礦區排土場人工草地土壤水分及入滲特征效應

楊政,王冬,劉玉,朱元駿,武高林

(西北農林科技大學,中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

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礦區排土場人工草地土壤水分及入滲特征效應

楊政,王冬,劉玉,朱元駿,武高林*

(西北農林科技大學,中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

本研究以露天煤礦排土場新土體上建植的不同人工草地為對象，分析了不同人工草地地上生物量、土壤水分及土壤入滲性能。結果表明，不同人工草地地上生物量之間差異顯著(P<0.05)，灌木和草灌混播草地的地上生物量比單一草種草地高，冰草+沙蒿和沙打旺+沙蒿草地地上生物量分別比單一種植冰草和沙打旺的草地高40.84%～47.88%和27.31%～53.49%；不同人工草地土壤含水量隨深度增加而增大，20～30 cm層土壤含水量花棒草地最高；不同人工草地地上生物量和土壤水分的累加值呈負相關關系；草灌混播草地的平均土壤初始入滲速率比單一草種草地高44.25%。本研究結果表明，在礦區排土場新土體改良和植被恢復建設中應以草灌混播人工草地為主，可有效提高草地生產力，改善土壤的水分狀況和入滲性能，利于植被生長的可持續。

人工草地；新土體改良；地上生物量；土壤水分；入滲速率

中國是全世界最大的煤炭生產國和消費國，長期的采礦活動尤其是露天煤礦開采劇烈的改變陸地生態系統[1]，引起嚴重的土地退化現象[2]。露天煤礦開采形成許多排土場，不僅破壞地表景觀、占用大量土地，而且影響動植物的生境，對生態環境構成嚴重威脅，使各類環境問題日趨嚴重。因此，排土場新土體的生態恢復和利用已成為世界各國關注的焦點，其中土地復墾和植被生態恢復是礦區排土場新土體恢復和利用的主要方式[3]。但土壤水分的維系是影響排土場新土體植被建設及生態恢復可持續的一個關鍵科學問題。

在干旱半干旱地區進行植被恢復和生態建設最主要的制約因素就是土壤水分[4]，天然降雨是該區人工植被土壤水分的主要來源[5]。然而人工植被地上生物量的超載引起土壤含水量顯著低于自然植被，造成土壤水分虧缺，植被退化，嚴重影響到區域植被恢復的可持續發展[6-8]。姚敏娟[9]研究了黑岱溝露天礦排土場9種植被配置對土壤水分的影響發現自然植被土壤水分利用深度大于人工植被，生長季人工植被均存在土壤水分虧缺的現象。不同植被恢復類型和恢復模式對土壤理化性質[4,9]，尤其是對土壤水分和入滲的影響不同[10-12]，這些變化又會影響到植被恢復過程[13]，直接決定植被恢復的效果。王麗等[14]研究了不同植被恢復模式對土壤的影響發現植被恢復可以明顯改善土壤質量，提高土壤持蓄和調節水分的潛在能力。趙洋毅和段旭[11]研究發現草灌植被模式的土壤穩滲率、平均滲透速率和滲透總量均優于其他模式。孫建等[15]也發現混交種植比單植更有利于土壤水分狀況的維持。因此研究不同植被恢復模式下植被群落地上生物量、土壤水分及入滲特征的變化和關系，在一定意義上可為人工植被建設和生態恢復提供一定的理論依據[16]。

目前，對于礦區排土場植被恢復的研究多集中在不同植被類型的研究[14-15]，針對人工草地群落的研究不多，尤其是人工草地建植對礦區新土體土壤水分以及入滲性能的影響尚需進一步探討。基于此，本研究以內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗永利露天煤礦排土場人工建植不同草地群落為研究對象，研究不同草地群落地上生物量以及對礦區新土體土壤水分、入滲性能的影響，為草原露天煤礦區排土場復墾與生態恢復提供一定的理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1研究區概況

試驗地布設在永利露天煤礦排土場，位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗，海拔1026～1304 m。地理坐標北緯 39°41′52″，東經 110°16′30″。礦區氣候屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年均溫7.2℃，極端最高溫度 38.3℃，極端最低氣溫-30.9℃，≥10℃年積溫3350℃。一般結冰日期為10月下旬至翌年4月下旬，最大凍土深度為1490 mm。年總降水量為231.0～459.5 mm，平均為404.1 mm。多集中在7-9月，占全年降雨的80%。年蒸發量為2082.2 mm，日照3119.3 h。冬春氣候寒冷干燥多大風，夏季雨量集中，秋季涼爽、短促[17]。地表覆蓋物稀少、植被覆蓋率較低，因此水土流失嚴重，整理后的排土場平地內土壤均為復填土，土層厚度不足50 cm，土層下方多煤矸石和石塊，由于排土車輛碾壓而非常緊實。礦區內地帶性植被屬暖溫型草原帶，植被稀疏低矮，蓋度一般30%以下。研究區內以人工植被為主。主要物種為鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、針茅(Stipacapillata)、沙蒿(Artemisiadesterorum)、胡枝子(Lespedezabicolor)等草本植物。

1.2試驗設計

試驗樣地布設在排土場平地上，共60個小區，小區面積15 m2(3 m×5 m)。每6個小區為1個處理的重復，共計10個處理。選擇紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、無芒雀麥(Bromusinermis)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、花棒(Hedysarumscoparium)和楊柴(Hedysarummongolicum)進行種植，不同人工草地小區具體分布如表1。每個小區種植密度基本一致，均采用條播，行距保持一致。紫花苜蓿、沙打旺、達烏里胡枝子、楊柴、蒙古冰草、無芒雀麥和花棒每小區播種量為1.0 kg，冰草+沙蒿、沙打旺+沙蒿和紫花苜蓿+無芒雀麥每小區1.0 kg，其中沙蒿和無芒雀麥為0.5 kg。因為研究區土壤貧瘠干燥，本次試驗播種量較大。一方面為了保證出苗率，另一方面提高種群密度，快速覆蓋地表。

1.3測定項目與方法

1.3.1地上生物量 在2014年7月和10月進行野外采樣工作，在每個小區內隨機布設2個50 cm×50 cm的樣方，調查樣方內所有草本植物的總蓋度和活體生物量。然后將活體生物量在65℃烘干至恒重。

1.3.2土壤水分和容重 用直徑為6 cm的土鉆在取過活體生物量的樣方內按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層取土樣，每層取3鉆，混合均勻后裝入自封袋中稱取鮮重，帶回實驗室采用烘干法測量土壤含水量。土壤容重采用環刀法[8]在各樣地分3層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層取環刀樣，每層5個重復。

1.3.3土壤水分入滲 采用土壤入滲性能自動測量系統測量不同人工草地的土壤入滲率。測量系統在計算機控制下，自動獲取地表濕潤面積隨時間的變化過程，然后引用數值算法計算土壤入滲性能[18]。數值算法模型計算得到不同時間的入滲率計算公式如下：

表1 不同人工草地小區分布Table 1 The distribution of different artificial grasslands

A：紫花苜蓿；B：達烏里胡枝子；C：沙打旺；D：蒙古冰草；E：花棒；F：無芒雀麥；G：楊柴；DK：冰草+沙蒿；CK：沙打旺+沙蒿；AF：紫花苜蓿+無芒雀麥。

A:Medicagosativa; B:Lespedezadavurica; C:Astragalusadsurgens; D:Agropyronmongolicum; E:Hedysarumscoparium; F:Bromusinermis; G:Hedysarummongolicum; DK:Agropyronmongolicum+Artemisiadesertorum; CK:Astragalusadsurgens+Artemisiadesertorum; AF:Medicagosativa+Bromusinermis.

式中,q為供水流量，L/h；本試驗依據孫蓓等[18]的研究設定供水流量為2 L/h；in為tn時刻對應的土壤入滲率，mm/h；ΔAn為時段(tn-tn-1)地表增加的濕潤面積，mm2。并運用入滲經驗模型Kostiakov模型對不同人工草地土壤入滲率和入滲時間進行擬合，Kostiakov模型如下：

Y=ax-b

式中，Y為入滲率，mm/h；x為土壤入滲時間，h；a,b為試驗求得的參數[10]。

1.4數據分析

用Sigmplot 12.5軟件作圖，用SPSS 16.0 進行不同人工草地地上生物量和土壤含水量差異顯著性檢驗以及生物量和土壤水分的相關性分析。

2 結果與分析

2.1不同人工草地地上生物量

7月地上生物量沙打旺+沙蒿草地最高，地上生物量最低的是達烏里胡枝子草地。沙打旺+沙蒿草地和冰草+沙蒿草地的地上生物量分別比沙打旺和蒙古冰草單播的草地高53.5%和47.9%。紫花苜蓿和無芒雀麥單播草地的地上生物量分別比混播的草地高13.4%和18.9%。10月地上生物量最高的是沙打旺+沙蒿草地，最低的是花棒草地。沙打旺+沙蒿和冰草+沙蒿混播的草地地上生物量高于沙打旺和蒙古冰草單播草地。紫花苜蓿和無芒雀麥單播的草地地上生物量比混播草地分別低7.6%和13.0%。7月各草地地上生物量均高于10月，方差分析顯示，不同草地群落之間7月地上生物量(F=7.13,P<0.01)和10月(F=2.36,P=0.03)差異顯著(表2)。

2.2不同人工草地土壤含水量

7月不同人工草地0～10 cm層之間土壤含水量無顯著差異(F=1.15,P=0.336)，冰草+沙蒿草地(14.65%)和花棒草地(14.50%)土壤含水量較高，紫花苜蓿草地(11.94%)最低；冰草+沙蒿混播草地0～10 cm層土壤含水量(14.65%)比蒙古冰草(13.65%)單播草地高7.3%。10～20 cm層間土壤含水量差異不顯著(F=1.48,P=0.166)，20～30 cm層間土壤含水量差異顯著(F=2.477,P=0.014)。花棒草地(19.75%)最高，沙打旺+沙蒿草地(14.92%)最低。10月不同人工草地0～10 cm層之間土壤含水量存在顯著差異(F=2.179,P=0.026)，0～10 cm層土壤含水量達烏里胡枝子草地(20.41%)最高，紫花苜蓿+無芒雀麥草地(16.00%)最低。沙打旺+沙蒿草地0～10 cm層土壤含水量(17.35%)比沙打旺草地(16.07%)高8.0%。不同人工草地10～20 cm (F=3.07,P=0.002)和20～30 cm(F=2.181,P=0.026)層土壤含水量差異顯著，20～30 cm 層土壤含水量花棒草地最高，沙打旺+沙蒿草地(14.92%)和冰草+沙蒿草地的土壤含水量(16.67%)略微低于沙打旺(15.23%)和蒙古冰草(18.62%)單播的草地(圖1)。

表2 不同人工草地地上生物量Table 2 Above-ground biomass of different artificial grasslands g/m2

注：表中數據表示平均值±標準誤，同列不同小寫字母表示不同人工草地類型在5%水平上差異顯著。

Note:The data in the Table represent Mean±SE, different lowercase letters in the same column represent significant differences atP<0.05 between different artificial grassland types.

圖1 不同人工草地7和10月土壤水分含量

2.3不同人工草地地上生物量和土壤水分的關系

草地地上生物量對土壤水分的變化存在時滯效應，因此采用各層土壤平均含水量的累加值分析草地地上生物量和土壤水分的關系[19]。相關性分析結果表明，不同人工草地地上生物量和土壤水分基本呈負相關關系(表3)，不同層土壤含水量和地上生物量相關性不一致。如沙打旺+沙蒿和冰草+沙蒿草地的土壤水分和地上生物量的相關系數分別為0.55和-0.65，而沙打旺和蒙古冰草草地的土壤水分和地上生物量的相關系數分別為-0.93和-0.79。不同人工草地上層0～10 cm土壤含水量與地上生物量的相關性基本高于20～30 cm層土壤含水量與地上生物量的相關性，如沙打旺和蒙古冰草草地的地上生物量和0～10 cm層的土壤含水量顯著相關(P<0.05)，同20～30 cm層土壤含水量的相關性減弱。從不同草地0～30 cm層土壤水分含量和地上生物量的相關分析可以看出，不同草地不同土層含水量對地上生物量的貢獻不同，沙打旺和蒙古冰草草地地上生物量主要受10～20 cm層土壤水分影響，紫花苜蓿+無芒雀麥草地是0～10 cm，冰草+沙蒿草地是10～20 cm。

表3 不同人工草地地上生物量和土壤含水量相關性分析Table 3 Correlation between above-ground biomass (AGB) and soil water contents in different artificial grasslands

注：** 表示在0.01水平上顯著相關；* 表示在0.05水平上顯著相關。

Note：** indicate statistical significant correlation atP<0.01； * indicate statistical significant correlation atP<0.05.

表4 不同人工草地土壤入滲速率及Kostiakov模型擬合結果Table 4 Soil infiltration rate and fitting with Kostiakov model results of different artificial grasslands

注：表中數據表示平均值±標準誤。

Note:The data in the Table represent Mean±SE.

2.4不同人工草地土壤水分入滲性能分析

圖2 不同人工草地土壤入滲速率隨時間變化

不同人工草地土壤入滲速率不同，初始入滲速率最高的是冰草+沙蒿草地，最低的是沙打旺草地，穩定入滲速率最高的是楊柴草地，最低的是無芒雀麥和沙打旺草地。草灌混播樣地的初始入滲速率高于單一草種的樣地(表4)，如：冰草+沙蒿樣地的初始入滲速率比蒙古冰草樣地高26.4%，沙打旺+沙蒿樣地的初始入滲速率比沙打旺樣地高96.3%。

運用Kostiakov模型對不同人工草地類型土壤入滲率和入滲時間進行回歸分析(圖2)，回歸方程的擬合度R2達99%，說明方程擬合效果較好，Kostiakov模型適合描述本研究中各人工草地類型的土壤入滲過程。結果表明，不同人工草地土壤入滲速率和入滲時間之間存在良好的冪函數關系，整個入滲過程基本可以分為3個階段，0～12 min為入滲速率急劇變化階段，12～42 min為入滲速率緩慢變化階段，42 min后逐漸達到穩定入滲階段(圖2)，這與李廣文等[20]報道的草地土壤入滲過程相符。

3 討論

生物量作為生態系統中積累的植物有機物總量，是整個生態系統運行的能量基礎和營養物質來源。生物量的高低變化，可以反映不同植物群落利用自然的能力。生物量的差異受氣候，水熱因子變化的影響。因此，了解生物量的變化，對于因地制宜地進行植被恢復規劃與決策具有重要意義。由于受低溫的影響，研究區草地返青較晚，地上生物量從牧草返青開始積累，并隨著植物生長發育節律、氣溫的回升和降水的增加逐步增加，在7月初草地群落進入生長旺盛期,以此時的生物量作為凈初級生產量比較合適。生長高峰期過后，隨著氣溫下降，草地群落植物的葉片開始枯萎，光合作用隨之減弱，植物體不斷衰老，營養物質不斷流失并向根系轉移，導致地上生物量減少[21]。同時各草地群落種類組成不同，其物質積累和消耗過程不盡相同。灌叢草地和草灌混播草地的地上生物量比單一牧草草地高(表2)，這與張國榮和戴秀章[22]在北方半干旱黃土丘陵區復合型草灌栽培地的研究結果一致。主要是由于草灌混播的草地利用灌木、草本的不同株高和根系分布深度不同的特點使空間得到合理高效配置，時間上使同一土地不同層次的光熱、養分和水分等生態因子充分利用，將短周期的牧草和長周期的灌木結合可以高效利用環境資源，使不可貯存的光熱資源得到最大限度利用，生物產量保持較長時間的穩定[23]。

干旱半干旱地區土壤水分是限制植物生長的主要因素，降雨以及植被生長發育特性都會對土壤水分的季節和垂直變化產生影響。研究區7月有大量較為集中的降雨出現[17]，降雨首先滲入表層，使土壤水分含量急劇增加，雨后溫度升高，大量的地面蒸發和植物蒸騰吸收以及在重力和毛細管力的作用下，水分向下層土壤運動，使表層土壤含水量急劇減少變化顯著[9]。10月氣溫下降，地表蒸發和蒸騰有所減小，土壤水分含量增加。不同人工草地0～10 cm層土壤水分含量明顯比10～30 cm層土壤含水量低(圖1)，主要由于研究區氣候干燥，降雨量少，太陽輻射強烈，蒸散較大，致使草地群落表層土壤含水量較低。不同人工草地土壤含水量隨深度增加而增大。20～30 cm 層灌叢和草灌混播草地的土壤含水量較高，這與趙鵬宇和徐學選[24]發現的黃土丘陵區多次降雨補充下草灌地土壤水分變化規律相符，在降雨量300 mm左右的情況下，0～100 cm土層平均含水量草灌地(18.5%～19.6%)高于草地(15.6%～17.5%)，與草被相比灌木能更好地接納雨水，增加土壤水分，提高黃土區深層儲水能力。再者在高吸力段或者低水勢段，草灌混播的草地土壤釋水和儲水性能優于單一草種草地，草灌混播草地的土壤水分利用率高[25]，這樣在降水少蒸發強烈的黃土高原干旱區，草灌混播草地較單播草地不易受到干旱的威脅[26]。潘德成等[13]在研究阜新煤礦區排土場生態重建時亦提出排土場覆土平臺應以草本和淺根灌木相結合為主，可以使各層土壤水分達到最佳利用效果。

不同人工草地地上生物量和土壤水分基本呈負相關關系(表3)，Sun等[27]在研究環境因子對高山草甸草原地上生物量的影響中也發現土壤水分和地上生物量呈顯著負相關與本研究結果一致。草灌混播草地的土壤水分和地上生物量的相關性低于單一草種草地，說明單一草種草地的產量更易受到土壤水分的影響，這與趙景波等[26]的研究結果一致。不同人工草地上層0～10 cm土壤含水量與地上生物量的相關性基本高于20～30 cm 層土壤含水量與地上生物量的相關性，主要根系集中分布在表層，因為植物的利用，土壤肥力較好，有利于水分保持。

土壤入滲性能是描述土壤入滲快慢極為重要的參數之一。土壤入滲性能越好，越有利于土壤水分的貯存。不同的植被恢復模式對土壤的入滲性能影響不同，所以分析不同恢復模式下土壤入滲性能對土地合理利用和植被科學恢復有重要的指導意義[10]。草灌混播的樣地地上生物量大，能夠為土壤提供更豐富的枯落物，有機質歸還量大，土壤團聚體結構穩定，容重小，土壤疏松，孔隙度大，透水透氣性好，入滲性能較好[11-12]。研究區降雨少，且多為短歷時降水，土壤初始入滲速率越大，降水產生的地表徑流越少，土壤攔蓄的降水就越多[12]，這對干旱地區的植被生長非常重要。不同人工草地土壤的穩定入滲速率明顯小于初始入滲速率，一方面是因為表層土壤含水量低，遇水快速濕潤過程中土壤團聚體迅速膨脹崩解，加之原狀土表面細顆粒的堵塞，土壤孔隙度和孔隙連通性變差，透水的物理孔隙減少，造成穩定入滲率明顯減小[20]；另一方面，排土場下層土壤密實，容重大，研究發現土壤入滲速率和容重呈顯著負相關[10-12]，所以下層土壤入滲性能差也會導致穩定入滲速率偏低。整個入滲過程中灌木和草灌混播樣地的土壤入滲速率比單一草種的草地高，說明草灌混播更能提高土壤的入滲性能。趙洋毅和段旭[11]在喀斯特石漠化地區的研究結果與本研究類似，由于土層薄、水分含量低，與礦區排土場土壤條件相似。因此，建議礦區排土場的新土體植被恢復應以灌草結合為主，有利于土壤水分保持和植被生長。

4 結論

不同人工草地地上生物量依次是灌叢和草灌混播草地(沙打旺+沙蒿>花棒>冰草+沙蒿)>沙打旺>楊柴>無芒雀麥>蒙古冰草>紫花苜蓿>紫花苜蓿+無芒雀麥>達烏里胡枝子，灌叢和草灌混播的草地地上生物量是單播草地的1.16～2.29倍；土壤水分隨深度增加而增大，各層土壤水分含量生長末期(10月)均高于生長初期(7月)，灌叢和草灌混播草地0～10 cm層土壤水分生長初期高于單播草地，生長末期其20～30 cm層土壤水分略低于單播草地；土壤初始入滲速率依次是草灌混播草地(冰草+沙蒿>沙打旺+沙蒿)>蒙古冰草>紫花苜蓿>無芒雀麥>楊柴>達烏里胡枝子>紫花苜蓿+無芒雀麥>花棒>沙打旺，草灌混播草地的初始入滲速率是單播草地的1.05～2.36倍。

草灌混播草地的土壤初始入滲速率高，可以增加土壤含水量和表層土壤儲水量，草灌混播草地的地上生物量同土壤水分的相關性較單播草地弱，使得草灌混播草地能更好適應環境，不易受到干旱威脅，保證植物的正常生長。因此礦區排土場新土體改良和植被恢復建設應以草灌混播人工草地為主，有利于土壤水分的維系和植被生長的可持續。

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Soil moisture and infiltration characteristics for artificial pasture planted on opencast coal mining tailings

YANG Zheng, WANG Dong, LIU Yu, ZHU Yuan-Jun, WU Gao-Lin*

StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservationofChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

This study analyzed the above-ground biomass, soil moisture and infiltration rates for different artificial pastures planted on opencast coal mine tailings.The above-ground biomass of different artificial grasslands was significantly different (P<0.05), with the above-ground biomass of shrub-grassland and mixed planting of shrub and grass being greater than that of single-plant pasture.The above-ground biomasses ofAgropyronmongolicum+Artemisiadesertorumpasture andAstragalusadsurgens+A.desertorumpasture were higher than those ofA.mongolicumandA.adsurgenspasture by 40.84%-47.88% and 27.31%-53.49%, respectively.Soil water content of artificial pasture increased with increased soil depth and was highest for the 20-30 cm soil layer inHedysarumscopariumpasture.The above-ground biomass of different artificial grassland types negatively correlated with the accumulated mean value of soil moisture.The mean initial infiltration of mixed plantings of shrub and grass were higher than those of single plant pasture by 44.25%.These results indicate that mixed planting of shrub and grass is the best choice for soil development and vegetation restoration of opencast coal mine tailings.

artificial grassland; soil modification; above-ground biomass; soil moisture; infiltration rate

10.11686/cyxb2015231

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-05-04；改回日期：2015-07-06

國家自然科學基金項目(41371282, 41371242),中國科學院西部行動項目(KZCX2-XB3-13)和陜西省科技計劃項目(2014KJXX-15)資助。

楊政(1988-),男,山西運城人,在讀碩士。E-mail:yangzheng1104@hotmail.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:gaolinwu@gmail.com

楊政, 王冬, 劉玉, 朱元駿, 武高林.礦區排土場人工草地土壤水分及入滲特征效應.草業學報, 2015, 24(12):29-37.

YANG Zheng, WANG Dong, LIU Yu, ZHU Yuan-Jun, WU Gao-Lin.Soil moisture and infiltration characteristics for artificial pasture planted on opencast coal mining tailings.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):29-37.