矿区排土场人工草地土壤水分及入渗特征效应

杨政,王冬,刘玉,朱元骏,武高林

(西北农林科技大学,中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)



矿区排土场人工草地土壤水分及入渗特征效应

杨政,王冬,刘玉,朱元骏,武高林*

(西北农林科技大学,中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

本研究以露天煤矿排土场新土体上建植的不同人工草地为对象，分析了不同人工草地地上生物量、土壤水分及土壤入渗性能。结果表明，不同人工草地地上生物量之间差异显著(P<0.05)，灌木和草灌混播草地的地上生物量比单一草种草地高，冰草+沙蒿和沙打旺+沙蒿草地地上生物量分别比单一种植冰草和沙打旺的草地高40.84%～47.88%和27.31%～53.49%；不同人工草地土壤含水量随深度增加而增大，20～30 cm层土壤含水量花棒草地最高；不同人工草地地上生物量和土壤水分的累加值呈负相关关系；草灌混播草地的平均土壤初始入渗速率比单一草种草地高44.25%。本研究结果表明，在矿区排土场新土体改良和植被恢复建设中应以草灌混播人工草地为主，可有效提高草地生产力，改善土壤的水分状况和入渗性能，利于植被生长的可持续。

人工草地；新土体改良；地上生物量；土壤水分；入渗速率

中国是全世界最大的煤炭生产国和消费国，长期的采矿活动尤其是露天煤矿开采剧烈的改变陆地生态系统[1]，引起严重的土地退化现象[2]。露天煤矿开采形成许多排土场，不仅破坏地表景观、占用大量土地，而且影响动植物的生境，对生态环境构成严重威胁，使各类环境问题日趋严重。因此，排土场新土体的生态恢复和利用已成为世界各国关注的焦点，其中土地复垦和植被生态恢复是矿区排土场新土体恢复和利用的主要方式[3]。但土壤水分的维系是影响排土场新土体植被建设及生态恢复可持续的一个关键科学问题。

在干旱半干旱地区进行植被恢复和生态建设最主要的制约因素就是土壤水分[4]，天然降雨是该区人工植被土壤水分的主要来源[5]。然而人工植被地上生物量的超载引起土壤含水量显著低于自然植被，造成土壤水分亏缺，植被退化，严重影响到区域植被恢复的可持续发展[6-8]。姚敏娟[9]研究了黑岱沟露天矿排土场9种植被配置对土壤水分的影响发现自然植被土壤水分利用深度大于人工植被，生长季人工植被均存在土壤水分亏缺的现象。不同植被恢复类型和恢复模式对土壤理化性质[4,9]，尤其是对土壤水分和入渗的影响不同[10-12]，这些变化又会影响到植被恢复过程[13]，直接决定植被恢复的效果。王丽等[14]研究了不同植被恢复模式对土壤的影响发现植被恢复可以明显改善土壤质量，提高土壤持蓄和调节水分的潜在能力。赵洋毅和段旭[11]研究发现草灌植被模式的土壤稳渗率、平均渗透速率和渗透总量均优于其他模式。孙建等[15]也发现混交种植比单植更有利于土壤水分状况的维持。因此研究不同植被恢复模式下植被群落地上生物量、土壤水分及入渗特征的变化和关系，在一定意义上可为人工植被建设和生态恢复提供一定的理论依据[16]。

目前，对于矿区排土场植被恢复的研究多集中在不同植被类型的研究[14-15]，针对人工草地群落的研究不多，尤其是人工草地建植对矿区新土体土壤水分以及入渗性能的影响尚需进一步探讨。基于此，本研究以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗永利露天煤矿排土场人工建植不同草地群落为研究对象，研究不同草地群落地上生物量以及对矿区新土体土壤水分、入渗性能的影响，为草原露天煤矿区排土场复垦与生态恢复提供一定的理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1研究区概况

试验地布设在永利露天煤矿排土场，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗，海拔1026～1304 m。地理坐标北纬 39°41′52″，东经 110°16′30″。矿区气候属于中温带半干旱大陆性气候，年均温7.2℃，极端最高温度 38.3℃，极端最低气温-30.9℃，≥10℃年积温3350℃。一般结冰日期为10月下旬至翌年4月下旬，最大冻土深度为1490 mm。年总降水量为231.0～459.5 mm，平均为404.1 mm。多集中在7-9月，占全年降雨的80%。年蒸发量为2082.2 mm，日照3119.3 h。冬春气候寒冷干燥多大风，夏季雨量集中，秋季凉爽、短促[17]。地表覆盖物稀少、植被覆盖率较低，因此水土流失严重，整理后的排土场平地内土壤均为复填土，土层厚度不足50 cm，土层下方多煤矸石和石块，由于排土车辆碾压而非常紧实。矿区内地带性植被属暖温型草原带，植被稀疏低矮，盖度一般30%以下。研究区内以人工植被为主。主要物种为铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、针茅(Stipacapillata)、沙蒿(Artemisiadesterorum)、胡枝子(Lespedezabicolor)等草本植物。

1.2试验设计

试验样地布设在排土场平地上，共60个小区，小区面积15 m2(3 m×5 m)。每6个小区为1个处理的重复，共计10个处理。选择紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、无芒雀麦(Bromusinermis)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、花棒(Hedysarumscoparium)和杨柴(Hedysarummongolicum)进行种植，不同人工草地小区具体分布如表1。每个小区种植密度基本一致，均采用条播，行距保持一致。紫花苜蓿、沙打旺、达乌里胡枝子、杨柴、蒙古冰草、无芒雀麦和花棒每小区播种量为1.0 kg，冰草+沙蒿、沙打旺+沙蒿和紫花苜蓿+无芒雀麦每小区1.0 kg，其中沙蒿和无芒雀麦为0.5 kg。因为研究区土壤贫瘠干燥，本次试验播种量较大。一方面为了保证出苗率，另一方面提高种群密度，快速覆盖地表。

1.3测定项目与方法

1.3.1地上生物量 在2014年7月和10月进行野外采样工作，在每个小区内随机布设2个50 cm×50 cm的样方，调查样方内所有草本植物的总盖度和活体生物量。然后将活体生物量在65℃烘干至恒重。

1.3.2土壤水分和容重 用直径为6 cm的土钻在取过活体生物量的样方内按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层取土样，每层取3钻，混合均匀后装入自封袋中称取鲜重，带回实验室采用烘干法测量土壤含水量。土壤容重采用环刀法[8]在各样地分3层0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层取环刀样，每层5个重复。

1.3.3土壤水分入渗 采用土壤入渗性能自动测量系统测量不同人工草地的土壤入渗率。测量系统在计算机控制下，自动获取地表湿润面积随时间的变化过程，然后引用数值算法计算土壤入渗性能[18]。数值算法模型计算得到不同时间的入渗率计算公式如下：

表1 不同人工草地小区分布Table 1 The distribution of different artificial grasslands

A：紫花苜蓿；B：达乌里胡枝子；C：沙打旺；D：蒙古冰草；E：花棒；F：无芒雀麦；G：杨柴；DK：冰草+沙蒿；CK：沙打旺+沙蒿；AF：紫花苜蓿+无芒雀麦。

A:Medicagosativa; B:Lespedezadavurica; C:Astragalusadsurgens; D:Agropyronmongolicum; E:Hedysarumscoparium; F:Bromusinermis; G:Hedysarummongolicum; DK:Agropyronmongolicum+Artemisiadesertorum; CK:Astragalusadsurgens+Artemisiadesertorum; AF:Medicagosativa+Bromusinermis.

式中,q为供水流量，L/h；本试验依据孙蓓等[18]的研究设定供水流量为2 L/h；in为tn时刻对应的土壤入渗率，mm/h；ΔAn为时段(tn-tn-1)地表增加的湿润面积，mm2。并运用入渗经验模型Kostiakov模型对不同人工草地土壤入渗率和入渗时间进行拟合，Kostiakov模型如下：

Y=ax-b

式中，Y为入渗率，mm/h；x为土壤入渗时间，h；a,b为试验求得的参数[10]。

1.4数据分析

用Sigmplot 12.5软件作图，用SPSS 16.0 进行不同人工草地地上生物量和土壤含水量差异显著性检验以及生物量和土壤水分的相关性分析。

2 结果与分析

2.1不同人工草地地上生物量

7月地上生物量沙打旺+沙蒿草地最高，地上生物量最低的是达乌里胡枝子草地。沙打旺+沙蒿草地和冰草+沙蒿草地的地上生物量分别比沙打旺和蒙古冰草单播的草地高53.5%和47.9%。紫花苜蓿和无芒雀麦单播草地的地上生物量分别比混播的草地高13.4%和18.9%。10月地上生物量最高的是沙打旺+沙蒿草地，最低的是花棒草地。沙打旺+沙蒿和冰草+沙蒿混播的草地地上生物量高于沙打旺和蒙古冰草单播草地。紫花苜蓿和无芒雀麦单播的草地地上生物量比混播草地分别低7.6%和13.0%。7月各草地地上生物量均高于10月，方差分析显示，不同草地群落之间7月地上生物量(F=7.13,P<0.01)和10月(F=2.36,P=0.03)差异显著(表2)。

2.2不同人工草地土壤含水量

7月不同人工草地0～10 cm层之间土壤含水量无显著差异(F=1.15,P=0.336)，冰草+沙蒿草地(14.65%)和花棒草地(14.50%)土壤含水量较高，紫花苜蓿草地(11.94%)最低；冰草+沙蒿混播草地0～10 cm层土壤含水量(14.65%)比蒙古冰草(13.65%)单播草地高7.3%。10～20 cm层间土壤含水量差异不显著(F=1.48,P=0.166)，20～30 cm层间土壤含水量差异显著(F=2.477,P=0.014)。花棒草地(19.75%)最高，沙打旺+沙蒿草地(14.92%)最低。10月不同人工草地0～10 cm层之间土壤含水量存在显著差异(F=2.179,P=0.026)，0～10 cm层土壤含水量达乌里胡枝子草地(20.41%)最高，紫花苜蓿+无芒雀麦草地(16.00%)最低。沙打旺+沙蒿草地0～10 cm层土壤含水量(17.35%)比沙打旺草地(16.07%)高8.0%。不同人工草地10～20 cm (F=3.07,P=0.002)和20～30 cm(F=2.181,P=0.026)层土壤含水量差异显著，20～30 cm 层土壤含水量花棒草地最高，沙打旺+沙蒿草地(14.92%)和冰草+沙蒿草地的土壤含水量(16.67%)略微低于沙打旺(15.23%)和蒙古冰草(18.62%)单播的草地(图1)。

表2 不同人工草地地上生物量Table 2 Above-ground biomass of different artificial grasslands g/m2

注：表中数据表示平均值±标准误，同列不同小写字母表示不同人工草地类型在5%水平上差异显著。

Note:The data in the Table represent Mean±SE, different lowercase letters in the same column represent significant differences atP<0.05 between different artificial grassland types.

图1 不同人工草地7和10月土壤水分含量

2.3不同人工草地地上生物量和土壤水分的关系

草地地上生物量对土壤水分的变化存在时滞效应，因此采用各层土壤平均含水量的累加值分析草地地上生物量和土壤水分的关系[19]。相关性分析结果表明，不同人工草地地上生物量和土壤水分基本呈负相关关系(表3)，不同层土壤含水量和地上生物量相关性不一致。如沙打旺+沙蒿和冰草+沙蒿草地的土壤水分和地上生物量的相关系数分别为0.55和-0.65，而沙打旺和蒙古冰草草地的土壤水分和地上生物量的相关系数分别为-0.93和-0.79。不同人工草地上层0～10 cm土壤含水量与地上生物量的相关性基本高于20～30 cm层土壤含水量与地上生物量的相关性，如沙打旺和蒙古冰草草地的地上生物量和0～10 cm层的土壤含水量显著相关(P<0.05)，同20～30 cm层土壤含水量的相关性减弱。从不同草地0～30 cm层土壤水分含量和地上生物量的相关分析可以看出，不同草地不同土层含水量对地上生物量的贡献不同，沙打旺和蒙古冰草草地地上生物量主要受10～20 cm层土壤水分影响，紫花苜蓿+无芒雀麦草地是0～10 cm，冰草+沙蒿草地是10～20 cm。

表3 不同人工草地地上生物量和土壤含水量相关性分析Table 3 Correlation between above-ground biomass (AGB) and soil water contents in different artificial grasslands

注：** 表示在0.01水平上显著相关；* 表示在0.05水平上显著相关。

Note：** indicate statistical significant correlation atP<0.01； * indicate statistical significant correlation atP<0.05.

表4 不同人工草地土壤入渗速率及Kostiakov模型拟合结果Table 4 Soil infiltration rate and fitting with Kostiakov model results of different artificial grasslands

注：表中数据表示平均值±标准误。

Note:The data in the Table represent Mean±SE.

2.4不同人工草地土壤水分入渗性能分析

图2 不同人工草地土壤入渗速率随时间变化

不同人工草地土壤入渗速率不同，初始入渗速率最高的是冰草+沙蒿草地，最低的是沙打旺草地，稳定入渗速率最高的是杨柴草地，最低的是无芒雀麦和沙打旺草地。草灌混播样地的初始入渗速率高于单一草种的样地(表4)，如：冰草+沙蒿样地的初始入渗速率比蒙古冰草样地高26.4%，沙打旺+沙蒿样地的初始入渗速率比沙打旺样地高96.3%。

运用Kostiakov模型对不同人工草地类型土壤入渗率和入渗时间进行回归分析(图2)，回归方程的拟合度R2达99%，说明方程拟合效果较好，Kostiakov模型适合描述本研究中各人工草地类型的土壤入渗过程。结果表明，不同人工草地土壤入渗速率和入渗时间之间存在良好的幂函数关系，整个入渗过程基本可以分为3个阶段，0～12 min为入渗速率急剧变化阶段，12～42 min为入渗速率缓慢变化阶段，42 min后逐渐达到稳定入渗阶段(图2)，这与李广文等[20]报道的草地土壤入渗过程相符。

3 讨论

生物量作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源。生物量的高低变化，可以反映不同植物群落利用自然的能力。生物量的差异受气候，水热因子变化的影响。因此，了解生物量的变化，对于因地制宜地进行植被恢复规划与决策具有重要意义。由于受低温的影响，研究区草地返青较晚，地上生物量从牧草返青开始积累，并随着植物生长发育节律、气温的回升和降水的增加逐步增加，在7月初草地群落进入生长旺盛期,以此时的生物量作为净初级生产量比较合适。生长高峰期过后，随着气温下降，草地群落植物的叶片开始枯萎，光合作用随之减弱，植物体不断衰老，营养物质不断流失并向根系转移，导致地上生物量减少[21]。同时各草地群落种类组成不同，其物质积累和消耗过程不尽相同。灌丛草地和草灌混播草地的地上生物量比单一牧草草地高(表2)，这与张国荣和戴秀章[22]在北方半干旱黄土丘陵区复合型草灌栽培地的研究结果一致。主要是由于草灌混播的草地利用灌木、草本的不同株高和根系分布深度不同的特点使空间得到合理高效配置，时间上使同一土地不同层次的光热、养分和水分等生态因子充分利用，将短周期的牧草和长周期的灌木结合可以高效利用环境资源，使不可贮存的光热资源得到最大限度利用，生物产量保持较长时间的稳定[23]。

干旱半干旱地区土壤水分是限制植物生长的主要因素，降雨以及植被生长发育特性都会对土壤水分的季节和垂直变化产生影响。研究区7月有大量较为集中的降雨出现[17]，降雨首先渗入表层，使土壤水分含量急剧增加，雨后温度升高，大量的地面蒸发和植物蒸腾吸收以及在重力和毛细管力的作用下，水分向下层土壤运动，使表层土壤含水量急剧减少变化显著[9]。10月气温下降，地表蒸发和蒸腾有所减小，土壤水分含量增加。不同人工草地0～10 cm层土壤水分含量明显比10～30 cm层土壤含水量低(图1)，主要由于研究区气候干燥，降雨量少，太阳辐射强烈，蒸散较大，致使草地群落表层土壤含水量较低。不同人工草地土壤含水量随深度增加而增大。20～30 cm 层灌丛和草灌混播草地的土壤含水量较高，这与赵鹏宇和徐学选[24]发现的黄土丘陵区多次降雨补充下草灌地土壤水分变化规律相符，在降雨量300 mm左右的情况下，0～100 cm土层平均含水量草灌地(18.5%～19.6%)高于草地(15.6%～17.5%)，与草被相比灌木能更好地接纳雨水，增加土壤水分，提高黄土区深层储水能力。再者在高吸力段或者低水势段，草灌混播的草地土壤释水和储水性能优于单一草种草地，草灌混播草地的土壤水分利用率高[25]，这样在降水少蒸发强烈的黄土高原干旱区，草灌混播草地较单播草地不易受到干旱的威胁[26]。潘德成等[13]在研究阜新煤矿区排土场生态重建时亦提出排土场覆土平台应以草本和浅根灌木相结合为主，可以使各层土壤水分达到最佳利用效果。

不同人工草地地上生物量和土壤水分基本呈负相关关系(表3)，Sun等[27]在研究环境因子对高山草甸草原地上生物量的影响中也发现土壤水分和地上生物量呈显著负相关与本研究结果一致。草灌混播草地的土壤水分和地上生物量的相关性低于单一草种草地，说明单一草种草地的产量更易受到土壤水分的影响，这与赵景波等[26]的研究结果一致。不同人工草地上层0～10 cm土壤含水量与地上生物量的相关性基本高于20～30 cm 层土壤含水量与地上生物量的相关性，主要根系集中分布在表层，因为植物的利用，土壤肥力较好，有利于水分保持。

土壤入渗性能是描述土壤入渗快慢极为重要的参数之一。土壤入渗性能越好，越有利于土壤水分的贮存。不同的植被恢复模式对土壤的入渗性能影响不同，所以分析不同恢复模式下土壤入渗性能对土地合理利用和植被科学恢复有重要的指导意义[10]。草灌混播的样地地上生物量大，能够为土壤提供更丰富的枯落物，有机质归还量大，土壤团聚体结构稳定，容重小，土壤疏松，孔隙度大，透水透气性好，入渗性能较好[11-12]。研究区降雨少，且多为短历时降水，土壤初始入渗速率越大，降水产生的地表径流越少，土壤拦蓄的降水就越多[12]，这对干旱地区的植被生长非常重要。不同人工草地土壤的稳定入渗速率明显小于初始入渗速率，一方面是因为表层土壤含水量低，遇水快速湿润过程中土壤团聚体迅速膨胀崩解，加之原状土表面细颗粒的堵塞，土壤孔隙度和孔隙连通性变差，透水的物理孔隙减少，造成稳定入渗率明显减小[20]；另一方面，排土场下层土壤密实，容重大，研究发现土壤入渗速率和容重呈显著负相关[10-12]，所以下层土壤入渗性能差也会导致稳定入渗速率偏低。整个入渗过程中灌木和草灌混播样地的土壤入渗速率比单一草种的草地高，说明草灌混播更能提高土壤的入渗性能。赵洋毅和段旭[11]在喀斯特石漠化地区的研究结果与本研究类似，由于土层薄、水分含量低，与矿区排土场土壤条件相似。因此，建议矿区排土场的新土体植被恢复应以灌草结合为主，有利于土壤水分保持和植被生长。

4 结论

不同人工草地地上生物量依次是灌丛和草灌混播草地(沙打旺+沙蒿>花棒>冰草+沙蒿)>沙打旺>杨柴>无芒雀麦>蒙古冰草>紫花苜蓿>紫花苜蓿+无芒雀麦>达乌里胡枝子，灌丛和草灌混播的草地地上生物量是单播草地的1.16～2.29倍；土壤水分随深度增加而增大，各层土壤水分含量生长末期(10月)均高于生长初期(7月)，灌丛和草灌混播草地0～10 cm层土壤水分生长初期高于单播草地，生长末期其20～30 cm层土壤水分略低于单播草地；土壤初始入渗速率依次是草灌混播草地(冰草+沙蒿>沙打旺+沙蒿)>蒙古冰草>紫花苜蓿>无芒雀麦>杨柴>达乌里胡枝子>紫花苜蓿+无芒雀麦>花棒>沙打旺，草灌混播草地的初始入渗速率是单播草地的1.05～2.36倍。

草灌混播草地的土壤初始入渗速率高，可以增加土壤含水量和表层土壤储水量，草灌混播草地的地上生物量同土壤水分的相关性较单播草地弱，使得草灌混播草地能更好适应环境，不易受到干旱威胁，保证植物的正常生长。因此矿区排土场新土体改良和植被恢复建设应以草灌混播人工草地为主，有利于土壤水分的维系和植被生长的可持续。

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Soil moisture and infiltration characteristics for artificial pasture planted on opencast coal mining tailings

YANG Zheng, WANG Dong, LIU Yu, ZHU Yuan-Jun, WU Gao-Lin*

StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservationofChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

This study analyzed the above-ground biomass, soil moisture and infiltration rates for different artificial pastures planted on opencast coal mine tailings.The above-ground biomass of different artificial grasslands was significantly different (P<0.05), with the above-ground biomass of shrub-grassland and mixed planting of shrub and grass being greater than that of single-plant pasture.The above-ground biomasses ofAgropyronmongolicum+Artemisiadesertorumpasture andAstragalusadsurgens+A.desertorumpasture were higher than those ofA.mongolicumandA.adsurgenspasture by 40.84%-47.88% and 27.31%-53.49%, respectively.Soil water content of artificial pasture increased with increased soil depth and was highest for the 20-30 cm soil layer inHedysarumscopariumpasture.The above-ground biomass of different artificial grassland types negatively correlated with the accumulated mean value of soil moisture.The mean initial infiltration of mixed plantings of shrub and grass were higher than those of single plant pasture by 44.25%.These results indicate that mixed planting of shrub and grass is the best choice for soil development and vegetation restoration of opencast coal mine tailings.

artificial grassland; soil modification; above-ground biomass; soil moisture; infiltration rate

10.11686/cyxb2015231

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-05-04；改回日期：2015-07-06

国家自然科学基金项目(41371282, 41371242),中国科学院西部行动项目(KZCX2-XB3-13)和陕西省科技计划项目(2014KJXX-15)资助。

杨政(1988-),男,山西运城人,在读硕士。E-mail:yangzheng1104@hotmail.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:gaolinwu@gmail.com

杨政, 王冬, 刘玉, 朱元骏, 武高林.矿区排土场人工草地土壤水分及入渗特征效应.草业学报, 2015, 24(12):29-37.

YANG Zheng, WANG Dong, LIU Yu, ZHU Yuan-Jun, WU Gao-Lin.Soil moisture and infiltration characteristics for artificial pasture planted on opencast coal mining tailings.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):29-37.