引黃泥沙對(duì)黏質(zhì)鹽土的改良效果及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

陳超帆，毛偉兵*，孫玉霞，郭同鎧，曲曉玲

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安271000；2.利津河務(wù)局，山東 東營(yíng)257000）

0 引 言

【研究意義】黃河三角洲土地資源豐富，是中國(guó)東部沿海后備土地資源最多、開發(fā)潛力最大的地區(qū)[1]。但是，區(qū)域內(nèi)土壤鹽漬化程度嚴(yán)重，各類鹽漬土約占總土地面積的31.14%。由于黃河水含沙量高，引黃灌區(qū)長(zhǎng)期引黃沉沙，造成大量泥沙淤積，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。濱海黏質(zhì)鹽土是黃河三角洲地區(qū)最典型的鹽堿土類型，約占各類鹽漬土總面積的42.16%。由于土壤質(zhì)地黏重，導(dǎo)致鹽分淋洗困難，土壤含鹽量高、作物生長(zhǎng)不良[3]。如何充分利用引黃灌區(qū)巨量工程泥沙改良黏質(zhì)鹽土，對(duì)黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)發(fā)展具有十分重要的意義。【研究進(jìn)展】黏質(zhì)鹽土使用引黃泥沙后，土壤顆粒級(jí)配發(fā)生明顯變化，土壤配沙層的體積質(zhì)量顯著降低，土壤飽和導(dǎo)水率增加[4-5]。同時(shí)，土壤持水能力隨沙粒增加而減小，使用引黃泥沙在一定程度上能夠降低表層土壤含水率，提高深層土壤含水率[6-7]。還可有效抑制土壤鹽分表聚[8]，降低表層土壤含鹽量，進(jìn)而減少耕作層土壤全鹽量[9]。因此，使用引黃泥沙改良黃河三角洲黏質(zhì)鹽土，可有效解決黃河三角洲地區(qū)存在的土壤鹽堿、泥沙淤積和生態(tài)環(huán)境改善之間的矛盾，提高作物產(chǎn)量，改善生態(tài)環(huán)境?！厩腥朦c(diǎn)】引黃泥沙是一種高效低廉、環(huán)保實(shí)用的鹽堿土改良材料，但是，目前關(guān)于引黃泥沙改良黏質(zhì)鹽土的機(jī)理研究較少，尤其在不同引黃泥沙用量與黏質(zhì)鹽土的改良效果、以及適宜的引黃泥沙用量等方面。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文通過大田試驗(yàn)，研究不同引黃泥沙用量對(duì)黏質(zhì)鹽土的改良效果，及對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，進(jìn)而確定黏質(zhì)鹽土適宜的引黃泥沙用量范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于山東省濱州市無(wú)棣縣譚莊子村（N37°26′—38°18′和E117°15′—118°12′）進(jìn)行。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為545 mm，是山東省降水量最少的地區(qū)。降水主要集中在6—8月，占全年降水量的70%。多年平均水面蒸發(fā)量為1 154 mm（氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于溫室數(shù)據(jù)共享平臺(tái)），5、6月蒸發(fā)量約占全年蒸發(fā)量的40%。地下水埋深1.0～2.0 m，礦化度8～15 g/L。試驗(yàn)區(qū)位于渠區(qū)尾部，灌溉用水難以保證，灌水定額1 200～1 500 m3/hm2。當(dāng)?shù)氐湫偷淖魑锓N植模式為冬小麥-夏玉米一年二熟。由于夏季高溫多雨，土壤含鹽量一般較低，所以對(duì)夏玉米生長(zhǎng)影響較小。春季返鹽時(shí)期的土壤含鹽量一般為6.5 g/kg，鹽堿化程度嚴(yán)重，對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)影響較大。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019—2020年進(jìn)行田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)所用引黃泥沙為濱州市小開河引黃灌區(qū)沉沙池入水口附近的清淤泥沙。冬小麥試驗(yàn)設(shè)置8 個(gè)引黃泥沙用量處理：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）。試驗(yàn)小區(qū)面積：40 m×10 m，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。冬小麥播種前，按照試驗(yàn)處理稱取相應(yīng)的引黃泥沙量，均勻撒至整個(gè)小區(qū)土壤表面，之后用旋耕犁進(jìn)行旋耕混勻，旋耕深度為20 cm。冬小麥于2019年10月4日播種，種植的冬小麥品種為臨麥6 號(hào)。底肥采用有機(jī)復(fù)合肥，播種時(shí)一次施入，施用量為1 800 kg/hm2。在播種后畦灌1 次，灌水定額為1 500 m3/hm2。所有處理均采用相同的農(nóng)事活動(dòng)，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植一致。試驗(yàn)田土壤、引黃泥沙的基本理化指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤及引黃泥沙基本理化指標(biāo)Table 1 Basic physical and chemical indexes of soil and Yellow River diversion sediment

為避免土壤空間異質(zhì)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，2020年5月14日收獲小麥時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采用“S”形取6 個(gè)土壤剖面樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 個(gè)土層。田間采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過風(fēng)干、過篩處理后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法

1）土壤體積質(zhì)量：每個(gè)小區(qū)取6 個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)，分別測(cè)定0～20 cm（配沙層）和20～40 cm（配沙影響層）2 個(gè)土層的土壤體積質(zhì)量。土壤體積質(zhì)量采用環(huán)刀法測(cè)定，環(huán)刀體積為100 cm3。田間取樣后，密封帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，計(jì)算土壤體積質(zhì)量，取平均值。

2）土壤飽和導(dǎo)水率：每個(gè)小區(qū)取6 個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)，將原狀土密封帶回實(shí)驗(yàn)室，采用KSAT飽和導(dǎo)水率儀對(duì)0～20 cm 的土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測(cè)定，取平均值。

3）土壤含水率：每個(gè)小區(qū)取6 個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 個(gè)土層，密封帶回實(shí)驗(yàn)室，采用烘干法測(cè)定。計(jì)算田間土壤含水率，取平均值。

4）土壤含鹽量：每個(gè)小區(qū)取6 個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 的5 個(gè)土層，所取土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干后，采用1∶5 土水比，經(jīng)過振蕩、離心、過濾、用電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤電導(dǎo)率，計(jì)算土壤含鹽量，取平均值。

5）冬小麥產(chǎn)量：每個(gè)小區(qū)按“S”形取6 個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)。采用“一米雙行”（行間距為0.26 m）的方法收獲冬小麥用以確定產(chǎn)量。通過人工收割后測(cè)定穗數(shù)、穗粒數(shù)，曬干后稱質(zhì)量確定冬小麥的產(chǎn)量與千粒質(zhì)量，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最小顯著極差法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。采用DPS軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同引黃泥沙用量對(duì)土壤體積質(zhì)量的影響

土壤體積質(zhì)量是最基本的土壤物理性質(zhì)，不僅影響土壤的透氣性、持水能力，也是影響土壤水分入滲性能的決定因素[10-11]。使用引黃泥沙后，各處理0～20 cm 土層（配沙層）的土壤體積質(zhì)量均低于CK，且隨著引黃泥沙用量的增加基本呈逐步下降的趨勢(shì)。與CK 相比，S1—S7 處理的土壤體積質(zhì)量分別降低了3.60%、1.68%、2.37%、4.67%、3.62%、6.33%、8.76%。S3—S7 處理土壤體積質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05）。20～40 cm 土層（配沙影響層），S1—S7 處理的土壤體積質(zhì)量與CK 都無(wú)明顯差異（P＞0.05），見表2。這說(shuō)明使用引黃泥沙能有效降低配沙層黏質(zhì)鹽土的土壤體積質(zhì)量，但并不影響配沙影響層的土壤體積質(zhì)量。

表2 0～20、20～40 cm 土層土壤體積質(zhì)量變化Table 2 Changes of soil bulk density in 0～20 and 20～40 cm soil layers

2.2 不同引黃泥沙用量下土壤飽和導(dǎo)水率的差異

田間0～20 cm 原狀土壤的飽和導(dǎo)水率如圖1 所示。隨土壤引黃泥沙用量的增加，土壤飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)符合指數(shù)型函數(shù)增長(zhǎng)。這說(shuō)明使用引黃泥沙能夠有效地提高黏質(zhì)鹽土的飽和導(dǎo)水率[12]，且飽和導(dǎo)水率隨著引黃泥沙用量的增加明顯提高。

圖1 0～20 cm 土層土壤飽和導(dǎo)水率變化Fig.1 Variation of soil saturated hydraulic conductivity in 0～20 cm soil layer

2.3 不同引黃泥沙用量下土壤含水率的變化

從表3 可以看出，使用引黃泥沙后，各處理的土壤含水量變化規(guī)律一致，0～60 cm 土層的土壤含水率隨著土層深度的增加而提高，60～100 cm 土層的土壤含水率隨著土層深度的增加而降低，這說(shuō)明使用引黃泥沙并不影響土壤剖面的土壤含水率分布。使用引黃泥沙后，0～20 cm 土層，S1—S7 處理的土壤含水率與CK 相比分別降低了2.55%、13.68%、16.61%、19.90%、2.92%、11.42%、14.20%。S3、S4 處理的土壤含水率與CK 差異顯著（P＜0.05）。20～40 cm 土層，S1—S7處理的土壤含水率與CK 相比分別降低了8.04%、

表3 不同土層土壤含水率變化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 處理土壤含水率與CK 差異顯著（P＜0.05）。這說(shuō)明使用引黃泥沙在一定程度上會(huì)降低土壤表層的蓄水保水能力，且隨著引黃泥沙用量的增加，土壤含水率整體呈先下降再升高的趨勢(shì)。

2.4 不同引黃泥沙用量對(duì)土壤含鹽量的影響

2.4.1 土壤含鹽量變化

2020年5月14日取樣時(shí)為黃河三角洲降雨量最小的季節(jié)，且土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽分在耕作層和表層土壤中發(fā)生積累，制約著小麥的生長(zhǎng)[13]。由表4 可知，使用引黃泥沙后，各處理0～60 cm 土層的土壤含鹽量規(guī)律基本一致，深層土壤含鹽量無(wú)明顯規(guī)律。這說(shuō)明使用引黃泥沙并不影響土壤剖面的土壤含鹽量分布。0～20 cm 土層，各處理的土壤含鹽量均低于CK，S1—S7 處理的土壤含鹽量與CK 相比分別降低了19.26%、22.19%、22.89%、20.02%、11.43%、7.91%、18.65%。S2、S3 處理土壤含鹽量與CK 差異顯著（P＜0.05）。20～40 cm 土層，各處理的土壤含鹽量均低于CK，S1—S7 處理的土壤含鹽量與CK 相比分別降低了11.46%、12.50%、22.44%、21.50%、5.07%、10.09%、15.07%。S2、S3、S4 處理和S7 處理土壤含鹽量與CK 差異顯著（P＜0.05）。40～60 cm 土層，各處理的土壤含鹽量均低于CK，S1—S7 處理的土壤含鹽量與CK 相比分別降低了8.69%、10.37%、28.61%、13.67%、5.74%、4.92%、14.45%。S3 處理土壤含鹽量與CK 差異顯著（P＜0.05）。使用引黃泥沙能夠有效降低表層土壤和耕作層土壤的含鹽量，且隨著引黃泥沙用量的增加，表層土壤和耕作層土壤的土壤含鹽量整體呈先下降再上升的趨勢(shì)。

表4 不同土層土壤含鹽量變化Table 4 Changes of soil salt content in different soil layers

2.4.2 土壤飽和導(dǎo)水率和土壤含鹽量的關(guān)系

土壤飽和導(dǎo)水率過低嚴(yán)重影響了黏質(zhì)鹽土的排鹽效率。從圖2 可以看出，使用引黃泥沙后，0～20 cm土層，土壤含鹽量隨著土壤飽和導(dǎo)水率的提高整體呈先下降再上升的趨勢(shì)。各處理中，S3 處理的土壤含鹽量最低，為2.18 g/kg，對(duì)應(yīng)的飽和導(dǎo)水率為0.022×10-6m/s。土壤飽和導(dǎo)水率的提高能加速土壤鹽分的淋洗，有效降低土壤含鹽量，但過高的土壤飽和導(dǎo)水率并未達(dá)到更好的降鹽效果。因此，為了降低土壤的含鹽量需要控制適宜的土壤飽和導(dǎo)水率。

圖2 0～20 cm 土層土壤飽和導(dǎo)水率與含鹽量的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil saturated hydraulic conductivity and salt content in 0～20 cm soil layer

2.5 冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成

2.5.1 冬小麥產(chǎn)量的變化

使用引黃泥沙后，各處理的冬小麥產(chǎn)量均高于CK，如表5 所示。S1—S7 處理的冬小麥產(chǎn)量隨著引黃泥沙用量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)。S1—S7處理的小麥產(chǎn)量與CK 相比分別增加了28.51%、30.00%、32.78%、24.78%、18.54%、16.79%、8.2%。S1—S6 處理的冬小麥產(chǎn)量與CK 差異顯著（P＜0.05），S7 處理的冬小麥產(chǎn)量與CK 并不顯著。S3 處理的小麥產(chǎn)量最高，為7 530.98 kg/hm2。這說(shuō)明使用引黃泥沙能有效提高冬小麥的產(chǎn)量，且隨著引黃泥沙用量的增加冬小麥產(chǎn)量呈先增加后減少的趨勢(shì)，因此使用引黃泥沙提高冬小麥的產(chǎn)量需要適宜的范圍。

2.5.2 小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成的關(guān)聯(lián)度

為分析產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響強(qiáng)度，對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成與小麥產(chǎn)量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果見表5。穗粒數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.343 0，穗數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.306 9，千粒質(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.191 8，穗粒數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響最大。

表5 不同處理產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素及其關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation between yield and yield components

3 討論

3.1 提高黏質(zhì)鹽土飽和導(dǎo)水率與降低土壤含鹽量

濱海黏質(zhì)鹽土質(zhì)地黏重，土壤飽和導(dǎo)水率較低，使得灌溉或降雨時(shí)大量鹽分無(wú)法快速淋出土壤，導(dǎo)致土壤含鹽量高，植物生長(zhǎng)困難，成為制約黏質(zhì)鹽土改良利用的關(guān)鍵和難點(diǎn)[14-19]。所以提高土壤飽和導(dǎo)水率是快速降低土壤含鹽量的最有效措施之一。但是，快速提高土壤飽和導(dǎo)水率需要適宜的材料和與之配套的方法。目前多名學(xué)者在利用石膏、生物炭、土壤調(diào)理劑、粉煤灰等改善鹽堿土物理性質(zhì)，提高土壤飽和導(dǎo)水率和降低土壤含鹽量等方面進(jìn)行了大量研究。劉璐等[20]研究表明，利用土壤調(diào)理劑能夠提高土壤飽和導(dǎo)水率，與CK 相比，土壤飽和導(dǎo)水率增加了32.3%，超過一定用量后土壤飽和導(dǎo)水率會(huì)隨著土壤調(diào)理劑施用量的增加而減小。這與本研究并不一致，這是由于改良材料不同，引黃泥沙中存在大量的極細(xì)砂粒能夠改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，因此土壤飽和導(dǎo)水率隨著引黃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電導(dǎo)率值，降低土壤含鹽量。這與本研究一致。本研究中利用引黃灌區(qū)的淤積泥沙作為改良材料，可快速提高黏質(zhì)鹽土的飽和導(dǎo)水率，有效降低土壤含鹽量。與土壤調(diào)理劑、生物炭相比，引黃泥沙不僅成本低廉、高效實(shí)用，還能有效解決引黃灌區(qū)的巨量工程泥沙問題，對(duì)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有明顯的促進(jìn)作用。

3.2 春季土壤控鹽與冬小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系

黃河三角洲地區(qū)春季蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤返鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤含鹽量過高成為制約農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵[22]。因此，降低春季土壤含鹽量是黏質(zhì)鹽土改良和提高冬小麥產(chǎn)量的核心問題。本研究發(fā)現(xiàn)，黏質(zhì)鹽土使用引黃泥沙后，不僅加速了降雨和灌溉時(shí)土壤的鹽分淋洗，同時(shí)配沙層土壤孔隙與結(jié)構(gòu)的變化還降低了土壤水分蒸發(fā)，抑制了鹽分向土壤表層聚集，成為降低春季土壤含鹽量的有效措施。當(dāng)引黃泥沙使用量為15 kg/m2時(shí)，冬小麥產(chǎn)量高于其他處理，這是因?yàn)樵撎幚淼耐寥辣韺优c耕作層的土壤含鹽量最低，冬小麥生長(zhǎng)環(huán)境更好。由于濱海鹽堿區(qū)都位于引黃灌區(qū)的下游，受灌溉來(lái)水的限制，冬小麥播種時(shí)間較晚，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民一般采用加大播種量解決冬前分蘗受影響的問題，所以冬小麥穗粒數(shù)就成為決定冬小麥產(chǎn)量的最重要因素[23]。本研究充分表明，使用引黃泥沙降低黏質(zhì)鹽土春季含鹽量，可明顯促進(jìn)冬小麥穗粒數(shù)增加，對(duì)冬小麥產(chǎn)量提高發(fā)揮關(guān)鍵作用。但使用引黃泥沙降低土壤表層與耕作層土壤含鹽量的同時(shí)，與冬小麥產(chǎn)量密切相關(guān)的土壤含水率也有所降低，因此尋找其他材料來(lái)彌補(bǔ)引黃泥沙在此方面的不足可作為此后研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）引黃泥沙能夠降低摻沙層的土壤體積質(zhì)量，且土壤體積質(zhì)量隨著引黃泥沙用量的增加而降低。

2）引黃泥沙能夠有效提高土壤飽和導(dǎo)水率，且土壤飽和導(dǎo)水率隨著引黃泥沙用量的增加呈指數(shù)增加。

3）引黃泥沙能夠降低表層土壤和耕作層土壤的土壤含鹽量，但同時(shí)也降低了表層土壤和耕作層土壤的土壤含水率。

4）引黃泥沙能夠顯著提高濱海黏質(zhì)鹽土冬小麥的產(chǎn)量，產(chǎn)量構(gòu)成因素中穗粒數(shù)對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響最大。引黃泥沙用量為15 kg/m2時(shí)產(chǎn)量增加最為顯著。