我国东部高潜水位平原矿区地势平缓，地下多层煤层叠加分布、煤层较厚，且地下潜水位高，地上多为基本农田，煤粮复合面积较大。采煤引起大面积农田破坏或退化，积水深度较大，导致高潜水位平原矿区复垦耕地的难度增大，造成了巨大的农业经济损失、大量的压煤村庄搬迁，增加了社会不稳定因素，使得局部地区城镇化布局受限和生态环境恶化等一系列问题。因此，以提高复垦耕地率为目标的采煤沉陷地复垦是一个亟待解决的问题，而充填复垦技术是解决该问题的有效方法之一。煤矸石、粉煤灰等是较为传统的采煤沉陷地充填复垦材料，但其存在数量不足和潜在二次污染的风险，推广应用受到限制。


黄河是世界上含沙量最大的河流之一，进一步提高防洪能力、多途径处理和利用泥沙、减轻河道淤积等是黄河治理、开发与保护的主要任务。因此，滨黄河矿区的采煤沉陷地可利用黄河泥沙作为充填材料，既可以提供数量充足且安全的充填复垦材料，提高耕地恢复率，又对黄河的疏浚起到一定的作用。黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地技术是一项庞杂的技术，涉及取沙、输沙、充填、排水、土壤重构等多个方面，其中土壤重构是矿区土地复垦的核心内容，而土壤剖面重构又是土壤重构中最为基础的部分。因此土壤剖面重构是黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地技术中最为关键的一环，其直接决定了黄河泥沙充填复垦技术的成败。然而，目前国内关于黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构的研究尚未有所报到，现有黄河泥沙充填复垦土壤剖面重构实践大多是借鉴传统的采煤沉陷地充填复垦技术(粉煤灰、煤矸石等)经验，存在覆土不足、保水保肥性差、灌溉水量多、农作物长势差和产量低等问题。


为此，需要开展黄河泥沙复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术研究，以求提高复垦耕地质量和生产力。借鉴已有研究成果经验，利用土壤学、农学等相关知识，首先通过室内土柱试验，以玉米为宿主植物，研究了一次性充填黄河泥沙后直接覆盖土壤的黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地“上土下沙”型双层土壤剖面构型，通过测定玉米长势和生物量，分析土壤和黄河泥沙的理化性质等，优选出黄河泥沙充填层上适宜的土壤覆盖厚度，做到既能保证农作物生长，又能保证经济可行。


然后，利用同上研究方法，对黄河泥沙充填层中夹土壤层的“土-沙-土-沙-……”型夹层式多层土壤剖面构型进行了研究，优选出适宜的夹层式多层土壤剖面构型，以求改良土壤剖面构型，提高复垦耕地质量和生产力。接着探讨了田间尺度下黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的土壤剖面重构技术，对室内土柱试验的结果进行检验，最终得到适宜的双层土壤剖面中覆盖土壤层的厚度和耕地质量较好、生产力较高的夹层式多层土壤剖面构型。最后对两种土壤剖面构型在不同条件下的具体实施工艺进行了论述，为黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术在实地的推广应用提供工程实践指导。


本文具体有以下几方面的认识：


(1)通过室内土柱试验，对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地双层土壤剖面重构技术中一次性充填黄河泥沙后覆盖土壤厚度进行了研究。黄河泥沙层上较厚的覆盖土壤厚度，有利于玉米植株生长，CK(全土柱)玉米植株地上部分生物量，为50.21 g，覆盖土壤厚度为20-80 cm时，较CK分别低21.62%、13.19%、11.11%、3.70%、3.08%；T80具有最高的地下部分生物量，为10.24 g，覆盖土壤厚度为20-70cm时，较覆盖土壤厚度为80 cm时分别低38.85%、37.71%、19.04%、8.38%。随着黄河泥沙层上覆盖土壤厚的增加，玉米叶片养分(全氮、全磷、全钾)含量相应增加。黄河泥沙层上较厚的覆盖土壤层厚度，有利于控制剖面整体pH值，但不利于控制电导率；有利于提升整个剖面的保水性、保肥性，水分和速效养分(碱解氮、有效磷、速效钾)在黄河泥沙和土壤交界处的土壤中产生累积，致使覆盖土壤厚度为70 cm、80 cm的剖面中在该处的土壤含水率、碱解氮、速效钾含量高于CK，但土壤层有机质含量低于CK。覆盖土壤厚度为70 cm、80 cm时，玉米植株长势(株高、径粗、叶面积、叶绿素)、生物量、叶片养分(全氮、全磷、全钾)、表层土壤含水率、速效养分(碱解氮、有效磷、速效钾)均与CK近似。综上所述，黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地双层土壤剖面构型中，黄河泥沙层上覆盖土壤层厚度增加，有利于作物生长发育和提升“上土下沙”型剖面整体的保水性、保肥性，但覆盖土壤层达到一定厚度(≥70 cm)后，覆盖土壤厚度的这种影响逐渐减弱。综合考虑黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地双层土壤剖面重构的土壤需求量和施工成本，本文认为黄河泥沙层上适宜的覆盖土壤厚度为70 cm(表土为30 cm)，此厚度是在能保证作物的正常生长发育条件下，土壤需求量和施工成本较小的覆盖土壤厚度。


(2)通过室内土柱试验，对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地多层土壤剖面重构技术中多次性充填黄河泥沙、夹层式多层土壤剖面构型进行了研究。多层土壤剖面构型有利于玉米种子萌发、植株生长发育和根系生长，T8、T11构型地上部分生物量较CK2(直接覆盖70 cm土壤层的双层土壤剖面构型)高22.60%和15.50%，T8、T10、T11地下部分生物量较CK1(全土柱)高36.64%、29.78%、29.96%，较CK2高30.34%、23.8%、23.98%。多层土壤剖面构型有利于保持表层土壤水分、速效养分(速效氮、有效磷、速效钾)和有机质，但对表层土壤pH值没有显著性影响，且不利于降低表层土壤电导率；有利于保持剖面整体全氮、全磷含量，但全钾含量较低，且不利于保持剖面中夹心土层土壤有机质；有利于保持剖面上、中部土壤速效养分(速效氮、有效磷、速效钾)和下部有效磷、速效钾。此外，随着不同多层土壤剖面构型中心土层总厚度的增加，玉米植株生物量、长势(株高、径粗、叶面积、叶绿素)、叶片养分(全氮、全磷、全钾)基本呈现增加趋势，但多层剖面构型减弱了心土层总厚度的这种影响。例如，心土层总厚度为30 cm的T6、T7型剖面与心土层总厚度为40 cm的T9型剖面、CK2具有相似的玉米生物量和植株长势，心土层总厚度为30 cm的T7构型剖面与心土层总厚度为40 cm的T8-T11型剖面、CK1、CK2均有相似的玉米叶片全氮、全磷、全钾含量。因此，T8、T10、T11构型是一个良好的夹层式多层土壤剖面构型，其植株生物量优于、长势和叶片养分(全氮、全磷、全钾)近似于CK2(直接覆盖70 cm土壤层的双层土壤剖面构型)。综上，夹层式多层土壤剖面构型中，黄河泥沙层中含有2个夹心土层优于1个夹心土层；最上层覆盖50 cm厚的土壤优于40 cm厚的土壤，以保证农作物主要根系的生长分布；当剖面中有不同厚度的2个夹心土层时，厚的夹心土层应分布在剖面中较上部位置；在剖面下部位置，2个分开的10 cm厚度的夹心土层优于一个20 cm夹心土层。


(3)通过田间小区试验，对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地双层土壤剖面构型和夹层式多层土壤剖面构型在田间尺度下进行研究，检验室内土柱试验的结果。田间尺度下，一次性充填黄河泥沙后覆盖土壤的双层土壤剖面构型，适宜的覆盖土壤厚度为70 cm。田间尺度下，多次性充填黄河泥沙、夹层式多层土壤剖面构型中，适宜的多层土壤剖面构型为：黄河泥沙层中含有2个夹心土层；剖面最上层覆盖50 cm厚的土壤优于40 cm厚的土壤；剖面中含2个不同厚度夹心土层时，较厚的夹心土层应分布在较上部位置；在剖面下部位置，2个分开的10 cm厚度的夹心土层优于1个20 cm夹心土层。黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术中，夹层式多层土壤剖面构型是提高耕地质量和生产力的有效途径之一。


(4)对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术、工艺进行总结。根据土壤剖面重构过程中黄河泥沙的充填次数，将黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术划分为单次单层充填技术和多次多层充填技术。再结合充填区域是否划分充填条带，将其细分为4小类：不划分条带单次单层充填技术、划分条带单次单层充填技术、不划分条带多次多层充填技术、划分条带多次多层充填技术，对应的实现工艺分别为不划分条带单次单层充填工艺、划分条带单次单层充填工艺、不划分条带多次多层充填工艺、划分条带多次多层充填工艺，并给出了每种工艺的流程图、示意图和具体实施步骤，为黄河泥沙充填复垦采煤沉陷土壤剖面重构技术在实地中的推广应用提供工程实践指导。


本文对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地土壤剖面重构技术进行了一些探索研究，但并未涉及不同土壤剖面构型中水分和溶质运移等机理方面，未来应该深入探讨多层土壤剖面构型水分和溶质运移规律，揭示其影响机理，促进充填复垦技术的革新。本文论述了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地单次单层充填技术和多次多层充填技术的实施工艺，但仍相对简单，未来应该对两种充填技术进行深入的经济效益、社会效益、生态效益评估。此外，对于多次多层充填技术的实施工艺中土壤分层剥离与堆存、充填条带设计、固沙排水、交替泥沙充填与土壤回填等耦合衔接的论述简单，将来需要进一步深入研究，深化黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地夹层式交替多次多层充填复垦原理与方法。