引黃泥沙改良鹽堿農田土壤特性現場試驗研究

龐啟航，毛偉兵，韓小軍，李志超

（1.濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256603；2.山東農業大學，山東 泰安 271018）

黃河下游的引黃灌區均為無壩引水，由于黃河水含沙量大，而且粒徑較小，則使黃河水在為工農業發展提供了寶貴水資源的同時帶來了大量泥沙，引黃灌區出現了渠道泥沙淤積嚴重、泥沙處理負擔加重、排水河道淤積等問題[1]，同時引起了灌區土地退化、沙化與生態環境惡化等各種問題[2-4]，對人民群眾的生產、生活和社會經濟發展構成極大威脅，引黃泥沙問題已成為制約引黃灌區水沙資源開發利用和可持續發展的關鍵。針對這一問題，許多專家學者提出了很多解決措施，例如從水沙合理配置的角度出發，王延貴[5]結合引黃灌區水沙分布的特點和泥沙處理的經驗，提出了引黃灌區泥沙遠距離分散處理模式，把引黃泥沙按照一定的比例分配到渠道和田間，使泥沙形成的災害最小。盧紅偉[1]進一步總結了引黃灌區減沙沉沙技術、引水分沙技術、渠道輸水輸沙技術等水沙資源配置關鍵技術，提出促進引黃泥沙實現遠距離分散處理模式。另外一種解決思路是在解決引黃泥沙大量堆積問題的同時，考慮黃河三角洲存在的土壤鹽堿化、土地嚴重退化現象，利用引黃泥沙來改良鹽堿農田，作為解決黃河三角洲引黃灌區面臨的土壤鹽堿化和引黃泥沙大量堆積兩大突出問題的重要措施。例如，孫玉霞等[6]提出了黃河三角洲引黃泥沙資源化利用的總體思路，即根據泥沙沉積規律、土壤基本性狀、生態環境特點及相互適應性，主動配置和利用泥沙資源，把泥沙處理與土壤改良結合起來，實現泥沙資源的高效利用。這種解決措施的關鍵技術就是利用引黃泥沙作為土壤結構改良劑，調整土壤顆粒級配，修復土壤結構，改善土壤水鹽運移狀況。為此，許多學者也開展了一些試驗進行研究。例如，曲英杰等[7]試驗研究了以淤積泥沙作為改良劑的土壤顆粒組成和土壤飽和導水率。李東陽[8]研究了甘肅省引黃灌區不同灌溉強度和灌溉方式對土壤水分和成分的影響。但是，不同地區、不同方案下的土壤特性可能會有較大差別，針對黃河三角洲地區的引黃泥沙改良鹽堿農田的土壤特性還需要大量現場試驗作為支撐。為此，在黃河下游小開河灌區，選擇不同的泥沙利用方式和土壤修復技術進行現場試驗，檢測分析引黃泥沙改良鹽堿農田的土壤特性。

1 試驗場地和研究方法

1.1 試驗地概況

小開河引黃灌區是國家大型引黃灌區，沉沙池設在灌區中游，沉沙池與渠首引黃閘的距離為51 km，實現了長距離輸沙[9]，在沉沙池采用集中沉沙、以挖待沉的方式減少灌區水含沙量，每年平均清淤積沙約30萬m3。每年清淤1次，大量清淤泥沙堆積在棄土場。

試驗地位于濱州市沾化區古城鎮西北約8 km、無棣縣城東11 km，南北長7.54 km、東西寬1.24 km，主要包括輸沙干渠（樁號47+878—51+259）及其支渠（3.78 km）兩岸和沉沙池段，總面積935.1 hm2。屬黃河泛濫沖積平原區，地形平坦，微地貌復雜，崗坡洼相間，土壤以砂土、砂壤土和鹽化潮土為主，其地形地貌地質條件決定了土壤的承載力差、抗蝕能力弱。土壤侵蝕類型以風力侵蝕為主，兼有水力侵蝕。

1.2 研究方案

采用小開河引黃灌區沉沙池段的泥沙，租用沉沙池附近的鹽堿地，運用機械裝置將泥沙運到鹽堿荒地上，按鋪設的泥沙厚度分為2 個方案，方案1 為引黃泥沙厚度（以下簡稱引沙）5 cm，方案2 為引沙3 cm。兩方案均采用機械裝置深翻土層8 cm 后混勻淤改土地[8]，然后進行水稻和小麥單一作物的輪作種植。在兩方案的農田樣地內，分別選取100 m2的標準樣地3 個，在各樣地內按“S”形均勻布設4 個試驗樣點，分0～20 cm 層進行土壤樣品的采樣及相關指標的野外測定分析，土壤樣品風干、預處理后測定土壤理化性質。另外，為了對比改良效果，以相同地段沒有引黃泥沙的鹽堿荒地作為對照。

1.3 土壤特性參數測定

采用烘干法測定土壤含水量，以環刀浸水法測定土壤容重、孔隙度等，并計算蓄水量等各項物理指標。采用單環滲透筒法測定不同時段的土壤入滲率，繪制土壤入滲過程曲線，應用霍頓（Horton）入滲模型和通用（一般）入滲模型擬合灌溉后的土壤入滲過程，求解初滲率、穩滲率等入滲特征參數。Horton計算公式為：

式中：f，f0，fc分別為入滲率、初滲率、穩滲率；t為入滲時間（min）；k為經驗參數。

通用經驗計算公式為：

式中：f為入滲率；t為入滲時間（min）；a，b，n均為經驗參數。

一定土層深度內的土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量計算公式分別為：

式中：Wc，Wnc和Wt分別為土壤毛管蓄水量，非毛管蓄水量和飽和蓄水量（t·hm-2）；Pc，Pnc和Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（%）；h為計算土層深度（m），本研究按0.2 m深度計算。

2 引黃泥沙改良鹽堿農田的土壤特性變化

2.1 農田土壤容重和孔隙度

引黃泥沙與原有鹽堿農田的土壤混摻處理后，農田土壤容重減小很多，不同引沙處理后的土壤容重和孔隙度詳見表1。對照荒地的土壤容重1.62 g/cm3，引沙5、3 cm 的農田土壤容重分別為1.41、1.56 g/cm3，分別下降12.96%、3.70%。土壤孔隙度表現為引沙5 cm＞引沙3 cm＞對照荒地，與荒地相比，引沙5、3 cm的農田土壤總孔隙度分別上升34.40%、16.84%，毛管孔隙度分別上升16.12%、9.12%，非毛管孔隙度分別是荒地的3.3 倍、2.0 倍。不同引沙處理后的農田土壤孔隙比較高，土壤質地疏松，通透性好，引沙5、3 cm 的農田土壤孔隙比分別比荒地上升66.67%、28.07%。分析表明，不同引沙處理后可有效改善農田的土壤容重和孔隙度，極大改善了土壤通氣狀況，其中引沙5 cm改良效果好于引沙3 cm。

表1 不同引沙處理后的土壤容重和孔隙度

2.2 不同引沙處理后的農田土壤團聚體組成

不同引沙處理后的土壤團聚體組成與含量，詳見表2。

表2 不同引沙處理后的土壤團聚體組成與含量 mm

從土壤團聚體組成含量來看，不同引沙處理后的農田和對照荒地的土壤均以粉粒含量為主，該類團聚體組成占團聚體總量的59.82%～64.51%；其次為砂粒含量，占團聚體總量的16.35%～31.25%；而黏粒含量最低，呈現典型的粉質壤土的特性。引沙處理后，農田砂粒含量顯著增高，引沙5、3 cm 分別比對照荒地上升91.13%、55.84%；粉粒含量增高不大，分別比對照荒地上升2.41%、7.84%；而黏粒含量顯著降低，分別比對照荒地降低68.57%、57.99%。分析表明，引沙處理可顯著增加農田砂粒和粉粒含量，顯著減小黏粒含量，這也是農田土壤通透性增強的主要原因。

平均重量直徑（MWD）是反映土壤團聚體大小分布狀況的指標，其值越大表示土壤團聚體的團聚度越高，穩定性越好。由表2可知，不同引沙處理后的農田土壤平均重量直徑差異顯著（P＜0.05），引沙5、3 cm 分別是對照荒地的1.88 倍、1.54 倍。分析表明，引沙處理可顯著增強農田的土壤平均重量直徑，引沙5 cm顯著高于3 cm，即引沙5 cm的農田土壤團聚體的團聚度最高、穩定性最好。

2.3 不同引沙處理后的農田土壤顆粒分形維數

土壤分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數，能夠反映土壤結構的優劣，土壤質地越粗，分形維數值越小；反之，土壤質地越不均勻、顆粒越小、細粒含量越高，分形維數越大。引沙處理后的農田土壤顆粒分形維數變大，這主要是引進泥沙增進了農田土壤粗顆粒的增加，導致土壤顆粒分形維數增大。引沙5、3 cm 后的土壤顆粒分形維數分別比對照荒地降低9.19%、5.59%，可見不同引沙處理對土壤侵蝕的抑制作用是不同的，引沙后較好地改善了土壤結構，特別是農作物的種植保持了較高的覆蓋度，防止了降雨徑流對土壤的沖刷淋蝕，加上秸稈還田土壤及植被根系對土壤的穿插作用，導致土壤顆粒分布范圍較寬，使得林地土壤粒徑分布的不規律性和異質性程度變小，土壤質地組成的均勻程度變大，分形維數隨之變小，如圖1所示。

圖1 不同引沙處理后的農田土壤顆粒分形維數

2.4 不同引沙處理后的農田土壤入滲特征

不同引沙處理后的農田土壤入滲過程的模型擬合結果詳見表3，不同引沙處理后的農田土壤入滲特征曲線如圖2 所示。由表3 和圖2 可知，Horton 模型和通用經驗模型對不同引沙處理的農田土壤入滲過程均能取得較好的擬合效果，能夠反映滲透曲線的變化特征，其滲透曲線變化趨勢一致可分為3 個階段，即滲透初期的滲透率瞬變階段、漸變階段和平穩階段。采用Horton模型時，fc值在1.24～6.34 mm/min，與實測值比較接近，k值在0.108～0.123，引沙3 cm的農田k值最低，表明引沙3 cm的農田從初始入滲率減小到穩滲率的速度最慢，達到穩滲時間最長，其次為對照荒地，而引沙5 cm 的農田達到穩滲速率的時間最短。通用經驗模型b值在0.85～4.35 mm/min，遠小于對應的實測穩滲率，結合R2、實測初始入滲率和穩滲率綜合分析，可以看出Horton 模型擬合精度較高，其擬合結果比通用經驗模型更接近實測值，表明Horton模型比較適用于描述引沙農田后的土壤入滲特征。參考Horton 模型參數的變化規律，利用實測參數分析比較發現，引沙5、3 cm 的初滲速率分別是對照荒地（7.89 mm/min）的1.76 倍、1.43 倍，穩滲速率分別是荒地（1.32 mm/min）的4.81 倍、2.92倍。分析表明，隨著引沙厚度的不同，土壤滲透性能差異較大，引沙5 cm 的農田土壤入滲性能好于引沙3 cm，荒地的土壤滲透性能最低。

圖2 不同引沙處理的農田土壤入滲特征曲線

表3 不同引沙處理的農田土壤入滲過程的模型擬合結果

2.5 不同引沙處理后的農田土壤持水特性

不同引沙處理后的農田土壤水分特征曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同引沙處理后的農田與對照荒地土壤含水量隨土壤水吸力的增大而明顯減小。在低吸力范圍（1～10 kPa），土壤釋放較多的水分，土壤水分特征曲線均比較陡直，這是因為低吸力階段毛管孔隙大，對土壤施加微小的吸力，大孔隙水分就會被釋放，從而能有效地被植物根系所吸收。低吸力下釋放的水分可直接被植物所利用，成為植物生長的有效水。在低吸力范圍，不同引沙處理后農田水分的能力表現為引沙5 cm＞引沙3 cm＞鹽堿荒地。在中吸力范圍（300～1 000 kPa），由于土壤得到更大程度的壓實，孔隙度減小，特別是大孔隙顯著減小，中等孔隙則相對增加，隨著土壤水吸力的提高，土壤水分特征曲線則變得比較平緩。由于保持在中等孔隙中的水分主要依靠土壤顆粒的表面吸附起作用才能緩慢排除，土壤中水分很難被植物根系吸收，各層土壤含水量的變化趨勢類似。隨著土壤水吸力的增加，土壤釋放水分能力逐漸減弱，土壤含水量開始趨于平穩，不同引沙處理之間的土壤含水量差異逐漸減小。相同基質勢下，引沙5 cm 農田保留的土壤含水量顯著高于引沙3 cm，荒地的土壤含水量最低。

圖3 不同引沙處理后的農田土壤水分特征曲線

土壤含水量與土壤水吸力擬合的參數A、B 及數學模型，詳見表4。Gardner 等人提出的經驗方程可較好模擬引沙處理農田的土壤水分特征曲線，相關系數R2較高。參數A即持水能力表現為引沙5 cm＞引沙3 cm＞對照荒地，引沙5、3 cm 的持水能力分別比荒地上升41.34%、21.50%。參數B即土壤含水量隨土壤吸力降低而遞減的快慢表現為引沙5 cm＜引沙3 cm＜對照荒地。這表明引沙處理可顯著提高農田土壤的持水性和土壤水的有效性，其中引沙5 cm的持水性最好，有效水供給最多，在水分充足的條件下更有利于農作物生長；其次是引沙3 cm；而對照荒地植被覆蓋度較低，腐殖質含量較低，孔隙度低，土壤比較密實，致使持水性能最低。

表4 不同引沙處理的農田土壤水分特征曲線數學模型及相關參數

2.6 不同引沙處理后的農田土壤鹽堿化特征

土壤pH 是評價土壤鹽堿化程度的一個重要指標，對土壤的氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應起到支配作用。土壤堿化度是目前國內外比較公認的判斷土壤是否發生堿化的指標和依據。土壤可溶性鹽的總堿度也可判斷土壤堿化程度，總堿度在一定程度上反映土壤和水質的堿性程度，可以作為土壤堿化程度分級的指標之一。不同引沙處理的農田土壤鹽堿化指標分析詳見表5，由表5 可知，引沙處理后，土壤pH、堿化度和總堿度顯著降低，其中引沙5、3 cm 的農田土壤堿化度分別比對照荒地降低41.34%、14.49%，總堿度分別是對照荒地的15.85%、12.20%。土壤含鹽量可反映土壤鹽漬化的程度，引沙處理后，農田土壤的含鹽量和電導率顯著降低，其中引沙5、3 cm 的農田土壤含鹽量分別比對照荒地降低79.19%、77.38%。分析表明，引沙5、3 cm對農田土壤的總堿度和含鹽量有顯著降低作用，但2 種處理影響差異不顯著。這主要是引沙處理后的農田灌溉淋洗了土壤鹽分，同時農作物植被蓋度的增加，植物蒸騰取代了地面蒸發、避免了蒸發造成的地表積鹽，而且土壤蒸發量的減少和地下水位的下降以及水稻種植中的高灌溉頻率，均使土壤的鹽堿含量顯著降低。含有較多的交換性鈉的土壤膠體在土壤有較多可溶性鹽的條件下，由于土壤溶液的濃度較大阻止了交換性鈉的水解，致使引沙處理后的農田不發生堿化。可見，經過引沙處理后的農田，受農作物種植的改造作用，土壤鹽漬化程度降低，由中重度鹽堿化向輕度鹽堿化轉化。

表5 不同引沙處理后的農田土壤鹽堿化指標

2.7 不同引沙處理后的農田鹽分離子含量

不同引沙處理后的農田土壤可溶性鹽分離子濃度，詳見表6。由表6 可知，農田土壤鹽分離子組成中陰離子主要為Cl-、SO42-和HCO3-，陽離子主要以Mg2+、Ca2+、K+和Na+為主。引沙處理后的農田鹽分離子含量低于對照荒地，但引沙5、3 cm 的農田Mg2+和Ca2+差異不顯著，而Na+含量顯著降低，其中引沙5、3 cm分別比鹽堿荒地下降89.57%和80.87%。不同引沙處理后的農田和對照荒地的陽離子含量總體表現為Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+，對照荒地土壤Na+含量占可溶性陽離子總量的83.33%，引沙5、3 cm 的土壤Na+含量分別占可溶性陽離子總量的52.17%、59.46%。由此可見，Na+是鹽漬土的主要陽離子，其含量決定了陽離子總量的大小，進而對土壤的理化性質產生影響。高濃度的Na+不僅對植物細胞膜系統產生毒害作用，還可抑制其他陽離子的吸收，進而導致葉綠素合成受阻、光合作用下降和營養不良，使植物生長受到抑制。而引沙處理可顯著降低Na+的含量，使得農作物生長不再受Na+的毒害。從陰離子組成來看，鹽堿荒地中SO42-含量顯著高于Cl-和HCO3-，屬于硫酸鹽鹽漬土類型。引沙5、3 cm 對Cl-影響效果差異不顯著，而SO42-分別比對照荒地下降84.70%、91.80%。綜合分析表明，該區域鹽漬化土壤中的主要陽離子是Na+，主要陰離子為SO42-、Cl-和HCO3-。引沙處理后，陰離子HCO3-下降較低，而Cl-和SO42-下降較大，總體表現為由原來的以Cl-和SO42-為主演變以為HCO3-和SO42-為主。引沙處理后，農田土壤的Na+和Mg2+含量顯著降低，引沙5 cm 后農田的抑制鹽堿效果好于3 cm，但兩者差異不顯著。

表6 不同引沙處理后的農田土壤可溶性鹽分離子濃度g/kg

3 結論

（1）與鹽堿荒地相比，引沙5、3 cm 后提高了土壤孔隙度和團聚體穩定性，降低了土壤容重和顆粒分形維數，顯著增強了農田土壤的滲透性能和持水性能，其中引沙5 cm 對土壤性質的改良和調節作用好于引沙3 cm。

（2）引黃泥沙處理后農田降鹽抑堿效應顯著，但引沙5、3 cm 在降鹽抑堿方面差異不顯著。其中，引沙5、3 cm 的農田土壤含鹽量分別比對照荒地降低79.19%、77.38%，農田總堿度分別是對照荒地的15.85%、12.20%。引黃泥沙處理后，由原來的鹽堿荒地Cl-和SO42-為主演變為農田的HCO3-和SO42-為主。引沙5、3 cm 的農田土壤Mg2+和Ca2+差異不顯著，而Na+含量顯著降低，其中引沙5、3 cm 的農田土壤Na+含量分別比鹽堿荒地下降89.57%、80.87%。

（3）總體來說，鹽堿荒地摻入引黃泥沙后改良效果明顯。