中度盐碱土掺沙对土壤水盐运移和夏玉米生长的影响

张宇航，高佩玲，2*，张晴雯，赵亚东，杨大明

（1．山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255000；3．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

黄河三角洲是我国东部沿海地区重要的经济开发区，该地区土地资源丰富，开发潜力巨大［1］。但黄河三角洲地区地下水埋藏浅且矿化度高，强烈的蒸发作用使得地下水中可溶性盐分随水分上升至地表，导致土壤盐渍化［2］。近年来该地区盐渍化土地面积已达63.22万hm2，且盐渍化面积还在逐年增加［3］，土壤盐渍化问题严重制约着黄河三角洲地区农业的发展。

国内外学者针对盐碱地改良做了许多研究，目前黄河三角洲地区盐碱土改良主要采用平整土地、合理灌溉、引洪放淤等水利工程措施［4］，以及采用土壤改良剂等化学改良措施［5］。但水利工程措施改良成本高、周期长，而使用化学改良剂容易造成土壤的次生盐碱化。有研究表明表层掺沙或覆沙可有效改良盐碱地，掺沙或覆沙可以改善土壤结构，使土壤的有效孔隙度增大、通透性增强从而改变盐碱土的水盐运移规律，掺沙使土壤的团粒结构增强，保水、蓄水能力增大［6-7］。宋日权等［8］研究发现土壤掺沙可以提高土壤的入渗能力，而且可以增大掺沙层以下的土壤含水率，抑制土壤水分的蒸发和表层盐分累积。Mathur等［9］认为土壤中掺沙可以加快水分入渗，提高土壤水分含量，降低土壤盐分，提高籽棉产量。蔺亚莉等［10］研究认为内蒙古河套平原黏性碱化盐土掺沙可以改变土壤机械组成和土壤质地，土壤全盐量和碱化度降低，从而有效改善作物生长环境，使玉米产量提高。国内外学者对土壤掺沙改良盐碱地做过很多研究，但在黄河三角洲地区此方面的研究较少，而且土壤掺沙的室内研究也鲜见报道。

针对黄河三角洲地区淡水资源短缺，盐碱地改良受制于水资源不足，同时黄河三角洲地区河沙资源丰富，利用率低的现状，探寻一种节水-增效-经济可行的盐碱地改良方法，在盐碱地改良基础上实现盐碱地的绿色开发具有着重要现实意义。基于前人的研究成果，本文以黄河三角洲地区滨州市中度盐碱土为研究对象，利用当地河沙作为添加物质，在室内进行垂直一维积水入渗试验，研究不同掺沙比对盐碱土水盐运移规律的影响；并在滨州市进行了盐碱地掺沙改良下的夏玉米种植试验，通过分析土壤理化性质及作物生长状况和产量的变化，对盐碱土掺沙改良效果做出评价，寻求最佳的盐碱地掺沙改良方案，以期为黄河三角洲地区盐碱地改良提供理论和数据依据。

1 材料与方法

1.1 室内试验

1.1.1 试验材料与装置

试验用土取自山东省滨州市滨城区中裕生态产业园，分层取0～20、20～40、40～60 cm的扰动土，经晾晒风干、过筛（2 mm）后均匀混合制成试验用土。取原状土测定0～60 cm土层的平均土壤容重为1.39 g·cm-3，平均田间持水率为28.62%，平均土壤全盐量为2.381 g·kg-1，属于中度盐碱土。试验用河沙取自当地黄河河沙，河沙经过了过筛（2 mm）、淘洗、晾干处理，避免河沙中大颗粒和杂质对试验产生影响，土壤和河沙颗粒分析结果见表1，土壤质地为砂质壤土。试验用水是实验室配置的模拟黄河水，根据鲁北平原地区黄河水盐分组成资料［11］，利用 NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2配制而成，每升水中含量分别为277.2、142、203.3和 111 mg，矿化度为 0.63 g·L-1。

试验装置有马氏瓶和土柱，马氏瓶高50 cm，内直径为 8 cm；土柱高 90 cm，内直径同为 8 cm，试验时用马氏瓶向土柱供水。土柱侧面每隔5 cm设圆形取样口，用于试验结束后样品提取，试验时用橡胶塞堵住。马氏瓶和土柱表面均标有刻度，用于观测湿润锋深度和马氏瓶水位。

表1 土壤和河沙颗粒组成

1.1.2 室内试验设计

2017年3月至5月在室内进行一维垂直积水入渗试验，研究不同掺沙比例对土壤入渗机制和理化性质的影响，试验分别设置掺沙比例（重量比）：CK（掺沙0%）、S1（掺沙5%）、S2（掺沙10%）、S3（掺沙15%）、S4（掺沙20%），每个处理重复3次。土柱内装土高度为80 cm，按当地土壤干体积质量 1.39 g·cm-3、河沙容重 1.60 g·cm-3，分 16层，每层5 cm均匀填装，层间打毛。前20 cm做掺沙处理，20～60 cm为纯土层，掺沙时按设计比例称沙和土，将沙土混合均匀后正常装填。根据计划湿润区深度60 cm，土壤容重和田间持水率计算灌水定额为 1 115.6 mL［12］，控制所有处理的灌水定额一致。调整马氏瓶高度控制水头在2 cm左右，试验过程中记录马氏瓶水位和湿润锋深度变化。试验结束后立即从土表至湿润锋处分层（5 cm）取样，每层取3次重复，用以测定土壤含水率和土壤含盐量。

1.2 大田试验

为了验证室内试验的结论和探究表层掺沙对大田土壤理化性质和作物生长的影响，参照室内试验的结果，进行了大田试验。

1.2.1 研究区概况

大田试验于2017年6月至10月在山东省滨州市滨城区中裕生态产业园进行，该地区气候为温带大陆性季风气候，年平均气温为12.7℃，降水多集中在7、8月，年平均降水量 564.8 mm。土壤类型和基本物理性质见1.1.1。

1.2.2大田试验设计

试验共设（重量比）：CK（掺沙0%）、S1（掺沙5%）、S2（ 掺 沙10%）、S3（ 掺沙15%）4个处理（室内试验结果表明该地区土壤掺沙改良最佳比例为10%～15%，据此设计大田掺沙比例），每个处理重复3次，共有12个小区，每个小区的面积是14.5 m×8 m。耕作前将过筛后的河沙均匀撒在土壤表面，旋耕20 cm。所有处理的田间管理如施肥、除草、除虫与当地农田管理方式一致，靠自然降雨补充作物生长所需水分，夏玉米于2017年6月底播种，10月初收获。根据玉米播种时间和夏玉米生育期划分制定取样计划［13］，采用对角线取样法取3次重复，分3层（0～20、20～40、40～60 cm）取扰动土，将土样密封好后带回实验室测定土壤含水率和土壤含盐量，同时取3株玉米（根部以上），现场测量株高、叶面积和茎粗，后将植株切割后带回实验室测定干物质重，在玉米成熟后测定各处理的产量。

1.3 样品测定

土壤含水率：用烘干法［14］测定，在已称重的铝盒中放入15～20 g鲜土，放入烘箱中在 105℃下烘干12 h，冷却后立即称重。

土壤含盐量：将风干土样研磨后过1 mm筛，制取土壤浸提液（水土比5∶1），利用DDS-11A型电导率仪测定浸提液电导率，根据公式：土壤含盐量 =2.160 6EC5∶1+ 0.303，将电导率转化为土壤含盐量［15］。

玉米生长指标及产量：测量依据农业气象观测规范（作物分册）。

1.4 数据分析

利用 Excel 2010 进行数据整理，在 Origin 9.0中进行绘图，SPSS 22.0中进行数据分析，采用单因素方差分析LSD法比较不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 盐碱土表层掺沙室内研究

2.1.1 表层掺沙对累积入渗量和湿润锋的影响

由图1可知，所有处理的累积入渗量均随入渗时间延长而增加，在入渗初期累积入渗量增速较快，随入渗进行增加速度逐渐变缓。在同一入渗历时、掺沙比例越大的处理累积入渗量越大；相同灌溉定额入渗结束的时间顺序是 S4＜S3＜S2＜S1＜CK。湿润锋深度随时间变化趋势与累积入渗量类似，湿润锋运移速度在入渗初期较快，随入渗时间增加湿润锋运移速度逐渐变慢。在同一入渗时间湿润锋深度由大到小依次为 S4＞S3＞S2＞S1＞CK；掺沙比例越高到达同一入渗深度的时间越短，掺沙比例越高，湿润锋最终深度越大。综上可以得出结论，表层掺沙加快了土壤水分入渗，掺沙比例越大土壤水分入渗速度越快。

图1 不同处理累积入渗量和湿润锋深度随时间的变化

2.1.2 表层掺沙对土壤含水率的影响

图2为不同处理的掺沙层和未掺沙层土壤含水率随深度的变化图。掺沙层（0～20 cm）的土壤含水率随深度的变化趋势基本一致，第一层的土壤含水率最高，随深度增加含水率逐渐降低。除第一层外掺沙处理的土壤含水率都小于CK，其中S1、S2、S3、S4的土壤含水率显著降低（P＜0.05），且掺沙比例越大土壤含水率降低越明显。这说明掺沙会降低掺沙层的土壤含水率，掺沙比例越大掺沙层的土壤含水率越低。

由未掺沙层（20～60 cm）土壤含水率随深度变化图可知，在20 cm处土壤含水率从大到小依次为 CK＞S1＞S2＞S3＞S4，而从 25 cm 开始各掺沙处理的土壤含水率高于CK，含水率从大到小依次为 S3＞S2＞S1＞S4＞CK，掺沙处理的土壤含水率都大于CK。S2、S3的土壤含水率与CK存在显著差异（P＜0.05），S1、S4与CK在个别层差异不显著（P＞0.05）。整体来说，表层掺沙会提高掺沙层以下土壤的含水率，掺沙5%～15%的下层含水率随掺沙比例增大而增大，但掺沙20%的下层含水率偶有低于其他掺沙处理。综上，掺沙10%～15%对改善土壤保水能力效果最好。

2.1.3 表层掺沙对脱盐效果的影响

图2 不同处理土壤含水率的变化

为探究表层掺沙对土壤盐分分布的影响，选取一些指标对脱盐效果进行评价［16］。土壤脱盐率为土壤中脱去盐分占原有盐分的百分比，平均脱盐率为各深度脱盐率的平均值；脱盐区深度为土壤含盐量低于土壤初始含盐量的深度；土壤脱盐区深度与入渗结束时的湿润锋深度的比值称为脱盐区深度系数；根据当地种植作物冬小麦和夏玉米的耐盐限度，认为土壤含盐量小于2 g·kg-1时作物可以正常生长［17］，当土壤含盐量低于2 g·kg-1时的深度为达标脱盐区深度；达标脱盐区深度系数为达标脱盐区深度与湿润锋运移深度的比值。

由表2可知，不同掺沙比例对脱盐指标的影响达到显著性水平，S2、S3、S4的各项脱盐指标显著高于CK，S1与CK差异较小。所有处理的平均脱盐率均大于0.54，S3的平均脱盐率最大，比CK增加7.65%。各处理的脱盐区深度和达标脱盐区深度均大于52 cm，远超过作物的根系密集区（0～45 cm），其中S3的脱盐区深度和达标脱盐区深度最大，分别比CK增加1.51和1.06 cm，其他掺沙处理也比CK有不同程度增加。脱盐区深度系数和达标脱盐区深度系数从大到小依次为S2＞S3＞S1＞S4＞CK，S2的脱盐区深度系数和达标脱盐区深度系数相对CK分别增加0.043和0.039。由试验结果可知，在相同入渗条件下表层掺沙10%～20%显著提高脱盐效率，其中掺沙15%效果最佳，表层掺沙具有改良盐碱地的潜力。

表2 不同处理土壤盐分分布评价指标

2.2 盐碱土表层掺沙大田试验

2.2.1 表层掺沙对大田土壤理化性质的影响

图3为大田试验不同处理的土壤含水率和含盐量变化曲线，受雨季（7月～8月）影响不同深度的土壤含水率变化趋势都是先增大后减小。0～20 cm的土壤含水率变化范围在9.36%～22.73%之间，表层受降雨直接影响所以含水率变化范围较大，在7月～9月之间，掺沙处理的土壤含水率均小于CK，S1、S2的土壤含水率与CK差异不显著，S3与CK有显著差异（P＜0.05），掺沙比例越大土壤含水率越低。20～40 cm土层的土壤含水率整体表现为 S3＞S2＞S1＞CK，各处理间差异较小。在40～60 cm土层，掺沙处理的土壤含水率大于CK，以8月6日为例，S1、S2、S3的土壤含水率显著高于CK（P＜0.05），分别比对照增加1.48%、1.61%、1.98%。试验结果表明掺沙会降低耕层（0～20 cm）的土壤含水率，使下层20～60 cm的土壤含水率升高，验证了室内试验的结论。

土壤含盐量在0～20 cm土层先降低后升高，全盐量变化范围在1.24～2.02 g·kg-1之间。掺沙处理的含盐量基本低于CK，8月6日～9月15日掺沙处理的全盐量显著低于CK，各掺沙处理之间差异不显著（P＞0.05）。在20～40 cm土层，所有处理的土壤含盐量呈现降低趋势，与6月底播种时相比，到玉米成熟时CK、S1、S2、S3的土壤全盐量分别降低了 0.83、0.87、0.91、1.01 g·kg-1，S3 的土壤全盐量显著低于CK（P＜0.05）。40～60 cm的土壤全盐量变化范围不大，从整体看，土壤全盐含量由大到小为 CK ＞S1＞S2＞S3，各处理之间差异不显著（P＞0.05）。试验结果同样表明掺沙处理的脱盐效果好于CK，其中S3的整体含盐量最低，与室内试验结果一致。

图3 不同处理土壤含水率和含盐量的变化

2.2.2 表层掺沙对夏玉米生长指标和产量的影响

从图4可知，株高在玉米整个生育期内持续增高，后期略有降低，在9月15日，S1、S2、S3的株高分别比对照增加12、11.5、15 cm，差异性显著（P＜0.05）。茎粗在整个生育期内先升高后降低，在8月6日左右出现峰值，在整个生育期中，CK最大茎粗未超过4 cm，S1、S2、S3的最大茎粗分别为4.87、5.31、5.69 cm，除7月1日和9月30日外，掺沙处理与对照差异显著（P＜0.05）。玉米叶面积先增大后逐渐减小，在8月20日左右的叶面积最大，从整体上看叶面积由大到小为S3＞S2＞S1＞CK，掺沙处理的叶面积显著高于 CK（P＜0.05）。干物质重在整个玉米生育过程中先增大后略减小，掺沙处理的干物质重基本大于CK，8月6日和8月20日差异显著（P＜0.05）。

由表3可知，所有处理的产量在9 437.1～10 419 kg·hm-2之间，掺沙处理的产量显著高于对照（P＜0.05），掺沙处理相比于CK玉米产量提高6.46%～10.40%，掺沙比例越大增产率越高。

图4 不同处理玉米生长指标的变化

表3 不同处理玉米产量与增产率

3 讨论

本试验研究结果表明，土壤表层掺沙会提高土壤的入渗性能，掺沙比例越大入渗速度越快。大量研究表明土壤入渗能力受土壤颗粒组成的影响［8，18-19］，李卓等［20］研究认为随着土壤中粘粒含量减少、砂粒含量增大，入渗能力提升；Sauer等［21］研究认为随土壤中碎石和砂粒含量增加，饱和导水率增加，入渗速度加快，与本研究结果一致。掺沙改变了土壤的颗粒组成，使土壤中的砂粒含量增加，土壤有效孔隙度增加从而加快土壤水分入渗。快速入渗减少水分在土表滞留的时间，使水分更快的流入深层土壤。

土壤持水能力受土壤颗粒组成及孔隙度的影响［22-23］，李卓等［24］研究表明土壤持水能力随土壤中砂粒含量增多而减小，土壤中砂粒比表面积小，相互支撑形成较大孔隙，从而影响土壤的蓄水能力。本研究结果显示，表层掺沙会使掺沙层的土壤含水率降低，且掺沙比例越大土壤含水率越低，这与前人研究结果相同。宋日权等［8］研究表明土壤表层掺沙会提高掺沙层以下均质土壤的含水率，且掺沙比例越大下层土壤含水率越高。本研究结果同样表明掺沙可提高下层土壤的含水率，掺沙5%～15%的下层含水率随掺沙比例增大而增大，但掺沙20%的下层含水率低于其他掺沙处理，与宋日权的研究结果不同。原因是两个试验的灌溉方式和掺沙比例都不相同，另外，土壤类型和含盐量也会影响土壤水分分布。本试验结果表明掺沙比例越大湿润锋深度越大，根据水量平衡原理，湿润锋深度大必然导致湿润土体的平均含水率降低，所以掺沙20%的下层含水率略低于其他掺沙处理。掺沙层以下土壤含水率上升的原因可能是：①水分在掺沙层入渗速度较快，在下层土壤的入渗速度慢，来自上层的大量水分来不及入渗便在上下层界面处积聚，导致下层含水率上升；②土壤掺沙后的持水能力下降，掺沙层的多余水分在重力作用下继续下渗，提高了下层土壤含水率。掺沙后水分可以快速通过表层土壤，减少了表面径流，使更多水分进入深层土壤；表层掺沙会抑制土壤水分的蒸发［8］，提高水资源的利用效率，这对缺水地区水资源高效利用有一定指导意义，数据表明掺沙10%～15%时土壤水分分布更合理。

大量研究表明土壤掺沙会降低土壤盐分，蒲红艳等［25］对克拉玛依新垦绿洲进行掺沙改良发现：掺沙后减少了土壤表层盐分累积；迟春明等［26］研究认为添加沙粒能够有效促进土壤盐分淋洗，与本研究结果一致。室内试验结果表明，在相同入渗条件下表层掺沙10%～20%显著提高脱盐效率，掺沙15%脱盐效果最好。土壤盐分分布受土壤结构和土壤含水率的影响，表层掺沙改善了土壤结构，提高了下层土壤含水率，从而提高了入渗淋盐效率。综合分析室内实验土壤水分和盐分变化规律，结果表明该地区盐碱土掺沙改良最佳比例为10%～15%。

大田试验中掺沙使耕层土壤的含水率降低，提高了下层土壤的含水率；20～40 cm土层的脱盐效果明显，到玉米成熟时CK、S1、S2、S3的土壤全盐量分别降低了 0.83、0.87、0.91、1.01 g·kg-1，掺沙15%的脱盐效果最好，与室内试验结果相同，验证了室内试验的结论。王娜等［27］认为土壤掺沙改善了土壤的结构，提高土壤孔隙度，降低了盐碱土的含盐量，有效改善了作物的生长环境。张红艳等［28］研究表明，将砂子掺入粘土可以使烤烟的叶面积和地上干物质累积增加；Niazi等［29］研究认为将砂子掺入盐碱地可以显著降低土壤pH值，提高作物产量；马彦霞等［30］的研究结果表明菜田掺沙后，土壤容重、pH值、EC降低，甘蓝产量增加。本研究结果表明掺沙处理的株高、茎粗、叶面积、干物质重均大于CK，且掺沙提高了夏玉米的产量6.46%～10.40%，掺沙15%的效果最好。

蔺亚莉［31］认为河套平原地区碱化盐土掺沙20%的改良效果最好。这与本研究结果略有不同，河套平原地区土壤质地为壤质黏土，土壤粘重且盐碱化程度高，而滨州地区土壤类型为粉砂质壤土，盐碱化程度较低，不需要大比例掺沙进行土壤改良；室内试验结果说明掺沙20%的土壤持水能力弱于掺沙15%，掺沙比例过大会使耕层土壤含水率降低，影响作物苗期生长。综上，本研究结果表明滨州地区盐碱土掺沙改良的最佳比例为15%。

4 结论

表层掺沙可以提高土壤的入渗性能，掺沙比例越大入渗速度越快。

表层掺沙会降低掺沙层（0～20 cm）土壤含水率，提高掺沙层以下（20～60 cm）土壤的含水率。掺沙5%～15%的下层含水率随掺沙比例增大而增大，掺沙20%的下层含水率略有降低；表层掺沙10%～20%的土壤脱盐效果显著好于CK，室内试验结果表明最佳掺沙比例为10%～15%。

大田试验中土壤含水率和含盐量变化规律与室内试验一致，验证了室内试验的结论。掺沙处理的株高、茎粗、叶面积、干物质重和产量均高于CK，掺沙15%的增产率最高，为10.40%。

滨州地区中度盐碱土表层掺沙改良最佳比例为15%。