平朔露天煤礦復(fù)墾區(qū)不同地質(zhì)層組巖土質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

崔 瀟，周妍如，劉孝陽(yáng)，白中科,3,4

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100012；3.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；4.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100035）

煤炭資源大規(guī)模開(kāi)采與利用推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但同時(shí)也帶來(lái)劇烈的景觀擾動(dòng)、生態(tài)破壞、地質(zhì)災(zāi)害等問(wèn)題[1-3]，人為地質(zhì)作用對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，從地學(xué)角度研究生態(tài)問(wèn)題，進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。土壤重構(gòu)是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建“五階段”的核心[4]；成土因素學(xué)說(shuō)表明，母質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)，露天煤礦不同年代地質(zhì)層組巖土剝離物都有可能排于地表成為復(fù)墾土壤母質(zhì)，其很大程度上決定復(fù)墾后土壤的肥力狀況和穩(wěn)定性。因此，對(duì)不同類(lèi)型巖土質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是重構(gòu)高質(zhì)量復(fù)墾土壤的重要前提[5]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于露天煤礦復(fù)墾區(qū)重構(gòu)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(fù)墾土壤改良；RAM 等[7]進(jìn)行長(zhǎng)期田間試驗(yàn)表明褐煤粉煤灰能夠改善復(fù)墾土壤質(zhì)地、肥力和生產(chǎn)力；況欣宇等[8]進(jìn)行試驗(yàn)研究表明當(dāng)表土∶煤矸石∶巖土剝離物=3∶3∶4 時(shí)重構(gòu)效果最佳；Wilson-kokes 等[9]通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)化棕色砂巖更適合作為表土替代物，土壤重構(gòu)材料及方式具有一定地域差異性?，F(xiàn)有研究多認(rèn)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(zhì)相差不大，可以在地表直接覆蓋土源豐富的黃土母質(zhì)[10-11]；且多側(cè)重于黃土區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)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(zhì)來(lái)源角度，對(duì)不同地質(zhì)層組各巖土層系統(tǒng)分析的研究較少，對(duì)巖土剝離物的合理利用及分類(lèi)排棄缺乏充分指導(dǎo)依據(jù)。因此，綜合評(píng)價(jià)不同地質(zhì)層組巖土質(zhì)量，進(jìn)行造地的源頭控制，對(duì)于修復(fù)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(zhì)層作為對(duì)照，探究其生態(tài)地質(zhì)背景，對(duì)比礦區(qū)不同年代地質(zhì)層組各巖土層理化性狀差異，識(shí)別適宜植被生長(zhǎng)的表土替代材料或土壤改良物質(zhì)，并對(duì)有害物質(zhì)相對(duì)富集的巖土層進(jìn)行源頭控制，促進(jìn)植物與地質(zhì)因子協(xié)同。結(jié)合采排工藝構(gòu)建優(yōu)質(zhì)的土體剖面構(gòu)造[15]，能在較短時(shí)間內(nèi)提高復(fù)墾土壤生產(chǎn)力，有利于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。

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(guó)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(fēng)氣候，冬春干旱少雨、寒冷多風(fēng)，夏秋降雨集中、溫涼少風(fēng)。地處黃土低山丘陵區(qū)，海拔高度1300～1400 m，地勢(shì)北東高、南西低，黃土廣布、水蝕風(fēng)蝕較嚴(yán)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(guò)渡帶，土壤物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土質(zhì)偏砂，土體干旱，土壤貧瘠。地帶性植被類(lèi)型為干草原，沒(méi)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(zhì)層位較平緩，沒(méi)有較大斷層和褶皺，原始地貌地質(zhì)剖面層組為中石炭統(tǒng)（C2）、上石炭統(tǒng)（C3）、下二疊統(tǒng)（P1）、上新統(tǒng)（N2）、下更新統(tǒng)（Qp1）、上更新統(tǒng)（Qp3）。平朔露天礦采用“采、運(yùn)、排、復(fù)一體化”，百余米厚巖土剝離物將成為構(gòu)筑復(fù)墾土地的基礎(chǔ)和來(lái)源，上覆巖土經(jīng)大型機(jī)械挖掘運(yùn)輸，堆置形成松散堆積狀的排土場(chǎng)，外排土場(chǎng)在原地層層序上增加100～150 m 巖土排棄層，內(nèi)排土場(chǎng)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(jìn)度推進(jìn)，排土場(chǎng)范圍不斷擴(kuò)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(gè)巖土樣點(diǎn)，包括安家?guī)X礦11 個(gè)，安太堡礦8 個(gè)，東露天礦12 個(gè)，采樣點(diǎn)位置分布見(jiàn)圖1。深入露天礦坑底部，自下而上采集不同地質(zhì)層組各類(lèi)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(diǎn)呈垂直直線，如情況特殊，無(wú)法進(jìn)行垂直剖面采集，則使采樣點(diǎn)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(lái)的采樣誤差。通過(guò)GPS軟件記錄采樣位置、高程和礦坑下采樣運(yùn)動(dòng)軌跡等信息，記錄巖性描述。

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

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

表1 采樣點(diǎn)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(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

采用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[16-17]對(duì)各巖土層肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠突出限制性因子、兼顧極值。為消除各屬性因子參數(shù)間量綱差別，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，pH 值（≥7）與巖土質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，其他屬性因子與巖土質(zhì)量呈正相關(guān)，計(jì)算方法見(jiàn)表2、表3[18]。

表中，Pi為 單項(xiàng)肥力系數(shù)，Ci為因子實(shí)際測(cè)定值，Xi為因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照《第二次全國(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況[19]確定，其中Xa表 示評(píng)價(jià)等級(jí)差，Xc表 示評(píng)價(jià)等級(jí)中，Xp表示評(píng)價(jià)等級(jí)好，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

綜合肥力系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：P—綜合肥力系數(shù)；

Pi平均—各單項(xiàng)肥力系數(shù)平均值；

Pi最小—單項(xiàng)肥力系數(shù)中最小值；

n—參評(píng)因子個(gè)數(shù)。

將巖土綜合肥力質(zhì)量分為四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5。

表2 正相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算Table 2 Standardized calculation of positive correlation index

表3 負(fù)相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算Table 3 Standardized calculation of negative correlation index

表4 各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Grading Standard of each attribute

表5 綜合肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Grading Standard of comprehensive fertilizer

1.3.2 單因子質(zhì)量指數(shù)法

以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）[20]中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)單因子質(zhì)量指數(shù)法計(jì)算各巖土層單項(xiàng)重金屬污染程度[21-22]，等級(jí)劃分見(jiàn)表6。計(jì)算公式為：

式中：Pi—環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；

Ci—實(shí)際測(cè)定值；

Si—風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

表6 單因子質(zhì)量指數(shù)等級(jí)Table 6 Grade of single factor quality index

2 結(jié)果與分析

2.1 肥力質(zhì)量

2.1.1 單項(xiàng)養(yǎng)分含量分析（1）pH 值分析

平朔露天礦不同地質(zhì)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(shì)，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(xì)砂巖pH 值為4.25，屬?gòu)?qiáng)酸性（pH＜4.5），酸化嚴(yán)重，應(yīng)避免在排棄過(guò)程中覆于表層；L4 頁(yè)巖至L6 煤矸石大致在中性（pH=6.5～7.5）范圍內(nèi)波動(dòng)；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(nèi)波動(dòng)，其中B6 砂質(zhì)頁(yè)巖及B7 中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖出現(xiàn)巖石風(fēng)化后pH 值減小現(xiàn)象。東露天礦T12 細(xì)砂巖pH 值為6.76，呈中性；其他巖土層均在微堿性范圍內(nèi)波動(dòng)。微堿性巖土層與當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代自然土壤表層接近，用于重構(gòu)土壤不會(huì)對(duì)植被產(chǎn)生明顯消極影響[23]，適宜植被對(duì)養(yǎng)分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用。

（2）有機(jī)質(zhì)含量分析

平朔露天礦第四系黃土及新近系紅土有機(jī)質(zhì)含量極低，均屬《第二次全國(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中六級(jí)水平（＜6 g/kg）。礦區(qū)中、上石炭統(tǒng)主要為海陸交互相含煤地層，是濱海沼澤環(huán)境產(chǎn)物，安家?guī)X礦石炭系地層部分巖層有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量豐富，屬一級(jí)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(jī)質(zhì)含量相對(duì)豐富，屬三級(jí)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(jī)質(zhì)含量相對(duì)豐富，屬二級(jí)水平（30～40 g/kg），T5 炭質(zhì)泥巖及T6 泥灰?guī)r夾灰黃色泥云巖屬三級(jí)水平，T12細(xì)砂巖屬四級(jí)水平（10～20 g/kg），其他巖土層均屬六級(jí)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(jī)質(zhì)含量非常豐富，能夠改善土壤養(yǎng)分狀況，且隨風(fēng)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(jī)質(zhì)含量豐富，可考慮用于改善復(fù)墾土壤肥力 。

（3）全氮含量分析

平朔露天礦不同地質(zhì)層組巖土全氮含量普遍匱乏，包括第四系黃土在內(nèi)大多巖土屬《第二次全國(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中六級(jí)最低水平（＜0.5 g/kg），但安家?guī)X礦石炭系個(gè)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(jí)水平（＞2 g/kg），可能多為有機(jī)態(tài)氮[26]；L6 煤矸石及L8 泥灰?guī)r全氮含量也相對(duì)較高，屬中等水平，其他巖土層均屬六級(jí)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(jí)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(fù)墾土壤肥力。

（4）全磷含量分析

平朔露天礦上石炭統(tǒng)至下二疊統(tǒng)普遍發(fā)育含煤巖系，在漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期中，隨古氣候和地質(zhì)環(huán)境變化，巖層元素組成在不同時(shí)期差異顯著。三大露天礦第四系黃土全磷含量相近，相對(duì)大多巖層較高，平均約0.62 g/kg，屬《第二次全國(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中三級(jí)中等水平（0.6～0.8 g/kg），隨深度增加全磷含量總體波動(dòng)降低，波動(dòng)幅度較大，東露天礦二疊系個(gè)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(xì)砂巖及L8 泥灰?guī)r全磷含量高于黃土母質(zhì)，分別屬三級(jí)和二級(jí)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(zhì)，屬中等偏低水平；東露天礦僅有深度103～122 m 的T5 炭質(zhì)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(zhì)，分別屬一級(jí)（＞1 g/kg）和三級(jí)水平，其他巖土層均屬中等偏低水平。東露天礦T5 炭質(zhì)泥巖全磷含量豐富，可考慮用于提高復(fù)墾土壤肥力。

圖2 各巖土層單項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)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(zhì)層組大多巖土全鉀含量較高，隨深度增加而下降，波動(dòng)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(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中二級(jí)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(xì)砂巖、L4 頁(yè)巖全鉀含量較黃土母質(zhì)高，屬一級(jí)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(zhì)高的有B3 砂巖及B8 泥灰?guī)r，屬一級(jí)水平；東露天礦T2 紅土及T4 細(xì)砂巖全鉀含量較黃土母質(zhì)高，屬二級(jí)水平，但新近系紅土質(zhì)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(chǎng)地表。安家?guī)X礦L4 頁(yè)巖全鉀含量豐富，可考慮用于提高復(fù)墾土壤肥力。

（6）有效磷含量分析

對(duì)于同一地層三大露天礦有效磷含量評(píng)價(jià)結(jié)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(dòng)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(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中六級(jí)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(jí)，黃土母質(zhì)有效磷含量屬五級(jí)（3～5 mg/kg）或四級(jí)水平（5～10 mg/kg）。土壤全磷和有效磷之間相關(guān)性很弱甚至無(wú)關(guān)，且復(fù)墾地的相關(guān)性更低[23]，因此，復(fù)墾地土壤需適度補(bǔ)充磷肥以滿足植被生長(zhǎng)需要。

（7）速效鉀含量分析

平朔三大露天礦不同地質(zhì)層組巖土速效鉀含量豐富，隨深度增加而波動(dòng)下降，第四系黃土評(píng)價(jià)結(jié)果一致，均屬《第二次全國(guó)土壤普查技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)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(zhì)泥巖速效鉀含量豐富，屬一級(jí)水平，L11 頁(yè)巖屬二級(jí)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(zhì)細(xì)砂巖、B6 砂質(zhì)頁(yè)巖和B8 泥灰?guī)r速效鉀含量豐富，屬一級(jí)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(zhì)可滿足植物生長(zhǎng)需求，在綠化種植中不會(huì)因復(fù)墾土壤缺鉀而受影響。

2.1.2 有益微量元素指標(biāo)分析

Fe、Mn、B、Mo、S 等有益微量元素對(duì)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、提高作物產(chǎn)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(zhǎng)繁育。分析結(jié)果表明，平朔三大露天礦不同地質(zhì)層組巖土Fe、Mn、B、Mo 四種有益微量元素含量波動(dòng)幅度較大，第四系黃土Fe、Mn、Mo、S 元素含量均在植株適宜調(diào)節(jié)利用范圍內(nèi)，既能滿足生長(zhǎng)需求，也不會(huì)因含量過(guò)多引起中毒現(xiàn)象。黃土母質(zhì)中的B 元素含量超出了植物最適宜調(diào)節(jié)范圍（3～30 mg/kg），但90%～95%是以晶格態(tài)存在，根據(jù)土壤學(xué)和植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)相關(guān)理論，一般土壤環(huán)境條件下，晶格態(tài)硼不會(huì)大量釋放、轉(zhuǎn)化為有效態(tài)硼，不會(huì)對(duì)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(nèi)[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(xì)砂巖（8 837 mg/kg）硫含量過(guò)高，可能由于FeS 含量較高；L6、L9 煤矸石硫含量并不過(guò)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(fù)墾基質(zhì)排在地表[29]。

2.1.3 綜合肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

平朔三大露天礦不同地質(zhì)層組各巖土層綜合肥力系數(shù)在0.40～1.26 范圍內(nèi)，屬貧瘠或一般水平（圖3），同一地層巖土評(píng)價(jià)結(jié)果差異不明顯，隨深度增加綜合肥力總體為下降趨勢(shì)，雖有個(gè)別巖層略高于黃土母質(zhì)，但并不能起到明顯改良作用。結(jié)合前述對(duì)各地層不同巖土單項(xiàng)指標(biāo)分析，部分巖層在礦物肥料角度具有可利用價(jià)值，能夠從某些指標(biāo)方面改善復(fù)墾土地土壤肥力，尤其能夠改善有機(jī)質(zhì)及全氮含量極為匱乏問(wèn)題。

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

結(jié)合養(yǎng)分、有益微量元素等單項(xiàng)肥力指標(biāo)以及巖石風(fēng)化難易程度，可選取有機(jī)質(zhì)及全氮含量豐富的L9 煤矸石、有機(jī)質(zhì)含量豐富的L6 煤矸石、全磷含量豐富的T5 炭質(zhì)泥巖、全鉀含量豐富的L4 頁(yè)巖及黃土母質(zhì)作為表土替代材料或土壤改良物質(zhì)，以提升復(fù)墾土壤綜合質(zhì)量。由于不同地質(zhì)層組各巖土層縱向及橫向理化性狀差異，應(yīng)從“剝離—開(kāi)采—運(yùn)輸—排棄—造地—復(fù)墾—管護(hù)”一體化角度，統(tǒng)籌安排平朔三大露天礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程，合理配置有價(jià)值巖土廢料。

2.2 環(huán)境質(zhì)量

當(dāng)重金屬或其他有毒元素富集的巖土進(jìn)行自然堆放、運(yùn)輸或作為復(fù)墾土地填充物時(shí)，元素釋放會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。只有在環(huán)境質(zhì)量達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)后，才能考慮后期具體土地利用方向問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果顯示，平朔三大露天礦不同地質(zhì)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(chǎn)過(guò)程中的污染物質(zhì)通過(guò)水體和大氣等渠道擴(kuò)散到了上部巖土層；其他元素含量在深度上無(wú)明顯變化規(guī)律。通過(guò)單因子質(zhì)量指數(shù)法計(jì)算各巖土層單項(xiàng)重金屬污染程度，僅有東露天礦深度181～205 m 石炭系T12 細(xì)砂巖Cd 元素的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為1.05，屬輕微污染等級(jí)，其他各地層巖土各重金屬元素含量均為無(wú)污染等級(jí)；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(duì)植被造成傷害。

Cd 具有較強(qiáng)化學(xué)活動(dòng)性，容易進(jìn)入生物體系，不僅對(duì)植物產(chǎn)生毒害，含Cd 食物也會(huì)威脅人類(lèi)健康[30]；另外，Cd 具有親硫性[31]，易在煤灰中富集，容易擴(kuò)散，且在沉積過(guò)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(wèn)題，從源頭上控制污染物質(zhì)排放，對(duì)T12 細(xì)砂巖結(jié)合采排工藝采取有效隔離、稀釋、包埋等處理措施，減少其對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染。

3 討論

不同土地復(fù)墾方向?qū)ν恋刭|(zhì)量要求不同，平朔露天礦當(dāng)前復(fù)墾方向主要有耕、林、草三種，土地污染情況需要首先嚴(yán)格控制，應(yīng)避免T12 細(xì)砂巖排在地表。耕地復(fù)墾方向?qū)τ行翆雍穸?、剖面質(zhì)地、pH 值等有嚴(yán)格要求，建議將黃土母質(zhì)作為主要材料排在地表，采取主動(dòng)管理方式和積極施肥措施提高土壤肥力；林地、草地復(fù)墾方向，可選擇前述單項(xiàng)養(yǎng)分含量豐富、環(huán)境質(zhì)量安全且易于風(fēng)化的巖土作為表土替代材料或土壤改良物質(zhì)，通過(guò)加速風(fēng)化、熟化、培肥等工程措施、生物措施，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)提高土壤生產(chǎn)力。

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

4 結(jié)論

（1）平朔露天礦不同地質(zhì)層組各巖土層綜合肥力系數(shù)位于0.40～1.26 范圍內(nèi)，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(yīng)從“剝離—開(kāi)采—運(yùn)輸—排棄—造地—復(fù)墾—管護(hù)”一體化角度，統(tǒng)籌安排平朔三大露天礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程。

（2）平朔露天礦黃土母質(zhì)速效鉀含量豐富，但其他養(yǎng)分含量均較低，有機(jī)質(zhì)及全氮含量極度缺乏；綜合單項(xiàng)肥力指標(biāo)、環(huán)境質(zhì)量及風(fēng)化難易程度，可選取有機(jī)質(zhì)及全氮含量豐富的L9 煤矸石、有機(jī)質(zhì)含量豐富的L6 煤矸石、全磷含量豐富的T5 炭質(zhì)泥巖、全鉀含量豐富的L4 頁(yè)巖，與黃土母質(zhì)一同作為重構(gòu)復(fù)墾土壤備選材料；各巖土層有效磷含量普遍較低，可通過(guò)適度補(bǔ)充磷肥予以改善。

（3）平朔露天礦大多巖土層環(huán)境質(zhì)量較好，但對(duì)于酸化嚴(yán)重的L10 細(xì)砂巖（pH=4.25）、硫含量過(guò)高的L8 泥灰?guī)r及硫含量過(guò)高且鎘元素輕微污染的T12 細(xì)砂巖，應(yīng)注意結(jié)合采排工藝采取有效處理措施，減少其對(duì)周?chē)h(huán)境造成消極影響。