引黄灌区泥沙还田对土壤理化性质及土壤风蚀的影响

王卫华，马 鑫，赵卉鑫

(1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052)

黄河是世界上著名的多沙河流，在引黄河水时会引入大量泥沙，导致引水引沙矛盾突出[1-4]。大量泥沙沉积到沉沙池与蓄水池影响滴灌首部工程使用寿命，泥沙淤积会影响渠道的输水能力及安全，清淤堆积的泥沙不及时处理也会引起渠首沙化，导致生态环境恶化等[5-6]。因此泥沙淤积治理是黄河治理开发的重要环节。但泥沙清淤成本高，清淤泥沙不能及时利用，会对周围生态环境造成很大损害[7]。

近几年国内外很多学者对掺沙、覆沙改良土壤做过很多研究，泥沙还田对土壤进行改良，在我国很早时候就有应用[8]。陈洋等研究发现，在不同土壤中添加黄河泥沙，会改变土壤孔隙度，也会增大土壤的持水量[9]。贾文慧在黏质土壤中添加不同量的引黄泥沙，发现土壤含盐量随着泥沙量的增加而不断降低[10]。李争争等研究发现随着絮凝黄河泥沙添加量的增大，土壤孔隙度和土壤含水率也随之增大，这种方法可有效改善盐碱土的土壤结构[11]。蔺亚莉等研究发现对土壤进行适当的掺砂处理，可以有效改变土壤的机械组成、土壤质地，从而改善土壤通气性，降低土壤盐分积累[12-13]。叶茂等通过对四川凉山地区红壤中掺入砂性土发现，随掺客土量的增加，土壤pH呈上升趋势，土壤有机质含量呈下降趋势[14]。

中国土地荒漠化十分严重，中国遭受土壤风蚀的区域主要集中在北方干旱半干旱区域[15]。土壤风蚀是指颗粒较小或较松散的土壤物质，在风力作用下被搬运和堆积等经过一系列物理变化的过程[16]。风蚀会破坏表层松散的土壤，吹走较细小的地表物质，给周围的沙尘暴天气提供部分物质来源，对周围的环境造成了严重的污染[17]。同时也会使土壤有机质在风蚀过程中被吹失，导致土地生产力下降，影响地区农业发展水平[18-21]。2019年全国水土流失动态监测结果显示，全国水土流失面积为271.08万km2，其中风力侵蚀面积为157.61 km2[22]。农田土壤较为松散，容易发生风蚀，所以保护农田对防治土壤风蚀有着重要的意义。

如何在保证正常引黄供水和节水灌溉下有效的转化处理大量引黄泥沙，是每一个引黄灌区特别是高效节水灌区需要探索研究的重要问题。为了解决泥沙淤积问题，将泥沙“变废为宝”进行资源化利用，本文将河道清淤泥沙进行还田处理。通过大田试验和室内风蚀试验相结合的方式，分析土壤的理化性质、风蚀量、土壤起动风速等指标，探索泥沙还田后对土壤理化性质和土壤风蚀的影响。

1 材料与方法

1.1 大田试验

1.1.1研究区概况

试验区位于巴彦淖尔市临河区九庄实验站，位于内蒙古自治区西部、河套平原腹部(东经107°6′—107°44′，北纬40°34′—44°17′)。临河区海拔高度约1 030 m，临河区属中温带半干燥大陆性气候型。年平均气温为6.8℃，无霜期平均为127 d。年平均降水量为138.8 mm，年均蒸发量为2 236.7 mm，研究区概况如图1所示。

图1 研究区概况示意

1.1.2大田试验设计

大田试验泥沙采集于当地河套灌区引黄过滤泥沙，从河道中取出泥沙自然风干，再去除杂物后过2 mm筛备用。设置3种泥沙还田量(500 kg/亩、1 000 kg/亩、2 000 kg/亩)和2种施用方法(表层均匀覆盖、20 cm浅层均匀混施)，以不进行泥沙还田为对照，共计7个处理，即C1(掺沙500 kg/亩)、C2(掺沙1 000 kg/亩)、C3(掺沙2 000 kg/亩)、F1(覆沙500 kg/亩)、F2(覆沙1 000 kg/亩)、F3(覆沙2 000 kg/亩)和CK。以没有泥沙还田的小区为空白对照，包括对照在内每个处理进行3次重复试验，采用完全随机试验设计，合计24个小区。

表层均匀混施是将土壤旋耕结束后，再将泥沙按照设计重量均匀的撒在土壤表面；20 cm浅层均匀混施是将泥沙撒在土壤表面后，再进行旋耕。还田泥沙基本性质见表1，大田土样理化性质见表2。

表1 泥沙理化性质

试验采用宽窄行种植玉米，宽行距为60 cm，窄行距为40 cm，株距为22 cm。根据试验区情况，各小区灌溉方式采用滴灌，灌溉、施肥、除害等方案依照当地农田管理方式统一进行，且各小区田间管理方式完全相同。

在玉米各个生育期，在水平距离玉米根部10 cm处取土样，分别取不同处理土层下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土样，用烘干法测定土壤含水率，并测定土壤pH值、EC值。

1.2 风蚀试验

1.2.1试验材料与样品制备

试验土样采自试验区地表0～20 cm土层，试验前将土壤样品经碾压、去除杂物后过2 mm筛，放置于通风处自然风干，将各土样含水率风干至与试验区土壤表面土壤含水率一致。将风干后的土样放进不锈钢托盘内，托盘长度为40 cm，宽度为20 cm，内壁深度为5 cm。风蚀试验在风洞实验室内进行，风洞洞体包括进风喇叭口、风机段、渐变段、转角段、稳定段、收缩段及试验段。风洞总长29 m，试验段长12.6 m×宽2.5 m×高1.8 m。风速范围2～30 m/s连续可调。风机叶轮直径1.8 m，叶片角度350°，风机轴转速720 rpm，最大输出功率185 kW。直流风洞装置如图2和图3所示。

图2 直流风洞示意(单位：mm)

图3 直流风洞实物示意

1.2.2风蚀试验设计

泥沙还田时期为玉米播种前，此时该地区风力较大，因此设计室内风蚀试验，在不同的风速、坡度条件下，对不同掺沙处理的土样进行吹蚀，得出土壤风蚀过程中不同处理土壤临界起动风速的变化规律、不同处理风蚀量随风速的变化规律以及风蚀量随坡度的变化规律，为泥沙还田后土壤风蚀的防治提供参考。

试验处理包括临河九庄试验区4种泥沙还田量(0 kg/亩、500 kg/亩、1 000 kg/亩、2 000 kg/亩)和1种施用方法(20 cm浅层均匀混施)，共计4个处理。为防止土壤含水率对风蚀试验的影响，将各土样含水率自然风干。

风蚀试验一：根据试验区风速情况，共设4个试验风速，分别为6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s，在4种不同梯度风速下对4种处理进行吹蚀。测定起动风速时将托盘固定好，在土样后方放置一条黑色的胶带，启动风机，在控制室调节风速使风速逐级增大。当观测到胶带上有土壤颗粒物存在时，证明土壤颗粒被吹动，记录当前风速即为起动风速，依次测定不同处理的起动风速。

风蚀试验二：测定完起动风速后，将各处理重新装填并称重，将各土样一同放进风洞试验段，依照设计风速从小到大进行吹蚀。在不同风速下吹蚀结束后，再次对土样进行称重，通过计算吹蚀前后土样的重量差确定不同风速下的风蚀量。

风蚀试验三：该试验区土地较为平整，地面坡度一般都小于5°，因此将试验时沙盘的放置倾斜角度设置为0°、5°、10°、20°、30°五个梯度进行试验，选定风速固定为8 m/s对土样进行吹蚀。首先将不同处理的托盘以设计的坡度固定好，设定好风速进行吹蚀，在每次吹蚀结束后，对土样进行称重，通过吹蚀前后称量土样的重量差确定不同风速下的风蚀量，研究不同处理土样风蚀量随坡度的变化规律。

为了能收集到足够量的土壤风蚀物使吹蚀结果方便对比，将吹蚀时间统一定为10 min。每次吹蚀完以后，土样表面细小土壤颗粒被吹走，导致土壤表面粗粒化，为消除误差，每次吹蚀完毕后将托盘中的土样重新填装满消除这种影响。

1.3 数据分析方法

用Microsoft Office Excel 2003和SPSS26进行数据整理和分析，用Origin2018拟合模型并绘制图表。采用单因素方差分析LSD法进行显著性差异分析。

2 结果分析

2.1 不同泥沙还田方式和还田量对土壤含水率的影响

图4～图8为各处理不同深度土层的土壤含水率变化曲线，由于受不同时期灌水量和降雨的影响，各土层土壤含水率变化呈现减小-增大-减小的趋势。

图4 泥沙还田对玉米0～10 cm土壤含水率的影响示意

图5 泥沙还田对玉米10～20cm土壤含水率的影响示意

图6 泥沙还田对玉米20～40 cm土壤含水率的影响示意

图7 泥沙还田对玉米40～60 cm土壤含水率的影响

图8 泥沙还田对玉米60～80 cm土壤含水率的影响示意

在0～10 cm和10～20 cm土层，土壤含水率相对较小，且不同时期各处理的土壤含水率均大于CK。在0～10 cm土层，土壤含水率总体变化为覆沙处理>掺沙处理>CK；在10～20 cm土层，土壤含水率总体变化为掺沙处理>覆沙处理>CK。泥沙还田会增大表层土壤含水率，并且在相同还田量下，覆沙处理在0～10 cm土层提高土壤含水率效果较好，掺沙处理对于提升10～20 cm土层土壤含水率效果较好。这是由于在土壤表层覆沙，表层黏粒含量较大，并且小颗粒会堵住土壤孔隙，降低了土壤水分入渗能力，水分滞留在覆沙层，同时由于黏粒对水分的吸附作用，增大了土壤表面的含水量。而掺沙处理提高了0～20 cm土层的黏粒含量，同样降低了水分入渗能力。在相同处理方式下，0～20 cm土壤含水率随着泥沙还田量的增大而增大；而在相同还田量下，0～10 cm土层覆沙处理土壤含水率要高于掺沙处理，10～20 cm土层掺沙处理土壤含水率要高于覆沙处理。泥沙还田对0～40 cm土层含水率有提高效果，而对40～80 cm土层含水率无影响。40～80 cm土层含水率偏高，这可能和取样时间为灌溉后或雨后有关。

2.2 不同还田方式和还田量对土壤EC值的影响

土壤水溶性盐EC是限制作物生长的主要因素，EC值过高，会使作物根尖干枯，从而影响作物对生长发育所需营养物质的吸收。由图9可知，在0～20 cm土层，各掺沙覆沙处理会增大土层的EC值，对20～40 cm土层EC值有降低效果，各处理在40～80 cm土层的EC值无明显变化。这种现象可能是因为在灌溉过程中，土壤盐分随水分被带入土壤下层，而掺沙覆沙会提高表层土壤黏粒含量，降低土壤入渗能力，增大土壤水分的同时会留住一部分盐分，导致土壤表层EC值大于CK处理。在灌溉之后，土壤表层盐分会随着蒸发的作用向表层积累，而20～40 cm土层的土壤EC值小于CK，这是由于掺沙和覆沙会抑制土壤水分蒸发，抑制了土壤毛管水的上升，减少了土壤表层盐分的积累。由于灌溉方式为滴灌，在滴灌条件下泥沙还田对深层土壤影响较小，因此土壤40～80 cm土层土壤EC无明显变化规律。

图9 不同处理土壤EC变化示意

2.3 不同掺沙处理对土壤起动风速的影响

还田处理后的耕地由于表层土壤小粒径颗粒增多，会改变土壤质地和土壤含水率，在这种条件下会对土壤的风蚀情况产生影响，因此将不同处理土样自然风干，使不同处理土样保持在相同含水率下，设计试验进行定量分析，确定泥沙还田对耕地风蚀情况的影响程度。

自然风干之后的土壤含水率如表3所示，不同处理土壤起动风速见表4所示。泥沙还田会增大自然风干条件下土壤含水率，但由于土壤表面可蚀颗粒增多，导致泥沙还田会降低土壤风蚀的起动风速，随着还田量的增大，土壤起动风速随之降低。由表4可知，CK处理的土壤起动风速为5.5 m/s，C1处理的土壤起动风速为5.3 m/s，C2处理的土壤起动风速为4.9 m/s，C3处理的土壤起动风速为4.8 m/s，C1、C2、C3的起动风速分别较CK降低了3.6%、10.9%、14.5%，泥沙还田会降低土壤的起动风速。这是由于还田量越大，土壤表面松散的小颗粒越多，越容易被风吹起产生风蚀。董治宝研究表明，起动风速和粒径的关系服从分段函数，即在不同粒径范围内遵循不同规律，当土壤粒径<0.09 mm时，起动风速随粒径的减小而增大；当土壤粒径>0.09 mm时，起动风速随粒径增大而增大。在较为松散的土壤表面，土壤的起动风速和风蚀量受细小颗粒的影响较大，虽然黏粒含量增大会提高土壤的内聚力，但是土壤表面小颗粒土壤较多，且表层土壤内聚力较小，颗粒越细越容易发生风蚀。

表3 风蚀试验各处理土壤风干含水率

表4 不同处理土壤起动风速

2.4 风速对各掺沙处理土壤风蚀量的影响

由图10可知，不同掺沙处理土壤风蚀量均随风速的增大而增大，风蚀量与风速呈正相关关系。在风速为6 m/s和8 m/s时，风蚀量较小，风蚀量随风速增加的程度较小，且不同处理风蚀量随风速变化的趋势线较为相似。而在风速为10 m/s和12 m/s时，风蚀量随风速增加的程度较大，趋势线也出现较大的差别。风速为10 m/s时，C3处理的风蚀量大于CK，C1和C2的风蚀量小于CK，风蚀量从大到小依次为C3>CK>C2>C1，C1和C2的风蚀量分别相较于CK减小了52.7%和38.0%，C3风蚀量增大了4.9%。风速为12 m/s时，各掺沙处理土壤风蚀量均大于CK处理，且风蚀量随还田量的增大而增大，风蚀量从大到小依次为C3>C2>C1>CK，C1、C2、C3分别较CK增大了6.5%、11.0%、96.8%。

图10 不同掺沙处理风蚀量随风速的变化示意

一般来说，在其他条件一定时，土壤整体抗风蚀能力随着土壤黏粒含量的增大而增大，土壤各细小颗粒间的内聚力随着土壤黏粒含量的增大而越强，从而增大土壤抗风蚀能力。在本次试验中，随着还田量的增大，土壤黏粒含量增多，但在风速10 m/s和12 m/s条件下，并非各个处理都能降低土壤的风蚀量。这是由于本次风蚀试验土样自然风干之后含水率较低，导致细小颗粒之间的内聚力较小，土粒都处于互相分离的状态，土壤颗粒间的吸引力小，最终导致不仅没有降低土壤风蚀量，反而增大了不同处理的土壤风蚀量。在风速为10 m/s时，风力对C1和C2的内聚力破坏作用较小，因此风蚀量较小；在风速为12 m/s时，各处理的内聚力不足以抵抗风力的破坏，CK土壤黏粒含量较小，主要是靠大颗粒的惯性来抵抗风蚀，因此导致掺沙处理风蚀量都大于CK。

2.5 坡度对各掺沙处理土壤风蚀量的影响

从图11可以看出，在固定风速为8 m/s下，不同处理土壤风蚀量并非随着坡度的增大而一直增大，而是呈起伏变化。C1、C2和C3三个处理风蚀量随坡度变化趋势相同，呈现升高-降低-升高的起伏变化。三种处理都是在坡度为0°时风蚀量最小，在坡度为10°时风蚀量为极大值，在经过坡度为20°的转折坡度后，风蚀量随着坡度的增加急剧增大。CK处理同样是呈现升高-降低-升高的变化趋势，但在坡度为10°时风蚀量最小，此后随坡度增大风蚀量逐渐增加，且转折坡度为10°。因此掺沙处理存在两个转折风速，一种是坡度为10°时风蚀量由大变小的转折风速，一种是坡度为20°时风蚀量由小变大的转折风速，而对照处理只有10°一种转折坡度。

图11 不同掺沙处理风蚀量随坡度的变化示意

坡度的变化会使土壤受风力作用的方向发生变化，导致风蚀量发生变化。在坡度0°～10°之间，随着坡度的增加各处理风蚀量呈现增大的趋势，这是由于随着坡度的增加风对土壤的直接吹蚀力增大，导致风蚀量增大；在坡度10°～20°之间风蚀量随着坡度的增大而减小，这可能是因为土壤颗粒有向下的重力，而若发生风蚀则需要额外克服土壤颗粒上坡的重力，此时重力优势要大于风力，因此导致土壤风蚀降低；在坡度20°以上，土壤颗粒受重力影响过大，导致土壤整体结构不稳定，同时土壤表面与风力直接接触面增大，导致风蚀量增大，因此各处理风蚀量随坡度的增大呈现升高-降低-升高的变化趋势。

3 结语

在内蒙古引黄灌区，泥沙还田后不同土层各处理的土壤含水率均大于CK，且土壤含水率表现为随着土层深度增加而增大的趋势。在相同处理方式下，0～20 cm土壤含水率随着泥沙还田量的增大而增大；而在相同还田量下，0～10 cm土层覆沙处理土壤含水率要高于掺沙处理。这是因为泥沙还田后表层土壤黏粒含量增多，有利于抑制土壤水分的蒸发，降低表层土壤水分入渗能力。

泥沙还田会影响土壤的风蚀情况，各处理土壤风蚀量均随风速的增大而增大。在风速为10 m/s时，风力对C1和C2的内聚力破坏作用较小，因此风蚀量较小；在风速为12 m/s时，各掺沙处理土壤风蚀量均大于CK处理，且风蚀量随还田量的增大而增大，风蚀量从大到小依次为C3>C2>C1>CK，C1、C2、C3分别较CK增大了6.5%、11.0%、96.8%。泥沙还田会降低土壤起动风速，且随着掺沙量的增大起动风速越来越小，C3起动风速最小，即最易发生风蚀，C1、C2、C3的起动风速分别较CK降低了3.6%、10.9%、14.5%。坡度的变化会导致风蚀量发生变化，在30°坡度内，各处理风蚀量随坡度变化趋势相同，总体呈现升高-降低-升高的起伏变化。因此在泥沙还田之后，可结合防风蚀措施，来减小土壤风蚀量。