峡江水利枢纽库区抬田土壤肥力及水分变化规律分析

邓海龙，许亚群，谢亨旺，王少华，刘方平，李 昂，李 桓

(江西省灌溉试验中心站(江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室)，南昌 330201)

抬田工程土层结构是指抬田工程中为避免耕地淹没及作物涝渍灾害，保持耕作土壤水肥，而进行的耕地土层结构设计，自下而上分为垫高层、保水层和耕作层。抬田工程的施工工艺流程为：施工准备→耕作土层剥离与堆放→垫高层土石方填筑与验收→保水层填筑与验收→耕作土回填、摊平→ 道路工程施工→田间工程施工→施工结束[1]。耕作层利用剥离的原耕作层回填以保证作物较好的生长；保水层由防渗性能较好的黏土组成以防止灌溉水分过快产生深层渗漏，同时可以防止库水上涨顶托对作物根部的浸泡；底部垫高层采用当地风化料或砂砾石填筑[2-7]。目前多元结构地基抬田的关键控制技术在国内外尚无理论依据和实践经验[4-6]，本文以江西省峡江库区吉水县水田乡富口村抬田区土壤为研究对象，地处东经115°06′，北纬27°23′，位于761县道旁边，距水田乡乡镇府约5.8 km，距105国道约14.0～14.5 km，抬田区面积为13.73 hm2，耕地高抬至高于水库正常蓄水位0.5～1 m，田面高程实际抬高的高度为1.5～3.5 m，并对抬高后的耕地配套田间工程,完善农田灌排条件，使被抬高后的耕地满足农业生产要求。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在富口村抬田区选择具有代表性的田块为研究对象，选取的已抬田区与未抬田区试验田均属于同一户村民的责任田，且相距不远，建立试验示范区和对照区。抬田示范区耕作层土壤干容重为1.51 g/cm3，土壤孔隙度为33.82%，渗透系数为1.75×10-5，基地肥力为：有机质含量2.30%，全氮含量0.122%，全磷0.081%，全钾1.41%，碱解氮119 mg/kg，速效磷10.6 mg/kg，速效钾28 mg/kg。

未抬田对照区耕层土壤干容重为1.35 g/cm3，土壤孔隙度为39.93%，渗透系数为1.79×10-5基础肥力为：有机质含量2.73%，全氮含量0.16%，全磷0.09%，全钾1.18%，碱解氮124 mg/kg，速效磷6.57 mg/kg，速效钾33.00 mg/kg。

设计采用的抬田结构由耕作层、保水层和底部垫高层组成，耕作层厚度为20～25 cm，土壤pH 值在5.5～8.0之间，有机质含量2.30%；黏土层(保水层)厚度为35～40 cm，压实度为0.90，渗透系数k在(1.85～2.54)×10-6cm/s之间, 土料pH值在5.0～8.5之间。

垫高层厚度为抬田设计高程减耕作层厚度和保水层厚度，填筑材料为碎石风化料，不含植物根茎、垃圾等杂质，最大块径<50 cm，土料压实度达到0.85以上。如上图1所示。

图1 抬田结构示意图

1.2 试验方法

采取田间试验与理论分析相结合的方法。

2 试验处理设计

2.1 试验设计说明

(1)试验因素。耕作层土壤TR：分为已抬田水稻耕作区TR1与未抬田水稻耕作区TR2。

(2)处理设计。本试验设立已抬田水稻耕作区TR1与未抬田水稻耕作区和TR2，进行耕作层土壤肥力状况的跟踪调查，各处理重复3次，则共计6个试验区。

(3)灌水处理。采取当地习惯的灌溉制度处理淹水灌溉制度。

(4)其他栽培措施。

①播种：供试品种为水稻，早稻为湖南矮，晚稻为白玉丝苗，皆为当地主栽培作物。

②施肥：按照当地习惯性施肥水平，农家肥(猪粪180担/hm2)+基肥(45%复合肥)450 kg/hm2，追施尿素2次(46%的尿素，在移栽后10～12 d施分蘖肥112.5 kg/hm2，尿素+除草剂，移栽后35～40 d施拔节孕穗肥尿素75 kg/hm2)，并在拔节孕穗期施KCl一次，用量112.5 kg/hm2。

③追肥一般在降雨后或灌溉时进行，先施肥，再灌溉，追肥后5 d内不排水，以免造成肥料的损失。

④整地时，采取干耕，干耙的方式，在试验处理之间修筑20 cm高，20 cm宽的田埂，并用薄膜进行防渗处理(防渗深度为50 cm)，防止处理之间串水串肥，影响试验效果。

⑤杂草控制方面：通过人工锄草和除草剂相结合的方式来控制杂草的生长。

⑥病虫害防治方面：通过喷施农药来控制，打药和日常田间管理均相同。

2.2 测定项目与方法

通过在试验区定期采集土样，进行土壤理化性质的测定。

(1)土样的采集时间。早稻耕作泡田前1周、早稻收割后2 d、晚稻收割后1周，分别调查取样，进行测定，全年共测定3次，取样做到具有代表性，采取五点法取样。用特制的取样器采集土样；土样采回后自然风干，研磨后测定。

(2)土样的理化性质的测定。土壤pH值采用pH计测定(水土比1∶1)，全氮采用浓硫酸加高氯酸消化，凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；有机质采用重铬酸钾加浓硫酸外加热法测定；速效钾采用1 mol/L的醋酸钠提取、火焰光度计测定。

3 结果与分析

3.1 抬田区土壤肥力指标演变分析

3.1.1不同处理中耕作层土壤有机质含量变化规律

根据2010-2013年抬田试验典型田块的定点取样测定数据分析得出(变化趋势见图2所示)：由于抬田示范区在抬田工程实施之前，该区域的农田地势比较低，常年积水，耕作条件较差，土壤质地也较差，几乎不耕作，呈现出耕作层土壤的有机质含量低于未抬田对照区的有机质含量。抬田工程实施后，该区域恢复了农田耕作，给水稻植株提供了矿质营养和有机营养，导致抬田区耕作层土壤有机质含量在2010年与2011年水稻耕作后呈现下降的趋势，2011年晚稻收割后，通过种植绿肥+秸秆还田措施处理后，并在2012年施用农家肥后，试验区有机质含量略有改善，2013年晚稻收割后的土壤取样数据分析显示：与2012年同期相比，抬田示范区有机质含量略有增加，增幅为4.1%。

图2 抬田区耕作层土壤有机质含量变化曲线

3.1.2不同处理中耕作层土壤全氮含量变化规律

由图2、图3表明：抬田示范区与未抬田对照区土壤全氮消长趋势与有机质基本一致，且示范区与对照区耕作层土壤全氮含量分布规律与有机质一致，抬田工程实施后，原有的耕作层土壤结构受到了扰动，土壤的通气状况、耐肥性、保墒性、耕性受到了影响，农户在实际的生产耕作，伴随着氮肥的施用，种植绿肥、秸秆还田措施处理后，抬田示范区和未抬田对照区耕作层土壤全氮含量在2011年7月之后呈现出增加的趋势。

图3 抬田区耕作层土壤全氮含量变化曲线

3.1.3不同处理中耕作层土壤碱解氮含量变化规律

从图4可以看出：抬田示范区耕作层土壤碱解氮的含量低于未抬田耕作层的含量，且随着水稻种植，呈现出下降的趋势，到2013年，抬田示范区耕作层土壤碱解氮含量基本趋于稳定。分析原因为原有的耕作层土壤结构受到了扰动，土壤保肥性能在一定程度上有所变化，水稻生长所需土壤养分含量在一定程度上受到破坏；其次，扰动后的土壤水热条件发生了变化，碱解氮在土壤中的含量不够稳定。

图4 抬田区耕作层土壤碱解氮含量变化曲线

3.1.4不同处理中耕作层土壤有效磷含量变化规律

土壤有效磷的含量是判断土壤肥力高低的一项重要指标，它反映了该土壤供磷能力的大小。从图5可以看出：抬田示范区耕作层土壤与未抬田对照区耕作层土壤均随着种植时间推移，有效磷的含量呈现出逐渐较少的趋势，且低于未抬田对照区耕作层土壤的有效磷含量，与有机质含量、全氮、碱解氮含量的变化规律相似。分析原因为抬田工程实施后，耕作层土壤受到到了扰动，水稻生长所需土壤养分含量在一定程度上受到破坏，土壤保肥性能在一定程度上有所降低。在2011年晚稻收割后采取种植绿肥+秸杆还田措施处理后，抬田示范区耕作层土壤有效磷的含量随着土壤有机质含量的增加而增加，抬田区耕作层土壤得到了一些改善。2011年7月份水稻收割后取样测定的数据偏大，原因分析有以下两点：①土壤研磨时掺杂了稻根；②土壤样品化验测定时产生的试验误差。

图5 抬田区耕作层土壤有效磷含量变化曲线

3.1.5不同处理中耕作层土壤速效钾含量变化规律

速效养分一般是土壤中水溶性和交换态的养分，植物可直接吸收利用或者可以很快从土壤胶体上交换出来供植物利用的养分。从图6可以看出：未抬田对照区土壤速效钾含量呈下降趋势，分析其主要原因为连年钾素入不敷出，而抬田示范区耕作层土壤的速效钾含量呈波动变化，但是减少的并不明显。土壤中速效钾的含量，抬田示范区比未抬田对照区更稳定。2011年晚稻收割后年采取种植绿肥+秸杆还田措施处理后，抬田示范区耕作层土壤速效钾的含量随着土壤有机质含量的增加而得到一定的改善。2013年4月由于取样时，由于试验区翻田前就施用一定量的了农家肥。处检测指标分析可以看出速效钾的含量与历年同期相比略高。

图6 抬田区耕作层土壤速效钾含量变化曲线

3.2 抬田区土壤水分指标演变分析

3.2.1抬田区土壤耕作层饱和含水量变化规律分析

土壤饱和含水量(saturated moisture)是指土壤颗粒间所有孔隙都充满水时的含水量，亦称持水度。掌握饱和含水量状况即可大体了解土壤的持水特性和释水性质，对土壤剖面的水分含量计算、推求土壤给水度、预告地下水位因降水、灌溉和抽水、排水的升高或降低值，都是一个重要指标, 对于指导农业生产具有十分重要的意义。

农田土壤的耕翻深度耕作层一般在18～22 cm,是经常经历人类农事活动和外界自然因素影响的层次,其物理性质也会发生周期性的变,在以年为单位的农业生产周期内，土壤耕翻的直接结果是土壤地表板结层的破坏耕层土壤密实度的减小和孔隙状况的改变土壤密实度和孔隙状况的改变必然导致其保持水分能力的变化[2]。而位于地面以下的犁底层和心土层的土壤其密实度相对稳定保持水分能力相对稳定即田间持水率相对稳定。

因此研究抬田后土壤耕作层不同时期不同土壤密实度条件下土壤持水能力具有重要。

由表1分析可知：抬田区耕作层土壤的饱和含水量会随土壤干容重的增大而减小，与容重成反比。2011年10月选取的抬田示范试验区经过一年的水稻耕作，回填的耕作层土壤通过翻耕与耕作，容重基本稳定。通过2011-2012年四次取样测定分析显示：耕作层土壤的容重虽然呈现出增大的趋势，但是饱和含水量呈现出增加的趋势，逐渐恢复到抬田前的标准。

3.2.2抬田区保水层(犁底层+防渗层)土壤饱和渗透速率变化规律分析

由表2分析可知，抬田水稻种植区的保水层渗透系数低于未抬田水稻种植区保水层的渗透系数(9.89×10-6cm/s)，说明经过抬田处理的水稻种植区犁底层的保水性能更好，有利于减少土壤中养分随着水分的渗漏而流失，起到了保水的效果。但是，由于施工因素的影响，保水层在施工碾压的过程中，施工机械在项目区往返行驶，导致压实度超过了设计值(0.9)，保水层的饱和渗透速率低于设计值(1.79×10-6cm/s)。

表1 抬田区耕作层土壤干容重及饱和含水量调查统计结果

表2 抬田区保水层(犁底层+防渗层)土壤饱和渗透速率测定结果

通过现场取样测定分析可以看出：2012年保水层的饱和渗透系数平均值为2.97×10-7cm/s，变化幅度不是很大；容重的平均值为1.62 g/cm3，较2011年略有增大，但是增幅较小，从而可以得出保水层结构保水性能基本稳定。

4 结论与建议

4.1 结 论

通过四年的水稻种植试验，通过定点追踪调查抬田示范区与未抬田对照区耕作层土壤的养分指标及土壤水分指标，得出以下结论：

(1)抬田示范区水稻耕作层土壤的有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等指标含量均受到抬田工程土壤扰动的影响，土壤结构性能及保肥性能受到破坏，整体呈现出下降趋势，土壤养分含量在一定程度上有所降低，水稻生长所需土壤养分含量在一定程度上受到破坏。

(2)经过四年水稻种植试验分析得出：通过施用农家肥，在晚稻收割后配合种植绿肥+秸秆还田农艺措施处理，同时配套田间灌排工程，抬田区耕作层土壤部分养分指标能接近于抬田前的耕作层土壤养分的标准，耕作层土壤基础地力在一定程度能得到有效地改良。

(3)抬田区耕作层土壤的干容重较抬田前有所降低，田间持水率得到一定程度的提高，表明土壤结构性能得到了一定程度改善。

(4)垫高层和保水层土壤在回填时，各指标参数由于受到施工工艺的影响，压实度会超过设计的控制标准，导致抬田区土壤在“水、肥、气、热”的综合调控方面与原状土壤存在一定的差异；其次，抬田工程实施后对土壤起到了良好的平整，使得原来零散的耕地资源整合成完整的大面积农田，这不仅有利于后续的耕作，同时对生态多样性以及农田的生态功能的调节具有积极的作用。

4.2 建 议

今后在抬田项目区进行灌排沟渠规划设计时，渠道底部应在保水层上，底部与垫高层的距离应大于10 cm以上；渠道底部若落在垫高层内，渠道底部和含有垫高层的侧面应按照保水层的要求用黏土或壤土夯实，形成弱透水层。

其次，今后在抬田施工过程中，在表层土剥离后建议做好保护措施，分片区管理，严格控制施工工艺及施工质量，加强监督与管理，施工与监理单位要协调好与村民的关系，同时，政府也要充分地发挥政府监管职能。再之，在开挖废弃料用于基础填料，其厚度较大区域时，若废弃料为风化石料，则应加以适当碾压，做好过渡层的级配，防止今后土层沉降，造成黏土层漏水。当基础料为砂砾石料时，应采用水冲法密实。并做好各项技术指标的检测工作，严格控制施工质量，防止抬田区土壤结构出现较大幅度的沉降，超出允许的范围。

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