引黄泥沙对黏质盐土的改良效果及其对冬小麦产量的影响

2022-03-22陈超帆毛伟兵孙玉霞郭同铠曲晓玲

灌溉排水学报 2022年2期

陈超帆，毛伟兵*，孙玉霞，郭同铠，曲晓玲

（1.山东农业大学，山东泰安271000；2.利津河务局，山东东营257000）

0 引言

【研究意义】黄河三角洲土地资源丰富，是中国东部沿海后备土地资源最多、开发潜力最大的地区[1]。但是，区域内土壤盐渍化程度严重，各类盐渍土约占总土地面积的31.14%。由于黄河水含沙量高，引黄灌区长期引黄沉沙，造成大量泥沙淤积，对当地生态环境产生严重威胁[2]。滨海黏质盐土是黄河三角洲地区最典型的盐碱土类型，约占各类盐渍土总面积的42.16%。由于土壤质地黏重，导致盐分淋洗困难，土壤含盐量高、作物生长不良[3]。如何充分利用引黄灌区巨量工程泥沙改良黏质盐土，对黄河三角洲高效生态经济区建设发展具有十分重要的意义。【研究进展】黏质盐土使用引黄泥沙后，土壤颗粒级配发生明显变化，土壤配沙层的体积质量显著降低，土壤饱和导水率增加[4-5]。同时，土壤持水能力随沙粒增加而减小，使用引黄泥沙在一定程度上能够降低表层土壤含水率，提高深层土壤含水率[6-7]。还可有效抑制土壤盐分表聚[8]，降低表层土壤含盐量，进而减少耕作层土壤全盐量[9]。因此，使用引黄泥沙改良黄河三角洲黏质盐土，可有效解决黄河三角洲地区存在的土壤盐碱、泥沙淤积和生态环境改善之间的矛盾，提高作物产量，改善生态环境。【切入点】引黄泥沙是一种高效低廉、环保实用的盐碱土改良材料，但是，目前关于引黄泥沙改良黏质盐土的机理研究较少，尤其在不同引黄泥沙用量与黏质盐土的改良效果、以及适宜的引黄泥沙用量等方面。【拟解决的关键问题】本文通过大田试验，研究不同引黄泥沙用量对黏质盐土的改良效果，及对冬小麦产量的影响，进而确定黏质盐土适宜的引黄泥沙用量范围。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于山东省滨州市无棣县谭庄子村（N37°26′—38°18′和E117°15′—118°12′）进行。属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降雨量为545 mm，是山东省降水量最少的地区。降水主要集中在6—8月，占全年降水量的70%。多年平均水面蒸发量为1 154 mm（气象数据来源于温室数据共享平台），5、6月蒸发量约占全年蒸发量的40%。地下水埋深1.0～2.0 m，矿化度8～15 g/L。试验区位于渠区尾部，灌溉用水难以保证，灌水定额1 200～1 500 m3/hm2。当地典型的作物种植模式为冬小麦-夏玉米一年二熟。由于夏季高温多雨，土壤含盐量一般较低，所以对夏玉米生长影响较小。春季返盐时期的土壤含盐量一般为6.5 g/kg，盐碱化程度严重，对冬小麦的生长影响较大。

1.2 试验设计

2019—2020年进行田间试验。田间试验所用引黄泥沙为滨州市小开河引黄灌区沉沙池入水口附近的清淤泥沙。冬小麦试验设置8 个引黄泥沙用量处理：CK（0 kg/m2）、S1（5 kg/m2）、S2（10 kg/m2）、S3（15 kg/m2）、S4（20 kg/m2）、S5（25 kg/m2）、S6（30 kg/m2）、S7（35 kg/m2）。试验小区面积：40 m×10 m，每个处理设3 个重复。冬小麦播种前，按照试验处理称取相应的引黄泥沙量，均匀撒至整个小区土壤表面，之后用旋耕犁进行旋耕混匀，旋耕深度为20 cm。冬小麦于2019年10月4日播种，种植的冬小麦品种为临麦6 号。底肥采用有机复合肥，播种时一次施入，施用量为1 800 kg/hm2。在播种后畦灌1 次，灌水定额为1 500 m3/hm2。所有处理均采用相同的农事活动，其他田间管理措施与当地农业种植一致。试验田土壤、引黄泥沙的基本理化指标见表1。

表1 试验田土壤及引黄泥沙基本理化指标Table 1 Basic physical and chemical indexes of soil and Yellow River diversion sediment

为避免土壤空间异质性对试验结果的影响，2020年5月14日收获小麦时，每个试验小区采用“S”形取6 个土壤剖面样点，每个样点分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 个土层。田间采集的土壤样品在实验室经过风干、过筛处理后进行各项指标测定。

1.3 测定指标及测定方法

1）土壤体积质量：每个小区取6 个具有代表性的取样点，分别测定0～20 cm（配沙层）和20～40 cm（配沙影响层）2 个土层的土壤体积质量。土壤体积质量采用环刀法测定，环刀体积为100 cm3。田间取样后，密封带回实验室烘干，计算土壤体积质量，取平均值。

2）土壤饱和导水率：每个小区取6 个具有代表性的取样点，将原状土密封带回实验室，采用KSAT饱和导水率仪对0～20 cm 的土壤饱和导水率进行测定，取平均值。

3）土壤含水率：每个小区取6 个具有代表性的取样点，每个样点分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 个土层，密封带回实验室，采用烘干法测定。计算田间土壤含水率，取平均值。

4）土壤含盐量：每个小区取6 个具有代表性的取样点，每个样点分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 个土层，所取土壤在室内自然风干后，采用1∶5 土水比，经过振荡、离心、过滤、用电导率仪测定土壤电导率，计算土壤含盐量，取平均值。

5）冬小麦产量：每个小区按“S”形取6 个具有代表性的取样点。采用“一米双行”（行间距为0.26 m）的方法收获冬小麦用以确定产量。通过人工收割后测定穗数、穗粒数，晒干后称质量确定冬小麦的产量与千粒质量，取平均值。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2010 进行数据统计和作图。采用SPSS 26.0 软件进行统计分析，最小显著极差法（LSD）进行差异显著性检验（P＜0.05）。采用DPS软件进行灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 不同引黄泥沙用量对土壤体积质量的影响

土壤体积质量是最基本的土壤物理性质，不仅影响土壤的透气性、持水能力，也是影响土壤水分入渗性能的决定因素[10-11]。使用引黄泥沙后，各处理0～20 cm 土层（配沙层）的土壤体积质量均低于CK，且随着引黄泥沙用量的增加基本呈逐步下降的趋势。与CK 相比，S1—S7 处理的土壤体积质量分别降低了3.60%、1.68%、2.37%、4.67%、3.62%、6.33%、8.76%。S3—S7 处理土壤体积质量与CK 差异显著（P＜0.05）。20～40 cm 土层（配沙影响层），S1—S7 处理的土壤体积质量与CK 都无明显差异（P＞0.05），见表2。这说明使用引黄泥沙能有效降低配沙层黏质盐土的土壤体积质量，但并不影响配沙影响层的土壤体积质量。

表2 0～20、20～40 cm 土层土壤体积质量变化Table 2 Changes of soil bulk density in 0～20 and 20～40 cm soil layers

2.2 不同引黄泥沙用量下土壤饱和导水率的差异

田间0～20 cm 原状土壤的饱和导水率如图1 所示。随土壤引黄泥沙用量的增加，土壤饱和导水率呈现逐渐上升趋势，且上升趋势符合指数型函数增长。这说明使用引黄泥沙能够有效地提高黏质盐土的饱和导水率[12]，且饱和导水率随着引黄泥沙用量的增加明显提高。

图1 0～20 cm 土层土壤饱和导水率变化Fig.1 Variation of soil saturated hydraulic conductivity in 0～20 cm soil layer

2.3 不同引黄泥沙用量下土壤含水率的变化

从表3 可以看出，使用引黄泥沙后，各处理的土壤含水量变化规律一致，0～60 cm 土层的土壤含水率随着土层深度的增加而提高，60～100 cm 土层的土壤含水率随着土层深度的增加而降低，这说明使用引黄泥沙并不影响土壤剖面的土壤含水率分布。使用引黄泥沙后，0～20 cm 土层，S1—S7 处理的土壤含水率与CK 相比分别降低了2.55%、13.68%、16.61%、19.90%、2.92%、11.42%、14.20%。S3、S4 处理的土壤含水率与CK 差异显著（P＜0.05）。20～40 cm 土层，S1—S7处理的土壤含水率与CK 相比分别降低了8.04%、

表3 不同土层土壤含水率变化Table 3 Changes of soil water content in different soil layers

13.31%、12.86%、16.99%、15.83%、8.88%、14.41%。S3、S4、S5 和S7 处理土壤含水率与CK 差异显著（P＜0.05）。这说明使用引黄泥沙在一定程度上会降低土壤表层的蓄水保水能力，且随着引黄泥沙用量的增加，土壤含水率整体呈先下降再升高的趋势。

2.4 不同引黄泥沙用量对土壤含盐量的影响

2.4.1 土壤含盐量变化

2020年5月14日取样时为黄河三角洲降雨量最小的季节，且土壤水分蒸发强烈，盐分在耕作层和表层土壤中发生积累，制约着小麦的生长[13]。由表4 可知，使用引黄泥沙后，各处理0～60 cm 土层的土壤含盐量规律基本一致，深层土壤含盐量无明显规律。这说明使用引黄泥沙并不影响土壤剖面的土壤含盐量分布。0～20 cm 土层，各处理的土壤含盐量均低于CK，S1—S7 处理的土壤含盐量与CK 相比分别降低了19.26%、22.19%、22.89%、20.02%、11.43%、7.91%、18.65%。S2、S3 处理土壤含盐量与CK 差异显著（P＜0.05）。20～40 cm 土层，各处理的土壤含盐量均低于CK，S1—S7 处理的土壤含盐量与CK 相比分别降低了11.46%、12.50%、22.44%、21.50%、5.07%、10.09%、15.07%。S2、S3、S4 处理和S7 处理土壤含盐量与CK 差异显著（P＜0.05）。40～60 cm 土层，各处理的土壤含盐量均低于CK，S1—S7 处理的土壤含盐量与CK 相比分别降低了8.69%、10.37%、28.61%、13.67%、5.74%、4.92%、14.45%。S3 处理土壤含盐量与CK 差异显著（P＜0.05）。使用引黄泥沙能够有效降低表层土壤和耕作层土壤的含盐量，且随着引黄泥沙用量的增加，表层土壤和耕作层土壤的土壤含盐量整体呈先下降再上升的趋势。

表4 不同土层土壤含盐量变化Table 4 Changes of soil salt content in different soil layers

2.4.2 土壤饱和导水率和土壤含盐量的关系

土壤饱和导水率过低严重影响了黏质盐土的排盐效率。从图2 可以看出，使用引黄泥沙后，0～20 cm土层，土壤含盐量随着土壤饱和导水率的提高整体呈先下降再上升的趋势。各处理中，S3 处理的土壤含盐量最低，为2.18 g/kg，对应的饱和导水率为0.022×10-6m/s。土壤饱和导水率的提高能加速土壤盐分的淋洗，有效降低土壤含盐量，但过高的土壤饱和导水率并未达到更好的降盐效果。因此，为了降低土壤的含盐量需要控制适宜的土壤饱和导水率。

图2 0～20 cm 土层土壤饱和导水率与含盐量的关系Fig.2 Relationship between soil saturated hydraulic conductivity and salt content in 0～20 cm soil layer

2.5 冬小麦产量与产量构成

2.5.1 冬小麦产量的变化

使用引黄泥沙后，各处理的冬小麦产量均高于CK，如表5 所示。S1—S7 处理的冬小麦产量随着引黄泥沙用量的增加呈先增加后减少的趋势。S1—S7处理的小麦产量与CK 相比分别增加了28.51%、30.00%、32.78%、24.78%、18.54%、16.79%、8.2%。S1—S6 处理的冬小麦产量与CK 差异显著（P＜0.05），S7 处理的冬小麦产量与CK 并不显著。S3 处理的小麦产量最高，为7 530.98 kg/hm2。这说明使用引黄泥沙能有效提高冬小麦的产量，且随着引黄泥沙用量的增加冬小麦产量呈先增加后减少的趋势，因此使用引黄泥沙提高冬小麦的产量需要适宜的范围。

2.5.2 小麦产量与产量构成的关联度

为分析产量构成因素对冬小麦产量的影响强度，对产量构成与小麦产量进行灰色关联分析，结果见表5。穗粒数与产量的关联度系数为0.343 0，穗数与产量的关联度系数为0.306 9，千粒质量与产量的关联度系数为0.191 8，穗粒数对小麦产量的影响最大。

表5 不同处理产量与产量构成因素及其关联度Table 5 Correlation between yield and yield components

3 讨论

3.1 提高黏质盐土饱和导水率与降低土壤含盐量

滨海黏质盐土质地黏重，土壤饱和导水率较低，使得灌溉或降雨时大量盐分无法快速淋出土壤，导致土壤含盐量高，植物生长困难，成为制约黏质盐土改良利用的关键和难点[14-19]。所以提高土壤饱和导水率是快速降低土壤含盐量的最有效措施之一。但是，快速提高土壤饱和导水率需要适宜的材料和与之配套的方法。目前多名学者在利用石膏、生物炭、土壤调理剂、粉煤灰等改善盐碱土物理性质，提高土壤饱和导水率和降低土壤含盐量等方面进行了大量研究。刘璐等[20]研究表明，利用土壤调理剂能够提高土壤饱和导水率，与CK 相比，土壤饱和导水率增加了32.3%，超过一定用量后土壤饱和导水率会随着土壤调理剂施用量的增加而减小。这与本研究并不一致，这是由于改良材料不同，引黄泥沙中存在大量的极细砂粒能够改善土壤的孔隙结构，因此土壤饱和导水率随着引黄泥沙用量的增加一直提高。王志春[21]研究表明，使用沙粒能有效提高土壤出流液的电导率值，降低土壤含盐量。这与本研究一致。本研究中利用引黄灌区的淤积泥沙作为改良材料，可快速提高黏质盐土的饱和导水率，有效降低土壤含盐量。与土壤调理剂、生物炭相比，引黄泥沙不仅成本低廉、高效实用，还能有效解决引黄灌区的巨量工程泥沙问题，对改善当地生态环境有明显的促进作用。

3.2 春季土壤控盐与冬小麦产量之间的关系

黄河三角洲地区春季蒸发强烈，土壤返盐现象严重，土壤含盐量过高成为制约农作物生长和产量的关键[22]。因此，降低春季土壤含盐量是黏质盐土改良和提高冬小麦产量的核心问题。本研究发现，黏质盐土使用引黄泥沙后，不仅加速了降雨和灌溉时土壤的盐分淋洗，同时配沙层土壤孔隙与结构的变化还降低了土壤水分蒸发，抑制了盐分向土壤表层聚集，成为降低春季土壤含盐量的有效措施。当引黄泥沙使用量为15 kg/m2时，冬小麦产量高于其他处理，这是因为该处理的土壤表层与耕作层的土壤含盐量最低，冬小麦生长环境更好。由于滨海盐碱区都位于引黄灌区的下游，受灌溉来水的限制，冬小麦播种时间较晚，当地农民一般采用加大播种量解决冬前分蘖受影响的问题，所以冬小麦穗粒数就成为决定冬小麦产量的最重要因素[23]。本研究充分表明，使用引黄泥沙降低黏质盐土春季含盐量，可明显促进冬小麦穗粒数增加，对冬小麦产量提高发挥关键作用。但使用引黄泥沙降低土壤表层与耕作层土壤含盐量的同时，与冬小麦产量密切相关的土壤含水率也有所降低，因此寻找其他材料来弥补引黄泥沙在此方面的不足可作为此后研究的重点。