黄河泥沙充填复垦农田生产力障碍因素调查分析

王培俊 华宝龙 孙 煌 范胜龙 杨耀淇 胡振琪

(1.福建农林大学 公共管理学院，福州 350002；2.北京大学 经济学院，北京 100871；3.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

土地资源是人类生存的最宝贵资源，关系着人类的粮食安全和生态安全。煤炭是中国重要的一次性能源[1]，其大规模开采，为国民经济发展提供能源支撑的同时，也对土地造成了破坏[2]。据测算，井工煤矿开采的万吨煤炭塌陷率平均为0.2 hm2，根据2017年研究，中国采煤沉陷区面积约200万 hm2，而且每年还以7万 hm2的速度递增[3]。中国是一个人口大国，人地矛盾十分突出，采煤沉陷使土地损坏，失去生产能力，严重威胁中国的粮食安全；同时采煤沉陷破坏了生态环境，对中国生态文明建设也构成了严峻挑战。为积极实施“藏粮于地、藏粮于技”战略[4]和生态文明建设[5]，确保国家粮食安全和生态安全，胡振琪等[6]首先提出并实践了引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的技术。目前，黄河泥沙充填复垦研究主要集中于充填复垦物料[7]、技术流程[8-10]、覆土材料[11]和复垦后土壤剖面理化性质[12-13]等方面，对复垦农田生产力及障碍因素的研究较少且主要集中在土壤理化性质方面[14-15]，对农户耕作管理因素的研究尚无报道。

Guo等[16]和Liu等[17]研究表明，农户不合理的施肥和灌溉等耕作管理，不仅影响作物产量、品质和生产效益，还会造成资源浪费，污染大气、水体和土壤环境。Chen等[18-19]研究表明，土壤-作物系统综合管理(ISSM)技术使玉米产量和资源效率翻番，使小麦、玉米和水稻平均增产30%，温室气体排放减少40 %，氮素排放减少50 %，同时保障粮食安全、环境安全和改善农产品品质。Zhang等[20]研究表明，通过科技小院向小农户传授科学耕作管理知识，让小农户实现了增产增效。刘保花等[21]研究表明当前全世界小麦、玉米的平均产量潜力分别为6.7和11.2 t/hm2，农户产量分别实现了产量潜力的60%和53%，产量还有很大的提升空间。Duvick等[22-24]研究表明，美国玉米产量增加的40%～60%归功于农田管理、肥料和栽培技术的提高以及玉米杂种优势的利用等，其中施肥量、灌溉量和播种密度的增加和机械化程度的提高等栽培管理措施的贡献尤为重要。前人的这些研究成果表明，农户的耕作管理对提升作物产量和改善生态环境的确发挥着重要作用，在提高黄河泥沙充填复垦农田生产力的研究过程中，应当对农户的耕作管理信息予以重点关注。为此，本研究通过农户问卷调查并结合定点采样分析的方法，对黄河泥沙充填复垦农田小麦生产力及障碍因素进行了研究，以期为黄河泥沙充填复垦农田作物增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河泥沙充填复垦区位于山东省德州市齐河县邱集煤矿西南侧，于2008年结束煤炭开采，已达到沉陷稳定状态，沉陷深度为0.50～2.22 m。实验室团队于2012—2015年分2期利用黄河泥沙在采煤沉陷稳定区进行了充填复垦，总面积为53.33 hm2。本次研究区为采用间隔条带式加速排水一次充填复垦技术形成的第一期充填复垦区，面积为34.67 hm2。问卷调查区域在复垦农田周边的2个村庄(梅庄和石庙杨村)，具体位置见(图1)。该区域属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.3 ℃，平均降水量为645.9 mm，降水有明显的季节性，多集中在6月下旬—9月下旬，占全年的76.4 %左右，多年平均蒸发量1 700 mm，全年无霜期平均210 d左右。研究区域土壤以潮土、盐化潮土、冲积土为主，pH一般为6.5～8.5。研究区域种植结构主要为小麦-玉米轮作。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the research area

1.2 研究方法

1.2.1农户问卷调查

在山东省邱集煤矿充填复垦农田周边的梅庄和石庙杨村进行农户耕作管理信息问卷调查，由于这2个村为小型村庄，农户数量较少，且耕种复垦农田的农户数量有限，因而本次调查的复垦农田农户数量为47户，正常农田农户35户。具体调查内容包括：农作物品种、产量、施肥时间、施肥种类、施肥量、灌溉时间、灌溉方式和灌溉量等。

1.2.2定点采样分析

在问卷调查的基础上，将黄河泥沙充填复垦区域按照泥沙充填后覆土厚度的不同(覆土厚度：HC1=70 cm，HC2=50 cm，HC3=30 cm)划分成3个区域，在附近选取正常农田作为对照研究区域，采样区土壤剖面构型具体见(图2)。每个区域内布设5个采样点，采样点间距>50 m，共计20个采样点。采集表层(0～20 cm)土壤带回实验室进行土壤养分状况分析，指标有土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和有效钾。在农作物收获后对其产量进行测算。

图2 采样区土壤剖面构型Fig.2 Soil profile configuration of sampling area

1.2.3肥料效率计算方法

选用肥料偏生产力作为肥料效率评价指标，公式为:

PFP=Y/F

式中：PFP代表氮肥(N)、磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)偏生产力，kg/kg；Y代表作物单产，kg/hm2；F代表单位面积施肥量，kg/hm2。

1.2.4数据处理

土壤样品带回实验室，按常规方法做前期处理。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用半定量凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；有效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；速效钾采用1.0 mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度法测定[25]。

研究中的所有数据采用Excel 2016和SPSS 21.0软件进行整理分析，用Origin Pro 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 覆土厚度对小麦实际产量的影响

从图3可知，黄河泥沙充填复垦农田小麦产量和正常农田存在不同程度的差异，随着覆土厚度的减小，小麦产量呈现递减趋势。覆土厚度70 cm的采样点，小麦产量比覆土厚度30 cm的采样点高出28.57 %。覆土厚度30 cm的采样点，小麦产量只有正常农田的70 %，与正常农田相比，还有很大的增产空间。

图3 不同覆土厚度复垦农田小麦实际产量Fig.3 Actual wheat yield of reclaimed farmlands with different covering soil thickness

2.2 表层土壤养分对小麦实际产量的影响

由图3和表1可知，正常农田土壤有机质、总氮、总磷、碱解氮和有效磷含量高于黄河泥沙充填复垦农田，其小麦产量也高于复垦农田，说明土壤有机质、总氮、总磷、碱解氮和有效磷含量整体上与研究区小麦产量成正相关。两类农田土壤总钾与有效钾含量差异不大。结合第二次全国土壤普查养分分级标准[26-27]可知，黄河泥沙充填复垦农田土壤有机质含量位于五级；总氮含量在五级及以下；总磷含量在二级；碱解氮含量在四级及以下；有效磷含量在三级及以下；总钾含量在三级；有效钾含量在二级左右。因此，充填复垦农田土壤肥力状况整体较差，尤其是土壤有机质、总氮和碱解氮含量很低，影响小麦产量的提升。表1还显示充填复垦农田土壤养分变异性整体较对照农田大，这可能与黄河泥沙充填复垦施工过程中表土、心土的剥离、堆放及回填，导致复垦农田耕作层土壤物理性质发生变化，进而引起土壤养分的变化有关。

表1 复垦农田和对照农田表层土壤养分状况Table 1 Surface soil status of reclaimed and normal farmlands

2.3 施肥情况对小麦调查产量的影响

由表2和图4可知，复垦农田施肥量整体高于正常农田，复垦农田氮肥使用量平均为359.35 kg/hm2，正常农田氮肥使用量平均为336.66 kg/hm2，高出正常农田22.69 kg/hm2，磷肥和钾肥则相当。李健敏等[28]研究发现，山东省小麦最佳施肥量：N为182.02 kg/hm2，P2O5为82.58 kg/hm2，K2O为83.22 kg/hm2；小麦产量为9 444.19 kg/hm2。研究区复垦农田和正常农田氮肥施用量分别为最佳施氮量的1.97和1.85倍。研究区复垦农田平均施肥总量569.16 kg/hm2，正常农田平均施肥总量545.82 kg/hm2，二者均远高于2015年全国农作物平均施肥量361.99 kg/hm2，分别超出发达国家设置的 225 kg/hm2的安全施肥量上限152.96%和142.59%。

从表2可知，研究区复垦农田和正常农田小麦平均氮肥偏生产力分别为22.31和25.63 kg/kg。Ladha等[29]研究发现，全球小麦平均氮肥偏生产力为44.00 kg/kg，研究区氮肥偏生产力明显低于世界平均水平。研究区复垦农田和正常农田N、P、K施用比例分别为1.00∶0.29∶0.29，1.00∶0.31∶0.31。文献[28]研究发现山东省2015年小麦N、P和K平均施肥量比例为1.00∶0.58∶0.38。对照可以发现，研究区N、P和K施用比例失衡，过于倾向施用氮肥，磷肥和钾肥施用量较少。

表2 复垦农田和正常农田肥料投入、效率和施用比例Table 2 Fertilizer input, efficiency and application proportion of reclaimed and normal farmlands

相同施肥量下的不同小麦产量代表不同农户的调查产量。Different wheat yields under the same amount of fertilization represent the investigated yields of different farmers.图4 农户习惯施肥量对小麦调查产量的影响Fig.4 Effect of farmer habitual application of fertilizer on investigated wheat yield

通过图4可知，复垦农田氮肥用量与产量之间的关系变化较大，不如正常农田稳定。复垦农田和正常农田在磷肥和钾肥的用量上则相当，且复垦农田施肥量与产量的关系变化较正常农田大。同时可以看出，施肥量在一定程度上有助于产量提升，但施肥过量后会对产量起到抑制作用，这符合肥料报酬递减规律。通过调查得知，研究区农户一般会在小麦生长过程中施肥2次以上，第一次是在播种时，用作基肥，所施肥量最大，多为复合肥料；第二次在返青时，结合灌水追施一定的复合肥或尿素；第三次在小麦拔节时，会再追施一定尿素；其他时间段，农户会根据小麦生长情况追施一定肥料。

2.4 灌水情况对小麦调查产量的影响

从图5可知，研究区内灌溉量对小麦产量呈现一定的正相关关系，复垦农田的灌溉量要高于正常农田，这与复垦农田的土壤剖面构型有关。如图2所示，复垦农田是人为重构的土壤，其土壤剖面为“上土下沙”的构型，使得水分容易入渗，保水能力较差，所以需水量较大。研究区农户一般采用大水漫灌的形式灌溉，且一次性灌溉量较大，大部分农户会在小麦返青和拔节时灌溉2次，少部分农户只在返青时灌溉1次。

图5 灌溉量对小麦调查产量的影响Fig.5 Effect of irrigation volume on investigated wheat yield

研究区小麦平均调查产量与平均施肥量、灌溉量、施肥次数和灌溉次数的相关性分析结果如表3所示。复垦农田小麦平均调查产量与灌溉量在0.01水平上显著相关。复垦农田“上土下沙”的土壤剖面构型保水性能差，而研究区农民又习惯于大水漫灌，田间过饱和的水很快入渗流失，复垦农田容易受旱，导致灌溉量对小麦产量具有显著影响。此外，施磷量、施肥次数、灌溉次数与复垦农田小麦平均调查产量成正相关，而施氮量与施钾量与复垦农田小麦平均调查产量成负相关。从表2可知复垦农田氮肥已经施用过量，而复垦农田土壤总钾与有效钾含量较高，并不缺钾肥，因此再施氮肥和钾肥会对小麦产量产生负面影响。正常农田小麦产量也与灌溉量在0.01水平上显著相关，与施肥次数在0.05水平上显著相关。因此，研究区两类农田灌溉与施肥均应遵循少量多次的原则，并且应多施磷肥，减少氮肥和钾肥的过量施用。

2.5 品种对小麦调查产量的影响

由表4可知，在研究区内，正常农田3个小麦品种的平均产量均高于复垦农田，正常农田3个小麦品种产量差异不显著，复垦农田“济麦22”和“良星77”的产量与“良星99”的产量存在显著差异(P<0.05)。复垦农田“济麦22”产量变异性比正常农田小，稳定性强，而“良星77”和“良星99”的产量变异性比正常农田大，稳定性较差。袁园园等[30]研究发现，在山东省，“济麦22”平均产量为8 035.58 kg/hm2，“良星77”平均产量为8 035.65 kg/hm2，“良星99”平均产量为8 042.25 kg/hm2，说明3个小麦品种都是高产品种。对比目前研究区农户调查产量，可以发现黄河泥沙充填复垦农田“济麦22”的产量最高，“良星77”和“良星99”在复垦农田分别存在11.41%和20.36%的增产空间。

表3 研究区小麦平均调查产量与平均施肥量、灌溉量、施肥次数和灌溉次数的相关性分析Table 3 Analysis of the correlation between average investigated yield of wheat and average fertilization amount,irrigation amount, fertilization times and irrigation times in the research area

表4 品种对小麦调查产量的影响Table 4 Effect of different varieties on investigated wheat yield

3 结 论

本研究通过对山东省邱集煤矿黄河泥沙充填复垦农田的农户问卷调查和定点采样分析，得到以下结论：

1)黄河泥沙充填复垦覆土厚度影响小麦实际产量，随着覆土厚度的减小，小麦实际产量呈现递减趋势。土壤有机质、总氮、总磷、碱解氮和有效磷含量整体上与研究区农田小麦实际产量成正相关。

2)施肥量对黄河泥沙充填复垦农田小麦调查产量的影响不稳定性较强；耕种复垦农田的农户习惯施肥量存在严重过高现象，且肥料施用比例失衡。建议农户在耕作管理过程中采取少量多次的施肥方式，并注意肥料种类的搭配，避免施肥单一化，同时应多进行农作物秸秆还田。

3)研究区两类农田小麦调查产量与灌溉量均在0.01水平上显著相关，建议农户在耕作管理过程中采取少量多次的灌溉方式。“济麦22”是黄河泥沙充填复垦农田调查产量最高的小麦品种，“良星77”和“良星99”在复垦农田分别存在11.41%和20.36%的增产空间。

4)黄河泥沙充填复垦在研究区是可行的，但农户在耕作管理过程中应当注意农作物秸秆还田，培肥地力、提高土壤保水保肥能力等。