子数。

对于单层指标标准体系，每个指标的标准可以采用国家对农用地表土层的标准，即(,,…，s)。对于多层指标标准体系，可以采用参考土壤剖面各个土层的理化和生物特性作为标准，即层指标标准s1(s11，s12,…，s1)，层指标标准为s2(s21，s22,…，s2),…，层指标标准s(s1，s2,…，s)。大多数情况下，以单层指标标准体系为标准，更方便确定土层生态位和土壤剖面构型，本文后面的相关研究也主要以单层指标标准体系为例。

(3)生态位适宜度(Niche fitness of soil layer，NF)评价模型，可以采用2种方案：一种是采用单层指标标准体系(如表土层)的评价模型和方法；另一种是采用多层指标标准体系的评价模型与方法，2者都需要确定各个指标的生态位适宜度模型，对单层指标标准体系，只需要确定一组各个指标的生态位适宜度模型；而对多层指标标准体系的，则需要对每一层指标标准构建生态位适宜度模型，即有组各个指标的生态位适宜度模型。

各个指标的适宜度模型主要有正向型、适度型和负向型3种类型。

第1种是正向型：

(1)

第2种是适度型：

(2)

第3类是负向型：

(3)

式中，为指标的生态位适宜度；为指标的实测值；min为指标的最小值；max为指标的最大值；opt为指标的标准最适宜值。

对待重构土层材料，利用上述模型进行评价，计算出各个指标的生态位适宜度。

(4)生态位适宜度综合评价。对待重构土层材料，通过多个指标生态位适宜度的综合评价，确定该土层的综合生态位适宜度，往往采用考虑各个指标重要性的加权平均模型：

(4)

式中，NF为土层的生态位适宜度，=1,2,…,；为指标的权重。

对单层指标标准体系的土层综合生态位适宜度，往往是各个待重构土层对最优土层()的适宜度。对多层指标标准体系的，需要对各个待重构土层进行生态位适宜度综合评价，确定其对各个多层指标标准的土层生态位适宜度，再综合对比相关待重构土层对各个多层指标标准土层适宜度的排序结果，确定各个待重构土层的最优土层位置及相互关系。

3.3 土层生态位优化的理论分析和可能的土壤剖面构型和土壤关键层确定

土层生态位具有空间位、宽度、重叠、差距和竞争等特性。对生态位各个特性进行分析和优化，就能发挥每个待构土层的作用，构建更好的土壤剖面构型。

土层生态位的空间位(Niche space of soil layer，NS)是指某一土层在土壤垂直剖面空间的位置，如上、中、下等位置(图7)。不同土层空间位，在土壤水分、溶质运移、气体热量传输方面具有不同的功能和作用。对耕地土壤，空间位越高，往往其提供植物营养的能力应该越大。例如，表土层往往空间位最高。土层生态位空间位的定量分析，可以通过“土层生态位适宜度评价”而确定。通过对比分析各个待重构土层的生态位适宜度，就可确定相互之间的空间位置顺序，一般最适宜的在上部空间位置，最不适宜的放在下部空间位置。也可利用空间位定量指标(式(5))计算各土层的空间位，NS越接近1时，表示该土层空间位越高：

图7 “土层生态位”概念模型Fig.7 Conceptual model of “the niche of soil layer”

(5)

式中,NS为土层的生态位空间位。

土层生态位重叠(Niche overlap of soil layer， NO)是指2个或2个以上土层具有相似的功能和作用，可以进行混合并可处于同一空间位，它表明土层功能关系的类似、作用相同(图7)。土层生态位重叠时在土壤水分、溶质运移、气体热量传输能力的相似性。多个土层重叠度越小，土壤剖面结构越丰富，对土壤水分、空气竞争性越强，比如，毛管空隙多的土层比毛管空隙少的土层对土壤水的毛管吸力更强。有机质含量高的土层比有机质少的土层对肥料吸附更强。多个土层重叠度越大，土壤剖面结构越单一，土层之间对土壤水分、空气的传输性越相似。可用定量指标(式(6))计算土层生态位重叠度。当2个土层之间的NO越接近1时，表示这2个土层之间相似的功能和作用越强，可以混合重叠。

(6)

式中，NO为土层与土层的生态位重叠，,=1,2,…,；为土层的指标的生态位适宜度；为土层的指标的生态位适宜度。

土层生态位竞争(Niche competition of soil layer，NC)是指土层不能在同一空间位存在，存在相对的竞争排斥现象，反映土层功能关系的强弱。土层生态位竞争性越强，土层适应性越广，类似于壤土土层。土层生态位竞争性越弱，土层适应性越窄，类似于沙土土层。

为评价复垦区土层之间相对的竞争排斥现象，反映土层功能关系的强弱，找出功能最大的土层。也可用定量指标(式(7))计算，当土层的NC越接近1时，表示这个土层竞争性越强，当2个土层的NC相差较大时表示2者功能关系弱。

(7)

式中,NC为土层的生态位竞争。

土层生态位差距(Niche difference of soil layer，ND)是指土层间的生态功能差距或某一土层与理想土层功能的相差距离，前者为相对差距，后者为绝对差距(图7)。绝对差距越小，土层生态位功能提升改良的成本就越低。相对差距小，2个土层关系密切，具有良好的空间位关系。在土壤剖面整体优化时，可以依据该差距进行土层间空间位的优化，也可作为空间位关系评价的验证。分析出差距后，还需要考虑有无缩小差距的途径和如何缩小差距及其可行性。基于差距可以判断功能强大的土层或障碍层。也可用定量指标(式(8),(9))计算，当ND值越小时，土层生态位功能提升改良的成本就越低，ND值越大时，该土层为障碍层。当ND越小时，2个土层关系密切。

(8)

(9)

式中，ND为土层与土层的生态位差距，即2者的相对差距；NDopt为土层与标准土层的生态位差距，也称绝对差距。

土层生态位的宽度(Niche breadth of soil layer，NB)又称生态位广度、生态位大小，是指某一土层在空间占据的范围。土层生态位宽度大，说明这种土层资源量大，反之资源量越小。在面积固定的情况下，资源量越多，土层生态位的厚度就越大，其发挥该土层功能的作用往往也越大。因此，在复垦面积相同的情况下，表土层或关键层材料越多，该土层的宽度就越大，就可提高该土层的功能。基于这种思想，在复垦规划设计时应合理确定各个土层的生态位宽度，增大关键层的生态位宽度。也可用定量指标式(10)计算：当NB值越大，说明这种土层资源量大，反之资源量越小。在复垦区面积和土壤重构总厚度固定的情况下，资源量越多，土层的厚度就越大。

(10)

式中,NB为土层的生态位宽度;为土层的厚度。

一般情况下，基于土层生态位适宜度评价结果，首先进行空间位的确定；再根据土层生态位重叠特性的分析，决定需要重叠的土层；然后从竞争和差距的分析判断功能强大层和障碍层，从而初步确定可能的关键层；然后进行土层生态位宽度的分析，确定各个土层的生态位宽度及增加关键层宽度的可能性。基于以上土层生态位5个特性的分析、优化，可设计出初步的土壤剖面构型及附加的重构改良措施。

3.4 基于科学试验验证和优化土层生态位与关键层，确定最优的土壤剖面构型

通过室内外种植试验、柱试验和数值模拟等方法，对设计的各个土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争等特性进行深入论证与对比分析，尤其对关键层的生态位进行优化试验与模拟，从而确定出每个土层的精准生态位及其功能以及提升改良措施，精准设计出最优功能的土壤剖面构型，包括土壤关键层的位置和数量，使土壤系统达到一个可自我持续发展、具有较高生产力的状态。野外和盆栽试验以植物(作物)产量或生物量为最主要标准，土柱试验和数值模拟以土壤保水性、含水量等整体功能关键参数为优选标准。

4 土壤剖面重构实施的技术原理与工法

基于土壤重构原理优化出的最优土壤剖面构型如何在土地复垦工程中实现呢？就需要很好的工法。保证各土层的生态位和连续高效施工是实现土壤重构的关键。

4.1 矿山复垦土壤剖面重构的技术原理

基于以上土壤剖面重构原理分析不难发现，土壤剖面重构的核心是正确理解和认识每个土层的生态位和关键层。为了按照土层生态位和土壤关键层将土层重构到其适宜的空间层位中，必须采用土层的“分层剥离、分层回填或构造”，此时不可避免有路径、方式等工艺的优化以及解决连续工程实施和高效施工等问题，为此 “分层剥离、交错回填”就成为土壤重构的一般技术原理，即通过对复垦区分条带或块段，分层剥离各个土层，并通过错位方式回填，实现土壤剖面重构。“分层”是满足“土层生态位”和“关键层”构造的要求，“交错”是实现“分层”的手段和途径，也是土壤重构连续、高效施工的保障。这一新认识，是对前期研究的提升和进步。

4.2 矿山复垦土壤剖面重构工法

土壤剖面重构实施的技术工艺亦称工法。由于矿山土壤重构实践在先、理论在后。许多工法都在前期开发出来并得以实践，这里仅介绍露天矿采复一体化和采煤塌陷地挖深垫浅2种重构工艺。

笔者在20世纪90年代就针对露天矿研制出“分层剥离、交错回填”露天矿采复一体化工艺(图8)，并建立数学模型，后续持续改进。重构开采前土层(包括岩层)顺序的土壤重构工艺可用下列通用数学模型表示：

(11)

条带的{-[-(+1)]}，(=1,2, …,-1)

(12)

(13)

式中，为交错重构而划分的条带或块段数;为第岩土层；′为剥离的第岩土层在开采区域外部堆放的岩土堆。

对井工煤矿采煤塌陷地，常常采用挖深垫浅复垦技术，这种情况表土往往是关键层，应该尽可能挖掘待挖深区的表土利用，以增加垫浅区表土的生态位宽度。为此，通过挖深垫浅的“分层剥离、交错回填”工艺，运用土层生态位、土壤关键层理论，科学利用待挖深区的表土，与垫浅区表土形成双表土，构造双表土的土壤剖面构型(图9)，提高土壤生产力，其技术工艺(图10)为：

(1)将复垦区域划分为“挖深区”和“垫浅区”，并分别将“挖深区”和“垫浅区”划分成若干块段(依地形和土方量划分)，以1，2，…，和1′，2′，…，′编号。

图8 露天矿采复一体化土壤重构工艺示意Fig.8 Schematic diagram of soil reconstruction process for open pit mine reclamation

图9 采煤塌陷地挖深垫浅复垦土壤剖面构型Fig.9 Soil reconstruction profile of the reclamation of deep and shallow pads in coal mining subsidence

(2)将土层划分为若干层(假定为2个层次：一是上部20～40 cm的表土层S；二是下部土层X)。

(3)按照“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术原理，先将“挖深区”和“垫浅区”相对应的首块段(1和1′)上部表土层S剥离堆放然后将“挖深区”的第1块段的下部土层X剥离填在“垫浅区”的第1′块段的下部土层X，再将第2块段和第2′块段的上部表土层S剥离填在“垫浅区”的第1′块段上，以此类推直到完成所有块段，使复垦后的土壤剖面实现双表土层，增大关键层表土层厚度，使复垦土地明显优于原土地，其土壤重构的数学模型是：

′块段土壤结构=“(+1)块段上层土”+

“块段下层土”+(+1)′块段剥离的上层土

(14)

′块段的结构=“1块段上层土”+“块段下层土”+“1′块段预剥离的上层土”

(15)

式中，=1，2，…，-1。

5 矿山复垦土壤重构理论与方法应用案例

选择山东邱集煤矿采煤塌陷地黄河泥沙充填复垦为案例(36.48°N，116.47°E)。该区域属于黄河北部冲积平原，暖温带半干旱季风气候，光照充足，年均降水量600 mm，蒸发量为 1 800～2 000 mm，无霜期可达210 d以上。

5.1 黄河泥沙充填复垦土壤重构的优化设计

基于土层生态位、土壤关键层理论，依据本文提出的土壤剖面重构优化设计方法及步骤，对黄河泥沙填充复垦土壤重构进行优化设计。

(1)复垦目标的确定。根据调查，案例区采矿前土地以农田为主，种植结构多为冬小麦-夏玉米的一年两熟形式。原始土壤剖面结构是0～20 cm表土层、其下为厚度超过2 m的心土层。该处潜水位高，采后土地极易积水、丧失土地生产力，复垦方向优选为耕地。由于地势低洼，本身土源有限，但附近有黄河干渠、淤积严重，每年都需要清淤，因此，可采用黄河泥沙作为外来土源充填复垦采煤塌陷地。

图10 挖深垫浅复垦土壤重构工艺示意Fig.10 Schematic diagram of the soil reconstruction process for the reclamation of deep and shallow pads in coal mining subsidence

(2)黄河泥沙充填复垦土壤的土层生态位适宜度评价，确定备选土层材料的生态位的基本属性。该区域重构土壤备选的土层材料有：原始表土层0～20 cm，为A材料，属于粉黏壤；其下的心土层20～200 cm，为B材料，属于黏土；此外还有采自黄河干渠的黄河泥沙客土，为C材料。

假设采用单一目标，以耕地表土层为评价目标。参照GB/T 33469—2016《耕地质量等级》、NY/T 309—1996《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》及相关研究构建土层生态位空间适宜度评价指标体系及相应指标的标准，选择A，B，C三种材料组成土层集(,,)，有机质质量分数、pH、CEC(阳离子交换量) 、黏粒质量分数构成了指标体系(,,,);参考耕地质量及耕地地力等级划分标准范围，将各个指标的最高适宜度评价标准(表1)定为(,,,)；通过熵权法确定各指标的权重为(,,,)；评价模型采用加权平均指数和法(表1)。通过分析，确定有机质和CEC两个指标的评价模型为正向模型，pH和黏粒质量分数两个指标的评价模型为适度模型；有机质质量分数、pH、CEC和黏粒质量分数各指标的权重分别为0.19，0.22，0.17和0.42；其适宜度标准分别为12，7，200和25。最终通过计算得到表层土、心层土、黄河泥沙的土层生态位空间适宜度评价值为0.80，0.37，0，初步表现出表土层、心土层、黄河泥沙在土层生态位适宜度空间上的上、中、下位置关系。

表1 邱集煤矿采煤沉陷地复垦土层生态位适宜性评价Table 1 Evaluation of the suitability of the niche of soil layer for coal mining subsidence reclamation in Qiuji Coal Mine

(3)土层生态位优化的理论分析。通过上述土层生态位适宜度评价已经确定了表土层、心土层、黄河泥沙的土层生态位基本属性特征和相互间的关系。根据土层生态位特性定量计算公式，结果列于表2～4。表土层、心土层、黄河泥沙的土层生态位空间位值为1.00，0.46，0，表明黄河泥沙材料差、生态适宜度差、空间位低。表土、心土和黄河泥沙的重叠度值差距大，表明3者性质差异大，存在较小重叠度，本案例不进行重叠。3种材料中表土的绝对差距最小，心土层与表土间存在0.25的相对差距，差距较小；黄河泥沙的绝对差距最大，说明需要在材料或结构上加以改良，否则该材料在植物生长空间中将会成为障碍层。3 种土层竞争值差距大，说明各土层的竞争性差异明显。

表2 邱集煤矿采煤沉陷地复垦土层生态 空间位、竞争、绝对差距Table 2 Niche space，Niche competition，absolute Niche difference of soil layer for coal mining subsidence reclamation in Qiuji Coal Mine

表3 邱集煤矿采煤沉陷地复垦土层生态位重叠Table 3 Niche overlap of soil layers for coal mining subsidence reclamation at Qiuji Coal Mine

表4 邱集煤矿采煤沉陷地复垦土层生态位相对差距Table 4 Relative Niche difference of soil layer for coal mining subsidence reclamation at Qiuji Coal Mine

根据土壤重构原理可得，表土层的生态位宽度取决于塌陷地可以剥离出的表土量，应对塌陷积水区尽可能排水取土，以保障表土层的宽度，复垦区域可以提供厚度的表土，因此通过土层生态位宽度的计算，表土层的土层生态位宽度为NB(表5)；心土资源丰富，其生态位宽度取决于挖掘的深度，与塌陷深度、施工设备有关。复垦区域能够挖掘心土的深度为，此时的心土层生态位宽度为NB。假设植物生长核心关键土层厚度为(不同的植被和土壤条件，该值各地是不同的，需要科学试验确定)，如果+>，此时=-，表明表土、心土的资源量足够支撑土壤生产力，则为基础支撑，剖面采用上土下沙的土壤剖面构型(图11)，这时上覆土层就是关键层，一定要达到或超过。如果+<，此时=--，表明心土不够，需要泥沙层提供一定的生态功能发挥心土作用，就需要改良或改造黄河泥沙充填层，鉴于其主要障碍在于漏水漏肥，设想在其中增加土壤夹层改善充填层的生态功能，就形成了含夹层的土壤剖面构型(图12)，这时，夹层就是关键层，但夹层的位置、厚度和数量需要根据模拟试验或种植试验确定。

表5 土壤剖面土层生态位宽度分析Table 5 Analysis of Niche breadth of soil layer for soil profile

图11 可能的上土下沙土壤剖面构型Fig.11 Possible upper soil and lower sand soil profile configuration

图12 可能的夹层式土壤剖面构型Fig.12 Possible intercalated soil profile configurations

(4)基于试验的土壤剖面构型优化。针对可能的“上土下沙”土壤剖面构型的优化，就是充填材料黄河泥沙上覆盖最优厚度的研究，已经有很多研究成果。笔者以比较复杂的夹层式土壤剖面构型为例，阐述优化的方法。

针对夹层式土壤剖面构型，设计了7种可能的土壤剖面结构，并设置2个对照土壤剖面(CK1，CK2)进行试验验证和筛选(图13)。

图13 不同处理土壤剖面构型示意Fig.13 Schematic diagram of soil profile configuration for different treatments

① 采用柱试验的方式。利用马氏瓶实验系统，通过入渗和蒸发试验，研究不同土壤构型的水分和溶质运移情况(图14)，笔者选择充填层的含水量()和整个剖面的持水系数()作为土壤剖面持水特性参数进行对比分析和优选(图10)。

对比图15中不同处理对重构土壤持水能力的影响，不同夹层式土壤剖面构型T1～T7的充填层含水量()较CK2(0.127 cm/cm)分别提高了56.87%，58.08%，61.19%，27.97%，87.76%，121.56%和87.66%；整个剖面的持水系数()较CK2(0.362)分别提高了37.93%，39.22%，36.14%，25.99%，49.39%，59.47%和54.39%。试验结果表明T6即夹层位置为20 cm，夹层厚度为30 cm，夹层数量为2层的夹层式重构土壤的持水能力最优。

② 野外种植试验。在邱集煤矿试验田进行了实地充填复垦试验。从玉米现场测试结果来看，最优重构土壤剖面T6玉米种植的产量达到10 484.54 kg/ha，与对照农田的产量相当(图16)。野外试验实现了较土壤重构前耕地更为可观的产量，验证了基于土壤关键层和土层生态位原理的土壤剖面构型优选室内试验的可行性，论证了夹层结构不仅保证了玉米千粒重的大小，同时节约了宝贵的土壤资源。

图14 不同土壤剖面构型的水分和溶质运移试验装置示意Fig.14 Schematic diagram of the water and solute transport test setup for different soil profile configurations

5.2 黄河泥沙充填复垦土壤重构工法

由于“上土下沙”和“夹层式”2种充填复垦土壤剖面重构都是采用管道水力输送黄河泥沙，在复垦区都需要剥离和回填表土与心土以及固结沉淀，因此，它们具有相同的重构工法。按照“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术原理，提出了间隔条带交替式充填复垦方法，即通过分条带、分层剥离土壤保障土壤的原有质量；通过间隔条带堆放剥离土壤(表土、心土)，通过交替实现施工的连续衔接，并使所有的沉陷地都能充填且土壤的剥离与回填有序。以复杂的夹层式土壤剖面构型为例，介绍其具体工艺(图17)：

图15 不同处理对重构土壤持水能力的影响Fig.15 Effect of different treatments on the water holding capacity of reconstituted soil

图16 优化处理土壤剖面构型的玉米产量结果Fig.16 Maize yield results for optimized treatment soil profile configuration

(1)划分充填条带并编号：根据塌陷区面积和机械设备的工作半径将待复垦区划分成若干条带，并按照1，2，3，…,,…，进行编号。

(2)确定条带间交替充填的时间衔接方案和同步交替充填的条带个数。

采用条带间交替式充填的方式，先充填奇数编号的充填条带，再充填偶数编号的充填条带，或相反。同步交替充填的条带个数，取决于各层泥沙固结时间和夹层及土壤回填时间，保证充填、覆盖各个条带间的时间紧密衔接。

(3)间隔条带分层剥离表土和心土。通过间隔条带进行表土和心土的分层剥离和堆存。将邻近非本组充填条带作为该组同步交替充填条带的土壤剥离堆放区，堆放区由中部表土堆放子区，两侧心土堆放子区组成。对于有积水的塌陷地，需要强行排水以方便剥离土壤。

图17 黄河泥沙交替多层多次充填土壤重构工艺示意Fig.17 Schematic diagram of the Yellow River sediment alternating multi-layer multi-fill soil reconstruction process

(4)每一组待交替充填的各个条带进行“交替充填—排水固结—回填心土—再充填—再排水固结—回填心土—覆盖表土”。

对每一组待交替充填复垦的条带，先从第1条带开始充填，当达到设定的泥沙层厚度后，开始充填第2条带，此时第1充填条带在进行排水固结，当第2充填条带达到设定的泥沙层厚度后，再充填第3待交替充填条带，依次类推，直至本组条带都充填完成。对于同一组充填条带，在第充填条带充填的过程中，之前的充填条带在进行排水固结或者覆盖心土，同一组最后一条带充填完成后，第1条带已完成回填心土层并可以直接进行第2次充填。第2次充填步骤同第1次，待第2次充填完成后，覆盖表土和心土。以此规则，直至全部充填复垦所有土地。

(5)土地平整。最后进行土地平整，使其恢复到可耕种状态。

6 结论与展望

(1)矿山土地复垦与生态修复成功与失败的关键在于土壤重构。广义的土壤重构是单元土体的四维重构，即垂直方向()的土壤剖面重构、水平方向(，)的地貌重塑、时间维()方向的土壤改良，其中土壤剖面重构是核心，也是土壤重构的狭义概念。

(2)将土壤学与生态学相结合，提出土层生态位的概念，揭示每一土层有其独特的生态功能和空间位，土层间的相互关系和作用决定整个土壤功能，并将影响土壤整体功能和生产力的关键土层，称之为土壤关键层。这2个新概念的提出，旨在从理念上认识不同土层功能作用和土壤剖面构型的重要性，为土壤剖面构型的优化和土壤重构技术的革新提供理论支撑。

(3)矿山复垦土壤重构原理就是以“土层生态位”为理论基础、以“土壤关键层”为核心，设计和优化土壤剖面构型并付诸实施的过程，其核心是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。

(4)土壤剖面重构优化设计的主要步骤是：① 基于需求确定重构土壤剖面的目标；② 对每一土层进行土层生态位适宜度评价；③ 土层生态位优化的理论分析，即通过空间位、宽度、重叠、差距和竞争等生态位要素分析，确定可能的土壤剖面构型和关键层; ④ 通过室内外种植试验或模拟试验等方法，筛选出最优的土壤剖面构型。

(5)基于土层生态位和土壤关键层为核心的土壤重构理论，提出了“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术原理。“分层”是满足“土层生态位”和“关键层”构造的要求，“交错”是实现土壤重构连续、高效的施工工艺，并将技术原理应用于黄河泥沙充填复垦、采煤塌陷地挖深垫浅复垦、露天煤矿复垦的土壤重构，提出了各自土壤重构工法。

以土层生态位和土壤关键层为核心的土壤重构理论与方法的提出，对更好地理解土壤重构、指导复垦技术革新提供了理论支撑，为多种土壤重构工艺实践提供了理论依据，必将会促进复垦工艺的进一步创新发展。由于是从多年实践中提炼出的新理论，在土层生态位理论分析及其定量表征方面还需随着复垦实践的推进，不断改进和完善。

本文在撰写过程中，得到中国矿业大学(北京)赵艳玲、张子璇和孙煌的大力帮助，此外魏秀菊、王培俊、付梅臣、李晶等人也提出了很多宝贵意见，在此一并感谢。