礦山廢棄地人工草地調虧灌溉試驗研究

榮 浩阿比亞斯珊 丹張鐵鋼葛 楠

(1.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站,北京100038;2.水利部 牧區水利科學研究所,內蒙古 呼和浩特010020)

干旱、半干旱草原區是中國北方重要的生態安全屏障,也是中國煤炭資源主要分布和產出的重點區域之一[1],在氣候變化背景下,加之放牧等人類活動的干擾使該地區植被退化嚴重,生態系統較為脆弱[2-3]。隨著草原區礦產資源開采規模和強度不斷加大,資源開采形成的松散堆積型廢棄地面積也不斷增加,礦產資源開發與草原環境保護之間的矛盾日益尖銳。礦山廢棄地因其獨特的形成方式,土壤結構組成有別于普通土壤,具有結構松散、土體無層次、有效水分含量偏低、抗侵蝕能力差等特點[4],特別是廢棄地邊坡,不同于一般意義上的坡耕地和原始地貌,其坡面的可蝕性是自然坡面的10～100倍[5],侵蝕速率是撂荒地的43.60～180.13倍[6]。針對礦山開采廢棄地生態退化問題諸多學者開展了大量的研究,研發的生態修復技術在實踐中也得到應用,研究成果主要集中在礦山開采對礦區生態環境的影響機制、礦區廢棄地的物理性修復、植物修復和抗侵蝕復墾技術等方面[7-11]。在礦山廢棄地邊坡生態恢復理論與技術方面,有關植物深層、淺層根系的護坡作用機制、根系在邊坡中的受力關系等已有大量理論研究,但生態修復實踐中相關技術應用相對較少[12-14];目前較成熟、可應用的礦山生態護坡技術主要有噴混植生技術、客土噴播技術、草簾、生物笆等苫蓋技術、生態袋、生態棒坡面防護技術等[15-17],受氣候、地質、土壤等自然條件以及投資成本等因素的影響,目前礦山廢棄地護坡技術的推廣應用與生態建設需求之間的貼合度還需深入探討。干旱半干旱地區年均降水量偏低、天然降雨有效性較差,土壤水分是該地區土地復墾和生態恢復的最大限制因子之一[18],而另一方面,草原大型煤礦開采利用過程中,可用于礦區生態修復的水資源十分有限,礦山廢棄地植被恢復與重建中缺乏水分的有效供給,導致廢棄地特別是其邊坡人工植被建植極為困難[19]?？茖W的坡面節水灌溉方式是解決礦區廢棄地邊坡土壤水分匱乏的一種有效途徑[20],而相比于平地灌溉,坡面灌溉易導致水分不能均勻分布,過大的灌水量還會造成坡面水土流失以及水資源的浪費[21-22]。本研究針對草原礦區廢棄地邊坡人工草地建植困難,水土流失嚴重的生態恢復問題,基于水量平衡方程,通過混播豆科、禾本科草本植物的灌溉對比試驗,分析不同補水處理下的人工牧草生長狀況、坡面產流產沙量及水分利用效率,探討最佳補水方案,為草原區綠色礦山建設中的水資源可持續利用與完善生態恢復技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林浩特市勝利東二號露天煤礦南排土場,排土場為煤矸石等廢棄物排放后覆土形成的人工重塑堆墊地貌,平臺、邊坡階梯式相間分布,邊坡長度15～18 m,坡度約33°,坡面覆土深度30～50 cm。研究區土壤為栗鈣土,土壤粒徑以＞0.05 mm的細沙為主,土壤質量較差,養分含量偏低[23],0—20 cm土層原狀土壤理化性質詳見表1。試驗區屬于中溫帶干旱半干旱氣候,多年平均降水量為294.9 mm,降水量主要集中在6—9月(表2),多年平均氣溫1.7℃,多年平均蒸發量2 350.2 mm。研究區原地表植被為典型草原植被,以克氏針茅(Stipa krylovii)、羊草(Leymuschinensis)為主要建群種,植被蓋度35%～50%。

表1 研究區土壤基本理化性質

表2 研究區2021年降水量統計 mm

1.2 試驗設計

1.2.1 材料 根據研究區自然氣候條件結合當地植被建設經驗,選擇兩種多年生草本植物作為栽培試驗材料,即紫花苜蓿(豆科苜蓿屬Medicagosativa)與扁穗冰草(禾本科冰草屬Agropyroncristatum)。

1.2.2 設計 2020年6月播種,紫花苜蓿、扁穗冰草混播比例1∶1,混播播種量均為1 g/m2,采取撒播的播種方式,播種深度2 cm。灌溉試驗在混播牧草生長的第2年(2021年)進行,豆科、禾本科牧草第2年4月中旬返青到種子成熟分為返青、現蕾(抽穗)、開花、成熟、枯黃5個時期。根據紫花苜蓿與扁穗冰草不同生育期的需水特性,灌溉時期選擇混播牧草生長的3個關鍵階段[24-25],即生長初期(返青期,4月20日至5月10日)、快速生長期〔現蕾(抽穗)期,5月25日至6月15日〕、生長旺盛期(開花期、7月10日至31日)。

1.2.3 方法 灌溉水平設6個處理,即微度、輕度、中度、重度、強度5個灌水下限,以充分灌溉為對照(CK),每個處理3次重復,共18個試驗小區,各處理灌水下限[26-27](土壤的體積含水率占田間持水量的百分比,計劃濕潤層為30 cm,當計劃濕潤層含水量達到下限時開始灌水,水分上限為75%的田間持水量)詳見表3。試驗小區布設于排土場邊坡,每個小區寬5 m,長15 m,小區之間間隔0.5 m作為隔離緩沖帶,鋪設防滲膜防止水分相互滲透。灌水采用智能灌溉系統控制的地面滴灌方式,每個小區的灌水量采用水表獨立控制。當土壤含水率達到處理范圍時進行灌水,灌水量的計算公式為:

表3 廢棄地人工草地調虧灌溉試驗灌水下限

式中:M為灌水量(mm);H為計劃濕潤土層深度(m);p為土壤濕潤比,即被濕潤的土壤體積占濕潤層總土壤體積的百分比,通常以地面下20—30 cm處濕潤面積占總灌溉面積的百分比來表示,取0.6;θ上為設計土壤含水率上限%,取75%田間持水率,占土壤體積百分比;θ下為灌溉前實測的土壤含水率下限%,占土壤體積百分比;η為灌水利用系數[28]。

1.3 試驗方法

1.3.1 人工草地植物群落總蓋度 于2021年7月底采用樣方法在每個試驗小區隨機選取3個1 m×1 m的草本樣方,用數碼相機拍攝樣方,計算每個樣方內的植物群落總蓋度。

1.3.2 人工草地地上生物量 采用刈割法測定,2021年7月底,在每個試驗小區隨機選取3個1 m×1 m樣方,齊地刈割,不區分植物種除去枯枝葉,烘干后稱干重。

1.3.3 土壤含水率 利用無線多層土壤墑情傳感器(EWS-SMT-6,北京天正高科智能科技有限公司)實時監測每個試驗小區土壤含水率變化(可通過終端遠程查看),利用傳感器分別測定0—10,10—20,20—30 cm土層土壤水分,監測時間設置為每1 d記錄1次,并采用烘干法進行校正。

1.3.4 坡面產流產沙測定 分別在每個試驗小區邊坡底部布設1個徑流小區(5 m×3 m),四周以鋁塑板進行圍擋,徑流小區底部設計集流桶,觀測灌溉后的徑流量和產沙量。①徑流量觀測。灌溉結束后立即進行徑流量觀測,測定集流桶中的徑流體積即徑流量。②產沙量觀測。徑流測定后,將桶內水分充分攪渾,用鋁盒取水樣,每次取60 ml,3次重復,現場測定渾水重量,記錄渾水體積,靜置24 h,過濾掉清水,置于105℃下烘箱12 h,測定干土重量[29]。

1.3.5 耗水量計算 混播牧草的耗水量采用水量平衡方程計算[28],計算公式為:

式中:ET為某時段的耗水量(mm);W0,Wt為某時段的土壤計劃層內的儲水量(mm);WT表示由于計劃濕潤層變化而增加的水量(mm);P0為有效降雨量(mm);K為地下水補給量(mm),本試驗無地下水影響,故K=0;M為某時段的灌水量(mm);H1,H2為計劃濕潤層深度(m)。

1.3.6 水分利用效率 試驗期內水分利用效率計算公式為:

水分利用效率(WUE)=植被地上生物量(Y)/耗水量(ET)。

1.4 數據分析

利用SPSS Statistics 20.0軟件進行數據統計分析,采用單因素方差分析LSD法比較不同調虧灌溉處理下的差異(p=0.05),采用秩和比法(Rank-sum ratio,RSR)[30]對不同調虧灌溉處理礦區廢棄地植被恢復的適宜性進行評價。

2 結果與分析

2.1 人工草地地上生物量與群落總蓋度的變化

不同灌溉處理人工草地地上生物量的變化可知(圖1),地上生物量由大到小的順序依次為:CK＞RDI1＞RDI2＞RDI3＞RDI4＞RDI5,經方差顯著性分析,CK,RDI1,RDI2,RDI3與RDI4,RDI5之間存在顯著性差異(p＜0.05)。隨著虧水程度的增加,植被地上生物量呈下降趨勢,且當土壤水分低于45%田間持水率時,地上生物量下降明顯,說明此時土壤有效水含量減少,植物開始出現干旱脅迫,為了吸收土壤水分并提高植物抗旱能力,分配給植物根系光合產物的比例增加,導致地上部分分配比例減少。不同調虧灌溉處理試驗小區植物群落總蓋度變化結果表明(圖1),隨著虧水程度的加重,人工草地植物群落總蓋度逐漸下降,RDI3,RDI4,RDI5分別比CK減少了4.0%,24.7%,32.8%,方差分析結果顯示,CK,RDI1,RDI2,RDI3與RDI4,RDI5之間的植物群落總蓋度變化差異達到顯著水平(p＜0.05),這與不同灌溉處理植被地上生物量的變化結果一致,說明中度以上水分虧缺已經影響到混播牧草對水分的吸收利用,進而影響植物正常生長。

圖1 不同灌溉處理人工草地地上生物量和植物群落總蓋度變化

2.2 不同調虧灌溉處理坡面徑流泥沙變化

表4為植物生長季內不同調虧灌溉處理下的坡面徑流泥沙的變化情況。

由表4可以看出,試驗期間內,不同灌溉處理下各試驗小區的產沙量在0.35～1.14 kg之間,平均值0.65 kg;徑流量在5.27～15.23 L之間,平均值9.47 L,總體上,灌溉處理下的產沙量變化差異大于徑流量變化。植物生長初期,群落蓋度較低,地表裸露較多,土壤入滲率降低,灌溉水量過大對地表沖刷強烈,易產生坡面徑流;產沙和徑流量的變化規律一致,均是隨著灌水量的增加,坡面產沙量也隨之增加,植物生長初期,邊坡充分灌溉(CK)產生的泥沙和徑流明顯高于調虧灌溉處理(p＜0.05);快速生長期、生長旺盛期由于地表植物明顯增加,灌水量對坡面徑流的影響不明顯,各灌溉處理之間的產沙量、產流量變化基本接近。生長季內,各處理產沙量、徑流量由大到小順序均為:CK＞RDI1＞RDI2＞RDI3＞RDI5＞RDI4,植物生長的不同階段灌溉方式進入土壤中的水分出現差異,說明群落蓋度和地上生物量的增加能有效抑制坡面徑流。

表4 植物生長季坡面產流產沙變化

2.3 不同調虧灌溉處理的水分利用效率

不同調虧灌溉處理下人工草地土壤水分變化如圖2所示。由圖2可知,混播牧草生長季的不同時期0—30 cm土壤含水率基本呈現出一致的變化規律,即隨著降雨量和灌溉水量的增加而增大。紫花苜蓿、扁穗冰草種植第二年植物根系主要分布在對0—30 cm土層,表現出植物對0—30 cm土層中的土壤水分利用更加高效,0—30 cm土層中的土壤含水率變化明顯。隨著植物生長發育過程的延續,需水量逐步增加,快速生長期需水量較大,土壤水分出現明顯的波動性降低;植物開花期天然降雨明顯增多,并且草本植物進入生殖生長階段,植物對灌水的需求開始下降。試驗期間,各調虧灌溉處理的土壤含水率變化范圍在6.6～22.5 cm3/cm3之間,土壤含水率的變化幅度較大,其中,RDI3,RDI4和RDI5在0—30 cm土層土壤含水率的變化差異達到顯著水平(p＜0.05),RDI3,RDI4,RDI5灌溉處理的平均土壤含水率比充分灌水處理(CK)分別降低了23.1%,32.3%和41.2%。

圖2 不同灌溉處理人工草地土壤含水率變化

2021年植物生長初期和快速生長期天然降水偏低,4月和5月降水量分別為11.8 mm和17.0 mm,在干旱缺水的環境下,灌溉水量是影響植被耗水的主要因素,分析不同調虧灌溉處理下植物耗水量結果表明(圖3),植物耗水量隨著灌水量的增加而增加,充分灌溉(CK)的耗水量顯著高于調虧灌溉處理(p＜0.05),調虧灌溉處理之間,RDI1與RDI3,RDI4,RDI5之間變化差異達到顯著水平(p＜0.05)。

圖3 不同灌溉處理下人工草地耗水量和水分利用效率變化

灌溉量對植物的耗水量及水分利用效率的影響明顯,隨著灌溉量增加,耗水量逐漸增加,而水分利用效率逐漸減小。RDI4、RDI5調虧處理的水分利用效率較低,顯著低于其他處理(p＜0.05)。RDI2和RDI32個調虧處理的水分利用效率顯著高于其他灌溉處理(p＜0.05),且均達到10 kg/(hm2·mm)以上,表明這兩種灌溉方式對水分的利用效率較高。

2.4 基于RSR人工草地調虧灌溉評價

通過對比分析,各灌溉處理在植被生長情況、坡面產流產沙和水分利用效率等方面存在差異性,采用秩和比法(RSR)對各灌溉處理進行綜合評價,可以反映出調虧灌溉是否適宜在水資源匱乏的草原礦區植被恢復與重建中推廣應用。

(1)評價指標選擇。選擇4個指標進行綜合評價,反映植被恢復效果的指標,人工草地植物群落總蓋度;反映蓄水保土能力的指標,產沙量和徑流量;反映灌溉水利用效率的指標,水分利用效率。

(2)指標值計算。依據RSR計算公式:

式中:m為評價指標數(4個指標,分別為植物群落總蓋度、產沙量、徑流量和水分利用效率);n為評價對象、即分組數(6個試驗處理,分組數為6);Rij為每個指標各評價對象的秩,高優指標從小到大編秩,低優指標從大到小編秩,指標數據相近或相同編平均秩。

(3)綜合評價。根據秩和比法的評價原理,RSR值越大,說明被評價模式的綜合效益越高;RSR值越小,說明被評價模式的綜合效益越低[31]。RSR值計算結果(表5)顯示,各種調虧灌溉模式中,綜合效益排序為:RDI2＞RDI3＞RDI4＞RDI1＞CK＞RDI5。RDI2(輕度調虧灌溉)在水分利用效率與人工草地建植效果方面結合較好,且水土流失防控成效明顯。因此,在水資源短缺的礦區植被恢復過程中,輕度調虧可作為礦山廢棄地人工草地建植的主要節水灌溉模式優先選擇應用。

表5 不同灌溉處理RSR評價指標秩次(R)

3 討論

礦山廢棄地具有土體結構不穩定、土壤微生物活性差,土壤養分匱乏、易發生水土流失等特點,自然降水量較低、降水季節差異較大、無霜期較短、生態環境相對脆弱的中國北方草原區,礦山廢棄地植被恢復與重建更是一個復雜且綜合的系統工程[32-34]。研究表明,土壤水分是影響干旱半干旱地區礦山植被恢復與重建的主要限制因素,較低的土壤水分會抑制植物種子萌發、根部吸收水分,影響植物正常生長發育[35-36]。礦山廢棄地人工草地建設過程中,采取灌溉措施可以在天然降雨不足情況下提供植物生長發育所必需的水分,有利于植物正常生長和增強其競爭力,特別是對于廢棄地邊坡,由于坡面土層或基質較薄,蓄水有限,在自然降雨量較低的情況下,適宜灌溉技術是保證廢棄地邊坡植被恢復與重建所需水分的重要手段[37]。調虧灌溉追求在水分限制條件下最大的水分生產[38],從干旱半干旱區礦山廢棄地人工草地的生長狀況來看,不同的調虧灌溉處理,使草本植物生育期的土壤水分處于不同程度的虧缺狀態,人工草地植物群落總蓋度和地上生物量出現不同程度的降低,但經差異顯著性分析,充分灌溉與微度、輕度、中度調虧灌溉處理的植物群落總蓋度和地上生物量之間的變化差異未達到顯著水平,說明草原區礦山廢棄地人工草地建植過程中,通過調虧灌溉可以在不明顯降低生態恢復效果的情況下,通過提高水分利用效率,利用有限水資源增加廢棄地植被恢復與重建的范圍和規模,平衡水分投入和生態效益之間輸出。

在不同調控灌溉處理下,紫花苜蓿、扁穗冰草混播牧草試驗小區的土壤含水量表現出隨著灌水量的增加而增大,而栽植植物種類對土壤水分含量的影響不明顯。萬文亮等[39]研究也表明,土壤含水率隨著調控灌水量的增加表現出顯著增加,土壤含水量受灌水影響較大,受植物品種影響較少[40]。本研究中,水分梯度在45%～65%之間的混播人工草地植物生長狀況明顯好于水分梯度在25%～35%的處理水平,黨志強等[41]在河西走廊紫花苜蓿耗水量與耗水規律的研究中發現,紫花苜蓿在70%田間持水量處理的水分利用最為經濟,相比于單播,混播牧草的根系分布空間更大,對水分利用效率更高,因此,混播草地水分利用效率較單播能提高21.26%～32.5%[42],康文彥等[27]研究證明,苜蓿和無芒雀麥混播草地在拔節期和抽穗期進行水分調虧能夠減少草地的無效蒸發,提高牧草品質和水分利用效率,因此,干旱半干旱草原礦區廢棄地人工草地建設更適合選擇牧草混播的方式。本研究通過對不同灌水處理方式植被生長狀況、坡面產流產沙和水分利用效率進行綜合評價分析,結果表明,灌水量控制下限越高,植被蓋度越大,但從植被恢復效果、蓄水保土能力、灌溉水利用效率等方面綜合評價,土壤水分含量達到土壤田間持水率的55%以上的灌水方式并不能產生最大的綜合效益。在水資源相對匱乏的干旱、半干旱草原礦區廢棄地邊坡植被恢復與重建過程中,既要節約水資源,又要保證植被修復效益,在保證坡面植被所需土壤水分適時供給的同時,以獲得較優的邊坡植被恢復成效。

4 結論

(1)干旱、半干旱草原礦區廢棄地邊坡植被恢復過程中,當土壤水分含量低于45%田間持水率時,植物群落總蓋度和地上生物量下降明顯,植物生長發育明顯受到干旱脅迫。

(2)微度、輕度、中度調虧灌溉與充分灌溉處理植物群落總蓋度和地上生物量無顯著性差異,輕度和中度調虧灌溉可以提高混播牧草的水分利用效率。

(3)采用秩和比法對廢棄地植被恢復調虧灌溉模式進行綜合效益評價,在水資源短缺的礦區植被恢復中,輕度調虧可作為草原礦山廢棄地植被恢復的主要節水灌溉方式,即利用55%的灌水控制下限進行灌溉較適宜廢棄地的植被恢復。