泥沙对黏质盐土水分特性及小麦产量的影响

郭同铠，毛伟兵，孙玉霞，曲英杰，吴佳利

泥沙对黏质盐土水分特性及小麦产量的影响

郭同铠，毛伟兵*，孙玉霞，曲英杰，吴佳利

(山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

【】确定不同泥沙量对黏质盐土水分状况以及冬小麦产量的影响，探索最适宜泥沙配量。采用室内压力膜法测定土壤水分特征曲线并且进行田间冬小麦试验，研究了不同泥沙量对土壤水分特征曲线、土壤水分常数、土壤水分形态、土壤水分有效性、田间土壤水分变化和冬小麦产量的影响。泥沙对土壤水分特征曲线影响明显，同一水吸力下土壤含水率随泥沙施加量增加而降低。土壤水分常数以及土壤水分有效性指标随泥沙施加量增加变化明显，各土壤水分常数指标与泥沙配量整体呈负线性关系。但在0～15.07%范围内，非线性变化明显。田间试验数据显示，泥沙对降低土壤水分和盐分有明显作用。各泥沙处理的土壤水盐变化明显。泥沙对黏质盐土冬小麦产量有提高作用，其中S2—S5处理和S7处理产量提高明显，3 a总产量比对照组分别增产26.47%、26.51%、18.33%、27.27%、30.90%。综合考虑室内试验以及田间试验得出的泥沙最佳范围，引黄泥沙配施改良黏质盐土的最优泥沙施加量为质量比6.85%。

黏质盐土；泥沙；土壤水分特性；冬小麦产量；土壤水分特征曲线

0 引言

【研究意义】土壤盐渍化是制约农业可持续发展和生态环境稳定的全球性问题[1-3]。全球盐渍化土壤面积超过400万km2，并且以每年（1～15）×106hm2持续增长，严重制约了世界农业生产发展[4-5]。全球人口增长和经济社会发展对粮食需求增加，表明未来需要更多的土地进行种植[6]。包括中国在内的许多国家已经将土壤盐渍化治理纳入国家未来发展规划，成为全球变化框架下的重要内容[7]。

在中国，盐碱地和次生盐碱地总面积达3 600万hm2，占全球盐碱地面积的近5%。盐碱地占中国耕地面积的1/4，合理利用和改善盐碱地资源对于缓解日益加剧的粮食不安全至关重要[8-9]。黄河三角洲是我国东部沿海后备土地资源最多的地区，区域内未利用土地54.07万hm2，其中，各类盐碱土约占31.14%[10]。土壤盐碱化已经成为制约该地区农业和社会经济可持续发展最重要的环境问题。同时，黄河引水和输水系统的淤积泥沙一直是黄河三角洲地区的突出问题，如果管理不当，淤积的泥沙会导致生态问题。因此，协调好黄河三角洲地区盐渍土改良与泥沙资源利用的矛盾是促进农业可持续发展和维持生态环境稳定的重中之重。【研究进展】在20世纪，各国学者已经制定了针对具体地点改良或者控制盐渍化的措施。常见方法包括化学改良、生物改良、有机改良和植物修复[11-14]。最广泛的用法是用石膏（CaSO4·2H2O）的Ca2+作为钙的来源，在阳离子交换位点交换Na+[15]；天然沸石和生物炭也被应用于盐渍土改良[16-18]，但是高成本是制约其广泛应用的主要原因。粉煤灰等废弃物应用于盐渍土可改善土壤物理性质，但是其中的重金属对农业和生态环境可持续发展造成威胁[19-20]。【切入点】黄河泥沙具有修复盐渍土的作用[21-22]。但泥沙对土壤水分特性影响的定量分析及土壤水分变化对小麦产量的影响研究较少。【拟解决的关键问题】采用室内试验与田间试验相结合的方式，通过引黄泥沙改良滨海黏质盐土，研究不同泥沙施加量对土壤水分特性和小麦产量的影响，并确定该区域黏质盐土改良适宜的泥沙施加量，为滨海盐渍土改良和泥沙资源利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2015年9月—2018年6月，在山东省滨州市渤海粮仓科技示范区（117°45'29.84"—117°49'47.19"E，37°51'10.01"—37°53'32.02"N）持续进行了田间试验。该地区具有典型的温带季风性气候，具有明显的雨季（6—9月）和旱季（10—5月）。研究区年平均降雨量为564 mm，年平均蒸发量为1 806 mm，是年降雨量的3倍。研究区平均海拔在平均海平面以上7.8 m，地下水位在地表以下1.5 m左右。土壤为滨海黏质盐土，基本性质见表1，pH值范围7.5～8.5，灌溉用水缺乏是该地区冬小麦生产的重要限制因素。

表1 土壤与泥沙基本性质

1.2 田间试验布置与取样

试验采用随机分布，每个小区为50 m×10 m，进行8个处理，对照（S0）和7个处理组（S1—S7），随机分配3个重复，不同处理土壤的引黄泥沙添加量分别为0、50、100、150、200、250、300、350 t/hm2（编号S0—S7）。播种前，用旋耕犁将泥沙均匀地混合到0～25 cm土层中。2015年9月27日，该地区进行了淡水灌溉，以促进洗盐，这符合当地的农业种植方式。冬小麦于2015年10月7日播种。此后，直到2016年4月1日返青期和2016年5月16日抽穗期才开始灌溉。2016年6月20日进行收获。分别于2016年12月2日和2017年4月28日进行土壤含水率测定，使用土钻取1 m深，每20 cm取1个点，每个处理取6个点，“S”形取样。2015—2018年冬小麦试验，小麦品种为临麦6号。冬小麦产量测定采用“一米双行”，“S”形取样，每个处理取6个点，进行产量测定。由于当地无淡水资源，农作物灌溉用水全部源于黄河水，加之地处小开河引黄灌区最下游，所以每次灌溉时间均晚于灌区中上游地区，采用地面畦灌，冬小麦生育期内最多灌溉2次，分别在播种前后和每年4—5月，灌水量为1 200～1 500 m3/hm2。底肥采用有机复合肥，播种时一次施入，施用量为1 800 kg/hm2。其他田间管理措施与当地农业种植一致。

1.3 室内土壤水分特征曲线（SWRCs）测定

土样取自滨州市渤海粮仓科技示范区，泥沙取自黄河下游沉沙池，经过风干、碾碎、过2 mm筛，按照泥沙质量比0、1.37%、2.74%、4.11%……100%和田间实际体积质量1.49 g/cm3进行混合，压制成1 cm厚，5 cm直径的模拟土柱，共74组处理，编号1～74。经过压力膜仪测量0.1、0.3、0.5、1.5 MPa下土壤含水率，并测得土壤饱和含水率。环刀（高2 cm，内径5 cm）置于1.5 cm的水深中，浸泡至质量恒定。土壤水势与含水率对应，饱和含水率可看作0 MPa。每个土样可得到5个水吸力下土壤含水率。土壤质量含水率由烘干法测得，土壤体积含水率由土壤质量含水率乘土壤干体积质量得到。土壤水分常数以及土壤水分有效性指标按照其土壤水吸力特征值进行计算。田间试验8个处理是按照室内试验8个处理泥沙配施量经过换算，换算为每公顷深度25 cm土壤层所需泥沙质量，经过人工定量田间配施的。

1.4 土壤水分特征曲线模型和评价指标

用van Genuchten模型对土壤水分特征曲线进行拟合，van Genuchten模型表达如下：

式中：为土壤含水率（cm3/cm3）；r是土壤残余含水率（cm3/cm3）；s是土壤饱和含水率（cm3/cm3）；是土壤水吸力（MPa）；、和是方程参数。

利用已知van Genuchten模型进行参数求解，利用Matlab中的lsqcurvefit函数进行非线性最小二乘法求解。基本数学模式为：

通过输入值和得到的值，找出与函数（，）的最佳拟合值。本文中van Genuchten模型仅需要求参数和（中含，=1-1/）。采用均方根误差（）评价模型拟合效果，公式为：

式中：为均方根误差（cm3/cm3）；为设定压力总个数；P为第个压力值所对应的土壤含水率模拟值；θ为第个压力值对应的土壤含水率实测值。是定量描述实测值和拟合值关系的指标，该值越小则拟合越好。

1.5 数据分析

利用Matlab软件进行土壤水分特征曲线拟合，利用SPSS软件对土壤水分常数和土壤水分有效性指标进行线性回归，以确定泥沙改良盐碱土与水分常数之间的关系，检验这些性状的残差是否偏离正态，所有测量指标的残差均为正态分布。线性回归检验采用Fisher最小显著性差异（LSD）检验（=0.05）。

2 结果与分析

2.1 泥沙对SWRCs及其参数的影响

泥沙对黏质盐土SWRCs有明显影响（图1），即同一水吸力下土壤含水率随泥沙施加量增加而降低。同一水吸力下，土壤含水率随泥沙施加量增加而降低。随着泥沙配量增加，同一土壤含水率下，土壤水吸力呈增大趋势。全泥沙量配施中，随泥沙施加量增加，土壤质地发生变化，共有4种土壤质地，其中1～5组为黏质盐土、6～36组为粉壤土、37～57组为壤土、58～74组为砂质壤土。选取4种质地土壤中间处理，SWRCs全水吸力阶段平均含水率随泥沙量增加呈降低趋势，与黏质盐土相比，粉壤土、壤土和砂质壤土分别下降了8.57%、31.99%、46.24%。SWRCs形状并没有明显变化，都是处于指数型下降，直至稳定。在低吸力阶段（＜0.1 MPa），随着土壤水吸力的增加，土壤含水率下降加快，土壤水分特征曲线斜率绝对值变大，土壤水分流失加快，土壤持水能力降低。在中吸力阶段（0.1～1.5 MPa），随着土壤水吸力增加，土壤含水率下降明显变缓，且逐渐稳定，持水能力大小与低吸力段相同。高吸力段（＞1.5 MPa），属于凋萎含水率以下的无效水，基本无法被作物吸收。

图1 不同泥沙处理SWRCs

泥沙对黏质盐土SWRCs的van Genuchten方程参数和有明显升高作用（表2）。4种质地土壤值的取值范围分别是0.004 2～0.012 0、0.003 9～0.024 7、0.005 1～0.083 9和0.003 2～0.049 2。值的取值范围分别是1.317 6～1.439 1、1.295 9～1.437 4、1.350 4～1.900 4和1.540 4～2.930 5。黏质盐土、粉壤土和壤土的参数均值呈升高趋势，而砂质壤土的参数均值降低。参数均值呈升高趋势。

表2 SWRCs方程参数以及评价指标

2.2 泥沙对土壤水分常数的影响

泥沙对黏质盐土水分常数影响明显（图2）。泥沙量为0～1.37%时，饱和含水率呈升高趋势；泥沙量为1.37%～12.33%时，饱和含水率呈平稳趋势；泥沙量为12.33%～100%时，饱和含水率呈缓慢降低趋势，且泥沙施加量与饱和含水率呈线性关系。泥沙量为0～4.11%时，毛管持水率呈升高趋势；泥沙量为4.11%～8.22%时，毛管持水率呈平稳趋势；泥沙量为8.22%～72.61%时，毛管持水率呈缓慢降低趋势；泥沙量为72.61%～91.79%时，毛管持水率呈升高趋势；泥沙量为91.79%～100%时，毛管持水率呈降低趋势。泥沙量为0～5.48%时，最大分子持水率、凋萎系数和吸湿系数呈降低趋势；泥沙量为5.48%～12.33%时，最大分子持水率、凋萎系数和吸湿系数呈平稳趋势；泥沙量为12.33%～20.55%时，最大分子持水率、凋萎系数和吸湿系数呈升高趋势；泥沙量为20.55%～100%时，最大分子持水率、凋萎系数和吸湿系数呈降低趋势，且最大分子持水率、凋萎系数和吸湿系数与泥沙施加量呈线性回归关系。泥沙量为0～5.48%时，田间持水率呈升高趋势；泥沙量为5.48%～100%时，田间持水率呈降低趋势，且田间持水率与泥沙施加量呈线性关系。

第二，在实践教学过程中，教师应当对教学内容进行有效梳理，找出教学重难点，对教学内容进行适当的过渡和引导。在实际教学过程中，教师应当将一首曲子进行拆分，以小节作为节点进行细节教学，同时教师应当对演奏动作和技巧进行示范讲解，使得学生的视觉和听觉能够有效地统一，反复练习直到掌握其精髓。

图2 土壤水分常数变化

2.3 泥沙对土壤水分形态的影响

泥沙对黏质盐土水分形态指标影响明显（图3）。泥沙量为0～4.11%时，上升毛管水呈升高趋势；泥沙量为4.11%～8.22%时，上升毛管水呈平稳趋势；泥沙量为8.22%～72.61%时，上升毛管水呈缓慢降低趋势；泥沙量为72.61%～91.79%时，上升毛管水呈升高趋势；泥沙量为91.79%～100%时，上升毛管水呈降低趋势。泥沙量为0～5.48%时，悬着毛管水和膜状水呈升高趋势；泥沙量为5.48%～100%时，悬着毛管水和膜状水呈降低趋势，且悬着毛管水和膜状水与泥沙施加量呈线性关系。泥沙量为0～100%时，重力水呈线性升高趋势。泥沙量为0～5.48%时，吸湿水呈降低趋势；泥沙量为5.48%～12.33%时，吸湿水呈平稳趋势；泥沙量为12.33%～20.55%时，吸湿水呈升高趋势；泥沙量为20.55%～100%时，吸湿水呈降低趋势，且吸湿水与泥沙施加量呈线性回归关系。

图3 土壤水分形态变化

图4 土壤水分有效性变化

2.4 泥沙对土壤水分有效性的影响

泥沙对土壤无效水和有效水含水率影响明显（图4）。泥沙量为0～5.48%时，有效水含水率呈升高趋势；泥沙量为5.48%～100%时，有效水含水率呈降低趋势。泥沙量为0～5.48%时，无效含水率呈降低趋势；泥沙量为5.48%～13.70%时，无效含水率呈平稳趋势；泥沙量为13.70%～20.55%时，无效含水率呈升高趋势；泥沙量为20.55%～100%时，无效含水率呈缓慢降低趋势，且无效含水率与泥沙量基本符合线性关系。

土壤有效水与无效水的含水率差值随泥沙施加量增加有明显变化（图4）。泥沙量为0～5.48%时，土壤有效水与无效水的含水率差值呈增大趋势；泥沙量为5.48%～100%时，土壤有效水与无效水的含水率差值呈整体降低趋势，略有波动。泥沙量为4.11%～15.07%时，有效水和无效水的含水率差值均高于对照，即在此范围内，土壤水分有效性有明显升高。

2.5 田间水盐变化

图5（a）、图5（b）是土壤含水率剖面变化图。从图5（a）、图5（b）中可见，黏质盐土含水率受泥沙影响明显。表层土（0～20 cm）和深层土（60～100 cm）较中层土（20～60 cm）变化明显。在表层土中，2016年和2017年各处理平均含水率分别比S0处理降低了10.22%和10.94%，其中，S3处理含水率降低最明显，分别降低了21.07%和30.69%。在中层土中，2016年和2017年土壤各处理平均含水率分别比S0处理降低了8.30%和6.26%，其中，S3处理含水率降低最明显，分别降低了17.72%和14.91%。在深层土中，2016年和2017年各处理平均含水率分别比S0处理升高了10.11%和17.20%。其中，2016年S3处理含水率升高最不明显，升高了3.83%；2017年S1处理土壤含水率升高最不明显，升高了4.15%。

图5（c）、图5（d）是土壤含盐量剖面变化图。从图5（c）、图5（d）中可见，黏质盐土含盐量受泥沙影响明显。随泥沙配施量增加，各处理土壤含盐量有明显变化。在表层土（0～20 cm）中，2016年和2017年各处理平均含盐量分别比S0处理降低了7.21%和20.49%。在中层土（20～60 cm）中，2016年和2017年土壤各处理平均含盐量分别比S0处理降低了7.86%和10.74%。在深层土（60～100 cm）中，2016年和2017年各处理平均含盐量分别比S0处理升高了4.81%和15.82%。其中，2016年S3处理和2017年S2处理土壤含盐量降低最明显，在0～20 cm土层中，分别降低了39.19%和44.75%；在20～60 cm土层中，分别降低了33.59%和30.83%；在60～100 cm土层中分别降低了16.64%和14.70%。

图5 2016年和2017年春季土壤水盐剖面图

2.6 田间冬小麦产量

冬小麦产量在不同泥沙处理下差异明显（图6）。2016年冬小麦产量，与S0处理相比，S1、S2、S3、S4、S5处理分别增加了3.96%、5.97%、12.37%、1.89%、0.48%，S6和S7处理分别减少了12.58%和8.62%。其中S3处理产量增加最为明显。2017年冬小麦产量，与S0处理相比，S2、S3、S4、S5、S7处理分别增加了37.61%、44.71%、23.62%、41.42%和42.80%，S1、S6处理分别减少了4.69%、8.98%。其中S3处理产量增加最为明显。2018年冬小麦产量，与S0处理相比，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7处理分别增加了8.82%、32.92%、24.74%、25.67%、35.96%、27.09%、49.04%。其中S5处理产量增加最为明显。2016—2018年总产量，与S0处理相比，S1—S7处理分别增加了3.84%、26.47%、26.51%、18.33%、27.27%、6.16%、30.90%。由于2018年春季降水较常年偏多，使配沙后的土壤盐分淋洗充分，含盐量低，是2018年冬小麦产量明显高于2017年和2016年的主要原因。综合所有产量结果，S2—S5处理和S7处理产量增加明显，远高于S0处理的小麦产量，其中S7处理产量增加最明显，其次是S5处理。

图6 2016—2018年冬小麦产量

3 讨论

泥沙对冬小麦产量的影响主要与泥沙用量、土壤质地、土壤水分有效性、土壤水分形态变化和土壤水分常数等有关[21]。土壤水分特征曲线是检测土壤水分有效性的有效方法[23]，随着泥沙施加量的增加，土壤水分特征曲线变化，在同一水吸力下土壤含水率降低，往往引起土壤水分有效性也降低。从室内试验可以看出，饱和含水率、毛管持水率和上升毛管水分别在1.37%～12.33%和4.11%～8.22%泥沙量范围内较高，在此范围内，作物可吸收水分增加。而最大分子持水率、凋萎系数、吸湿系数和吸湿水在5.48%～12.33%泥沙量范围内处于较低值，作物可吸收水分下降。田间持水率、悬着毛管水和膜状水在4.11%～15.07%泥沙量范围内，含水率值都在对照组之上，表明在此范围内，与对照相比土壤这3个指标的持水能力上升。土壤有效水和无效水含水率差值，在5.48%～15.07%泥沙量范围内，均高于对照组处理，表明在此泥沙量范围内土壤水分有效性提高，针对该地区黏质盐土，在此泥沙颗粒组成下的最优泥沙配施范围为4.11%～8.22%。植物水分利用效率很大程度上依赖土壤水分有效性[25-26]。田间土壤剖面水盐变化年际差异较大，引黄泥沙对土壤水盐影响明显（图5），同时土壤水盐变化规律不明显也可能受降雨和干旱的影响，同时，冬小麦产量综合2016—2018年产量S2—S5处理和S7处理的小麦产量和S0处理相比均增加明显。通过室内水分特征曲线测定试验，根据土壤水分指标确定泥沙最佳施加量范围为4.11%～8.22%。田间试验通过测定田间水盐变化以及冬小麦产量，得出最优泥沙施加量为2.74%～9.59%。由于S7处理的泥沙施加量大，不仅改良费用高昂而且会对土壤造成永久的影响。综合考虑，可选取重合范围4.11%～6.85%作为该地区此颗粒组成引黄泥沙改良黏质盐土的最优泥沙施加范围，在此范围内S5处理小麦产量增长最大，因此推荐泥沙配施量为6.85%。

本研究将室内试验和田间试验相结合探索泥沙改善盐渍土的有效性及其对冬小麦产量的影响，寻求最优配量范围。本研究既为淤积泥沙找到一条合理的利用途径，又对滨海盐渍土做出了有效改善，此方法高效、低廉、实用、环保，这对于滨海盐渍土改良意义重大。。土壤含水率降低，可能是因为泥沙施加降低土壤持水能力，使土壤水分运动性增加。泥沙施加改变了土壤孔隙结构，随着泥沙量的增加，土壤孔隙增大，颗粒间水分吸附能力增大，土壤含水率增加，在达到临界值，吸附能力饱和后，土壤水分运动性增加，土壤持水能力降低，土壤含水率降低，土壤水分流失，同时促进盐分淋洗，减轻盐分对小麦生长的胁迫，增加小麦产量[27]。此外，作物生长和产量与土壤含水率有密不可分的联系。土壤含水率过低依旧影响作物生长以及产量。因此泥沙添加量应当低于某一限值以保证土壤的储水能力。

虽然泥沙量增加能够促进土壤水分运动性进而利于土壤盐分淋洗，但是提高土壤储水能力也是保证作物产量的重要因素。因此，寻找淤泥添加量阈值或是寻找其他材料以弥补泥沙的不足是有必要的。此外，土壤质地、土壤盐分、有机质和土壤孔隙状况对盐渍土的影响本研究未做说明，也是此后研究的重点。

4 结论

1）泥沙对土壤水分特征曲线影响明显，同一水吸力下土壤含水率随泥沙施加量增加而降低。

2）土壤水分常数以及土壤水分有效性指标随泥沙施加量增加变化明显，各土壤水分常数指标与泥沙配量整体呈负线性关系。但在0～15.07%范围内，非线性变化明显。

3）施加泥沙可以降低土壤水分和盐分，提高冬小麦产量。其中S2—S5处理和S7处理产量提高明显。

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Amending Saline Clay Soil with Fluvial Sediments to Improve Its Physical Properties and Crop Productivity

GUO Tongkai, MAO Weibing*, SUN Yuxia, QU Yingjie, WU Jiali

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China)

【】Clay soil is less permeable and could become hard for roots to penetrate when soil is drying. These could combine to impede crop growth and reduce crop yield. The aim of this paper is to investigate experimentally the feasibility of using fluvial sediment amendment to improve physical properties of clay soils and the consequence for winter wheat yield.【】A three-year experiment was conducted in field, and the sediment used for the amendment was taken from the Yellow river. We amended the clay soil with the sediment at rates ranging from 50 to 350 t/hm2, with no amendment taken as the control (CK). The water release curve of each amended soil was measured in laboratory using the pressure-film method, and in the field we measured the change in soil moisture content, bioavailable soil water and the ultimate winter wheat yield.【】Amendment with the sediment altered water release curves of the soil significantly, reducing water content under the same matric potential. Both soil moisture and bioavailable water increased with the amount of sediment added in the amendment; the soil water content decreased linearly as the mass of the sediment increased, except for moisture in the range of 0%～14.85% in which their relationship was nonlinear. It was also found that adding the sediment not only reduced soil moisture but also salinity at significant level. These combined to improve winter wheat yield, especially the amendments at rates 50, 100, 150, 200 and 350 t/hm2, which increased the three-year average yield by 26.47%, 26.51%, 18.33%, 27.27% and 30.90% respectively, compared with the CK.【】Considering changes in soil physical properties, soil water content and crop traits measured in the lab and field, the optimal ratio (weight/weight) to amend the clay soil using the Yellow river sediments was 6.75%.

clay soil; Yellow river sediment; soil amendment; water ; winter wheat yield

S156.4+2

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020468

1672 - 3317（2021）07 - 0029 - 07

郭同铠, 毛伟兵, 孙玉霞, 等. 泥沙对黏质盐土水分特性及小麦产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 29-35.

GUO Tongkai, MAO Weibing, SUN Yuxia, et al. Amending Saline Clay Soil with Fluvial Sediments to Improve Its Physical Properties and Crop Productivity[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 29-35.

2020-08-17

山东省重点研发计划项目（2019GSF109014）

郭同铠（1994-），男。硕士研究生，主要从事水土资源与环境方面研究，E-mail: gtongkai@163.com

毛伟兵（1963-），女。教授，博士，主要从事水土资源与环境研究。E-mail: maoweibing316@126.com

责任编辑：赵宇龙