黃河泥沙充填復墾農田生產力障礙因素調查分析

王培俊 華寶龍 孫 煌 范勝龍 楊耀淇 胡振琪

(1.福建農林大學 公共管理學院，福州 350002；2.北京大學 經濟學院，北京 100871；3.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

土地資源是人類生存的最寶貴資源，關系著人類的糧食安全和生態安全。煤炭是中國重要的一次性能源[1]，其大規模開采，為國民經濟發展提供能源支撐的同時，也對土地造成了破壞[2]。據測算，井工煤礦開采的萬噸煤炭塌陷率平均為0.2 hm2，根據2017年研究，中國采煤沉陷區面積約200萬 hm2，而且每年還以7萬 hm2的速度遞增[3]。中國是一個人口大國，人地矛盾十分突出，采煤沉陷使土地損壞，失去生產能力，嚴重威脅中國的糧食安全；同時采煤沉陷破壞了生態環境，對中國生態文明建設也構成了嚴峻挑戰。為積極實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略[4]和生態文明建設[5]，確保國家糧食安全和生態安全，胡振琪等[6]首先提出并實踐了引黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地的技術。目前，黃河泥沙充填復墾研究主要集中于充填復墾物料[7]、技術流程[8-10]、覆土材料[11]和復墾后土壤剖面理化性質[12-13]等方面，對復墾農田生產力及障礙因素的研究較少且主要集中在土壤理化性質方面[14-15]，對農戶耕作管理因素的研究尚無報道。

Guo等[16]和Liu等[17]研究表明，農戶不合理的施肥和灌溉等耕作管理，不僅影響作物產量、品質和生產效益，還會造成資源浪費，污染大氣、水體和土壤環境。Chen等[18-19]研究表明，土壤-作物系統綜合管理(ISSM)技術使玉米產量和資源效率翻番，使小麥、玉米和水稻平均增產30%，溫室氣體排放減少40 %，氮素排放減少50 %，同時保障糧食安全、環境安全和改善農產品品質。Zhang等[20]研究表明，通過科技小院向小農戶傳授科學耕作管理知識，讓小農戶實現了增產增效。劉保花等[21]研究表明當前全世界小麥、玉米的平均產量潛力分別為6.7和11.2 t/hm2，農戶產量分別實現了產量潛力的60%和53%，產量還有很大的提升空間。Duvick等[22-24]研究表明，美國玉米產量增加的40%～60%歸功于農田管理、肥料和栽培技術的提高以及玉米雜種優勢的利用等，其中施肥量、灌溉量和播種密度的增加和機械化程度的提高等栽培管理措施的貢獻尤為重要。前人的這些研究成果表明，農戶的耕作管理對提升作物產量和改善生態環境的確發揮著重要作用，在提高黃河泥沙充填復墾農田生產力的研究過程中，應當對農戶的耕作管理信息予以重點關注。為此，本研究通過農戶問卷調查并結合定點采樣分析的方法，對黃河泥沙充填復墾農田小麥生產力及障礙因素進行了研究，以期為黃河泥沙充填復墾農田作物增產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河泥沙充填復墾區位于山東省德州市齊河縣邱集煤礦西南側，于2008年結束煤炭開采，已達到沉陷穩定狀態，沉陷深度為0.50～2.22 m。實驗室團隊于2012—2015年分2期利用黃河泥沙在采煤沉陷穩定區進行了充填復墾，總面積為53.33 hm2。本次研究區為采用間隔條帶式加速排水一次充填復墾技術形成的第一期充填復墾區，面積為34.67 hm2。問卷調查區域在復墾農田周邊的2個村莊(梅莊和石廟楊村)，具體位置見(圖1)。該區域屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，平均降水量為645.9 mm，降水有明顯的季節性，多集中在6月下旬—9月下旬，占全年的76.4 %左右，多年平均蒸發量1 700 mm，全年無霜期平均210 d左右。研究區域土壤以潮土、鹽化潮土、沖積土為主，pH一般為6.5～8.5。研究區域種植結構主要為小麥-玉米輪作。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of the research area

1.2 研究方法

1.2.1農戶問卷調查

在山東省邱集煤礦充填復墾農田周邊的梅莊和石廟楊村進行農戶耕作管理信息問卷調查，由于這2個村為小型村莊，農戶數量較少，且耕種復墾農田的農戶數量有限，因而本次調查的復墾農田農戶數量為47戶，正常農田農戶35戶。具體調查內容包括：農作物品種、產量、施肥時間、施肥種類、施肥量、灌溉時間、灌溉方式和灌溉量等。

1.2.2定點采樣分析

在問卷調查的基礎上，將黃河泥沙充填復墾區域按照泥沙充填后覆土厚度的不同(覆土厚度：HC1=70 cm，HC2=50 cm，HC3=30 cm)劃分成3個區域，在附近選取正常農田作為對照研究區域，采樣區土壤剖面構型具體見(圖2)。每個區域內布設5個采樣點，采樣點間距>50 m，共計20個采樣點。采集表層(0～20 cm)土壤帶回實驗室進行土壤養分狀況分析，指標有土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀。在農作物收獲后對其產量進行測算。

圖2 采樣區土壤剖面構型Fig.2 Soil profile configuration of sampling area

1.2.3肥料效率計算方法

選用肥料偏生產力作為肥料效率評價指標，公式為:

PFP=Y/F

式中：PFP代表氮肥(N)、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)偏生產力，kg/kg；Y代表作物單產，kg/hm2；F代表單位面積施肥量，kg/hm2。

1.2.4數據處理

土壤樣品帶回實驗室，按常規方法做前期處理。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用半定量凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定；速效鉀采用1.0 mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度法測定[25]。

研究中的所有數據采用Excel 2016和SPSS 21.0軟件進行整理分析，用Origin Pro 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 覆土厚度對小麥實際產量的影響

從圖3可知，黃河泥沙充填復墾農田小麥產量和正常農田存在不同程度的差異，隨著覆土厚度的減小，小麥產量呈現遞減趨勢。覆土厚度70 cm的采樣點，小麥產量比覆土厚度30 cm的采樣點高出28.57 %。覆土厚度30 cm的采樣點，小麥產量只有正常農田的70 %，與正常農田相比，還有很大的增產空間。

圖3 不同覆土厚度復墾農田小麥實際產量Fig.3 Actual wheat yield of reclaimed farmlands with different covering soil thickness

2.2 表層土壤養分對小麥實際產量的影響

由圖3和表1可知，正常農田土壤有機質、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量高于黃河泥沙充填復墾農田，其小麥產量也高于復墾農田，說明土壤有機質、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量整體上與研究區小麥產量成正相關。兩類農田土壤總鉀與有效鉀含量差異不大。結合第二次全國土壤普查養分分級標準[26-27]可知，黃河泥沙充填復墾農田土壤有機質含量位于五級；總氮含量在五級及以下；總磷含量在二級；堿解氮含量在四級及以下；有效磷含量在三級及以下；總鉀含量在三級；有效鉀含量在二級左右。因此，充填復墾農田土壤肥力狀況整體較差，尤其是土壤有機質、總氮和堿解氮含量很低，影響小麥產量的提升。表1還顯示充填復墾農田土壤養分變異性整體較對照農田大，這可能與黃河泥沙充填復墾施工過程中表土、心土的剝離、堆放及回填，導致復墾農田耕作層土壤物理性質發生變化，進而引起土壤養分的變化有關。

表1 復墾農田和對照農田表層土壤養分狀況Table 1 Surface soil status of reclaimed and normal farmlands

2.3 施肥情況對小麥調查產量的影響

由表2和圖4可知，復墾農田施肥量整體高于正常農田，復墾農田氮肥使用量平均為359.35 kg/hm2，正常農田氮肥使用量平均為336.66 kg/hm2，高出正常農田22.69 kg/hm2，磷肥和鉀肥則相當。李健敏等[28]研究發現，山東省小麥最佳施肥量：N為182.02 kg/hm2，P2O5為82.58 kg/hm2，K2O為83.22 kg/hm2；小麥產量為9 444.19 kg/hm2。研究區復墾農田和正常農田氮肥施用量分別為最佳施氮量的1.97和1.85倍。研究區復墾農田平均施肥總量569.16 kg/hm2，正常農田平均施肥總量545.82 kg/hm2，二者均遠高于2015年全國農作物平均施肥量361.99 kg/hm2，分別超出發達國家設置的 225 kg/hm2的安全施肥量上限152.96%和142.59%。

從表2可知，研究區復墾農田和正常農田小麥平均氮肥偏生產力分別為22.31和25.63 kg/kg。Ladha等[29]研究發現，全球小麥平均氮肥偏生產力為44.00 kg/kg，研究區氮肥偏生產力明顯低于世界平均水平。研究區復墾農田和正常農田N、P、K施用比例分別為1.00∶0.29∶0.29，1.00∶0.31∶0.31。文獻[28]研究發現山東省2015年小麥N、P和K平均施肥量比例為1.00∶0.58∶0.38。對照可以發現，研究區N、P和K施用比例失衡，過于傾向施用氮肥，磷肥和鉀肥施用量較少。

表2 復墾農田和正常農田肥料投入、效率和施用比例Table 2 Fertilizer input, efficiency and application proportion of reclaimed and normal farmlands

相同施肥量下的不同小麥產量代表不同農戶的調查產量。Different wheat yields under the same amount of fertilization represent the investigated yields of different farmers.圖4 農戶習慣施肥量對小麥調查產量的影響Fig.4 Effect of farmer habitual application of fertilizer on investigated wheat yield

通過圖4可知，復墾農田氮肥用量與產量之間的關系變化較大，不如正常農田穩定。復墾農田和正常農田在磷肥和鉀肥的用量上則相當，且復墾農田施肥量與產量的關系變化較正常農田大。同時可以看出，施肥量在一定程度上有助于產量提升，但施肥過量后會對產量起到抑制作用，這符合肥料報酬遞減規律。通過調查得知，研究區農戶一般會在小麥生長過程中施肥2次以上，第一次是在播種時，用作基肥，所施肥量最大，多為復合肥料；第二次在返青時，結合灌水追施一定的復合肥或尿素；第三次在小麥拔節時，會再追施一定尿素；其他時間段，農戶會根據小麥生長情況追施一定肥料。

2.4 灌水情況對小麥調查產量的影響

從圖5可知，研究區內灌溉量對小麥產量呈現一定的正相關關系，復墾農田的灌溉量要高于正常農田，這與復墾農田的土壤剖面構型有關。如圖2所示，復墾農田是人為重構的土壤，其土壤剖面為“上土下沙”的構型，使得水分容易入滲，保水能力較差，所以需水量較大。研究區農戶一般采用大水漫灌的形式灌溉，且一次性灌溉量較大，大部分農戶會在小麥返青和拔節時灌溉2次，少部分農戶只在返青時灌溉1次。

圖5 灌溉量對小麥調查產量的影響Fig.5 Effect of irrigation volume on investigated wheat yield

研究區小麥平均調查產量與平均施肥量、灌溉量、施肥次數和灌溉次數的相關性分析結果如表3所示。復墾農田小麥平均調查產量與灌溉量在0.01水平上顯著相關。復墾農田“上土下沙”的土壤剖面構型保水性能差，而研究區農民又習慣于大水漫灌，田間過飽和的水很快入滲流失，復墾農田容易受旱，導致灌溉量對小麥產量具有顯著影響。此外，施磷量、施肥次數、灌溉次數與復墾農田小麥平均調查產量成正相關，而施氮量與施鉀量與復墾農田小麥平均調查產量成負相關。從表2可知復墾農田氮肥已經施用過量，而復墾農田土壤總鉀與有效鉀含量較高，并不缺鉀肥，因此再施氮肥和鉀肥會對小麥產量產生負面影響。正常農田小麥產量也與灌溉量在0.01水平上顯著相關，與施肥次數在0.05水平上顯著相關。因此，研究區兩類農田灌溉與施肥均應遵循少量多次的原則，并且應多施磷肥，減少氮肥和鉀肥的過量施用。

2.5 品種對小麥調查產量的影響

由表4可知，在研究區內，正常農田3個小麥品種的平均產量均高于復墾農田，正常農田3個小麥品種產量差異不顯著，復墾農田“濟麥22”和“良星77”的產量與“良星99”的產量存在顯著差異(P<0.05)。復墾農田“濟麥22”產量變異性比正常農田小，穩定性強，而“良星77”和“良星99”的產量變異性比正常農田大，穩定性較差。袁園園等[30]研究發現，在山東省，“濟麥22”平均產量為8 035.58 kg/hm2，“良星77”平均產量為8 035.65 kg/hm2，“良星99”平均產量為8 042.25 kg/hm2，說明3個小麥品種都是高產品種。對比目前研究區農戶調查產量，可以發現黃河泥沙充填復墾農田“濟麥22”的產量最高，“良星77”和“良星99”在復墾農田分別存在11.41%和20.36%的增產空間。

表3 研究區小麥平均調查產量與平均施肥量、灌溉量、施肥次數和灌溉次數的相關性分析Table 3 Analysis of the correlation between average investigated yield of wheat and average fertilization amount,irrigation amount, fertilization times and irrigation times in the research area

表4 品種對小麥調查產量的影響Table 4 Effect of different varieties on investigated wheat yield

3 結 論

本研究通過對山東省邱集煤礦黃河泥沙充填復墾農田的農戶問卷調查和定點采樣分析，得到以下結論：

1)黃河泥沙充填復墾覆土厚度影響小麥實際產量，隨著覆土厚度的減小，小麥實際產量呈現遞減趨勢。土壤有機質、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量整體上與研究區農田小麥實際產量成正相關。

2)施肥量對黃河泥沙充填復墾農田小麥調查產量的影響不穩定性較強；耕種復墾農田的農戶習慣施肥量存在嚴重過高現象，且肥料施用比例失衡。建議農戶在耕作管理過程中采取少量多次的施肥方式，并注意肥料種類的搭配，避免施肥單一化，同時應多進行農作物秸稈還田。

3)研究區兩類農田小麥調查產量與灌溉量均在0.01水平上顯著相關，建議農戶在耕作管理過程中采取少量多次的灌溉方式。“濟麥22”是黃河泥沙充填復墾農田調查產量最高的小麥品種，“良星77”和“良星99”在復墾農田分別存在11.41%和20.36%的增產空間。

4)黃河泥沙充填復墾在研究區是可行的，但農戶在耕作管理過程中應當注意農作物秸稈還田，培肥地力、提高土壤保水保肥能力等。