珊 丹, 榮 浩, 劉艷萍, 梁占岐, 張 欣, 石紅標(biāo)

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 內(nèi)蒙古, 呼和浩特 010020; 2.烏拉特前旗自然資源管理局, 內(nèi)蒙古, 巴彥淖爾市 014400)

干旱荒漠區(qū)煤炭等礦產(chǎn)資源開(kāi)采后形成的廢棄地，地貌形態(tài)、土體結(jié)構(gòu)、生物種群均遭到嚴(yán)重破壞，極易引發(fā)劇烈的水土流失，在這樣一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)極度退化的狀態(tài)下，進(jìn)行植被恢復(fù)與重建是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨的工程[1]。如何恢復(fù)礦區(qū)廢棄地植被與土壤，使修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)與水土保持功能逐漸增強(qiáng)已成為當(dāng)前礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和土地復(fù)墾研究中的重要內(nèi)容。目前，對(duì)于礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)與重建的研究主要集中在植物物種選配及其適應(yīng)性、植被恢復(fù)多樣性變化、生態(tài)恢復(fù)效果與水土保持效應(yīng)、植被恢復(fù)與土壤環(huán)境相互關(guān)系、植被恢復(fù)類(lèi)型的持水性能等諸多方面[2-5]，以上研究均是以人工植被配置模式或天然植被類(lèi)型為基礎(chǔ)，通過(guò)營(yíng)建植物種群和生態(tài)系統(tǒng)，為微生物、植被和動(dòng)物提供一個(gè)原生生態(tài)環(huán)境。

在干旱半干旱地區(qū)，受水分制約以及人類(lèi)活動(dòng)等諸多因素的影響，植被恢復(fù)不可能達(dá)到理想的覆蓋狀態(tài)[6]，特別是對(duì)于氣候條件相對(duì)惡劣的干旱荒漠區(qū)的煤礦廢棄地，立地條件困難，植物生長(zhǎng)受限，期間不可避免的會(huì)遇到強(qiáng)降雨和徑流侵蝕，生態(tài)恢復(fù)周期延長(zhǎng)[7]。植被建設(shè)過(guò)程中，鋪蓋臨時(shí)覆蓋物，如草簾子、無(wú)紡布、枯枝落葉等可以抑制土壤蒸發(fā)、有效保持土壤水分、防止徑流、減少土壤侵蝕，目前已成為較常用的水土保持措施[8-10]。利用覆蓋物防治邊坡目前已應(yīng)用到公路、鐵路、工業(yè)廠(chǎng)區(qū)等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失防治中，這些生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目采取的坡面覆蓋措施多以維持邊坡穩(wěn)定、維護(hù)主體安全為目的，并且采取覆蓋措施的坡面一般坡長(zhǎng)較短、坡度較緩，而對(duì)于礦產(chǎn)資源開(kāi)采形成的廢棄地——排矸場(chǎng)的高陡邊坡采用覆蓋措施進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的相關(guān)研究還相對(duì)較少；另一方面，目前已取得的不同覆蓋類(lèi)型對(duì)土壤水分蒸發(fā)影響等方面的研究成果多集中于大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并且大部分以室內(nèi)模擬試驗(yàn)為主[11-13]，很少涉及坡面采取覆蓋措施下的土壤水分蒸發(fā)變化研究，受坡度、坡位、坡長(zhǎng)、坡向等因素的影響，坡面的土壤水分分布、土壤蒸發(fā)以及入滲等特點(diǎn)均與平地存在不同程度的差異，以往的研究成果是否適用于坡面覆蓋條件下土壤水分蒸發(fā)變化規(guī)律還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，本文在水分匱乏的干旱荒漠區(qū)煤礦廢棄地植被恢復(fù)過(guò)程中，研究不同邊坡覆蓋模式對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響，確定不同覆蓋材料對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效果，將為干旱荒漠區(qū)礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)模式優(yōu)化與完善植被恢復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

羊場(chǎng)灣煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)境內(nèi)，開(kāi)采規(guī)模3.00×106t/a，井田南北長(zhǎng)6.4 km，東西寬12.8 km，面積51.6 km2。試驗(yàn)區(qū)位于羊場(chǎng)灣煤礦排矸場(chǎng)，排矸場(chǎng)位于礦井工業(yè)場(chǎng)地東北約3.5 km，屬于流動(dòng)和半流動(dòng)沙地低凹處，占地面積18.0 hm2。排矸場(chǎng)平臺(tái)、邊坡為煤矸石與土混排后覆土，形成覆土坡，覆土深度30～50 cm，排矸場(chǎng)邊坡平均長(zhǎng)度12 m，坡度23°。試驗(yàn)區(qū)地處毛烏素沙漠邊緣地帶，屬中溫帶干旱半干旱大陸性氣候，多年平均降水量157.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 682.2 mm，年平均氣溫9.4 ℃，土壤主要是灰鈣土和風(fēng)沙土，土壤腐殖質(zhì)積累很低。試驗(yàn)區(qū)以荒漠草原植被為主，優(yōu)勢(shì)種主要有油蒿(Artemisiaordosica)、中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、川青錦雞兒(Caraganatibetica)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)等，植被稀疏，植被蓋度25%～30%[14]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 覆蓋措施基本情況 在已進(jìn)行覆土平整后的排矸場(chǎng)邊坡種植草木樨、冰草，牧草種植后分別采用3種覆蓋材料沿排矸場(chǎng)坡面進(jìn)行整體覆蓋，同時(shí)以無(wú)覆蓋作為對(duì)照，覆蓋物厚度約1～2 cm，各覆蓋試驗(yàn)小區(qū)面積48 m2(12 m×4 m)，小區(qū)間距0.5 m。小區(qū)間隔內(nèi)沿坡面修建簡(jiǎn)易步道，便于試驗(yàn)方案的實(shí)施，同時(shí)又盡可能的避免采樣等人為活動(dòng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的擾動(dòng)。邊坡覆蓋的具體措施配置見(jiàn)表1。

表1 不同覆蓋類(lèi)型配置

1.2.2 土壤水分蒸發(fā)量測(cè)定 利用自制微型蒸滲儀進(jìn)行自然條件下的土壤蒸發(fā)試驗(yàn)。自制微型蒸滲儀為高15 cm，內(nèi)徑10 cm的不銹鋼圓柱筒，筒柱上沿配有提手，方便取出與放回；為了取出和放回微型蒸滲儀時(shí)不干擾周?chē)寥澜Y(jié)構(gòu)，以PVC為材料制成套筒，套筒內(nèi)徑稍大于微型蒸滲儀圓柱筒內(nèi)徑。操作時(shí)，使用錘子等工具將微型蒸滲儀從土壤表面垂直推進(jìn)土壤，筒頂上沿的土壤表面與地面齊平，在不破壞筒內(nèi)土壤的情況下取出裝有原狀土的微型蒸滲儀，用刀切平筒底部多余的土壤并用薄鐵皮封底，隨后將微型蒸滲儀放入套筒中，整體放入試驗(yàn)小區(qū)測(cè)定位置。每隔24 h取出微型蒸滲儀，稱(chēng)重后將其放置套筒內(nèi)，兩次稱(chēng)量的重量差即可換算為土壤蒸發(fā)(對(duì)該大小的微型蒸滲儀而言，1 g的重量變化相當(dāng)于0.13 mm的土壤蒸發(fā)量)[15-18]。每個(gè)覆蓋試驗(yàn)小區(qū)(草簾、生態(tài)毯和液態(tài)地膜)及對(duì)照小區(qū)內(nèi)，沿坡面的坡上、坡中和坡下位隨機(jī)各布設(shè)3個(gè)微型蒸滲儀，一個(gè)覆蓋試驗(yàn)小區(qū)共放置9個(gè)微型蒸滲儀，蒸發(fā)試驗(yàn)從2019年7月25日開(kāi)始到7月31日結(jié)束，共進(jìn)行7 d，每日上午9：00進(jìn)行稱(chēng)重，蒸發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行期間內(nèi)試驗(yàn)區(qū)無(wú)降水，平均氣溫26.1 ℃，平均風(fēng)速2.38 m/s。

1.2.3 土壤含水量測(cè)定 利用自制微型蒸滲儀測(cè)定土壤水分蒸發(fā)量的同時(shí)，采用烘干法測(cè)定不同覆蓋類(lèi)型配置試驗(yàn)小區(qū)及對(duì)照小區(qū)內(nèi)、微型蒸滲儀周邊(以微型蒸滲儀為中心，半徑30 cm范圍內(nèi))土壤0—15 cm土層的土壤含水量。將土壤樣品放入鋁盒并密封，對(duì)土壤樣品稱(chēng)重，105 ℃烘干8 h后，稱(chēng)重并計(jì)算土壤含水量。

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表構(gòu)建，SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋類(lèi)型土壤表層含水量的變化

持續(xù)觀(guān)測(cè)排矸場(chǎng)邊坡不同覆蓋類(lèi)型下土壤表層水分的變化結(jié)果(見(jiàn)圖1)表明，試驗(yàn)觀(guān)測(cè)期間在無(wú)自然或人工降雨的條件下，排矸場(chǎng)邊坡不同坡位、不同覆蓋處理的土壤表層含水量隨時(shí)間變化呈逐步降低的規(guī)律。各個(gè)覆蓋處理下、邊坡不同坡位的土壤含水量基本呈坡上部<坡中部<坡下部，平均值分別為104.40,108.21,121.31 g/kg，土壤含水量隨時(shí)間推移、沿坡位降低而減少的趨勢(shì)并不明顯。對(duì)比不同覆蓋處理，草簾覆蓋下的土壤含水量相對(duì)較高，平均為143.56 g/kg，生態(tài)毯和液膜覆蓋土壤含水量相近，分別為114.90,110.09 g/kg，無(wú)覆蓋的對(duì)照處理表層土壤水分含量最低(76.67 g/kg)，說(shuō)明排矸場(chǎng)邊坡在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，以草簾作為覆蓋物更有利于保持表層土壤水分，生態(tài)毯和噴灑液膜覆蓋措施對(duì)土壤水分的保持能力較為相近。

2.2 不同覆蓋類(lèi)型對(duì)土壤日蒸發(fā)量的影響

3種覆蓋與無(wú)覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量變化見(jiàn)圖2。由圖2可知，蒸發(fā)試驗(yàn)期間，覆蓋處理和無(wú)覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量變化規(guī)律基本一致，只是變化幅度上有所差異，蒸發(fā)試驗(yàn)初期土壤的日蒸發(fā)量較大，隨著時(shí)間推移，各個(gè)覆蓋類(lèi)型的土壤日蒸發(fā)量逐漸降低。從排矸場(chǎng)邊坡不同坡位來(lái)看，邊坡下部的土壤日蒸發(fā)量最低，平均值比坡上、坡中的土壤日蒸發(fā)量減少15.3 %，9.3 %。在排矸場(chǎng)邊坡上部，整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中草簾、生態(tài)毯覆蓋下的土壤日蒸發(fā)量較低，平均值分別為0.79，0.82 mm，隨時(shí)間推移土壤蒸發(fā)減少的趨勢(shì)逐漸趨緩；液膜噴灑覆蓋的日平均蒸發(fā)量為0.92 mm，要高于草簾、生態(tài)毯兩種覆蓋措施，無(wú)覆蓋的對(duì)照處理土壤日蒸發(fā)量最大，平均為1.07 mm，無(wú)覆蓋與草簾、生態(tài)毯兩種覆蓋措施之間的土壤日蒸發(fā)量變化差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)；液膜覆蓋和無(wú)覆蓋處理的4 d與5 d的日蒸發(fā)量之間差異較大，有明顯的下降，隨后變化趨于穩(wěn)定。排矸場(chǎng)邊坡中部，各種覆蓋處理土壤日蒸發(fā)均表現(xiàn)為逐步減少的規(guī)律，日蒸發(fā)量由大到小依次為無(wú)覆蓋>液膜>生態(tài)毯>草簾，邊坡中部的各覆蓋處理的平均土壤日蒸發(fā)量雖然有差異，但未達(dá)到差異顯著性。排矸場(chǎng)邊坡下部各種覆蓋措施的土壤日蒸發(fā)量由大到小排序?yàn)闊o(wú)覆蓋>生態(tài)毯>液膜>草簾，草簾覆蓋措施下的1 d到7 d期間日蒸發(fā)變化不明顯，7 d平均土壤日蒸發(fā)量為0.48 mm，顯著低于無(wú)覆蓋處理(0.96 mm)(p<0.05)。

圖1 不同覆蓋類(lèi)型土壤含水量的變化

圖2 不同覆蓋類(lèi)型土壤日蒸發(fā)量的變化

2.3 不同覆蓋類(lèi)型對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

圖3顯示了不同覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，在排矸場(chǎng)邊坡的不同坡位，3種覆蓋與無(wú)覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)出逐步上升的規(guī)律，與采取覆蓋相比，無(wú)覆蓋處理的土壤累積蒸發(fā)量增加趨勢(shì)較明顯，說(shuō)明干旱荒漠區(qū)排矸場(chǎng)邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中，對(duì)土壤表層采取的覆蓋措施對(duì)抑制土壤蒸發(fā)有一定的作用。在排矸場(chǎng)邊坡上部，草簾覆蓋與生態(tài)毯覆蓋兩種措施下的土壤累積蒸發(fā)量均較低，累積蒸發(fā)量分別為17.42 mm，18.24 mm，噴灑液膜覆蓋后的土壤累積蒸發(fā)量為20.98 mm，無(wú)覆蓋措施下的土壤累積蒸發(fā)量最大，累積達(dá)到25.27 mm；對(duì)比邊坡中部不同覆蓋措施下土壤累積蒸發(fā)量的變化發(fā)現(xiàn)，草簾覆蓋下的土壤累積蒸發(fā)量最低(15.88 mm)，液膜覆蓋與生態(tài)毯覆蓋的土壤累積蒸發(fā)量相近，分別為18.42 mm，18.93 mm，無(wú)覆蓋措施下的土壤累積蒸發(fā)量依然最大(24.17 mm)；在邊坡下部，各個(gè)覆蓋措施的土壤累積蒸發(fā)量由大到小依次為無(wú)覆蓋(22.01 mm)>生態(tài)毯(19.51 mm)>液膜(15.54 mm)>草簾(10.69 mm)。排矸場(chǎng)邊坡采取草簾覆蓋、液膜覆蓋、生態(tài)毯覆蓋措施下的土壤累積蒸發(fā)量分別比無(wú)覆蓋措施減少了38.4%，24.2%和20.6%。

不同覆蓋措施1 d到7 d土壤累積蒸發(fā)量與時(shí)間關(guān)系的擬合方程見(jiàn)表2。從表2可以看出，排矸場(chǎng)邊坡進(jìn)行覆蓋處理的土壤累積蒸發(fā)過(guò)程符合線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，可以通過(guò)方程y=ax+b表示，式中，x，y為蒸發(fā)天數(shù)(d)和土壤累積蒸發(fā)量(mm)，a，b為參數(shù)，R2值在0.988 4～0.995 7之間，線(xiàn)性關(guān)系反映出覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程的影響，方程中a值、b值越大則土壤累積蒸發(fā)量越大。從表2中可以看出，采取草簾覆蓋是抑制排矸場(chǎng)邊坡土壤水分蒸發(fā)最為適合的覆蓋措施。

圖3 不同覆蓋類(lèi)型土壤水分累積蒸發(fā)量的變化特征

表2 不同覆蓋類(lèi)型土壤累積蒸發(fā)量與時(shí)間的擬合方程

3 討 論

控制土壤有效蒸發(fā)對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用水資源、調(diào)控水分狀況有重要作用，特別是對(duì)于干旱荒漠區(qū)煤礦排矸場(chǎng)這種大型的人工堆積體，土壤結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，有效水分含量偏低，土壤表面水分的蒸發(fā)是排矸場(chǎng)植被恢復(fù)重建的重要水分損失，在造成水資源浪費(fèi)的同時(shí)，還會(huì)引起土壤鹽漬化等問(wèn)題。地表覆蓋是減少土壤水分蒸發(fā)、提高水分利用效率較為有效的方法，長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用秸稈、砂石和地膜等材料作為覆蓋物對(duì)地表形成保護(hù)層，以減少或降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，提高作物對(duì)水分的有效利用[19]。排矸場(chǎng)邊坡不同于一般意義上的坡耕地和原始地貌，其坡面的可蝕性是自然坡面的10～100倍[20]，侵蝕速率是撂荒地的43.60～180.13倍[21]，并且坡位、坡長(zhǎng)和坡向的不同會(huì)引起坡面局部地形、土壤性狀的空間變異[22]，因此排矸場(chǎng)邊坡的植物恢復(fù)更為困難。本研究在干旱荒漠區(qū)排矸場(chǎng)邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中，采用了草簾、生態(tài)毯和液膜3種覆蓋材料對(duì)坡面進(jìn)行臨時(shí)整體覆蓋，研究結(jié)果表明采用覆蓋措施后，土壤日蒸發(fā)量、土壤累積蒸發(fā)量均小于無(wú)覆蓋措施，說(shuō)明邊坡采取覆蓋措施能有效阻礙大氣和土壤之間的水分交換，將土壤水分保存在土壤中，降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，另一方面，坡面覆蓋物與土壤之間可以形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的土壤水分循環(huán)，覆蓋物阻擋土壤水分的蒸發(fā)，土壤水分遇到覆蓋物阻礙后會(huì)部分返回到土壤中，加強(qiáng)了土壤水分的橫向運(yùn)移，進(jìn)而降低土壤水分損失。對(duì)比3種覆蓋材料，草簾覆蓋處理對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)量影響較大，其原因可能是以草簾作為覆蓋物，其材質(zhì)的緊實(shí)度高于生態(tài)毯和地膜，遮擋作用也相對(duì)較強(qiáng)，水汽從土壤表層穿過(guò)覆蓋物孔隙散發(fā)到空氣中的能力減弱，進(jìn)而使蒸發(fā)速率減慢。冀宏等[23]的研究也表明，覆蓋物對(duì)水分有很大的吸附作用，而且覆蓋物越厚，吸附能力越強(qiáng)，土壤水分蒸發(fā)越小。排矸場(chǎng)邊坡不同覆蓋處理下第1—7 d的土壤累積蒸發(fā)量與時(shí)間之間符合線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，趙文舉等[13]對(duì)不同覆蓋模式1—7 d土壤水分累積蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系利用線(xiàn)性方程(W=a+bt，R2=0.986 0～0.997 4)、指數(shù)方程(W=atb，R2=0.930 4～0.997 1)和對(duì)數(shù)方程(W=a+blnt，R2=0.848 4～0.917 1)進(jìn)行擬合，研究結(jié)果也表明W=a+bt的擬合效果最好。根據(jù)趙文舉等研究，在1—14 d不同覆蓋處理下的土壤水分累積蒸發(fā)量與時(shí)間關(guān)系更符合W=atb，即隨著時(shí)間推移，不同覆蓋處理的土壤水分蒸發(fā)速率與無(wú)覆蓋之間的差距會(huì)逐漸縮小。本研究由于受野外自然條件限制，蒸發(fā)試驗(yàn)共進(jìn)行7 d，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同覆蓋措施下土壤累積蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系是否還是線(xiàn)性方程(y=ax+b)擬合效果最好的，還需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

對(duì)土壤表層水分分析結(jié)果表明，排矸場(chǎng)土壤含水量由坡上部向坡下部有增加的趨勢(shì)，主要原因，一是邊坡上部受太陽(yáng)輻射更多，溫度相對(duì)較高，蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土壤水分較低，其次，在重力作用下土壤水分隨坡位的高低變化有由坡上向坡下匯集的作用，并且坡下植被比坡上、坡中部生長(zhǎng)狀況較好，在一定程度上對(duì)土壤水分涵養(yǎng)起到一定作用，造成坡下表層土壤含水量較高。答竹君等[24]在研究道路邊坡土壤水分空間和季節(jié)變異性分析中也發(fā)現(xiàn)，除了秋季(10月份)，其他季節(jié)道路邊坡的坡下土壤含水量均顯著高于坡上和坡中，說(shuō)明土壤水分在坡面不同位置上的變化有一定的規(guī)律性，坡面降水的再分配使其從坡上部到坡下部的土壤水分差異越來(lái)越大[25]。根據(jù)土壤表層水分在坡面不同坡位的分布規(guī)律，干旱荒漠區(qū)排矸場(chǎng)采用坡面覆蓋措施抑制土壤水分蒸發(fā)時(shí)，從經(jīng)濟(jì)成本上考慮，可采取非坡面整體覆蓋方式，在既能有效減少土壤蒸發(fā)量、保蓄土壤水分的同時(shí)，又能降低投資成本，但采取何種形式的非整體坡面覆蓋還需進(jìn)一步的深入研究探討。

4 結(jié) 論

(1) 3種覆蓋類(lèi)型下的土壤日蒸發(fā)量和土壤水分累積蒸發(fā)量均低于無(wú)覆蓋處理，其中草簾覆蓋下的平均土壤日蒸發(fā)量顯著低于無(wú)覆蓋處理(p<0.05)，說(shuō)明排矸場(chǎng)坡面采取覆蓋措施對(duì)抑制土壤水分蒸發(fā)有一定作用。

(2) 自然條件下，在1—7 d坡面覆蓋處理的土壤累積蒸發(fā)過(guò)程符合線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，可以通過(guò)方程y=ax+b表示，對(duì)比3種覆蓋材料，草簾覆蓋下的土壤累積蒸發(fā)量最低，草簾是減少邊坡土壤水分蒸發(fā)最為適合的覆蓋措施。

(3) 干旱荒漠區(qū)煤礦排矸場(chǎng)邊坡不同坡位的表層土壤水分含量有一定的變化規(guī)律，各個(gè)覆蓋處理下的表層土壤含水量基本呈隨著坡位降低而增加的趨勢(shì)，對(duì)比3種覆蓋類(lèi)型，草簾覆蓋下的土壤含水量較高，說(shuō)明草簾覆蓋更有利于保持表層土壤水分。