砾石暗沟提高脱硫石膏改良龟裂碱土效果及油葵产量

王 旭，孙兆军,,3，韩 磊，马 飞，王 芳，何 俊



砾石暗沟提高脱硫石膏改良龟裂碱土效果及油葵产量

王 旭1，孙兆军1,2,3※，韩 磊4，马 飞4，王 芳2，何 俊4

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021； 2. 宁夏大学资源环境学院，银川 750021； 3. 宁夏（中阿）旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021； 4. 宁夏大学环境工程研究院，银川 750021）

针对龟裂碱土质地黏重、透水性差、难以改良利用等瓶颈问题，该研究采用砾石暗沟改良技术，在统一施用脱硫石膏22.5 t/hm2和淋洗定额4 500 m3/hm2的基础上，研究不同暗沟间距（3、6、9 m）及砾石垫层厚度（25、30、35 cm）对龟裂碱土理化性质、盐分离子浓度、油葵产量的影响。试验结果表明：1）灌水洗盐过程中砾石暗沟的设置有利于提高土壤渗透性，保持脱盐状态，暗沟间距越小脱盐效果越显著；2）砾石暗沟处理下土壤Na+、CO32-、HCO3-、Cl-浓度显著减少，其中Na+是最主要阳离子，其Cl-的相关性最大，其次为SO42-；3）在暗沟间距3 m、砾石层厚度35 cm的处理下（T3），第1年0～40 cm土层pH值、碱化度分别比CK（无暗沟处理）降低11.6%、32.2%，第2年分别降低12.4%、39.6%；4）T3处理油葵出苗率和产量最高，第1年产量为CK的2.87倍，第2年为CK的3.44倍。因此，砾石暗沟能促进脱硫石膏改善龟裂碱土理化性质，提高作物产量。

灌溉；淋洗；碱化度；龟裂碱土；砾石暗沟；土壤盐分；作物产量

0 引 言

龟裂碱土的改良是复杂而长期的系统工程，治理难度大[1]，灌水后土粒分散导致土壤孔隙淤闭[2]，盐分难以快速淋洗。据统计，龟裂碱土主要分布在内蒙古河套平原西部、黄河中上游宁夏贺兰山东麓洪积扇边缘地带[3]。其中，宁夏境内分布的龟裂碱土面积约为13万hm2[4]，龟裂碱土胶体高度分散、土壤质地坚硬[5]，直接影响土壤导水导气和供水供肥能力[6]，是制约当地农业生产的主要因素之一。

龟裂碱土改良利用的核心是改善土壤理化性质，为作物生长提供适宜的土壤环境[7-8]。目前，已有研究学者对龟裂碱土的改良进行了大量研究，其中包括种植耐盐碱作物[9]、客土改良[1]、滴灌[10]、秸秆覆盖[11]等措施。然而，由于该土壤透水性极差，淋溶的盐分累积在土壤深层，返盐现象时有发生，或因改良周期长、成本高难以推广[12]。脱硫石膏主要成分为CaSO4·2H2O[13]，施入土壤会促使碱化土壤胶体上附着的Na+和Ca2+发生置换反应[14]，降低土壤Na+浓度，抑制可交换性Na+对土壤粘粒的弥散作用，促进土壤胶体絮凝形成水稳性团粒结构，有效改善碱化土壤理化性质[15]。杨军等[1]通过龟裂碱土改良试验表明：施用脱硫石膏能显著降低碱土pH值、碱化度，但在60 cm土层处有积盐现象，龟裂碱土渗透性差，淋洗的盐分没有排出土体，容易发生返盐现象。地下排水设施能加速土壤水分运动，促进土壤盐分淋洗[16]。暗沟作为地下排水设施的一种，具有长效、不占用耕作层、利于机械化作业的优点[17]，暗沟回填秸秆、柴禾、粗砂混合物等材料[18]能加速土体重力水下渗排除土壤滞水，将充分溶解土壤盐分的土壤水通过暗沟排走，降低土壤盐分，克服传统改良处理无法将土壤盐分排出土体的弊端[19]。研究表明[20]：在含有黏土层的低洼盐碱地进行暗沟处理能改善土壤渗透性，提高内部排水能力，促进土体中易溶性盐分随水排出，降低土壤返盐概率，对土壤中Cl-、SO42-、Na+等离子有较好的淋洗作用。

目前，暗沟技术已在宁夏[17]、江苏滨海盐渍土区[20]得到应用，排盐效果显著；应用脱硫石膏改良碱土的研究有所报道[1,4,8]，但暗沟结合脱硫石膏对龟裂碱土理化性质、油葵生长及产量的影响研究鲜有报道，暗沟深度、间距、垫层材料及厚度对龟裂碱土改良效果的研究依然有待充实。因此，本研究选取宁夏典型龟裂碱土开展田间对比试验，在统一施用脱硫石膏的基础上，进行暗沟处理并将砾石和秸秆作为暗沟回填材料，研究该处理对龟裂碱土理化性质和油葵产量的影响。以期探明砾石暗沟结合脱硫石膏对龟裂碱土的改良效果，为宁夏银北地区龟裂碱土的改良利用提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏平罗县小兴墩（38°85'N，106°53'E），该地区属于典型干旱大陆性气候，年降水量185～210 mm，主要集中在7－9月，年平均蒸发量1 841 mm，年平均地下水埋深1.5 m。试验区土壤分层分布，0~22 cm土层为粘壤土，>22~55 cm土层为砂质黏土，>55~75 cm土层为黏土，>75~100 cm土层为砂壤土，土壤质地为粘壤土[21]。0~100 cm土层有机质含量为5.71~7.85 g/kg；碱解氮为89.45~120.30 mg/kg；速效磷为11.4～39.4 mg/kg，速效钾为186.58～244.63 mg/kg，其他理化性质如表1所示。

表1 供试土壤主要理化性质

由表1可知，试验区土壤表层盐分最高，随土层深度增加全盐逐渐减少，呈“聚表”特征；碱化度>26%，pH值>9；0～100 cm土层中阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-为主，2种离子在土壤剖面上呈“楔”形分布。

1.2 试验设计及过程

试验于2015－2016年进行，在统一施用脱硫石膏22.5 t/hm2[22]，淋洗定额4500 m3/hm2[1]的基础上；根据杨延春等[20]的研究结果，结合龟裂碱土特性，设置3、6、9 m三个梯度的暗沟间距；根据潘萍等[17]的研究结果，设置25、30、35 cm 3个梯度的砾石垫层厚度；未进行暗沟处理的小区作为对照（CK），每个处理重复3次。试验设计如表2所示。

表2 试验设计

试验前，施用羊粪60 m3/hm2，将脱硫石膏均匀撒于地表，然后深翻犁地，保证与土壤充分混匀。用开沟机在试验小区开沟（宽30 cm，深90～120 cm），田间至排水沟有一定坡度，比降为1%。在暗沟底层铺设砾石，然后在砾石上边铺40 cm秸秆作为滤层，最后复土至田面高度，田间暗沟与排水沟垂直，且排水沟比暗沟深。结合杨军等[1]淋洗盐分的方法，连续淋洗盐分3次，第1次淋洗水量为淋洗定额的1/2（即2 250 m3/hm2，2015年5月4日进行），泡田24 h后排出地表余水；第2次淋洗水量为淋洗定额的1/3（即1 500 m3/hm2），泡田48 h后排出地表余水；第3次淋洗水量为淋洗定额的1/6（即750 m3/hm2）。分别于2015年5月15日和2016年4月26日播种油葵（品种T562），进行穴播，每穴播种2～3粒，行距30 cm，株距20 cm。在油葵苗期和花期各灌水1次，灌水量均为1 200 m3/hm2；花期追施尿素，施用量为150 kg/hm2，每次灌水待地表晾干后及时破板结。实施过程如图1所示。

图1 暗沟与垫层的铺设

1.3 测试项目及方法

为分析砾石暗沟改良效果，第1年分别在改良前（2015年4月20日）和播种油葵前（2015年5月14日）采集2次土样；第2年在播种前（2016年4月25日）采集土样。依据“随机”、“多点混合”的原则，采用“S”形布点，以地表为基准用土钻向下间隔20 cm进行分层取土，分别为0～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～100 cm，每个处理采3个样。剔除土壤样品中石砾和植物残根等杂物，风干、磨碎、过筛（孔径为1 mm），逐项进行检测。

土壤渗透性：采用渗透筒法测定，所测数值为10 ℃时的透水率，用10（mm/min）表示[23]：

式中K为℃时的渗透系数，mm/min；为渗透测定时入渗水的温度，℃。

采用（土）∶（水）=1∶5与去离子水混合后，充分震荡摇匀并过滤，取上清液，采用S220多参数测试仪测定pH值；全盐采用残渣烘干-质量法测定；阳离子交换量采用氯化铵-乙酸铵交换法测定；交换性Na+采用乙酸铵-氢氧化铵-火焰光度法测定；利用交换性Na+与可交换性阳离子交换量的百分比计算碱化度；K+和Na+含量采用差减法；Ca2+和Mg2+采用EDTA滴定法；Cl-采用AgNO3滴定法；SO42-采用EDTA回滴法；CO32-、HCO3-采用双指示剂滴定法。具体参照文献[24]。

2015年5月30日和2016年5月10日统计油葵出苗率，2015年7月10日和2016年6月27日统计油葵成活率。待油葵成熟后，通过收获花盘来测产量，其中：

出苗率（）=（实际出苗数/种子数）×100%

成活率（）=（实际成活数/出苗数）×100%

2015年11月犁地并灌水，灌水量为1 800 m3/hm2，冬季未种植其他作物。

1.4 分析方法与数据处理

采用模糊数学中隶属函数分析法[25]，对不同处理各项理化指标的隶属值进行累加，取平均值，通过不同处理间的比较，评定不同处理效果。计算方法如下：

1）计算各指标的隶属函数值

式中()为不同处理某一指标的隶属函数值；为不同处理某一指标的测定值；max为所有处理中某一指标测定值的最大值；min为所有处理中某一指标测定值的最小值。

2）将所有处理各项指标隶属函数值进行累加，计算平均值，根据平均值大小分析处理效果。

利用SPSS19.0软件进行显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤渗透性的影响

试验区原土0～40 cm土层10值为0.14 mm/min。不同处理对0～40 cm土层渗透性的影响如图2所示。

注：不同英文小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著，下同

试验结果表明：第1年各处理的10值均高于原土，T3提高642.9%，提高幅度最大；CK提高92.9%，提高幅度最小。由图2可知，各处理中CK的渗透性最差，第1年CK的10值仅为0.27±0.01 mm/min；而T1-T9处理的10值均高于CK；其中，T3提高285.2%，提高幅度最大（10=1.04±0.01 mm/min），T7最小（10=0.65± 0.02 mm/min）；10值表现为T3>T2>T1>T6>T5>T4>T9> T8>T7，表明暗沟间距为3 m时对土壤渗透性的改善效果优于6 m，6 m优于9 m（<0.05)。第2年CK的10值为0.26±0.01 mm/min，与第1年相比无显著变化；T1-T9处理土壤渗透性均比第1年好，其中T3、T6、T9处理与第1年相比差异显著（<0.05），其他处理与第1年相比差异不显著（>0.05），表明砾石垫层厚度为35 cm对土壤渗透性的改善最显著；第2年T3处理渗透性最好（10=1.18±0.04 mm/min），且与T1、T2、T6、T9等处理差异显著（<0.05）。

2.2 不同处理对土壤pH值、碱化度、全盐的影响

2.2.1 不同处理对土壤pH值的影响

试验区原土0～40 cm土层pH值为10.1，不同处理对0～40 cm土层pH值的影响如图3所示。

图3 不同处理对0～40 cm土层pH值的影响

试验结果表明：第1年各处理的pH值均低于原土，T2降低22.4%，降低幅度最大；CK降低11.7%，降低幅度最小。由图3可知，T1-T9处理的pH值均低于CK，第1年T2处理的pH值最小，比CK降低12.1%；第2年T2处理的pH值最低（7.7±0.02）。第1年T3、T6、T7、T8、T9处理的pH值分别比CK降低11.6%、7.3%、4%、4.1%、4.5%，第2年分别比CK降低12.4%、6.9%、3.4%、3.8%、4.1%；T3、T6、T9处理之间差异显著（<0.05），表明砾石垫层厚度一定的条件下，暗沟间距越小越有利于降低土壤pH值；T7、T8、T9处理之间差异不显著（>0.05），表明暗沟间距一定的条件下，砾石垫层厚度对改善土壤pH值无显著性差异。

第1年暗沟间距为3、6、9 m处理的pH值分别比CK平均降低11.6%、7%、4.2%，第2年分别比CK平均降低12.2%、6.4%、3.8%，表明暗沟间距为3 m时对降低土壤pH值的效果优于6 m，6 m优于9 m，暗沟密布对改善土壤pH值至关重要。

2.2.2 不同处理对土壤碱化度的影响

碱化度是反映碱化土壤性质的重要指标之一，试验区原土0～40 cm土层碱化度为27.6%，不同处理对0～40 cm土层碱化度的影响如图4所示。

图4 不同处理对0～40 cm土层碱化度的影响

试验结果表明：第1年各处理的碱化度均低于原土，T3降低56.1%，降低幅度最大；CK降低35.5%，降低幅度最小。由图4可知，T1-T9处理的碱化度均低于CK，第1年T3、T6、T7、T8、T9处理的碱化度分别比CK降低32.2%、21.2%、8.1%、12.1%、15.4%，第2年分别比CK降低39.6%、29.1%、12.6%、18.9%、22.1%；T3、T6、T9的结果表明，砾石垫层厚度均为35 cm的条件下，暗沟间距越小越有利于降低土壤碱化度；第2年T7与T8、T9差异显著（<0.05），表明砾石垫层厚度大于30 cm时对碱化度的改善效果好于25 cm。第2年，T1、T2、T3处理的碱化度均小于11.5%，T7、T8、T9处理碱化度均大于13.9%。

2.2.3 不同处理对土壤全盐的影响

试验区春季风多，蒸发强烈，导致盐分随水分迁移至地表，原土0～20、>20～40、>40～60 cm土层全盐分别为6.9、6.5、4.4 g/kg。不同处理对0～60 cm土层全盐的影响如图5所示。

试验结果表明：受淋洗影响土壤盐分显著降低，第1年0～40 cm土层T3较原土降低71.3%，降低幅度最大；CK较原土降低56.1%，降低幅度最小。由图5a可知，CK的全盐在0～60 cm土层呈先减少后增大的趋势，在40～60 cm土层出现盐分累积现象（全盐比初始值高），而其他处理无明显积盐现象，表明砾石暗沟有利于盐分向土壤深处迁移。由图5b可知，第2年CK在0～20 cm土层全盐最高，可能是春季风多雨少蒸发强烈，导致第1年累积在土壤60 cm左右的盐分迁移至地表，而T1-T9处理均未出现返盐现象。

第1年，0～20 cm土层T3的全盐比原土降低72.6%，各处理中降幅最大；0～20 cm土层T1、T2、T3的全盐无显著性差异（>0.05），表明在暗沟间距一定的条件下砾石垫层厚度对土壤排盐效果的影响差异不显著；T3、T6、T9的全盐分别比CK降低33.2%、26.5%、9.2%，表明暗沟密布能加速土壤脱盐。第2年，不同处理的土壤全盐进一步降低，表明砾石暗沟仍发挥排盐作用。

2.2.4 不同处理对土壤盐分离子浓度的影响

碱化度较高是龟裂碱土最显著的特点之一，在较高的碱性环境下会抑制土壤溶液中Ca2+和Mg2+的溶解度，致使Na+占绝对优势。不同处理对0～40 cm土层盐分离子浓度的影响如表3所示。

图5 不同处理对0～60 cm土层全盐的影响

试验结果表明：各处理Na+、CO32-、HCO3-、Cl-浓度均低于原土，Mg2+、K+浓度变化不大，SO42-浓度增加；T1-T9处理Ca2+浓度均低于CK。第1年Na+浓度与原土相比降幅达68.4%~80%，第2年Na+浓度降至1.14～1.95 cmol/kg；其中，T3处理Na+浓度最低。第1年T3处理的CO32-、HCO3-分别比原土降低70%、86%，各处理中降幅最大；第2年T3处理的CO32-、HCO3-浓度分别为0.01、0.04 cmol/kg。

Cl-化学性质稳定，在土壤中不与离子发生反应，且不易被土壤胶体吸附，随水分运动。各处理的Cl-浓度均低于原土，表明暗沟能加速土壤水分运动，影响土壤溶液中Cl-的迁移。第1年T1、T2、T3、T7、T8、T9处理Cl-浓度分别为1.92、1.89、1.86、2.22、2.18、2.15 cmol/kg，表明暗沟密布能加速Cl-迁移，在暗沟间距一定的条件下砾石垫层厚度对Cl-浓度的影响差异不显著。第2年，T1-T9处理Cl-浓度降至1.24～1.62 cmol/kg，均低于第1年。

第1年施入脱硫石膏增加土壤中的Ca2+和SO42-浓度，T7处理Ca2+、SO42-浓度比原土分别增加30%、34.6%，各处理中增幅最大；T1-T9处理Ca2+浓度均低于CK，可能是暗沟能加速Ca2+和Na+置换速度。各处理Mg2+、K+浓度差异不显著（>0.05），表明Mg2+、K+不易被水淋洗。第2年，T3处理Ca2+、SO42-浓度最低，分别为0.15、0.75 cmol/kg。第1年和第2年各处理Mg2+和K+浓度变化不大，表明Mg2+和K+不易被水淋洗。

2.2.5 土壤化学性质相关性分析

通过对土壤盐分离子进行相关性分析，能反映离子运移携同关系。不同处理盐分离子浓度及土壤化学性质相关性分析如表4所示。

表3 不同处理对0～40 cm土层盐分离子浓度的影响

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)，下同

Note: Different letters in same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level , the same as below.

表4 土壤化学性质相关性分析

注：*表示显著相关（<0.05）；**表示极显著相关（<0.01）。

Note: * indicate significant correlation at<0.05; ** indicate significant correlation at<0.01.

由表4可知，Na+作为龟裂碱土最主要的阳离子，与Cl-相关性最大，相关系数为0.946（<0.01），其次为SO42-、CO32-；Cl-作为龟裂碱土最主要的阴离子，与Na+相关性最大，其次为CO32-。试验区0～40 cm土层Na+与Cl-表现为极显著相关，表明Na+主要与Cl-携同运移，其次为SO42-。

pH值与CO32-相关性最大，相关系数为0.902（<0.01），其次为HCO3-；因此，CO32-和HCO3-浓度的变化会对土壤pH值产生影响。全盐与Mg2+和K+显著相关（<0.05），与其他离子均表现为极显著相关性（<0.01），其中与CO32-相关性最大，相关系数为0.984（<0.01），其次为Cl-、Na+。由碱化度的概念可知，碱化度与Na+浓度密切相关。以上分析表明：Na+、Cl-、CO32-浓度降低，有利于降低土壤碱化度、全盐、pH值，有效改善土壤理化性质。

2.3 不同处理对龟裂碱土改良效果的综合评价

以土壤渗透性、pH值、碱化度、全盐为评价指标，根据各指标与土壤改良效果的相关性，采用不同函数式求隶属函数值，进而对改良效果进行综合评价，结果如表5所示。

由表5可知，各处理中T3改良效果最好，9个处理改良龟裂碱土的效果表现为：T3>T2>T1>T6>T5>T4> T9>T8>T7；T1、T2、T3对比的结果表明：暗沟间距3m的条件下，砾石垫层越厚改良效果越好；T3、T6、T9对比的结果表明：砾石垫层厚度35cm条件下，暗沟间距越小改良效果越好。

2.4 不同处理对油葵出苗、生长及产量的影响

作物产量是衡量土地生产力的重要指标。不同处理对油葵出苗、生长及产量的影响如表6所示。

表5 不同处理土壤改良效果综合评价指数及排序

表6 不同处理对油葵出苗、生长及产量的影响

注：第1年投入主要包括：开沟（0.9元·m-1），砾石（60元·m-3）、秸秆（30元·m-3），运输（1.5元·m-3），人工（0.8元·m-1），铺撒脱硫石膏（900元·hm-2），深翻（600元·hm-2），种子（750元·hm-2），有机肥（900元·hm-2），无机肥（300元·hm-2）；第2年投入：深翻（600元·hm-2），种子（750元·hm-2），有机肥（900元·hm-2），无机肥（300元·hm-2）；产值=产量×6元·kg-1；纯收入=产值-投入。不同大写字母表示处理间差异极显著（<0.01）。

Note: The first year input include: trenching (0.9 Yuan·m-1), gravel (60 Yuan·m-3), straw (30 Yuan·m-3), transprot (1.5 Yuan·m-3), artificial labor (0.8 Yuan·m-1), gypsum (900 Yuan·hm-2), tractor plowing (600 Yuan·hm-2), seeds (750 Yuan·hm-2), organic fertilizer(900 Yuan·hm-2), inorganic fertilizer (300 Yuan·hm-2). The second year input include: tractor plowing (600 Yuan·hm-2), seeds (750 Yuan·hm-2), organic fertilizer(900 Yuan·hm-2), inorganic fertilizer(300 yuan·hm-2). Output value=yield ×6 yuan·kg-1, Net income= output –input. Different capital letters indicate significant difference at 0.01 level among treatments.

从表6可知，第2年CK的出苗率反而低于第1年，可能是春季风多雨少蒸发大，导致深层土壤盐分返回到地表，影响油葵生长。第1年，T1-T9处理的油葵出苗率、产量均显著高于CK（<0.05），表明砾石暗沟能改善土壤结构，为油葵创造适宜的土壤环境。T3处理油葵出苗率和产量最高，第1年产量为CK的2.87倍，第2年为CK的3.44倍。第1年T1-T9处理纯收入均高于9200元，而CK仅为3 315元；到第2年只进行整地、播种、施肥，因而成本一致，各处理纯收入均显著高于第1年（<0.01）。第1年T1、T2、T3的产量显著高于T4、T5、T6与T7、T8、T9（<0.05），表明暗沟间距越小越有助于油葵产量的提高；T1、T2、T3的产量差异不显著（>0.01），表明砾石垫层厚度对油葵产量的提高无显著性差异。第1年3 m暗沟间距处理的纯收入高于暗沟间距6和9 m处理；其中，T3处理的产量和纯收入最高，第1年产量和纯收入分别为：3 234.1 kg/hm2、12 594.6元，第2年比第1年分别增加4.8%、41.2%。

3 讨 论

龟裂碱土碱化度高，在高碱性环境下，土壤胶结的离子会和Na+发生交换反应，使得土壤中胶结物质的水化度增大，土壤胶体扩散双电层电动电位厚度增加导致土壤遇水易胶溶分散[26]，土壤中的大孔隙歪曲变形崩塌形成小孔隙阻碍土壤水分运动。对某一区域特定的盐碱成分，改土能快速有效的降低土壤pH值和碱化度[23]。施入脱硫石膏增加土壤中Ca2+、SO42-浓度，由于Ca2+对土壤胶粒的吸附能力比Na+强，致使土壤胶体上附着的Na+和土壤溶液中的Ca2+发生置换反应，降低Na+浓度从而降低土壤碱化度；同时，SO42-是强酸根，能起到一定的中和作用。CaSO4溶解度大于CaCO3[24]，促使土壤中的HCO3-、CO32-与Ca2+发生沉淀反应[1]，导致HCO3-、CO32-浓度降低，在本试验中CO32-和HCO3-的浓度均低于原土，而土壤中CO32-和HCO3-的浓度是决定盐碱地pH值高低的重要因素[23]。改良过程中淋洗下来的盐分容易累积在土壤60 cm处，为提高改良效果必须打破土壤深处的黏土层，提高淋洗效果[1]。本研究土壤60～70 cm处有质地较重的黏土层，不易透水，上层土壤淋溶下来的盐分会滞留在此之上逐渐形成一个潜水层，在降雨少、地表蒸发强烈的干旱地区，盐分以水分为载体和介质沿土壤毛管上升向地表迁移，导致大量盐分在土壤表层累积。

盐碱地增设深90～120 cm的暗沟，能打破土壤60～70 cm处黏土层。暗沟底层埋设砾石、秸秆能显著改善土壤渗透性。由于砾石、秸秆与土壤孔隙不同，在土壤与秸秆、秸秆与砾石交界处会形成“孔隙差异界面”[27]，界面势差大会加速土壤水向深层运动。另一方面，暗沟回填砾石、秸秆会破坏原有土壤毛细管的连续性，抑制土壤深层水对上层土壤的补给，这与砂石夹层[27]和秸秆夹层[28]对土壤结构的影响研究结果一致。脱硫石膏改良技术与砾石暗沟技术配合加快了盐碱土壤洗盐排碱进程，这与田玉福等[23]对草甸碱土改土技术配合暗管排碱效果的研究结果一致。盐碱地增设暗沟可改善土壤渗透性影响土壤盐分离子浓度[29-30]。杨军等[1]通过龟裂碱土的改良试验表明：在淋洗影响下，Cl-容易累积在土壤60 cm处难以排出土体，而本试验中暗沟处理后Cl-浓度均显著降低，表明暗沟能将0～60 cm土层Cl-排出土体。在本试验中，Na+主要与Cl-、SO42-携同运移，这与前人的研究结果：土壤盐分垂直运动中，氯化物最为活跃，其次为硫酸盐的运移规律一致[3]。此外，秸秆分解过程中产生的有机酸能促使Ca2+溶解[31]，促使Ca2+与土壤胶体上的Na+发生置换反应。暗沟排水使土壤盐分离子浓度降低，交换性Na+减少会增强土壤胶粒的凝聚作用，形成较多团聚体，从而改善土壤结构。同时，秸秆作为滤层具有滞留水分的作用，灌水后会形成脱盐区域，加速洗盐进程，保障改良效果的持续性[32]。在本试验中：秸秆和砾石的应用不仅能加速土壤盐分的淋洗，而且能有效防止第2年返盐现象的发生。

盐碱地增设暗沟、暗管，可以排出地表至排水设施的土壤滞水[19]，促进土壤中易溶性盐分随水排出[33]，协调土壤水盐环境。潘萍等[17]通过暗沟试验表明：暗沟区地下水位低于对照区，地下水矿化度下降率高于对照区；土壤初始脱盐率较高，随改良年限的增加脱盐率逐渐减小。杨延春等[20]的研究表明：当地下水位较高时，水稻秸秆暗沟试验区地下水下降速度比对照区快；当地下埋深在0.9～1.5 m时，试验区和对照区地下水位差异较小；当地下水埋深超过1.5 m时，试验区和对照区地下水位基本一致。本试验区地处西北内陆，降雨量少，周边作物以旱作物为主，地下水埋深平均为1.5 m，暗沟最深处为1.2 m，因此，暗沟对试验区地下水位和地下水矿化度的影响较小。通过灌水淋洗，将地表至暗沟的土壤中易溶性盐分淋洗至暗沟，并通过排水沟排走。不同暗沟间距影响土壤盐分运移，暗沟密布能缩短土壤盐分运移距离，利用灌溉水和雨水冲洗暗沟以上的含盐土层，盐分更容易随水下移至暗沟排出土体，在本试验条件下，暗沟间距越小改良效果越显著。

砾石垫层厚度仅对土壤渗透性的影响有显著性差异（<0.05），对油葵产量和纯收入的影响差异不显著（>0.01），生产实践中垫层过厚会降低铺设砾石暗沟的效率、增加成本。机械深松深度达50～60 cm，砾石垫层大于30 cm时，农田局部区域秸秆垫层离地表不到60 cm，机械深松时会破坏秸秆垫层，影响暗沟效果。暗沟间距对龟裂碱土改良效果的影响有显著性差异（<0.05），暗沟密布（3 m）能促进脱硫石膏改良龟裂碱土，且产量和纯收入也最高。因此，推荐砾石暗沟间距3 m，砾石垫层厚度25 cm为实践生产适合的方案。

4 结 论

尽管施入脱硫石膏能有效改善龟裂碱土的理化性质，但砾石暗沟的应用能加快土壤表层盐分的淋洗和理化性质的改善，本研究通过不同暗沟间距及砾石垫层厚度的田间对比试验得到以下主要结论：

1）砾石暗沟技术能促进脱硫石膏对龟裂碱土的改良效果，有效改善土壤渗透性、促进盐分淋洗，土壤碱化度、全盐及主要盐分离子浓度显著降低，其中T3处理土壤盐分淋洗效果最好。

2）Na+作为龟裂碱土最主要的阳离子，与Cl-的相关性最大，其次为SO42-，Na+主要与Cl-、SO42-携同运移。

3）脱硫石膏结合砾石暗沟改良龟裂碱土种植油葵，能显著提高产量；在本试验中，暗沟间距为3 m、砾石垫层厚度为35 cm的改良效果较好，改良第2年油葵产量即可达3 389.1 kg/hm2，经济效益最佳。

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Subsurface gravel blind ditch increasing improved effects of takyric solonetz by desulfurized gypsum and yield of oil sunflower

Wang Xu1,Sun Zhaojun1,2,3※,Han Lei4, Ma Fei4, Wang Fang2, He Jun4

(1.750021,; 2.750021,; 3.()750021,; 4.750021,)

Takyric solonetz, is a kind of alkaline soil, which is quite unique in China and even in the world. In Northern Ningxia,China, this soil belongs to a kind of clay with a big soil bulk density and a badly structured physical property. So, after irrigation, dispersed soil particles in clay lead to low soil porosity, and poor permeability and salt is difficult to be quickly washed away. In order to explore the effect of different blind ditch spacing and gravel cushion thickness on the physical-chemical properties of takyric solonetz, salt ion concentration and oil sunflower yield, a field experiment was carried out in Pingluo County of Ningxia. A total of 3 kind of blind ditch spacing (3 , 6 , 9 m) and 3 gravel cushion thicknesses (25, 30, and 35 cm) were designed. Besides, the desulfurized gypsum (22.5 t/hm2) and leaching amount (4500 m3/hm2) were applied. Then, the soil physical and chemical properties, soil salt ion concentration and yield of oil sunflower of different treatments were measured to determine the amelioration effect of gravel blind ditch. The test items were permeability of soil, soil pH value, exchangeable sodium percentage (ESP), total salinity and salt ion concentration.The results showed that the gravel blind ditch could improve water permeability of soil and keep desalination by leaching. The desalination effect was closely related to blind ditch spacing and gravel cushion thickness. The smaller the blind ditch spacing and the gravel cushion thickness, the more significant the effect. In the soil layer of 0-40 cm under the gravel blind ditch treatment, the concentration of 4 ions (Na+, CO32-, HCO3-, Cl-) significantly decreased and the Ca2+and SO42-concentration increased compared with those under CK. In addition, there was little variation for the concentration of Mg2+and K+. The result of Person analysis showed that Na+was greatly related to Cl-and SO42-and it was an important cation of takyric solonetz.The blind ditch spacing of 3 m and gravel cushion thickness of 35 cm decreased soil pH value, ESP, and total salinity in 0-40 cm by 11.7%, 32.3% compared to CK treatment in the first year. In the second year, the values of pH, ESP and total salinity decreased by 12.5%, 39.6%. Furthermore, the yield of oil sunflower was 2.87 and 3.44 times that of CK respectively in the first and second year.The hydrodynamic force was higher in the blind ditch nearby, where the water moved fast. In the upper soil of blind ditch, the soil salinity infiltrated into the blind ditch along with water. Furthermore, the blind ditch density and gavel straw bed could shorten migration distance of soil salinity so that the soil salinity could be more easily discharged by blind ditch. This could reduce the soil salinity effectively and accelerate the process of salt leaching.Thus we conclude that the subsurface gravel blind ditch is able to improve the newly reclaimed takyric solonetz land most effectively and increase the yield of oil sunflower. These results will also provide a technical support for the salt-water management of the newly reclaimed takyric solonetz farmlands, and a guide for the sustainable development and utilization of waste takyric solonetz land.

irrigation; leaching; alkalinity;takyric solonetz; gravel blind ditch; soil salinity; crop yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.018

S278

A

1002-6819(2017)-22-0143-09

2017-07-17

2017-10-10

国家林业公益性行业科研重大专项（201504402）

王 旭，博士生，主要从事盐碱地水盐调控和节水灌溉理论与新技术研究。Email：wangxu640321@126.com

孙兆军，博士，研究员，博士生导师，主要从事盐碱地改良和节水灌溉新技术研究。Email：sunzhaojunyx@126.com