高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究.pdf
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1、2023 年 10 月Oct.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.043高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究(徐州矿务集团有限公司哈密能源公司,新疆 哈密 869009)摘要 新疆哈密大南湖矿区西区五号矿井地层含水层富水量大,且为高含盐矿井水,水处理设施运行成本高,导致企业经营困难,亟待拓展矿井水综合利用途径,降低环保治理成本,实现由治理到适应的转变。在矿区建设3.3 hm2试验田,探索不同植物的耐盐程度、高盐水对植物生长影响以及灌溉后土壤中含盐量的变化规律等,找出最大限度综合利用矿井水绿化生态环境、降低企业对废弃物的处理成本的
2、有效途径。试验结果对于在该矿区及类似矿区大规模推广高盐矿井水资源化综合利用高盐渍区荒漠造林修复生态的工作具有指导意义。关键词 高盐矿井水;综合利用;荒漠造林;3.3 hm2试验田;检测结果和分析中图分类号 S728.1文献标识码 B文章编号1672蛳9943(2023)05蛳0136蛳041矿井地质概况徐矿集团哈密能源有限公司大南湖矿区西区五号矿井,位于新疆哈密市南吐哈煤田大南湖矿区西区东部,矿井设计生产能力为 4.00 Mt/a,于 2020年底正式投产。矿井为相对独立的水文地质单元,含水层富水量大,地下水以静储量为主。矿井投产时,矿井涌水量约 10 500 m3/d。目前,矿井涌水量约 7
3、 900 m3/d。矿井生产将伴随着充足的水源补给,随着矿井生产布局调整为上行开采,预计未来矿井日涌水量将长期保持在 7 000 m3/d 以上。矿井水样中 Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO2-、HCO-共计 6 种离子含量较高,其中Cl-含量可达 7 000 mg/L,水体总含盐量为 16 g/L,接近海水含盐量的一半。矿区地处中纬度亚欧大陆腹地,为典型的大陆温带极干旱气候区,为无地表植被的戈壁荒漠区,区域全年雨量稀少,周边 50 km 范围内无地表水系,年蒸发量超过 3 000 mm。矿区戈壁荒漠 0120 cm土层深度上土壤含盐量平均在 100 g/kg 左右,属于高含盐土壤。2
4、问题提出矿井高盐水处理成本为 22.45 元/m3,导致企业经营困难。因此,如何在保证矿区煤矿正常生产的情况下,拓展矿井水综合利用途径,降低环保治理成本,达到绿色矿山建设的要求,成为企业和地方发展迫在眉睫的问题。在矿区内近排区建设 3.3 hm2试验田,开展高矿化度咸水绿化试验。3国内外研究进展早在 1966 年,以色列科学家 Boyko 的研究首次证实,许多植物能够利用矿化水灌溉,对于砂土地甚至可利用海水灌溉咱员暂。目前为解决水资源短缺,全球各干旱与半干旱区已逐步开发利用咸水与微咸水资源用于农业与荒漠植被建设。因此合理开发咸水资源用于生态植被灌溉,不仅可以替代淡水,而且在一定程度上可以缓解农
5、林用水资源供需矛盾,并提高咸水资源的利用率。同时改善植被覆盖并减轻水土流失和荒漠化,有利于生态环境的保护和农林的可持续发展,为环境恢复提供了新的策略,对保障生态植被恢复及水资源可持续利用具有重要的理论意义和应用价值。4高盐环境植物生长机理及物种选择4.1咸水灌溉对植物生长的影响咸水灌溉会对土壤理化性质造成潜在恶化,改变土壤原有化学元素存在形式、土壤结构、土壤孔隙特征和土壤渗透性,进而影响土壤导水特性,使土壤水盐运移过程发生改变。同时咸水灌溉中既有植物所需的水分,又含有较多易溶性盐分离子抑制植物生长。在盐分胁迫下,植物体内离子的动态失衡影响植物对水分的利用,从而导致代谢受抑和膜受损,植物通常需要
6、更多的能量来适应恶劣环境并降低盐害的风险。要做到趋利避害则必须在咸水利用中了解其水盐动态和植物生理生长适应环境,把握好对它的调节与管理咱圆暂。能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51362023 年 10 月Oct.,2023专家们对咸水灌溉对植物生长的影响,做了大量的试验研究。李丙文教授等咱猿原源暂通过不同矿化度造林实验和对塔里木沙漠公路防护林工程沿线不同矿化度咸水灌溉林地进行定位调查,分析了不同矿化度咸水灌溉对乔木沙拐枣、梭梭和多枝柽柳 3种植物生长状况的影响。结果表明,随矿化度升高
7、,整体表现为抑制作用,矿化度在 20 g/L 以上时,梭梭不能结果,但成活和生长基本未受影响;乔木沙拐枣和多枝柽柳的存活阈值为 1520 g/L,抗盐阈值分别为 15、20 g/L。4.2高盐环境植物生长机理4.2.1盐胁迫对植物的影响植物在盐胁迫的环境下,由于高盐分的土壤中离子浓度较高,土壤的水势大大降低,导致植物细胞外的水势低于胞内,细胞内部的水分向外倒流,引起细胞失水。这对植物生长发育有着多方面的影响,主要包括损伤膜系统的完整性、抑制酶的活性、增加养分需求、破坏叶绿体的功能、引起代谢紊乱等。4.2.2耐盐机理及应对策略盐生植物一般会表现出许多适应旱生和盐生环境的特点,有的是通过改变自身结
8、构,有的则是靠改变外部形态和调节生理机制。目前,植物的耐盐机理研究己经深入到分子水平,植物的耐盐性状是一个由多基因控制的数量性状。植物的耐盐机理涉及多种基因和大分子的协调作用,与小分子物质积累、离子摄入和区域化以及基因表达等有关,如调渗蛋白、通道蛋白、质膜转运蛋白、晚期胚胎发生富集蛋白等。为保持细胞水分,维持正常生理代谢,盐生植物的细胞通过渗透调节、降低胞内水势,来完成水分的跨膜运输,朝着有利于细胞生长的方向流动,从而应对高盐环境的胁迫。4.3耐盐植物物种的选择4.3.1新疆 10 种常用耐盐植物在新疆诸多抗盐植被相关研究和案例中,耐盐植物的选择主要包括梭梭、白刺、红柳、沙拐枣、黑刺、盐穗木、
9、盐节木、盐生草、碱蓬、芦苇等 10 种,选定适合该地区种植的物种为梭梭、白刺、红柳、沙拐枣、芦苇等 5 种。4.3.2植物物种选用依据植物的耐盐能力及其对盐分胁迫的响应因物种差异而不同。盐胁迫下,幼苗的生长情况更能体现植物对盐的耐受程度,主要通过苗期根长、苗高、鲜重等来体现。研究指出,植物的存活率与其抗盐性能存在显著的相关关系,在盐胁迫下存活率越高,其耐盐性越高。也有大量的研究表明,盐胁迫程度因植物的发育阶段以及植物暴于盐渍条件下时间的长短而异。一般在幼苗和幼树阶段,抵抗力弱,而当植物度过这个阶段后,抗性增强,稳定性大大提高。一般认为,盐分对植物的生长发育具有显著地影响,当土壤含盐量超过一定限
10、度时,多数植物的生长就会受阻,甚至不能成活。从理论上来讲,任何植物都有一个耐抗盐的极限阈值。从实际生产应用角度来说,以死亡株数超过 50%时的土壤盐浓度为标准的存活阈值及以灌溉用水含盐量作为某一区域土壤类型条件下植物的应用阈值,更具有可操作性。53.3 hm2试验田的思路及布局5.1总体思路参考国内外关于高盐水利用途径、干旱盐碱地区耐盐植物选择,以及高盐水开展生态修复治理的影响因素和程度等的研究成果,结合新疆已经开展与高盐水利用相关案例的成果经验,针对矿区内高盐水资源化利用方式及方法进行研究探索。在试验期间定期开展生态监测及效果评估工作,为是否能大规模推广提供科学依据。5.2关键技术难点(1)
11、水盐调控关键技术。该技术主要针对滴灌设施的实施效果,滴灌是有最大下限深度的,通过调控滴头流量和持续时间控制盐分在土壤中的分布,分析滴灌后土壤湿润锋的变化情况,研究结果可以说明是否会对地下水产生影响。(2)微生物促进生长,抑制盐害损伤。在种植的过程中,配合微生物技术包的使用,让微生物促进幼苗根系的生长,并且为其生长补充养分,同时起到防盐害的作用,为植物的成活提供保障。5.3试验内容2022 年 412 月,在矿区内的近排区周边建设 3.3 hm2试验田,开展高盐矿井水资源化综合利用高盐渍区荒漠造林绿化试验。试验共布设 9 个试验小区,其中在精准定量试验中分析不同植物类型通过不同水质的灌溉试验,选
12、取适宜植物类型,为大规模绿化种植工程提供科学依据。在灌溉制度试验中探索不同灌溉水量和不同灌溉时间下,水盐运移变化规律以及对植物和环境的影响。5.4实施原则仝泽文高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究1372023 年 10 月Oct.,2023(1)坚持科学试验、合理布局的原则。结合自然现状特征和矿区企业实际发展需求,综合考虑地形、灌溉水量、植被类型等多个变量因子,设置试验和多个对照。(2)坚持采用乡土植物开展试验的原则。在结合矿区“盐漠”土壤和高盐水的实际条件下,试验区在物种选择方面,必须选取哈密地区当地已有的植被类型开展荒漠绿化工程。(3)坚持全面开展试验区生态监测任务原则
13、。研究成果的展示需要以科学合理的监测以及试验数据的统计分析为前提。5.5试验布局为便于条块化管理,结合地形实际情况将试验田划分 9 个试验小区。梭梭、白刺、红柳、沙拐枣等4 种重点一年生灌木苗木各种植 2 个小区,高大禾草芦苇种植 1 个小区;种植密度为 1 m1 m;采用滴灌灌溉方式,按 8、12、16 g/L 3 个高盐水灌溉梯度灌溉。6监测结果与分析6.1监测工作开展情况(1)本底情况调查。分别于 2021-09-272022-03-10 进行了项目区自然环境条件、水质情况和土壤情况本底调查分析。(2)野外监测与室内指标测定。分别于 2022-06-1007-21 和 2022-08-0
14、3 进行了植物成活率和长势监测,同时打钻采集不同灌水处理 0120 cm 土层土样,进行了土壤含水量和盐分的测定。6.2本底调查结果与分析(1)试验区水质检测结果。根据试验设计,用8、12、16 g/L 3 种不同矿化度的矿井水进行顺序灌溉。不同矿化度的水为矿井原水稀释而来,为此需要对矿井水的原水进行检测。检测结果显示:含盐量约 16 g/L,属于高含盐矿井水。其他成分指标满足三级以上的标准,短期内对土壤和环境不会产生显著影响。(2)试验区土壤检测结果。土壤是植被生长的必要条件之一。通过对试验区未种植前的土壤进行采样、检测,来预测土壤成分对种植后植被的长势情况影响。土壤检测结果显示:0120
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