煤炭一直以来都是中国的主体能源，占一次能源的64%左右[1]，2016年全国煤炭产量达到33.7亿t，占世界煤炭产量的46.1%[2]。由于中国煤炭多采用井工开采，不可避免的造成了土地沉陷损毁[3]。据估计，采煤沉陷面积累积已达135万hm2，每年还以7万hm2的速度递增。大面积的耕地破坏或退化，使得矿区耕地资源严重不足，矿区社会经济和生态环境也受到了严重影响，给矿区的持续稳定发展构成了威胁。尤其在东部高潜水位平原矿区，土地沉陷造成了大面积的积水[4]，土地复垦的难度加大，恢复耕地的比例较低。因此，采煤沉陷地复垦就成为我国亟待解决的问题。
目前国内外常采用充填复垦，作为提高耕地恢复率的有效途径，其基本原理是:利用各种充填物料(如煤矸石、粉煤灰、河泥等)作为充填材料，一次性填充采煤沉陷地，当达到设计标高后再覆盖一定厚度的土壤。这种充填复垦技术早在20世纪80年代就已经在我国采用，一直沿用到今天。目前，已经在安徽淮北、山东济宁等地复垦了大量土地。但由于利用煤矸石、粉煤灰充填复垦采煤沉陷地的方法，存在充填物料不足和二次污染的风险[5-6]，其推广应用受到限制。湖泥充填复垦有利于土壤肥力质量和土壤环境质量，但其质地黏重、排水固结时间长,充填复垦后两三年才能耕种[7]。相比之下，黄河泥沙重金属污染风险低，是一种绿色健康的新型充填复垦材料，但质地类型属于砂土，保肥保水性差[8]。充填材料先天的缺陷，导致复垦土壤生产力往往较低，亟待对充填复垦进行创新。许多研究表明，覆盖土壤厚度的增加，对复垦土壤生产力的提高有很大的作用[9]，并认为覆盖60～70 cm的土壤可以达到较好的生产力[10]。但在覆盖土壤不足的情况下，如何提高生产力呢？一直是国内外没有很好解决的难题。
笔者通过研究发现，复垦土壤生产力低下的关键在于复垦土壤剖面构型存在致命的弱点，另外简单的充填后覆盖土壤的技术工艺也导致复垦土壤质量较差，因此，对现有充填土壤结构和一次性充填复垦工艺必须进行革新。基于土壤学和土壤重构原理，创新性地提出了在充填材料中夹层的 “土壤层+充填层+夹层+充填层……”的多层土壤剖面构型，并提出条带间交替式多层多次充填土壤重构技术工艺，旨在通过充填复垦技术的创新，实现复垦高质量土壤的目的。
1 充填复垦存在的问题及创新战略
1.1 充填复垦存在的问题
(1)充填材料先天缺陷。
充填复垦一般是依据“因地制宜”的原则，利用土壤和容易得到的矿区固体废弃物及垃圾、湖泥等来充填采煤沉陷地，使其恢复到设计地面高程来复垦土地[11]。目前主要类型包括:煤矸石充填复垦，粉煤灰充填复垦与河湖淤泥充填复垦等。由于充填材料不是原有的土壤材料，往往存在先天性的不足，对植物生长均有不同程度的障碍因素。如煤矸石的块度级配，因风化程度不同差异很大，即便是风化程度较高的煤矸石，直径>5 cm的煤矸石颗粒，仍占比高达60%左右[12];黄河泥沙含砂粒高达99.1%，几乎不含粉粒和黏粒[8];而粉煤灰细度极高,颗粒粒径集中分布在 0.5～300 μm[13];湖塘淤泥质地黏重，细黏粒含量高达50%以上[14]。所以，由于煤矸石、黄河泥沙往往粒径较大，保水性差、养分贫乏;河塘湖泥含黏粒高，使复垦土壤含水量高、透气性差、渗水慢;煤矸石、粉煤灰还可能有二次污染的风险等等。因此，在土源缺乏，用这些充填材料充填复垦时，就要充分考虑充填材料的先天缺陷。
(2)充填复垦的土壤剖面结构较差，存在关键障碍因子。
现代复垦技术研究的重点，除作物因素的建立外，更主要的是需要构造一个最优的土壤物理、化学和生物条件，使复垦土壤达到最优生产力的基本要求[15]。因此，构造一个与原土壤一致或更加合理的土壤剖面，即土壤重构(Soil reconstruction)，即成为土地复垦的核心任务。充填复垦是重构土壤的过程，由于充填材料的先天缺陷也直接影响其剖面结构特性。
自然界的土壤是地壳表面风化物及其再搬运沉积体在地球表面环境作用下形成的疏松物质[16]，其形成是个长期的过程，在其发育的过程中，逐渐形成一定的剖面形态。土壤剖面是指由若干成土过程形成的土层组成从地表面至母质的垂直面。自然状态下土壤剖面由3个基本层组成(图1)，即表土层(A层)、心土层(B层)和母质层(C层)，表土层是熟化土壤的耕作层也是土壤剖面中最为重要的发生层土层，有机质的积累和转化都在该层发生;心土层是物质淀积形成的，位于土壤剖面的中层;母质层由岩石风化碎屑残积物或沉积物构成。土壤剖面自上而下，营养成分含量一般由多到少，颜色有深到浅，土壤颗粒也由小逐渐变大[15]。
图1 自然土壤剖面构型示意
Fig.1 Natural soil profile pattern
现有的采煤沉陷地充填复垦技术采用的是一次性充填后覆盖土壤，形成了典型的“土壤层+充填层”双层剖面构型(图2)。
图2 现有的复垦土壤剖面构型示意
Fig.2 Existing reclaimed soil profile pattern
选取黄河泥沙为充填材料的两种剖面结构(图3)，T1为现有的“上土下沙”型土壤剖面构型，黄河泥沙层厚度为80 cm，覆盖土壤层厚度为40 cm，CK为正常农田。通过对比T1和CK的40～60 cm土层含水量和玉米植株生物量，得出“上土下沙”型土壤剖面构型和正常农田的差异性。土壤剖面T1含水量是正常农田CK含水量的43%，说明“上土下沙”型土壤剖面构型的储水能力较正常农田差。从玉米植物开花期生物量来看，“上土下沙”型土壤剖面构型T1的地上生物量为43.58 g，仅为正常农田CK地上生物量50.21 g的87%，T1的地下生物量6.38 g仅为正常农田CK地下生物量9.65 g的66%。
图3 土壤剖面构型示意
Fig.3 Soil profile pattern diagram
文献[8]采用黄河泥沙一次性充填复垦技术，待泥沙固结后覆盖40 cm左右的土壤，复垦土地上的作物产量仅为正常农田土壤的一半，说明黄河泥沙充填复垦覆盖土壤层厚度和复垦土壤剖面结构的重要性。
由图3显示的“土壤层+充填层”双层剖面与自然土壤剖面对比中，其差异是显而易见的:充填材料层的缺陷和对植物生长的障碍因子直接反映在土壤剖面结构特征上，这种结构主要依靠覆盖土壤层支撑植物生长，一旦覆盖土壤材料短缺的情况下，植物生长就会受限。
1.2 充填复垦创新战略
基于上述两大充填复垦问题，充填复垦的创新战略是:
(1)增加植物生长所需要的土壤覆盖层厚度:通过加大覆盖土壤层厚度，构建适宜植物生长的土壤介质层(表土层和心土层),达到保障植物生长的目的。建议充分利用各种建设用地的剥离表土、增加客土来源，尽可能增加覆盖土层的厚度，一般应在60～70 cm以上[17]。
(2)改变土壤结构:在覆盖土壤材料不足的情况下，上述战略就无法实现，为此，就应该在土壤结构的重构上进行革新。现有的充填复垦都是将充填材料填入待充填的沉陷地，再覆盖土壤，构成“土壤层+充填层”的土壤剖面结构。通过在充填材料之间夹土壤层就可以改变整个土壤剖面结构，形成类似五花肉的多层土壤剖面结构(图4)，从而改善土壤剖面的水分和养分运移特征，达到较好的土壤生产力。
图4 夹层式土壤剖面构型
Fig.4 Interlayer soil profile pattern
(3)成本-有效的充填工艺的革新:要想实现多层土壤剖面结构，不可避免地要进行多次充填，如何在多次充填情况下，实现复垦成本不增加或少量增加，成本-有效的充填工艺是关键，就需要科学合理的工艺组织。
2 夹层式土壤剖面构型原理
夹层式充填复垦的原理就是针对充填材料先天不足所形成“土壤层+充填层”的两层土壤结构，通过在充填材料层中夹土壤层的方式，构造多层土壤剖面构型，克服充填材料层的负面影响，提高土壤生产力的方法。其中充填材料中的土壤夹层的特性与充填材料呈逆向关系，如充填材料颗粒大、不保水，应夹含黏性的土壤;若充填材料黏粒含量高、透水性差，则夹砂性的土壤。其关键是基于充填材料和土源的特征，设计出合理夹层数量、夹层的厚度及位置的最优土壤剖面构型。
土壤学研究表明:土壤剖面改良是提高耕地生产力的有效手段之一，但一般认为土壤剖面是不易改变的稳定性因素,借助采煤沉陷区土地复垦土壤剖面重构的机会，在适宜的土壤材料保证的情况下，进行合理的土壤剖面构型设计，完全能够达到甚至超越煤矿开采前耕地的生产力水平。相关研究表明[18]具有夹黏土层的土壤剖面构型，农作物产量最高，可蓄持更多的水分和营养元素，并且随着夹黏土层厚度的增加，其对土壤排水起到延迟作用。
笔者以夹层式土壤剖面的柱状模拟试验来说明夹层式土壤剖面构型的优越性。
2.1 夹层式土壤剖面构型的验证
选取黄河泥沙为充填材料的3种剖面结构(图5)进行室内土柱入渗及蒸发试验，其中T1为“上土下沙”型剖面构型，T2为夹层式剖面构型，CK为正常农田剖面构型。入渗结束后静置48 h,选择50～70 cm土层对比含水量，可以发现3种土壤结构的明显差异:“上土下沙”土壤剖面构型由于黄河泥沙保水性差，导致其含水量仅为正常农田的25.64%;而添加土壤夹层后，使其含水量提高80.68%，改善了土壤的保水性能。
图5 不同土壤剖面构型示意
Fig.5 Different soil profile pattern
图6 不同剖面湿润锋的运移
Fig.6 Wetting front transport distance of different soil profiles
不同剖面湿润锋的运移情况如图6所示，湿润锋在上覆40 cm土层的运移过程中，累积入渗量随时间的变化基本一致，呈非线性关系。至330 min左右，穿过“土-沙”交界面后湿润锋的运移速度T1稍大于 T2但均明显比CK快，这是由于水分穿过“土-沙”交界进入了黄河泥沙层，导致水分在黄河泥沙中迅速下移。至610 min左右，T2湿润锋运移至农田土夹层，湿润锋发生转折，运移速率降低。正是由于农田土夹层的存在，使得湿润锋在不同土壤剖面构型的推进速度产生了明显差异，T1剖面湿润锋于1 420 min到达土柱底部，T2湿润锋于1 680 min时到达土柱底部，用时为T1的1.18倍，明显改善了“上土下沙”剖面构型的入渗性能。
图7 不同土壤剖面持水量
Fig.7 Wetting front transport distance of different soil profiles
不同土壤剖面蒸发过程的持水量情况如图7所示，剖面T1,T2和CK持水量有相同的变化趋势，逐渐下降最后趋于稳定，蒸发前CK,T1,T2的持水量情况分别为:503.87,304.93,391.824 mm;蒸发至30 d，CK,T1,T2的持水量情况分别为:349.98,213.16,293.28 mm。在蒸发的全过程中，3种剖面持水量大小始终为:CK>T2>T1，T2的持水量始终介于CK与T1之间，比T1平均高28.4%，说明“夹层式”剖面构型改善了“上土下沙”剖面构型的持水性。
综上，说明在“上土下沙”剖面构型的黄河泥沙层增加农田土夹层，能够明显的减慢湿润锋的运移速率、增加累积入渗量并提高蒸发全过程中土壤的持水能力，实现了保水效果。
2.2 夹层式土壤剖面构型的作用
土壤学研究表明:土壤剖面构型直接影响了土壤水、肥、气和热等因素，对土壤水分和溶质运移有显著的影响，是影响耕地质量的重要因素之一。土壤水是土壤形成过程中溶质运移和物质转化等许多理化过程的载体。如图8所示，土壤水受到自然和人为环境因子的作用，如降雨、灌溉、气温、风速和植物根系吸收等影响而在土壤中不断地进行着入渗、渗漏、蒸发、再分布等运动过程，溶质在土壤水的驱动力下，随之不断运动，为植物生长提供水分和养分。夹层式土壤剖面构型的作用就在于:通过夹层改善土壤水分和溶质的分布特征和运移规律，改善夹层上方充填材料的水分和养分特征，进而改善了植物的生长环境，促进植物生长。因此，对充填复垦而言，夹层式多层土壤剖面构型对提高复垦土壤质量、促进植物生长具有重要作用。
图8 夹层式土壤剖面构型示意
Fig.8 Diagram of interlayer soil profile pattern
3 夹层式充填复垦方法
从上面研究中可以看出，夹层式土壤剖面结构可以克服充填材料障碍因素，使土壤生产力得到提高。但如何在实践中实现这种夹层结构呢？现有的充填工艺都是先对待充填区域进行表土和心土的剥离，尽可能原地采集较多的覆盖土壤;然后一次性充填材料填充，最后再覆盖土壤，因此，要想实现夹层结构，就需要多次充填和多次土壤回填，其关键是解决土壤分层剥离和堆存、多次回填土壤与充填之间的耦合，其目的是实现在连续充填的条件下，构建高质量夹层式土壤剖面构型。
根据充填材料的不同，其充填方法略有不同，充填材料大体分为两种，一种是固体充填材料如煤矸石，另一种是液体充填材料如湖泥，黄河泥沙和粉煤灰等充填材料是通过和水混合，以液体的形式输送到采煤沉陷地的，一并归为液体充填材料。对于固体充填材料，其充填方法较为简单，可以利用汽车等运输设备将其输送到沉陷地，然后进行材料充填、回填心土、再充填、回填心土等多次充填、回填心土的操作，其充填过程是连续，固体材料充填的过程中可以划分条带也可以不划分。对于液体充填材料，往往用管道水力运输，且充填材料固结排水需要时间，等充填材料固结后才可回填心土，再进行第2次的充填和回填心土，因此，在单一充填区域夹层式土壤重构很难实现连续充填。为了实现黄河泥沙的连续充填，笔者提出了通过划分条带、条带间交替式充填的解决方案，即夹层式充填复垦方法，此外，采用间隔条带进行表土和心土的分别剥离与堆存及回填，进一步提高复垦土壤的质量[10]。下面，笔者以充填材料中夹一层心土层的土壤剖面构型(图9)为例介绍其技术工艺。
图9 夹一层心土层的土壤剖面构型
Fig.9 Soil profile with a subsoil layer in layers
夹层式充填复垦方法如下:
(1)划分充填条带、确定最优的充填条带尺寸。
条带一般划分为规则的长方形，如图10所示，具体的尺寸与沉陷区面积和机械设备的工作半径有关，通过准静水沉降法、一度流超饱和输沙法等方法确定最优充填条带尺寸，并将条带按照1,2,3,4，…，i,…，n进行编号。对于已有积水的沉陷区，首先排走沉陷区积水，再划分条带。划分条带是为条带间交替式充填做准备，便于实现连续充填，缩短复垦时间。
图10 采煤沉陷地划分条带示意
Fig.10 Dividing the strips in mining subsidence land
(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。确定同步交替充填条带的个数是为了实现连续充填，当同步充填的最后一个条带充填完成后，至少保证第1个条带已完成回填心土层，可直接进行第2次充填。
以先充填奇数条带为例，假设条带1,3,5为一组同步交替充填的条带，即条带5充填完成后，条带1已经完成排水固结和回填心土，并可直接进行第2次充填复垦。
条带1可直接进行第2次充填的前提是，条带1第1次充填层排水固结时间
和条带1回填夹心土层时间T1JS总和小于条带3第1次充填时间
和条带5第1次充填时间
总和，即
条带3可直接进行第2次充填的前提是，条带3第1次充填层排水固结时间
和条带3回填夹心土层时间T3JS总和小于条带5第1次充填时间和条带1第2次充填时间
总和，即
同理，条带5可直接进行第2次充填的前提是:
条带1可直接进行覆盖心土的前提是，条带1第2次充填层C2排水固结时间
小于条带3第2次充填时间
和条带5第2次充填时间
总和，即
条带3可直接进行覆盖心土的前提是，条带3第2次充填层排水固结时间
小于条带5第2次充填时间和条带1覆盖心土时间
总和，即
同理，条带5可直接进行覆盖心土的前提是:
通过上述分析，可以得出一般性公式，假设同步充填条带为条带1,3,5,7,9,11,…,i,…,n。其中i和n均为奇数。
条带i可直接进行第2次充填的前提是
条带i可直接进行覆盖心土的前提是
(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。对每一组待交替充填复垦的条带进行分层剥离，将剥离的表土堆放在表土堆放子区，剥离的心土堆放在心土堆放子区，如图11所示，条带1,3,5的表土分别堆放在2,4,6条带表土堆放子区，条带1,3,5的心土分别堆放在2,4和6条带心土堆放子区。
图11 剥离土壤堆放示意
Fig.11 Stockpiling diagram of topsoil and subsoil
(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个开始充填，当达到设定的泥沙层厚度后，开始充填第2个条带，此时第1个充填条带在进行排水固结，当第2个充填条带达到设定的泥沙层厚度后，再充填第3个待交替充填条带，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i个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，同一组最后一个条带充填完成后，第1个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，覆盖心土和表土。
以条带1、条带3和条带5为一组交替充填条带为例，首先充填条带1，当条带1的充填层C1达到设定的泥沙层厚度后，充填条带3，同时条带1的充填层C1在进行排水固结，当条带3的充填层C1达到设定的泥沙层厚度后，充填条带5，与此同时条带1覆盖夹心土层JS，条带3的充填层C1在进行排水固结，当条带5充填完成后，转而充填条带1，即在夹心土层JS上进行第2次充填形成第2个充填层C2，如图12(a)所示，同第1次充填的步骤，对条带3和5进行第2次充填，当条带5充填完成形成第2个充填层C2后，条带1回填心土，条带3和条带5依次回填心土，最后统一覆盖表土。至此，一组交替充填条带充填完成。
步骤同上，对其他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”，在充填复垦的过程中一定要做好衔接，保障充填及时、排水迅速、覆土到位。
(5)土地平整。
最后进行土地平整，使其恢复到可耕种状态，如图12(b)所示。
图12 夹层式充填复垦过程和复垦完成后示意
Fig.12 Reclamation process and completion of interlayer filling
4 夹层式充填复垦实践及效果
笔者以黄河泥沙夹层式充填为例，分析采煤沉陷地夹层式充填复垦的效果。
4.1 研究区概况
研究区位于山东省德州市邱集煤矿西侧采煤沉陷地，距离潘庄引黄总干渠大约5.5 km，沉陷深度为0.50～2.22 m，复垦前为荒草地，存在季节性积水，不能耕种。研究区属于黄河下游冲积平原，成土母质为黄土，地势平坦，地面高程为+27～+30 m，地面坡度约为0.05%。暖温带半湿润季风气候区，年均气温为14.3 ℃，年均降水量为645.9 mm，降雨多集中在6月下旬至9月下旬，平均全年无霜期210 d左右。邱集煤矿采煤沉陷地未沉陷以前为优质农田，种植结构为冬小麦-夏玉米的一年两熟形式。
4.2 黄河泥沙夹层式充填复垦效果
通过夹层式充填复垦的方法在野外实施了夹层式土壤剖面构型T1和T2(图13)，T1和T2均为中间夹两层心土层的土壤剖面结构，是通过3次充填黄河泥沙实现的，CK1为现有的一次性充填复垦方法实现的“上土下沙”型的土壤剖面构型，是通过先充填50 cm的黄河泥沙层，再覆盖40 cm心土层和回填30 cm表土层实现的，CK2为正常农田的土壤剖面构型。
图13 野外夹层式土壤剖面构型
Fig.13 Interlayer soil profile pattern in field
通过种植小麦，获得的产量如图14所示:夹层式土壤剖面构型T1和T2的小麦产量分别为7 602.15,8 044.74 kg/hm2，“上土下沙”型的土壤剖面构型CK1的产量为6 842.32 kg/hm2，正常农田CK2的产量为7 824.79 kg/hm2。夹层式土壤剖面构型T1和T2的产量均高于“上土下沙”型土壤剖面构型CK1的产量，且分别高出11.10%和17.57%，夹层式充填复垦效果优于现有的一次性充填复垦。夹层式土壤剖面T2产量甚至高于正常农田CK2，“上土下沙”型土壤剖面构型CK1的产量低于正常农田CK2。夹层式土壤剖面构型T1和T2相比，两者均夹了两层心土层，但夹层位置和厚度不同，T1和T2的产量不同，说明充填复垦效果与夹层的位置和厚度有关。
图14 不同土壤剖面构型小麦产量
Fig.14 Wheat yield of different soil profiles
5 结 论
(1)对现有的充填复垦技术进行了深入的分析，揭示了现有充填复垦存在充填材料先天性不足、“土壤层+充填层”的双层土壤剖面构型存在的缺陷。充填材料往往是废料，距离真实土壤有较大差距:煤矸石和粉煤灰充填复垦存在二次污染风险;淤泥质地黏重，不利于水分的快速排出;虽然黄河泥沙是一种绿色、健康的充填材料，但是其质地为砂土，不利于水分和养分的保持。这些充填材料，在土壤剖面中表现为煤矸石和黄河泥沙充填会出现漏水漏肥现象，粉煤灰和淤泥充填则容易出现透气性差、土壤板结现象，使得复垦土壤的农作物长势差，产量低。
(2)创新性的提出了“土壤层+充填层+夹层+充填层……”的夹层式多层土壤剖面构型，并阐述了其原理。夹层式土壤重构就是通过在充填材料层中增添夹层的方式，构造多层土壤剖面构型，克服充填材料层的负面影响，提高土壤生产力的方法。其中充填材料中的土壤夹层的特性与充填材料呈逆向关系。根据土壤水势及土壤孔隙的分布情况，在含黏粒较少的煤矸石或黄河泥沙充填材料中添加黏土夹层，阻隔渗水、增强毛管水作用实现保水保肥；在淤泥或粉煤灰含黏粒较少的充填材料中，添加孔隙大的砂土夹层，加快水分的排出。通过这种方式改良了“土壤层+充填层”的双层土壤剖面构型存在弊端，提高了复垦耕地的质量。
(3)提出了一种充填复垦采煤沉陷地交替多层多次充填土壤重构方法，通过交替多次充填工艺，实现多次充填和多次土壤剥离与回填的连续施工工艺。
(4)该研究选取黄河泥沙充填为例，以小麦为宿主进行大田种植试验，分析采煤沉陷地夹层式充填复垦的效果，结果表明:夹层式土壤剖面构型所产小麦产量均优于“上土下沙”土壤剖面构型，进一步验证了在充填材料中添加土壤夹层，能够实现高质量复垦耕地的目的。
将现有的充填复垦的“土壤层+充填层”土壤剖面结构，改为夹层式的多层结构;将一次性充填复垦工艺改为多次充填复垦工艺，看上去这种革新并不复杂，但其意义和作用是很大的，它是对充填复垦提出了更高的要求，不再是过去简单的“充充填填”，而是要按照土壤学原理构造适宜的土壤剖面、按照成本低效率高的要求革新充填复垦工艺。本研究夹层式充填复垦原理与方法的提出，旨在推动充填复垦技术革新，期望本文能起到抛砖引玉的作用。
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