胡家峪铜矿尾矿库复垦农作物种植研究周连碧1,代宏文1,吴亚君1,高继宏2,宁永平2,王政一2(1.北京矿冶研究总院,北京　100044;2.中条山有色金属公司,山西垣曲县　043700)摘　要:对中条山公司胡家峪铜矿毛家湾尾矿库复垦为农业用地的尾砂覆盖方法、尾砂改良熟化措施、作物种植品种、作物中重金属对人体健康的影响等进行了分析研究。

田间试验结果表明:用少量黄土与尾砂混合覆盖,复垦投入少、作物产量高、作物可以食用,是一种经济有效的复垦方法。

关键词:尾矿库;复垦;作物种植;重金属1　库区概况胡家峪铜矿建于1966年,采矿和选矿原设计能力为每年百万吨。

选厂尾矿按12%～15%的固体浓度排入毛家湾尾矿库。

该库距矿山2.6km,座落在一狭窄山谷中,库容2500万m3,库长约4.3km,平均宽度440m,汇水面积82.5km2。

尾矿沿坝壁排放,形成粗颗粒的延伸滩,迄今已排放尾矿1500万t,形成干滩至水线距离约800m。

库水和固体尾砂形成的尾矿库面积118公顷,最终面积约160公顷,尾矿排放还将持续20年以上,将成为中国最大的尾矿库之一。

尾矿库粉尘污染严重,特别是冬、春季,由于处于狭长狭谷地带,西北风强盛,下风向受影响大,居民反应强烈。

在坝顶区,尾矿经池填法排放,形成标高784m的已闭库区7公顷,除部分加坝外,有70亩干滩区作为本次研究基地。

库区年均温度13.3℃,最高温度40℃,最低温度-14℃,夏季最热月均温度25.9℃;年平均降水量630.7mm,蒸发量为2195.8mm,相对湿度为59%,平均风速为2.7m/s,地面温度为15.1℃,5～20cm深度土壤年均温度为14.3℃～14.5℃。

2　尾砂及土壤性状为充分了解尾砂及土壤的性状,多点取样分析了毛家湾尾矿库不同深度的尾砂和尾矿库周围山坡黄土的主要理化指标及重金属全态、有效态浓度。

现场共收集了尾砂、土壤样品17个,得到分析数据500多个,全面了解了本底情况。

对农业种植来说,毛家湾尾矿库的尾砂是非常贫瘠的土壤材料,主要表现为:(1)尾矿具有沙质土壤结构,持水力差;(2)缺乏粘土和有机质,阳离子代换量低;(3)缺乏有效氮和磷,营养力低;(4)尾砂颗粒凝聚力差,对作物苗期生长不利;(5)尾沙含有200～500mg/kg的铜和50～150mg/kg的钴,这些是食物链中重金属的潜在来源,其它重金属含量都较低。

但有利的方面有尾砂碳酸盐的含量高,可以长久地保持p H值接近8,从而大大降低了以铜为主的重金属在土壤水中的溶解度,使作物对重金属的吸收量明显降低,适于作物成长。

毛家湾尾矿库周围山坡上的黄土含有30%～40%的粘土,并有少量的石灰质(碳酸钙)及一些石膏质(硫酸钙),是没有植被的生土,p H值为7.5～8.0,其有机质、有效氮、有效磷的含量都很低。

3　小区田间试验在分析尾砂和土壤性状的基础上,确定了中条山毛家湾尾矿库初期小区试验的主要内容:覆土厚度试验、作物品种筛选试验、施肥水平试验、重金属影响分析、绿肥试验、防风沙缓冲带试验等。

在毛家湾尾矿库研究设计了四种土壤覆盖方法:(1)不覆土,直接在尾沙上种植(T1);(2)覆15cm的土与尾砂混合,土壤与尾砂比率为2∶1(T2);(3)覆30cm的土与尾砂混合,土砂比率为3∶1 (T3);(4)覆40cm的土(T4)。

每种覆土小区面积为25m2,各有3个试验小区。

当地种植主要依靠天然降水,试验中不进行任第2卷第2期Vol.2　No.2 采矿技术Mining Technology2002年6月J une　2002何形式的灌溉,并保持每个小区使用相同的施肥量和播种量,以便比较得到最佳的覆土、改良方法和种植品种。

4　试验结果和讨论4.1　作物产量根据各小区作物产量,计算得到四种土壤处理的作物亩产量,见表1。

表1　不同处理的计算平均亩产量(kg/亩)作物名称T1T2T3T4花生160.6220.6183.7112.5高梁394.8538.9446.9302.5玉米160.6284.6265.8216.2大豆 5.910.28.615.7 从表1可以看出,黄土与尾砂混合后,改良了土壤结构,提高了田间持水量,T2、T3的作物产量明显高于TI、T4,特别是T2的花生、高粱分别达到亩产220.6kg和538.9kg,高于当地的平均亩产量;玉米为284.6kg,与当地亩产量持平;大豆由于在结荚期遇到大旱,基本无收成。

4.2　方差分析对花生、高粱和玉米的小区产量进行了统计分析,以确定其是否具有差异显著性和显著水平。

4.2.1　不同覆盖方法的小区花生产量与方差测验不同小区的花生产量及其方差测验分别见表2、表3。

表2　花生小区产量(kg/小区)试验小区编号123平均T1 4.14 6.777.16 6.02T27.967.759.118.27T37.48 6.43 6.75 6.88T4 4.36 4.63 3.67 4.22表3　花生产量的方差测验变异来源ss df MS F F0.01处理间25.89338.6319.167.59误差7.53880.942总变异33.43011 从表3中得到F>F0.01,因此推断:四种覆盖方法的花生产量存在显著的不同。

4.2.2　多重比较。

用最小显著极差法(简称L SR法),对不同尾砂覆盖方法的作物平均产量进行多重比较,以确定其差异显著水平,表4和表5为花生种植的计算结果。

标准误差SE=(MS(e)/n)^(1/2)=(0.942/3)^ (1/2)=0.56kg,SSR为新复级差值, L SR=SE×SSR。

表4　LSR值计算p234 SSR(0.05) 3.26 3.39 3.47SSR(0.01) 4.745 5.14LSR(0.05) 1.8256 1.8984 1.9432LSR(0.01) 2.6544 2.8 2.8784表5　显著水平处理平均0.050.01T28.27a AT3 6.89ab ABT1 6.06b ABT4 4.22b B 从表中看出,花生小区的平均产量T2与T1的差异显著性达到α=0.05水平,T2与T4达到α= 0.01水平。

对高粱产量的方差分析结果是:T2与T1、T4的差异显著性达到α=0.01水平,T3与T1、T4达到α=0.05水平。

各处理方法之间玉米产量无差异显著性。

统计分析结果表明,土壤覆盖处理(T2)的花生、高粱产量与纯尾砂上种植T1和覆土40cm(T4)上的产量存在显著的差异。

4.3　土壤含水量检测与分析在尾矿库种植试验区安装了20个中子探管,用CPN503DR中子水分仪定期测量0～120cm深度的尾砂含水量,并且用灌溉和植物管理软件计算处理数据,绘制曲线。

分析研究作物生长与不同尾砂处理含水量的关系。

从监测结果来看,T1小区为不覆土,其含水量变化范围为7%～24%,最高含水量在30cm深度,随之含水量下降。

T2小区为具有粘性的黄土与尾砂混合,尾砂的理化性质得到了极大改善,其含水量变化范围为14%～28.5%,最高含水量在20和40cm深度,随之含水量下降。

T2小区的含水量远远大于T1小区,为作物生长提供了良好的水分,并且最大含水层深度更有利于作物根系对水分的吸收,使作物得到较高的产量。

4.4　重金属浓度分析尾砂中较高的铜和钴含量是食物链中重金属的潜在来源。

为分析尾矿库上所种作物的可食性,取55第2卷第2期　周连碧　代宏文　吴亚君　高继宏　宁永平　王政一　胡家峪铜矿尾矿库复垦农作物种植研究样分析了覆盖处理后尾砂土壤、种子和产品中的重金属浓度,结果见表6。

表6　毛家湾尾矿库尾砂土壤、种子和产品中的重金属浓度(mg/kg)样品类型As Cd Co Cu Cr Ni Pb Zn尾砂土壤T119<0.6913302933<3020T214<0.6802903639<3037T318<0.6642303535<3039T415<0.614324030<3055种　子玉米<0.20.01<0.03 2.1<0.6 1.69<0.215高粱<0.20.010.14 5.30.6 1.33<0.220花生0.20.020.1214<0.60.64<0.241大豆<0.20.010.41170.7 4.73<0.247产　品玉米T10.2<0.020.13412<0.319玉米T2<0.2<0.020.12412<0.319玉米T30.2<0.020.124120.319玉米T40.2<0.020.1831<2<0.314高粱T10.2<0.020.25510.70.316高粱T20.2<0.020.32510.20.318高粱T30.2<0.020.21510.2<0.318高粱T4<0.2<0.020.4451<0.20.316花生T10.20.020.741615<0.331花生T2<0.20.020.611514<0.333花生T3<0.20.020.731525<0.333花生T40.50.030.411414<0.328大豆T1<0.2<0.02 3.319114<0.343大豆T2<0.2<0.02 2.820112<0.342大豆T30.3<0.02 2.621212<0.338大豆T4<0.2<0.02 2.719211<0.335食品标准<0.5<0.05----<1.0- 从分析中得出,毛家湾尾矿库作物产品中的重金属浓度与原有种子的含量相当或略高,远远低于尾砂土壤中的含量,并且符合食品卫生标准,这一点与原预计的结果相同,尾矿库生长的作物可食性问题是矿山和当地农民一直非常关心的问题。

研究的成果为矿山以地换地,返还复垦土地给农民耕作提供了可靠的理论和实践依据。

3.5　减少覆土厚度效益分析毛家湾尾矿库复垦的主要步骤包括:除去尾砂上生长的杂草,用推土机平整地面,在尾矿库周围取土区爆破黄土,用装载机装土并用翻斗卡车运到复垦现场堆土,从大土堆向外铺土,并挑捡较大石块,砸碎大块颗粒,平整所覆黄土。

整个覆土工程费用随覆土厚度有较大变化。

在中条山韩家沟、莫家洼尾矿库,传统复垦方法覆土厚为50～100cm,其主要目的是把尾砂复盖在土壤之下,使作物在土壤中生长,并防止重金属等对作物生长的影响。

本项目的研究建立在把尾砂改良成为作物可利用的生长媒介,减少覆土费用,并得到较高的作物产量。