三江平原低湿地水田土壤理化特性及暗管排水效果

2017-11-24王秋菊常本超韩东来隋玉刚杨兴玉陈海龙新家宪刘艳霞

农业工程学报 2017年14期

王秋菊，刘峰，常本超，韩东来，隋玉刚，杨兴玉，陈海龙，新家宪，刘艳霞，焦峰

（1. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，哈尔滨 150086；2. 黑龙江省农业科学院科研处，哈尔滨 150086；3. 黑龙江省农垦建三江管理局八五九农场，黑龙江 156326；4. 日本 NICH研究所，日本札幌 079-01；5. 黑龙江省农业科学院遥感技术中心，哈尔滨 150086；6. 黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

王秋菊1，刘峰2，常本超1，韩东来3，隋玉刚3，杨兴玉3，陈海龙3，新家宪4，刘艳霞5，焦峰6※

低湿土壤渍涝问题是限制农业生产的瓶颈问题，为改良低湿土壤渍涝问题，该文研究低湿地水田草甸沼泽土土壤特性，并探讨利用暗管排水进行低湿地排水及种植水稻的效果。结果表明，草甸沼泽土土壤质地黏重、各层土壤黏粒质量分数在40%以上；有效孔隙低，在6.40%～7.81%之间，通气、透水性差，母质层几乎不透气、透水，土体容气度为5.55%～16.08%；含水率高，自然状态达到40%以上；土壤容重低，耕层为0.93 g/cm3，母质层1.30 g/cm3；硬度低，液性指数在0.38～0.61之间，整体处于可塑状态，机械承载力差；草甸沼泽土上设置暗管可以改善土壤的透水性，随距暗管距离不同，土壤排水效果有差异，距离暗管越近，土壤排水效果越好，水分降低的越明显；同样排水晒田后，暗管处理土壤表层状态呈干裂状态，对照（无暗管排水区）则仍呈湿润状态；从水稻产量看，有暗管的处理水稻产量比无暗管处理增产8.06%。研究可为低湿地水田合理利用及改良提供依据。

土壤；理化特性；排水；暗管；产量；三江平原；水田

0 引言

三江平原位于黑龙江省东部，是黑龙江、松花江和乌苏里江汇流冲积形成的低平原区，总面积10.89万km2，耕地面积366.77万hm2，其中低湿耕地占63.7%[1]。平原区海拔高度为65～80 m，地势低洼，土质黏重，降水集中，易发生涝灾，导致大田作物大幅度减产；收获季节土壤过湿，机械不能作业，经常发生丰产不丰收现象[2]。三江平原开发初期，首先是通过建立大型排水渠道解决了地表水问题；其次是通过开展深松、超深松和心土混层等技术打破滞水层，在排除“壤中水”方面取得了一定效果[3-4]。但在降雨集中的作物生长季节，洪涝灾害仍频繁困扰农业生产。为彻底解决农田涝害，“七五”期间黑龙江省提出“以稻治涝”的低湿地治理对策，通过推进“旱改水”大力发展水稻，不仅粮食产量大增，也为改善国家口粮构成做出重要贡献[5-6]。随种稻时间推移，低湿地水田土壤的问题日渐凸显。这类土壤存在的主要问题[7-8]：1）土壤长期受地面水和地下潜水浸渍，氧化还原电位低，易产生硫化氢等有毒物质危害根系、影响水稻生长发育；2）由于土壤有机质高，其质量分数多在5%以上，生育后期土壤氮素供给过剩，易造成倒伏减产、降低稻米食味；3）三江平原水稻以井水灌溉为主，井水升温和节水灌溉技术备受重视，由于缺乏有效的土壤排水技术，在非灌水期土壤水分降低缓慢，生育期间影响晒田效果；成熟后不能及时进行机械收获，甚至发生霉变、雪捂等次生灾害[9-10]；也影响机械翻耕整地。本文分析三江平原低湿地水田土壤特性，针对低湿土壤存在的问题，围绕低湿地水田排水，初步探讨暗管排水的效果，为低湿田的利用和改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验地点在黑龙江省农垦建三江管理局 859农场第29 作业区（47°30′N、134°20′E，海拔高度为 65.6 m），年降雨量550～600 mm，有效积温2 200 ℃，供试土壤为草甸沼泽土型水田土壤，种植水稻年限15 a。草甸沼泽土剖面发育明显（图1）：第1层为黑土腐殖质层，富含有机质，厚度约20 cm；其下第2层为黄黏土母质层，厚度约10 cm，由于氧化铁聚集，土色明亮；第3层为灰色潜育层，土壤通体软黏，无明显的犁底层。草甸沼泽土化学性质如表 1所示，供试土壤土腐殖质层薄，但有机质含量高，高于黑龙江省一般耕地土壤耕层的有机质质量分数（30 g/kg）[11]；母质层土壤养分含量低，尤其是有机质、有效磷、速效钾含量明显低于腐殖质层。

图1 典型草甸沼泽土剖面Fig.1 Profile of meadow marsh soil

表1 供试土壤化学性质Table 1 Chemical characteristic of tested soil

1.2 暗管铺设方法

在试验区铺设暗管，暗管区长80 m、宽50 m。暗管间距10 m，平均埋深70 cm，坡降为1/1 000（图2a），截面如图2b，田间排列如图2c所示。暗管为直径25 cm的聚氯乙烯打孔管。铺设方法：先用小型钩机挖宽30 cm、深60～80 cm明沟，并将耕层土壤和下层土壤分别放置2侧，以便分层回填；用细沙调整沟底坡降后，将包好过滤纱网的聚氯乙烯管平放到沟底并连接首尾，在管上铺厚30～40 cm稻秸和稻壳作为过滤材料（图2d），踏实后回填分层土壤；在暗管排水出口与区外明渠接连，并设有开关阀门。

1.3 试验设计

试验于2016年春季开始，设有暗管区和无暗管区（对照），大区对比，每区长80 m，宽50 m，面积400 m2。试验区灌水管理一致，采用浅-湿-干间歇灌溉模式：浅水层阶段保持土壤表面3～5 cm水层，逐渐达到湿润状态，即表层无明水，脚窝有水的状态，当达到地面干燥、脚窝湿润状态再次灌水，水层深度3～5 cm。在水稻分蘖末期晒田和成熟初期打开暗管阀门排水，其余时期保持水层阶段关闭阀门。水稻于2016年4月10日播种，5月20日移栽到试验区，9月30日收获。人工插秧，插秧规格行距30 cm，株距10 cm，每穴插3株，每公顷插秧密度为水稻品种龙粳 31。试验区施肥一致，N、P2O5、K2O肥施用量分别为120、60、60 kg/hm2。其中N按照基肥、返青肥、穗肥比例 4∶3∶3施肥；钾肥按基肥、穗肥比例3∶2施肥；磷肥作为基肥一次性施入。试验区10 a平均降水量580 mm，有效积温2 210 ℃[12]。

图2 暗管田间设计图Fig.2 Design diagram of subsurface pipe in field

1.4 调查项目及方法

土样取样方法：收获后选取代表性点挖 60 cm×60 cm×100 cm土壤剖面，用100 mL的环刀取原状土样分别按照10～15、20～25、40～45 cm深度取样，每层取3次平行样；取原状土时同时取土壤化学样品，用于化学指标测定的土样取样层次为 0～15、＞15～30、＞30～50 cm，其中0～15 cm耕层按S形多点取样，混合后按四分法留500 g备用。

土壤物理性质测定方法：土壤颗粒组成采用MS-2000激光粒度仪（Malvern Instruments Limited Enigma Business Park, APA2000）测定，并参照杨金玲等[13]校正系数进行校正；土壤三相组成采用DIK-1150三相测定仪（大起理化工业株式会社，±1.0%）测定，容气度为气相占液相与气相之和的百分比，%；土壤含水率采用烘干法测定（105 ℃）；土壤饱和导水率采用 DIK-4050透水性测定仪（大起理化工业株式会社）测定；土壤通气系数采用DIK-5001通气性测定仪（大起理化工业株式会社）测定；土壤硬度采用DIK-5521硬度计（大起理化工业株式会社，5 MPa）田间原位测定；土壤液限测定采用DIK-5700液限测定器（大起理化工业株式会社）测定。土壤塑限测定是在液限测定基础上采用搓条法，然后根据测定土壤条状断裂时的水分含量来测定[14]；土壤水分特征曲线分别采用砂柱法、压力膜法和离心机法测定不同压力下土壤含水量，绘制土壤水分特征曲线，计算土壤孔隙组成；水中沉淀容积采用参照《土壤物理测定方法》测定[15]。

式中W0为自然土壤含水率，%；W1为土壤液限含水率，%；W2为土壤塑限含水率，%。

化学指标测定方法：土壤pH值采用美国产原位IQ150土壤pH计（Spectrum Technologies, Inc）测定，测定位置分别为土表以下5、15、25 cm，每层测5点，取平均值；碱解氮采用扩散吸收法测定；速效磷含量测定采用碳酸氢钠提取法测定；速效钾含量测定采用盐酸浸提-AAS法测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定[16]。

水稻产量测定方法：水稻成熟后，采用久保田牌水稻联合收割机（日本久保田株式会社）全区直接收获测产，由于机械直接收获时水稻籽实水分质量分数较高，水稻标准产量按照水稻籽实水分质量分数为 14.5%时的质量计算得出。

数据采用Microsoft Excel及DPS 6.85进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 低湿地水田土壤物理性质

2.1.1 颗粒和孔隙组成

三江平原低湿地多为沼泽化土壤，成土母质为第四纪河湖沉积物，土质黏重。由表2可知，各土层黏粒质量分数均超过40%，按照国际土壤分类标准[17]划分各层均为黏土。0～15 cm耕层土壤总孔隙度为58.68%，高于东北地区其他各类相同层次土壤[11]。其中＜0.000 2 mm的微小孔隙比例最大，高达44.94%；＞15～30、＞30～50 cm母质层总孔隙度分别为50.66%和46.08%，微小孔隙为41.03%、36.77%。当量直径＞0.05 mm的大孔隙仅为2.49%～5.92%，有效孔隙低，在6.40%～7.81%之间，土壤内排水能力十分弱。

表2 土壤物理特性Table 2 Soil physical property

2.1.2 通气、透水、持水和可塑性

土壤通气性与透水性测定结果高度一致（表 2）：耕层0～15 cm土壤通气透水性比母质层高，母质层几乎不通气。土壤三相组成，耕层有机质含量高，固相率为32.77%，母质层接近 60%。土壤整体容气度相对较低，在5.55%～16.08%之间，表明土壤处于过湿状态。

由土壤水分特征曲线（图3a）知，由于土质黏重，土壤持水能力极强，剖面从上至下呈降低趋势。从土壤剖面硬度变化曲线（图3b）看，土壤硬度在700 kPa以下，土体软，承载力低，缺少承载作业机械的坚硬土层。特别是0～20 cm土层，土壤硬度接近于0，易陷车。从表2土壤液性指数看出，各土层液性指数为 0.38～0.61，为可塑状态，不宜机械作业，易发生陷车，影响机械作业效率。

图3 土壤水分特征曲线及硬度Fig.3 Soil water characteristic curve and soil hardness

2.2 暗管排水效果分析

2.2.1 对土壤水分影响

为明确暗管的排水效果，分别在分蘖末期排水晒田后和收获前观测田面水分状态。图4a是暗管区晒田5 d后地表状态，田面干燥呈龟裂状；图4b是对照区，田面有积水。水稻成熟期再次观测结果，暗管区（图 4c）水分已经排出，田面干燥；对照区田面虽无积水，但泥泞陷脚（图4d）。

图4 暗管区（SP）及对照无暗管区（CK）田面状况Fig.4 Soil surface condition for subsurface pipe and CK plots without subsurface pipe

图 5是收获之前土壤含水率测定结果。各个土层含水率，暗管区均低于对照区；距暗管5 m处（两暗管中间位置）土壤含水率也低于对照，表明 1条暗管的排水范围超过10 m。暗管区相同土层含水率比较，暗管正上方所在位置（0 m）最低，并且随距暗管水平距离增加而呈增加趋势。

图5 距暗管不同距离不同土层土壤含水率Fig.5 Soil water content of different depths at different distances away from subsurface pipe

2.2.2 对水稻产量影响

暗管区和对照区全区直接收获测产，暗管处理水稻产量比对照增产8.06%（表3）。

表3 暗管排水对水稻产量影响Table 3 Effect of subsurface pipe drainage on rice yield

3 讨论

黑龙江省三江平原由于土质黏重，排水性差，径流排泄不畅等，种植旱田作物时土壤水分过多是它的主要特点[18]。改为水田可以充分发挥土壤自身的保水性能，趋利避害。但土质黏重也影响土壤气体交换，不利于水稻生长发育[19-21]，同时也影响土壤微生物区系组成和微生物活性[22-24]；长期滞水会导致土壤氧化还原电位降低，产生的有毒物质危害水稻生育。另一方面，水田的犁底层是承载机械行走的基础[25-26]。供试土壤硬度小于10 kg/cm2，表层硬度接近0，无犁底层，造成机械作业困难，限制了农业的现代化发展。低湿地土壤有机质丰富，潜在肥力高，但养分释放缓慢。因此改善土壤排水性对于活化土壤养分有重要意义[27-28]。随气温升高，养分释放速度逐渐增加，在水稻生育后期会出现土壤供氮过剩现象，不仅造成倒伏，还会导致稻米蛋白积累过多影响食味[29]。暗管试验结果表明，距离暗管越远土壤含水率越高，说明暗管排水能力有局限性。本试验所采用暗渠间隔、坡降等技术参数是参照日本标准[30]设计的，初步试验证明该标准切实可行。今后要进一步研究确定合理的暗渠间隔及其与深松、鼠洞、以及其他技术组合的综合排水效果，为进一步降低施工成本，提高排水效果提供科学依据，也为低湿地改良提供有效的应用技术。

4 结论

通过暗管排水试验初步得到以下结论：

1）供试的草甸沼泽土质地黏重，土壤持水能力极强，通气孔隙少，无效孔隙高；土壤通气、透水性差，母质层几乎不透气、透水；从水分特征曲线看，土壤自然含水率高达 40%以上，土体容气度仅 5.55%～16.08%；液性指数在0.38～0.61，处于可塑状态，土壤硬度低，机械承载力差。

2）供试土壤耕层有机质丰富，潜在肥力高，下层瘠薄。

3）暗管提高土壤排水能力的效果明显，特别是在提高晒田效果方面效果显著。调查结果，暗管区土壤含水率低于对照区，距离暗管越近土壤含水率越低，对于提高收获机械作业效率有重要意义。

4）产量实测结果表明暗管区比对照增产8.06%。

本研究对低湿地暗管排水进行初步探索，对暗管排水后效还需进一步调查和研究。

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Soil physiochemical properties and subsurface pipe drainage effect of paddy field in low wetland of Sanjiang plain

Wang Qiuju1, Liu Feng2, Chang Benchao1, Han Donglai3, Sui Yugang3,Yang Xingyu3, Chen Hailong3, Ken Araya4, Liu Yanxia5, Jiao Feng6※
(1.Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin150086,China;2.Management Department of Scientific Research of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin150086,China;3.The859Farm of Jiansanjiang Management Bureau，Heilongjiang Province Agricultural Reclamation Administration, Heilongjiang,156326,China; 4.NICH Laboratory, Hokkaido Sapporo079-01,Japan; 5.Remote Sensing Technique Centre, Heilongjiang Academy ofAgricultural Science, Harbin150086,China; 6.Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing163319,China)

Sanjiang plain is located in the east of Heilongjiang Province. Sanjiang plain is the low plains formed from confluence and alluvial of Heilongjiang, Songhua River and Wusuli River. Problems often occur in low wetlands such as low-lying, clay, concentrated rainfall, flooding, resulting in crop production reduction. In addition, in the harvest season, the soil is too wet, agricultural machinery is difficult to operate in the wet soil. This study investigated the soil physiochemical properties of low farmland and introduced subsurface drainage technique widely used in the Southern China to the field in order to solve the problems above. The study was carried out in Sanjiang 859 Farm in Heilongjiang. The rice was planted for 15 years. The soil organic matter content (58.14 g/kg) in 0-15 cm was higher than the other places (30 g/kg). However, the alkaline N, available P and K were low. In the experimental field, we set up a plot buried with subsurface pipe. The spacing of pipe was 10 m and the buried depth was 70 cm. The slope gradient was 1/1000. The pipe diameter was 25 cm. The experiment started from the spring of 2016. A plot without subsurface pipe was designed with the same size with that with subsurface pipe.The irrigation in both plots was same: shallow period with surface water depth of 3-5 cm and irrigation when the surface was dry. At the end of tillering stage of rice, the surface was dried and at the initial maturing stage the soil was drained. The soil was samples for physiochemical property measurement. The rice yield was determined. The results showed that the soil texture was clay. The clay content was more than 40%, the effective porosity was low (6.40%-7.81%). Soil aeration and water permeability were poor, especially the parent material where was almost airtight and watertight. The soil water content was high, and in the natural state it was more than 40%. The soil bulk density was low and the topsoil was 0.93 g/cm3. The soil hardness was low and the liquid index was 0.38-0.61. The whole soil was in the plastic state, and the mechanical bearing capacity was poor. It was possible to improve the permeability of the soil by setting up the subsurface pipe in the meadow marsh soil. The distance from the subsurface pipe had an effect on the soil drainage effect, and the closer the distance from the subsurface pipe, the better the effect of soil drainage, the more obvious the decrease of water content. In the rice field with subsurface pipe at tillering stage, the soil surface was dry while the control without pipe was still wet. The yield of rice treated with subsurface pipe was 8.06% higher than that without subsurface pipe. This study provides technical support for improving soil condition in the low plains.

soils; physichemical properties; drainage; subsurface pipe; yield; Sanjiang Plain; paddy field

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.019

S152.7

1002-6819(2017)-14-0138-06

王秋菊，刘峰，常本超，韩东来，隋玉刚，杨兴玉，陈海龙，新家宪，刘艳霞，焦峰. 三江平原低湿地水田土壤理化特性及暗管排水效果[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：138－143.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.019 http://www.tcsae.org

Wang Qiuju, Liu Feng, Chang Benchao, Han Donglai, Sui Yugang, Yang Xingyu, Chen Hailong, Ken Araya, Liu Yanxia, Jiao Feng. Soil physiochemical properties and subsurface pipe drainage effect of paddy field in low wetland of Sanjiang plain[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 138－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.019 http://www.tcsae.org

2017-01-10

2017-06-10

农业部公益性行业专项（201503118-04）；科技支撑计划（2015BAD23B05-03）；省博士后基金（LBH-Z13189）；省自然科学基金（D2015005）；院创新工程（2014JQ03）

王秋菊，黑龙江依兰人，副研究员，博士，主要从事低产土壤改良研究。哈尔滨黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，150086。Email：bqjwang@126.com。

※通信作者：焦峰，黑龙江省大庆人，教授，博士，主要从事土壤化学研究。大庆黑龙江八一农垦大学，163319。Email：jiaofeng1980@163.com。