崔 瀟，周妍如，劉孝陽，白中科,3,4

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農業(yè)農村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術中心，北京 100012；3.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；4.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，北京 100035）

煤炭資源大規(guī)模開采與利用推動了我國經濟增長，但同時也帶來劇烈的景觀擾動、生態(tài)破壞、地質災害等問題[1-3]，人為地質作用對生態(tài)環(huán)境產生較大影響，從地學角度研究生態(tài)問題，進行礦山生態(tài)環(huán)境建設具有重要意義。土壤重構是礦區(qū)生態(tài)系統恢復重建“五階段”的核心[4]；成土因素學說表明，母質是土壤肥力的基礎，露天煤礦不同年代地質層組巖土剝離物都有可能排于地表成為復墾土壤母質，其很大程度上決定復墾后土壤的肥力狀況和穩(wěn)定性。因此，對不同類型巖土質量進行綜合評價是重構高質量復墾土壤的重要前提[5]。

國內外關于露天煤礦復墾區(qū)重構土壤的研究多集中于土壤改良劑及表土替代材料研制。如，胡振琪等[6]研制煤基混合物用于復墾土壤改良；RAM 等[7]進行長期田間試驗表明褐煤粉煤灰能夠改善復墾土壤質地、肥力和生產力；況欣宇等[8]進行試驗研究表明當表土∶煤矸石∶巖土剝離物=3∶3∶4 時重構效果最佳；Wilson-kokes 等[9]通過長期試驗發(fā)現風化棕色砂巖更適合作為表土替代物，土壤重構材料及方式具有一定地域差異性?，F有研究多認為，由于侵蝕作用黃土區(qū)表層土壤肥力已與下層黃土母質相差不大，可以在地表直接覆蓋土源豐富的黃土母質[10-11]；且多側重于黃土區(qū)復墾土壤質量演變規(guī)律、影響因素及培肥措施的研究[12-14]。從土壤母質來源角度，對不同地質層組各巖土層系統分析的研究較少，對巖土剝離物的合理利用及分類排棄缺乏充分指導依據。因此，綜合評價不同地質層組巖土質量，進行造地的源頭控制，對于修復礦區(qū)極度退化的生態(tài)具有積極作用。

平朔露天礦是典型黃土區(qū)大型露天煤礦。本文以黃土母質層作為對照，探究其生態(tài)地質背景，對比礦區(qū)不同年代地質層組各巖土層理化性狀差異，識別適宜植被生長的表土替代材料或土壤改良物質，并對有害物質相對富集的巖土層進行源頭控制，促進植物與地質因子協同。結合采排工藝構建優(yōu)質的土體剖面構造[15]，能在較短時間內提高復墾土壤生產力，有利于礦區(qū)生態(tài)修復。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平朔露天礦位于山西省朔州市平魯區(qū)，包括安太堡露天煤礦、安家?guī)X露天煤礦和東露天煤礦，屬黃土高原晉陜蒙接壤黑三角地帶，煤炭資源豐富，是我國重要能源基地之一。礦區(qū)屬典型溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候，冬春干旱少雨、寒冷多風，夏秋降雨集中、溫涼少風。地處黃土低山丘陵區(qū)，海拔高度1300～1400 m，地勢北東高、南西低，黃土廣布、水蝕風蝕較嚴重，屬生態(tài)脆弱區(qū)。本區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土過渡帶，土壤物理風化作用強烈，土質偏砂，土體干旱，土壤貧瘠。地帶性植被類型為干草原，沒有天然森林，植被覆蓋率較低。礦區(qū)所在原地表出露地面主要為第四系黃土和新近系紅土，平均堆積厚度約35m。地質層位較平緩，沒有較大斷層和褶皺，原始地貌地質剖面層組為中石炭統（C2）、上石炭統（C3）、下二疊統（P1）、上新統（N2）、下更新統（Qp1）、上更新統（Qp3）。平朔露天礦采用“采、運、排、復一體化”，百余米厚巖土剝離物將成為構筑復墾土地的基礎和來源，上覆巖土經大型機械挖掘運輸，堆置形成松散堆積狀的排土場，外排土場在原地層層序上增加100～150 m 巖土排棄層，內排土場在采空區(qū)缺損原地層層序情況下增加300～350 m 巖土排棄層。隨采掘進度推進，排土場范圍不斷擴大。

1.2 樣品采集與處理

2017年6月27 日至7月1日，采集平朔露天礦三大礦坑共31 個巖土樣點，包括安家?guī)X礦11 個，安太堡礦8 個，東露天礦12 個，采樣點位置分布見圖1。深入露天礦坑底部，自下而上采集不同地質層組各類巖石，直到近地表紅土和黃土。在情況允許下，盡量使采集樣點呈垂直直線，如情況特殊，無法進行垂直剖面采集，則使采樣點盡量集中于同一采礦坡面上，減少由于地層傾斜或斷層帶來的采樣誤差。通過GPS軟件記錄采樣位置、高程和礦坑下采樣運動軌跡等信息，記錄巖性描述。

圖1 平朔露天礦坑采樣點位置分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points in Pingshuo opencast mine

采樣點信息及樣品描述如表1，樣品測試指標包括對植物生長有影響的營養(yǎng)元素、重金屬或其他有毒元素含量。養(yǎng)分含量相關測試項目包括pH 值、有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀等7 項，pH 值采用電位法測定，有機質含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮含量采用開氏消煮法測定，全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用氫氧化鈉熔融法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉法測定，速效鉀含量采用四苯硼鈉比濁法測定。有益微量元素測試項目包括Fe、Mn、Mo、B、S 等5 項，采用光譜分析法測定。重金屬或其他有毒元素測試項目包括Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg、As、F 等9 項，重金屬采用電感耦合等離子體質譜法測定，F 元素采用離子選擇電極法測定。各元素分析方法及樣品加工要求均按《地質礦產實驗室測試質量管理規(guī)范》（DZ/T 0130—2006）要求進行。

表1 采樣點信息及樣品描述Table 1 Sampling points informations and samples descriptions

1.3 研究方法

1.3.1 修正的內梅羅綜合指數法

采用修正的內梅羅綜合指數法[16-17]對各巖土層肥力質量進行綜合評價，能夠突出限制性因子、兼顧極值。為消除各屬性因子參數間量綱差別，對其進行標準化，pH 值（≥7）與巖土質量呈負相關，其他屬性因子與巖土質量呈正相關，計算方法見表2、表3[18]。

表中，Pi為 單項肥力系數，Ci為因子實際測定值，Xi為因子分級標準，參照《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》中的標準并結合當地實際情況[19]確定，其中Xa表 示評價等級差，Xc表 示評價等級中，Xp表示評價等級好，具體結果見表4。

綜合肥力系數計算公式如下：

式中：P—綜合肥力系數；

Pi平均—各單項肥力系數平均值；

Pi最小—單項肥力系數中最小值；

n—參評因子個數。

將巖土綜合肥力質量分為四個等級，見表5。

表2 正相關指標標準化計算Table 2 Standardized calculation of positive correlation index

表3 負相關指標標準化計算Table 3 Standardized calculation of negative correlation index

表4 各屬性分級標準Table 4 Grading Standard of each attribute

表5 綜合肥力分級標準Table 5 Grading Standard of comprehensive fertilizer

1.3.2 單因子質量指數法

以《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[20]中的風險篩選值為標準，通過單因子質量指數法計算各巖土層單項重金屬污染程度[21-22]，等級劃分見表6。計算公式為：

式中：Pi—環(huán)境質量指數；

Ci—實際測定值；

Si—風險篩選值。

表6 單因子質量指數等級Table 6 Grade of single factor quality index

2 結果與分析

2.1 肥力質量

2.1.1 單項養(yǎng)分含量分析（1）pH 值分析

平朔露天礦不同地質層組大多巖土屬微堿性（pH =7.5～8.5），隨深度增加pH 值呈減小趨勢，第四系黃土pH 值相近，略高于下部巖層。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦深度167～183 m 石炭系L10 細砂巖pH 值為4.25，屬強酸性（pH＜4.5），酸化嚴重，應避免在排棄過程中覆于表層；L4 頁巖至L6 煤矸石大致在中性（pH=6.5～7.5）范圍內波動；其他巖土層均屬微堿性。安太堡礦上部土層至下部巖層均大致在微堿性范圍內波動，其中B6 砂質頁巖及B7 中細?；◢忛W長巖出現巖石風化后pH 值減小現象。東露天礦T12 細砂巖pH 值為6.76，呈中性；其他巖土層均在微堿性范圍內波動。微堿性巖土層與當地現代自然土壤表層接近，用于重構土壤不會對植被產生明顯消極影響[23]，適宜植被對養(yǎng)分和營養(yǎng)元素的吸收利用。

（2）有機質含量分析

平朔露天礦第四系黃土及新近系紅土有機質含量極低，均屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中六級水平（＜6 g/kg）。礦區(qū)中、上石炭統主要為海陸交互相含煤地層，是濱海沼澤環(huán)境產物，安家?guī)X礦石炭系地層部分巖層有機質含量極為豐富。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦深度126～163 m石炭系L8 泥灰?guī)r有機質含量豐富，屬一級水平（＞40 g/kg），其他巖土層均屬低等缺乏水平；安太堡礦B8 泥灰?guī)r有機質含量相對豐富，屬三級水平（20～30 g/kg），其他巖土層均屬低等缺乏水平；東露天礦T9 泥灰?guī)r有機質含量相對豐富，屬二級水平（30～40 g/kg），T5 炭質泥巖及T6 泥灰?guī)r夾灰黃色泥云巖屬三級水平，T12細砂巖屬四級水平（10～20 g/kg），其他巖土層均屬六級最低水平。深度108～118 m 石炭系L6 煤矸石及163～167 m 石炭系L9 煤矸石有機質含量非常豐富，能夠改善土壤養(yǎng)分狀況，且隨風化程度提高具有保水性能[24]，在硫鐵礦含量低、不發(fā)生自燃情況下[25]，可考慮用作土壤改良劑或配置表土替代材料。安家?guī)X礦L6、L8、L9 巖層有機質含量豐富，可考慮用于改善復墾土壤肥力 。

（3）全氮含量分析

平朔露天礦不同地質層組巖土全氮含量普遍匱乏，包括第四系黃土在內大多巖土屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中六級最低水平（＜0.5 g/kg），但安家?guī)X礦石炭系個別巖層全氮含量豐富。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦深度163～167 m 石炭系L9 煤矸石全氮含量豐富，屬一級水平（＞2 g/kg），可能多為有機態(tài)氮[26]；L6 煤矸石及L8 泥灰?guī)r全氮含量也相對較高，屬中等水平，其他巖土層均屬六級最低水平。安太堡礦及東露天礦各巖土層全氮含量均屬六級最低水平，含量極度缺乏。安家?guī)X礦L9 煤矸石全氮含量豐富，可考慮用于改善復墾土壤肥力。

（4）全磷含量分析

平朔露天礦上石炭統至下二疊統普遍發(fā)育含煤巖系，在漫長地質時期中，隨古氣候和地質環(huán)境變化，巖層元素組成在不同時期差異顯著。三大露天礦第四系黃土全磷含量相近，相對大多巖層較高，平均約0.62 g/kg，屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中三級中等水平（0.6～0.8 g/kg），隨深度增加全磷含量總體波動降低，波動幅度較大，東露天礦二疊系個別巖層由于礦物組成，全磷含量豐富。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦僅有L3 細砂巖及L8 泥灰?guī)r全磷含量高于黃土母質，分別屬三級和二級水平（0.8～1.0 g/kg），其他巖土層屬中等偏低水平；安太堡礦下部各巖土層全磷含量均低于黃土母質，屬中等偏低水平；東露天礦僅有深度103～122 m 的T5 炭質泥巖及其下T6 泥灰?guī)r夾灰黃色泥云巖全磷含量高于黃土母質，分別屬一級（＞1 g/kg）和三級水平，其他巖土層均屬中等偏低水平。東露天礦T5 炭質泥巖全磷含量豐富，可考慮用于提高復墾土壤肥力。

圖2 各巖土層單項養(yǎng)分指標Fig.2 Single nutrient index of each rock and soil layer

（5）全鉀含量分析

平朔三大露天礦不同地質層組大多巖土全鉀含量較高，隨深度增加而下降，波動幅度較大，第四系黃土全鉀含量相近，平均約20 g/kg，屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中二級中上等水平（20～25 g/kg），二疊系部分巖石全鉀含量豐富。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦深度53～95 m 二疊系L3 細砂巖、L4 頁巖全鉀含量較黃土母質高，屬一級水平（＞25 g/kg），其他巖土層屬中下等水平；安太堡礦下部巖土層全鉀含量總體較高，屬中上等水平，明顯較黃土母質高的有B3 砂巖及B8 泥灰?guī)r，屬一級水平；東露天礦T2 紅土及T4 細砂巖全鉀含量較黃土母質高，屬二級水平，但新近系紅土質地偏黏，容易形成土壤障礙層，影響植被根系發(fā)育，不宜將其覆于排土場地表。安家?guī)X礦L4 頁巖全鉀含量豐富，可考慮用于提高復墾土壤肥力。

（6）有效磷含量分析

對于同一地層三大露天礦有效磷含量評價結果相差不大：石炭系及二疊系巖石有效磷含量普遍極低，第四系黃土及新近系紅土有效磷含量高于下部巖層，總體隨深度增加波動下降。

由表1及圖2可知，三大露天礦下部巖層有效磷含量均屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中六級最低水平（＜3 mg/kg），含量極度缺乏，上部紅土及黃土含量有所提高，但也屬缺乏等級，黃土母質有效磷含量屬五級（3～5 mg/kg）或四級水平（5～10 mg/kg）。土壤全磷和有效磷之間相關性很弱甚至無關，且復墾地的相關性更低[23]，因此，復墾地土壤需適度補充磷肥以滿足植被生長需要。

（7）速效鉀含量分析

平朔三大露天礦不同地質層組巖土速效鉀含量豐富，隨深度增加而波動下降，第四系黃土評價結果一致，均屬《第二次全國土壤普查技術規(guī)程》標準中一級水平（＞200 mg/kg）。

由表1及圖2可知，安家?guī)X礦L6 煤矸石及L7 炭質泥巖速效鉀含量豐富，屬一級水平，L11 頁巖屬二級較高水平（150～200 mg/kg），其他巖土層屬中下等水平；安太堡礦B5 變質細砂巖、B6 砂質頁巖和B8 泥灰?guī)r速效鉀含量豐富，屬一級水平，其他巖土層屬中下等水平；東露天礦各巖土層速效鉀含量變幅不大，基本屬于上等水平。黃土母質可滿足植物生長需求，在綠化種植中不會因復墾土壤缺鉀而受影響。

2.1.2 有益微量元素指標分析

Fe、Mn、B、Mo、S 等有益微量元素對調節(jié)植物生長、提高作物產量有重要意義，植物所需量雖很少，但缺乏某些元素就不能完成正常生長繁育。分析結果表明，平朔三大露天礦不同地質層組巖土Fe、Mn、B、Mo 四種有益微量元素含量波動幅度較大，第四系黃土Fe、Mn、Mo、S 元素含量均在植株適宜調節(jié)利用范圍內，既能滿足生長需求，也不會因含量過多引起中毒現象。黃土母質中的B 元素含量超出了植物最適宜調節(jié)范圍（3～30 mg/kg），但90%～95%是以晶格態(tài)存在，根據土壤學和植物營養(yǎng)學相關理論，一般土壤環(huán)境條件下，晶格態(tài)硼不會大量釋放、轉化為有效態(tài)硼，不會對植物造成危害[27]。大多巖土層中的S 元素含量位于適宜范圍100～5 000 mg/kg 內[28]，但安家?guī)X礦深度126～163 m 石炭系L8 泥灰?guī)r（17 460 mg/kg）及東露天礦181～205 m 石炭系T12 細砂巖（8 837 mg/kg）硫含量過高，可能由于FeS 含量較高；L6、L9 煤矸石硫含量并不過高，因硫鐵礦氧化而引起自燃、酸化等危害較小，可允許其作為復墾基質排在地表[29]。

2.1.3 綜合肥力質量評價

平朔三大露天礦不同地質層組各巖土層綜合肥力系數在0.40～1.26 范圍內，屬貧瘠或一般水平（圖3），同一地層巖土評價結果差異不明顯，隨深度增加綜合肥力總體為下降趨勢，雖有個別巖層略高于黃土母質，但并不能起到明顯改良作用。結合前述對各地層不同巖土單項指標分析，部分巖層在礦物肥料角度具有可利用價值，能夠從某些指標方面改善復墾土地土壤肥力，尤其能夠改善有機質及全氮含量極為匱乏問題。

圖3 各巖土層綜合肥力系數Fig.3 Comprehensive fertility coefficient of each rock and soil layer

結合養(yǎng)分、有益微量元素等單項肥力指標以及巖石風化難易程度，可選取有機質及全氮含量豐富的L9 煤矸石、有機質含量豐富的L6 煤矸石、全磷含量豐富的T5 炭質泥巖、全鉀含量豐富的L4 頁巖及黃土母質作為表土替代材料或土壤改良物質，以提升復墾土壤綜合質量。由于不同地質層組各巖土層縱向及橫向理化性狀差異，應從“剝離—開采—運輸—排棄—造地—復墾—管護”一體化角度，統籌安排平朔三大露天礦土地復墾與生態(tài)修復工程，合理配置有價值巖土廢料。

2.2 環(huán)境質量

當重金屬或其他有毒元素富集的巖土進行自然堆放、運輸或作為復墾土地填充物時，元素釋放會對生態(tài)環(huán)境造成污染。只有在環(huán)境質量達到正常標準后，才能考慮后期具體土地利用方向問題。測試結果顯示，平朔三大露天礦不同地質層組各巖土As、Cu、Cr、Ni 元素含量總體上隨礦坑深度增加而降低，可能由于礦區(qū)在生產過程中的污染物質通過水體和大氣等渠道擴散到了上部巖土層；其他元素含量在深度上無明顯變化規(guī)律。通過單因子質量指數法計算各巖土層單項重金屬污染程度，僅有東露天礦深度181～205 m 石炭系T12 細砂巖Cd 元素的環(huán)境質量指數為1.05，屬輕微污染等級，其他各地層巖土各重金屬元素含量均為無污染等級；F 元素含量基本處于或接近山西省土壤背景值范圍，不至于對植被造成傷害。

Cd 具有較強化學活動性，容易進入生物體系，不僅對植物產生毒害，含Cd 食物也會威脅人類健康[30]；另外，Cd 具有親硫性[31]，易在煤灰中富集，容易擴散，且在沉積過程中的還原環(huán)境能大量富集。因此，在平朔露天礦區(qū)中要重視Cd 污染問題，從源頭上控制污染物質排放，對T12 細砂巖結合采排工藝采取有效隔離、稀釋、包埋等處理措施，減少其對周圍環(huán)境造成污染。

3 討論

不同土地復墾方向對土地質量要求不同，平朔露天礦當前復墾方向主要有耕、林、草三種，土地污染情況需要首先嚴格控制，應避免T12 細砂巖排在地表。耕地復墾方向對有效土層厚度、剖面質地、pH 值等有嚴格要求，建議將黃土母質作為主要材料排在地表，采取主動管理方式和積極施肥措施提高土壤肥力；林地、草地復墾方向，可選擇前述單項養(yǎng)分含量豐富、環(huán)境質量安全且易于風化的巖土作為表土替代材料或土壤改良物質，通過加速風化、熟化、培肥等工程措施、生物措施，實現較短時間內提高土壤生產力。

研究主要分析了復墾土壤各肥力指標、環(huán)境指標初始含量，即母巖、母質中元素含量。尚未充分考慮巖石在自然環(huán)境下不斷風化成土過程中各指標含量變化規(guī)律。在后續(xù)研究中，如結合復墾地地形、土地利用方向等因素，通過溫室大棚配比試驗及野外小區(qū)試驗等方法，研究復墾土壤備選材料重構比例及重構方式，可進一步為礦區(qū)土地復墾與生態(tài)修復提供參考依據。

4 結論

（1）平朔露天礦不同地質層組各巖土層綜合肥力系數位于0.40～1.26 范圍內，屬貧瘠或一般水平，總體上隨深度增加肥力下降。由于各巖土層縱向及橫向理化性狀差異，應從“剝離—開采—運輸—排棄—造地—復墾—管護”一體化角度，統籌安排平朔三大露天礦土地復墾與生態(tài)修復工程。

（2）平朔露天礦黃土母質速效鉀含量豐富，但其他養(yǎng)分含量均較低，有機質及全氮含量極度缺乏；綜合單項肥力指標、環(huán)境質量及風化難易程度，可選取有機質及全氮含量豐富的L9 煤矸石、有機質含量豐富的L6 煤矸石、全磷含量豐富的T5 炭質泥巖、全鉀含量豐富的L4 頁巖，與黃土母質一同作為重構復墾土壤備選材料；各巖土層有效磷含量普遍較低，可通過適度補充磷肥予以改善。

（3）平朔露天礦大多巖土層環(huán)境質量較好，但對于酸化嚴重的L10 細砂巖（pH=4.25）、硫含量過高的L8 泥灰?guī)r及硫含量過高且鎘元素輕微污染的T12 細砂巖，應注意結合采排工藝采取有效處理措施，減少其對周圍環(huán)境造成消極影響。