礦山廢棄地人工草地調(diào)虧灌溉試驗(yàn)研究

榮 浩阿比亞斯珊 丹張鐵鋼葛 楠

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

干旱、半干旱草原區(qū)是中國北方重要的生態(tài)安全屏障,也是中國煤炭資源主要分布和產(chǎn)出的重點(diǎn)區(qū)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(qū)植被退化嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[2-3]。隨著草原區(qū)礦產(chǎn)資源開采規(guī)模和強(qiáng)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(chǎn)資源開發(fā)與草原環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益尖銳。礦山廢棄地因其獨(dú)特的形成方式,土壤結(jié)構(gòu)組成有別于普通土壤,具有結(jié)構(gòu)松散、土體無層次、有效水分含量偏低、抗侵蝕能力差等特點(diǎn)[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(tài)退化問題諸多學(xué)者開展了大量的研究,研發(fā)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在實(shí)踐中也得到應(yīng)用,研究成果主要集中在礦山開采對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制、礦區(qū)廢棄地的物理性修復(fù)、植物修復(fù)和抗侵蝕復(fù)墾技術(shù)等方面[7-11]。在礦山廢棄地邊坡生態(tài)恢復(fù)理論與技術(shù)方面,有關(guān)植物深層、淺層根系的護(hù)坡作用機(jī)制、根系在邊坡中的受力關(guān)系等已有大量理論研究,但生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中相關(guān)技術(shù)應(yīng)用相對較少[12-14];目前較成熟、可應(yīng)用的礦山生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要有噴混植生技術(shù)、客土噴播技術(shù)、草簾、生物笆等苫蓋技術(shù)、生態(tài)袋、生態(tài)棒坡面防護(hù)技術(shù)等[15-17],受氣候、地質(zhì)、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(hù)坡技術(shù)的推廣應(yīng)用與生態(tài)建設(shè)需求之間的貼合度還需深入探討。干旱半干旱地區(qū)年均降水量偏低、天然降雨有效性較差,土壤水分是該地區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)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(qū)生態(tài)修復(fù)的水資源十分有限,礦山廢棄地植被恢復(fù)與重建中缺乏水分的有效供給,導(dǎo)致廢棄地特別是其邊坡人工植被建植極為困難[19]。科學(xué)的坡面節(jié)水灌溉方式是解決礦區(qū)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(dǎo)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(fèi)[21-22]。本研究針對草原礦區(qū)廢棄地邊坡人工草地建植困難,水土流失嚴(yán)重的生態(tài)恢復(fù)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(yàn),分析不同補(bǔ)水處理下的人工牧草生長狀況、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量及水分利用效率,探討最佳補(bǔ)水方案,為草原區(qū)綠色礦山建設(shè)中的水資源可持續(xù)利用與完善生態(tài)恢復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)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(qū)土壤為栗鈣土,土壤粒徑以＞0.05 mm的細(xì)沙為主,土壤質(zhì)量較差,養(yǎng)分含量偏低[23],0—20 cm土層原狀土壤理化性質(zhì)詳見表1。試驗(yàn)區(qū)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(fā)量2 350.2 mm。研究區(qū)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(qū)土壤基本理化性質(zhì)

表2 研究區(qū)2021年降水量統(tǒng)計(jì) mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 材料 根據(jù)研究區(qū)自然氣候條件結(jié)合當(dāng)?shù)刂脖唤ㄔO(shè)經(jīng)驗(yàn),選擇兩種多年生草本植物作為栽培試驗(yàn)材料,即紫花苜蓿(豆科苜蓿屬M(fèi)edicagosativa)與扁穗冰草(禾本科冰草屬Agropyroncristatum)。

1.2.2 設(shè)計(jì) 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(yàn)在混播牧草生長的第2年(2021年)進(jìn)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(xiàn)蕾(抽穗)、開花、成熟、枯黃5個時期。根據(jù)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(guān)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(xiàn)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(shè)6個處理,即微度、輕度、中度、重度、強(qiáng)度5個灌水下限,以充分灌溉為對照(CK),每個處理3次重復(fù),共18個試驗(yàn)小區(qū),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(jì)劃濕潤層為30 cm,當(dāng)計(jì)劃濕潤層含水量達(dá)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(yàn)小區(qū)布設(shè)于排土場邊坡,每個小區(qū)寬5 m,長15 m,小區(qū)之間間隔0.5 m作為隔離緩沖帶,鋪設(shè)防滲膜防止水分相互滲透。灌水采用智能灌溉系統(tǒng)控制的地面滴灌方式,每個小區(qū)的灌水量采用水表獨(dú)立控制。當(dāng)土壤含水率達(dá)到處理范圍時進(jìn)行灌水,灌水量的計(jì)算公式為:

表3 廢棄地人工草地調(diào)虧灌溉試驗(yàn)灌水下限

式中:M為灌水量(mm);H為計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)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(shù)[28]。

1.3 試驗(yàn)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(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3個1 m×1 m的草本樣方,用數(shù)碼相機(jī)拍攝樣方,計(jì)算每個樣方內(nèi)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(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3個1 m×1 m樣方,齊地刈割,不區(qū)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(shí)時監(jiān)測每個試驗(yàn)小區(qū)土壤含水率變化(可通過終端遠(yuǎn)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(jiān)測時間設(shè)置為每1 d記錄1次,并采用烘干法進(jìn)行校正。

1.3.4 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙測定 分別在每個試驗(yàn)小區(qū)邊坡底部布設(shè)1個徑流小區(qū)(5 m×3 m),四周以鋁塑板進(jìn)行圍擋,徑流小區(qū)底部設(shè)計(jì)集流桶,觀測灌溉后的徑流量和產(chǎn)沙量。①徑流量觀測。灌溉結(jié)束后立即進(jìn)行徑流量觀測,測定集流桶中的徑流體積即徑流量。②產(chǎn)沙量觀測。徑流測定后,將桶內(nèi)水分充分?jǐn)嚋?用鋁盒取水樣,每次取60 ml,3次重復(fù),現(xiàn)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(jì)算 混播牧草的耗水量采用水量平衡方程計(jì)算[28],計(jì)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(jì)劃層內(nèi)的儲水量(mm);WT表示由于計(jì)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(bǔ)給量(mm),本試驗(yàn)無地下水影響,故K=0;M為某時段的灌水量(mm);H1,H2為計(jì)劃濕潤層深度(m)。

1.3.6 水分利用效率 試驗(yàn)期內(nèi)水分利用效率計(jì)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(shù)據(jù)分析

利用SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析LSD法比較不同調(diào)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(diào)虧灌溉處理礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)的適宜性進(jìn)行評價(jià)。

2 結(jié)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(jīng)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(dāng)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(xiàn)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(chǎn)物的比例增加,導(dǎo)致地上部分分配比例減少。不同調(diào)虧灌溉處理試驗(yàn)小區(qū)植物群落總蓋度變化結(jié)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(jié)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(dá)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(jié)果一致,說明中度以上水分虧缺已經(jīng)影響到混播牧草對水分的吸收利用,進(jìn)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(diào)虧灌溉處理坡面徑流泥沙變化

表4為植物生長季內(nèi)不同調(diào)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(yàn)期間內(nèi),不同灌溉處理下各試驗(yàn)小區(qū)的產(chǎn)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(chǎn)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(qiáng)烈,易產(chǎn)生坡面徑流;產(chǎn)沙和徑流量的變化規(guī)律一致,均是隨著灌水量的增加,坡面產(chǎn)沙量也隨之增加,植物生長初期,邊坡充分灌溉(CK)產(chǎn)生的泥沙和徑流明顯高于調(diào)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(chǎn)沙量、產(chǎn)流量變化基本接近。生長季內(nèi),各處理產(chǎn)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(jìn)入土壤中的水分出現(xiàn)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(chǎn)流產(chǎn)沙變化

2.3 不同調(diào)虧灌溉處理的水分利用效率

不同調(diào)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(xiàn)出一致的變化規(guī)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(xiàn)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(fā)育過程的延續(xù),需水量逐步增加,快速生長期需水量較大,土壤水分出現(xiàn)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(jìn)入生殖生長階段,植物對灌水的需求開始下降。試驗(yàn)期間,各調(diào)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(dá)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(huán)境下,灌溉水量是影響植被耗水的主要因素,分析不同調(diào)虧灌溉處理下植物耗水量結(jié)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(diào)虧灌溉處理(p＜0.05),調(diào)虧灌溉處理之間,RDI1與RDI3,RDI4,RDI5之間變化差異達(dá)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(diào)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(diào)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(dá)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(diào)虧灌溉評價(jià)

通過對比分析,各灌溉處理在植被生長情況、坡面產(chǎn)流產(chǎn)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(jìn)行綜合評價(jià),可以反映出調(diào)虧灌溉是否適宜在水資源匱乏的草原礦區(qū)植被恢復(fù)與重建中推廣應(yīng)用。

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

(2)指標(biāo)值計(jì)算。依據(jù)RSR計(jì)算公式:

式中:m為評價(jià)指標(biāo)數(shù)(4個指標(biāo),分別為植物群落總蓋度、產(chǎn)沙量、徑流量和水分利用效率);n為評價(jià)對象、即分組數(shù)(6個試驗(yàn)處理,分組數(shù)為6);Rij為每個指標(biāo)各評價(jià)對象的秩,高優(yōu)指標(biāo)從小到大編秩,低優(yōu)指標(biāo)從大到小編秩,指標(biāo)數(shù)據(jù)相近或相同編平均秩。

(3)綜合評價(jià)。根據(jù)秩和比法的評價(jià)原理,RSR值越大,說明被評價(jià)模式的綜合效益越高;RSR值越小,說明被評價(jià)模式的綜合效益越低[31]。RSR值計(jì)算結(jié)果(表5)顯示,各種調(diào)虧灌溉模式中,綜合效益排序?yàn)?RDI2＞RDI3＞RDI4＞RDI1＞CK＞RDI5。RDI2(輕度調(diào)虧灌溉)在水分利用效率與人工草地建植效果方面結(jié)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(qū)植被恢復(fù)過程中,輕度調(diào)虧可作為礦山廢棄地人工草地建植的主要節(jié)水灌溉模式優(yōu)先選擇應(yīng)用。

表5 不同灌溉處理RSR評價(jià)指標(biāo)秩次(R)

3 討論

礦山廢棄地具有土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、土壤微生物活性差,土壤養(yǎng)分匱乏、易發(fā)生水土流失等特點(diǎn),自然降水量較低、降水季節(jié)差異較大、無霜期較短、生態(tài)環(huán)境相對脆弱的中國北方草原區(qū),礦山廢棄地植被恢復(fù)與重建更是一個復(fù)雜且綜合的系統(tǒng)工程[32-34]。研究表明,土壤水分是影響干旱半干旱地區(qū)礦山植被恢復(fù)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(fā)、根部吸收水分,影響植物正常生長發(fā)育[35-36]。礦山廢棄地人工草地建設(shè)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(fā)育所必需的水分,有利于植物正常生長和增強(qiáng)其競爭力,特別是對于廢棄地邊坡,由于坡面土層或基質(zhì)較薄,蓄水有限,在自然降雨量較低的情況下,適宜灌溉技術(shù)是保證廢棄地邊坡植被恢復(fù)與重建所需水分的重要手段[37]。調(diào)虧灌溉追求在水分限制條件下最大的水分生產(chǎn)[38],從干旱半干旱區(qū)礦山廢棄地人工草地的生長狀況來看,不同的調(diào)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(tài),人工草地植物群落總蓋度和地上生物量出現(xiàn)不同程度的降低,但經(jīng)差異顯著性分析,充分灌溉與微度、輕度、中度調(diào)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(dá)到顯著水平,說明草原區(qū)礦山廢棄地人工草地建植過程中,通過調(diào)虧灌溉可以在不明顯降低生態(tài)恢復(fù)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(fù)與重建的范圍和規(guī)模,平衡水分投入和生態(tài)效益之間輸出。

在不同調(diào)控灌溉處理下,紫花苜蓿、扁穗冰草混播牧草試驗(yàn)小區(qū)的土壤含水量表現(xiàn)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(diào)控灌水量的增加表現(xiàn)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(qiáng)等[41]在河西走廊紫花苜蓿耗水量與耗水規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn),紫花苜蓿在70%田間持水量處理的水分利用最為經(jīng)濟(jì),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(jié)期和抽穗期進(jìn)行水分調(diào)虧能夠減少草地的無效蒸發(fā),提高牧草品質(zhì)和水分利用效率,因此,干旱半干旱草原礦區(qū)廢棄地人工草地建設(shè)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(chǎn)流產(chǎn)沙和水分利用效率進(jìn)行綜合評價(jià)分析,結(jié)果表明,灌水量控制下限越高,植被蓋度越大,但從植被恢復(fù)效果、蓄水保土能力、灌溉水利用效率等方面綜合評價(jià),土壤水分含量達(dá)到土壤田間持水率的55%以上的灌水方式并不能產(chǎn)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(qū)廢棄地邊坡植被恢復(fù)與重建過程中,既要節(jié)約水資源,又要保證植被修復(fù)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(yōu)的邊坡植被恢復(fù)成效。

4 結(jié)論

(1)干旱、半干旱草原礦區(qū)廢棄地邊坡植被恢復(fù)過程中,當(dāng)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(fā)育明顯受到干旱脅迫。

(2)微度、輕度、中度調(diào)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(diào)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(fù)調(diào)虧灌溉模式進(jìn)行綜合效益評價(jià),在水資源短缺的礦區(qū)植被恢復(fù)中,輕度調(diào)虧可作為草原礦山廢棄地植被恢復(fù)的主要節(jié)水灌溉方式,即利用55%的灌水控制下限進(jìn)行灌溉較適宜廢棄地的植被恢復(fù)。