露天煤礦排土場疏干水灌溉中草藥試驗研究

高天明，張瑞強，馮 秀，王麗霞

（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）

排土場一般占露天煤礦用地一半以上的土地資源，并且對生態(tài)環(huán)境造成極大破壞[1-2]。植被恢復(fù)和重建是露天煤礦排土場生態(tài)恢復(fù)的最主要手段。目前，普遍采用多種植物配置模式，特別是建植鄉(xiāng)土植物種，輔以土壤改良措施，促進植被恢復(fù)[3-4]，然后逐步減少甚至無需人工撫育，逐漸形成物種多樣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、接近自然的喬灌草復(fù)合植物群落，以發(fā)揮其生態(tài)效益[4-6]，但是這種接近自然的植物群落經(jīng)濟效益卻很低。因此，也有一些學(xué)者開展了在排土場種植經(jīng)濟作物，實現(xiàn)兼具生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的研究[6-8]。疏干水是露天煤礦采煤過程中從煤層中涌出的污水，經(jīng)過處理以后可以實現(xiàn)綜合利用[9-10]，這給露天煤礦排土場種植經(jīng)濟作物的灌溉水源供給問題提供了一種解決方式。

黃芪為豆科多年生草本植物，入藥部位為膜莢黃芪或蒙古黃芪的干燥根。黃芪具有補氣升陽、固表止汗、托毒排膿、利水消腫和生肌等功效。甘草為豆科多年生草本植物，入藥部位為甘草、脹果甘草和光果甘草的干燥根。甘草性平、味甘、歸十二經(jīng)，是一種補益中草藥，食品上也大量用甘草做糕點添加劑。黃芪和甘草的市場需求量逐年增大，但野生資源稀缺，因此，亟需人工栽培供應(yīng)市場需求。目前，露天煤礦排土場種植中草藥的研究還很少[11-12]，針對利用疏干水灌溉中草藥的研究也尚未有相關(guān)報道。

本文以鄂爾多斯市武家塔露天煤礦排土場為例，以礦坑疏干水為灌溉水源，在黃芪和甘草種子萌發(fā)、生長發(fā)育、藥材品質(zhì)和經(jīng)濟效益等方面開展了試驗研究，明確了露天煤礦排土場灌溉疏干水種植中草藥是完全可行的，為礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，為礦區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了一種生態(tài)經(jīng)濟模式。

1 研究對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

武家塔露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗補連鄉(xiāng)境內(nèi)，行政隸屬烏蘭木倫鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)：東經(jīng)110°05'55"～110°10'48"，北緯39°15'16"～39°17'50"。半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量358 mm，多年平均氣溫7.3 ℃，無霜期156 d，年平均風(fēng)速3.6 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)42 d。武家塔礦區(qū)批復(fù)面積9.157 8 km2，截至2019 年底，已超過60%的區(qū)域被內(nèi)、外兩個排土場占據(jù)。排土場為煤矸石排棄，堆高40 m，表層鋪墊的土壤主要是風(fēng)沙土及少量紅土，有時還混有少量煤矸石和碎石，平均厚度約50 cm。鋪墊的土壤結(jié)構(gòu)不良，養(yǎng)分含量很低，經(jīng)測定，未經(jīng)復(fù)墾的排土場土壤有機質(zhì)含量為1.14 g/kg、全N 為0.12 g/kg、堿解N 為4.11 ppm、速P 為5.89 ppm、速K 為46.84 ppm，土壤養(yǎng)分屬第六級——極度缺乏水平。研究區(qū)土壤保水能力較低，田間持水量經(jīng)測定為18.5%，萎蔫系數(shù)為3.7%。礦坑疏干水水質(zhì)化驗檢測數(shù)據(jù)見表1。

總體而言，武家塔露天煤礦疏干水不存在有毒物和重金屬超標(biāo)，但總鹽分含量較高，超標(biāo)25%。礦坑疏干水涌水量一般約1 700 m3/d，使用水泵將疏干水從礦坑提至內(nèi)排土場平臺上的蓄水池中進行沉淀，蓄水池長150 m、寬50 m、深1.5 m，本研究用水泵從蓄水池中抽取灌溉用水。

1.2.1 室內(nèi)發(fā)芽試驗

每個培養(yǎng)皿（90 mm 培養(yǎng)皿洗凈用高壓蒸汽滅菌鍋121 ℃滅菌25 min），鋪雙層濾紙。黃芪和甘草種子用生理鹽水浸泡5 min 后再用蒸餾水沖洗3 次，使用濾紙吸干水分備用。每個培養(yǎng)皿中放入50 粒種子。設(shè)3 種處理：第一種是只在第一次澆水時使用疏干水，以后都使用蒸餾水（表示為ld）；第二種是每次澆水都使用疏干水（表示為xd）；第三種是以蒸餾水為對照（表示為ck）。每種處理3 次重復(fù)。依據(jù)《國際種子檢驗規(guī)程》的方法，當(dāng)每個品種中有第一粒種子出現(xiàn)胚根破殼露白時算作其品種發(fā)芽開始，第4 d 計算發(fā)芽勢，第10 d 計算發(fā)芽率。計算見式（1）和式（2）。

1.2 試驗設(shè)計與研究方法

1.2.2 大田試驗

大田試驗區(qū)位于武家塔露天煤礦內(nèi)排土場平臺上，面積3.3 hm2，如圖1 所示。2019 年4 月20 日，采用便攜式手推播種機條播黃芪和甘草種子，行距40 cm，播深2 cm，播種量約30 kg/hm2，播后采用光伏提水滴灌系統(tǒng)灌溉。田間管理主要為除草和灌溉。

圖1 武家塔露天煤礦排土場中草藥大田試驗區(qū)Fig.1 Field experiment area of Chinese herbal medicine on the dump site of Wujiata Open Pit Coal Mine

采用少量灌溉+施用保水劑的方法進行灌溉：播種后充分灌溉，出苗后少量灌溉，分枝時在根莖附近施用保水劑（30 g/m2），施后少量灌溉，以后每當(dāng)土壤含水量降低至4%時少量灌溉。其中，充分灌溉水量為40 mm/次，少量灌溉為20 mm/次，可分別提高0～30 cm 土壤含水量13.3%和6.7%，相當(dāng)于使土壤含水量分別提高至田間持水量的94%和58%。

1）植株生長發(fā)育觀測。記錄出苗期、孕蕾期、開花期、枯萎期等物候期的出現(xiàn)日期。在黃芪和甘草大田試驗區(qū)各選擇3 塊典型地段，每塊地段設(shè)3個1 m×1 m 的樣方，每月中旬測量樣方內(nèi)所有植株的高度并計算平均值。

2）藥用根測產(chǎn)與品質(zhì)檢測。2020 年9 月25 日，在黃芪和甘草大田試驗區(qū)各選擇3 塊典型地段，面積1 m×1.5 m，使用鐵鍬挖取地表以下30 cm 深度內(nèi)的黃芪和甘草的根，清理泥土后，晴天晾曬，曬到水分含量不超過10.0%時裝入密封袋保存。曬干的根樣品稱重后，送交中國農(nóng)科院草原研究所化驗室測試重金屬、黃芪甲苷、黃芪毛蕊異黃酮苷、甘草苷、甘草酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 軟件進行原始數(shù)據(jù)處理并制圖，采用spss17.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 疏干水對黃芪和甘草種子萌發(fā)的影響

表2 展示了黃芪和甘草種子不同處理條件下的發(fā)芽勢和發(fā)芽率。由表2 可知，疏干水對黃芪種子萌發(fā)略有影響，但不顯著，即使持續(xù)澆疏干水，黃芪的發(fā)芽勢由72%下降至61%、發(fā)芽率由93%下降至88%，僅分別下降了15%和5%。甘草種子只澆1 次疏干水（ld）影響不顯著，但持續(xù)澆疏干水（xd）使甘草種子的萌發(fā)受到顯著抑制，發(fā)芽勢由36%下降至16%、發(fā)芽率由66%下降至39%，分別下降了55%和41%。

表2 黃芪種子和甘草種子在不同處理條件下的發(fā)芽勢和發(fā)芽率Table 2 Germination potential and germination rate of seeds of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis under different treatment conditions單位：%

2.2 生長發(fā)育過程

圖2 為黃芪和甘草植株高度與物候期曲線圖。由圖2 可知，黃芪和甘草在試驗期間能夠正常完成生長發(fā)育過程。其中，在2019 年種植當(dāng)年只進行營養(yǎng)生長，植株高度黃芪最高為27 cm，甘草最高為21 cm，9 月下旬枯萎。2020 年4 月中下旬，黃芪和甘草返青，隨后植株迅速長高，植株高度黃芪最高為39 cm，甘草最高為52 cm；黃芪7 月中旬孕蕾，8 月中旬開花，9 月底枯萎；甘草6 月中旬孕蕾，7 月中旬開花，10 月上旬枯萎。試驗期間，黃芪和甘草未發(fā)現(xiàn)有病蟲害現(xiàn)象。

圖2 黃芪和甘草植株高度與物候期Fig.2 Height and phenophase of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis

2.3 藥用根品質(zhì)檢測

表3 展示了黃芪和甘草藥用根重金屬與有效成分含量，黃芪和甘草藥用根重金屬和有效成分含量符合2020 版《中華人民共和國藥典》的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為藥材安全使用。

表3 黃芪和甘草藥用根重金屬與有效成分含量Table 3 Content of heavy metals and active ingredients of the roots of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis

2.4 經(jīng)濟效益

表4 為大田試驗區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資情況。由表4 可知，大田試驗區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資較高，主要包括水泵、管道、蓄水箱、光伏提水系統(tǒng)等建設(shè)安裝，總投資24 萬元。

表4 大田試驗區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資Table 4 Investment in infrastructure construction in the field experiment area

表5 展示了大田試驗區(qū)種植和田間管理成本情況。由表5 可知，大田試驗區(qū)種植和田間管理成本包括除草劑、整地、施肥、播種、滴灌帶安裝、除草、看護等勞務(wù)費用和滴灌帶、種子、化肥、除草劑等材料費。其中，第一年投資10.54 萬元，第二年投資4.96 萬元，兩年合計15.50 萬元。

表5 大田試驗區(qū)種植和田間管理成本Table 5 Cost of planting and field management in the field experiment area

基礎(chǔ)設(shè)施成本以平均使用10 a 計，折合7 273元/hm2·a，種植和田間管理成本第一年折合31 939元/hm2·a，第二年15 030 元/hm2·a。因此，兩年期間，基礎(chǔ)設(shè)施成本14 546 元/hm2、種植和田間管理成本合計46 969 元/hm2，合計61 515 元/hm2。

經(jīng)測產(chǎn)，黃芪和甘草藥用根干重產(chǎn)量分別為3 300 kg/hm2和3 170 kg/hm2。以近幾年價格20 元/kg計，黃芪試驗田價值66 000 元/hm2，甘草62 600 元/hm2。凈利潤黃芪試驗田為4 485 元/hm2，甘草為1 885 元/hm2。

3 討論

3.1 黃芪和甘草的耐鹽性

本研究中的疏干水總鹽含量略有超標(biāo)，因此不宜種植普通作物。黃芪和甘草的耐鹽性已被多人證實：戈珍梅等[13]研究表明黃芪種子具有一定的耐鹽性，在NaCl0.3%～0.6%、Na2CO30.3%、復(fù)合鹽0.3%～0.6%脅迫條件下有較好的抗性。馬彥軍等[14]研究證明蒙古黃芪在NaCl<0.6%、Na2SO4<0.8%和NaHCO3<0.3%的鹽脅迫條件下，種子和幼苗能夠正常萌發(fā)和生長。王洋[15]和劉萱等[16]研究了甘草在NaCl100 mmol/L（折合5 850 mg/L 或0.58%）濃度以下時的發(fā)芽和細(xì)苗生長無顯著影響，當(dāng)NaCl 濃度超過了100 mmol/L后，甘草的生長發(fā)育受到明顯抑制。另外，王躍等[17]報道了甘草具有通過改變解剖結(jié)構(gòu)以適應(yīng)鹽脅迫的能力。

室內(nèi)發(fā)芽試驗中，只澆1 次疏干水則培養(yǎng)皿中的鹽濃度一直保持穩(wěn)定，而持續(xù)澆疏干水則會使培養(yǎng)皿中的鹽濃度逐漸增加。因此，只澆1 次疏干水相當(dāng)于鹽濃度為0.25%，屬于低鹽濃度水平，由發(fā)芽勢情況可以看出，對黃芪和甘草種子萌發(fā)無明顯影響。當(dāng)持續(xù)澆疏干水時，每澆1 次，則鹽濃度相當(dāng)于增加1 倍。黃芪種子相對細(xì)小，耗水較少，萌發(fā)試驗過程中共澆水3 次，這相當(dāng)于黃芪培養(yǎng)皿中鹽濃度為0.25%～0.75%，鹽濃度接近了黃芪的耐受范圍，而甘草種子相對較大，耗水較多，萌發(fā)過程中共澆水4 次，甘草培養(yǎng)皿中鹽濃度為0.25%～1.00%，從第3次澆水以后，鹽濃度已經(jīng)超過了甘草的耐受范圍。因此，本研究中疏干水對黃芪種子萌發(fā)影響不顯著，而對甘草種子萌發(fā)影響顯著，這與上述學(xué)者的研究結(jié)果相似[13-17]。

3.2 黃芪和甘草的生長發(fā)育過程

對于大田試驗區(qū)，鑒于灌溉疏干水的鹽分積累效應(yīng)，采用少量灌溉+施用保水劑的方法，一方面減少灌溉水量以減輕鹽分積累，另一方面降低水分蒸發(fā)以延長灌溉周期。黃芪和甘草種植能夠正常完成整個生育過程，說明本研究采用的少量灌溉+施用保水劑的方法，可以保障土壤含鹽量在黃芪和甘草的耐受范圍內(nèi)。這為下一步種植其他中草藥或經(jīng)濟作物提供了技術(shù)參考。

研究區(qū)地處煤礦集中開采區(qū)，周邊沒有種植業(yè)，并且由于露天煤礦排土場地塊孤立，人流車流非常少，抑制了農(nóng)業(yè)病蟲害的傳播。另外，排土場高出地面40 m，且研究區(qū)所處地塊位于排土場的上風(fēng)向——西北側(cè)，平時多風(fēng)致使空氣干燥，加之武家塔露天煤礦日夜進行采礦作業(yè)，有一定的噪聲干擾，這種環(huán)境不利于致病菌蟲的生存。因此，本研究試驗期間，未見有黃芪和甘草病蟲害現(xiàn)象，節(jié)約了病蟲害防治成本。

試驗田植被蓋度夏季一般60%以上，黃芪高度平均25 cm、甘草高度平均50 cm，秋季刈割留茬8～10 cm，翌年春季4 月上旬黃芪和甘草返青。人們普遍共識，良好的植被，無論是人工植被還是自然植被，都具有防止水土流失、改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)小氣候、除塵降噪等方面的生態(tài)效益。

3.3 經(jīng)濟效益分析

本研究種植的黃芪和甘草藥用根重金屬和有效成分含量符合2020 版《中華人民共和國藥典》的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為藥材安全使用。

試驗成本較高，主要是由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資較大，研究區(qū)地處偏遠，不僅運輸成本較高，而且路途耗時較多也導(dǎo)致工時成本增加。試驗田看護費用較高，這是因為按照礦區(qū)安全管理規(guī)定的要求，需配備看護人員保障大田試驗區(qū)安全生產(chǎn)，避免火災(zāi)、交通事故等危害發(fā)生，4—9 月雇傭2 人看護，每月支付2 人7 000 元勞務(wù)報酬（含稅），該項成本支出占比高達54.19%。各項勞務(wù)費用較高，這是因為礦區(qū)無種植業(yè)人員，需要雇傭農(nóng)區(qū)人員則導(dǎo)致交通、住宿和工時成本增加。

劉杰等[18]研究施用有機肥可使蒙古黃芪藥材產(chǎn)量最高達7 046.2 kg/hm2；盛玉章等[19]研究施用氮磷鉀肥使甘草產(chǎn)量超過5 300 kg/hm2。相比而言，本研究黃芪和甘草藥用根產(chǎn)量與其他研究相比較低，參考李昕[20]和劉寶勇等[21]在武家塔露天煤礦開展的施用微生物菌肥促進中蒙草藥生長的研究，造成產(chǎn)量較低的原因主要是施肥太少所致，今后應(yīng)加強施肥方面的相關(guān)研究。

4 結(jié)語

武家塔露天煤礦排土場采用疏干水少量灌溉+施用保水劑的方法種植黃芪和甘草，可以減輕土壤鹽分積累效應(yīng)，緩解對黃芪和甘草的鹽脅迫作用，藥用根符合標(biāo)準(zhǔn)，可以作為藥材安全使用，這種生態(tài)經(jīng)濟模式是完全可行的。