龐啟航，毛偉兵，韓小軍，李志超

（1.濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256603；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

黃河下游的引黃灌區(qū)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(nóng)業(yè)發(fā)展提供了寶貴水資源的同時(shí)帶來了大量泥沙，引黃灌區(qū)出現(xiàn)了渠道泥沙淤積嚴(yán)重、泥沙處理負(fù)擔(dān)加重、排水河道淤積等問題[1]，同時(shí)引起了灌區(qū)土地退化、沙化與生態(tài)環(huán)境惡化等各種問題[2-4]，對人民群眾的生產(chǎn)、生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成極大威脅，引黃泥沙問題已成為制約引黃灌區(qū)水沙資源開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。針對這一問題，許多專家學(xué)者提出了很多解決措施，例如從水沙合理配置的角度出發(fā)，王延貴[5]結(jié)合引黃灌區(qū)水沙分布的特點(diǎn)和泥沙處理的經(jīng)驗(yàn)，提出了引黃灌區(qū)泥沙遠(yuǎn)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(zāi)害最小。盧紅偉[1]進(jìn)一步總結(jié)了引黃灌區(qū)減沙沉沙技術(shù)、引水分沙技術(shù)、渠道輸水輸沙技術(shù)等水沙資源配置關(guān)鍵技術(shù)，提出促進(jìn)引黃泥沙實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)，考慮黃河三角洲存在的土壤鹽堿化、土地嚴(yán)重退化現(xiàn)象，利用引黃泥沙來改良鹽堿農(nóng)田，作為解決黃河三角洲引黃灌區(qū)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(jù)泥沙沉積規(guī)律、土壤基本性狀、生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)及相互適應(yīng)性，主動(dòng)配置和利用泥沙資源，把泥沙處理與土壤改良結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)泥沙資源的高效利用。這種解決措施的關(guān)鍵技術(shù)就是利用引黃泥沙作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑，調(diào)整土壤顆粒級配，修復(fù)土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤水鹽運(yùn)移狀況。為此，許多學(xué)者也開展了一些試驗(yàn)進(jìn)行研究。例如，曲英杰等[7]試驗(yàn)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(dǎo)水率。李東陽[8]研究了甘肅省引黃灌區(qū)不同灌溉強(qiáng)度和灌溉方式對土壤水分和成分的影響。但是，不同地區(qū)、不同方案下的土壤特性可能會(huì)有較大差別，針對黃河三角洲地區(qū)的引黃泥沙改良鹽堿農(nóng)田的土壤特性還需要大量現(xiàn)場試驗(yàn)作為支撐。為此，在黃河下游小開河灌區(qū)，選擇不同的泥沙利用方式和土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，檢測分析引黃泥沙改良鹽堿農(nóng)田的土壤特性。

1 試驗(yàn)場地和研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

小開河引黃灌區(qū)是國家大型引黃灌區(qū)，沉沙池設(shè)在灌區(qū)中游，沉沙池與渠首引黃閘的距離為51 km，實(shí)現(xiàn)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(qū)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(yàn)地位于濱州市沾化區(qū)古城鎮(zhèn)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(qū)，地形平坦，微地貌復(fù)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(zhì)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(fēng)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(qū)沉沙池段的泥沙，租用沉沙池附近的鹽堿地，運(yùn)用機(jī)械裝置將泥沙運(yùn)到鹽堿荒地上，按鋪設(shè)的泥沙厚度分為2 個(gè)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(jī)械裝置深翻土層8 cm 后混勻淤改土地[8]，然后進(jìn)行水稻和小麥單一作物的輪作種植。在兩方案的農(nóng)田樣地內(nèi)，分別選取100 m2的標(biāo)準(zhǔn)樣地3 個(gè)，在各樣地內(nèi)按“S”形均勻布設(shè)4 個(gè)試驗(yàn)樣點(diǎn)，分0～20 cm 層進(jìn)行土壤樣品的采樣及相關(guān)指標(biāo)的野外測定分析，土壤樣品風(fēng)干、預(yù)處理后測定土壤理化性質(zhì)。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(shù)測定

采用烘干法測定土壤含水量，以環(huán)刀浸水法測定土壤容重、孔隙度等，并計(jì)算蓄水量等各項(xiàng)物理指標(biāo)。采用單環(huán)滲透筒法測定不同時(shí)段的土壤入滲率，繪制土壤入滲過程曲線，應(yīng)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(wěn)滲率等入滲特征參數(shù)。Horton計(jì)算公式為：

式中：f，f0，fc分別為入滲率、初滲率、穩(wěn)滲率；t為入滲時(shí)間（min）；k為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：f為入滲率；t為入滲時(shí)間（min）；a，b，n均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

一定土層深度內(nèi)的土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量計(jì)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(jì)算土層深度（m），本研究按0.2 m深度計(jì)算。

2 引黃泥沙改良鹽堿農(nóng)田的土壤特性變化

2.1 農(nóng)田土壤容重和孔隙度

引黃泥沙與原有鹽堿農(nóng)田的土壤混摻處理后，農(nóng)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(nóng)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(xiàn)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(nóng)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(nóng)田土壤孔隙比較高，土壤質(zhì)地疏松，通透性好，引沙5、3 cm 的農(nóng)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(nóng)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(nóng)田土壤團(tuán)聚體組成

不同引沙處理后的土壤團(tuán)聚體組成與含量，詳見表2。

表2 不同引沙處理后的土壤團(tuán)聚體組成與含量 mm

從土壤團(tuán)聚體組成含量來看，不同引沙處理后的農(nóng)田和對照荒地的土壤均以粉粒含量為主，該類團(tuán)聚體組成占團(tuán)聚體總量的59.82%～64.51%；其次為砂粒含量，占團(tuán)聚體總量的16.35%～31.25%；而黏粒含量最低，呈現(xiàn)典型的粉質(zhì)壤土的特性。引沙處理后，農(nóng)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(nóng)田砂粒和粉粒含量，顯著減小黏粒含量，這也是農(nóng)田土壤通透性增強(qiáng)的主要原因。

平均重量直徑（MWD）是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的指標(biāo)，其值越大表示土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越好。由表2可知，不同引沙處理后的農(nóng)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(qiáng)農(nóng)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(nóng)田土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度最高、穩(wěn)定性最好。

2.3 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤顆粒分形維數(shù)

土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，能夠反映土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，土壤質(zhì)地越粗，分形維數(shù)值越??；反之，土壤質(zhì)地越不均勻、顆粒越小、細(xì)粒含量越高，分形維數(shù)越大。引沙處理后的農(nóng)田土壤顆粒分形維數(shù)變大，這主要是引進(jìn)泥沙增進(jìn)了農(nóng)田土壤粗顆粒的增加，導(dǎo)致土壤顆粒分形維數(shù)增大。引沙5、3 cm 后的土壤顆粒分形維數(shù)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(jié)構(gòu)，特別是農(nóng)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(dǎo)致土壤顆粒分布范圍較寬，使得林地土壤粒徑分布的不規(guī)律性和異質(zhì)性程度變小，土壤質(zhì)地組成的均勻程度變大，分形維數(shù)隨之變小，如圖1所示。

圖1 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤顆粒分形維數(shù)

2.4 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤入滲特征

不同引沙處理后的農(nóng)田土壤入滲過程的模型擬合結(jié)果詳見表3，不同引沙處理后的農(nóng)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Σ煌程幚淼霓r(nóng)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(gè)階段，即滲透初期的滲透率瞬變階段、漸變階段和平穩(wěn)階段。采用Horton模型時(shí)，fc值在1.24～6.34 mm/min，與實(shí)測值比較接近，k值在0.108～0.123，引沙3 cm的農(nóng)田k值最低，表明引沙3 cm的農(nóng)田從初始入滲率減小到穩(wěn)滲率的速度最慢，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間最長，其次為對照荒地，而引沙5 cm 的農(nóng)田達(dá)到穩(wěn)滲速率的時(shí)間最短。通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥值在0.85～4.35 mm/min，遠(yuǎn)小于對應(yīng)的實(shí)測穩(wěn)滲率，結(jié)合R2、實(shí)測初始入滲率和穩(wěn)滲率綜合分析，可以看出Horton 模型擬合精度較高，其擬合結(jié)果比通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透咏鼘?shí)測值，表明Horton模型比較適用于描述引沙農(nóng)田后的土壤入滲特征。參考Horton 模型參數(shù)的變化規(guī)律，利用實(shí)測參數(shù)分析比較發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(nóng)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(nóng)田土壤入滲特征曲線

表3 不同引沙處理的農(nóng)田土壤入滲過程的模型擬合結(jié)果

2.5 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤持水特性

不同引沙處理后的農(nóng)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(nóng)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?yàn)榈臀﹄A段毛管孔隙大，對土壤施加微小的吸力，大孔隙水分就會(huì)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(nóng)田水分的能力表現(xiàn)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(shí)，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(wěn)，不同引沙處理之間的土壤含水量差異逐漸減小。相同基質(zhì)勢下，引沙5 cm 農(nóng)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(nóng)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(shù)A、B 及數(shù)學(xué)模型，詳見表4。Gardner 等人提出的經(jīng)驗(yàn)方程可較好模擬引沙處理農(nóng)田的土壤水分特征曲線，相關(guān)系數(shù)R2較高。參數(shù)A即持水能力表現(xiàn)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(shù)B即土壤含水量隨土壤吸力降低而遞減的快慢表現(xiàn)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(nóng)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(nóng)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(zhì)含量較低，孔隙度低，土壤比較密實(shí)，致使持水性能最低。

表4 不同引沙處理的農(nóng)田土壤水分特征曲線數(shù)學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)

2.6 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤鹽堿化特征

土壤pH 是評價(jià)土壤鹽堿化程度的一個(gè)重要指標(biāo)，對土壤的氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應(yīng)起到支配作用。土壤堿化度是目前國內(nèi)外比較公認(rèn)的判斷土壤是否發(fā)生堿化的指標(biāo)和依據(jù)。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(zhì)的堿性程度，可以作為土壤堿化程度分級的指標(biāo)之一。不同引沙處理的農(nóng)田土壤鹽堿化指標(biāo)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(nóng)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(nóng)田土壤的含鹽量和電導(dǎo)率顯著降低，其中引沙5、3 cm 的農(nóng)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(nóng)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(nóng)田灌溉淋洗了土壤鹽分，同時(shí)農(nóng)作物植被蓋度的增加，植物蒸騰取代了地面蒸發(fā)、避免了蒸發(fā)造成的地表積鹽，而且土壤蒸發(fā)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(nóng)田不發(fā)生堿化?？梢姡?jīng)過引沙處理后的農(nóng)田，受農(nóng)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(zhuǎn)化。

表5 不同引沙處理后的農(nóng)田土壤鹽堿化指標(biāo)

2.7 不同引沙處理后的農(nóng)田鹽分離子含量

不同引沙處理后的農(nóng)田土壤可溶性鹽分離子濃度，詳見表6。由表6 可知，農(nóng)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(nóng)田鹽分離子含量低于對照荒地，但引沙5、3 cm 的農(nóng)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(nóng)田和對照荒地的陽離子含量總體表現(xiàn)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(jìn)而對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。高濃度的Na+不僅對植物細(xì)胞膜系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，還可抑制其他陽離子的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素合成受阻、光合作用下降和營養(yǎng)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(nóng)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(qū)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(xiàn)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(nóng)田土壤的Na+和Mg2+含量顯著降低，引沙5 cm 后農(nóng)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(nóng)田土壤可溶性鹽分離子濃度g/kg

3 結(jié)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(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低了土壤容重和顆粒分形維數(shù)，顯著增強(qiáng)了農(nóng)田土壤的滲透性能和持水性能，其中引沙5 cm 對土壤性質(zhì)的改良和調(diào)節(jié)作用好于引沙3 cm。

（2）引黃泥沙處理后農(nóng)田降鹽抑堿效應(yīng)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(nóng)田土壤含鹽量分別比對照荒地降低79.19%、77.38%，農(nóng)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?yōu)檗r(nóng)田的HCO3-和SO42-為主。引沙5、3 cm 的農(nóng)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(nóng)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?fù)饺胍S泥沙后改良效果明顯。