一种干旱区保水辅助建植装置的应用研究

魏 源

(中铁二十一局集团有限公司,甘肃兰州 730000)

随着我国经济的飞速发展和西部大开发战略的实施,公路、铁路等基础设施建设在西部得到大力发展。但同时也造成了一定的生态环境问题,尤其是在西部干旱、半干旱地区更为严重。另外铁路、公路等建设工程规模大,且线路较长,如不及时进行生态修复,会形成大量裸露地表,不利于进行养护,造成植被破坏、水土流失严重等生态环境问题,严重的可能引发泥石流和滑坡等地质灾害,对线路的建设和安全运营产生一定的影响。

西部干旱区由于太阳辐射强、气候干燥、降水少、蒸发量大等原因,植被在自然条件下自我恢复的可能性较低,且所需的恢复周期较长。该区土壤保墒保肥性能差,而现有的生态修复技术无法满足该区植被正常生长所需的水分和养分,常造成植被存活率低,生长不良,且所需的养护成本较高,不利于大面积的生态修复工程[1-2]。因此,提出了一种旱区保水辅助建植装置,该装置可为植物提供生长所需的营养物质,并能储备一定的营养物质和水分,具有节水保墒的作用,可满足干旱、半干旱地区裸露地表和工程建设后造成的裸露地表生态环境恢复的要求。

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区选在新疆维吾尔自治区若羌县境内,该区属于典型的大陆温带干旱、半干旱气候区。该区降水较少,蒸发量大,年降水量仅为28.5 mm,最大为118.0 mm,年蒸发量2 920.2 mm,最大为3 368.1 mm。年平均温度为11.8 ℃,月平均温度为-9.4～27.4 ℃。该区日照充足,昼夜温差大,年日照时数为3 103.2 h,年最大日照时数为3 338.8 h。境内天然植被类型主要为荒漠植被,防护林主要分布有榆树(Ulmuspumila)、杨树(PopulusL.)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、柳树(Salixbabylonica)等。

1.2 试验材料

1.2.1保水辅助建植装置。如图1所示,保水辅助建植装置(WAD)包括保育桶、隔离架和营养基质等。该装置中保育桶采用双层结构,保育桶主要是由纸浆和植物纤维(落叶、树皮、锯末等)混合压制而成,具有保温和导热性差的功能,可保证无土栽培基质的温度稳定,防止水分过快蒸发;保育桶内层和外层采用锡箔纸制成,具有防渗水和隔热功能。保育桶内共有3层隔离架,隔离架上附着有超吸水纤维材料,具有吸水和保水的功能,隔离架之间填充有营养基质,保障植被生长所需的养分需求。该装置尺寸可根据植被和现场条件进行调整,此次研究选用的尺寸为总高30 cm、外径20 cm、内径18 cm、隔离架间距10 cm。

图1 保水辅助建植装置Fig.1 Water conservation auxiliary planting device

1.2.2保水剂。保水剂(SAP)选用的是市场常见的农林抗旱保水剂,具有安全环保和保水保肥等特性,试验选用的保水剂是由任丘市辉达化工有限公司生产。

1.2.3建植材料。建植材料选用1年生的红柳(Tamarixramosissima)苗木。

1.3 研究方法

1.3.1保水性能测试。保水性能测试主要是在室内试验条件下完成,将等量的水(300 mL)分别加入不同保水材料和空白对照中,然后每隔一段时间进行称重测量,计算出每段时间内水分的损失量。

保水率计算公式为:

Rn=(M-Mn)/W×100%

(1)

式中:Rn为第n天保水率(%);M为初期保水材料和水的总质量;Mn为第n天保水材料和水的总质量;W为初期加入水的总质量。

1.3.2现场试验。现场试验选在若羌境内格库铁路沿线,并选取3段作为试验区。其中,A段建植区利用保水辅助建植装置进行建植;B段建植区利用保水剂材料进行辅助建植;C段为空白对照区,不采用保水材料进行辅助建植。然后分别对各试验段的土壤养分状况、植被生长状况、水土流失状况进行调查研究。

1.3.3土壤侵蚀模数。采用桩钉法进行土壤侵蚀模数的测定,方法详见文献[3]。

1.3.4数据处理。利用Excel软件和SPSS软件进行数据分析和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同保水措施的保水能力对不同保水措施下的保水率进行测定,结果如图2所示。从图2可以看出,不同保水措施下的保水率随着时间的推移,整体上均呈现出逐渐下降的变化趋势。没有添加保水措施的空白对照组(CK),保水率下降趋势明显,在第10天时保水率已降至0,而添加保水剂(SAP)和增设保水辅助建植装置(WAD)的试验组,其保水率相较于CK组均得到了显著提升,其中WAD的保水率在同一时间段均为最高,表明WAD措施可有效提升保水率,有效延缓水分的蒸发和流失,保证植物的稳定生长。

图2 不同保水措施下的保水率Fig.2 Water retention rate under different water retention measures

由表1可知,WAD和SAP措施下的保水率(y)与时间(x)呈负指数关系,且决定系数(R2)均在0.8以上,其相关性显著,表明WAD和SAP措施下的保水率下降幅度随着时间的推移逐渐降低,且在后期基本趋于稳定。其原因主要是由于WAD措施下的水分在3层隔离架之间均有分布,在前期,位于保育桶中、上方的隔离架区域,水分蒸发较快,待其蒸发稳定后,位于下方隔离架区域的水分基本保持在稳定状态,其水分蒸散量较小,因此WAD措施下的保水率在前期下降较快,后期下降缓慢并趋于稳定状态。而保水剂(SAP)在前期由于吸持的水分较多,其保水性能会随之下降,因此,在前期,保水剂的保水率下降较为明显,而在后期随着保水剂水分吸持量的减少,其保水性能也随之提高[4]。因此,在后期保水剂的保水率下降缓慢,也基本趋于稳定状态,但由于保水剂的保水性能提高,其可供植物吸收的水分也随之减少,不利于植被的生长[5-6]。

表1 不同保水措施下的保水率与时间之间的关系

2.2 不同保水措施下的植被存活率将1年生红柳苗木分别移栽至试验段A区、B区和C区,观测在不同保水措施下的植被存活率,结果如图3所示。由图3可见,WAD措施下的植被存活率均明显高于其他2种措施,其次是SAP措施,CK区植被存活率最低。随着时间的推移,存活率均随着时间的推移呈下降趋势。但WAD措施下,150 d 后的植被存活率基本趋于稳定,维持在70%左右,其存活率水平较高。移植30 d后,WAD措施下的植被存活率高达95%,相比SAP措施和CK措施分别高出11百分点和35百分点。越冬后WAD措施下的植被存活率基本趋于稳定,从图3可以看出,WAD措施下的植被成活率最高为69%,而SAP为35%,CK仅为15%。表明人工保水措施可有效提升植被的存活率,其中WAD措施效果显著。其原因可能是由于WAD措施的保水性能稳定,受外界因素干扰较小,因此植被存活率较高。而SAP措施下植被在第1个生长季的存活率能够达到52%,而第2年的存活率仅为35%,主要可能是由于保水剂受外界温湿度和土壤酸碱度等因素的影响[7],其保水性能也随之下降,且保水剂在反复吸水后,其保水性能也随之下降[8],因此,SAP措施下的植被存活率也相对较低。

图3 不同保水措施下的植被存活率Fig.3 Vegetation survival rate under different water conservation measures

2.3 不同保水措施对植被生长状况的影响对不同保水措施下的红柳植株新增高度进行观测,结果如图4所示。从图4可以看出,同一措施下,植株新增高度随着时间的推移呈逐渐升高的变化趋势;同一时间段,不同保水措施下红柳植株新增高度表现为WAD>SAP>CK。以WAD措施为例,30 d时,植株新增高度相对较小,平均增长高度为6 cm,其生长速度为6 cm/月;其次是90 d,相较于30 d,植株平均新增高度为17 cm,其生长速度为8.5 cm/月;150 d植株新增高度最多,相较于90 d,植株平均增长高度为22 cm,其生长速度为11 cm/月。分析其原因,可能是由于红柳苗木为移植苗木,在30 d内处于环境适应阶段,因此其生长高度相对较低,生长速度也相对较慢;而在90 d后的植株新增高度相对于150 d 后的植株新增高度低,其原因可能是由于60、90 d时为夏季,气温较高,植被具有自我保护和调节机制[9],为减少水分的蒸发,会关闭气孔,因此生长高度相对较低。从整体来看,WAD措施下的植株新增高度较高,生长速度较快,可有效满足植被的生长需求。

图4 不同保水措施下红柳植株新增高度Fig.4 New height of Tamarix ramosissima under different water retention measures

2.4 不同保水措施下水土保持能力土壤容重的大小能够在一定程度上反映出土壤结构的团聚性、储水能力和孔隙状态[10]。土壤容重适宜时,土壤的团聚性较好,不宜松散,且土壤储水能力也较强,有较好的水源涵养功能;而土壤容重较松时,其团聚性较差,易被冲散,加剧水土流失;而当土壤容重较紧时,其孔隙状态较差,容易形成地表径流,同样加剧水土流失。根据图5和土壤容重分级情况[11],WAD措施下的土壤为偏紧状态,但相较于适宜状态下的1.25 g/cm3,仅高出0.02 g/cm3,表明该区的土壤团聚性和孔隙状态相对较好,有效地提高了该区土壤的水源涵养功能。SAP和CK措施下的土壤容重均处于紧实状态,其土壤的水源涵养功能相对较弱[12],但SAP措施下的土壤容重相比CK措施下的土壤容重低0.05 g/cm3。WAD措施下的土壤容重相对较低,其原因可能是由于该区的植被存活率较高,地下根系分布较多所致。

图5 不同保水措施下土壤容重和土壤侵蚀模数Fig.5 Soil bulk density and soil erosion modulus under different water retention measures

从土壤侵蚀模数来看,WAD措施下的土壤侵蚀模数最低,为2 925 t/(km2·a),相比于SAP和CK措施,分别减少了653和1 244 t/(km2·a)。WAD措施下的土壤侵蚀模数相对较低,其原因是多方面的:一是该区土壤容重相对较低,土壤的水源功能相对较高,有效减少了水土流失;二是该区植被存活率和覆盖度相对较高,而较高的植被覆盖度,可有效减少降水对地表的直接冲击,减少溅蚀,而且植被的存在可有效降低降水的速度和地表径流的速度,减少水土流失量;三是植被茎叶也可以吸持一部分降水,减少流入地表的降水,减少水土流失量。

3 结论

不同保水措施的保水率与时间呈显著负相关,WAD措施下的保水率最高,其次是SAP措施,CK最小,30 d后的保水率分别为35%、14%和0;WAD措施可有效提高红柳苗木的移植存活率,越冬后该区的苗木存活率为69%,能够有效保障苗木生存的稳定性,而SAP和CK区的苗木分别仅为35%和15%,存活率相对较低,无法满足该区生态工程建设需求;在移植后的150 d期间内,植被生长高度随着时间的推移,其生长速度也随之提升,其中WAD措施下的植被生长速度和生长高度均明显高于SAP和CK区;WAD措施下土壤容重和土壤侵蚀模数均相对较低,分别为1.27 g/cm3和2 925 t/(km2·a),WAD措施可有效提升土壤的水源涵养功能,减少水土流失。

综上所述,WAD措施可有效提升保水能力,提高植被存活率、植被生长高度,改善水土流失状况,建议在该区进行生态修复时,可选用WAD措施进行植被建植。