再塑地貌邊坡人工植被恢復適宜灌水方式研究

梁占岐，何京麗，珊　丹，榮　浩，邢恩德，郭建英，劉鐵軍，李錦榮，劉艷萍

(水利部 牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

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梁占岐，何京麗，珊丹，榮浩，邢恩德，郭建英，劉鐵軍，李錦榮，劉艷萍

(水利部 牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

[摘要]干旱、半干旱草原生態脆弱區大型露天煤礦的開采，對原有地表植被造成了破壞，加劇了區域沙漠化和水土流失的進程，加速了草原生態系統的退化，因此恢復和重建礦區尤其是人工再塑地貌邊坡生態環境成為草原區露天礦區生態建設的一個重要內容。灌溉是保證坡面植被生長發育所需水分的主要手段之一，結合項目區水資源短缺、不具備常規電源和坡面實際情況，選擇微噴、滴灌、微潤灌三種灌溉方式進行了試驗研究，通過對三種灌水方式的特性、坡面土壤含水量動態變化、坡面植被蓋度、植被地上生物量的觀測分析，確定滴灌灌水方式對人工再塑地貌邊坡植被復綠較為適宜，不僅可以使有限的水資源得到合理高效利用，還可以使植被盡快成坪，達到護坡的效果，從而有效減少水土流失。

近年來，隨著經濟的快速發展，社會對煤炭資源的需求不斷增大，煤炭資源的開發強度也不斷加大，這就使得煤礦開采區的土地資源破壞十分嚴重，土地利用價值大幅降低或完全失去。內蒙古是我國煤炭資源查明保有儲量全國第一的省區，煤炭資源不但儲量大、煤層厚，而且地質構造簡單、埋藏淺、易于露天開采[1]。但是大型露天煤礦大多處于干旱、半干旱的草原生態脆弱區，長期的資源開發不可避免地對原有地表植被造成了破壞，加劇了地區沙漠化和水土流失的進程，加速了生態系統的退化，極大地破壞草地生產力水平并造成了嚴重的環境擾動[2-3]，也影響了地區經濟、社會的可持續發展。因此，恢復和重建礦區尤其是人工再塑地貌邊坡生態環境成為草原區露天礦區生態建設的一個重要內容。灌溉是保證坡面植被生長發育所需水分的主要手段之一，可彌補大氣降水量的不足和水汽在空間上分布的不均勻，有利于植物的正常生長和增強其競爭力[4]。對人工再塑地貌邊坡復綠植被來講，炎熱無雨的夏季是最大的考驗，由于邊坡上土層或基質較薄，蓄水能力有限，因此選擇適宜的灌水方式，不僅可以使有限的水資源得到合理高效利用，還可以使植被盡快成坪，從而有效減少水土流失[5]。

1試驗區概況

試驗區位于內蒙古自治區錫林浩特盟錫林浩特市東北部的內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司勝利東二號露天礦南排土場，行政區劃隸屬錫林浩特市寶力根蘇木，距離錫林浩特市10 km。露天礦呈北東—南西走向，為不規則的四邊形，面積49.88 km2，南排土場位于礦區的東南部，占地面積13.66 km2，為平臺、邊坡相間分布的階梯式地貌，相對高度100 m，每級臺階坡面長度約20 m，臺階坡面為煤矸石堆砌后表面覆土，形成覆土坡，坡面角32°～34°，覆土邊坡陡而松散[6]。試驗區土壤容重為1.36 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細沙為主。

研究區地理坐標為東經116°06′41″～116°14′11″、北緯44°02′07″～44°07′05″，海拔990～1 130 m。該區屬中溫帶干旱半干旱氣候，多年平均降水量289 mm，集中分布在6—8月份，占全年降水量的70%以上，多年平均蒸發量1 830.8 mm；春季多風，多年平均風速為3.5 m/s，年均大風日數61.1 d，瞬時最大風速36.6 m/s。土壤為典型栗鈣土和暗栗鈣土，有機質含量20.0～36.8 g/kg，pH值約為8，土壤養分狀況是缺磷、富鉀、氮中等[7]。礦區原地表植被屬典型草原植被，以克氏針茅(StipakryloviiRoshev.)+羊草(AneurotepidimuchinenseTzvel.)為主要建群種，植被蓋度35%～50%，天然草場平均草高20～40 cm，年產干草量平均為525 kg/hm2。

錫林浩特市灌溉季節(5—9月)各月平均降雨量分別為：5月25.9 mm、6月47.8 mm、7月87.5 mm、8月68.8 mm、9月25.7 mm。2013、2014年灌溉季節各月降雨量見表1。

表1　2013、2014年灌溉季節降雨量

2試驗測試方案設計

2.1灌溉方式選擇

微噴、滴灌是成熟的節水灌溉技術，已普遍應用于農業、園林綠化等方面[8]；微潤灌溉是近年來發展起來的一種先進的高效節水灌溉技術，其將半透膜技術原理引入灌溉領域，用半透膜的透水原理擬合生物半透膜的吸水過程，從而做到了灌溉系統的供水過程與植物的吸水過程在時間上同步，實現了對作物的全生命期進行連續灌溉[9]。微潤灌溉以地下給水方式將水分與肥料直接送入根區層，避免了徑流損失、滲漏損失和蒸發損失這三種田間水分主要損失方式，使節水效果達到前所未有的程度，大幅度提高了水分利用系數[10]。

試驗區地處半干旱草原區，水資源非常匱乏。根據試驗區布設及坡面實際情況，灌溉方式選擇微噴、滴灌、微潤灌三種方式。

2.2灌溉系統布設

2.2.1水源工程

受試區供水條件所限，采用儲水罐作為灌溉水源，容積15 m3，由大唐礦業綠化公司負責向儲水罐注水。儲水罐放置在試驗小區上部平臺處。

2.2.2首部及管道布設

為防止灌水器堵塞，首部布設網式及離心式兩級過濾系統。過濾器通過閘閥與儲水罐連接。

輸水主管道采用DN63PE管，各試驗小區配水管道采用DN25PE管。為準確計量灌溉水量，各試驗小區都配置水表，通過變徑三通與主管道連接。

2.2.3動力系統

采用微噴灌溉的試驗小區，利用太陽能提水系統進行供水灌溉；采用滴灌和微潤灌的試驗小區，利用自壓進行灌溉。

2.2.4試驗小區毛管及灌水器布置

微噴：毛管采用DN20PE管，通過旁通與配水管連接。為保證小區灌溉均勻度，分別在小區配水管中、下部布置兩處調壓閘閥。微噴頭采取正三角形布置，毛管間距1 m，微噴頭間距1 m。微噴頭主要性能參數：流量20 L/h，射程1.0 m。

滴灌：毛管采用DN16PE滴灌管，通過旁通與配水管連接。為保證小區灌溉均勻度，分別在小區配水管中、下部布置兩處調壓閘閥。滴灌管間距0.5 m，滴頭間距0.3 m，滴頭流量1 L/h。

微潤灌：微潤管通過旁通與試驗小區配水管連接，小區上部微潤管間距30 cm，中下部間距50 cm，微潤管流量1 000 mL/(m·d)。為保證小區灌溉均勻度，分別在小區配水管中、下部布置三處調壓閘閥。

2.3試驗小區布設

結合植被建植研究內容，在排土場邊坡上布設10個觀測小區，其中：9個布置灌溉措施，1個不布置灌溉措施作為對照區。小區規格為20 m(坡長)×5 m(寬)，小區間距0.5 m。每個小區都為獨立小區，坡頂上方(平臺邊緣)設擋水堤，防止上方徑流沖刷破壞小區。各試驗小區灌溉方式和措施配置見表2。

表2　各試驗小區措施配置和灌溉方式

3試驗觀測內容與方法

3.1土壤水分動態觀測

土壤含水量變化情況采用兩種方法進行測定：①依靠WatchDog2800土壤水分監測站進行自動記錄，時間設置每1 h記錄一次。本設備每臺設有6個水分監測通道，配備6個探頭，控制2個試驗小區，每個小區3個探頭，分別布設在小區上部、中部和下部，探頭埋深15～20 cm，20 d左右下載一次數據。試驗區共布設3臺WatchDog2800土壤水分監測站。②采取取土鉆法烘干進行土壤水分測試。本方法主要是針對未安裝土壤水分自動監測站的小區進行觀測，取土位置按試驗小區分為上部、中部、下部，取土深度按0(表層)、10、20、30、40 cm進行，每層次重復3次，然后現場用電子秤測定濕土加盒重，再帶回實驗室在105 ℃下烘烤12 h，測定其土壤含水量。

土壤水分在雨季(6—9月)每1周觀測(定位)一次，旱季每2周觀測一次。灌水前后、降雨前后加測，生育階段轉變及試驗開始(播種或返青)和試驗結束(收割)時加測。

3.2灌溉過程觀測記錄

在保證各試驗小區坡面不產流情況下，記錄各小區灌水時間、灌水歷時、灌溉水量等。

3.3有效降雨量觀測記錄

根據試驗要求，從牧草播前開始至整個生育期結束，對試驗區的降雨進行觀測記錄。降雨過程和降雨量利用2臺翻斗式自記雨量筒記錄，每1 min記錄一次降雨量，降雨量精確至0.1 mm，降雨強度根據降雨量及降雨歷時計算，單位是mm/min。

3.4植被觀測

每次降雨后對坡面上部、中部、下部的植被進行調查，采用小網格法調查植被的蓋度，樣方面積為1 m×1 m，對樣方內的物種數、高度、蓋度、生物量進行調查。

4試驗結果分析

4.1適應性評價

在灌溉水源、再塑地貌坡度、土壤等條件特定的情況下，通過試驗觀測對三種灌溉方式進行了分析評價，比較了其優缺點，主要包括水源要求、動力、能量消耗、投資成本等，詳見表3。

表3　三種灌溉方式性能比較

從表3可以看出，三種灌溉方式各有優劣，整體上看微潤灌最優，滴灌次之，微噴再次。

4.2不同灌溉方式土壤含水量變化

在灌溉期(5—9月)，對三種灌溉方式0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm不同土層土壤含水量進行監測，結果顯示(表4)：5～10 cm土壤含水量最高(10.82%)，壤含水量最低(8.36%)。不同灌溉方式及措施配置下，7號試驗小區0～40 cm土層平均土壤含水量最高；其次為3號和8號。在10個試驗小區中，3、7、8號小區均為地上滴灌，說明采用滴灌方式，土壤含水量較高。

10～20 cm其次(10.63%)， 0～5 cm的土

4.3效益分析評價

人工再塑地貌灌溉的目的是為了恢復坡面植被，因此選擇植被蓋度、植被高度、植被地上生物量這幾項監測指標總體上可以反映出其灌溉效益。而植被蓋度、植被高度基本與植被地上生物量呈正相關，受篇幅所限，本研究僅以植被地上生物量來分析評價其效益。

從表5可以看出，三種灌溉方式其地上生物量存在明顯差異，7號小區(滴灌)最高，4號小區(微潤灌)最低。總體上采用滴灌的小區效益較好，微噴次之(地上生物量相差不大，但灌溉用水生產率低于滴灌)，微潤灌最差。

表5　各試驗小區不同月份植被地上生物量(折算為鮮重)

5初步結論

無論是從坡面土壤水分變化情況還是從植被地上生物量情況來看，干旱半干旱草原區大型露天煤礦人工再塑地貌邊坡植被恢復采用的三種灌水方式中，地面滴灌是最適宜的灌水方式，其投資成本較低、施工操作相對簡單、節水效果明顯。

6存在問題

(1)受水源條件、試驗小區重復個數、各小區措施配置等因素的限制，試驗結果的精度在一定程度上受到了影響。

(2)從定性的角度，在水資源短缺的干旱半干旱草原區大型露天煤礦人工再塑地貌邊坡植被恢復中，微潤灌是最優的灌水方式。但根據試驗結果來看，微潤灌效果不佳。分析其原因主要有：①選擇的微潤管1 000 mL/(m·d)的流量偏小，不能滿足植被需水和地面蒸發；②微潤管應該有適當的工作壓力水頭(<8 m)，根據測試，在限壓的情況下，坡面下部土壤水分含量明顯高于坡面中、上部，但由于微潤管承壓能力不足，一定程度上影響了微潤灌的效果。

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(責任編輯徐素霞)

[中圖分類號]S157.6

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)07-0057-04

[基金項目]水利部公益性行業科研專項經費項目(201301049)；內蒙古自治區科技引導金項目(20140713)

[作者簡介]梁占岐(1962—)，男，內蒙古烏審旗人，高級工程師，主要從事草地水土保持與生態環境保護及草地節水灌溉方面的研究。

[收稿日期]2015-05-20

[關鍵詞]再塑地貌；邊坡；植被恢復；灌水方式；內蒙古