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)大型露天煤礦的開采，對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程，加速了草原生態(tài)系統(tǒng)的退化，因此恢復和重建礦區(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)建設的一個重要內(nèi)容。灌溉是保證坡面植被生長發(fā)育所需水分的主要手段之一，結(jié)合項目區(qū)水資源短缺、不具備常規(guī)電源和坡面實際情況，選擇微噴、滴灌、微潤灌三種灌溉方式進行了試驗研究，通過對三種灌水方式的特性、坡面土壤含水量動態(tài)變化、坡面植被蓋度、植被地上生物量的觀測分析，確定滴灌灌水方式對人工再塑地貌邊坡植被復綠較為適宜，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，達到護坡的效果，從而有效減少水土流失。

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對煤炭資源的需求不斷增大，煤炭資源的開發(fā)強度也不斷加大，這就使得煤礦開采區(qū)的土地資源破壞十分嚴重，土地利用價值大幅降低或完全失去。內(nèi)蒙古是我國煤炭資源查明保有儲量全國第一的省區(qū)，煤炭資源不但儲量大、煤層厚，而且地質(zhì)構(gòu)造簡單、埋藏淺、易于露天開采[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)，長期的資源開發(fā)不可避免地對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)力水平并造成了嚴重的環(huán)境擾動[2-3]，也影響了地區(qū)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，恢復和重建礦區(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)建設的一個重要內(nèi)容。灌溉是保證坡面植被生長發(fā)育所需水分的主要手段之一，可彌補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和增強其競爭力[4]。對人工再塑地貌邊坡復綠植被來講，炎熱無雨的夏季是最大的考驗，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試驗區(qū)概況

試驗區(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)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司勝利東二號露天礦南排土場，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，南排土場位于礦區(qū)的東南部，占地面積13.66 km2，為平臺、邊坡相間分布的階梯式地貌，相對高度100 m，每級臺階坡面長度約20 m，臺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]。試驗區(qū)土壤容重為1.36 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細沙為主。

研究區(qū)地理坐標為東經(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，多年平均風速為3.5 m/s，年均大風日數(shù)61.1 d，瞬時最大風速36.6 m/s。土壤為典型栗鈣土和暗栗鈣土，有機質(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)各月降雨量見表1。

表1　2013、2014年灌溉季節(jié)降雨量

2試驗測試方案設計

2.1灌溉方式選擇

微噴、滴灌是成熟的節(jié)水灌溉技術(shù)，已普遍應用于農(nóng)業(yè)、園林綠化等方面[8]；微潤灌溉是近年來發(fā)展起來的一種先進的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其將半透膜技術(shù)原理引入灌溉領域，用半透膜的透水原理擬合生物半透膜的吸水過程，從而做到了灌溉系統(tǒng)的供水過程與植物的吸水過程在時間上同步，實現(xiàn)了對作物的全生命期進行連續(xù)灌溉[9]。微潤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)水效果達到前所未有的程度，大幅度提高了水分利用系數(shù)[10]。

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

2.2灌溉系統(tǒng)布設

2.2.1水源工程

受試區(qū)供水條件所限，采用儲水罐作為灌溉水源，容積15 m3，由大唐礦業(yè)綠化公司負責向儲水罐注水。儲水罐放置在試驗小區(qū)上部平臺處。

2.2.2首部及管道布設

為防止灌水器堵塞，首部布設網(wǎng)式及離心式兩級過濾系統(tǒng)。過濾器通過閘閥與儲水罐連接。

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

2.2.3動力系統(tǒng)

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

2.2.4試驗小區(qū)毛管及灌水器布置

微噴：毛管采用DN20PE管，通過旁通與配水管連接。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。

微潤灌：微潤管通過旁通與試驗小區(qū)配水管連接，小區(qū)上部微潤管間距30 cm，中下部間距50 cm，微潤管流量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試驗小區(qū)布設

結(jié)合植被建植研究內(nèi)容，在排土場邊坡上布設10個觀測小區(qū)，其中：9個布置灌溉措施，1個不布置灌溉措施作為對照區(qū)。小區(qū)規(guī)格為20 m(坡長)×5 m(寬)，小區(qū)間距0.5 m。每個小區(qū)都為獨立小區(qū)，坡頂上方(平臺邊緣)設擋水堤，防止上方徑流沖刷破壞小區(qū)。各試驗小區(qū)灌溉方式和措施配置見表2。

表2　各試驗小區(qū)措施配置和灌溉方式

3試驗觀測內(nèi)容與方法

3.1土壤水分動態(tài)觀測

土壤含水量變化情況采用兩種方法進行測定：①依靠WatchDog2800土壤水分監(jiān)測站進行自動記錄，時間設置每1 h記錄一次。本設備每臺設有6個水分監(jiān)測通道，配備6個探頭，控制2個試驗小區(qū)，每個小區(qū)3個探頭，分別布設在小區(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)。試驗區(qū)共布設3臺WatchDog2800土壤水分監(jiān)測站。②采取取土鉆法烘干進行土壤水分測試。本方法主要是針對未安裝土壤水分自動監(jiān)測站的小區(qū)進行觀測，取土位置按試驗小區(qū)分為上部、中部、下部，取土深度按0(表層)、10、20、30、40 cm進行，每層次重復3次，然后現(xiàn)場用電子秤測定濕土加盒重，再帶回實驗室在105 ℃下烘烤12 h，測定其土壤含水量。

土壤水分在雨季(6—9月)每1周觀測(定位)一次，旱季每2周觀測一次。灌水前后、降雨前后加測，生育階段轉(zhuǎn)變及試驗開始(播種或返青)和試驗結(jié)束(收割)時加測。

3.2灌溉過程觀測記錄

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

3.3有效降雨量觀測記錄

根據(jù)試驗要求，從牧草播前開始至整個生育期結(jié)束，對試驗區(qū)的降雨進行觀測記錄。降雨過程和降雨量利用2臺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，降雨強度根據(jù)降雨量及降雨歷時計算，單位是mm/min。

3.4植被觀測

每次降雨后對坡面上部、中部、下部的植被進行調(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，對樣方內(nèi)的物種數(shù)、高度、蓋度、生物量進行調(diào)查。

4試驗結(jié)果分析

4.1適應性評價

在灌溉水源、再塑地貌坡度、土壤等條件特定的情況下，通過試驗觀測對三種灌溉方式進行了分析評價，比較了其優(yōu)缺點，主要包括水源要求、動力、能量消耗、投資成本等，詳見表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行監(jiān)測，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號試驗小區(qū)0～40 cm土層平均土壤含水量最高；其次為3號和8號。在10個試驗小區(qū)中，3、7、8號小區(qū)均為地上滴灌，說明采用滴灌方式，土壤含水量較高。

10～20 cm其次(10.63%)， 0～5 cm的土

4.3效益分析評價

人工再塑地貌灌溉的目的是為了恢復坡面植被，因此選擇植被蓋度、植被高度、植被地上生物量這幾項監(jiān)測指標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，受篇幅所限，本研究僅以植被地上生物量來分析評價其效益。

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號小區(qū)(滴灌)最高，4號小區(qū)(微潤灌)最低?？傮w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)，微潤灌最差。

表5　各試驗小區(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、施工操作相對簡單、節(jié)水效果明顯。

6存在問題

(1)受水源條件、試驗小區(qū)重復個數(shù)、各小區(qū)措施配置等因素的限制，試驗結(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中，微潤灌是最優(yōu)的灌水方式。但根據(jù)試驗結(jié)果來看，微潤灌效果不佳。分析其原因主要有：①選擇的微潤管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微潤管應該有適當?shù)墓ぷ鲏毫λ^(<8 m)，根據(jù)測試，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，但由于微潤管承壓能力不足，一定程度上影響了微潤灌的效果。

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(責任編輯徐素霞)

[中圖分類號]S157.6

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)07-0057-04

[基金項目]水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301049)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技引導金項目(20140713)

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

[收稿日期]2015-05-20

[關鍵詞]再塑地貌；邊坡；植被恢復；灌水方式；內(nèi)蒙古