劉艷萍,梁占岐，何京麗，榮 浩，珊 丹

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

草原是我國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，占國土總面積的41.7%，是我國北方最重要的天然生態(tài)屏障，對發(fā)展畜牧業(yè)、保護(hù)生物多樣性、保持水土資源和維護(hù)生態(tài)平衡具有重要的戰(zhàn)略地位[1-2]。干旱半干旱草原區(qū)降水稀少，水資源貧乏，生態(tài)恢復(fù)過程中水是保障植物存活的關(guān)鍵因素，加之大批開發(fā)建設(shè)項目對區(qū)域有限地表水、地下水資源破壞嚴(yán)重，煤炭基地水資源保護(hù)與綜合利用成為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵問題[3-5]。因此，在滿足礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的情況下，通過利用污廢水處理、節(jié)水灌溉等技術(shù)措施開源節(jié)流，制定經(jīng)濟(jì)可行的節(jié)水灌溉方案，可為研究區(qū)最大限度地提供可用水資源量。目前，節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中已廣泛應(yīng)用，即使在生態(tài)恢復(fù)中節(jié)水灌水技術(shù)也有較多的研究成果，但主要集中在平地，針對礦區(qū)排土場邊坡坡度大、土層薄這種特殊下墊面的灌水技術(shù)研究成果還相對欠缺，難以指導(dǎo)礦區(qū)植被恢復(fù)灌溉需要[6-8]。而且，由于受水資源短缺、投資成本及人工再塑地貌自身特點的影響，不容許采用常規(guī)的灌溉方式進(jìn)行灌溉控制[9]，以防止形成新的水土流失，因此，急需根據(jù)區(qū)域水資源條件、再塑地貌自身特點對其適宜的灌溉方式、灌溉水量、灌水時間等灌水調(diào)控技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以保障煤炭基地的生態(tài)恢復(fù)，也對保障我國能源開發(fā)戰(zhàn)略的實施具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在錫林河流域，錫林河是內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟草原區(qū)重要的內(nèi)陸河，該流域的地形地貌具有明顯的地帶性，地勢由東南向西北逐漸降低，東南部的嘎松山最高海拔1 621 m，西北部的錫林河下游最低處海拔902 m，全流域相對高差超過600 m。主要由低山丘陵，緩坡丘陵和河谷平原3大地貌組成，丘陵河谷間夾帶著固定沙地。地理坐標(biāo)為E 116°06′41″～116°14′11″、N 44°02′07″～44°07′05″。試驗區(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，占全年降水量的70%，灌溉期間各月降水量分布見表1，多年平均蒸發(fā)量1830.8 mm，為降水量的6倍；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，瞬時最大風(fēng)速36.60 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 8.0，土壤養(yǎng)分狀況是缺磷、富鉀、氮中等[10-12]。

試驗區(qū)位于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，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[13]，試驗區(qū)土壤容重為1.45 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細(xì)沙為主。礦區(qū)原地表植被屬典型草原植被，以克氏針茅(Stipakrylovii)和羊草(Leymuschinensis)為主要建群種，植被蓋度35%～50%，天然草地草高20～40 cm，年產(chǎn)干草量平均為525 kg/hm2。土壤侵蝕類型屬風(fēng)水復(fù)合侵蝕，以風(fēng)力侵蝕為主，間有季節(jié)性水力侵蝕[14]。

表1 灌溉期間各月降水量

1.2 研究方法與試驗設(shè)計

1.2.1 試驗小區(qū)布設(shè) 試驗小區(qū)布設(shè)在已沉降3年并進(jìn)行了覆土的大唐野外排土場邊坡，每個試驗小區(qū)坡面面積100 m2，即傾斜坡長20 m，寬5 m，小區(qū)間設(shè)置磚砌步道，寬0.5 m，便于試驗觀察取樣，每個試驗小區(qū)兩側(cè)及上邊用彩鋼板加鋼骨架圍起，共布設(shè)10個試驗小區(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)。每個小區(qū)都為獨立小區(qū)，坡頂上方(平臺邊緣)設(shè)擋水埂，防止上方徑流沖刷破壞小區(qū)。各試驗小區(qū)灌溉形式和措施配置見表2。

表2 各試驗小區(qū)灌溉措施

1.2.2 試驗方案設(shè)計 選擇較為適宜當(dāng)?shù)厣L的人工牧草苜蓿、沙打旺和披堿草，作為邊坡植被恢復(fù)的草種。灌溉方式選擇微噴、滴灌、微潤灌3種形式。試驗結(jié)果表明，無論是從坡面土壤水分變化情況，還是植被地上生物量表現(xiàn)分析，在干旱半干旱草原區(qū)大型露天煤礦人工再塑地貌邊坡植被恢復(fù)的3種灌水方式中，采用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。適宜灌水方式的選擇已另有報道[14]，筆者主要對植被需水特性及滴灌條件下3種牧草的灌溉制度進(jìn)行分析研究。不同植被的需水特性采用田測法測定并計算需水量。參照《灌溉試驗規(guī)范》(SL13-90)確定旱作物灌溉制度試驗方案，即按不同土壤含水率下限標(biāo)準(zhǔn)，選定不同的灌溉制度。同時，結(jié)合坡面配置情況，選擇3種牧草(苜蓿、沙打旺、披堿草)和不同灌溉制度(即控制表層土壤濕度下限占田間持水率的55%，45%和35%為灌水極限)為因素，進(jìn)行最優(yōu)灌溉制度試驗。具體試驗步驟：首先計算出一次的灌水定額；其次，在嚴(yán)格控制不產(chǎn)生地表徑流的條件下，將計算出的灌水量(由水表控制)在一定歷時內(nèi)灌完。同時記錄灌溉過程中的灌水方法、灌水總歷時；再次，根據(jù)田測法要求進(jìn)行土壤水分測定(表3)。

1.2.3 試驗測定指標(biāo)及方法 試驗過程中對土壤水分變化、有效降水量、灌溉參數(shù)、田間持水率及土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行觀測記錄。

表3 灌溉制度因素及水平設(shè)計

(1)土壤水分變化 土壤含水量變化采用兩種方法進(jìn)行測定。一是依靠WatchDog 2800土壤水分監(jiān)測站進(jìn)行自動記錄，每1 h記錄1次。二是采取土鉆取土烘干稱重進(jìn)行土壤水分測試。取土位置按試驗小區(qū)分為上部、中部、下部，取土深度按10、20、30、40 cm進(jìn)行，每層次重復(fù)3次。土壤水分在雨季(6～9月)每周觀測1次，旱季每2周觀測1次。灌水前后、降水前后加測，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[15-16]。

(2)灌溉過程 各試驗小區(qū)在保證坡面不產(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)有效降水量 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)的降水進(jìn)行觀測記錄。降水過程和降水量利用2臺反斗式自記雨量筒記錄逐次降水的起始時間，每分鐘記錄一次降水量，降水量精確至0.1 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同邊坡植被的需水特性

植被(牧草)需水量受許多因素的影響，由于氣候、土壤、種植措施以及水文地質(zhì)條件的差異，使需水量在不同年份有所變化，然而表現(xiàn)在各生育期的需水量、棵間蒸發(fā)與葉面蒸騰、耗水模數(shù)均有一定的規(guī)律，反映了牧草生育期生理需水和生態(tài)需水特征[17-18]。通過采用土壤水量平衡法計算3種優(yōu)選草種的需水規(guī)律與需水量，為其灌溉制度制定和灌溉管理決策提供科學(xué)依據(jù)。由于項目區(qū)屬中溫帶干旱半干旱氣候區(qū)，降水稀少，無霜期較短，加之排土場邊坡以恢復(fù)植被為主要目標(biāo)條件，而非高產(chǎn)，因此，在試驗過程中一個完整的生長期(中間不刈割)作為一個研究周期。

表4 不同植被生育期耗水情況表

試驗結(jié)果表明，由于排土場邊坡覆土土層在30 cm[19]，在降雨和灌溉條件下，土壤水分變化速率、變化幅度體現(xiàn)為坡上>坡中>坡下。同時，由于受溫度、土壤水分和自身的生理特性等影響，牧草的需水強(qiáng)度隨發(fā)育進(jìn)程變化很大，披堿草最小為1.6 mm/d，最大為4.7 mm/d。3種牧草的需水強(qiáng)度隨氣溫的變化較為明顯，氣溫的變化過程是低-高-低，其需水強(qiáng)度的變化過程亦是低-高-低。3種牧草苗期需水強(qiáng)度較小，拔節(jié)(現(xiàn)蕾)-抽穗期需水強(qiáng)度最大，其需水強(qiáng)度在4.5～4.7 mm/d，因為該階段營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)，根、莖、葉生長迅速，光合作用強(qiáng)烈，且此時氣溫升高、日照時間延長。這個階段是牧草一生生長最旺的時期，需水強(qiáng)度也達(dá)到峰值，對水分的反映特別敏感，是牧草需水關(guān)鍵期，此后需水強(qiáng)度又逐漸減小，一直到成熟期(圖1)。

2.2 3種牧草的節(jié)水型灌溉制度

(1)灌溉保證率 根據(jù)項目區(qū)氣候特征、水土資源狀況及《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)的要求，滴灌灌溉保證率取90%，按年降水量資料組成的系列，進(jìn)行頻率計算，推求出符合保證率的降水量，并按照與降水量相近而其降水分布又對灌溉不利的原則選擇典型年[20]。項目區(qū)屬于半干旱地區(qū)，P=90%典型年內(nèi)各月降水量見表5。

圖1 3種牧草生育期平均日耗水強(qiáng)度Fig.1 The change of average daily water consumption of 3 forages in growth period

時間/月010203040506070809101112全年降水量/mm3.18.35.313.22544.74845417.31.51.6244

(2)最大凈灌水定額 根據(jù)GB/T50485，滴灌最大凈灌水定額mmax根據(jù)下式計算：

mmax=0.001γzP(θmax-θmin)

(1)

式中：mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重，g/cm3；試驗區(qū)實測γ=1.45 g/cm3；z為計劃濕潤土層深度，m，根據(jù)坡面覆土厚度，取30 cm；P為設(shè)計土壤濕潤比%，種植牧草且毛管單行直線布置時，取P=60%；θmax、θmin為適宜土壤含水率上下限，上限取田間持水量(經(jīng)實測為20%)的90%，以沙打旺為例，下限取田間持水量的45%，則θmax=18.0%，θmin=9.0%；則mmax=23.5 mm。

凈灌水深度m凈應(yīng)小于等于最大凈灌水深mmax，因為勤澆淺灌有利于坡面植被(牧草)生長，因此，凈灌水深度m凈=23 mm。則毛灌水深度m毛=m凈/η=24.0 mm(η-灌溉水利用系數(shù)，取0.95)。

(3)灌水周期 灌水周期公式計算：

(2)

式中：Ia為牧草日需水量(mm/d)。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，坡面植被灌水周期Tmax=5 d。

(4)一次灌水延續(xù)時間(t) 一次灌水延續(xù)時間公式計算[21]：

t=m毛SeSL/qa

(3)

式中：Se為滴頭間距，Se=0.30 m；SL-毛管控制寬度，SL=0.5 m；qa-滴頭流量，qa=1.0 l/h。則t=3.6 h。

(5)灌溉措施 牧草生育期的灌溉措施，可以對計劃濕潤層建立水量平衡方程：

Wt-W0=WT+P0+K+M-E

(4)

式中：Wt-W0為時段初和任一時間T時的土壤計劃濕潤層內(nèi)儲水量；

WT為由于計劃濕潤層增加而增加的水量；K為時段t內(nèi)地下水補(bǔ)給量，該項目區(qū)地下水補(bǔ)給忽略不計；M為時段t內(nèi)的灌溉水量；E為時段T內(nèi)作物需水量，E=et，e為需水強(qiáng)度(表5)；

P0—生育期有效降雨量，可按公式P0=αP計算，α為降雨系數(shù)。

根據(jù)前述計算，確定干旱年(90%)3種牧草滴灌節(jié)水灌溉制度見表6，7和8。

邊坡植被每次的灌溉水量應(yīng)參照制定的灌溉制度。在炎熱夏天，如果灌溉水量過少，土壤濕潤對雜草有利而對邊坡植被不利。如覆土層厚于15 cm，則至少要濕潤深度15 cm以上。研究表明，隨著坡度的逐漸增大，土壤或基質(zhì)的厚度與保水能力逐漸下降，所以在灌水時應(yīng)從坡度高處開始逐漸移向坡度低處，增加高處的澆水時間，可以盡可能提高高坡處土壤的含水量。在條件容許時，應(yīng)采用間隙灌，將一次灌水量按坡上：坡中，坡下5∶3∶2比例分時段灌溉。

表6 苜蓿坡面滴灌溉制度

表7 沙打旺坡面滴灌溉制度表

表8 披堿草坡面滴灌溉制度表

3 討論

坡面灌溉中，灌溉作業(yè)及日常管護(hù)難度大，由于坡度陡、土層薄、保水差等原因，坡地上植物容易受旱，傳統(tǒng)地面灌溉方法難以實施，大坡度坡面采用噴灌灌溉，其主要缺點是受風(fēng)影響大，且噴灑出的水沿坡面流出，而滴灌是一種精密的灌溉方法，可真正做到只灌植物而不是灌土地，且省水節(jié)能，還需要進(jìn)一步研究與開發(fā)更合適的節(jié)水灌溉技術(shù)或設(shè)備。

根據(jù)邊坡植被和天氣狀況，應(yīng)選擇一天中最適宜的時間澆水。早晚澆水，蒸發(fā)量最小，而中午澆水，蒸發(fā)量大，還容易引起植被葉片灼傷。黃昏或晚上澆水，邊坡植被整夜都會處于潮濕狀態(tài)，葉和莖濕潤時間過長，病菌容易侵染，引起病害，并以較快的速度蔓延。最佳的澆水時間應(yīng)在早晨，除了可以滿足邊坡植被一天需要的水分外，到晚上葉片已干，可防止病菌滋生。

4 結(jié)論

牧草的需水強(qiáng)度隨生長發(fā)育變化大，無論是豆科牧草還是禾本科牧草，出苗(返青)后，需水量逐漸增加，在拔節(jié)-抽穗期或抽穗-開花期，需水強(qiáng)度達(dá)到最高，此后開始逐漸變小，而二者的需水系數(shù)最大值均出現(xiàn)在需水敏感期，因此，保證該階段灌水，對確保牧草獲得較好的生長環(huán)境非常重要，是牧草生長的關(guān)鍵需水期。試驗結(jié)果表明，坡面植被恢復(fù)中的3種牧草在非充分灌溉條件下的滴灌措施分別為苜蓿灌水次數(shù)8次，灌溉定額192 mm(1 920 m3/hm2)；沙打旺灌水次數(shù)7次，灌溉定額168 mm(1 680 m3/hm2)；披堿草灌水次數(shù)9次，灌溉定額216 mm(2 160 m3/hm2)。