引黄泥沙改良盐碱农田土壤特性现场试验研究

庞启航，毛伟兵，韩小军，李志超

（1.滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256603；2.山东农业大学，山东 泰安 271018）

黄河下游的引黄灌区均为无坝引水，由于黄河水含沙量大，而且粒径较小，则使黄河水在为工农业发展提供了宝贵水资源的同时带来了大量泥沙，引黄灌区出现了渠道泥沙淤积严重、泥沙处理负担加重、排水河道淤积等问题[1]，同时引起了灌区土地退化、沙化与生态环境恶化等各种问题[2-4]，对人民群众的生产、生活和社会经济发展构成极大威胁，引黄泥沙问题已成为制约引黄灌区水沙资源开发利用和可持续发展的关键。针对这一问题，许多专家学者提出了很多解决措施，例如从水沙合理配置的角度出发，王延贵[5]结合引黄灌区水沙分布的特点和泥沙处理的经验，提出了引黄灌区泥沙远距离分散处理模式，把引黄泥沙按照一定的比例分配到渠道和田间，使泥沙形成的灾害最小。卢红伟[1]进一步总结了引黄灌区减沙沉沙技术、引水分沙技术、渠道输水输沙技术等水沙资源配置关键技术，提出促进引黄泥沙实现远距离分散处理模式。另外一种解决思路是在解决引黄泥沙大量堆积问题的同时，考虑黄河三角洲存在的土壤盐碱化、土地严重退化现象，利用引黄泥沙来改良盐碱农田，作为解决黄河三角洲引黄灌区面临的土壤盐碱化和引黄泥沙大量堆积两大突出问题的重要措施。例如，孙玉霞等[6]提出了黄河三角洲引黄泥沙资源化利用的总体思路，即根据泥沙沉积规律、土壤基本性状、生态环境特点及相互适应性，主动配置和利用泥沙资源，把泥沙处理与土壤改良结合起来，实现泥沙资源的高效利用。这种解决措施的关键技术就是利用引黄泥沙作为土壤结构改良剂，调整土壤颗粒级配，修复土壤结构，改善土壤水盐运移状况。为此，许多学者也开展了一些试验进行研究。例如，曲英杰等[7]试验研究了以淤积泥沙作为改良剂的土壤颗粒组成和土壤饱和导水率。李东阳[8]研究了甘肃省引黄灌区不同灌溉强度和灌溉方式对土壤水分和成分的影响。但是，不同地区、不同方案下的土壤特性可能会有较大差别，针对黄河三角洲地区的引黄泥沙改良盐碱农田的土壤特性还需要大量现场试验作为支撑。为此，在黄河下游小开河灌区，选择不同的泥沙利用方式和土壤修复技术进行现场试验，检测分析引黄泥沙改良盐碱农田的土壤特性。

1 试验场地和研究方法

1.1 试验地概况

小开河引黄灌区是国家大型引黄灌区，沉沙池设在灌区中游，沉沙池与渠首引黄闸的距离为51 km，实现了长距离输沙[9]，在沉沙池采用集中沉沙、以挖待沉的方式减少灌区水含沙量，每年平均清淤积沙约30万m3。每年清淤1次，大量清淤泥沙堆积在弃土场。

试验地位于滨州市沾化区古城镇西北约8 km、无棣县城东11 km，南北长7.54 km、东西宽1.24 km，主要包括输沙干渠（桩号47+878—51+259）及其支渠（3.78 km）两岸和沉沙池段，总面积935.1 hm2。属黄河泛滥冲积平原区，地形平坦，微地貌复杂，岗坡洼相间，土壤以砂土、砂壤土和盐化潮土为主，其地形地貌地质条件决定了土壤的承载力差、抗蚀能力弱。土壤侵蚀类型以风力侵蚀为主，兼有水力侵蚀。

1.2 研究方案

采用小开河引黄灌区沉沙池段的泥沙，租用沉沙池附近的盐碱地，运用机械装置将泥沙运到盐碱荒地上，按铺设的泥沙厚度分为2 个方案，方案1 为引黄泥沙厚度（以下简称引沙）5 cm，方案2 为引沙3 cm。两方案均采用机械装置深翻土层8 cm 后混匀淤改土地[8]，然后进行水稻和小麦单一作物的轮作种植。在两方案的农田样地内，分别选取100 m2的标准样地3 个，在各样地内按“S”形均匀布设4 个试验样点，分0～20 cm 层进行土壤样品的采样及相关指标的野外测定分析，土壤样品风干、预处理后测定土壤理化性质。另外，为了对比改良效果，以相同地段没有引黄泥沙的盐碱荒地作为对照。

1.3 土壤特性参数测定

采用烘干法测定土壤含水量，以环刀浸水法测定土壤容重、孔隙度等，并计算蓄水量等各项物理指标。采用单环渗透筒法测定不同时段的土壤入渗率，绘制土壤入渗过程曲线，应用霍顿（Horton）入渗模型和通用（一般）入渗模型拟合灌溉后的土壤入渗过程，求解初渗率、稳渗率等入渗特征参数。Horton计算公式为：

式中：f，f0，fc分别为入渗率、初渗率、稳渗率；t为入渗时间（min）；k为经验参数。

通用经验计算公式为：

式中：f为入渗率；t为入渗时间（min）；a，b，n均为经验参数。

一定土层深度内的土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和饱和蓄水量计算公式分别为：

式中：Wc，Wnc和Wt分别为土壤毛管蓄水量，非毛管蓄水量和饱和蓄水量（t·hm-2）；Pc，Pnc和Pt分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度（%）；h为计算土层深度（m），本研究按0.2 m深度计算。

2 引黄泥沙改良盐碱农田的土壤特性变化

2.1 农田土壤容重和孔隙度

引黄泥沙与原有盐碱农田的土壤混掺处理后，农田土壤容重减小很多，不同引沙处理后的土壤容重和孔隙度详见表1。对照荒地的土壤容重1.62 g/cm3，引沙5、3 cm 的农田土壤容重分别为1.41、1.56 g/cm3，分别下降12.96%、3.70%。土壤孔隙度表现为引沙5 cm＞引沙3 cm＞对照荒地，与荒地相比，引沙5、3 cm的农田土壤总孔隙度分别上升34.40%、16.84%，毛管孔隙度分别上升16.12%、9.12%，非毛管孔隙度分别是荒地的3.3 倍、2.0 倍。不同引沙处理后的农田土壤孔隙比较高，土壤质地疏松，通透性好，引沙5、3 cm 的农田土壤孔隙比分别比荒地上升66.67%、28.07%。分析表明，不同引沙处理后可有效改善农田的土壤容重和孔隙度，极大改善了土壤通气状况，其中引沙5 cm改良效果好于引沙3 cm。

表1 不同引沙处理后的土壤容重和孔隙度

2.2 不同引沙处理后的农田土壤团聚体组成

不同引沙处理后的土壤团聚体组成与含量，详见表2。

表2 不同引沙处理后的土壤团聚体组成与含量 mm

从土壤团聚体组成含量来看，不同引沙处理后的农田和对照荒地的土壤均以粉粒含量为主，该类团聚体组成占团聚体总量的59.82%～64.51%；其次为砂粒含量，占团聚体总量的16.35%～31.25%；而黏粒含量最低，呈现典型的粉质壤土的特性。引沙处理后，农田砂粒含量显著增高，引沙5、3 cm 分别比对照荒地上升91.13%、55.84%；粉粒含量增高不大，分别比对照荒地上升2.41%、7.84%；而黏粒含量显著降低，分别比对照荒地降低68.57%、57.99%。分析表明，引沙处理可显著增加农田砂粒和粉粒含量，显著减小黏粒含量，这也是农田土壤通透性增强的主要原因。

平均重量直径（MWD）是反映土壤团聚体大小分布状况的指标，其值越大表示土壤团聚体的团聚度越高，稳定性越好。由表2可知，不同引沙处理后的农田土壤平均重量直径差异显著（P＜0.05），引沙5、3 cm 分别是对照荒地的1.88 倍、1.54 倍。分析表明，引沙处理可显著增强农田的土壤平均重量直径，引沙5 cm显著高于3 cm，即引沙5 cm的农田土壤团聚体的团聚度最高、稳定性最好。

2.3 不同引沙处理后的农田土壤颗粒分形维数

土壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参数，能够反映土壤结构的优劣，土壤质地越粗，分形维数值越小；反之，土壤质地越不均匀、颗粒越小、细粒含量越高，分形维数越大。引沙处理后的农田土壤颗粒分形维数变大，这主要是引进泥沙增进了农田土壤粗颗粒的增加，导致土壤颗粒分形维数增大。引沙5、3 cm 后的土壤颗粒分形维数分别比对照荒地降低9.19%、5.59%，可见不同引沙处理对土壤侵蚀的抑制作用是不同的，引沙后较好地改善了土壤结构，特别是农作物的种植保持了较高的覆盖度，防止了降雨径流对土壤的冲刷淋蚀，加上秸秆还田土壤及植被根系对土壤的穿插作用，导致土壤颗粒分布范围较宽，使得林地土壤粒径分布的不规律性和异质性程度变小，土壤质地组成的均匀程度变大，分形维数随之变小，如图1所示。

图1 不同引沙处理后的农田土壤颗粒分形维数

2.4 不同引沙处理后的农田土壤入渗特征

不同引沙处理后的农田土壤入渗过程的模型拟合结果详见表3，不同引沙处理后的农田土壤入渗特征曲线如图2 所示。由表3 和图2 可知，Horton 模型和通用经验模型对不同引沙处理的农田土壤入渗过程均能取得较好的拟合效果，能够反映渗透曲线的变化特征，其渗透曲线变化趋势一致可分为3 个阶段，即渗透初期的渗透率瞬变阶段、渐变阶段和平稳阶段。采用Horton模型时，fc值在1.24～6.34 mm/min，与实测值比较接近，k值在0.108～0.123，引沙3 cm的农田k值最低，表明引沙3 cm的农田从初始入渗率减小到稳渗率的速度最慢，达到稳渗时间最长，其次为对照荒地，而引沙5 cm 的农田达到稳渗速率的时间最短。通用经验模型b值在0.85～4.35 mm/min，远小于对应的实测稳渗率，结合R2、实测初始入渗率和稳渗率综合分析，可以看出Horton 模型拟合精度较高，其拟合结果比通用经验模型更接近实测值，表明Horton模型比较适用于描述引沙农田后的土壤入渗特征。参考Horton 模型参数的变化规律，利用实测参数分析比较发现，引沙5、3 cm 的初渗速率分别是对照荒地（7.89 mm/min）的1.76 倍、1.43 倍，稳渗速率分别是荒地（1.32 mm/min）的4.81 倍、2.92倍。分析表明，随着引沙厚度的不同，土壤渗透性能差异较大，引沙5 cm 的农田土壤入渗性能好于引沙3 cm，荒地的土壤渗透性能最低。

图2 不同引沙处理的农田土壤入渗特征曲线

表3 不同引沙处理的农田土壤入渗过程的模型拟合结果

2.5 不同引沙处理后的农田土壤持水特性

不同引沙处理后的农田土壤水分特征曲线，如图3所示。由图3可知，不同引沙处理后的农田与对照荒地土壤含水量随土壤水吸力的增大而明显减小。在低吸力范围（1～10 kPa），土壤释放较多的水分，土壤水分特征曲线均比较陡直，这是因为低吸力阶段毛管孔隙大，对土壤施加微小的吸力，大孔隙水分就会被释放，从而能有效地被植物根系所吸收。低吸力下释放的水分可直接被植物所利用，成为植物生长的有效水。在低吸力范围，不同引沙处理后农田水分的能力表现为引沙5 cm＞引沙3 cm＞盐碱荒地。在中吸力范围（300～1 000 kPa），由于土壤得到更大程度的压实，孔隙度减小，特别是大孔隙显著减小，中等孔隙则相对增加，随着土壤水吸力的提高，土壤水分特征曲线则变得比较平缓。由于保持在中等孔隙中的水分主要依靠土壤颗粒的表面吸附起作用才能缓慢排除，土壤中水分很难被植物根系吸收，各层土壤含水量的变化趋势类似。随着土壤水吸力的增加，土壤释放水分能力逐渐减弱，土壤含水量开始趋于平稳，不同引沙处理之间的土壤含水量差异逐渐减小。相同基质势下，引沙5 cm 农田保留的土壤含水量显著高于引沙3 cm，荒地的土壤含水量最低。

图3 不同引沙处理后的农田土壤水分特征曲线

土壤含水量与土壤水吸力拟合的参数A、B 及数学模型，详见表4。Gardner 等人提出的经验方程可较好模拟引沙处理农田的土壤水分特征曲线，相关系数R2较高。参数A即持水能力表现为引沙5 cm＞引沙3 cm＞对照荒地，引沙5、3 cm 的持水能力分别比荒地上升41.34%、21.50%。参数B即土壤含水量随土壤吸力降低而递减的快慢表现为引沙5 cm＜引沙3 cm＜对照荒地。这表明引沙处理可显著提高农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，有效水供给最多，在水分充足的条件下更有利于农作物生长；其次是引沙3 cm；而对照荒地植被覆盖度较低，腐殖质含量较低，孔隙度低，土壤比较密实，致使持水性能最低。

表4 不同引沙处理的农田土壤水分特征曲线数学模型及相关参数

2.6 不同引沙处理后的农田土壤盐碱化特征

土壤pH 是评价土壤盐碱化程度的一个重要指标，对土壤的氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反应起到支配作用。土壤碱化度是目前国内外比较公认的判断土壤是否发生碱化的指标和依据。土壤可溶性盐的总碱度也可判断土壤碱化程度，总碱度在一定程度上反映土壤和水质的碱性程度，可以作为土壤碱化程度分级的指标之一。不同引沙处理的农田土壤盐碱化指标分析详见表5，由表5 可知，引沙处理后，土壤pH、碱化度和总碱度显著降低，其中引沙5、3 cm 的农田土壤碱化度分别比对照荒地降低41.34%、14.49%，总碱度分别是对照荒地的15.85%、12.20%。土壤含盐量可反映土壤盐渍化的程度，引沙处理后，农田土壤的含盐量和电导率显著降低，其中引沙5、3 cm 的农田土壤含盐量分别比对照荒地降低79.19%、77.38%。分析表明，引沙5、3 cm对农田土壤的总碱度和含盐量有显著降低作用，但2 种处理影响差异不显著。这主要是引沙处理后的农田灌溉淋洗了土壤盐分，同时农作物植被盖度的增加，植物蒸腾取代了地面蒸发、避免了蒸发造成的地表积盐，而且土壤蒸发量的减少和地下水位的下降以及水稻种植中的高灌溉频率，均使土壤的盐碱含量显著降低。含有较多的交换性钠的土壤胶体在土壤有较多可溶性盐的条件下，由于土壤溶液的浓度较大阻止了交换性钠的水解，致使引沙处理后的农田不发生碱化。可见，经过引沙处理后的农田，受农作物种植的改造作用，土壤盐渍化程度降低，由中重度盐碱化向轻度盐碱化转化。

表5 不同引沙处理后的农田土壤盐碱化指标

2.7 不同引沙处理后的农田盐分离子含量

不同引沙处理后的农田土壤可溶性盐分离子浓度，详见表6。由表6 可知，农田土壤盐分离子组成中阴离子主要为Cl-、SO42-和HCO3-，阳离子主要以Mg2+、Ca2+、K+和Na+为主。引沙处理后的农田盐分离子含量低于对照荒地，但引沙5、3 cm 的农田Mg2+和Ca2+差异不显著，而Na+含量显著降低，其中引沙5、3 cm分别比盐碱荒地下降89.57%和80.87%。不同引沙处理后的农田和对照荒地的阳离子含量总体表现为Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+，对照荒地土壤Na+含量占可溶性阳离子总量的83.33%，引沙5、3 cm 的土壤Na+含量分别占可溶性阳离子总量的52.17%、59.46%。由此可见，Na+是盐渍土的主要阳离子，其含量决定了阳离子总量的大小，进而对土壤的理化性质产生影响。高浓度的Na+不仅对植物细胞膜系统产生毒害作用，还可抑制其他阳离子的吸收，进而导致叶绿素合成受阻、光合作用下降和营养不良，使植物生长受到抑制。而引沙处理可显著降低Na+的含量，使得农作物生长不再受Na+的毒害。从阴离子组成来看，盐碱荒地中SO42-含量显著高于Cl-和HCO3-，属于硫酸盐盐渍土类型。引沙5、3 cm 对Cl-影响效果差异不显著，而SO42-分别比对照荒地下降84.70%、91.80%。综合分析表明，该区域盐渍化土壤中的主要阳离子是Na+，主要阴离子为SO42-、Cl-和HCO3-。引沙处理后，阴离子HCO3-下降较低，而Cl-和SO42-下降较大，总体表现为由原来的以Cl-和SO42-为主演变以为HCO3-和SO42-为主。引沙处理后，农田土壤的Na+和Mg2+含量显著降低，引沙5 cm 后农田的抑制盐碱效果好于3 cm，但两者差异不显著。

表6 不同引沙处理后的农田土壤可溶性盐分离子浓度g/kg

3 结论

（1）与盐碱荒地相比，引沙5、3 cm 后提高了土壤孔隙度和团聚体稳定性，降低了土壤容重和颗粒分形维数，显著增强了农田土壤的渗透性能和持水性能，其中引沙5 cm 对土壤性质的改良和调节作用好于引沙3 cm。

（2）引黄泥沙处理后农田降盐抑碱效应显著，但引沙5、3 cm 在降盐抑碱方面差异不显著。其中，引沙5、3 cm 的农田土壤含盐量分别比对照荒地降低79.19%、77.38%，农田总碱度分别是对照荒地的15.85%、12.20%。引黄泥沙处理后，由原来的盐碱荒地Cl-和SO42-为主演变为农田的HCO3-和SO42-为主。引沙5、3 cm 的农田土壤Mg2+和Ca2+差异不显著，而Na+含量显著降低，其中引沙5、3 cm 的农田土壤Na+含量分别比盐碱荒地下降89.57%、80.87%。

（3）总体来说，盐碱荒地掺入引黄泥沙后改良效果明显。