再塑地貌边坡人工植被恢复适宜灌水方式研究

2016-08-02梁占岐何京丽邢恩德郭建英刘铁军李锦荣刘艳萍

中国水土保持 2016年7期

梁占岐，何京丽，珊　丹，荣　浩，邢恩德，郭建英，刘铁军，李锦荣，刘艳萍

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020)

梁占岐，何京丽，珊丹，荣浩，邢恩德，郭建英，刘铁军，李锦荣，刘艳萍

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020)

[摘要]干旱、半干旱草原生态脆弱区大型露天煤矿的开采，对原有地表植被造成了破坏，加剧了区域沙漠化和水土流失的进程，加速了草原生态系统的退化，因此恢复和重建矿区尤其是人工再塑地貌边坡生态环境成为草原区露天矿区生态建设的一个重要内容。灌溉是保证坡面植被生长发育所需水分的主要手段之一，结合项目区水资源短缺、不具备常规电源和坡面实际情况，选择微喷、滴灌、微润灌三种灌溉方式进行了试验研究，通过对三种灌水方式的特性、坡面土壤含水量动态变化、坡面植被盖度、植被地上生物量的观测分析，确定滴灌灌水方式对人工再塑地貌边坡植被复绿较为适宜，不仅可以使有限的水资源得到合理高效利用，还可以使植被尽快成坪，达到护坡的效果，从而有效减少水土流失。

近年来，随着经济的快速发展，社会对煤炭资源的需求不断增大，煤炭资源的开发强度也不断加大，这就使得煤矿开采区的土地资源破坏十分严重，土地利用价值大幅降低或完全失去。内蒙古是我国煤炭资源查明保有储量全国第一的省区，煤炭资源不但储量大、煤层厚，而且地质构造简单、埋藏浅、易于露天开采[1]。但是大型露天煤矿大多处于干旱、半干旱的草原生态脆弱区，长期的资源开发不可避免地对原有地表植被造成了破坏，加剧了地区沙漠化和水土流失的进程，加速了生态系统的退化，极大地破坏草地生产力水平并造成了严重的环境扰动[2-3]，也影响了地区经济、社会的可持续发展。因此，恢复和重建矿区尤其是人工再塑地貌边坡生态环境成为草原区露天矿区生态建设的一个重要内容。灌溉是保证坡面植被生长发育所需水分的主要手段之一，可弥补大气降水量的不足和水汽在空间上分布的不均匀，有利于植物的正常生长和增强其竞争力[4]。对人工再塑地貌边坡复绿植被来讲，炎热无雨的夏季是最大的考验，由于边坡上土层或基质较薄，蓄水能力有限，因此选择适宜的灌水方式，不仅可以使有限的水资源得到合理高效利用，还可以使植被尽快成坪，从而有效减少水土流失[5]。

1试验区概况

试验区位于内蒙古自治区锡林浩特盟锡林浩特市东北部的内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司胜利东二号露天矿南排土场，行政区划隶属锡林浩特市宝力根苏木，距离锡林浩特市10 km。露天矿呈北东—南西走向，为不规则的四边形，面积49.88 km2，南排土场位于矿区的东南部，占地面积13.66 km2，为平台、边坡相间分布的阶梯式地貌，相对高度100 m，每级台阶坡面长度约20 m，台阶坡面为煤矸石堆砌后表面覆土，形成覆土坡，坡面角32°～34°，覆土边坡陡而松散[6]。试验区土壤容重为1.36 g/cm3，土壤粒径以>0.05 mm的细沙为主。

研究区地理坐标为东经116°06′41″～116°14′11″、北纬44°02′07″～44°07′05″，海拔990～1 130 m。该区属中温带干旱半干旱气候，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，多年平均蒸发量1 830.8 mm；春季多风，多年平均风速为3.5 m/s，年均大风日数61.1 d，瞬时最大风速36.6 m/s。土壤为典型栗钙土和暗栗钙土，有机质含量20.0～36.8 g/kg，pH值约为8，土壤养分状况是缺磷、富钾、氮中等[7]。矿区原地表植被属典型草原植被，以克氏针茅(StipakryloviiRoshev.)+羊草(AneurotepidimuchinenseTzvel.)为主要建群种，植被盖度35%～50%，天然草场平均草高20～40 cm，年产干草量平均为525 kg/hm2。

锡林浩特市灌溉季节(5—9月)各月平均降雨量分别为：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年灌溉季节各月降雨量见表1。

表1　2013、2014年灌溉季节降雨量

2试验测试方案设计

2.1灌溉方式选择

微喷、滴灌是成熟的节水灌溉技术，已普遍应用于农业、园林绿化等方面[8]；微润灌溉是近年来发展起来的一种先进的高效节水灌溉技术，其将半透膜技术原理引入灌溉领域，用半透膜的透水原理拟合生物半透膜的吸水过程，从而做到了灌溉系统的供水过程与植物的吸水过程在时间上同步，实现了对作物的全生命期进行连续灌溉[9]。微润灌溉以地下给水方式将水分与肥料直接送入根区层，避免了径流损失、渗漏损失和蒸发损失这三种田间水分主要损失方式，使节水效果达到前所未有的程度，大幅度提高了水分利用系数[10]。

试验区地处半干旱草原区，水资源非常匮乏。根据试验区布设及坡面实际情况，灌溉方式选择微喷、滴灌、微润灌三种方式。

2.2灌溉系统布设

2.2.1水源工程

受试区供水条件所限，采用储水罐作为灌溉水源，容积15 m3，由大唐矿业绿化公司负责向储水罐注水。储水罐放置在试验小区上部平台处。

2.2.2首部及管道布设

为防止灌水器堵塞，首部布设网式及离心式两级过滤系统。过滤器通过闸阀与储水罐连接。

输水主管道采用DN63PE管，各试验小区配水管道采用DN25PE管。为准确计量灌溉水量，各试验小区都配置水表，通过变径三通与主管道连接。

2.2.3动力系统

采用微喷灌溉的试验小区，利用太阳能提水系统进行供水灌溉；采用滴灌和微润灌的试验小区，利用自压进行灌溉。

2.2.4试验小区毛管及灌水器布置

微喷：毛管采用DN20PE管，通过旁通与配水管连接。为保证小区灌溉均匀度，分别在小区配水管中、下部布置两处调压闸阀。微喷头采取正三角形布置，毛管间距1 m，微喷头间距1 m。微喷头主要性能参数：流量20 L/h，射程1.0 m。

滴灌：毛管采用DN16PE滴灌管，通过旁通与配水管连接。为保证小区灌溉均匀度，分别在小区配水管中、下部布置两处调压闸阀。滴灌管间距0.5 m，滴头间距0.3 m，滴头流量1 L/h。

微润灌：微润管通过旁通与试验小区配水管连接，小区上部微润管间距30 cm，中下部间距50 cm，微润管流量1 000 mL/(m·d)。为保证小区灌溉均匀度，分别在小区配水管中、下部布置三处调压闸阀。

2.3试验小区布设

结合植被建植研究内容，在排土场边坡上布设10个观测小区，其中：9个布置灌溉措施，1个不布置灌溉措施作为对照区。小区规格为20 m(坡长)×5 m(宽)，小区间距0.5 m。每个小区都为独立小区，坡顶上方(平台边缘)设挡水堤，防止上方径流冲刷破坏小区。各试验小区灌溉方式和措施配置见表2。

表2　各试验小区措施配置和灌溉方式

3试验观测内容与方法

3.1土壤水分动态观测

土壤含水量变化情况采用两种方法进行测定：①依靠WatchDog2800土壤水分监测站进行自动记录，时间设置每1 h记录一次。本设备每台设有6个水分监测通道，配备6个探头，控制2个试验小区，每个小区3个探头，分别布设在小区上部、中部和下部，探头埋深15～20 cm，20 d左右下载一次数据。试验区共布设3台WatchDog2800土壤水分监测站。②采取取土钻法烘干进行土壤水分测试。本方法主要是针对未安装土壤水分自动监测站的小区进行观测，取土位置按试验小区分为上部、中部、下部，取土深度按0(表层)、10、20、30、40 cm进行，每层次重复3次，然后现场用电子秤测定湿土加盒重，再带回实验室在105 ℃下烘烤12 h，测定其土壤含水量。

土壤水分在雨季(6—9月)每1周观测(定位)一次，旱季每2周观测一次。灌水前后、降雨前后加测，生育阶段转变及试验开始(播种或返青)和试验结束(收割)时加测。

3.2灌溉过程观测记录

在保证各试验小区坡面不产流情况下，记录各小区灌水时间、灌水历时、灌溉水量等。

3.3有效降雨量观测记录

根据试验要求，从牧草播前开始至整个生育期结束，对试验区的降雨进行观测记录。降雨过程和降雨量利用2台翻斗式自记雨量筒记录，每1 min记录一次降雨量，降雨量精确至0.1 mm，降雨强度根据降雨量及降雨历时计算，单位是mm/min。

3.4植被观测

每次降雨后对坡面上部、中部、下部的植被进行调查，采用小网格法调查植被的盖度，样方面积为1 m×1 m，对样方内的物种数、高度、盖度、生物量进行调查。

4试验结果分析

4.1适应性评价

在灌溉水源、再塑地貌坡度、土壤等条件特定的情况下，通过试验观测对三种灌溉方式进行了分析评价，比较了其优缺点，主要包括水源要求、动力、能量消耗、投资成本等，详见表3。

表3　三种灌溉方式性能比较

从表3可以看出，三种灌溉方式各有优劣，整体上看微润灌最优，滴灌次之，微喷再次。

4.2不同灌溉方式土壤含水量变化

在灌溉期(5—9月)，对三种灌溉方式0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm不同土层土壤含水量进行监测，结果显示(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号试验小区0～40 cm土层平均土壤含水量最高；其次为3号和8号。在10个试验小区中，3、7、8号小区均为地上滴灌，说明采用滴灌方式，土壤含水量较高。

10～20 cm其次(10.63%)， 0～5 cm的土

4.3效益分析评价

人工再塑地貌灌溉的目的是为了恢复坡面植被，因此选择植被盖度、植被高度、植被地上生物量这几项监测指标总体上可以反映出其灌溉效益。而植被盖度、植被高度基本与植被地上生物量呈正相关，受篇幅所限，本研究仅以植被地上生物量来分析评价其效益。

从表5可以看出，三种灌溉方式其地上生物量存在明显差异，7号小区(滴灌)最高，4号小区(微润灌)最低。总体上采用滴灌的小区效益较好，微喷次之(地上生物量相差不大，但灌溉用水生产率低于滴灌)，微润灌最差。

表5　各试验小区不同月份植被地上生物量(折算为鲜重)

5初步结论

无论是从坡面土壤水分变化情况还是从植被地上生物量情况来看，干旱半干旱草原区大型露天煤矿人工再塑地貌边坡植被恢复采用的三种灌水方式中，地面滴灌是最适宜的灌水方式，其投资成本较低、施工操作相对简单、节水效果明显。

6存在问题

(1)受水源条件、试验小区重复个数、各小区措施配置等因素的限制，试验结果的精度在一定程度上受到了影响。

(2)从定性的角度，在水资源短缺的干旱半干旱草原区大型露天煤矿人工再塑地貌边坡植被恢复中，微润灌是最优的灌水方式。但根据试验结果来看，微润灌效果不佳。分析其原因主要有：①选择的微润管1 000 mL/(m·d)的流量偏小，不能满足植被需水和地面蒸发；②微润管应该有适当的工作压力水头(<8 m)，根据测试，在限压的情况下，坡面下部土壤水分含量明显高于坡面中、上部，但由于微润管承压能力不足，一定程度上影响了微润灌的效果。

[参考文献]

[1] 崔国文.内蒙古自治区煤炭工业化进程特点及“十二五”发展建议[J].中国煤炭,2010,36(9):5-8.

[2] 白中科,王治国,赵景逵,等.安太堡露天煤矿水土流失特征与控制[J].煤炭学报,1997,22(5):542-547.

[3] 水利部,中国科学院,中国工程院.中国水土流失防治与生态安全:开发建设活动卷[M].北京:科学出版社,2010:78-80.

[4] 王景峰,韩俊杰,何陶,等.岩石边坡人工新建植被养护管理技术要点[C]//浙江省公路学会2005年年会论文集.2006:172-176.

[5] 马占东.几种水土保持措施调控地表径流试验研究[J].山西水土保持科技,2008(1):16-18.

[6] 刘伟民,邢万昱.胜利东二露天矿排土工艺研究[J].露天采矿技术,2009(4):14-16.

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[8] 马全林,王继和,刘晓莉,等.高新节水灌溉技术在甘肃防沙治沙中的应用[J].甘肃林业科技,2005,30(1):8-12.

[10] 张俊,牛文全,张琳琳,等.微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究[J].中国水土保持科学,2012,10(6):32-38.

(责任编辑徐素霞)

[中图分类号]S157.6