一種干旱區(qū)保水輔助建植裝置的應(yīng)用研究

魏 源

(中鐵二十一局集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在西部得到大力發(fā)展。但同時(shí)也造成了一定的生態(tài)環(huán)境問題,尤其是在西部干旱、半干旱地區(qū)更為嚴(yán)重。另外鐵路、公路等建設(shè)工程規(guī)模大,且線路較長(zhǎng),如不及時(shí)進(jìn)行生態(tài)修復(fù),會(huì)形成大量裸露地表,不利于進(jìn)行養(yǎng)護(hù),造成植被破壞、水土流失嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題,嚴(yán)重的可能引發(fā)泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)線路的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定的影響。

西部干旱區(qū)由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣候干燥、降水少、蒸發(fā)量大等原因,植被在自然條件下自我恢復(fù)的可能性較低,且所需的恢復(fù)周期較長(zhǎng)。該區(qū)土壤保墑保肥性能差,而現(xiàn)有的生態(tài)修復(fù)技術(shù)無法滿足該區(qū)植被正常生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分,常造成植被存活率低,生長(zhǎng)不良,且所需的養(yǎng)護(hù)成本較高,不利于大面積的生態(tài)修復(fù)工程[1-2]。因此,提出了一種旱區(qū)保水輔助建植裝置,該裝置可為植物提供生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并能儲(chǔ)備一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分,具有節(jié)水保墑的作用,可滿足干旱、半干旱地區(qū)裸露地表和工程建設(shè)后造成的裸露地表生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的要求。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)選在新疆維吾爾自治區(qū)若羌縣境內(nèi),該區(qū)屬于典型的大陸溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)。該區(qū)降水較少,蒸發(fā)量大,年降水量?jī)H為28.5 mm,最大為118.0 mm,年蒸發(fā)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(qū)日照充足,晝夜溫差大,年日照時(shí)數(shù)為3 103.2 h,年最大日照時(shí)數(shù)為3 338.8 h。境內(nèi)天然植被類型主要為荒漠植被,防護(hù)林主要分布有榆樹(Ulmuspumila)、楊樹(PopulusL.)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、柳樹(Salixbabylonica)等。

1.2 試驗(yàn)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(yíng)養(yǎng)基質(zhì)等。該裝置中保育桶采用雙層結(jié)構(gòu),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(dǎo)熱性差的功能,可保證無土栽培基質(zhì)的溫度穩(wěn)定,防止水分過快蒸發(fā);保育桶內(nèi)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(nèi)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(yíng)養(yǎng)基質(zhì),保障植被生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分需求。該裝置尺寸可根據(jù)植被和現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整,此次研究選用的尺寸為總高30 cm、外徑20 cm、內(nèi)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(chǎng)常見的農(nóng)林抗旱保水劑,具有安全環(huán)保和保水保肥等特性,試驗(yàn)選用的保水劑是由任丘市輝達(dá)化工有限公司生產(chǎn)。

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(cè)試。保水性能測(cè)試主要是在室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)照中,然后每隔一段時(shí)間進(jìn)行稱重測(cè)量,計(jì)算出每段時(shí)間內(nèi)水分的損失量。

保水率計(jì)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(zhì)量;Mn為第n天保水材料和水的總質(zhì)量;W為初期加入水的總質(zhì)量。

1.3.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選在若羌境內(nèi)格庫(kù)鐵路沿線,并選取3段作為試驗(yàn)區(qū)。其中,A段建植區(qū)利用保水輔助建植裝置進(jìn)行建植;B段建植區(qū)利用保水劑材料進(jìn)行輔助建植;C段為空白對(duì)照區(qū),不采用保水材料進(jìn)行輔助建植。然后分別對(duì)各試驗(yàn)段的土壤養(yǎng)分狀況、植被生長(zhǎng)狀況、水土流失狀況進(jìn)行調(diào)查研究。

1.3.3土壤侵蝕模數(shù)。采用樁釘法進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)的測(cè)定,方法詳見文獻(xiàn)[3]。

1.3.4數(shù)據(jù)處理。利用Excel軟件和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水措施的保水能力對(duì)不同保水措施下的保水率進(jìn)行測(cè)定,結(jié)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(shí)間的推移,整體上均呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)。沒有添加保水措施的空白對(duì)照組(CK),保水率下降趨勢(shì)明顯,在第10天時(shí)保水率已降至0,而添加保水劑(SAP)和增設(shè)保水輔助建植裝置(WAD)的試驗(yàn)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(shí)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(fā)和流失,保證植物的穩(wěn)定生長(zhǎng)。

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(shí)間(x)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,且決定系數(shù)(R2)均在0.8以上,其相關(guān)性顯著,表明WAD和SAP措施下的保水率下降幅度隨著時(shí)間的推移逐漸降低,且在后期基本趨于穩(wěn)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(qū)域,水分蒸發(fā)較快,待其蒸發(fā)穩(wěn)定后,位于下方隔離架區(qū)域的水分基本保持在穩(wěn)定狀態(tài),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(wěn)定狀態(tài)。而保水劑(SAP)在前期由于吸持的水分較多,其保水性能會(huì)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(wěn)定狀態(tài),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(zhǎng)[5-6]。

表1 不同保水措施下的保水率與時(shí)間之間的關(guān)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(yàn)段A區(qū)、B區(qū)和C區(qū),觀測(cè)在不同保水措施下的植被存活率,結(jié)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(qū)植被存活率最低。隨著時(shí)間的推移,存活率均隨著時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)。但WAD措施下,150 d 后的植被存活率基本趨于穩(wěn)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(dá)95%,相比SAP措施和CK措施分別高出11百分點(diǎn)和35百分點(diǎn)。越冬后WAD措施下的植被存活率基本趨于穩(wěn)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(wěn)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(gè)生長(zhǎng)季的存活率能夠達(dá)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(fù)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(duì)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(duì)植被生長(zhǎng)狀況的影響對(duì)不同保水措施下的紅柳植株新增高度進(jìn)行觀測(cè),結(jié)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(shí)間的推移呈逐漸升高的變化趨勢(shì);同一時(shí)間段,不同保水措施下紅柳植株新增高度表現(xiàn)為WAD>SAP>CK。以WAD措施為例,30 d時(shí),植株新增高度相對(duì)較小,平均增長(zhǎng)高度為6 cm,其生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)高度為22 cm,其生長(zhǎng)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(nèi)處于環(huán)境適應(yīng)階段,因此其生長(zhǎng)高度相對(duì)較低,生長(zhǎng)速度也相對(duì)較慢;而在90 d后的植株新增高度相對(duì)于150 d 后的植株新增高度低,其原因可能是由于60、90 d時(shí)為夏季,氣溫較高,植被具有自我保護(hù)和調(diào)節(jié)機(jī)制[9],為減少水分的蒸發(fā),會(huì)關(guān)閉氣孔,因此生長(zhǎng)高度相對(duì)較低。從整體來看,WAD措施下的植株新增高度較高,生長(zhǎng)速度較快,可有效滿足植被的生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的團(tuán)聚性、儲(chǔ)水能力和孔隙狀態(tài)[10]。土壤容重適宜時(shí),土壤的團(tuán)聚性較好,不宜松散,且土壤儲(chǔ)水能力也較強(qiáng),有較好的水源涵養(yǎng)功能;而土壤容重較松時(shí),其團(tuán)聚性較差,易被沖散,加劇水土流失;而當(dāng)土壤容重較緊時(shí),其孔隙狀態(tài)較差,容易形成地表徑流,同樣加劇水土流失。根據(jù)圖5和土壤容重分級(jí)情況[11],WAD措施下的土壤為偏緊狀態(tài),但相較于適宜狀態(tài)下的1.25 g/cm3,僅高出0.02 g/cm3,表明該區(qū)的土壤團(tuán)聚性和孔隙狀態(tài)相對(duì)較好,有效地提高了該區(qū)土壤的水源涵養(yǎng)功能。SAP和CK措施下的土壤容重均處于緊實(shí)狀態(tài),其土壤的水源涵養(yǎng)功能相對(duì)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(duì)較低,其原因可能是由于該區(qū)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(shù)Fig.5 Soil bulk density and soil erosion modulus under different water retention measures

從土壤侵蝕模數(shù)來看,WAD措施下的土壤侵蝕模數(shù)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(shù)相對(duì)較低,其原因是多方面的:一是該區(qū)土壤容重相對(duì)較低,土壤的水源功能相對(duì)較高,有效減少了水土流失;二是該區(qū)植被存活率和覆蓋度相對(duì)較高,而較高的植被覆蓋度,可有效減少降水對(duì)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(jié)論

不同保水措施的保水率與時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān),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(qū)的苗木存活率為69%,能夠有效保障苗木生存的穩(wěn)定性,而SAP和CK區(qū)的苗木分別僅為35%和15%,存活率相對(duì)較低,無法滿足該區(qū)生態(tài)工程建設(shè)需求;在移植后的150 d期間內(nèi),植被生長(zhǎng)高度隨著時(shí)間的推移,其生長(zhǎng)速度也隨之提升,其中WAD措施下的植被生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)高度均明顯高于SAP和CK區(qū);WAD措施下土壤容重和土壤侵蝕模數(shù)均相對(duì)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(yǎng)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(zhǎng)高度,改善水土流失狀況,建議在該區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí),可選用WAD措施進(jìn)行植被建植。