【专家视角】胡振琪,张子璇,孙煌：试论矿山生态修复的地质成土

矿产资源的开采不可避免造成土地的挖损、塌陷和压占，使耕地损失和生态环境恶化。随着国家绿色发展战略的实施，矿山生态修复已经成为绿色矿山发展的重要技术途径，已经成为研究热点。

有关研究表明：现代土地复垦与生态修复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，为使土地复垦与生态修复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、化学和生物条是进行土地复垦和生态修复最基本的工作。因此，土壤是生命之基，是矿山生态修复成败的关键。

由于土壤的形成需要经过漫长的地质成土过程， 且受到多种因素和不同地质、地球化学等作用的影响。因此，快速成土就成为矿山生态修复中的重要任务。由于土壤形成是地质作用的成土过程，因此，从地质视角称之为地质成土。

在国家高技术研究发展计划（863 计划）项目（2003AA322040）、国家重点研发计划项目（2020YFC1806505）和国家自然科学基金项目（41771542）的支持下，笔者团队已有相关研究成果，因此本文中笔者目的是基于国内外的矿山生态修复实践，在总结、凝练团队以往研究的基础上，以矿山生态修复中的成土为研究对象，试图借鉴自然地质成土原理，阐明成土的艰巨性、复杂性和长期性，将地质学与土壤学相结合，提出矿山生态修复中(人工)地质成土的概念与内涵，探讨其快速成土方法并给出实际案例，以期为矿山生态修复奠定基础。

土壤是植物生长的重要基质，是矿山生态修复成败的关键。针对大多数矿山生态修复所面临缺少土壤的现状和土壤漫长的地质成土过程的现实，试图在阐述自然地质成土原理的基础上，探讨矿山生态修复中的地质成土(简称矿山地质成土)的概念与方法。自然地质成土是地质大循环和生物小循环历经漫长时期将“岩石”变成“土壤”的过程，其中风化、黏化、有机质积聚以及元素的交换和迁移是重要的自然地质成土过程。矿山地质成土是指仿自然地质成土过程，通过筛选矿区可利用的成土母质或土壤材料，采用物理、化学和生物措施促进土壤快速发育和熟化并在短期内形成期望土壤功能、达到自我可持续发育状态的过程，其实质为人工造土。方法包含矿山地质成土的需求分析、成土材料的筛选、土壤材料的组配和生物熟化 4 步骤。还阐述了矿山地质成土与矿山复垦土壤重构的关系。以内蒙古某露天煤矿生态修复为例，详细讨论基于原始地层材料的露天矿表土的矿山地质成土过程，筛选出原始第 3 层土壤作为新表土的最优土壤材料组配与生物熟化方法；以矿山固体废弃物为土壤材料，介绍利用自然地质成土原理所构造的煤基生物土的方法；同时对黄河泥沙基矿 山地质成土在西部矿区生态修复中的应用给予了展望。

图1 自然地质成土过程及其产物

图2 矿山地质成土过程

图3 研究区地质柱状图

图4 紫花苜蓿生物量(地上部干重)

图5 不同处理紫花苜蓿生物量

图6 不同处理接种菌根后的植株生物量

图7 煤基生物土野外场地植物长势

表1 露天矿各层不同基质粒度组成含量

表2 试验设计 （单位：g·kg-1土）

（1）概念与内涵

矿山生态修复的地质成土（简称矿山地质成土）是指仿自然地质成土过程，通过矿区可利用的成土母质或土壤材料，采用物理、化学和生物措施促进土壤快速发育和熟化并在短期内形成期望土壤功能、达到自我可持续发育状态的过程。“矿山地质成土”就是“矿山人工成土”或“人工造土”或“造土”。

从地质学视角，自然地质成土的内涵就是构造土壤。土壤的漫长地质成土过程是在各种地质作用和地球化学与生物作用下，不仅形成了熟化的土壤，也形成丰富多彩的不同类型的土壤剖面结构。

从矿山地质成土的视角，其核心是将不同备选土壤材料，经过物理化学和生物措施，在短时期形成期望的土壤，这也可称之为 “造土”。

从矿山土地复垦与生态修复视角，自然地质成土与土壤重构二者目的和内涵是一致的，都是重构土壤。土壤重构不仅需要各种不同功能、不同生态空间位的土壤，还需要科学合理的土壤剖面构型。因此，矿山地质成土是矿山生态修复土壤重构的一部分，是其基础和首要任务。

（2）方法与步骤

按照仿自然地质成土的理念，矿山生态修复地质成土方法主要包括4个步骤：

·需求分析

矿山地质成土前，需要充分调查了解矿山土壤损毁现状和采矿前原始土壤状况，分析矿山土壤损毁特征并评价其损毁程度，基于客观条件和区域发展需求，找出矿山土壤存在的问题和差距，提出矿山生态修复对土壤的要求，并确定矿山地质成土的目标。

·材料筛选

基于自然地质成土母质的重要性和土壤发育的长期性，需要充分利用矿山已经拥有的熟化土壤和各种可能的成土材料（也可称之为备选土壤材料）。备选土壤材料既包括原始土壤、损毁土壤，也包括矿山的固废如风化煤、煤矸石、粉煤灰等以及河湖淤泥、城市垃圾等。备选土壤材料筛选应遵循以下原则：

①需求原则

②成土材料质量原则

③绿色生态原则

④成本效应原则

·材料组配

需要根据修复方向的不同，仿照自然的土壤类型选用合理的材料进行试验确定组配关系矿山地质成土的材料组配过程主要是仿自然地质作用，进行成土土壤材料的多源组合。将占比大且起骨架作用的材料称之为基质材料，将各种调节质地、营养等改良材料称之为辅助材料。因此，地质成土材料的组配就是基质材料加辅助材料。材料组配的最佳比例，需要通过物理化学分析以及盆栽试验加以研究确认。

·生物熟化

不同的成土材料，需要接种不同的菌类、种植不同的植物等，应具体问题具体分析。任何材料的筛选都需要通过室内室外实验来确定最优的种群和适宜的密度。通过2~3年的生物熟化，地质成土基本达到矿区周边土壤条件，并达到自我可持续发育状态。