土壤是生命之基。土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的核心和关键。《煤矿区复垦土壤重构的理论与方法》介绍土壤重构的作用、理念、原理与技术。从土壤发生学、仿自然地层和仿自然土壤的视角，阐述矿区复垦土壤重构的概念、内涵与理念。土壤重构的实质是单元土体的仿自然四维构建，其中复垦土壤剖面构型及关键层构造是关键。广义的土壤重构界定为地貌重塑、土壤剖面重构和土壤改良，狭义的土壤重构界定为土壤剖面重构。《煤矿区复垦土壤重构的理论与方法》提出“分层剥离、交错回填”的土壤重构原理和数学模型，并分别从露天煤矿复垦土壤重构、采煤沉陷地非充填复垦（挖深垫浅）土壤重构、采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦土壤重构、采煤沉陷地粉煤灰/煤矸石充填复垦土壤重构、煤矸石山土壤重构和重构土壤质量检测与评价等方面介绍土壤重构技术。

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　我国是世界上*大的煤炭生产国，煤炭产量占世界总产量的47%。煤炭作为我国的主要能源，占一次能源构成的69.6%（2017年），《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》中指出：到2050年我国煤炭年产量控制在30亿t，这意味着煤炭在很长一段时间内仍是我国主导能源。大规模的煤炭资源开采，为我国国民经济的高速发展提供了充足的能源储备，也不可避免地引发了诸如土地挖损、压占、沉陷及环境污染等许多土地与生态环境问题，直接影响国民经济的健康发展，并由此引发了一系列社会问题。因此进行煤矿区的土地复垦与生态修复成为我国一项十分紧迫的任务。
　　煤炭资源埋藏于地下，无论是露天开采还是地下开采都不可避免地损毁土地。露天开采是剥离矿床上面的表土和上覆岩层，使矿床暴露出来后进行的开采，对地表景观和土壤层造成十分剧烈的扰动，完全破坏了原有的岩土层结构。相比于井下开采，露天开采劳动生产率提高5～10倍，回采率提高30%～40%。在安全性上，露天采矿更有井下开采不可比拟的效果，但它要求具有适宜的开采环境和经济剥采比。目前，全世界已有90%的铁矿、40%的煤矿为露天开采，在美国、澳大利亚、印度、德国、俄罗斯、英国、加拿大等国，露天采煤在煤炭开采总量中均占有较大比重。近年来，我国露天采煤发展很快，露天采煤的比重已经从1998年的7%提高到15%左右。我国煤炭的地下开采量约占采煤总量的85%，随着地下煤炭资源的持续采出，采空区上覆岩层的平衡遭到破坏，产生移动变形，*终波及地表，形成了一系列的地表沉陷形态：下沉盆地、塌陷漏斗、台阶、地堑状场陷坑、地表裂缝等，直接破坏或降低现有耕地资源质量，加剧了我国人多地少的紧张局面。在我国，矿井每开采1 Mt 煤炭造成的地面沉陷面积约为20 hm2 ，据估算，我国累积采煤沉陷面积已达160万hm2，并以每年7万hm2的速度递增。大面积的耕地被破坏或退化，使得矿区耕地资源严重不足，对矿区社会-经济-生态的协调可持续发展构成严重威胁。
　　矿山开采改变了土壤自然特征，使历经数百年甚至数千年形成的土壤结构受到破坏。土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，是一切生物之基。它可为植物生长提供机械支撑及所需要的水、肥、气、热等肥力要素。表层土壤具有丰富的养分、种子库和微生物，为生态系统的恢复提供了很好的支撑。土壤还有很强的自净能力，促进生态系统的健康发展。没有土壤，就没有植物，就没有人类。传统的土地复垦，较少考虑土壤重构，往往导致土层顺序的颠倒，在很大程度上限制了土壤的生产潜力（胡振琪，2019）。许多土地复垦（生态修复）工程，把土壤仅仅当作一般的土方原料进行工程施工，没有从生态功能的角度对待土壤，导致生态修复工程的失败。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，而不仅仅是作物因素的建立，为使复垦土壤达到*优的生产力，构造一个*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*基本的工作（National Research Council，1981）。因此，土壤重构是土地复垦与生态修复的关键和核心，对复垦工程的成败起决定性作用。许多实践也表明，将土壤重构与矿山开采工艺相结合往往是*经济有效的方法。
　　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设备和方法、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。但是，即使像美国、英国、加拿大等对土壤重构研究较多的国家，迄今也尚未形成系统的土壤重构理论与方法体系。究其原因，主要是西方国家侧重对露天矿复垦的研究，对采煤沉陷地等其他类型土地复垦中土壤重构的研究较少，而且对土地复垦理论研究总结也相对不足。
　　土地复垦在我国属于新兴的交叉学科，就目前而言，国内学者对复垦土壤重构的研究尚显不足，在一定程度上束缚了复垦的效果和复垦工艺的革新。我国的露天煤矿多处于西部的干旱半干旱、水土流失严重、生态脆弱的地区，且大都未采用采矿与复垦一体化的连续开采系统，因而针对我国露天矿实际情况，研发和推广新颖、实用的开采复垦一体化露天煤矿土壤重构方法与工艺显得尤为必要。采煤沉陷地复垦是具有我国地域特色的量大面广的研究焦点，国外在这方面研究较少。我国有关学者的研究已在一定程度上揭示了采煤沉陷对耕地景观和土壤特征的破坏及现行采煤沉陷地复垦工艺所导致的土壤问题：例如，沉陷地挖深垫浅法造成的上下土层的混合，矿区固体废弃物粉煤灰、煤矸石等充填复垦可能造成的土壤与种植作物的污染，为国内复垦土壤重构的研究提供了素材并进一步凸显了土壤重构工艺革新的重要性。国外有关研究表明：直接在废弃物上覆盖表土不是好方法，有可能导致土壤污染（胡振琪，1997a）。微生物与土壤具有密切的联系，复垦土壤除水、肥、气、热各肥力因素不同程度地遭到破坏外，还有一个重要的方面就是土壤的生物与微生物环境也遭受破坏，复垦土壤的微生物改良措施是矿山土壤重构研究的重要方面。
　　优质农田（prime farmland）的复垦往往要求严格地构造土壤剖面，对表土和心土的构造都有特定的要求，以保证复垦土壤的生产力等于或优于原土壤。如果解决了优质农田复垦的土壤重构问题，其他类型的土壤重构问题就显得较为简单，这也正是国外近十几年来一直将优质农田的复垦作为研究重点的重要原因。土壤重构研究的另一个目的是为制定详细的复垦法律法规提供依据，依法强制矿山企业重构较优的土壤。国务院1988年颁布的《土地复垦规定》，对土地复垦进行了原则性规定，但某些条款和内容需要进一步修改；2011年修订的《土地复垦条例》构建了我国土地复垦的基本制度框架。2013年国土资源部发布的《土地复垦质量控制标准》，虽然涉及了一些土壤重构的有关内容，但并未明确土壤重构概念，其中一些标准（如复垦土壤表土层的厚度等）还有待进一步研究验证，特别是这一标准基本上未在实际工作中得到有效落实。重构土壤物料的选择、重构土壤的污染、重构土壤的侵蚀、土壤重构的工艺等许多问题需要深入研究和表述。
　　1.2 国内外复垦土壤重构研究进展
　　土壤剖面重构是土壤重构中*为基础的部分，是采用合理的重构工艺来构造一个适宜植物生长的土壤剖面，其决定了土壤水、肥、气、热等条件，对土壤水分、养分和溶质运移均有显著影响，是影响复垦耕地质量的重要因素之一。一个良好的土壤剖面构型有利于提升复垦耕地质量和生产力（胡振琪，1997b）。
　　对于矿区土壤剖面重构，国内外均有所研究。由于国外采矿多以露天矿为主，井工矿采煤沉陷地复垦多作为生态湿地，故国外土壤剖面重构研究主要集中在露天矿复垦方面。美国《露天采矿控制与复垦法》要求复垦土地生产力达到、等于或超过采前土地生产力，对基本农田复垦要求剥离表土和构造较适宜的心土层，以形成较好的作物根系生长发育的土壤介质。
　　德国政府及北莱茵-威斯特法伦州政府法令规定“露天矿采空后要恢复原有的农、林经济和自然景色”。如德国莱茵露天矿农业复垦是将剥离的表土单独存放做复垦表土，把砂石和电厂的粉煤灰等废料直接回填到采坑，填至复垦设计高程，上面覆盖表土厚l m，施肥并先种植豆科牧草。
　　英国巴特威尔露天矿采用边采边回填，*后覆土造田。覆土厚度达1.3 m，其中表层有30 cm 厚的耕作层。阿克顿海尔煤矿还将井下煤矸石直接排到邻近的露天矿采坑中复垦，一举两得（付梅臣等，2005）。
　　McSweeney等（1984）则是将露天矿原有剖面中不同土层的混合物做基底，上覆一定厚度的表土层进行种植，研究了其理化性质和作物产量。Dancer等（1977）将露天矿不同土层和深部松散岩层混合种植作物，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，且某些深层土层性质优于原始心土层，可以作为心土替代物使用。McSweeney等（1987）将露天矿不同深度心土层和基岩层材料进行混合，上覆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。 覆盖土壤厚度对重构土壤至关重要。Power等（1981）在碎岩石为基底的矿区废弃地上覆盖0 cm、20 cm、60 cm 厚的表土和0～210 cm 厚的心土进行复垦，研究表明总覆盖土壤厚度在90～150 cm 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，作物取得*好的产量。Schladweiler 等（2005）对矿区土地复垦中不同覆盖表土厚度（15 cm、30 cm、50 cm）在3年中对土壤特性和植被覆盖、产量和多样性等方面的影响进行了研究。Bowen（1989）评估了24年来4种覆盖表土厚度（0 cm、20 cm、40 cm、60 cm）对植物群落和土壤特性的影响，研究结果表明40 cm、60 cm 覆盖表土厚度具有*好的养分含量和土壤蓄水潜力。Huang 等（2015）长期监测了油砂矿复垦中基岩上覆盖6种复垦土壤材料厚度对水分分布、储水、植物蒸腾的影响。Pinchak 等（1985）在矿区复垦中将钙质和中等胶结的粉砂岩和泥岩铺设在底部，其上覆盖1 m 厚的河流粗砂粒，*终覆盖0～60 cm 厚的表土，研究了其对植被物种和群落的影响，结果表明种植4年后，有籽物种在覆盖40 cm 厚的表土上具有较好的生产力。Halvorson 等（1986）在3种质地废弃土上覆盖1.5 m 厚的心土和表土，表土厚度设置为0.23 m 、0.46 m 和0.69 m，研究了其对作物产量的影响。
　　我国土壤重构理论与方法得到了长足的发展。胡振琪（1997b）提出了“分层剥离、交错回填”的土壤剖面重构原理，使破坏土地的土层顺序在复垦后保持基本不变，更适宜于作物生长，并以上覆土（岩）分为两层（部分）为例，给出了土壤剖面重构的公式和图示，进而总结出上覆土（岩）分为两层以上的通用的土壤剖面重构公式，同时成功地将这一原理应用于横跨采场倒堆工艺（连续开采工艺）的露天矿复垦，并且研制出一种采煤沉陷地挖深垫浅复垦的土壤剖面重构方法。在此基础上，对矿山土地复垦实践中的土壤重构问题进行了系统研究，明确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。同时，胡振琪等（2005）也提出了土壤重构是土地复垦的核心内容，土壤剖面重构是土壤重构的关键；土壤重构需要与具体采矿工艺相结合；重构土壤的质量优劣是检验土壤重构或农林草复垦成败的主要标准等观点。魏忠义等（2001）以安太堡大型露天煤矿排土场为研究区，提出了“堆状地面”土壤重构方法；并通过水文分析计算研究了堆状地面的侵蚀控制机理和优化的堆状地面排土方式，之后在此基础上进一步提出了更为普遍适用的排土场“径流分散”水蚀控制模式。中国地质大学（北京）土地复垦团队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（王金满等，2014），同时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（王金满等，2012）。胡振琪等（2017）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），使所有的沉陷地都能充填且保障了土壤的剥离与回填有序。胡振琪等（2018）依据仿自然修复原理，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。
　　煤矿区土壤重构研究是矿区土地复垦的核心内容，各国复垦对象和复垦目标有所不同，从而复垦技术与标准等方面存在较大差异。国外的土壤重构研究多为露天矿的土壤重构，国内学者的研究焦点主要集中在采煤沉陷地的复垦，迄今尚未形成系统的土壤重构理论与方法，亟

目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 国内外复垦土壤重构研究进展 3
1.3 煤矿区土壤复垦重构的主要研究内容和研究方法 5
1.3.1 主要研究内容 5
1.3.2 研究方法 6
参考文献 6
第2章 土壤重构的支撑理论 8
2.1 土壤学 8
2.1.1 土壤的物质组成 9
2.1.2 土壤的物理性质 10
2.1.3 土壤的化学性质 13
2.1.4 土壤的养分性质 15
2.1.5 土壤的环境质量 18
2.2 土壤地理学 18
2.2.1 土壤发生学 19
2.2.2 土壤分类 24
2.2.3 土壤调查 27
参考文献 33
第3章 矿山复垦土壤的特征与分类 34
3.1 概述 34
3.2 研究方法与设计 35
3.2.1 研究区选择 35
3.2.2 外业调查 37
3.2.3 室内分析方法 37
3.3 矿山复垦土壤特征 37
3.3.1 土壤形态特征 37
3.3.2 土壤物理特征 46
3.3.3 土壤化学特征 48
3.3.4 土壤环境质量特征 58
3.3.5 小结 59
3.4 矿山复垦土壤分类 61
3.4.1 诊断层与诊断特征 61
3.4.2 复垦土壤分类参比 64
3.4.3 复垦土壤分类建议 65
参考文献 71
第4章 矿区复垦土壤重构的概念、内涵与原理 73
4.1 复垦土壤重构的概念、内涵与理念 73
4.1.1 复垦土壤重构的概念与内涵 73
4.1.2 “土层生态位”与关键层的概念与内涵 75
4.1.3 矿区复垦土壤重构的类型 78
4.1.4 复垦土壤重构的理念 80
4.2 土壤剖面构型及其重构原理 80
4.2.1 土壤剖面构型及其优化的基本原则 81
4.2.2 土壤剖面重构的原理 82
参考文献 84
第5章 露天煤矿复垦土壤重构 86
5.1 概述 86
5.1.1 露天煤矿复垦土壤重构存在的主要问题 86
5.1.2 露天煤矿排土场复垦措施 86
5.2 露天煤矿土壤重构技术工艺 87
5.2.1 露天煤矿采复一体化（边采边复）土壤重构工艺 87
5.2.2 露天煤矿排土场隔水层重构 90
5.3 表土替代材料 91
5.3.1 表土替代基质材料的筛选 91
5.3.2 表土替代材料配方的优选 97
5.4 马家塔露天煤矿采复一体化土壤重构实践 110
5.4.1 马家塔露天煤矿概况 110
5.4.2 马家塔露天煤矿采复一体化土壤重构工艺流程 110
5.4.3 马家塔露天煤矿表土替代材料研制 111
5.5 神华宝日希勒煤矿表土替代材料的野外试验 116
5.5.1 研究区概况 116
5.5.2 指标与方法 117
5.5.3 结果与讨论 118
5.5.4 结论 122
参考文献 123
第6章 采煤沉陷地非充填复垦（挖深垫浅）土壤重构 125
6.1 概述 125
6.1.1 采煤沉陷地的产生及危害 125
6.1.2 挖深垫浅复垦土壤重构的应用条件 126
6.1.3 挖深垫浅复垦土壤重构的技术特点与分类 126
6.2 挖深垫浅复垦土壤重构的通用工艺 128
6.3 泥浆泵挖深垫浅复垦土壤重构 129
6.3.1 泥浆泵挖深垫浅复垦工艺 129
6.3.2 采煤沉陷地挖深垫浅重构土壤存在的问题 130
6.3.3 泥浆泵挖深垫浅复垦土壤重构新工艺 132
6.4 拖式铲运机挖深垫浅复垦土壤重构 133
6.4.1 拖式铲运机挖深垫浅土壤重构工艺 133
6.4.2 拖式铲运机挖深垫浅重构土壤的理化特性 135
6.5 挖掘机联合四轮翻斗车的采煤沉陷地复垦工艺 137
6.5.1 挖掘机联合四轮翻斗车挖深垫浅重构土壤工艺 137
6.5.2 挖掘机联合四轮翻斗车挖深垫浅重构土壤的理化特性 138
参考文献 139
第7章 采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦土壤重构 140
7.1 概述 140
7.2 采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦可行性分析 140
7.3 采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦土壤“上土下沙”结构 142
7.3.1 “上土下沙”结构特征 142
7.3.2 “上土下沙”结构重构工艺 142
7.3.3 “上土下沙”结构重构效果——室内模拟试验 144
7.3.4 “上土下沙”结构重构效果——野外田间试验 152
7.4 采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦土壤“夹层式”重构 157
7.4.1 夹层式结构的特征与机理 157
7.4.2 夹层式结构重构工艺 160
7.5 夹层式多层土壤重构效果及优选——室内试验 168
7.5.1 试验设计 168
7.5.2 试验分析与结论 170
7.6 夹层式结构土壤重构效果及优选——野外田间试验 174
7.6.1 试验设计 174
7.6.2 试验分析与结论 175
参考文献 178
第8章 采煤沉陷地矿山固废充填复垦土壤重构 179
8.1 概述 179
8.2 矿山固废充填复垦可行性分析及无害化充填思路 180
8.2.1 粉煤灰/煤矸石充填复垦可行性 180
8.2.2 粉煤灰/煤矸石无害化充填复垦思路与技术 181
8.3 采煤沉陷地粉煤灰/煤矸石一次性充填复垦 186
8.3.1 粉煤灰一次性充填复垦工艺流程 186
8.3.2 煤矸石一次性充填复垦工艺流程 187
8.4 粉煤灰/煤矸石充填复垦夹层式充填复垦技术 188
8.4.1 粉煤灰充填复垦多层多次充填工艺 189
8.4.2 煤矸石充填复垦多层多次充填工艺 195
8.5 煤矸石充填复垦土壤夹层式结构室内外试验 196
8.5.1 多层土壤剖面构型优选试验 197
8.5.2 多层土壤剖面构型土壤水力特征试验 200
8.6 粉煤灰充填复垦土壤重构的室内外试验 203
8.6.1 采煤沉陷地充填粉煤灰的理化特性 203
8.6.2 充填重构土壤的水分特性试验 206
参考文献 210
第9章 煤矸石山土壤重构 212
9.1 概述 212
9.1.1 煤矸石的来源、类型与矿物组成 212
9.1.2 煤矸石风化物的理化特性 214
9.1.3 煤矸石的污染特性 215
9.1.4 煤矸石山土壤重构的限制因素 217
9.2 矸石山生态修复的土壤剖面构型及重构工艺 218
9.2.1 废弃煤矸石山土壤剖面构型及重构工艺 218
9.2.2 新排煤矸石土壤剖面构型 220
9.3 煤矸石山土壤重构关键层的构建 221
9.3.1 抑制氧化防燃材料的研制与施用 221
9.3.2 隔离层的构建 224
9.3.3 毛管阻滞层的构建 225
9.3.4 表土层的构建 225
9.4 酸性煤矸石山土壤重构工艺及效果 226
9.4.1 煤矸石山自燃诊断技术 226
9.4.2 煤矸石山浅层喷浆与浅孔注浆相结合的灭火技术 227
9.4.3 防火阻燃技术 229
9.4.4 煤矸石山植被恢复技术 230
9.5 小康煤矿煤矸石土壤重构案例 231
9.5.1 研究区概况 231
9.5.2 煤矸石问题诊断 231
9.5.3 煤矸石山整形方案 234
9.5.4 煤矸石山灭火方案 235
9.5.5 煤矸石山土壤重构方案 235
参考文献 237
第10章 重构土壤质量检测与评价 239
10.1 重构土壤质量检测 239
10.1.1 传统土壤质量检测方法 239
10.1.2 基于探地雷达的重构土壤无损检测技术 240
10.1.3 基于遥感的重构土壤质量检测技术 268
10.2 重构土壤质量评价 270
10.2.1 重构土壤质量评价指标体系构建 271
10.2.2 重构土壤质量综合评价 274
参考文献 304
附录 单个土体描述 307
索引 331