平朔露天煤矿复垦区不同地质层组岩土质量综合评价

崔 潇，周妍如，刘孝阳，白中科,3,4

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，北京 100012；3.自然资源部土地整治重点实验室，北京 100035；4.自然资源部矿区生态修复工程技术创新中心，北京 100035）

煤炭资源大规模开采与利用推动了我国经济增长，但同时也带来剧烈的景观扰动、生态破坏、地质灾害等问题[1-3]，人为地质作用对生态环境产生较大影响，从地学角度研究生态问题，进行矿山生态环境建设具有重要意义。土壤重构是矿区生态系统恢复重建“五阶段”的核心[4]；成土因素学说表明，母质是土壤肥力的基础，露天煤矿不同年代地质层组岩土剥离物都有可能排于地表成为复垦土壤母质，其很大程度上决定复垦后土壤的肥力状况和稳定性。因此，对不同类型岩土质量进行综合评价是重构高质量复垦土壤的重要前提[5]。

国内外关于露天煤矿复垦区重构土壤的研究多集中于土壤改良剂及表土替代材料研制。如，胡振琪等[6]研制煤基混合物用于复垦土壤改良；RAM 等[7]进行长期田间试验表明褐煤粉煤灰能够改善复垦土壤质地、肥力和生产力；况欣宇等[8]进行试验研究表明当表土∶煤矸石∶岩土剥离物=3∶3∶4 时重构效果最佳；Wilson-kokes 等[9]通过长期试验发现风化棕色砂岩更适合作为表土替代物，土壤重构材料及方式具有一定地域差异性。现有研究多认为，由于侵蚀作用黄土区表层土壤肥力已与下层黄土母质相差不大，可以在地表直接覆盖土源丰富的黄土母质[10-11]；且多侧重于黄土区复垦土壤质量演变规律、影响因素及培肥措施的研究[12-14]。从土壤母质来源角度，对不同地质层组各岩土层系统分析的研究较少，对岩土剥离物的合理利用及分类排弃缺乏充分指导依据。因此，综合评价不同地质层组岩土质量，进行造地的源头控制，对于修复矿区极度退化的生态具有积极作用。

平朔露天矿是典型黄土区大型露天煤矿。本文以黄土母质层作为对照，探究其生态地质背景，对比矿区不同年代地质层组各岩土层理化性状差异，识别适宜植被生长的表土替代材料或土壤改良物质，并对有害物质相对富集的岩土层进行源头控制，促进植物与地质因子协同。结合采排工艺构建优质的土体剖面构造[15]，能在较短时间内提高复垦土壤生产力，有利于矿区生态修复。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平朔露天矿位于山西省朔州市平鲁区，包括安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿和东露天煤矿，属黄土高原晋陕蒙接壤黑三角地带，煤炭资源丰富，是我国重要能源基地之一。矿区属典型温带干旱半干旱大陆性季风气候，冬春干旱少雨、寒冷多风，夏秋降雨集中、温凉少风。地处黄土低山丘陵区，海拔高度1300～1400 m，地势北东高、南西低，黄土广布、水蚀风蚀较严重，属生态脆弱区。本区地带性土壤为栗钙土与栗褐土过渡带，土壤物理风化作用强烈，土质偏砂，土体干旱，土壤贫瘠。地带性植被类型为干草原，没有天然森林，植被覆盖率较低。矿区所在原地表出露地面主要为第四系黄土和新近系红土，平均堆积厚度约35m。地质层位较平缓，没有较大断层和褶皱，原始地貌地质剖面层组为中石炭统（C2）、上石炭统（C3）、下二叠统（P1）、上新统（N2）、下更新统（Qp1）、上更新统（Qp3）。平朔露天矿采用“采、运、排、复一体化”，百余米厚岩土剥离物将成为构筑复垦土地的基础和来源，上覆岩土经大型机械挖掘运输，堆置形成松散堆积状的排土场，外排土场在原地层层序上增加100～150 m 岩土排弃层，内排土场在采空区缺损原地层层序情况下增加300～350 m 岩土排弃层。随采掘进度推进，排土场范围不断扩大。

1.2 样品采集与处理

2017年6月27 日至7月1日，采集平朔露天矿三大矿坑共31 个岩土样点，包括安家岭矿11 个，安太堡矿8 个，东露天矿12 个，采样点位置分布见图1。深入露天矿坑底部，自下而上采集不同地质层组各类岩石，直到近地表红土和黄土。在情况允许下，尽量使采集样点呈垂直直线，如情况特殊，无法进行垂直剖面采集，则使采样点尽量集中于同一采矿坡面上，减少由于地层倾斜或断层带来的采样误差。通过GPS软件记录采样位置、高程和矿坑下采样运动轨迹等信息，记录岩性描述。

图1 平朔露天矿坑采样点位置分布图Fig.1 Distribution map of sampling points in Pingshuo opencast mine

采样点信息及样品描述如表1，样品测试指标包括对植物生长有影响的营养元素、重金属或其他有毒元素含量。养分含量相关测试项目包括pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾等7 项，pH 值采用电位法测定，有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮含量采用开氏消煮法测定，全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用氢氧化钠熔融法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠法测定，速效钾含量采用四苯硼钠比浊法测定。有益微量元素测试项目包括Fe、Mn、Mo、B、S 等5 项，采用光谱分析法测定。重金属或其他有毒元素测试项目包括Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg、As、F 等9 项，重金属采用电感耦合等离子体质谱法测定，F 元素采用离子选择电极法测定。各元素分析方法及样品加工要求均按《地质矿产实验室测试质量管理规范》（DZ/T 0130—2006）要求进行。

表1 采样点信息及样品描述Table 1 Sampling points informations and samples descriptions

1.3 研究方法

1.3.1 修正的内梅罗综合指数法

采用修正的内梅罗综合指数法[16-17]对各岩土层肥力质量进行综合评价，能够突出限制性因子、兼顾极值。为消除各属性因子参数间量纲差别，对其进行标准化，pH 值（≥7）与岩土质量呈负相关，其他属性因子与岩土质量呈正相关，计算方法见表2、表3[18]。

表中，Pi为 单项肥力系数，Ci为因子实际测定值，Xi为因子分级标准，参照《第二次全国土壤普查技术规程》中的标准并结合当地实际情况[19]确定，其中Xa表 示评价等级差，Xc表 示评价等级中，Xp表示评价等级好，具体结果见表4。

综合肥力系数计算公式如下：

式中：P—综合肥力系数；

Pi平均—各单项肥力系数平均值；

Pi最小—单项肥力系数中最小值；

n—参评因子个数。

将岩土综合肥力质量分为四个等级，见表5。

表2 正相关指标标准化计算Table 2 Standardized calculation of positive correlation index

表3 负相关指标标准化计算Table 3 Standardized calculation of negative correlation index

表4 各属性分级标准Table 4 Grading Standard of each attribute

表5 综合肥力分级标准Table 5 Grading Standard of comprehensive fertilizer

1.3.2 单因子质量指数法

以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[20]中的风险筛选值为标准，通过单因子质量指数法计算各岩土层单项重金属污染程度[21-22]，等级划分见表6。计算公式为：

式中：Pi—环境质量指数；

Ci—实际测定值；

Si—风险筛选值。

表6 单因子质量指数等级Table 6 Grade of single factor quality index

2 结果与分析

2.1 肥力质量

2.1.1 单项养分含量分析（1）pH 值分析

平朔露天矿不同地质层组大多岩土属微碱性（pH =7.5～8.5），随深度增加pH 值呈减小趋势，第四系黄土pH 值相近，略高于下部岩层。

由表1及图2可知，安家岭矿深度167～183 m 石炭系L10 细砂岩pH 值为4.25，属强酸性（pH＜4.5），酸化严重，应避免在排弃过程中覆于表层；L4 页岩至L6 煤矸石大致在中性（pH=6.5～7.5）范围内波动；其他岩土层均属微碱性。安太堡矿上部土层至下部岩层均大致在微碱性范围内波动，其中B6 砂质页岩及B7 中细粒花岗闪长岩出现岩石风化后pH 值减小现象。东露天矿T12 细砂岩pH 值为6.76，呈中性；其他岩土层均在微碱性范围内波动。微碱性岩土层与当地现代自然土壤表层接近，用于重构土壤不会对植被产生明显消极影响[23]，适宜植被对养分和营养元素的吸收利用。

（2）有机质含量分析

平朔露天矿第四系黄土及新近系红土有机质含量极低，均属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中六级水平（＜6 g/kg）。矿区中、上石炭统主要为海陆交互相含煤地层，是滨海沼泽环境产物，安家岭矿石炭系地层部分岩层有机质含量极为丰富。

由表1及图2可知，安家岭矿深度126～163 m石炭系L8 泥灰岩有机质含量丰富，属一级水平（＞40 g/kg），其他岩土层均属低等缺乏水平；安太堡矿B8 泥灰岩有机质含量相对丰富，属三级水平（20～30 g/kg），其他岩土层均属低等缺乏水平；东露天矿T9 泥灰岩有机质含量相对丰富，属二级水平（30～40 g/kg），T5 炭质泥岩及T6 泥灰岩夹灰黄色泥云岩属三级水平，T12细砂岩属四级水平（10～20 g/kg），其他岩土层均属六级最低水平。深度108～118 m 石炭系L6 煤矸石及163～167 m 石炭系L9 煤矸石有机质含量非常丰富，能够改善土壤养分状况，且随风化程度提高具有保水性能[24]，在硫铁矿含量低、不发生自燃情况下[25]，可考虑用作土壤改良剂或配置表土替代材料。安家岭矿L6、L8、L9 岩层有机质含量丰富，可考虑用于改善复垦土壤肥力 。

（3）全氮含量分析

平朔露天矿不同地质层组岩土全氮含量普遍匮乏，包括第四系黄土在内大多岩土属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中六级最低水平（＜0.5 g/kg），但安家岭矿石炭系个别岩层全氮含量丰富。

由表1及图2可知，安家岭矿深度163～167 m 石炭系L9 煤矸石全氮含量丰富，属一级水平（＞2 g/kg），可能多为有机态氮[26]；L6 煤矸石及L8 泥灰岩全氮含量也相对较高，属中等水平，其他岩土层均属六级最低水平。安太堡矿及东露天矿各岩土层全氮含量均属六级最低水平，含量极度缺乏。安家岭矿L9 煤矸石全氮含量丰富，可考虑用于改善复垦土壤肥力。

（4）全磷含量分析

平朔露天矿上石炭统至下二叠统普遍发育含煤岩系，在漫长地质时期中，随古气候和地质环境变化，岩层元素组成在不同时期差异显著。三大露天矿第四系黄土全磷含量相近，相对大多岩层较高，平均约0.62 g/kg，属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中三级中等水平（0.6～0.8 g/kg），随深度增加全磷含量总体波动降低，波动幅度较大，东露天矿二叠系个别岩层由于矿物组成，全磷含量丰富。

由表1及图2可知，安家岭矿仅有L3 细砂岩及L8 泥灰岩全磷含量高于黄土母质，分别属三级和二级水平（0.8～1.0 g/kg），其他岩土层属中等偏低水平；安太堡矿下部各岩土层全磷含量均低于黄土母质，属中等偏低水平；东露天矿仅有深度103～122 m 的T5 炭质泥岩及其下T6 泥灰岩夹灰黄色泥云岩全磷含量高于黄土母质，分别属一级（＞1 g/kg）和三级水平，其他岩土层均属中等偏低水平。东露天矿T5 炭质泥岩全磷含量丰富，可考虑用于提高复垦土壤肥力。

图2 各岩土层单项养分指标Fig.2 Single nutrient index of each rock and soil layer

（5）全钾含量分析

平朔三大露天矿不同地质层组大多岩土全钾含量较高，随深度增加而下降，波动幅度较大，第四系黄土全钾含量相近，平均约20 g/kg，属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中二级中上等水平（20～25 g/kg），二叠系部分岩石全钾含量丰富。

由表1及图2可知，安家岭矿深度53～95 m 二叠系L3 细砂岩、L4 页岩全钾含量较黄土母质高，属一级水平（＞25 g/kg），其他岩土层属中下等水平；安太堡矿下部岩土层全钾含量总体较高，属中上等水平，明显较黄土母质高的有B3 砂岩及B8 泥灰岩，属一级水平；东露天矿T2 红土及T4 细砂岩全钾含量较黄土母质高，属二级水平，但新近系红土质地偏黏，容易形成土壤障碍层，影响植被根系发育，不宜将其覆于排土场地表。安家岭矿L4 页岩全钾含量丰富，可考虑用于提高复垦土壤肥力。

（6）有效磷含量分析

对于同一地层三大露天矿有效磷含量评价结果相差不大：石炭系及二叠系岩石有效磷含量普遍极低，第四系黄土及新近系红土有效磷含量高于下部岩层，总体随深度增加波动下降。

由表1及图2可知，三大露天矿下部岩层有效磷含量均属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中六级最低水平（＜3 mg/kg），含量极度缺乏，上部红土及黄土含量有所提高，但也属缺乏等级，黄土母质有效磷含量属五级（3～5 mg/kg）或四级水平（5～10 mg/kg）。土壤全磷和有效磷之间相关性很弱甚至无关，且复垦地的相关性更低[23]，因此，复垦地土壤需适度补充磷肥以满足植被生长需要。

（7）速效钾含量分析

平朔三大露天矿不同地质层组岩土速效钾含量丰富，随深度增加而波动下降，第四系黄土评价结果一致，均属《第二次全国土壤普查技术规程》标准中一级水平（＞200 mg/kg）。

由表1及图2可知，安家岭矿L6 煤矸石及L7 炭质泥岩速效钾含量丰富，属一级水平，L11 页岩属二级较高水平（150～200 mg/kg），其他岩土层属中下等水平；安太堡矿B5 变质细砂岩、B6 砂质页岩和B8 泥灰岩速效钾含量丰富，属一级水平，其他岩土层属中下等水平；东露天矿各岩土层速效钾含量变幅不大，基本属于上等水平。黄土母质可满足植物生长需求，在绿化种植中不会因复垦土壤缺钾而受影响。

2.1.2 有益微量元素指标分析

Fe、Mn、B、Mo、S 等有益微量元素对调节植物生长、提高作物产量有重要意义，植物所需量虽很少，但缺乏某些元素就不能完成正常生长繁育。分析结果表明，平朔三大露天矿不同地质层组岩土Fe、Mn、B、Mo 四种有益微量元素含量波动幅度较大，第四系黄土Fe、Mn、Mo、S 元素含量均在植株适宜调节利用范围内，既能满足生长需求，也不会因含量过多引起中毒现象。黄土母质中的B 元素含量超出了植物最适宜调节范围（3～30 mg/kg），但90%～95%是以晶格态存在，根据土壤学和植物营养学相关理论，一般土壤环境条件下，晶格态硼不会大量释放、转化为有效态硼，不会对植物造成危害[27]。大多岩土层中的S 元素含量位于适宜范围100～5 000 mg/kg 内[28]，但安家岭矿深度126～163 m 石炭系L8 泥灰岩（17 460 mg/kg）及东露天矿181～205 m 石炭系T12 细砂岩（8 837 mg/kg）硫含量过高，可能由于FeS 含量较高；L6、L9 煤矸石硫含量并不过高，因硫铁矿氧化而引起自燃、酸化等危害较小，可允许其作为复垦基质排在地表[29]。

2.1.3 综合肥力质量评价

平朔三大露天矿不同地质层组各岩土层综合肥力系数在0.40～1.26 范围内，属贫瘠或一般水平（图3），同一地层岩土评价结果差异不明显，随深度增加综合肥力总体为下降趋势，虽有个别岩层略高于黄土母质，但并不能起到明显改良作用。结合前述对各地层不同岩土单项指标分析，部分岩层在矿物肥料角度具有可利用价值，能够从某些指标方面改善复垦土地土壤肥力，尤其能够改善有机质及全氮含量极为匮乏问题。

图3 各岩土层综合肥力系数Fig.3 Comprehensive fertility coefficient of each rock and soil layer

结合养分、有益微量元素等单项肥力指标以及岩石风化难易程度，可选取有机质及全氮含量丰富的L9 煤矸石、有机质含量丰富的L6 煤矸石、全磷含量丰富的T5 炭质泥岩、全钾含量丰富的L4 页岩及黄土母质作为表土替代材料或土壤改良物质，以提升复垦土壤综合质量。由于不同地质层组各岩土层纵向及横向理化性状差异，应从“剥离—开采—运输—排弃—造地—复垦—管护”一体化角度，统筹安排平朔三大露天矿土地复垦与生态修复工程，合理配置有价值岩土废料。

2.2 环境质量

当重金属或其他有毒元素富集的岩土进行自然堆放、运输或作为复垦土地填充物时，元素释放会对生态环境造成污染。只有在环境质量达到正常标准后，才能考虑后期具体土地利用方向问题。测试结果显示，平朔三大露天矿不同地质层组各岩土As、Cu、Cr、Ni 元素含量总体上随矿坑深度增加而降低，可能由于矿区在生产过程中的污染物质通过水体和大气等渠道扩散到了上部岩土层；其他元素含量在深度上无明显变化规律。通过单因子质量指数法计算各岩土层单项重金属污染程度，仅有东露天矿深度181～205 m 石炭系T12 细砂岩Cd 元素的环境质量指数为1.05，属轻微污染等级，其他各地层岩土各重金属元素含量均为无污染等级；F 元素含量基本处于或接近山西省土壤背景值范围，不至于对植被造成伤害。

Cd 具有较强化学活动性，容易进入生物体系，不仅对植物产生毒害，含Cd 食物也会威胁人类健康[30]；另外，Cd 具有亲硫性[31]，易在煤灰中富集，容易扩散，且在沉积过程中的还原环境能大量富集。因此，在平朔露天矿区中要重视Cd 污染问题，从源头上控制污染物质排放，对T12 细砂岩结合采排工艺采取有效隔离、稀释、包埋等处理措施，减少其对周围环境造成污染。

3 讨论

不同土地复垦方向对土地质量要求不同，平朔露天矿当前复垦方向主要有耕、林、草三种，土地污染情况需要首先严格控制，应避免T12 细砂岩排在地表。耕地复垦方向对有效土层厚度、剖面质地、pH 值等有严格要求，建议将黄土母质作为主要材料排在地表，采取主动管理方式和积极施肥措施提高土壤肥力；林地、草地复垦方向，可选择前述单项养分含量丰富、环境质量安全且易于风化的岩土作为表土替代材料或土壤改良物质，通过加速风化、熟化、培肥等工程措施、生物措施，实现较短时间内提高土壤生产力。

研究主要分析了复垦土壤各肥力指标、环境指标初始含量，即母岩、母质中元素含量。尚未充分考虑岩石在自然环境下不断风化成土过程中各指标含量变化规律。在后续研究中，如结合复垦地地形、土地利用方向等因素，通过温室大棚配比试验及野外小区试验等方法，研究复垦土壤备选材料重构比例及重构方式，可进一步为矿区土地复垦与生态修复提供参考依据。

4 结论

（1）平朔露天矿不同地质层组各岩土层综合肥力系数位于0.40～1.26 范围内，属贫瘠或一般水平，总体上随深度增加肥力下降。由于各岩土层纵向及横向理化性状差异，应从“剥离—开采—运输—排弃—造地—复垦—管护”一体化角度，统筹安排平朔三大露天矿土地复垦与生态修复工程。

（2）平朔露天矿黄土母质速效钾含量丰富，但其他养分含量均较低，有机质及全氮含量极度缺乏；综合单项肥力指标、环境质量及风化难易程度，可选取有机质及全氮含量丰富的L9 煤矸石、有机质含量丰富的L6 煤矸石、全磷含量丰富的T5 炭质泥岩、全钾含量丰富的L4 页岩，与黄土母质一同作为重构复垦土壤备选材料；各岩土层有效磷含量普遍较低，可通过适度补充磷肥予以改善。

（3）平朔露天矿大多岩土层环境质量较好，但对于酸化严重的L10 细砂岩（pH=4.25）、硫含量过高的L8 泥灰岩及硫含量过高且镉元素轻微污染的T12 细砂岩，应注意结合采排工艺采取有效处理措施，减少其对周围环境造成消极影响。