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国土资源类

【理论方法】胡振琪团队矿区土地复垦与生态修复基础理论——矿山复垦土壤重构的理论与方法

日期:2022-10-17 人气:427
创新点

本文的目的是为矿山土地复垦与生态修复探讨独特的基础理论——复垦土壤重构的理论与方法。

土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键,本文首次提出“土层生态位”和“土壤关键层”的新概念,从理念上阐明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。
提出矿山复垦土壤重构的原理:以土层生态位和土壤关键层为理论基础和核心内容,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。
首次提出了包含4步骤的土壤剖面重构优化设计方法,尤其是提出了土层生态位优化的理论分析方法及最终筛选优化土壤剖面构型的方法。


1、研究背景
 

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。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。
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。


2、摘要
 
土壤是生物之基,土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键和基础。本文的目的是革新土壤重构理念,凝练和提升土壤重构理论与方法,为矿区土地复垦与生态修复独特基础理论提供支撑。本文回顾了矿山复垦土壤重构的研究历史,从单元土体空间重构的视角,提出了四维重构的概念,即垂直方向(Z)的土壤剖面重构、水平方向(X,Y)的地貌重塑、时间维(T)方向的土壤改良,其中垂向剖面重构是土壤重构的核心,也是土壤重构的狭义概念。总结国内外矿山生态修复成功经验与失败教训,依据土壤发生学原理和师法自然的理念,提出了“土层生态位”和“土壤关键层”的概念,认为不同土层有其独特的生态功能和空间位置,将各个土层在空间的位置及其与相关土层之间的功能关系与作用,称之为“土层生态位”;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”。矿山复垦土壤剖面重构的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,其核心是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。因此,土壤剖面重构方法就是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目标;然后对每一土层空间生态位适宜度进行分析;再通过土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争等要素分析,确定可能的土壤剖面构型和关键层;最后通过室内外种植试验或模拟试验验证与筛选,从而获得最佳生产力功能的土壤剖面构型。基于这一原理和方法,提出了“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术工艺原理,“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,并以露天煤矿采复一体化和采煤塌陷地挖深垫浅复垦为例介绍了土壤重构工法。最后,以山东黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地为例,介绍了土壤重构原理与方法的应用和实践。


3、部分图表
 


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图1 自然土壤剖面示意图


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图2 土壤剖面构型(部分)示意图

(修改于熊毅,1965)


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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)


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图4 土壤重构的概念模型示意图


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图5 “土层生态位”和“土壤关键层”示意图


图6 土壤重构剖面优化设计方法流程图


图7 “土层生态位”概念模型


图8 露天矿采复一体化土壤重构

工艺示意图


图9 采煤塌陷地挖深垫浅复垦

土壤剖面构型


图10 挖深垫浅复垦土壤重构
工艺示意图

图11 可能的上土下沙土壤剖面构型

图12 可能的夹层式土壤剖面构型

图13 黄河泥沙交替多层多次充填
土壤重构工艺示意图


4、矿山复垦土壤重构相关概念与内涵简介
 
(1)土壤重构
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。
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”。
此外,土壤重构是单元土体的四维重构,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。

(2)土层生态位

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,称之为“土层生态位”。其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。

(3)土壤关键层

将影响土壤生产力的关键土层,称之为“土壤关键层”。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它的土层。常见的土壤关键层主要有表土层、含水层、隔水层等,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。

5、矿山复垦土壤剖面重构原理与方法简介
 

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。



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