剥离耕作层土壤重构利用技术研究

陈思萌1,4，王文中2，刘志全2，赵静 3，孙巍3

1. 山东农业大学资源与环境学院，山东泰安，271018；2.山东省土地综合整治服务中心，山东济南，250014； 3.泰安市国土资源局岱岳区分局，山东泰安，271000；4.泰安恒源大地景观工程有限公司，山东泰安，271000）

摘要：利用剥离的肥沃土层开展土壤重构是表土剥离与利用工作中的重要环节，是土地复垦的核心内容，开展表土剥离利用中的土壤重构技术研究，可为表土剥离利用工作的顺利推行以及土地复垦技术优化提供支撑，也可为表土剥离与利用技术规范的出台提供参考。本文采用理论分析和田间模拟试验的方法，在分析土壤重构内涵的基础上，研究不同的重构技术对土壤质量的影响。研究表明，分层回填重构处理可有效保持不同土层土壤的各营养成分含量，而混合回填重构处理将不同土层均匀掺混，土壤中各营养成分含量也随之被均匀化处理，分层回填更能有效确保复垦后的耕地质量及提高土地的生产力；复垦重构过程中对回填表土的机械压实效果受压实次数和土壤前期含水量的共同影响，容重增大效应与含水量正相关；压实1次或3次可使0-30cm土层土壤容重迅速增加，而3次压实后对土壤进一步压实的效果不明显，同时土层也基本达到稳定沉降状态实践中；可根据回填区重构土壤类型与状况、环境条件，选择合适的覆土工艺与程序。

关键词：表土剥离与利用；土壤重构；分层回填；压实

基金项目：山东省财政厅项目“建设占用耕地表土剥离与利用关键技术研究”（2016320016），泰安市科技创新行动计划项目“耕地剥离表土堆置体生态保育技术与产品研发”。

第一作者简介：陈思萌，山东农业大学资源与环境学院土地管理专业，泰安恒源大地景观工程有限公司土地整治设计部副主任，主持泰安市科技创新行动计划项目“耕地剥离表土堆置体生态保育技术与产品研发”1项，参与“建设占用耕地表土剥离与利用关键技术研究”、“盐碱地生态高效共生模式研究与示范”等课题多项，参与发表核心期刊论文1篇，参与申报国家发明专利1项（申请号：201710.158771.9）；参与“泰安市岱岳区满庄镇土地整理项目”、“东营市利津县汀罗镇土地综合整治项目”等多个项目的规划设计与预算工作。电话：18953810687 电子信箱：hengyuan1385@163.com

0 前言

土壤作为一种重要的自然资源，和耕地资源一样需要保护。据测算，自然形成 1cm 厚的土壤需要 200 年左右的时间，形成 1cm 厚耕作层土壤需要 200-400 年的时间。表土剥离与再利用为缓解我国人地矛盾、耕地后备资源稀缺，提供了一条行之有效、切实可行的途径[1]。近年来，建设用地占用耕地的现象比较严重，其中大多数是位于城郊的优质耕地[2-3]。但一直以来，建设占用耕地后，耕地的表土层没有被剥离出来并加以利用，造成了土壤肥力的严重浪费[4]。目前，国家已经充分意识到耕地资源保护的重要性，国土资源部在《国土资源部关于强化落实最严格耕地保护制度的通知》中明确要求“全面实施耕地剥离再利用制度，建设占用耕地特别是基本农田的耕层应予以剥离，用于补充耕地的质量建设”[5]，并于2016年6月发布实施了《耕作层土壤剥离利用技术规范》（TD/T 1048-2016），为我国表土剥离和利用工作的进行提供了指引纲领。

目前对表土剥离适用条件[6]、剥离模式[7]、剥离策略[8]的研究较多，而关于剥离后表土用于补充耕地的质量建设方面的土壤重构技术研究甚少。土壤重构是表土剥离利用工作中的重要环节，也是土地复垦研究的核心内容[9]，特别是农田复垦往往要求严格的土壤剖面构造，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[10]，因此科学合理的土壤重构技术对保证剥离后表土的利用效率和效益，稳定提升耕地质量意义重大。根据山东省土地利用总体规划（2006-2020），山东省在2006-2020预计建设占用耕地171300公顷，表土剥离与利用空间巨大。在普遍重视表土剥离的前提下，开展剥离表土的土壤重构的研究，可为我省表土剥离利用工作的顺利推行以及土地复垦技术优化提供支撑。

1 土壤重构的内涵

土地整治中的土壤重构，是指应用工程技术手段（工程重构技术）和生物手段（生物重构技术），重新构造适宜的土壤剖面、土壤肥力条件以及稳定的地貌景观，在较短时间内恢复和提高重构土壤的生产力，并提高和改善重构土壤的环境，使之成为高质量农田的技术。其目的是利用科学的土层剥离回填等技术或方法减少土壤养分流失；利用各种工程措施改善土壤物理性质，提高土壤质量。土壤重构技术的最终目标是重构土地平整、土壤特性较好、具备一定条件的高产稳产的农田[11]。土壤重构是土地复垦最重要的组成部分之一，是土地复垦的核心内容。广义的土壤重构所用的物料既包括土壤和土壤母质，也包括各类岩石、矸石、粉煤灰、矿渣、低品位矿石等矿山废弃物，或者是其中两项或多项的混合物[12]，本文研究的土壤重构中的物料主要是指建设占用耕地中剥离的表土，属于狭义的土壤重构，重点在于恢复重构土壤的生产力。

2 不同回填重构方式对土壤养分的影响

本文选择泰安市郊区不同肥力水平的表层土壤，研究了分层回填和混层回填对不同回填重构方式对养分的影响进行了模拟研究。

从表1和表2可以看出，分层回填处理由于保持了剥离前的土层顺序，回填前后土壤中各种理化指标无显著差异，可有效保持不同土层土壤的各营养成分含量；而混合回填处理将不同土层均匀掺混，土壤中各营养成分含量也随之被均匀化处理。通过这种处理降低了表层土壤（0-20cm）土壤的肥力，但可在一定程度上提升底层土壤营养成分含量。总之，分层回填更能有效确保复垦后的耕地质量及提高土地的生产力。

表1 肥力较高小区不同重构方式的土壤理化性状

Table1 Soil physical and chemical properties of different reconstruction methods in high fertility area

注:不同小写字母表示同一土层不同回填方式间差异显著(P<0.05)。

表2 肥力一般小区不同重构方式的土壤理化性状

Table2 Soil physical and chemical properties of different reconstruction methods in fertility general area

注:不同小写字母表示同一土层不同回填方式间差异显著(P<0.05)。

3 覆土压实对容重及土壤折实度的影响

适宜的土壤容重对于土壤改良效果的保证具有重要的作用。对耕作土壤来说，具有一定厚度的犁底层对保持养分和水分是非常有益的。如果覆土层较厚通过复垦重新构筑犁底层或覆土前破坏了原有的犁底层，需要通过一定的外力进行压实来创造一个新的耕地土壤犁底层的效果。

研究表明，土壤压实效应主要与压实载重、土壤含水量及压实次数有关。本文使用重锤模拟常用施工机械履带式推土机（NT855-B280履带式推土机，每次对地面的压强为33.7kPa），以相同的压强对土壤进行压实不同次数。同时控制不同的土壤含水量，探究最为适宜的压实方法。为方便叙述，记供试土壤田间持水量的40%、60%、80%为A、B、C，对照小区为D（灌水后自然殷实的土壤），压实次数1、3、5次为1、3、5，0-30cm、30-60cm土层为X、Y。

3.1 对容重的影响

由表5.3可以看出，灌水后自然殷实的小区土壤容重最小，为1.41g·cm-3和1.38g·cm-3，在土壤含水量相同的条件下，同一土层的土壤容重均随着压实次数的增多不断增大。图1中，曲线的斜率反应出不同土层和不同含水量条件下的土壤容重在不同压实次数之间的变化幅度。

结果表明，0-30cm土层3个不同含水量处理，压实1次和3次的斜率均较大，压实3次之后斜率迅速变缓，即3次压实后对土壤进一步压实的效果不明显。不同含水量之间，一次压实后，容重增大效应与含水量正相关，含水量越高，容重增加幅度越大，但继续压实后，最高含水量C处理容重增加幅度迅速变缓，含水量A、B处理仍然表现为快速增加，且处理B>A。这说明，当土壤含水量较高时（如处理C），一次压实可能就会对土壤容重产生明显的影响，但再经多次压实后，增加缓慢，且最后容重不一定最理想；而含水量较低时（如处理A），压实影响相对较弱，最后的压实度也不一定达到理想值；因此，只有适宜的含水量（如处理B），可能会获得比较理想的容重。

30-60cm土层，也存在类似规律，但压实3次之后进一步压实处理，其容重进一步加大，其增大幅度要大于上层0-30cm土壤。土壤是弹性变化体，各部位受力并不均匀，随着压实次数的增加，依次影响以下各层土壤，只有上层土壤被压实之后，下层土壤才会主要受力，因此出现多次压实后增速比上层略快的现象。

表3 压实次数与含水量和容重之间的关系

Table3 Relationship between compaction times and water content and bulk density

图1 压实次数与含水量和容重之间的关系

Fig1 Relationship between compaction times and water content and bulk density

3.2 对土壤降深的影响

由表5.4可知，不论土壤处于何种含水量状态，随着压实次数的增加，单位土体所受压强增大，土层逐渐下降。其中，首次压实土层下降高度最明显，土层环比下降高度也要大于后边几次压实。经过3次压实后，土壤已经达到比较紧实的状态，之后的压实土层下降高度相对较小。因此，实践工作当中，适宜的含水量下（如处理B），压实3次才能保证土壤折实相对稳定，该结果对土方回填地面高程的确定很有指导价值。

表4 不同含水量土层随压实次数变化的下降深度

Table4 The decline depth of soil with different water content with the change of compaction times

4 覆土重构工艺与程序

4.1 覆土工艺

不同地块重构土壤的覆土工艺不尽相同。对于基本农用地的复垦，土壤剖面重构的任务是应保持土层顺序不变，构造较适宜的新土层,以形成较好作物根系生长发育的土壤介质；对于山地或表土层很薄的地区，常作为林业复垦用地，复垦后土地利用对土壤肥力要求不严，土壤剖面重构的主要任务是选择合适的表土替代材料，如剥离物中的砂岩、粘土岩及页岩并回填在复垦土地表层，构成了独特的矿山土（岩土层的混合）；旱地和水田对耕作层土壤的要求也不一样，一般来讲，对原有水田区回覆土壤时要在确保不破坏现有水田犁底层的情况下直接进行覆土；对于新造水田区，必须要先构筑犁底层后再进行回填耕作层土壤。进行表土回覆之前，若回覆区表土质量好于回填表土质量，回覆区最好也要将表层土壤剥离出来，根据土壤质量确定回填的位置。

4.2 覆土程序

表土回覆应遵循“先粗略整平，再精平”的原则，同时要避免在雨季进行。在保证土壤含水量适宜的条件下，一边卸土一边进行摊铺。目前常见的填土机械有自卸汽车、装载机和平地机等。采用自卸汽车卸土时，应按照作物的种植方向逐步后退卸土，期间要保持汽车和翻卸速度均匀，并配以推土机推土、摊平。推土也应确保均匀，每层摊铺厚度最多不超过50cm，具体要以设计覆土厚度为准。当覆土厚度不满足耕作层要求时，人工进行局部修复。当摊铺完成以后，采用小吨位的机械或者人工进行平整，复垦完以后整体的坡度不大于2°。

5.结论与建议

（1）分层回填处理由于保持了剥离前的土层顺序，回填前后土壤中各种理化指标无显著差异，可有效保持不同土层土壤的各营养成分含量；而混合回填处理将不同土层均匀掺混，土壤中各营养成分含量也随之被均匀化处理。分层回填更能有效确保复垦后的耕地质量及提高土地的生产力。

（2）复垦中对回填表土的机械压实效果受压实次数和土壤前期含水量的共同影响。压实1次或3次可使0-30cm土层土壤容重迅速增加，而3次压实后对土壤进一步压实的效果不明显。容重增大效应与含水量正相关，含水量越高，容重增加幅度越大。经过3次压实后，基本达到了稳定沉降状态，再继续压实，土层的下降幅度均表现为幅度较小。在实际操作中，针对不同的土壤含水状况要采取合适的压实次数。本实验所得数据并不代表所有类型的土壤。为达到理想的复垦土壤状态，要根据实际土壤状况采取合理的压实处理方式。

（3）不同地块重构土壤的覆土工艺和程序不尽相同，重构土壤质量的高低是土壤回填重构成功与否的关键所在，也是衡量重构水平的重要依据。表土剥离后在运输、贮存、回填过程中会导致土壤结构破坏和养分损失，因此剥离表土的利用，可根据回填区重构土壤类型与状况、环境条件，选择合适的覆土工艺与程序，并采用工程、生物和化学等综合措施实现重构土壤培肥改良与地力恢复，快速提高土壤生产力。

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