峽江水利樞紐庫區抬田土壤肥力及水分變化規律分析

鄧海龍，許亞群，謝亨旺，王少華，劉方平，李 昂，李 桓

(江西省灌溉試驗中心站(江西省農業高效節水與面源污染防治重點實驗室)，南昌 330201)

抬田工程土層結構是指抬田工程中為避免耕地淹沒及作物澇漬災害，保持耕作土壤水肥，而進行的耕地土層結構設計，自下而上分為墊高層、保水層和耕作層。抬田工程的施工工藝流程為：施工準備→耕作土層剝離與堆放→墊高層土石方填筑與驗收→保水層填筑與驗收→耕作土回填、攤平→ 道路工程施工→田間工程施工→施工結束[1]。耕作層利用剝離的原耕作層回填以保證作物較好的生長；保水層由防滲性能較好的黏土組成以防止灌溉水分過快產生深層滲漏，同時可以防止庫水上漲頂托對作物根部的浸泡；底部墊高層采用當地風化料或砂礫石填筑[2-7]。目前多元結構地基抬田的關鍵控制技術在國內外尚無理論依據和實踐經驗[4-6]，本文以江西省峽江庫區吉水縣水田鄉富口村抬田區土壤為研究對象，地處東經115°06′，北緯27°23′，位于761縣道旁邊，距水田鄉鄉鎮府約5.8 km，距105國道約14.0～14.5 km，抬田區面積為13.73 hm2，耕地高抬至高于水庫正常蓄水位0.5～1 m，田面高程實際抬高的高度為1.5～3.5 m，并對抬高后的耕地配套田間工程,完善農田灌排條件，使被抬高后的耕地滿足農業生產要求。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在富口村抬田區選擇具有代表性的田塊為研究對象，選取的已抬田區與未抬田區試驗田均屬于同一戶村民的責任田，且相距不遠，建立試驗示范區和對照區。抬田示范區耕作層土壤干容重為1.51 g/cm3，土壤孔隙度為33.82%，滲透系數為1.75×10-5，基地肥力為：有機質含量2.30%，全氮含量0.122%，全磷0.081%，全鉀1.41%，堿解氮119 mg/kg，速效磷10.6 mg/kg，速效鉀28 mg/kg。

未抬田對照區耕層土壤干容重為1.35 g/cm3，土壤孔隙度為39.93%，滲透系數為1.79×10-5基礎肥力為：有機質含量2.73%，全氮含量0.16%，全磷0.09%，全鉀1.18%，堿解氮124 mg/kg，速效磷6.57 mg/kg，速效鉀33.00 mg/kg。

設計采用的抬田結構由耕作層、保水層和底部墊高層組成，耕作層厚度為20～25 cm，土壤pH 值在5.5～8.0之間，有機質含量2.30%；黏土層(保水層)厚度為35～40 cm，壓實度為0.90，滲透系數k在(1.85～2.54)×10-6cm/s之間, 土料pH值在5.0～8.5之間。

墊高層厚度為抬田設計高程減耕作層厚度和保水層厚度，填筑材料為碎石風化料，不含植物根莖、垃圾等雜質，最大塊徑<50 cm，土料壓實度達到0.85以上。如上圖1所示。

圖1 抬田結構示意圖

1.2 試驗方法

采取田間試驗與理論分析相結合的方法。

2 試驗處理設計

2.1 試驗設計說明

(1)試驗因素。耕作層土壤TR：分為已抬田水稻耕作區TR1與未抬田水稻耕作區TR2。

(2)處理設計。本試驗設立已抬田水稻耕作區TR1與未抬田水稻耕作區和TR2，進行耕作層土壤肥力狀況的跟蹤調查，各處理重復3次，則共計6個試驗區。

(3)灌水處理。采取當地習慣的灌溉制度處理淹水灌溉制度。

(4)其他栽培措施。

①播種：供試品種為水稻，早稻為湖南矮，晚稻為白玉絲苗，皆為當地主栽培作物。

②施肥：按照當地習慣性施肥水平，農家肥(豬糞180擔/hm2)+基肥(45%復合肥)450 kg/hm2，追施尿素2次(46%的尿素，在移栽后10～12 d施分蘗肥112.5 kg/hm2，尿素+除草劑，移栽后35～40 d施拔節孕穗肥尿素75 kg/hm2)，并在拔節孕穗期施KCl一次，用量112.5 kg/hm2。

③追肥一般在降雨后或灌溉時進行，先施肥，再灌溉，追肥后5 d內不排水，以免造成肥料的損失。

④整地時，采取干耕，干耙的方式，在試驗處理之間修筑20 cm高，20 cm寬的田埂，并用薄膜進行防滲處理(防滲深度為50 cm)，防止處理之間串水串肥，影響試驗效果。

⑤雜草控制方面：通過人工鋤草和除草劑相結合的方式來控制雜草的生長。

⑥病蟲害防治方面：通過噴施農藥來控制，打藥和日常田間管理均相同。

2.2 測定項目與方法

通過在試驗區定期采集土樣，進行土壤理化性質的測定。

(1)土樣的采集時間。早稻耕作泡田前1周、早稻收割后2 d、晚稻收割后1周，分別調查取樣，進行測定，全年共測定3次，取樣做到具有代表性，采取五點法取樣。用特制的取樣器采集土樣；土樣采回后自然風干，研磨后測定。

(2)土樣的理化性質的測定。土壤pH值采用pH計測定(水土比1∶1)，全氮采用濃硫酸加高氯酸消化，凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用鉬銻抗比色法測定；有機質采用重鉻酸鉀加濃硫酸外加熱法測定；速效鉀采用1 mol/L的醋酸鈉提取、火焰光度計測定。

3 結果與分析

3.1 抬田區土壤肥力指標演變分析

3.1.1不同處理中耕作層土壤有機質含量變化規律

根據2010-2013年抬田試驗典型田塊的定點取樣測定數據分析得出(變化趨勢見圖2所示)：由于抬田示范區在抬田工程實施之前，該區域的農田地勢比較低，常年積水，耕作條件較差，土壤質地也較差，幾乎不耕作，呈現出耕作層土壤的有機質含量低于未抬田對照區的有機質含量。抬田工程實施后，該區域恢復了農田耕作，給水稻植株提供了礦質營養和有機營養，導致抬田區耕作層土壤有機質含量在2010年與2011年水稻耕作后呈現下降的趨勢，2011年晚稻收割后，通過種植綠肥+秸稈還田措施處理后，并在2012年施用農家肥后，試驗區有機質含量略有改善，2013年晚稻收割后的土壤取樣數據分析顯示：與2012年同期相比，抬田示范區有機質含量略有增加，增幅為4.1%。

圖2 抬田區耕作層土壤有機質含量變化曲線

3.1.2不同處理中耕作層土壤全氮含量變化規律

由圖2、圖3表明：抬田示范區與未抬田對照區土壤全氮消長趨勢與有機質基本一致，且示范區與對照區耕作層土壤全氮含量分布規律與有機質一致，抬田工程實施后，原有的耕作層土壤結構受到了擾動，土壤的通氣狀況、耐肥性、保墑性、耕性受到了影響，農戶在實際的生產耕作，伴隨著氮肥的施用，種植綠肥、秸稈還田措施處理后，抬田示范區和未抬田對照區耕作層土壤全氮含量在2011年7月之后呈現出增加的趨勢。

圖3 抬田區耕作層土壤全氮含量變化曲線

3.1.3不同處理中耕作層土壤堿解氮含量變化規律

從圖4可以看出：抬田示范區耕作層土壤堿解氮的含量低于未抬田耕作層的含量，且隨著水稻種植，呈現出下降的趨勢，到2013年，抬田示范區耕作層土壤堿解氮含量基本趨于穩定。分析原因為原有的耕作層土壤結構受到了擾動，土壤保肥性能在一定程度上有所變化，水稻生長所需土壤養分含量在一定程度上受到破壞；其次，擾動后的土壤水熱條件發生了變化，堿解氮在土壤中的含量不夠穩定。

圖4 抬田區耕作層土壤堿解氮含量變化曲線

3.1.4不同處理中耕作層土壤有效磷含量變化規律

土壤有效磷的含量是判斷土壤肥力高低的一項重要指標，它反映了該土壤供磷能力的大小。從圖5可以看出：抬田示范區耕作層土壤與未抬田對照區耕作層土壤均隨著種植時間推移，有效磷的含量呈現出逐漸較少的趨勢，且低于未抬田對照區耕作層土壤的有效磷含量，與有機質含量、全氮、堿解氮含量的變化規律相似。分析原因為抬田工程實施后，耕作層土壤受到到了擾動，水稻生長所需土壤養分含量在一定程度上受到破壞，土壤保肥性能在一定程度上有所降低。在2011年晚稻收割后采取種植綠肥+秸桿還田措施處理后，抬田示范區耕作層土壤有效磷的含量隨著土壤有機質含量的增加而增加，抬田區耕作層土壤得到了一些改善。2011年7月份水稻收割后取樣測定的數據偏大，原因分析有以下兩點：①土壤研磨時摻雜了稻根；②土壤樣品化驗測定時產生的試驗誤差。

圖5 抬田區耕作層土壤有效磷含量變化曲線

3.1.5不同處理中耕作層土壤速效鉀含量變化規律

速效養分一般是土壤中水溶性和交換態的養分，植物可直接吸收利用或者可以很快從土壤膠體上交換出來供植物利用的養分。從圖6可以看出：未抬田對照區土壤速效鉀含量呈下降趨勢，分析其主要原因為連年鉀素入不敷出，而抬田示范區耕作層土壤的速效鉀含量呈波動變化，但是減少的并不明顯。土壤中速效鉀的含量，抬田示范區比未抬田對照區更穩定。2011年晚稻收割后年采取種植綠肥+秸桿還田措施處理后，抬田示范區耕作層土壤速效鉀的含量隨著土壤有機質含量的增加而得到一定的改善。2013年4月由于取樣時，由于試驗區翻田前就施用一定量的了農家肥。處檢測指標分析可以看出速效鉀的含量與歷年同期相比略高。

圖6 抬田區耕作層土壤速效鉀含量變化曲線

3.2 抬田區土壤水分指標演變分析

3.2.1抬田區土壤耕作層飽和含水量變化規律分析

土壤飽和含水量(saturated moisture)是指土壤顆粒間所有孔隙都充滿水時的含水量，亦稱持水度。掌握飽和含水量狀況即可大體了解土壤的持水特性和釋水性質，對土壤剖面的水分含量計算、推求土壤給水度、預告地下水位因降水、灌溉和抽水、排水的升高或降低值，都是一個重要指標, 對于指導農業生產具有十分重要的意義。

農田土壤的耕翻深度耕作層一般在18～22 cm,是經常經歷人類農事活動和外界自然因素影響的層次,其物理性質也會發生周期性的變,在以年為單位的農業生產周期內，土壤耕翻的直接結果是土壤地表板結層的破壞耕層土壤密實度的減小和孔隙狀況的改變土壤密實度和孔隙狀況的改變必然導致其保持水分能力的變化[2]。而位于地面以下的犁底層和心土層的土壤其密實度相對穩定保持水分能力相對穩定即田間持水率相對穩定。

因此研究抬田后土壤耕作層不同時期不同土壤密實度條件下土壤持水能力具有重要。

由表1分析可知：抬田區耕作層土壤的飽和含水量會隨土壤干容重的增大而減小，與容重成反比。2011年10月選取的抬田示范試驗區經過一年的水稻耕作，回填的耕作層土壤通過翻耕與耕作，容重基本穩定。通過2011-2012年四次取樣測定分析顯示：耕作層土壤的容重雖然呈現出增大的趨勢，但是飽和含水量呈現出增加的趨勢，逐漸恢復到抬田前的標準。

3.2.2抬田區保水層(犁底層+防滲層)土壤飽和滲透速率變化規律分析

由表2分析可知，抬田水稻種植區的保水層滲透系數低于未抬田水稻種植區保水層的滲透系數(9.89×10-6cm/s)，說明經過抬田處理的水稻種植區犁底層的保水性能更好，有利于減少土壤中養分隨著水分的滲漏而流失，起到了保水的效果。但是，由于施工因素的影響，保水層在施工碾壓的過程中，施工機械在項目區往返行駛，導致壓實度超過了設計值(0.9)，保水層的飽和滲透速率低于設計值(1.79×10-6cm/s)。

表1 抬田區耕作層土壤干容重及飽和含水量調查統計結果

表2 抬田區保水層(犁底層+防滲層)土壤飽和滲透速率測定結果

通過現場取樣測定分析可以看出：2012年保水層的飽和滲透系數平均值為2.97×10-7cm/s，變化幅度不是很大；容重的平均值為1.62 g/cm3，較2011年略有增大，但是增幅較小，從而可以得出保水層結構保水性能基本穩定。

4 結論與建議

4.1 結 論

通過四年的水稻種植試驗，通過定點追蹤調查抬田示范區與未抬田對照區耕作層土壤的養分指標及土壤水分指標，得出以下結論：

(1)抬田示范區水稻耕作層土壤的有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等指標含量均受到抬田工程土壤擾動的影響，土壤結構性能及保肥性能受到破壞，整體呈現出下降趨勢，土壤養分含量在一定程度上有所降低，水稻生長所需土壤養分含量在一定程度上受到破壞。

(2)經過四年水稻種植試驗分析得出：通過施用農家肥，在晚稻收割后配合種植綠肥+秸稈還田農藝措施處理，同時配套田間灌排工程，抬田區耕作層土壤部分養分指標能接近于抬田前的耕作層土壤養分的標準，耕作層土壤基礎地力在一定程度能得到有效地改良。

(3)抬田區耕作層土壤的干容重較抬田前有所降低，田間持水率得到一定程度的提高，表明土壤結構性能得到了一定程度改善。

(4)墊高層和保水層土壤在回填時，各指標參數由于受到施工工藝的影響，壓實度會超過設計的控制標準，導致抬田區土壤在“水、肥、氣、熱”的綜合調控方面與原狀土壤存在一定的差異；其次，抬田工程實施后對土壤起到了良好的平整，使得原來零散的耕地資源整合成完整的大面積農田，這不僅有利于后續的耕作，同時對生態多樣性以及農田的生態功能的調節具有積極的作用。

4.2 建 議

今后在抬田項目區進行灌排溝渠規劃設計時，渠道底部應在保水層上，底部與墊高層的距離應大于10 cm以上；渠道底部若落在墊高層內，渠道底部和含有墊高層的側面應按照保水層的要求用黏土或壤土夯實，形成弱透水層。

其次，今后在抬田施工過程中，在表層土剝離后建議做好保護措施，分片區管理，嚴格控制施工工藝及施工質量，加強監督與管理，施工與監理單位要協調好與村民的關系，同時，政府也要充分地發揮政府監管職能。再之，在開挖廢棄料用于基礎填料，其厚度較大區域時，若廢棄料為風化石料，則應加以適當碾壓，做好過渡層的級配，防止今后土層沉降，造成黏土層漏水。當基礎料為砂礫石料時，應采用水沖法密實。并做好各項技術指標的檢測工作，嚴格控制施工質量，防止抬田區土壤結構出現較大幅度的沉降，超出允許的范圍。

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