峽江水利樞紐庫區(qū)抬田土壤肥力及水分變化規(guī)律分析

鄧海龍，許亞群，謝亨旺，王少華，劉方平，李 昂，李 桓

(江西省灌溉試驗(yàn)中心站(江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，南昌 330201)

抬田工程土層結(jié)構(gòu)是指抬田工程中為避免耕地淹沒及作物澇漬災(zāi)害，保持耕作土壤水肥，而進(jìn)行的耕地土層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自下而上分為墊高層、保水層和耕作層。抬田工程的施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→耕作土層剝離與堆放→墊高層土石方填筑與驗(yàn)收→保水層填筑與驗(yàn)收→耕作土回填、攤平→ 道路工程施工→田間工程施工→施工結(jié)束[1]。耕作層利用剝離的原耕作層回填以保證作物較好的生長；保水層由防滲性能較好的黏土組成以防止灌溉水分過快產(chǎn)生深層滲漏，同時可以防止庫水上漲頂托對作物根部的浸泡；底部墊高層采用當(dāng)?shù)仫L(fēng)化料或砂礫石填筑[2-7]。目前多元結(jié)構(gòu)地基抬田的關(guān)鍵控制技術(shù)在國內(nèi)外尚無理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-6]，本文以江西省峽江庫區(qū)吉水縣水田鄉(xiāng)富口村抬田區(qū)土壤為研究對象，地處東經(jīng)115°06′，北緯27°23′，位于761縣道旁邊，距水田鄉(xiāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)府約5.8 km，距105國道約14.0～14.5 km，抬田區(qū)面積為13.73 hm2，耕地高抬至高于水庫正常蓄水位0.5～1 m，田面高程實(shí)際抬高的高度為1.5～3.5 m，并對抬高后的耕地配套田間工程,完善農(nóng)田灌排條件，使被抬高后的耕地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在富口村抬田區(qū)選擇具有代表性的田塊為研究對象，選取的已抬田區(qū)與未抬田區(qū)試驗(yàn)田均屬于同一戶村民的責(zé)任田，且相距不遠(yuǎn)，建立試驗(yàn)示范區(qū)和對照區(qū)。抬田示范區(qū)耕作層土壤干容重為1.51 g/cm3，土壤孔隙度為33.82%，滲透系數(shù)為1.75×10-5，基地肥力為：有機(jī)質(zhì)含量2.30%，全氮含量0.122%，全磷0.081%，全鉀1.41%，堿解氮119 mg/kg，速效磷10.6 mg/kg，速效鉀28 mg/kg。

未抬田對照區(qū)耕層土壤干容重為1.35 g/cm3，土壤孔隙度為39.93%，滲透系數(shù)為1.79×10-5基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)含量2.73%，全氮含量0.16%，全磷0.09%，全鉀1.18%，堿解氮124 mg/kg，速效磷6.57 mg/kg，速效鉀33.00 mg/kg。

設(shè)計(jì)采用的抬田結(jié)構(gòu)由耕作層、保水層和底部墊高層組成，耕作層厚度為20～25 cm，土壤pH 值在5.5～8.0之間，有機(jī)質(zhì)含量2.30%；黏土層(保水層)厚度為35～40 cm，壓實(shí)度為0.90，滲透系數(shù)k在(1.85～2.54)×10-6cm/s之間, 土料pH值在5.0～8.5之間。

墊高層厚度為抬田設(shè)計(jì)高程減耕作層厚度和保水層厚度，填筑材料為碎石風(fēng)化料，不含植物根莖、垃圾等雜質(zhì)，最大塊徑<50 cm，土料壓實(shí)度達(dá)到0.85以上。如上圖1所示。

圖1 抬田結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

采取田間試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法。

2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)說明

(1)試驗(yàn)因素。耕作層土壤TR：分為已抬田水稻耕作區(qū)TR1與未抬田水稻耕作區(qū)TR2。

(2)處理設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)設(shè)立已抬田水稻耕作區(qū)TR1與未抬田水稻耕作區(qū)和TR2，進(jìn)行耕作層土壤肥力狀況的跟蹤調(diào)查，各處理重復(fù)3次，則共計(jì)6個試驗(yàn)區(qū)。

(3)灌水處理。采取當(dāng)?shù)亓?xí)慣的灌溉制度處理淹水灌溉制度。

(4)其他栽培措施。

①播種：供試品種為水稻，早稻為湖南矮，晚稻為白玉絲苗，皆為當(dāng)?shù)刂髟耘嘧魑铩?/p>

②施肥：按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣性施肥水平，農(nóng)家肥(豬糞180擔(dān)/hm2)+基肥(45%復(fù)合肥)450 kg/hm2，追施尿素2次(46%的尿素，在移栽后10～12 d施分蘗肥112.5 kg/hm2，尿素+除草劑，移栽后35～40 d施拔節(jié)孕穗肥尿素75 kg/hm2)，并在拔節(jié)孕穗期施KCl一次，用量112.5 kg/hm2。

③追肥一般在降雨后或灌溉時進(jìn)行，先施肥，再灌溉，追肥后5 d內(nèi)不排水，以免造成肥料的損失。

④整地時，采取干耕，干耙的方式，在試驗(yàn)處理之間修筑20 cm高，20 cm寬的田埂，并用薄膜進(jìn)行防滲處理(防滲深度為50 cm)，防止處理之間串水串肥，影響試驗(yàn)效果。

⑤雜草控制方面：通過人工鋤草和除草劑相結(jié)合的方式來控制雜草的生長。

⑥病蟲害防治方面：通過噴施農(nóng)藥來控制，打藥和日常田間管理均相同。

2.2 測定項(xiàng)目與方法

通過在試驗(yàn)區(qū)定期采集土樣，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測定。

(1)土樣的采集時間。早稻耕作泡田前1周、早稻收割后2 d、晚稻收割后1周，分別調(diào)查取樣，進(jìn)行測定，全年共測定3次，取樣做到具有代表性，采取五點(diǎn)法取樣。用特制的取樣器采集土樣；土樣采回后自然風(fēng)干，研磨后測定。

(2)土樣的理化性質(zhì)的測定。土壤pH值采用pH計(jì)測定(水土比1∶1)，全氮采用濃硫酸加高氯酸消化，凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷采用鉬銻抗比色法測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀加濃硫酸外加熱法測定；速效鉀采用1 mol/L的醋酸鈉提取、火焰光度計(jì)測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 抬田區(qū)土壤肥力指標(biāo)演變分析

3.1.1不同處理中耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律

根據(jù)2010-2013年抬田試驗(yàn)典型田塊的定點(diǎn)取樣測定數(shù)據(jù)分析得出(變化趨勢見圖2所示)：由于抬田示范區(qū)在抬田工程實(shí)施之前，該區(qū)域的農(nóng)田地勢比較低，常年積水，耕作條件較差，土壤質(zhì)地也較差，幾乎不耕作，呈現(xiàn)出耕作層土壤的有機(jī)質(zhì)含量低于未抬田對照區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量。抬田工程實(shí)施后，該區(qū)域恢復(fù)了農(nóng)田耕作，給水稻植株提供了礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)，導(dǎo)致抬田區(qū)耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量在2010年與2011年水稻耕作后呈現(xiàn)下降的趨勢，2011年晚稻收割后，通過種植綠肥+秸稈還田措施處理后，并在2012年施用農(nóng)家肥后，試驗(yàn)區(qū)有機(jī)質(zhì)含量略有改善，2013年晚稻收割后的土壤取樣數(shù)據(jù)分析顯示：與2012年同期相比，抬田示范區(qū)有機(jī)質(zhì)含量略有增加，增幅為4.1%。

圖2 抬田區(qū)耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化曲線

3.1.2不同處理中耕作層土壤全氮含量變化規(guī)律

由圖2、圖3表明：抬田示范區(qū)與未抬田對照區(qū)土壤全氮消長趨勢與有機(jī)質(zhì)基本一致，且示范區(qū)與對照區(qū)耕作層土壤全氮含量分布規(guī)律與有機(jī)質(zhì)一致，抬田工程實(shí)施后，原有的耕作層土壤結(jié)構(gòu)受到了擾動，土壤的通氣狀況、耐肥性、保墑性、耕性受到了影響，農(nóng)戶在實(shí)際的生產(chǎn)耕作，伴隨著氮肥的施用，種植綠肥、秸稈還田措施處理后，抬田示范區(qū)和未抬田對照區(qū)耕作層土壤全氮含量在2011年7月之后呈現(xiàn)出增加的趨勢。

圖3 抬田區(qū)耕作層土壤全氮含量變化曲線

3.1.3不同處理中耕作層土壤堿解氮含量變化規(guī)律

從圖4可以看出：抬田示范區(qū)耕作層土壤堿解氮的含量低于未抬田耕作層的含量，且隨著水稻種植，呈現(xiàn)出下降的趨勢，到2013年，抬田示范區(qū)耕作層土壤堿解氮含量基本趨于穩(wěn)定。分析原因?yàn)樵械母鲗油寥澜Y(jié)構(gòu)受到了擾動，土壤保肥性能在一定程度上有所變化，水稻生長所需土壤養(yǎng)分含量在一定程度上受到破壞；其次，擾動后的土壤水熱條件發(fā)生了變化，堿解氮在土壤中的含量不夠穩(wěn)定。

圖4 抬田區(qū)耕作層土壤堿解氮含量變化曲線

3.1.4不同處理中耕作層土壤有效磷含量變化規(guī)律

土壤有效磷的含量是判斷土壤肥力高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映了該土壤供磷能力的大小。從圖5可以看出：抬田示范區(qū)耕作層土壤與未抬田對照區(qū)耕作層土壤均隨著種植時間推移，有效磷的含量呈現(xiàn)出逐漸較少的趨勢，且低于未抬田對照區(qū)耕作層土壤的有效磷含量，與有機(jī)質(zhì)含量、全氮、堿解氮含量的變化規(guī)律相似。分析原因?yàn)樘锕こ虒?shí)施后，耕作層土壤受到到了擾動，水稻生長所需土壤養(yǎng)分含量在一定程度上受到破壞，土壤保肥性能在一定程度上有所降低。在2011年晚稻收割后采取種植綠肥+秸桿還田措施處理后，抬田示范區(qū)耕作層土壤有效磷的含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，抬田區(qū)耕作層土壤得到了一些改善。2011年7月份水稻收割后取樣測定的數(shù)據(jù)偏大，原因分析有以下兩點(diǎn)：①土壤研磨時摻雜了稻根；②土壤樣品化驗(yàn)測定時產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。

圖5 抬田區(qū)耕作層土壤有效磷含量變化曲線

3.1.5不同處理中耕作層土壤速效鉀含量變化規(guī)律

速效養(yǎng)分一般是土壤中水溶性和交換態(tài)的養(yǎng)分，植物可直接吸收利用或者可以很快從土壤膠體上交換出來供植物利用的養(yǎng)分。從圖6可以看出：未抬田對照區(qū)土壤速效鉀含量呈下降趨勢，分析其主要原因?yàn)檫B年鉀素入不敷出，而抬田示范區(qū)耕作層土壤的速效鉀含量呈波動變化，但是減少的并不明顯。土壤中速效鉀的含量，抬田示范區(qū)比未抬田對照區(qū)更穩(wěn)定。2011年晚稻收割后年采取種植綠肥+秸桿還田措施處理后，抬田示范區(qū)耕作層土壤速效鉀的含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而得到一定的改善。2013年4月由于取樣時，由于試驗(yàn)區(qū)翻田前就施用一定量的了農(nóng)家肥。處檢測指標(biāo)分析可以看出速效鉀的含量與歷年同期相比略高。

圖6 抬田區(qū)耕作層土壤速效鉀含量變化曲線

3.2 抬田區(qū)土壤水分指標(biāo)演變分析

3.2.1抬田區(qū)土壤耕作層飽和含水量變化規(guī)律分析

土壤飽和含水量(saturated moisture)是指土壤顆粒間所有孔隙都充滿水時的含水量，亦稱持水度。掌握飽和含水量狀況即可大體了解土壤的持水特性和釋水性質(zhì)，對土壤剖面的水分含量計(jì)算、推求土壤給水度、預(yù)告地下水位因降水、灌溉和抽水、排水的升高或降低值，都是一個重要指標(biāo), 對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

農(nóng)田土壤的耕翻深度耕作層一般在18～22 cm,是經(jīng)常經(jīng)歷人類農(nóng)事活動和外界自然因素影響的層次,其物理性質(zhì)也會發(fā)生周期性的變,在以年為單位的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期內(nèi)，土壤耕翻的直接結(jié)果是土壤地表板結(jié)層的破壞耕層土壤密實(shí)度的減小和孔隙狀況的改變土壤密實(shí)度和孔隙狀況的改變必然導(dǎo)致其保持水分能力的變化[2]。而位于地面以下的犁底層和心土層的土壤其密實(shí)度相對穩(wěn)定保持水分能力相對穩(wěn)定即田間持水率相對穩(wěn)定。

因此研究抬田后土壤耕作層不同時期不同土壤密實(shí)度條件下土壤持水能力具有重要。

由表1分析可知：抬田區(qū)耕作層土壤的飽和含水量會隨土壤干容重的增大而減小，與容重成反比。2011年10月選取的抬田示范試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過一年的水稻耕作，回填的耕作層土壤通過翻耕與耕作，容重基本穩(wěn)定。通過2011-2012年四次取樣測定分析顯示：耕作層土壤的容重雖然呈現(xiàn)出增大的趨勢，但是飽和含水量呈現(xiàn)出增加的趨勢，逐漸恢復(fù)到抬田前的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2抬田區(qū)保水層(犁底層+防滲層)土壤飽和滲透速率變化規(guī)律分析

由表2分析可知，抬田水稻種植區(qū)的保水層滲透系數(shù)低于未抬田水稻種植區(qū)保水層的滲透系數(shù)(9.89×10-6cm/s)，說明經(jīng)過抬田處理的水稻種植區(qū)犁底層的保水性能更好，有利于減少土壤中養(yǎng)分隨著水分的滲漏而流失，起到了保水的效果。但是，由于施工因素的影響，保水層在施工碾壓的過程中，施工機(jī)械在項(xiàng)目區(qū)往返行駛，導(dǎo)致壓實(shí)度超過了設(shè)計(jì)值(0.9)，保水層的飽和滲透速率低于設(shè)計(jì)值(1.79×10-6cm/s)。

表1 抬田區(qū)耕作層土壤干容重及飽和含水量調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 抬田區(qū)保水層(犁底層+防滲層)土壤飽和滲透速率測定結(jié)果

通過現(xiàn)場取樣測定分析可以看出：2012年保水層的飽和滲透系數(shù)平均值為2.97×10-7cm/s，變化幅度不是很大；容重的平均值為1.62 g/cm3，較2011年略有增大，但是增幅較小，從而可以得出保水層結(jié)構(gòu)保水性能基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

通過四年的水稻種植試驗(yàn)，通過定點(diǎn)追蹤調(diào)查抬田示范區(qū)與未抬田對照區(qū)耕作層土壤的養(yǎng)分指標(biāo)及土壤水分指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

(1)抬田示范區(qū)水稻耕作層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等指標(biāo)含量均受到抬田工程土壤擾動的影響，土壤結(jié)構(gòu)性能及保肥性能受到破壞，整體呈現(xiàn)出下降趨勢，土壤養(yǎng)分含量在一定程度上有所降低，水稻生長所需土壤養(yǎng)分含量在一定程度上受到破壞。

(2)經(jīng)過四年水稻種植試驗(yàn)分析得出：通過施用農(nóng)家肥，在晚稻收割后配合種植綠肥+秸稈還田農(nóng)藝措施處理，同時配套田間灌排工程，抬田區(qū)耕作層土壤部分養(yǎng)分指標(biāo)能接近于抬田前的耕作層土壤養(yǎng)分的標(biāo)準(zhǔn)，耕作層土壤基礎(chǔ)地力在一定程度能得到有效地改良。

(3)抬田區(qū)耕作層土壤的干容重較抬田前有所降低，田間持水率得到一定程度的提高，表明土壤結(jié)構(gòu)性能得到了一定程度改善。

(4)墊高層和保水層土壤在回填時，各指標(biāo)參數(shù)由于受到施工工藝的影響，壓實(shí)度會超過設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致抬田區(qū)土壤在“水、肥、氣、熱”的綜合調(diào)控方面與原狀土壤存在一定的差異；其次，抬田工程實(shí)施后對土壤起到了良好的平整，使得原來零散的耕地資源整合成完整的大面積農(nóng)田，這不僅有利于后續(xù)的耕作，同時對生態(tài)多樣性以及農(nóng)田的生態(tài)功能的調(diào)節(jié)具有積極的作用。

4.2 建 議

今后在抬田項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行灌排溝渠規(guī)劃設(shè)計(jì)時，渠道底部應(yīng)在保水層上，底部與墊高層的距離應(yīng)大于10 cm以上；渠道底部若落在墊高層內(nèi)，渠道底部和含有墊高層的側(cè)面應(yīng)按照保水層的要求用黏土或壤土夯實(shí)，形成弱透水層。

其次，今后在抬田施工過程中，在表層土剝離后建議做好保護(hù)措施，分片區(qū)管理，嚴(yán)格控制施工工藝及施工質(zhì)量，加強(qiáng)監(jiān)督與管理，施工與監(jiān)理單位要協(xié)調(diào)好與村民的關(guān)系，同時，政府也要充分地發(fā)揮政府監(jiān)管職能。再之，在開挖廢棄料用于基礎(chǔ)填料，其厚度較大區(qū)域時，若廢棄料為風(fēng)化石料，則應(yīng)加以適當(dāng)碾壓，做好過渡層的級配，防止今后土層沉降，造成黏土層漏水。當(dāng)基礎(chǔ)料為砂礫石料時，應(yīng)采用水沖法密實(shí)。并做好各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的檢測工作，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，防止抬田區(qū)土壤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大幅度的沉降，超出允許的范圍。

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