基于不同覆蓋物類型的生態(tài)重建礦區(qū)土壤保水性能研究

孫宇,李富平,魯明星,王建勝

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山市 063009;2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山市 063009;3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河北 唐山市 063009;4.防災(zāi)科技學(xué)院應(yīng)急管理學(xué)院,河北 廊坊市 065201;5.河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司,河北 唐山市 063009)

0 引言

近30年來(lái),全球范圍內(nèi)的礦山數(shù)量逐年增加,這極大地促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。同時(shí),礦山開(kāi)采也造成了土壤退化、水土流失、大氣污染等問(wèn)題,對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[2-3]。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的不斷深入,礦區(qū)生態(tài)重建逐漸成為生態(tài)文明建設(shè)工作中不可忽視的一部分[4]。現(xiàn)階段常用的重建技術(shù)有客土噴播、生態(tài)混凝土、藤本植物覆綠等[5-7]。重建技術(shù)的發(fā)展極大地改善了礦山生態(tài)環(huán)境,增進(jìn)了人民福祉[8]。隨著礦區(qū)生態(tài)重建工作的展開(kāi),土壤水分缺乏造成的礦區(qū)生態(tài)重建困難等問(wèn)題不斷暴露出來(lái)。

土壤水分是限制生態(tài)重建效果的重要因素[9]。礦區(qū)重建初期,土壤裸露,水分蒸發(fā)量大,同時(shí)由于難以得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的水源供給,極易形成干旱環(huán)境,導(dǎo)致植被生長(zhǎng)困難、揚(yáng)塵嚴(yán)重、客土流失、重建效果不理想等問(wèn)題[10-11]。在裸露的土壤上添加覆蓋物可有效減少土壤的水分蒸發(fā),使土壤含水率維持在植物生長(zhǎng)的正常范圍內(nèi),同時(shí)覆蓋物還有調(diào)控土壤溫度、減少土壤侵蝕等重要功能[12-13]。但不同覆蓋物對(duì)保持土壤水分的研究多集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,缺乏在礦區(qū)生態(tài)重建中的應(yīng)用[14]。因此,本文選取難以獲得穩(wěn)定降水的石礦跡地進(jìn)行試驗(yàn),探究不同覆蓋物對(duì)土壤含水率的影響,可為將覆蓋物應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)重建工作提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省唐山市玉田縣某石礦跡地內(nèi),該地屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,受西伯利亞高壓帶控制,春季干旱少雨,秋冬季干燥,雨季多集中在7—8月份,該區(qū)年平均氣溫為8.4℃,最高氣溫為36.3℃,最低氣溫為－20.3℃,溫差較大,年平均降水量為502.4 mm,植被主要為灌草及幾種藤本植物,豬毛菜、葛藤為優(yōu)勢(shì)物種,土壤類型為褐土性土、草甸褐土,附近無(wú)較大地表水系,研究區(qū)內(nèi)也無(wú)常年流水河流。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2022年6月1日采集該石礦跡地內(nèi)生態(tài)重建用土,置于陰涼干燥處風(fēng)干,過(guò)2 mm 篩,過(guò)篩后使用環(huán)錐法將土壤混勻。為保證便于測(cè)量不同深度的土壤含水率,將土壤放入直徑為20 cm,高40 cm 的培養(yǎng)缽中,培養(yǎng)缽出水孔用紗布密封,每個(gè)培養(yǎng)缽先放入30 kg土壤,用水壓實(shí)后再放入5 kg土壤,再澆水壓實(shí),重復(fù)直至土壤至培養(yǎng)缽開(kāi)口3 cm 處,使用千分之一精密天平,確保每個(gè)培養(yǎng)缽質(zhì)量差不超過(guò)0.005 kg。將培養(yǎng)缽置于研究區(qū)采礦平臺(tái)生態(tài)重建區(qū)內(nèi)深帶深度為40 cm、且排水良好的水泥植生槽中,底部與槽底完全接觸,確保各培養(yǎng)缽受到的環(huán)境影響因子一致。

設(shè)置礫石覆蓋、薄膜覆蓋和有機(jī)物覆蓋3類覆蓋物及空白對(duì)照(CK)。礫石覆蓋設(shè)置1 cm 以下礫石(R1)、1～2 cm 礫石(R2)及2 cm 以上礫石(R3)3組,每組3個(gè)對(duì)照。礫石選用石礦跡地內(nèi)廢棄土石料,選取最大長(zhǎng)度為10 cm 的塊體巖石,使用顎式破碎機(jī)破碎成3 cm 以下的小塊,過(guò)2 cm 和1 cm 篩。薄膜選用透明薄膜(F),有機(jī)覆蓋物選用小麥秸稈(W)、玉米秸稈(C)、豬毛菜秸稈(L)3類。每種有機(jī)覆蓋物均使用植物粉碎機(jī)粉碎,可全部過(guò)1 cm 篩。

2.2 試驗(yàn)方法

于2022年6月15日至7月15日進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)前向培養(yǎng)缽內(nèi)注入足量水分,確保土壤處于最大持水狀態(tài)。將每個(gè)培養(yǎng)缽稱重后放入植生槽內(nèi),添加覆蓋物,為減少誤差,各類型覆蓋物交叉放置。

每2 天測(cè)定一次,于上午10:00 使用精度為0.005 kg的TCS-60電子臺(tái)秤,兩次質(zhì)量差為蒸發(fā)量。使用LD-S 手持土壤溫濕度測(cè)量?jī)x對(duì)土柱10 cm(θ10)及25 cm(θ25)處土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

土壤水分日均蒸發(fā)量計(jì)算公式如下:

式中,E為土壤水分日均日蒸發(fā)量,g;W0為第1天的培養(yǎng)缽質(zhì)量;Wf為最后一天的培養(yǎng)缽質(zhì)量;i為天數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同覆蓋物組的土壤日均蒸發(fā)量

7種覆蓋物組與無(wú)覆蓋物組土壤日均蒸發(fā)量變化如圖1所示,有覆蓋物的試驗(yàn)組均比無(wú)覆蓋物組日均蒸發(fā)量低。其中,日均蒸發(fā)量最小的是薄膜覆蓋組,在礫石覆蓋類中,蒸發(fā)量最小的是1～2 cm 礫石組,蒸發(fā)量最多的是1 cm 以下礫石組,1 cm 以下礫石組日均蒸發(fā)量比2～3 cm 礫石組多2.04%,比蒸發(fā)量最小的1～2 cm 礫石組多4.17%。3種有機(jī)覆蓋物中,日均蒸發(fā)量最多的是豬毛菜秸稈組,最少的是小麥秸稈組,豬毛菜秸稈的日均蒸發(fā)量比小麥秸稈組多8.84%,比玉米秸稈組多1.21%。綜合覆蓋物大類來(lái)看,日均蒸發(fā)量最高的是沒(méi)有覆蓋物的對(duì)照組,相比薄膜組多蒸發(fā)20.59%,比2～3 cm 礫石組多蒸發(fā)11.82%,比小麥秸稈組多蒸發(fā)1.14%。

圖1 不同種類覆蓋物的日均蒸發(fā)量變化

3.2 不同覆蓋物組10 cm 土壤土層含水量變化

7種覆蓋物組與無(wú)覆蓋物組10 cm 土層土壤含水率隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖2所示,所有有覆蓋物的試驗(yàn)組均比無(wú)覆蓋物組含水率降低速率慢。在礫石類覆蓋物組中,10 cm含水率降低最快的是1 cm 以下礫石組,降低最慢的是1～2 cm 礫石組。在有機(jī)物類別中,降低最快的是豬毛菜秸稈組,最慢的是小麥秸稈組。綜合各類覆蓋物來(lái)看,含水率降低速率最慢的薄膜覆蓋組,其次為1～2 cm 礫石組,最后為小麥秸稈組,含水率降低最快的是無(wú)覆蓋物組。

圖2 不同種類覆蓋物組10 cm 土壤含水量變化曲線

3.3 不同覆蓋物組25 cm 土壤土層含水量變化

7種覆蓋物組與無(wú)覆蓋物組25 cm 土層土壤含水率隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖3所示,由圖3可知,所有覆蓋物的試驗(yàn)組均比無(wú)覆蓋物組含水率降低速率慢,且在5～13 d區(qū)間內(nèi),有覆蓋物組含水率顯著高于無(wú)覆蓋物組含水率。在礫石類覆蓋物組,25 cm 含水率降低最快的是1 cm 以下礫石組,降低較慢的是1～2 cm 礫石組和2 cm 以上礫石組。在有機(jī)物類組別中,三者差別不大。綜合各類覆蓋物來(lái)看,含水率降低速率最慢的為薄膜覆蓋組,其次為1～2 cm 礫石組,最后為小麥秸稈組,含水率降低速率最快的是無(wú)覆蓋物組。

圖3 不同種類覆蓋物組25 cm 土壤含水量變化曲線

4 討論

雖然每年有大量的礦山進(jìn)行了生態(tài)重建工作,但很多礦山由于植被落地時(shí)間不長(zhǎng),難以遮蓋裸露的土壤,使重建效果不佳,客土流失嚴(yán)重,出現(xiàn)“一年青,二年黃,三年死光光的”現(xiàn)象,造成投入資源的大量浪費(fèi)和時(shí)間成本無(wú)效耗失。這其中最主要的原因是在僅有少量植物覆蓋的時(shí)期,大量客土裸露,蒸發(fā)量大,再加上北方地區(qū)極易出現(xiàn)降雨集中的情況,水源供給難以維系脆弱的重建生態(tài)系統(tǒng),短時(shí)強(qiáng)降雨還將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的水土流失,土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境惡化,進(jìn)一步加劇了重建生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性程度,長(zhǎng)此以往,重建生態(tài)系統(tǒng)的崩潰是必然的[15]。降低土壤水分蒸發(fā)量,維持土壤含水率,對(duì)提高礦區(qū)生態(tài)重建的經(jīng)濟(jì)資源利用與自然資源利用具有積極作用。

本文基于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)進(jìn)行覆蓋物保水研究,研究表明,在裸露土壤表面添加覆蓋物可幫助土壤降低日均蒸發(fā)量,降低表層土壤水分耗散速度,并在一定時(shí)期內(nèi)可將深層土壤含水率也維持在較高水平。

3類覆蓋物中,保水效果最好的是薄膜,但是在維持土壤含水率的同時(shí),也會(huì)阻礙雨水的存蓄,如在進(jìn)行第3次監(jiān)測(cè)時(shí)出現(xiàn)了短時(shí)降雨,其他組別10 cm土層含水率均有不同程度的上升,薄膜覆蓋組波動(dòng)卻不顯著。本研究中采用的薄膜為塑料制品,重建生態(tài)趨于穩(wěn)定后必然會(huì)對(duì)礦區(qū)造成污染,并阻礙重建生態(tài)進(jìn)行下一步演替。若進(jìn)行人工回收可能會(huì)出現(xiàn)回收工作量大、不易回收完全等問(wèn)題[16]。在實(shí)際應(yīng)用中,可考慮使用全生物可降解地膜,使用可降解地膜應(yīng)當(dāng)充分考慮地膜降解時(shí)期土壤環(huán)境所發(fā)生的變化,并選用相應(yīng)的植物種類[17]。

礫石覆蓋是礦區(qū)生態(tài)重建工作中最容易取材的覆蓋物,且相較于有機(jī)物覆蓋,礫石覆蓋在維持10 cm 土壤含水率中有更好的表現(xiàn)[18]。在本試驗(yàn)中,1～2 cm 粒徑的礫石是最優(yōu)解,較小的礫石覆蓋含水率維持能力較差,可能是由于與土壤接觸面較大,礫石顆粒之間也會(huì)產(chǎn)生少量毛細(xì)孔搶奪土壤水分,造成土壤水分的耗散;而較大的礫石覆蓋維持含水率能力較差,可能是因?yàn)榈[石間的空腔過(guò)大,水蒸氣難免會(huì)從空腔中耗散。使用礫石覆蓋時(shí)應(yīng)注意礫石層厚度,過(guò)厚的礫石層會(huì)導(dǎo)致植物萌芽困難,阻礙礦區(qū)生態(tài)重建工作的進(jìn)行。

有機(jī)物覆蓋除了有維持生態(tài)重建礦區(qū)土壤含水率的功能,還具有強(qiáng)化土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的作用[19]。不同類型的有機(jī)覆蓋物對(duì)土壤的含水率維持能力有較大差距,不同有機(jī)物對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的強(qiáng)化也會(huì)有所差異,在應(yīng)用時(shí)應(yīng)合理選擇有機(jī)覆蓋物類別[20]。有機(jī)物取材選擇時(shí)應(yīng)充分考慮周邊人類活動(dòng),若有農(nóng)林設(shè)施,可優(yōu)先考慮使用有機(jī)物覆蓋,這樣農(nóng)林廢棄物與礦區(qū)廢棄土石料均可得到有效利用[21-22]。

5 結(jié)論

(1)3類覆蓋物均可有效降低生態(tài)重建礦區(qū)內(nèi)的土壤日均蒸發(fā)量,能較好地降低土壤水分耗散速率,其中薄膜覆蓋效果最好。

(2)3類覆蓋物對(duì)維持生態(tài)重建礦區(qū)10 cm 土壤含水率有一定效果,對(duì)維持生態(tài)重建礦區(qū)25 cm土壤含水率有顯著效果,對(duì)長(zhǎng)期維持土壤含水率具有重要意義。

(3)在選用覆蓋物輔助礦區(qū)生態(tài)進(jìn)行重建工作時(shí),應(yīng)妥善考慮這3類覆蓋的生態(tài)效益,從全局角度進(jìn)行選用,做到物盡其用。