干旱荒漠區排矸場不同覆蓋類型對土壤水分蒸發的影響

珊 丹, 榮 浩, 劉艷萍, 梁占岐, 張 欣, 石紅標

(1.水利部 牧區水利科學研究所, 內蒙古, 呼和浩特 010020; 2.烏拉特前旗自然資源管理局, 內蒙古, 巴彥淖爾市 014400)

干旱荒漠區煤炭等礦產資源開采后形成的廢棄地，地貌形態、土體結構、生物種群均遭到嚴重破壞，極易引發劇烈的水土流失，在這樣一個生態系統極度退化的狀態下，進行植被恢復與重建是一項長期、艱巨的工程[1]。如何恢復礦區廢棄地植被與土壤，使修復后的生態系統與水土保持功能逐漸增強已成為當前礦區生態系統恢復和土地復墾研究中的重要內容。目前，對于礦區廢棄地植被恢復與重建的研究主要集中在植物物種選配及其適應性、植被恢復多樣性變化、生態恢復效果與水土保持效應、植被恢復與土壤環境相互關系、植被恢復類型的持水性能等諸多方面[2-5]，以上研究均是以人工植被配置模式或天然植被類型為基礎，通過營建植物種群和生態系統，為微生物、植被和動物提供一個原生生態環境。

在干旱半干旱地區，受水分制約以及人類活動等諸多因素的影響，植被恢復不可能達到理想的覆蓋狀態[6]，特別是對于氣候條件相對惡劣的干旱荒漠區的煤礦廢棄地，立地條件困難，植物生長受限，期間不可避免的會遇到強降雨和徑流侵蝕，生態恢復周期延長[7]。植被建設過程中，鋪蓋臨時覆蓋物，如草簾子、無紡布、枯枝落葉等可以抑制土壤蒸發、有效保持土壤水分、防止徑流、減少土壤侵蝕，目前已成為較常用的水土保持措施[8-10]。利用覆蓋物防治邊坡目前已應用到公路、鐵路、工業廠區等生產建設項目的水土流失防治中，這些生產建設項目采取的坡面覆蓋措施多以維持邊坡穩定、維護主體安全為目的，并且采取覆蓋措施的坡面一般坡長較短、坡度較緩，而對于礦產資源開采形成的廢棄地——排矸場的高陡邊坡采用覆蓋措施進行生態恢復的相關研究還相對較少；另一方面，目前已取得的不同覆蓋類型對土壤水分蒸發影響等方面的研究成果多集中于大田農業生產，并且大部分以室內模擬試驗為主[11-13]，很少涉及坡面采取覆蓋措施下的土壤水分蒸發變化研究，受坡度、坡位、坡長、坡向等因素的影響，坡面的土壤水分分布、土壤蒸發以及入滲等特點均與平地存在不同程度的差異，以往的研究成果是否適用于坡面覆蓋條件下土壤水分蒸發變化規律還有待進一步驗證。因此，本文在水分匱乏的干旱荒漠區煤礦廢棄地植被恢復過程中，研究不同邊坡覆蓋模式對土壤水分蒸發的影響，確定不同覆蓋材料對土壤蒸發的抑制效果，將為干旱荒漠區礦區廢棄地生態恢復模式優化與完善植被恢復技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區靈武市寧東鎮境內，開采規模3.00×106t/a，井田南北長6.4 km，東西寬12.8 km，面積51.6 km2。試驗區位于羊場灣煤礦排矸場，排矸場位于礦井工業場地東北約3.5 km，屬于流動和半流動沙地低凹處，占地面積18.0 hm2。排矸場平臺、邊坡為煤矸石與土混排后覆土，形成覆土坡，覆土深度30～50 cm，排矸場邊坡平均長度12 m，坡度23°。試驗區地處毛烏素沙漠邊緣地帶，屬中溫帶干旱半干旱大陸性氣候，多年平均降水量157.3 mm，多年平均蒸發量2 682.2 mm，年平均氣溫9.4 ℃，土壤主要是灰鈣土和風沙土，土壤腐殖質積累很低。試驗區以荒漠草原植被為主，優勢種主要有油蒿(Artemisiaordosica)、中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、川青錦雞兒(Caraganatibetica)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)等，植被稀疏，植被蓋度25%～30%[14]。

1.2 試驗方法

1.2.1 覆蓋措施基本情況 在已進行覆土平整后的排矸場邊坡種植草木樨、冰草，牧草種植后分別采用3種覆蓋材料沿排矸場坡面進行整體覆蓋，同時以無覆蓋作為對照，覆蓋物厚度約1～2 cm，各覆蓋試驗小區面積48 m2(12 m×4 m)，小區間距0.5 m。小區間隔內沿坡面修建簡易步道，便于試驗方案的實施，同時又盡可能的避免采樣等人為活動對試驗區的擾動。邊坡覆蓋的具體措施配置見表1。

表1 不同覆蓋類型配置

1.2.2 土壤水分蒸發量測定 利用自制微型蒸滲儀進行自然條件下的土壤蒸發試驗。自制微型蒸滲儀為高15 cm，內徑10 cm的不銹鋼圓柱筒，筒柱上沿配有提手，方便取出與放回；為了取出和放回微型蒸滲儀時不干擾周圍土壤結構，以PVC為材料制成套筒，套筒內徑稍大于微型蒸滲儀圓柱筒內徑。操作時，使用錘子等工具將微型蒸滲儀從土壤表面垂直推進土壤，筒頂上沿的土壤表面與地面齊平，在不破壞筒內土壤的情況下取出裝有原狀土的微型蒸滲儀，用刀切平筒底部多余的土壤并用薄鐵皮封底，隨后將微型蒸滲儀放入套筒中，整體放入試驗小區測定位置。每隔24 h取出微型蒸滲儀，稱重后將其放置套筒內，兩次稱量的重量差即可換算為土壤蒸發(對該大小的微型蒸滲儀而言，1 g的重量變化相當于0.13 mm的土壤蒸發量)[15-18]。每個覆蓋試驗小區(草簾、生態毯和液態地膜)及對照小區內，沿坡面的坡上、坡中和坡下位隨機各布設3個微型蒸滲儀，一個覆蓋試驗小區共放置9個微型蒸滲儀，蒸發試驗從2019年7月25日開始到7月31日結束，共進行7 d，每日上午9：00進行稱重，蒸發試驗進行期間內試驗區無降水，平均氣溫26.1 ℃，平均風速2.38 m/s。

1.2.3 土壤含水量測定 利用自制微型蒸滲儀測定土壤水分蒸發量的同時，采用烘干法測定不同覆蓋類型配置試驗小區及對照小區內、微型蒸滲儀周邊(以微型蒸滲儀為中心，半徑30 cm范圍內)土壤0—15 cm土層的土壤含水量。將土壤樣品放入鋁盒并密封，對土壤樣品稱重，105 ℃烘干8 h后，稱重并計算土壤含水量。

采用Excel 2013進行數據統計和圖表構建，SAS 9.0統計軟件進行數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋類型土壤表層含水量的變化

持續觀測排矸場邊坡不同覆蓋類型下土壤表層水分的變化結果(見圖1)表明，試驗觀測期間在無自然或人工降雨的條件下，排矸場邊坡不同坡位、不同覆蓋處理的土壤表層含水量隨時間變化呈逐步降低的規律。各個覆蓋處理下、邊坡不同坡位的土壤含水量基本呈坡上部<坡中部<坡下部，平均值分別為104.40,108.21,121.31 g/kg，土壤含水量隨時間推移、沿坡位降低而減少的趨勢并不明顯。對比不同覆蓋處理，草簾覆蓋下的土壤含水量相對較高，平均為143.56 g/kg，生態毯和液膜覆蓋土壤含水量相近，分別為114.90,110.09 g/kg，無覆蓋的對照處理表層土壤水分含量最低(76.67 g/kg)，說明排矸場邊坡在生態恢復過程中，以草簾作為覆蓋物更有利于保持表層土壤水分，生態毯和噴灑液膜覆蓋措施對土壤水分的保持能力較為相近。

2.2 不同覆蓋類型對土壤日蒸發量的影響

3種覆蓋與無覆蓋處理的土壤日蒸發量變化見圖2。由圖2可知，蒸發試驗期間，覆蓋處理和無覆蓋處理的土壤日蒸發量變化規律基本一致，只是變化幅度上有所差異，蒸發試驗初期土壤的日蒸發量較大，隨著時間推移，各個覆蓋類型的土壤日蒸發量逐漸降低。從排矸場邊坡不同坡位來看，邊坡下部的土壤日蒸發量最低，平均值比坡上、坡中的土壤日蒸發量減少15.3 %，9.3 %。在排矸場邊坡上部，整個蒸發過程中草簾、生態毯覆蓋下的土壤日蒸發量較低，平均值分別為0.79，0.82 mm，隨時間推移土壤蒸發減少的趨勢逐漸趨緩；液膜噴灑覆蓋的日平均蒸發量為0.92 mm，要高于草簾、生態毯兩種覆蓋措施，無覆蓋的對照處理土壤日蒸發量最大，平均為1.07 mm，無覆蓋與草簾、生態毯兩種覆蓋措施之間的土壤日蒸發量變化差異達到顯著水平(p<0.05)；液膜覆蓋和無覆蓋處理的4 d與5 d的日蒸發量之間差異較大，有明顯的下降，隨后變化趨于穩定。排矸場邊坡中部，各種覆蓋處理土壤日蒸發均表現為逐步減少的規律，日蒸發量由大到小依次為無覆蓋>液膜>生態毯>草簾，邊坡中部的各覆蓋處理的平均土壤日蒸發量雖然有差異，但未達到差異顯著性。排矸場邊坡下部各種覆蓋措施的土壤日蒸發量由大到小排序為無覆蓋>生態毯>液膜>草簾，草簾覆蓋措施下的1 d到7 d期間日蒸發變化不明顯，7 d平均土壤日蒸發量為0.48 mm，顯著低于無覆蓋處理(0.96 mm)(p<0.05)。

圖1 不同覆蓋類型土壤含水量的變化

圖2 不同覆蓋類型土壤日蒸發量的變化

2.3 不同覆蓋類型對土壤累積蒸發量的影響

圖3顯示了不同覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發量隨時間的動態變化過程，在排矸場邊坡的不同坡位，3種覆蓋與無覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發量均表現出逐步上升的規律，與采取覆蓋相比，無覆蓋處理的土壤累積蒸發量增加趨勢較明顯，說明干旱荒漠區排矸場邊坡植被恢復過程中，對土壤表層采取的覆蓋措施對抑制土壤蒸發有一定的作用。在排矸場邊坡上部，草簾覆蓋與生態毯覆蓋兩種措施下的土壤累積蒸發量均較低，累積蒸發量分別為17.42 mm，18.24 mm，噴灑液膜覆蓋后的土壤累積蒸發量為20.98 mm，無覆蓋措施下的土壤累積蒸發量最大，累積達到25.27 mm；對比邊坡中部不同覆蓋措施下土壤累積蒸發量的變化發現，草簾覆蓋下的土壤累積蒸發量最低(15.88 mm)，液膜覆蓋與生態毯覆蓋的土壤累積蒸發量相近，分別為18.42 mm，18.93 mm，無覆蓋措施下的土壤累積蒸發量依然最大(24.17 mm)；在邊坡下部，各個覆蓋措施的土壤累積蒸發量由大到小依次為無覆蓋(22.01 mm)>生態毯(19.51 mm)>液膜(15.54 mm)>草簾(10.69 mm)。排矸場邊坡采取草簾覆蓋、液膜覆蓋、生態毯覆蓋措施下的土壤累積蒸發量分別比無覆蓋措施減少了38.4%，24.2%和20.6%。

不同覆蓋措施1 d到7 d土壤累積蒸發量與時間關系的擬合方程見表2。從表2可以看出，排矸場邊坡進行覆蓋處理的土壤累積蒸發過程符合線性函數關系，可以通過方程y=ax+b表示，式中，x，y為蒸發天數(d)和土壤累積蒸發量(mm)，a，b為參數，R2值在0.988 4～0.995 7之間，線性關系反映出覆蓋對土壤蒸發過程的影響，方程中a值、b值越大則土壤累積蒸發量越大。從表2中可以看出，采取草簾覆蓋是抑制排矸場邊坡土壤水分蒸發最為適合的覆蓋措施。

圖3 不同覆蓋類型土壤水分累積蒸發量的變化特征

表2 不同覆蓋類型土壤累積蒸發量與時間的擬合方程

3 討 論

控制土壤有效蒸發對合理開發利用水資源、調控水分狀況有重要作用，特別是對于干旱荒漠區煤礦排矸場這種大型的人工堆積體，土壤結構松散，穩定性差，有效水分含量偏低，土壤表面水分的蒸發是排矸場植被恢復重建的重要水分損失，在造成水資源浪費的同時，還會引起土壤鹽漬化等問題。地表覆蓋是減少土壤水分蒸發、提高水分利用效率較為有效的方法，長期以來，農業生產中廣泛應用秸稈、砂石和地膜等材料作為覆蓋物對地表形成保護層，以減少或降低土壤水分的無效蒸發，提高作物對水分的有效利用[19]。排矸場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[20]，侵蝕速率是撂荒地的43.60～180.13倍[21]，并且坡位、坡長和坡向的不同會引起坡面局部地形、土壤性狀的空間變異[22]，因此排矸場邊坡的植物恢復更為困難。本研究在干旱荒漠區排矸場邊坡植被恢復過程中，采用了草簾、生態毯和液膜3種覆蓋材料對坡面進行臨時整體覆蓋，研究結果表明采用覆蓋措施后，土壤日蒸發量、土壤累積蒸發量均小于無覆蓋措施，說明邊坡采取覆蓋措施能有效阻礙大氣和土壤之間的水分交換，將土壤水分保存在土壤中，降低土壤水分的無效蒸發，另一方面，坡面覆蓋物與土壤之間可以形成一個相對獨立的土壤水分循環，覆蓋物阻擋土壤水分的蒸發，土壤水分遇到覆蓋物阻礙后會部分返回到土壤中，加強了土壤水分的橫向運移，進而降低土壤水分損失。對比3種覆蓋材料，草簾覆蓋處理對土壤水分累積蒸發量影響較大，其原因可能是以草簾作為覆蓋物，其材質的緊實度高于生態毯和地膜，遮擋作用也相對較強，水汽從土壤表層穿過覆蓋物孔隙散發到空氣中的能力減弱，進而使蒸發速率減慢。冀宏等[23]的研究也表明，覆蓋物對水分有很大的吸附作用，而且覆蓋物越厚，吸附能力越強，土壤水分蒸發越小。排矸場邊坡不同覆蓋處理下第1—7 d的土壤累積蒸發量與時間之間符合線性函數關系，趙文舉等[13]對不同覆蓋模式1—7 d土壤水分累積蒸發量與時間的關系利用線性方程(W=a+bt，R2=0.986 0～0.997 4)、指數方程(W=atb，R2=0.930 4～0.997 1)和對數方程(W=a+blnt，R2=0.848 4～0.917 1)進行擬合，研究結果也表明W=a+bt的擬合效果最好。根據趙文舉等研究，在1—14 d不同覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發量與時間關系更符合W=atb，即隨著時間推移，不同覆蓋處理的土壤水分蒸發速率與無覆蓋之間的差距會逐漸縮小。本研究由于受野外自然條件限制，蒸發試驗共進行7 d，隨著時間的延長，不同覆蓋措施下土壤累積蒸發量與時間的關系是否還是線性方程(y=ax+b)擬合效果最好的，還需進一步研究確認。

對土壤表層水分分析結果表明，排矸場土壤含水量由坡上部向坡下部有增加的趨勢，主要原因，一是邊坡上部受太陽輻射更多，溫度相對較高，蒸發量大，導致土壤水分較低，其次，在重力作用下土壤水分隨坡位的高低變化有由坡上向坡下匯集的作用，并且坡下植被比坡上、坡中部生長狀況較好，在一定程度上對土壤水分涵養起到一定作用，造成坡下表層土壤含水量較高。答竹君等[24]在研究道路邊坡土壤水分空間和季節變異性分析中也發現，除了秋季(10月份)，其他季節道路邊坡的坡下土壤含水量均顯著高于坡上和坡中，說明土壤水分在坡面不同位置上的變化有一定的規律性，坡面降水的再分配使其從坡上部到坡下部的土壤水分差異越來越大[25]。根據土壤表層水分在坡面不同坡位的分布規律，干旱荒漠區排矸場采用坡面覆蓋措施抑制土壤水分蒸發時，從經濟成本上考慮，可采取非坡面整體覆蓋方式，在既能有效減少土壤蒸發量、保蓄土壤水分的同時，又能降低投資成本，但采取何種形式的非整體坡面覆蓋還需進一步的深入研究探討。

4 結 論

(1) 3種覆蓋類型下的土壤日蒸發量和土壤水分累積蒸發量均低于無覆蓋處理，其中草簾覆蓋下的平均土壤日蒸發量顯著低于無覆蓋處理(p<0.05)，說明排矸場坡面采取覆蓋措施對抑制土壤水分蒸發有一定作用。

(2) 自然條件下，在1—7 d坡面覆蓋處理的土壤累積蒸發過程符合線性函數關系，可以通過方程y=ax+b表示，對比3種覆蓋材料，草簾覆蓋下的土壤累積蒸發量最低，草簾是減少邊坡土壤水分蒸發最為適合的覆蓋措施。

(3) 干旱荒漠區煤礦排矸場邊坡不同坡位的表層土壤水分含量有一定的變化規律，各個覆蓋處理下的表層土壤含水量基本呈隨著坡位降低而增加的趨勢，對比3種覆蓋類型，草簾覆蓋下的土壤含水量較高，說明草簾覆蓋更有利于保持表層土壤水分。