再塑地貌邊坡人工植被恢復(fù)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(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)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(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

[摘要]干旱、半干旱草原生態(tài)脆弱區(qū)大型露天煤礦的開(kāi)采，對(duì)原有地表植被造成了破壞，加劇了區(qū)域沙漠化和水土流失的進(jìn)程，加速了草原生態(tài)系統(tǒng)的退化，因此恢復(fù)和重建礦區(qū)尤其是人工再塑地貌邊坡生態(tài)環(huán)境成為草原區(qū)露天礦區(qū)生態(tài)建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。灌溉是保證坡面植被生長(zhǎng)發(fā)育所需水分的主要手段之一，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)水資源短缺、不具備常規(guī)電源和坡面實(shí)際情況，選擇微噴、滴灌、微潤(rùn)灌三種灌溉方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)三種灌水方式的特性、坡面土壤含水量動(dòng)態(tài)變化、坡面植被蓋度、植被地上生物量的觀測(cè)分析，確定滴灌灌水方式對(duì)人工再塑地貌邊坡植被復(fù)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(dá)到護(hù)坡的效果，從而有效減少水土流失。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)煤炭資源的需求不斷增大，煤炭資源的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度也不斷加大，這就使得煤礦開(kāi)采區(qū)的土地資源破壞十分嚴(yán)重，土地利用價(jià)值大幅降低或完全失去。內(nèi)蒙古是我國(guó)煤炭資源查明保有儲(chǔ)量全國(guó)第一的省區(qū)，煤炭資源不但儲(chǔ)量大、煤層厚，而且地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、埋藏淺、易于露天開(kāi)采[1]。但是大型露天煤礦大多處于干旱、半干旱的草原生態(tài)脆弱區(qū)，長(zhǎng)期的資源開(kāi)發(fā)不可避免地對(duì)原有地表植被造成了破壞，加劇了地區(qū)沙漠化和水土流失的進(jìn)程，加速了生態(tài)系統(tǒng)的退化，極大地破壞草地生產(chǎn)力水平并造成了嚴(yán)重的環(huán)境擾動(dòng)[2-3]，也影響了地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，恢復(fù)和重建礦區(qū)尤其是人工再塑地貌邊坡生態(tài)環(huán)境成為草原區(qū)露天礦區(qū)生態(tài)建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。灌溉是保證坡面植被生長(zhǎng)發(fā)育所需水分的主要手段之一，可彌補(bǔ)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(zhǎng)和增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力[4]。對(duì)人工再塑地貌邊坡復(fù)綠植被來(lái)講，炎熱無(wú)雨的夏季是最大的考驗(yàn)，由于邊坡上土層或基質(zhì)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(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特盟錫林浩特市東北部的內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司勝利東二號(hào)露天礦南排土場(chǎng)，行政區(qū)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(guī)則的四邊形，面積49.88 km2，南排土場(chǎng)位于礦區(qū)的東南部，占地面積13.66 km2，為平臺(tái)、邊坡相間分布的階梯式地貌，相對(duì)高度100 m，每級(jí)臺(tái)階坡面長(zhǎng)度約20 m，臺(tái)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(yàn)區(qū)土壤容重為1.36 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細(xì)沙為主。

研究區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°06′41″～116°14′11″、北緯44°02′07″～44°07′05″，海拔990～1 130 m。該區(qū)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(fā)量1 830.8 mm；春季多風(fēng)，多年平均風(fēng)速為3.5 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)61.1 d，瞬時(shí)最大風(fēng)速36.6 m/s。土壤為典型栗鈣土和暗栗鈣土，有機(jī)質(zhì)含量20.0～36.8 g/kg，pH值約為8，土壤養(yǎng)分狀況是缺磷、富鉀、氮中等[7]。礦區(qū)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(chǎng)平均草高20～40 cm，年產(chǎn)干草量平均為525 kg/hm2。

錫林浩特市灌溉季節(jié)(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(jié)各月降雨量見(jiàn)表1。

表1　2013、2014年灌溉季節(jié)降雨量

2試驗(yàn)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.1灌溉方式選擇

微噴、滴灌是成熟的節(jié)水灌溉技術(shù)，已普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園林綠化等方面[8]；微潤(rùn)灌溉是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其將半透膜技術(shù)原理引入灌溉領(lǐng)域，用半透膜的透水原理擬合生物半透膜的吸水過(guò)程，從而做到了灌溉系統(tǒng)的供水過(guò)程與植物的吸水過(guò)程在時(shí)間上同步，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物的全生命期進(jìn)行連續(xù)灌溉[9]。微潤(rùn)灌溉以地下給水方式將水分與肥料直接送入根區(qū)層，避免了徑流損失、滲漏損失和蒸發(fā)損失這三種田間水分主要損失方式，使節(jié)水效果達(dá)到前所未有的程度，大幅度提高了水分利用系數(shù)[10]。

試驗(yàn)區(qū)地處半干旱草原區(qū)，水資源非常匱乏。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)布設(shè)及坡面實(shí)際情況，灌溉方式選擇微噴、滴灌、微潤(rùn)灌三種方式。

2.2灌溉系統(tǒng)布設(shè)

2.2.1水源工程

受試區(qū)供水條件所限，采用儲(chǔ)水罐作為灌溉水源，容積15 m3，由大唐礦業(yè)綠化公司負(fù)責(zé)向儲(chǔ)水罐注水。儲(chǔ)水罐放置在試驗(yàn)小區(qū)上部平臺(tái)處。

2.2.2首部及管道布設(shè)

為防止灌水器堵塞，首部布設(shè)網(wǎng)式及離心式兩級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)。過(guò)濾器通過(guò)閘閥與儲(chǔ)水罐連接。

輸水主管道采用DN63PE管，各試驗(yàn)小區(qū)配水管道采用DN25PE管。為準(zhǔn)確計(jì)量灌溉水量，各試驗(yàn)小區(qū)都配置水表，通過(guò)變徑三通與主管道連接。

2.2.3動(dòng)力系統(tǒng)

采用微噴灌溉的試驗(yàn)小區(qū)，利用太陽(yáng)能提水系統(tǒng)進(jìn)行供水灌溉；采用滴灌和微潤(rùn)灌的試驗(yàn)小區(qū)，利用自壓進(jìn)行灌溉。

2.2.4試驗(yàn)小區(qū)毛管及灌水器布置

微噴：毛管采用DN20PE管，通過(guò)旁通與配水管連接。為保證小區(qū)灌溉均勻度，分別在小區(qū)配水管中、下部布置兩處調(diào)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(shù)：流量20 L/h，射程1.0 m。

滴灌：毛管采用DN16PE滴灌管，通過(guò)旁通與配水管連接。為保證小區(qū)灌溉均勻度，分別在小區(qū)配水管中、下部布置兩處調(diào)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(rùn)灌：微潤(rùn)管通過(guò)旁通與試驗(yàn)小區(qū)配水管連接，小區(qū)上部微潤(rùn)管間距30 cm，中下部間距50 cm，微潤(rùn)管流量1 000 mL/(m·d)。為保證小區(qū)灌溉均勻度，分別在小區(qū)配水管中、下部布置三處調(diào)壓閘閥。

2.3試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

結(jié)合植被建植研究?jī)?nèi)容，在排土場(chǎng)邊坡上布設(shè)10個(gè)觀測(cè)小區(qū)，其中：9個(gè)布置灌溉措施，1個(gè)不布置灌溉措施作為對(duì)照區(qū)。小區(qū)規(guī)格為20 m(坡長(zhǎng))×5 m(寬)，小區(qū)間距0.5 m。每個(gè)小區(qū)都為獨(dú)立小區(qū)，坡頂上方(平臺(tái)邊緣)設(shè)擋水堤，防止上方徑流沖刷破壞小區(qū)。各試驗(yàn)小區(qū)灌溉方式和措施配置見(jiàn)表2。

表2　各試驗(yàn)小區(qū)措施配置和灌溉方式

3試驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容與方法

3.1土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)

土壤含水量變化情況采用兩種方法進(jìn)行測(cè)定：①依靠WatchDog2800土壤水分監(jiān)測(cè)站進(jìn)行自動(dòng)記錄，時(shí)間設(shè)置每1 h記錄一次。本設(shè)備每臺(tái)設(shè)有6個(gè)水分監(jiān)測(cè)通道，配備6個(gè)探頭，控制2個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)3個(gè)探頭，分別布設(shè)在小區(qū)上部、中部和下部，探頭埋深15～20 cm，20 d左右下載一次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)區(qū)共布設(shè)3臺(tái)WatchDog2800土壤水分監(jiān)測(cè)站。②采取取土鉆法烘干進(jìn)行土壤水分測(cè)試。本方法主要是針對(duì)未安裝土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，取土位置按試驗(yàn)小區(qū)分為上部、中部、下部，取土深度按0(表層)、10、20、30、40 cm進(jìn)行，每層次重復(fù)3次，然后現(xiàn)場(chǎng)用電子秤測(cè)定濕土加盒重，再帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃下烘烤12 h，測(cè)定其土壤含水量。

土壤水分在雨季(6—9月)每1周觀測(cè)(定位)一次，旱季每2周觀測(cè)一次。灌水前后、降雨前后加測(cè)，生育階段轉(zhuǎn)變及試驗(yàn)開(kāi)始(播種或返青)和試驗(yàn)結(jié)束(收割)時(shí)加測(cè)。

3.2灌溉過(guò)程觀測(cè)記錄

在保證各試驗(yàn)小區(qū)坡面不產(chǎn)流情況下，記錄各小區(qū)灌水時(shí)間、灌水歷時(shí)、灌溉水量等。

3.3有效降雨量觀測(cè)記錄

根據(jù)試驗(yàn)要求，從牧草播前開(kāi)始至整個(gè)生育期結(jié)束，對(duì)試驗(yàn)區(qū)的降雨進(jìn)行觀測(cè)記錄。降雨過(guò)程和降雨量利用2臺(tái)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(qiáng)度根據(jù)降雨量及降雨歷時(shí)計(jì)算，單位是mm/min。

3.4植被觀測(cè)

每次降雨后對(duì)坡面上部、中部、下部的植被進(jìn)行調(diào)查，采用小網(wǎng)格法調(diào)查植被的蓋度，樣方面積為1 m×1 m，對(duì)樣方內(nèi)的物種數(shù)、高度、蓋度、生物量進(jìn)行調(diào)查。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1適應(yīng)性評(píng)價(jià)

在灌溉水源、再塑地貌坡度、土壤等條件特定的情況下，通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)對(duì)三種灌溉方式進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，主要包括水源要求、動(dòng)力、能量消耗、投資成本等，詳見(jiàn)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(yōu)劣，整體上看微潤(rùn)灌最優(yōu)，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(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)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(hào)試驗(yàn)小區(qū)0～40 cm土層平均土壤含水量最高；其次為3號(hào)和8號(hào)。在10個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中，3、7、8號(hào)小區(qū)均為地上滴灌，說(shuō)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(píng)價(jià)

人工再塑地貌灌溉的目的是為了恢復(fù)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(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)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(guān)，受篇幅所限，本研究?jī)H以植被地上生物量來(lái)分析評(píng)價(jià)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(hào)小區(qū)(滴灌)最高，4號(hào)小區(qū)(微潤(rùn)灌)最低。總體上采用滴灌的小區(qū)效益較好，微噴次之(地上生物量相差不大，但灌溉用水生產(chǎn)率低于滴灌)，微潤(rùn)灌最差。

表5　各試驗(yàn)小區(qū)不同月份植被地上生物量(折算為鮮重)

5初步結(jié)論

無(wú)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(lái)看，干旱半干旱草原區(qū)大型露天煤礦人工再塑地貌邊坡植被恢復(fù)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(duì)簡(jiǎn)單、節(jié)水效果明顯。

6存在問(wèn)題

(1)受水源條件、試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)個(gè)數(shù)、各小區(qū)措施配置等因素的限制，試驗(yàn)結(jié)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(qū)大型露天煤礦人工再塑地貌邊坡植被恢復(fù)中，微潤(rùn)灌是最優(yōu)的灌水方式。但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，微潤(rùn)灌效果不佳。分析其原因主要有：①選擇的微潤(rùn)管1 000 mL/(m·d)的流量偏小，不能滿足植被需水和地面蒸發(fā)；②微潤(rùn)管應(yīng)該有適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫λ^(<8 m)，根據(jù)測(cè)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(rùn)管承壓能力不足，一定程度上影響了微潤(rùn)灌的效果。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[中圖分類號(hào)]S157.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)07-0057-04

[基金項(xiàng)目]水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301049)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技引導(dǎo)金項(xiàng)目(20140713)

[作者簡(jiǎn)介]梁占岐(1962—)，男，內(nèi)蒙古烏審旗人，高級(jí)工程師，主要從事草地水土保持與生態(tài)環(huán)境保護(hù)及草地節(jié)水灌溉方面的研究。

[收稿日期]2015-05-20

[關(guān)鍵詞]再塑地貌；邊坡；植被恢復(fù)；灌水方式；內(nèi)蒙古