LI-2100 | 全自动真空冷凝抽提系统在矿区生态修复方面的应用
日期：
2025-03-06
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水分是限制植物生长的关键因素，特别是在全球气候变化的背景下，干旱半干旱地区的生态水文过程和植被水分利用策略受到显著影响。煤矿开采，尤其是露天矿，对环境破坏严重。黑岱沟露天煤矿位于黄土高原生态脆弱区，矿区的生态修复已成为重点工作。排土场的植被恢复对于合理利用水土资源和促进煤矿可持续发展至关重要。
目前，矿区生态修复中的水问题研究主要集中在土壤水文效应、物理性质和坡面侵蚀等方面，但对植物水源及其利用机制的定量研究较少。利用稳定同位素技术，可以高效分析植物的水源，并通过多源混合模型量化各水源的贡献率。例如，深根植物通常利用深层土壤水，而浅根植物则更多依赖浅层水分。由于煤矿开采扰动了土壤结构，植物的水源利用方式与自然状态下有所不同。此外，雨季的不同月份中，植物水源及其利用机制也存在差异。
因此，本研究以黑岱沟露天矿排土场为例，分析蒙古松、柠条和紫花苜蓿在雨季的水分来源及其利用机制，并提出两项假设：H1，三种植物的水源可能相似；H2，不同月份的水源利用程度会有所不同。
研究区黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部（图1），矿区属温带半干旱大陆性气候，海拔1256m，年平均气温7.2 ℃，年平均降雨量408mm。研究期间，6月至8月的总降雨量占全年的70%以上。无霜期在125至150天之间，平均日照时数为3119.3 h。矿区排土场为多级台地式排土场，由捣蒜沟排土场、东排土场、北排土场、西排土场、内排土场、东排土场6座排土场组成。土壤类型以黄绵土为主，养分含量较低。该区植被属暖温带草原区，以低矮稀疏的天然植被为主，盖度不足30%，优势种有长山针茅、蒙古百里香、赖草等。排土场内人工植被有柠条、臭柏、山杏等（表1）。
图1. 研究区域的位置
表1. 研究区域概况
选择3种典型的可恢复样地的植物作为研究对象，即蒙古杨样地、柠条样地和苜蓿样地（图2）。试验于2023年6月至8月的雨季进行。每月样品采集2天，天气晴朗、无云，前3天无降雨事件。每分钟记录一次数据，连续观测研究期间该地区的降雨量（mm）、大气温度（℃）和空气相对湿度（%）。每个样地选取3株生长状况较好的代表性植物，这些植物可以典型地反映整个试验地的生长水平。采集每株植物的木质部枝条，同时进行降水和土壤采样。
图2. 三种植物的图像
在每个样地选取3株长势良好、形态相似的植物作为样本，每株重复采集3次枝条以减少误差。木本植物剪取4~6个未绿抽薹枝条，剥皮露出韧皮部，每条长3~5 cm；草本植物剪取根茎最粗部分。样品立即放入30mL棕色螺旋盖玻璃瓶中，封口后低温保存。每株植物冠层上方采集10~15片健康向阳叶片，包裹锡箔纸后冷藏带回实验室，测定木质部和叶片中的氢、氧稳定同位素值。
在每株植物附近1m范围内，使用土壤钻从0~100cm深度分10层采集土壤样品。部分样品用于测量土壤含水量，另一部分放入30mL棕色螺旋盖玻璃瓶中，封口后冷藏保存，备用于测定土壤水中的氢、氧稳定同位素值。
矿区试验场放置雨水收集器，使用塑料漏斗和铁皮桶收集雨水。每次降雨后，将雨水移至30mL棕色瓶中，封口并记录降雨日期，样品低温保存，备用于氢、氧稳定同位素（δ²H、δ¹⁸O）的测定。
研究期间共采集了36个雨水样品、288个植物样品和1080个土壤样品。样品采集一周后，采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）从树枝、树叶和土壤样品中提取水分，水提取率为99％。过滤后的水样采用液态水同位素分析仪测定稳定的氢、氧同位素组成。将所得数据与标准平均海水（SMOW）进行比较计算样品中的δ2H和δ18O值。
图3. 研究区域降水量、气温、相对湿度在(a)月尺度和(b)季尺度的变化特征
研究区降水、气温、相对湿度的季节变化特征如图3b所示。从季节尺度上可以看出，降水主要集中在夏季，夏季总降水量为539.68 mm，占年降水总量的70.27%。降水量大小顺序为：夏季（539.68 mm）>春季（107.42 mm）>秋季（106.28 mm）>冬季（14.6 mm）。春季天气相对干燥，相对湿度较低，秋季降水充沛，相对湿度较高，降水与气温表现出较好的协同性。相对湿度大小顺序为：秋季（55.21%）>夏季（53.28%）>冬季（42.98%）>春季（30.33%）。
图4. 不同土层土壤含水量特征及土壤水δ2H和δ18O值。（（A–C）：代表樟子松地点；（D–F）：代表柠条地点；（G–I）：代表紫花苜蓿地点）
图5. 土壤水LC过量值的垂直分布特征。（（a–c）：代表从6月到8月的月份）
图6. 研究区域 6-8 月降水、土壤水、茎水和叶水中 δ2H 与 δ18O 关系：（a）樟子松地点，（b）柠条地点，（c）紫花苜蓿地点；GMWL：全球大气降水线；LMWL：局部大气降水线；SWL：土壤水线；PWL：植物水线；LWL：叶水线
图7. 樟子松、柠条、紫花苜蓿茎水和土壤水δ18O变化。（A–C）：代表樟子松；（D–F）：代表柠条；（G–I）：代表紫花苜蓿）
图8. 樟子松、柠条、紫花苜蓿对潜在水源的利用率。（PS：樟子松；CK：柠条；MS：紫花苜蓿）（（a–c）：代表从6月到8月的月份）
本研究利用氢、氧稳定同位素和IsoSource模型，对黑岱沟露天矿排土场典型恢复性植物樟子松、柠条和苜蓿吸水来源进行了研究。结果表明，3种植物的吸水来源均以土壤水为主，在雨季不同时期，植物能根据土壤水分情况改变吸水深度。在土壤水分充足的条件下（6月份），樟子松和苜蓿主要吸收浅层和中层土壤（0～60 cm）水分，利用率分别为55.5%和59%；柠条吸水深度较为均衡，浅层、中层和深层土壤水的吸水比例差别不大。当土壤含水量降低时（8月），深层土壤水（60~100 cm）成为3种植物吸水的主要来源，利用率均在71.7%以上。对于干旱半干旱地区植物的生存而言，土壤水分补给的转化机制是关键的生态水文过程。此外，柠条的水分利用模式具有明显的可塑性，其吸水深度会随着土壤水分有效性的变化而调整，能够灵活利用各层土壤水分，干旱时可以转换利用程度以适应环境变化，可能比樟子松和紫花苜蓿更适合当地排土场的半干旱环境。研究结果可为今后排土场的生态植被恢复和生态系统管理提供参考。