露天煤矿排土场疏干水灌溉中草药试验研究

高天明，张瑞强，冯 秀，王丽霞

（1.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020）

排土场一般占露天煤矿用地一半以上的土地资源，并且对生态环境造成极大破坏[1-2]。植被恢复和重建是露天煤矿排土场生态恢复的最主要手段。目前，普遍采用多种植物配置模式，特别是建植乡土植物种，辅以土壤改良措施，促进植被恢复[3-4]，然后逐步减少甚至无需人工抚育，逐渐形成物种多样、结构稳定、接近自然的乔灌草复合植物群落，以发挥其生态效益[4-6]，但是这种接近自然的植物群落经济效益却很低。因此，也有一些学者开展了在排土场种植经济作物，实现兼具生态效益和经济效益的研究[6-8]。疏干水是露天煤矿采煤过程中从煤层中涌出的污水，经过处理以后可以实现综合利用[9-10]，这给露天煤矿排土场种植经济作物的灌溉水源供给问题提供了一种解决方式。

黄芪为豆科多年生草本植物，入药部位为膜荚黄芪或蒙古黄芪的干燥根。黄芪具有补气升阳、固表止汗、托毒排脓、利水消肿和生肌等功效。甘草为豆科多年生草本植物，入药部位为甘草、胀果甘草和光果甘草的干燥根。甘草性平、味甘、归十二经，是一种补益中草药，食品上也大量用甘草做糕点添加剂。黄芪和甘草的市场需求量逐年增大，但野生资源稀缺，因此，亟需人工栽培供应市场需求。目前，露天煤矿排土场种植中草药的研究还很少[11-12]，针对利用疏干水灌溉中草药的研究也尚未有相关报道。

本文以鄂尔多斯市武家塔露天煤矿排土场为例，以矿坑疏干水为灌溉水源，在黄芪和甘草种子萌发、生长发育、药材品质和经济效益等方面开展了试验研究，明确了露天煤矿排土场灌溉疏干水种植中草药是完全可行的，为矿区的生态恢复提供科学依据，为矿区产业结构调整提供了一种生态经济模式。

1 研究对象与方法

1.1 研究区概况

武家塔露天煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗补连乡境内，行政隶属乌兰木伦镇管辖，地理坐标：东经110°05'55"～110°10'48"，北纬39°15'16"～39°17'50"。半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量358 mm，多年平均气温7.3 ℃，无霜期156 d，年平均风速3.6 m/s，年平均大风日数42 d。武家塔矿区批复面积9.157 8 km2，截至2019 年底，已超过60%的区域被内、外两个排土场占据。排土场为煤矸石排弃，堆高40 m，表层铺垫的土壤主要是风沙土及少量红土，有时还混有少量煤矸石和碎石，平均厚度约50 cm。铺垫的土壤结构不良，养分含量很低，经测定，未经复垦的排土场土壤有机质含量为1.14 g/kg、全N 为0.12 g/kg、碱解N 为4.11 ppm、速P 为5.89 ppm、速K 为46.84 ppm，土壤养分属第六级——极度缺乏水平。研究区土壤保水能力较低，田间持水量经测定为18.5%，萎蔫系数为3.7%。矿坑疏干水水质化验检测数据见表1。

总体而言，武家塔露天煤矿疏干水不存在有毒物和重金属超标，但总盐分含量较高，超标25%。矿坑疏干水涌水量一般约1 700 m3/d，使用水泵将疏干水从矿坑提至内排土场平台上的蓄水池中进行沉淀，蓄水池长150 m、宽50 m、深1.5 m，本研究用水泵从蓄水池中抽取灌溉用水。

1.2.1 室内发芽试验

每个培养皿（90 mm 培养皿洗净用高压蒸汽灭菌锅121 ℃灭菌25 min），铺双层滤纸。黄芪和甘草种子用生理盐水浸泡5 min 后再用蒸馏水冲洗3 次，使用滤纸吸干水分备用。每个培养皿中放入50 粒种子。设3 种处理：第一种是只在第一次浇水时使用疏干水，以后都使用蒸馏水（表示为ld）；第二种是每次浇水都使用疏干水（表示为xd）；第三种是以蒸馏水为对照（表示为ck）。每种处理3 次重复。依据《国际种子检验规程》的方法，当每个品种中有第一粒种子出现胚根破壳露白时算作其品种发芽开始，第4 d 计算发芽势，第10 d 计算发芽率。计算见式（1）和式（2）。

1.2 试验设计与研究方法

1.2.2 大田试验

大田试验区位于武家塔露天煤矿内排土场平台上，面积3.3 hm2，如图1 所示。2019 年4 月20 日，采用便携式手推播种机条播黄芪和甘草种子，行距40 cm，播深2 cm，播种量约30 kg/hm2，播后采用光伏提水滴灌系统灌溉。田间管理主要为除草和灌溉。

图1 武家塔露天煤矿排土场中草药大田试验区Fig.1 Field experiment area of Chinese herbal medicine on the dump site of Wujiata Open Pit Coal Mine

采用少量灌溉+施用保水剂的方法进行灌溉：播种后充分灌溉，出苗后少量灌溉，分枝时在根茎附近施用保水剂（30 g/m2），施后少量灌溉，以后每当土壤含水量降低至4%时少量灌溉。其中，充分灌溉水量为40 mm/次，少量灌溉为20 mm/次，可分别提高0～30 cm 土壤含水量13.3%和6.7%，相当于使土壤含水量分别提高至田间持水量的94%和58%。

1）植株生长发育观测。记录出苗期、孕蕾期、开花期、枯萎期等物候期的出现日期。在黄芪和甘草大田试验区各选择3 块典型地段，每块地段设3个1 m×1 m 的样方，每月中旬测量样方内所有植株的高度并计算平均值。

2）药用根测产与品质检测。2020 年9 月25 日，在黄芪和甘草大田试验区各选择3 块典型地段，面积1 m×1.5 m，使用铁锹挖取地表以下30 cm 深度内的黄芪和甘草的根，清理泥土后，晴天晾晒，晒到水分含量不超过10.0%时装入密封袋保存。晒干的根样品称重后，送交中国农科院草原研究所化验室测试重金属、黄芪甲苷、黄芪毛蕊异黄酮苷、甘草苷、甘草酸含量。

1.3 数据分析

试验数据应用Excel 软件进行原始数据处理并制图，采用spss17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 疏干水对黄芪和甘草种子萌发的影响

表2 展示了黄芪和甘草种子不同处理条件下的发芽势和发芽率。由表2 可知，疏干水对黄芪种子萌发略有影响，但不显著，即使持续浇疏干水，黄芪的发芽势由72%下降至61%、发芽率由93%下降至88%，仅分别下降了15%和5%。甘草种子只浇1 次疏干水（ld）影响不显著，但持续浇疏干水（xd）使甘草种子的萌发受到显著抑制，发芽势由36%下降至16%、发芽率由66%下降至39%，分别下降了55%和41%。

表2 黄芪种子和甘草种子在不同处理条件下的发芽势和发芽率Table 2 Germination potential and germination rate of seeds of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis under different treatment conditions单位：%

2.2 生长发育过程

图2 为黄芪和甘草植株高度与物候期曲线图。由图2 可知，黄芪和甘草在试验期间能够正常完成生长发育过程。其中，在2019 年种植当年只进行营养生长，植株高度黄芪最高为27 cm，甘草最高为21 cm，9 月下旬枯萎。2020 年4 月中下旬，黄芪和甘草返青，随后植株迅速长高，植株高度黄芪最高为39 cm，甘草最高为52 cm；黄芪7 月中旬孕蕾，8 月中旬开花，9 月底枯萎；甘草6 月中旬孕蕾，7 月中旬开花，10 月上旬枯萎。试验期间，黄芪和甘草未发现有病虫害现象。

图2 黄芪和甘草植株高度与物候期Fig.2 Height and phenophase of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis

2.3 药用根品质检测

表3 展示了黄芪和甘草药用根重金属与有效成分含量，黄芪和甘草药用根重金属和有效成分含量符合2020 版《中华人民共和国药典》的标准，可以作为药材安全使用。

表3 黄芪和甘草药用根重金属与有效成分含量Table 3 Content of heavy metals and active ingredients of the roots of Astragalus membranaceus var.mongholicus and Glycyrrhiza uralensis

2.4 经济效益

表4 为大田试验区基础设施建设投资情况。由表4 可知，大田试验区基础设施建设投资较高，主要包括水泵、管道、蓄水箱、光伏提水系统等建设安装，总投资24 万元。

表4 大田试验区基础设施建设投资Table 4 Investment in infrastructure construction in the field experiment area

表5 展示了大田试验区种植和田间管理成本情况。由表5 可知，大田试验区种植和田间管理成本包括除草剂、整地、施肥、播种、滴灌带安装、除草、看护等劳务费用和滴灌带、种子、化肥、除草剂等材料费。其中，第一年投资10.54 万元，第二年投资4.96 万元，两年合计15.50 万元。

表5 大田试验区种植和田间管理成本Table 5 Cost of planting and field management in the field experiment area

基础设施成本以平均使用10 a 计，折合7 273元/hm2·a，种植和田间管理成本第一年折合31 939元/hm2·a，第二年15 030 元/hm2·a。因此，两年期间，基础设施成本14 546 元/hm2、种植和田间管理成本合计46 969 元/hm2，合计61 515 元/hm2。

经测产，黄芪和甘草药用根干重产量分别为3 300 kg/hm2和3 170 kg/hm2。以近几年价格20 元/kg计，黄芪试验田价值66 000 元/hm2，甘草62 600 元/hm2。净利润黄芪试验田为4 485 元/hm2，甘草为1 885 元/hm2。

3 讨论

3.1 黄芪和甘草的耐盐性

本研究中的疏干水总盐含量略有超标，因此不宜种植普通作物。黄芪和甘草的耐盐性已被多人证实：戈珍梅等[13]研究表明黄芪种子具有一定的耐盐性，在NaCl0.3%～0.6%、Na2CO30.3%、复合盐0.3%～0.6%胁迫条件下有较好的抗性。马彦军等[14]研究证明蒙古黄芪在NaCl<0.6%、Na2SO4<0.8%和NaHCO3<0.3%的盐胁迫条件下，种子和幼苗能够正常萌发和生长。王洋[15]和刘萱等[16]研究了甘草在NaCl100 mmol/L（折合5 850 mg/L 或0.58%）浓度以下时的发芽和细苗生长无显著影响，当NaCl 浓度超过了100 mmol/L后，甘草的生长发育受到明显抑制。另外，王跃等[17]报道了甘草具有通过改变解剖结构以适应盐胁迫的能力。

室内发芽试验中，只浇1 次疏干水则培养皿中的盐浓度一直保持稳定，而持续浇疏干水则会使培养皿中的盐浓度逐渐增加。因此，只浇1 次疏干水相当于盐浓度为0.25%，属于低盐浓度水平，由发芽势情况可以看出，对黄芪和甘草种子萌发无明显影响。当持续浇疏干水时，每浇1 次，则盐浓度相当于增加1 倍。黄芪种子相对细小，耗水较少，萌发试验过程中共浇水3 次，这相当于黄芪培养皿中盐浓度为0.25%～0.75%，盐浓度接近了黄芪的耐受范围，而甘草种子相对较大，耗水较多，萌发过程中共浇水4 次，甘草培养皿中盐浓度为0.25%～1.00%，从第3次浇水以后，盐浓度已经超过了甘草的耐受范围。因此，本研究中疏干水对黄芪种子萌发影响不显著，而对甘草种子萌发影响显著，这与上述学者的研究结果相似[13-17]。

3.2 黄芪和甘草的生长发育过程

对于大田试验区，鉴于灌溉疏干水的盐分积累效应，采用少量灌溉+施用保水剂的方法，一方面减少灌溉水量以减轻盐分积累，另一方面降低水分蒸发以延长灌溉周期。黄芪和甘草种植能够正常完成整个生育过程，说明本研究采用的少量灌溉+施用保水剂的方法，可以保障土壤含盐量在黄芪和甘草的耐受范围内。这为下一步种植其他中草药或经济作物提供了技术参考。

研究区地处煤矿集中开采区，周边没有种植业，并且由于露天煤矿排土场地块孤立，人流车流非常少，抑制了农业病虫害的传播。另外，排土场高出地面40 m，且研究区所处地块位于排土场的上风向——西北侧，平时多风致使空气干燥，加之武家塔露天煤矿日夜进行采矿作业，有一定的噪声干扰，这种环境不利于致病菌虫的生存。因此，本研究试验期间，未见有黄芪和甘草病虫害现象，节约了病虫害防治成本。

试验田植被盖度夏季一般60%以上，黄芪高度平均25 cm、甘草高度平均50 cm，秋季刈割留茬8～10 cm，翌年春季4 月上旬黄芪和甘草返青。人们普遍共识，良好的植被，无论是人工植被还是自然植被，都具有防止水土流失、改善土壤理化性质、调节小气候、除尘降噪等方面的生态效益。

3.3 经济效益分析

本研究种植的黄芪和甘草药用根重金属和有效成分含量符合2020 版《中华人民共和国药典》的标准，可以作为药材安全使用。

试验成本较高，主要是由于基础设施建设投资较大，研究区地处偏远，不仅运输成本较高，而且路途耗时较多也导致工时成本增加。试验田看护费用较高，这是因为按照矿区安全管理规定的要求，需配备看护人员保障大田试验区安全生产，避免火灾、交通事故等危害发生，4—9 月雇佣2 人看护，每月支付2 人7 000 元劳务报酬（含税），该项成本支出占比高达54.19%。各项劳务费用较高，这是因为矿区无种植业人员，需要雇佣农区人员则导致交通、住宿和工时成本增加。

刘杰等[18]研究施用有机肥可使蒙古黄芪药材产量最高达7 046.2 kg/hm2；盛玉章等[19]研究施用氮磷钾肥使甘草产量超过5 300 kg/hm2。相比而言，本研究黄芪和甘草药用根产量与其他研究相比较低，参考李昕[20]和刘宝勇等[21]在武家塔露天煤矿开展的施用微生物菌肥促进中蒙草药生长的研究，造成产量较低的原因主要是施肥太少所致，今后应加强施肥方面的相关研究。

4 结语

武家塔露天煤矿排土场采用疏干水少量灌溉+施用保水剂的方法种植黄芪和甘草，可以减轻土壤盐分积累效应，缓解对黄芪和甘草的盐胁迫作用，药用根符合标准，可以作为药材安全使用，这种生态经济模式是完全可行的。