一種干旱區保水輔助建植裝置的應用研究

魏 源

(中鐵二十一局集團有限公司,甘肅蘭州 730000)

隨著我國經濟的飛速發展和西部大開發戰略的實施,公路、鐵路等基礎設施建設在西部得到大力發展。但同時也造成了一定的生態環境問題,尤其是在西部干旱、半干旱地區更為嚴重。另外鐵路、公路等建設工程規模大,且線路較長,如不及時進行生態修復,會形成大量裸露地表,不利于進行養護,造成植被破壞、水土流失嚴重等生態環境問題,嚴重的可能引發泥石流和滑坡等地質災害,對線路的建設和安全運營產生一定的影響。

西部干旱區由于太陽輻射強、氣候干燥、降水少、蒸發量大等原因,植被在自然條件下自我恢復的可能性較低,且所需的恢復周期較長。該區土壤保墑保肥性能差,而現有的生態修復技術無法滿足該區植被正常生長所需的水分和養分,常造成植被存活率低,生長不良,且所需的養護成本較高,不利于大面積的生態修復工程[1-2]。因此,提出了一種旱區保水輔助建植裝置,該裝置可為植物提供生長所需的營養物質,并能儲備一定的營養物質和水分,具有節水保墑的作用,可滿足干旱、半干旱地區裸露地表和工程建設后造成的裸露地表生態環境恢復的要求。

1 材料與方法

1.1 研究區概況研究區選在新疆維吾爾自治區若羌縣境內,該區屬于典型的大陸溫帶干旱、半干旱氣候區。該區降水較少,蒸發量大,年降水量僅為28.5 mm,最大為118.0 mm,年蒸發量2 920.2 mm,最大為3 368.1 mm。年平均溫度為11.8 ℃,月平均溫度為-9.4～27.4 ℃。該區日照充足,晝夜溫差大,年日照時數為3 103.2 h,年最大日照時數為3 338.8 h。境內天然植被類型主要為荒漠植被,防護林主要分布有榆樹(Ulmuspumila)、楊樹(PopulusL.)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、柳樹(Salixbabylonica)等。

1.2 試驗材料

1.2.1保水輔助建植裝置。如圖1所示,保水輔助建植裝置(WAD)包括保育桶、隔離架和營養基質等。該裝置中保育桶采用雙層結構,保育桶主要是由紙漿和植物纖維(落葉、樹皮、鋸末等)混合壓制而成,具有保溫和導熱性差的功能,可保證無土栽培基質的溫度穩定,防止水分過快蒸發;保育桶內層和外層采用錫箔紙制成,具有防滲水和隔熱功能。保育桶內共有3層隔離架,隔離架上附著有超吸水纖維材料,具有吸水和保水的功能,隔離架之間填充有營養基質,保障植被生長所需的養分需求。該裝置尺寸可根據植被和現場條件進行調整,此次研究選用的尺寸為總高30 cm、外徑20 cm、內徑18 cm、隔離架間距10 cm。

圖1 保水輔助建植裝置Fig.1 Water conservation auxiliary planting device

1.2.2保水劑。保水劑(SAP)選用的是市場常見的農林抗旱保水劑,具有安全環保和保水保肥等特性,試驗選用的保水劑是由任丘市輝達化工有限公司生產。

1.2.3建植材料。建植材料選用1年生的紅柳(Tamarixramosissima)苗木。

1.3 研究方法

1.3.1保水性能測試。保水性能測試主要是在室內試驗條件下完成,將等量的水(300 mL)分別加入不同保水材料和空白對照中,然后每隔一段時間進行稱重測量,計算出每段時間內水分的損失量。

保水率計算公式為:

Rn=(M-Mn)/W×100%

(1)

式中:Rn為第n天保水率(%);M為初期保水材料和水的總質量;Mn為第n天保水材料和水的總質量;W為初期加入水的總質量。

1.3.2現場試驗。現場試驗選在若羌境內格庫鐵路沿線,并選取3段作為試驗區。其中,A段建植區利用保水輔助建植裝置進行建植;B段建植區利用保水劑材料進行輔助建植;C段為空白對照區,不采用保水材料進行輔助建植。然后分別對各試驗段的土壤養分狀況、植被生長狀況、水土流失狀況進行調查研究。

1.3.3土壤侵蝕模數。采用樁釘法進行土壤侵蝕模數的測定,方法詳見文獻[3]。

1.3.4數據處理。利用Excel軟件和SPSS軟件進行數據分析和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同保水措施的保水能力對不同保水措施下的保水率進行測定,結果如圖2所示。從圖2可以看出,不同保水措施下的保水率隨著時間的推移,整體上均呈現出逐漸下降的變化趨勢。沒有添加保水措施的空白對照組(CK),保水率下降趨勢明顯,在第10天時保水率已降至0,而添加保水劑(SAP)和增設保水輔助建植裝置(WAD)的試驗組,其保水率相較于CK組均得到了顯著提升,其中WAD的保水率在同一時間段均為最高,表明WAD措施可有效提升保水率,有效延緩水分的蒸發和流失,保證植物的穩定生長。

圖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)與時間(x)呈負指數關系,且決定系數(R2)均在0.8以上,其相關性顯著,表明WAD和SAP措施下的保水率下降幅度隨著時間的推移逐漸降低,且在后期基本趨于穩定。其原因主要是由于WAD措施下的水分在3層隔離架之間均有分布,在前期,位于保育桶中、上方的隔離架區域,水分蒸發較快,待其蒸發穩定后,位于下方隔離架區域的水分基本保持在穩定狀態,其水分蒸散量較小,因此WAD措施下的保水率在前期下降較快,后期下降緩慢并趨于穩定狀態。而保水劑(SAP)在前期由于吸持的水分較多,其保水性能會隨之下降,因此,在前期,保水劑的保水率下降較為明顯,而在后期隨著保水劑水分吸持量的減少,其保水性能也隨之提高[4]。因此,在后期保水劑的保水率下降緩慢,也基本趨于穩定狀態,但由于保水劑的保水性能提高,其可供植物吸收的水分也隨之減少,不利于植被的生長[5-6]。

表1 不同保水措施下的保水率與時間之間的關系

2.2 不同保水措施下的植被存活率將1年生紅柳苗木分別移栽至試驗段A區、B區和C區,觀測在不同保水措施下的植被存活率,結果如圖3所示。由圖3可見,WAD措施下的植被存活率均明顯高于其他2種措施,其次是SAP措施,CK區植被存活率最低。隨著時間的推移,存活率均隨著時間的推移呈下降趨勢。但WAD措施下,150 d 后的植被存活率基本趨于穩定,維持在70%左右,其存活率水平較高。移植30 d后,WAD措施下的植被存活率高達95%,相比SAP措施和CK措施分別高出11百分點和35百分點。越冬后WAD措施下的植被存活率基本趨于穩定,從圖3可以看出,WAD措施下的植被成活率最高為69%,而SAP為35%,CK僅為15%。表明人工保水措施可有效提升植被的存活率,其中WAD措施效果顯著。其原因可能是由于WAD措施的保水性能穩定,受外界因素干擾較小,因此植被存活率較高。而SAP措施下植被在第1個生長季的存活率能夠達到52%,而第2年的存活率僅為35%,主要可能是由于保水劑受外界溫濕度和土壤酸堿度等因素的影響[7],其保水性能也隨之下降,且保水劑在反復吸水后,其保水性能也隨之下降[8],因此,SAP措施下的植被存活率也相對較低。

圖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 不同保水措施對植被生長狀況的影響對不同保水措施下的紅柳植株新增高度進行觀測,結果如圖4所示。從圖4可以看出,同一措施下,植株新增高度隨著時間的推移呈逐漸升高的變化趨勢;同一時間段,不同保水措施下紅柳植株新增高度表現為WAD>SAP>CK。以WAD措施為例,30 d時,植株新增高度相對較小,平均增長高度為6 cm,其生長速度為6 cm/月;其次是90 d,相較于30 d,植株平均新增高度為17 cm,其生長速度為8.5 cm/月;150 d植株新增高度最多,相較于90 d,植株平均增長高度為22 cm,其生長速度為11 cm/月。分析其原因,可能是由于紅柳苗木為移植苗木,在30 d內處于環境適應階段,因此其生長高度相對較低,生長速度也相對較慢;而在90 d后的植株新增高度相對于150 d 后的植株新增高度低,其原因可能是由于60、90 d時為夏季,氣溫較高,植被具有自我保護和調節機制[9],為減少水分的蒸發,會關閉氣孔,因此生長高度相對較低。從整體來看,WAD措施下的植株新增高度較高,生長速度較快,可有效滿足植被的生長需求。

圖4 不同保水措施下紅柳植株新增高度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夠在一定程度上反映出土壤結構的團聚性、儲水能力和孔隙狀態[10]。土壤容重適宜時,土壤的團聚性較好,不宜松散,且土壤儲水能力也較強,有較好的水源涵養功能;而土壤容重較松時,其團聚性較差,易被沖散,加劇水土流失;而當土壤容重較緊時,其孔隙狀態較差,容易形成地表徑流,同樣加劇水土流失。根據圖5和土壤容重分級情況[11],WAD措施下的土壤為偏緊狀態,但相較于適宜狀態下的1.25 g/cm3,僅高出0.02 g/cm3,表明該區的土壤團聚性和孔隙狀態相對較好,有效地提高了該區土壤的水源涵養功能。SAP和CK措施下的土壤容重均處于緊實狀態,其土壤的水源涵養功能相對較弱[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對較低,其原因可能是由于該區的植被存活率較高,地下根系分布較多所致。

圖5 不同保水措施下土壤容重和土壤侵蝕模數Fig.5 Soil bulk density and soil erosion modulus under different water retention measures

從土壤侵蝕模數來看,WAD措施下的土壤侵蝕模數最低,為2 925 t/(km2·a),相比于SAP和CK措施,分別減少了653和1 244 t/(km2·a)。WAD措施下的土壤侵蝕模數相對較低,其原因是多方面的:一是該區土壤容重相對較低,土壤的水源功能相對較高,有效減少了水土流失;二是該區植被存活率和覆蓋度相對較高,而較高的植被覆蓋度,可有效減少降水對地表的直接沖擊,減少濺蝕,而且植被的存在可有效降低降水的速度和地表徑流的速度,減少水土流失量;三是植被莖葉也可以吸持一部分降水,減少流入地表的降水,減少水土流失量。

3 結論

不同保水措施的保水率與時間呈顯著負相關,WAD措施下的保水率最高,其次是SAP措施,CK最小,30 d后的保水率分別為35%、14%和0;WAD措施可有效提高紅柳苗木的移植存活率,越冬后該區的苗木存活率為69%,能夠有效保障苗木生存的穩定性,而SAP和CK區的苗木分別僅為35%和15%,存活率相對較低,無法滿足該區生態工程建設需求;在移植后的150 d期間內,植被生長高度隨著時間的推移,其生長速度也隨之提升,其中WAD措施下的植被生長速度和生長高度均明顯高于SAP和CK區;WAD措施下土壤容重和土壤侵蝕模數均相對較低,分別為1.27 g/cm3和2 925 t/(km2·a),WAD措施可有效提升土壤的水源涵養功能,減少水土流失。

綜上所述,WAD措施可有效提升保水能力,提高植被存活率、植被生長高度,改善水土流失狀況,建議在該區進行生態修復時,可選用WAD措施進行植被建植。