0 引言

大规模的矿山露天开采工程往往会对生态环境造成严重破坏，如基岩裸露、植被覆盖率降低以及土壤固水持水能力下降等（王锐等，2018；文卓等，2019；白铭波等，2022；弓晓飞等，2022），积极开展矿山土地复垦工作愈发重要（胡振琪，2019a；胡振琪等，2022；许晓明等，2022）。大陆槽矿区稀土资源丰富，自 20 世纪 90 年代以来矿山采矿规模持续扩大，区内现已形成一上口尺寸500×330 m，底部尺寸 140×60 m 的不规则环状凹型采坑（图1），采矿工程使地表植被遭到破坏，四周边坡陡峭，矿区内形成大面积裸露开采面。经矿山多年实测，研究区域降雨量充沛，年均降雨量为1072.2 mm，常有暴雨发生，因无植被涵养水源，矿区地表水极易汇集，造成地表侵蚀和裂隙。研究区主要易发生 4 种地质灾害，分别是滑坡、泥石流、危岩崩塌及地表裂隙，这4 种地质灾害是研究区土地损毁的主要原因。刘飞和陆林（2009）研究表明，矿山靠自身进行生态恢复需要 50～100 年，土壤的恢复需要 100～10000 年。因此，国内不断进行土地复垦条例、规定修订完善，指出要结合土力学、土壤学、植物学、景观生态学、生态经济学等诸多相关学科的理论，使土地资源得以重新利用，更加注重生态环境修复（王莉和张和生，2013；胡振琪，2019b）。国内目前进行土地复垦技术主要是在“边开采边复垦”的理念下（胡振琪等，2020；徐周，2022），对已损毁土地进行表土剥离、机械平整，消除附加坡度、地表裂缝以及波浪状下沉等损毁特征对土地利用的影响；通过覆土回填，满足复垦后土地平整性及降低土壤内杂物含量，在这些工程措施实施后，对土壤施用有机化肥和无机肥料，提高土壤养分含量，改良土壤结构，消除土壤的不良理化特性，重新构建适宜的土壤肥力值，在土壤达到一定肥力后再选择种植农作物或者乔灌草木。中国矿区土地复垦的典型技术采用剥离-采矿-回填-改良-绿化-复垦一体化（彭建等， 2005；周锦华等，2007），但据前人对矿山复垦的研究表明：传统方法矿山修复周期较长（胡振琪等， 2014；卞正富等，2018；胡振琪，2019a），所选农作物经济效益不稳定，并且使用化学肥料在促进农作物产量增长的同时，也可能会带来一定的生态环境、农产品质量安全及人类健康等方面的影响和隐患 （唐杉等，2020）。

综上，在进行平整场地、覆土回填及土壤改良措施后，综合考虑研究区的自然地理、气候水文、土壤环境、人文生态等诸多因素，因地制宜选择能增强研究区土壤理化性质和稳定结构的经济作物，实行矿山土地复垦＋产业发展的矿山复垦模式，实现生态、经济和社会效益最大化。通过矿山土地复垦＋产业发展，确保矿山修复时间实时高效、复合型经济产品效益稳速增长、生态环境优质提升、矿山复垦周期短、生态效果好、经济效益高，实现1+1+ 1≥3。这是对胡振琪提出的“边采边复”概念的拓展与延伸，从系统的角度综合考虑研究区自然资源要素“生产、生活、生态”三生空间与融合方面的综合效益最大化。

1 研究区概况

1.1 地理概况

研究区位于四川省凉山彝族自治州德昌县城北西方向的大陆槽乡境内（图1），其中心点地理坐标 101°57'12"E，27°12'26"N。区域内四面环山，海拔 1900~2300 m，地势北东高，南西低，相对高差 400 m，地形坡度 30°~45°，多侵蚀沟谷，地形陡峭。因此，在矿山开采过程中，露天采场边坡受到暴雨的冲刷，极易发生失稳现象。研究区内属亚热带季风气候，旱、雨两季分明，每年6—10月为雨季，11月至次年 5 月为旱季，多雨期降水量占了该区域全年降水量的 90% 左右，年均日照总时数 2245.3 h、年平均气温17.9℃，年均降水量1072.2 mm、相对湿度 64.3%，无霜期300 d以上。研究区内第四系残坡积物分布广，覆盖面积约 70%，厚度 5~40 cm 不等，土壤较肥沃。日照时间及无霜期均较长，旱季比雨季长，适合喜光、喜肥、耐旱作物生长。当地经济以农业为主，主要粮食作物有小麦、土豆、玉米；主要养殖业有猪、山羊、黄牛；主要经济作物有花椒、烟草、核桃等。德昌地区采矿历史悠久，该地区有 200 多个矿点，47种矿种，经地质部门勘查过的矿点21个，矿种12种，特别是稀土、氧化物远景储量达200万t，矿山开采是德昌县主要的工业支柱，总体来看经济支柱较单一。

1.2 土地损毁现状

四川省德昌县大陆槽稀土矿自 1999 年开采至今，因开采及基建已损毁 23.1 hm² 的土地面积（表1），研究区地形地貌景观受到严重破坏。

按研究区作业功能分类，研究区土地损毁的区域可分为 6 个区块，主要有露天采场、排土场、工业场地、矿山公路、二选厂及尾矿库（图2）。从按损毁程度角度看：研究区土地损毁程度为重度的是露天采场，重度损毁土地占损毁总面积的 40.36%，排土场、尾矿库、矿山公路、工业场地和二选厂损毁程度皆为中度，中度损毁土地占损毁总面积的 59.64%。综合分析表1 及图2 可知，研究区损毁区域内旱地和林地占损毁区域比例较大，占损毁面积的 49.53%，尤其是露天开采区的土地损毁，损毁后地形地貌完全改变，土地功能基本丧失并且短时间内难以恢复，对当地农业生产和生态环境影响较大。从损毁方式角度看：其中损毁方式为挖损损毁的有露天采场、排土场、尾矿库及矿山公路，挖损损毁土地占损毁总面积的 77.4%，挖损改变了原有土壤理化性质，破坏了原有地表植被，改变了原始地形地貌，尤其露天采场复垦难度较大；损毁方式为压占损毁的有工业场地和二选厂，压占损毁土地占损毁总面积的22.6%。

1.3 土壤环境质量

根据四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心对研究区进行的土壤化学测量结果看出，大陆槽研究区土壤中这6种元素含量均符合《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）筛选值第二类用地相关标准，研究区目前土壤污染程度较小，对研究区种植作物暂不产生影响（表2）。

1.4 地表水环境质量

大陆槽稀土矿地表水 pH 为 7.27~8.17（表3），属于弱碱性水质，在《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水域标准值范围之内。矿区地表水中石油类、汞、砷等环境指标超出标准值，但在土壤环境质量检测中，汞、砷、铅重金属类均达标，且远低于土壤污染风险的限值，推测可能是由于矿山之前不规范化开采浅部矿对研究区地表水的影响，目前矿区已处于停采状态。pH、COD、BOD₅、氨氮、六价铬、镉、铜、硫化物等大部分环境质量指标整体均在Ⅲ类水域标准值范围之内，综上判断研究区目前地表水整体水质基本达标，尾矿库渗滤液和居民生活污水并未对研究区地表水造成较大污染，应加强对研究区地表水的保护和管理，提升地表水环境质量。

1.5 水文地质概况

研究区地表水由西向东发育有刘家湾沟、磨房沟、大陆槽沟（图3a）。刘家湾沟发源于研究区北部外围，由北向西流出区外，在尾矿库下部汇入谭家坝河沟，经长期动态观测，流量 23~128 L/s；磨房沟发源于研究区北东外围，由东向南西在研究区南部汇入大陆槽沟，流量随季节性变化，经长期动态观测流量43~590 L/s；大陆槽沟发源于研究区南部，于研究区外围南西汇入谭家河沟，流量随季节性变化，经长期动态观测流量 240.27~941.41 L/s；此外，研究区外围发育有多条小支沟，一般流量均为5~20 L/s。

研究区地处低纬度区，冬季干燥，夏季多雨，干湿分明，降水量和蒸发量均处于较高水平；研究区山高坡陡，下渗条件较差，地下水在研究区内处于径流地段，地下水主要受大气降水及磨房沟上游的侧向渗入补给，总体不发育。研究区内出露地层比较简单，地表主要为第四系冲洪积物及残坡积物覆盖，冲洪积物主要分布于大陆槽沟、磨房沟、刘家湾沟，厚度5~12 m，主要由碎块石组成，块石成分以碱性正长岩、闪长岩为主，其透水性强，含水稍弱。结合《矿区水文地质工程地质勘查规范》（GB/T12719-2021），该矿床系裂隙含水层直接充水型，主要矿体在当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，综合评价认为该研究区的水文地质条件属于简单的裂隙充水类型。

2 土壤 pH 与微量元素的相关性分析

2.1 样品采集与处理

根据研究区野外调查实际情况，工业场地、二选厂及矿山公路都是属于压占损毁，工业场地及二选厂作为矿山生产生活区，矿山公路作为研究区运输通道，且应矿山工作人员要求将留下续使用，因此样品采集区域为矿山排土场、采研究区和尾矿库。每个取样点的范围设计为 3 km×3 km，采样路线按照“S”形设计，共计采集 8个点（图3b），在每一个采样点用塑料铲子剥开土壤表层的枯枝烂叶，采集 0~20 cm 的耕层土壤作为代表该点的样品，同时记录完整采样点位置、日期及土壤理化特征。采集的土壤样品经风干、研磨、过筛后用于土壤pH、土壤养分含量（有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾）测定。样品测定方法：土壤 pH 采用电位法；土壤有机质采用重铬酸钾加热法；有效磷采用碳酸氢钠浸提法；全磷、全钾采用氢氧化钠法；速效钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法；全氮采用凯氏定氮法； 土壤7种有效态元素（有效磷、有效锌、有效铜、有效铁、有效钼、有效硼和有效锰）的测定采用二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法。实验数据均在四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心开展，所有数据均经过平行样检测，误差在5%之内。

2.2 结果与分析

2.2.1 土壤微量元素与pH的相关性

采用皮尔逊（pearson）相关性分析处理方法对研究区土壤样品中的微量元素与pH、有机质的相关性进行分析（表4）。土壤 pH 是土壤溶液中 H⁺ 的浓度和OH^-的浓度之比，它是土壤的重要化学性质，能够决定土壤的保肥和供肥能力，影响农作物的正常生长，土壤 pH能影响作物营养成分的吸收利用，适宜的 pH 能减少作物缺素症和不良元素的毒害作用 （Martinsen et al.，2015；买合甫拉提·乃比和玉苏甫· 买买提，2017）。土壤 pH 是土壤肥力的重要指标之一，影响土壤肥力形成和质量的演变（杜彩艳等， 2016）。由图4 可知土壤 pH 与全磷、全钾呈负相关关系，与全氮、有效磷和速效钾呈正相关关系。即随着 pH 的增高，全磷及全钾的含量总体上呈减少趋势，全氮、有效磷和速效钾含量总体上呈上升趋势，但全磷、全钾、全氮、有效磷和速效钾与土壤 pH 之间的相关系数绝对值均较低，相关性均不明显，均没有达到显著水平，特别是全磷和有效磷。

2.2.2 土壤微量元素与有机质的相关性

土壤中的有机质与微量元素是土壤的基本组成部分，土壤有机质在维持土壤肥力、土壤环境质量、作物产量上有着重要的作用，土壤有效养分含量是土壤对作物养分供应能力的体现，是评价土壤肥力的重要标准（王倩等，2018）。土壤养分主要由土壤pH、有机质、有效养分和交换性能构成，与作物产量具有显著的相关性（汤珧华等，2017；彭卫福等，2018；李春喜等，2019；杨仕曦等，2019）。由图5 可知，研究区中的全磷、全氮、有效磷和速效钾与有机质呈正相关关系，含量都随着有机质含量的升高而上升，而全钾与有机质呈负相关关系，全钾的含量随着有机质含量的升高而下降。速效钾与有机质相关性极度显著（r>0.9），全氮与有机质之间的相关性显著（r>0.8）。由此可见，合理使用有机肥，以改善土壤中的微量元素的有效性，有利于研究区作物对微量元素的吸收。

2.2.3 土壤有效态微量元素与有机质的相关性

有效硼可以促进植物体内碳氨代谢，增强光合作用，提高碳水化合物和蛋白质的合成与转运能力，有利于根系的生长发育；有效锰、有效铁、有效钼对花椒叶绿素的形成、促进氮素代谢、增强光合作用、提高抗逆能力等有重要作用（陈明玉等， 1987）。由图6 可知，研究区有效锌、有效铜、有效铁、有效钼、有效硼和有效锰正态分布均为右倾型 （0.630<r<0.987），有效硼与有机质呈极显著正相关关系（r>0.9），含量都随着有机质含量的升高而上升，有效锌、有效钼、有效猛和有效铜与有机质呈显著正相关关系（r>0.8），含量都随着有机质含量的升高而上升，有效铁与有机质呈正相关关系。由此可见，合理控制研究区土壤中的重金属微量有效性含量可维持研究区土壤肥力、土壤整体环境质量和提高相关作物产量。

3 讨论花椒种植适宜性

类比法是常用的定性、半定量的评价方法，通过借鉴相似对象的实践经验，对性质相似的评价单元进行类比评价，该方法需要有与评价对象相似的类比情况（弓晓飞等，2022）。因此，本文将研究区复垦范围内种植花椒的环境条件与位于历史悠久、盛誉远扬，具有“贡椒”盛名的汉源特产花椒种植条件作类比分析，从气候、水文、人文生态、土壤质地和石砾含量、土壤微量等方面讨论研究区复垦范围内种植花椒的适宜性。

3.1 气候、水文、人文生态

研究区气候特点前已述及，年降雨量相对较少，气候温凉、无霜期长、日照充足，适合花椒喜光耐旱、耐寒的生长特性，当地也有其他经济作物，如烟草、核桃，但烟草种植对生长的环境温度、光照强度、土壤条件及气候条件等因素要求较高，任何一方面因素发生突变，都会对烟草的优质高产产生直接影响，且优质烟草种植过程繁琐（朱友军等， 2020）；烟叶烘烤过程中需要消耗木材进而破坏生态环境，烘烤产生的二氧化碳等气体也会影响空气质量（秦中华，2017）；土壤过旱不利于核桃的生长和结实，土壤干旱易造成落花果，乃至叶片凋萎脱落（纪成刚，2012）；而且根据花椒属性，花椒一年四季都可以播种，其播种时间不受限制，这一优势特征是该地烟草、核桃等其他经济作物不具备的优势条件，且花椒树一般栽后 2a 开始挂果，3a 可以进行适当采摘，后期挂果增加，5～7a进入盛果期可大量采摘，盛果期年限一般为 10～15a，20～25a 以后花椒树开始衰老，其寿命长达40a左右。

此外，大面积种植花椒对当地的生态和人文经济都有积极的作用，根据张永丽等（2006）对旱地花椒育苗技术的研究，喻阳华等（2018）对花椒育苗技术的研究，花椒在旱地、林地都可进行种植，研究区可种植花椒面积为16.7565 hm²，从人文经济方面来看，花椒树是一种高效益的农业作物，产量高，市场需求量大，价格稳定或上涨，种植花椒可以增加当地农民收入和就业机会，促进农村经济发展和乡村振兴；种植花椒还能培育当地的特色品牌和文化，提升区域影响力和知名度等；从生态方面来看，花椒树是一种耐旱、耐贫瘠、适应性强的经济林木，可以在荒山、荒地等自由地上生长，对水土保持和环境改善有利；花椒树还能吸收空气中的二氧化碳和释放氧气，净化空气和缓解温室效应。花椒树还能提高土壤肥力和微生物活性，促进土壤养分循环和生物多样性（李佩洪等，2021；廖礼彬等，2022）。综上，研究区复垦作物首先考虑适宜当地气候特点且相对易种植的花椒。

3.2 土壤质地和石砾含量

花椒生长好、产量高的土壤均含有较多的砂砾，便于透水通气（陈明玉等，1987）。根据四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心对研究区进行的土壤颗粒大小含量分析结果（表5） 看出，研究区土壤颗粒含量主要以砂砾为主，次为粉粒、黏粒，砂砾颗粒含量范围为 49.2%~70.26%，平均含量为 60.65%，其中砂砾的颗粒含量范围为 27.43%~44.3%，平均含量为 34.40%；粉粒及黏粒的颗粒含量占比为 23.45%~50.8%，平均含量为 38.57%。研究区砂砾含量占大部分，少有碎石，粉、黏粒占 1/3，这说明研究区土壤通透性好，不宜滞水，又具有一定保水保肥的能力，适宜花椒生长。

3.3 土壤微量元素

土壤是作物赖以生存的基础，土壤肥力高低对作物产量和品质起着至关重要的作用，土壤中的有机质与微量元素在土壤肥沃程度、影响作物产量上有着重要的位置。pH、有机质和微量元素是表征土壤肥力的指标（武婕等，2014）；有机质是土壤的重要组成部分，能够提升土壤养分供应能力，改善土壤结构和耕层微生物区系，是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源（王清奎等，2005）； pH 通过影响土壤养分的形成、转化和有效性，从而间接影响作物的生长发育。研究区全钾、全氮和速效钾与有机质相关性极度显著，磷和有效磷与有机质之间的相关性显著；有效锰、有效铁、有效钼、有效锌等均与有机质呈正相关关系，土壤 pH与全磷、全钾呈负相关关系，与全氮、有效磷和速效钾呈正相关关系但相关性不大。唐海龙等（2017）在研究川东丘陵区通过种植花椒，发现有机质、有效磷、速效钾等土壤养分随着花椒种植年份的增加而增加，花椒对土壤肥力具有显著的增肥效应；前人研究四川汉源县花椒土壤理化特性与产量关系，发现汉源花椒土壤有机质、全磷、全氮、速效磷（有效磷）、速效钾与花椒产量存在显著正相关，而全钾与花椒产量未表现出密切相关性，有效硼能促进花椒体内碳氨代谢，增强光合作用，提高碳水化合物和蛋白质的合成与转运能力，有利于花椒根系的生长发育，有效锰、有效铁、有效钼对花椒叶绿素的形成、促进氮素代谢、增强光合作用、提升抗逆能力，与花椒产量呈正相关（陈明玉等，1987）。四川汉源县花椒在红壤（1500 m 以下）、黄棕壤（1500~2000 m）、棕壤 （2000~2500 m）、暗棕壤（2500 m 以上）和非地带性土壤紫色土上均能生长，且花椒高产区分布在黄棕壤带内，而大陆槽研究区开采海拔在1900~2300 m，土壤类型为棕壤土，研究区地貌与汉源花椒种植高产区相似。综上，研究区选用花椒种植，不仅可以使土壤增肥，而且土壤中的微量元素也可以促进花椒的生长，这种互相增益的效果表明花椒种植是一种可持续的农业生产方式。

3.4 复垦效果可持续性

矿山土地复垦追求的不是当下的效率，而是长远的效益，是考虑复垦效果的绿色生态发展可持续性、经济发展可持续性的最大化。土地复垦的关键点在于复垦后土壤的侵蚀控制（周锦华等，2007）。学者在紫色丘陵区耕地进行紫花苜蓿生物埂、桑树生物埂、花椒生物埂及自然生草生物埂的研究发现，花椒埂相比于桑树埂、紫花苜蓿埂及自然生草埂，花椒埂的土壤结构更稳定，抗侵蚀能力也是最高；并且在耕地种植花椒可以使土壤孔隙结构变大、容重变小、透水能力和持水能力增加，水土保湿效应显著（汪三树等，2012，2013）；梁晓兰等（2008） 研究表明花椒凋落物在分解过程中也可以改变土壤的微生态环境和土壤化学性质，因此将花椒凋落物进行堆肥，以无机肥料形式施用于土壤，可促进土壤养分循坏，增加花椒质量与产量。相比于传统土壤重构，先对土壤培肥，再进行种植绿化植物或经济作物的土地复垦方式，采用种植花椒方法更加生态高效。研究区复垦范围内种植花椒不但可以加固和增强土壤结构的稳定性和土壤理化性质，而且也更好的保护当地生态环境。此外，通过实现矿山生态修复＋生态农业的模式可最大化兼顾生态、经济和社会三者的复合效益，矿山土地修复产业化，可持续化。因此，花椒这一经济作物适应大陆槽矿区土壤条件、气候水文、人文生态条件，研究区进行花椒种植土地复垦是可行的。

4 结论

（1）大陆槽土壤 pH 为 5.84~8.60，土壤 pH 与微量元素之间的相关性不明显；有机质与微量元素的相关性系数绝对值介于 0.684~0.987，全氮、有效锌、有效钼、有效猛和有效铜与有机质显著正相关 （r>0.8），速效钾、有效硼与有机质极显著正相关（r>0.9），微量元素对花椒生长发育和抗逆性有重要作用，且与花椒产量呈正相关，具有互相增益的效果，选用花椒进行复垦是一种可持续的矿山复垦方式。

（2）大陆槽稀土矿位于川西高原南部，海拔高差为 1900~2300 m，土壤类型为棕壤土，气候温凉、无霜期长，日照充足，土壤以砂砾含量为主，少有碎石，土壤通透性好，不宜滞水，具有一定保水保肥的能力，适宜花椒生长。

（3）综合分析研究区气候、水文、人文生态、土壤质地和石砾含量等花椒种植因素，选用花椒种植具有互相增益的效果，可加固土壤结构的稳定性、提高土壤理化性质，修复矿山生态环境、增加土地产出效益，最大化兼顾了生态、经济和社会的复合效益，促进德昌县经济的可持续发展。

注释

① 四川省地质矿产公司.2019. 四川省德昌县大陆槽稀土矿资源储量核实报告[R].1-97.

参考文献