礦區排土場植被恢復節水灌溉措施研究

劉艷萍,梁占岐，何京麗，榮 浩，珊 丹

(水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

草原是我國面積最大的陸地生態系統，占國土總面積的41.7%，是我國北方最重要的天然生態屏障，對發展畜牧業、保護生物多樣性、保持水土資源和維護生態平衡具有重要的戰略地位[1-2]。干旱半干旱草原區降水稀少，水資源貧乏，生態恢復過程中水是保障植物存活的關鍵因素，加之大批開發建設項目對區域有限地表水、地下水資源破壞嚴重，煤炭基地水資源保護與綜合利用成為區域生態恢復的關鍵問題[3-5]。因此，在滿足礦區生產、生活用水的情況下，通過利用污廢水處理、節水灌溉等技術措施開源節流，制定經濟可行的節水灌溉方案，可為研究區最大限度地提供可用水資源量。目前，節水灌溉技術在農業灌溉中已廣泛應用，即使在生態恢復中節水灌水技術也有較多的研究成果，但主要集中在平地，針對礦區排土場邊坡坡度大、土層薄這種特殊下墊面的灌水技術研究成果還相對欠缺，難以指導礦區植被恢復灌溉需要[6-8]。而且，由于受水資源短缺、投資成本及人工再塑地貌自身特點的影響，不容許采用常規的灌溉方式進行灌溉控制[9]，以防止形成新的水土流失，因此，急需根據區域水資源條件、再塑地貌自身特點對其適宜的灌溉方式、灌溉水量、灌水時間等灌水調控技術進行系統的研究，以保障煤炭基地的生態恢復，也對保障我國能源開發戰略的實施具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區選擇在錫林河流域，錫林河是內蒙古自治區錫林郭勒盟草原區重要的內陸河，該流域的地形地貌具有明顯的地帶性，地勢由東南向西北逐漸降低，東南部的嘎松山最高海拔1 621 m，西北部的錫林河下游最低處海拔902 m，全流域相對高差超過600 m。主要由低山丘陵，緩坡丘陵和河谷平原3大地貌組成，丘陵河谷間夾帶著固定沙地。地理坐標為E 116°06′41″～116°14′11″、N 44°02′07″～44°07′05″。試驗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，占全年降水量的70%，灌溉期間各月降水量分布見表1，多年平均蒸發量1830.8 mm，為降水量的6倍；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36.60 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 8.0，土壤養分狀況是缺磷、富鉀、氮中等[10-12]。

試驗區位于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，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[13]，試驗區土壤容重為1.45 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細沙為主。礦區原地表植被屬典型草原植被，以克氏針茅(Stipakrylovii)和羊草(Leymuschinensis)為主要建群種，植被蓋度35%～50%，天然草地草高20～40 cm，年產干草量平均為525 kg/hm2。土壤侵蝕類型屬風水復合侵蝕，以風力侵蝕為主，間有季節性水力侵蝕[14]。

表1 灌溉期間各月降水量

1.2 研究方法與試驗設計

1.2.1 試驗小區布設 試驗小區布設在已沉降3年并進行了覆土的大唐野外排土場邊坡，每個試驗小區坡面面積100 m2，即傾斜坡長20 m，寬5 m，小區間設置磚砌步道，寬0.5 m，便于試驗觀察取樣，每個試驗小區兩側及上邊用彩鋼板加鋼骨架圍起，共布設10個試驗小區，其中，9個布置灌溉措施，1個不布置灌溉措施作為對照區。每個小區都為獨立小區，坡頂上方(平臺邊緣)設擋水埂，防止上方徑流沖刷破壞小區。各試驗小區灌溉形式和措施配置見表2。

表2 各試驗小區灌溉措施

1.2.2 試驗方案設計 選擇較為適宜當地生長的人工牧草苜蓿、沙打旺和披堿草，作為邊坡植被恢復的草種。灌溉方式選擇微噴、滴灌、微潤灌3種形式。試驗結果表明，無論是從坡面土壤水分變化情況，還是植被地上生物量表現分析，在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的3種灌水方式中，采用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。適宜灌水方式的選擇已另有報道[14]，筆者主要對植被需水特性及滴灌條件下3種牧草的灌溉制度進行分析研究。不同植被的需水特性采用田測法測定并計算需水量。參照《灌溉試驗規范》(SL13-90)確定旱作物灌溉制度試驗方案，即按不同土壤含水率下限標準，選定不同的灌溉制度。同時，結合坡面配置情況，選擇3種牧草(苜蓿、沙打旺、披堿草)和不同灌溉制度(即控制表層土壤濕度下限占田間持水率的55%，45%和35%為灌水極限)為因素，進行最優灌溉制度試驗。具體試驗步驟：首先計算出一次的灌水定額；其次，在嚴格控制不產生地表徑流的條件下，將計算出的灌水量(由水表控制)在一定歷時內灌完。同時記錄灌溉過程中的灌水方法、灌水總歷時；再次，根據田測法要求進行土壤水分測定(表3)。

1.2.3 試驗測定指標及方法 試驗過程中對土壤水分變化、有效降水量、灌溉參數、田間持水率及土壤理化性質等指標進行觀測記錄。

表3 灌溉制度因素及水平設計

(1)土壤水分變化 土壤含水量變化采用兩種方法進行測定。一是依靠WatchDog 2800土壤水分監測站進行自動記錄，每1 h記錄1次。二是采取土鉆取土烘干稱重進行土壤水分測試。取土位置按試驗小區分為上部、中部、下部，取土深度按10、20、30、40 cm進行，每層次重復3次。土壤水分在雨季(6～9月)每周觀測1次，旱季每2周觀測1次。灌水前后、降水前后加測，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[15-16]。

(2)灌溉過程 各試驗小區在保證坡面不產流情況下，記錄各小區灌水時間、灌水歷時、灌溉水量等。

(3)有效降水量 根據試驗要求，從牧草播前開始至整個生育期結束，對試驗區的降水進行觀測記錄。降水過程和降水量利用2臺反斗式自記雨量筒記錄逐次降水的起始時間，每分鐘記錄一次降水量，降水量精確至0.1 mm。

2 結果與分析

2.1 不同邊坡植被的需水特性

植被(牧草)需水量受許多因素的影響，由于氣候、土壤、種植措施以及水文地質條件的差異，使需水量在不同年份有所變化，然而表現在各生育期的需水量、棵間蒸發與葉面蒸騰、耗水模數均有一定的規律，反映了牧草生育期生理需水和生態需水特征[17-18]。通過采用土壤水量平衡法計算3種優選草種的需水規律與需水量，為其灌溉制度制定和灌溉管理決策提供科學依據。由于項目區屬中溫帶干旱半干旱氣候區，降水稀少，無霜期較短，加之排土場邊坡以恢復植被為主要目標條件，而非高產，因此，在試驗過程中一個完整的生長期(中間不刈割)作為一個研究周期。

表4 不同植被生育期耗水情況表

試驗結果表明，由于排土場邊坡覆土土層在30 cm[19]，在降雨和灌溉條件下，土壤水分變化速率、變化幅度體現為坡上>坡中>坡下。同時，由于受溫度、土壤水分和自身的生理特性等影響，牧草的需水強度隨發育進程變化很大，披堿草最小為1.6 mm/d，最大為4.7 mm/d。3種牧草的需水強度隨氣溫的變化較為明顯，氣溫的變化過程是低-高-低，其需水強度的變化過程亦是低-高-低。3種牧草苗期需水強度較小，拔節(現蕾)-抽穗期需水強度最大，其需水強度在4.5～4.7 mm/d，因為該階段營養生長與生殖生長并進，根、莖、葉生長迅速，光合作用強烈，且此時氣溫升高、日照時間延長。這個階段是牧草一生生長最旺的時期，需水強度也達到峰值，對水分的反映特別敏感，是牧草需水關鍵期，此后需水強度又逐漸減小，一直到成熟期(圖1)。

2.2 3種牧草的節水型灌溉制度

(1)灌溉保證率 根據項目區氣候特征、水土資源狀況及《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)的要求，滴灌灌溉保證率取90%，按年降水量資料組成的系列，進行頻率計算，推求出符合保證率的降水量，并按照與降水量相近而其降水分布又對灌溉不利的原則選擇典型年[20]。項目區屬于半干旱地區，P=90%典型年內各月降水量見表5。

圖1 3種牧草生育期平均日耗水強度Fig.1 The change of average daily water consumption of 3 forages in growth period

時間/月010203040506070809101112全年降水量/mm3.18.35.313.22544.74845417.31.51.6244

(2)最大凈灌水定額 根據GB/T50485，滴灌最大凈灌水定額mmax根據下式計算：

mmax=0.001γzP(θmax-θmin)

(1)

式中：mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重，g/cm3；試驗區實測γ=1.45 g/cm3；z為計劃濕潤土層深度，m，根據坡面覆土厚度，取30 cm；P為設計土壤濕潤比%，種植牧草且毛管單行直線布置時，取P=60%；θmax、θmin為適宜土壤含水率上下限，上限取田間持水量(經實測為20%)的90%，以沙打旺為例，下限取田間持水量的45%，則θmax=18.0%，θmin=9.0%；則mmax=23.5 mm。

凈灌水深度m凈應小于等于最大凈灌水深mmax，因為勤澆淺灌有利于坡面植被(牧草)生長，因此，凈灌水深度m凈=23 mm。則毛灌水深度m毛=m凈/η=24.0 mm(η-灌溉水利用系數，取0.95)。

(3)灌水周期 灌水周期公式計算：

(2)

式中：Ia為牧草日需水量(mm/d)。

結合當地實際情況，坡面植被灌水周期Tmax=5 d。

(4)一次灌水延續時間(t) 一次灌水延續時間公式計算[21]：

t=m毛SeSL/qa

(3)

式中：Se為滴頭間距，Se=0.30 m；SL-毛管控制寬度，SL=0.5 m；qa-滴頭流量，qa=1.0 l/h。則t=3.6 h。

(5)灌溉措施 牧草生育期的灌溉措施，可以對計劃濕潤層建立水量平衡方程：

Wt-W0=WT+P0+K+M-E

(4)

式中：Wt-W0為時段初和任一時間T時的土壤計劃濕潤層內儲水量；

WT為由于計劃濕潤層增加而增加的水量；K為時段t內地下水補給量，該項目區地下水補給忽略不計；M為時段t內的灌溉水量；E為時段T內作物需水量，E=et，e為需水強度(表5)；

P0—生育期有效降雨量，可按公式P0=αP計算，α為降雨系數。

根據前述計算，確定干旱年(90%)3種牧草滴灌節水灌溉制度見表6，7和8。

邊坡植被每次的灌溉水量應參照制定的灌溉制度。在炎熱夏天，如果灌溉水量過少，土壤濕潤對雜草有利而對邊坡植被不利。如覆土層厚于15 cm，則至少要濕潤深度15 cm以上。研究表明，隨著坡度的逐漸增大，土壤或基質的厚度與保水能力逐漸下降，所以在灌水時應從坡度高處開始逐漸移向坡度低處，增加高處的澆水時間，可以盡可能提高高坡處土壤的含水量。在條件容許時，應采用間隙灌，將一次灌水量按坡上：坡中，坡下5∶3∶2比例分時段灌溉。

表6 苜蓿坡面滴灌溉制度

表7 沙打旺坡面滴灌溉制度表

表8 披堿草坡面滴灌溉制度表

3 討論

坡面灌溉中，灌溉作業及日常管護難度大，由于坡度陡、土層薄、保水差等原因，坡地上植物容易受旱，傳統地面灌溉方法難以實施，大坡度坡面采用噴灌灌溉，其主要缺點是受風影響大，且噴灑出的水沿坡面流出，而滴灌是一種精密的灌溉方法，可真正做到只灌植物而不是灌土地，且省水節能，還需要進一步研究與開發更合適的節水灌溉技術或設備。

根據邊坡植被和天氣狀況，應選擇一天中最適宜的時間澆水。早晚澆水，蒸發量最小，而中午澆水，蒸發量大，還容易引起植被葉片灼傷。黃昏或晚上澆水，邊坡植被整夜都會處于潮濕狀態，葉和莖濕潤時間過長，病菌容易侵染，引起病害，并以較快的速度蔓延。最佳的澆水時間應在早晨，除了可以滿足邊坡植被一天需要的水分外，到晚上葉片已干，可防止病菌滋生。

4 結論

牧草的需水強度隨生長發育變化大，無論是豆科牧草還是禾本科牧草，出苗(返青)后，需水量逐漸增加，在拔節-抽穗期或抽穗-開花期，需水強度達到最高，此后開始逐漸變小，而二者的需水系數最大值均出現在需水敏感期，因此，保證該階段灌水，對確保牧草獲得較好的生長環境非常重要，是牧草生長的關鍵需水期。試驗結果表明，坡面植被恢復中的3種牧草在非充分灌溉條件下的滴灌措施分別為苜蓿灌水次數8次，灌溉定額192 mm(1 920 m3/hm2)；沙打旺灌水次數7次，灌溉定額168 mm(1 680 m3/hm2)；披堿草灌水次數9次，灌溉定額216 mm(2 160 m3/hm2)。