引黃灌區(qū)泥沙還田對土壤理化性質(zhì)及土壤風蝕的影響

王衛(wèi)華，馬 鑫，趙卉鑫

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學研究院，呼和浩特 010052)

黃河是世界上著名的多沙河流，在引黃河水時會引入大量泥沙，導致引水引沙矛盾突出[1-4]。大量泥沙沉積到沉沙池與蓄水池影響滴灌首部工程使用壽命，泥沙淤積會影響渠道的輸水能力及安全，清淤堆積的泥沙不及時處理也會引起渠首沙化，導致生態(tài)環(huán)境惡化等[5-6]。因此泥沙淤積治理是黃河治理開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。但泥沙清淤成本高，清淤泥沙不能及時利用，會對周圍生態(tài)環(huán)境造成很大損害[7]。

近幾年國內(nèi)外很多學者對摻沙、覆沙改良土壤做過很多研究，泥沙還田對土壤進行改良，在我國很早時候就有應(yīng)用[8]。陳洋等研究發(fā)現(xiàn)，在不同土壤中添加黃河泥沙，會改變土壤孔隙度，也會增大土壤的持水量[9]。賈文慧在黏質(zhì)土壤中添加不同量的引黃泥沙，發(fā)現(xiàn)土壤含鹽量隨著泥沙量的增加而不斷降低[10]。李爭爭等研究發(fā)現(xiàn)隨著絮凝黃河泥沙添加量的增大，土壤孔隙度和土壤含水率也隨之增大，這種方法可有效改善鹽堿土的土壤結(jié)構(gòu)[11]。藺亞莉等研究發(fā)現(xiàn)對土壤進行適當?shù)膿缴疤幚恚梢杂行Ц淖兺寥赖臋C械組成、土壤質(zhì)地，從而改善土壤通氣性，降低土壤鹽分積累[12-13]。葉茂等通過對四川涼山地區(qū)紅壤中摻入砂性土發(fā)現(xiàn)，隨摻客土量的增加，土壤pH呈上升趨勢，土壤有機質(zhì)含量呈下降趨勢[14]。

中國土地荒漠化十分嚴重，中國遭受土壤風蝕的區(qū)域主要集中在北方干旱半干旱區(qū)域[15]。土壤風蝕是指顆粒較小或較松散的土壤物質(zhì)，在風力作用下被搬運和堆積等經(jīng)過一系列物理變化的過程[16]。風蝕會破壞表層松散的土壤，吹走較細小的地表物質(zhì)，給周圍的沙塵暴天氣提供部分物質(zhì)來源，對周圍的環(huán)境造成了嚴重的污染[17]。同時也會使土壤有機質(zhì)在風蝕過程中被吹失，導致土地生產(chǎn)力下降，影響地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平[18-21]。2019年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果顯示，全國水土流失面積為271.08萬km2，其中風力侵蝕面積為157.61 km2[22]。農(nóng)田土壤較為松散，容易發(fā)生風蝕，所以保護農(nóng)田對防治土壤風蝕有著重要的意義。

如何在保證正常引黃供水和節(jié)水灌溉下有效的轉(zhuǎn)化處理大量引黃泥沙，是每一個引黃灌區(qū)特別是高效節(jié)水灌區(qū)需要探索研究的重要問題。為了解決泥沙淤積問題，將泥沙“變廢為寶”進行資源化利用，本文將河道清淤泥沙進行還田處理。通過大田試驗和室內(nèi)風蝕試驗相結(jié)合的方式，分析土壤的理化性質(zhì)、風蝕量、土壤起動風速等指標，探索泥沙還田后對土壤理化性質(zhì)和土壤風蝕的影響。

1 材料與方法

1.1 大田試驗

1.1.1研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于巴彥淖爾市臨河區(qū)九莊實驗站，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、河套平原腹部(東經(jīng)107°6′—107°44′，北緯40°34′—44°17′)。臨河區(qū)海拔高度約1 030 m，臨河區(qū)屬中溫帶半干燥大陸性氣候型。年平均氣溫為6.8℃，無霜期平均為127 d。年平均降水量為138.8 mm，年均蒸發(fā)量為2 236.7 mm，研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況示意

1.1.2大田試驗設(shè)計

大田試驗泥沙采集于當?shù)睾犹坠鄥^(qū)引黃過濾泥沙，從河道中取出泥沙自然風干，再去除雜物后過2 mm篩備用。設(shè)置3種泥沙還田量(500 kg/畝、1 000 kg/畝、2 000 kg/畝)和2種施用方法(表層均勻覆蓋、20 cm淺層均勻混施)，以不進行泥沙還田為對照，共計7個處理，即C1(摻沙500 kg/畝)、C2(摻沙1 000 kg/畝)、C3(摻沙2 000 kg/畝)、F1(覆沙500 kg/畝)、F2(覆沙1 000 kg/畝)、F3(覆沙2 000 kg/畝)和CK。以沒有泥沙還田的小區(qū)為空白對照，包括對照在內(nèi)每個處理進行3次重復試驗，采用完全隨機試驗設(shè)計，合計24個小區(qū)。

表層均勻混施是將土壤旋耕結(jié)束后，再將泥沙按照設(shè)計重量均勻的撒在土壤表面；20 cm淺層均勻混施是將泥沙撒在土壤表面后，再進行旋耕。還田泥沙基本性質(zhì)見表1，大田土樣理化性質(zhì)見表2。

表1 泥沙理化性質(zhì)

試驗采用寬窄行種植玉米，寬行距為60 cm，窄行距為40 cm，株距為22 cm。根據(jù)試驗區(qū)情況，各小區(qū)灌溉方式采用滴灌，灌溉、施肥、除害等方案依照當?shù)剞r(nóng)田管理方式統(tǒng)一進行，且各小區(qū)田間管理方式完全相同。

在玉米各個生育期，在水平距離玉米根部10 cm處取土樣，分別取不同處理土層下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土樣，用烘干法測定土壤含水率，并測定土壤pH值、EC值。

1.2 風蝕試驗

1.2.1試驗材料與樣品制備

試驗土樣采自試驗區(qū)地表0～20 cm土層，試驗前將土壤樣品經(jīng)碾壓、去除雜物后過2 mm篩，放置于通風處自然風干，將各土樣含水率風干至與試驗區(qū)土壤表面土壤含水率一致。將風干后的土樣放進不銹鋼托盤內(nèi)，托盤長度為40 cm，寬度為20 cm，內(nèi)壁深度為5 cm。風蝕試驗在風洞實驗室內(nèi)進行，風洞洞體包括進風喇叭口、風機段、漸變段、轉(zhuǎn)角段、穩(wěn)定段、收縮段及試驗段。風洞總長29 m，試驗段長12.6 m×寬2.5 m×高1.8 m。風速范圍2～30 m/s連續(xù)可調(diào)。風機葉輪直徑1.8 m，葉片角度350°，風機軸轉(zhuǎn)速720 rpm，最大輸出功率185 kW。直流風洞裝置如圖2和圖3所示。

圖2 直流風洞示意(單位：mm)

圖3 直流風洞實物示意

1.2.2風蝕試驗設(shè)計

泥沙還田時期為玉米播種前，此時該地區(qū)風力較大，因此設(shè)計室內(nèi)風蝕試驗，在不同的風速、坡度條件下，對不同摻沙處理的土樣進行吹蝕，得出土壤風蝕過程中不同處理土壤臨界起動風速的變化規(guī)律、不同處理風蝕量隨風速的變化規(guī)律以及風蝕量隨坡度的變化規(guī)律，為泥沙還田后土壤風蝕的防治提供參考。

試驗處理包括臨河九莊試驗區(qū)4種泥沙還田量(0 kg/畝、500 kg/畝、1 000 kg/畝、2 000 kg/畝)和1種施用方法(20 cm淺層均勻混施)，共計4個處理。為防止土壤含水率對風蝕試驗的影響，將各土樣含水率自然風干。

風蝕試驗一：根據(jù)試驗區(qū)風速情況，共設(shè)4個試驗風速，分別為6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s，在4種不同梯度風速下對4種處理進行吹蝕。測定起動風速時將托盤固定好，在土樣后方放置一條黑色的膠帶，啟動風機，在控制室調(diào)節(jié)風速使風速逐級增大。當觀測到膠帶上有土壤顆粒物存在時，證明土壤顆粒被吹動，記錄當前風速即為起動風速，依次測定不同處理的起動風速。

風蝕試驗二：測定完起動風速后，將各處理重新裝填并稱重，將各土樣一同放進風洞試驗段，依照設(shè)計風速從小到大進行吹蝕。在不同風速下吹蝕結(jié)束后，再次對土樣進行稱重，通過計算吹蝕前后土樣的重量差確定不同風速下的風蝕量。

風蝕試驗三：該試驗區(qū)土地較為平整，地面坡度一般都小于5°，因此將試驗時沙盤的放置傾斜角度設(shè)置為0°、5°、10°、20°、30°五個梯度進行試驗，選定風速固定為8 m/s對土樣進行吹蝕。首先將不同處理的托盤以設(shè)計的坡度固定好，設(shè)定好風速進行吹蝕，在每次吹蝕結(jié)束后，對土樣進行稱重，通過吹蝕前后稱量土樣的重量差確定不同風速下的風蝕量，研究不同處理土樣風蝕量隨坡度的變化規(guī)律。

為了能收集到足夠量的土壤風蝕物使吹蝕結(jié)果方便對比，將吹蝕時間統(tǒng)一定為10 min。每次吹蝕完以后，土樣表面細小土壤顆粒被吹走，導致土壤表面粗?；?，為消除誤差，每次吹蝕完畢后將托盤中的土樣重新填裝滿消除這種影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用Microsoft Office Excel 2003和SPSS26進行數(shù)據(jù)整理和分析，用Origin2018擬合模型并繪制圖表。采用單因素方差分析LSD法進行顯著性差異分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同泥沙還田方式和還田量對土壤含水率的影響

圖4～圖8為各處理不同深度土層的土壤含水率變化曲線，由于受不同時期灌水量和降雨的影響，各土層土壤含水率變化呈現(xiàn)減小-增大-減小的趨勢。

圖4 泥沙還田對玉米0～10 cm土壤含水率的影響示意

圖5 泥沙還田對玉米10～20cm土壤含水率的影響示意

圖6 泥沙還田對玉米20～40 cm土壤含水率的影響示意

圖7 泥沙還田對玉米40～60 cm土壤含水率的影響

圖8 泥沙還田對玉米60～80 cm土壤含水率的影響示意

在0～10 cm和10～20 cm土層，土壤含水率相對較小，且不同時期各處理的土壤含水率均大于CK。在0～10 cm土層，土壤含水率總體變化為覆沙處理>摻沙處理>CK；在10～20 cm土層，土壤含水率總體變化為摻沙處理>覆沙處理>CK。泥沙還田會增大表層土壤含水率，并且在相同還田量下，覆沙處理在0～10 cm土層提高土壤含水率效果較好，摻沙處理對于提升10～20 cm土層土壤含水率效果較好。這是由于在土壤表層覆沙，表層黏粒含量較大，并且小顆粒會堵住土壤孔隙，降低了土壤水分入滲能力，水分滯留在覆沙層，同時由于黏粒對水分的吸附作用，增大了土壤表面的含水量。而摻沙處理提高了0～20 cm土層的黏粒含量，同樣降低了水分入滲能力。在相同處理方式下，0～20 cm土壤含水率隨著泥沙還田量的增大而增大；而在相同還田量下，0～10 cm土層覆沙處理土壤含水率要高于摻沙處理，10～20 cm土層摻沙處理土壤含水率要高于覆沙處理。泥沙還田對0～40 cm土層含水率有提高效果，而對40～80 cm土層含水率無影響。40～80 cm土層含水率偏高，這可能和取樣時間為灌溉后或雨后有關(guān)。

2.2 不同還田方式和還田量對土壤EC值的影響

土壤水溶性鹽EC是限制作物生長的主要因素，EC值過高，會使作物根尖干枯，從而影響作物對生長發(fā)育所需營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。由圖9可知，在0～20 cm土層，各摻沙覆沙處理會增大土層的EC值，對20～40 cm土層EC值有降低效果，各處理在40～80 cm土層的EC值無明顯變化。這種現(xiàn)象可能是因為在灌溉過程中，土壤鹽分隨水分被帶入土壤下層，而摻沙覆沙會提高表層土壤黏粒含量，降低土壤入滲能力，增大土壤水分的同時會留住一部分鹽分，導致土壤表層EC值大于CK處理。在灌溉之后，土壤表層鹽分會隨著蒸發(fā)的作用向表層積累，而20～40 cm土層的土壤EC值小于CK，這是由于摻沙和覆沙會抑制土壤水分蒸發(fā)，抑制了土壤毛管水的上升，減少了土壤表層鹽分的積累。由于灌溉方式為滴灌，在滴灌條件下泥沙還田對深層土壤影響較小，因此土壤40～80 cm土層土壤EC無明顯變化規(guī)律。

圖9 不同處理土壤EC變化示意

2.3 不同摻沙處理對土壤起動風速的影響

還田處理后的耕地由于表層土壤小粒徑顆粒增多，會改變土壤質(zhì)地和土壤含水率，在這種條件下會對土壤的風蝕情況產(chǎn)生影響，因此將不同處理土樣自然風干，使不同處理土樣保持在相同含水率下，設(shè)計試驗進行定量分析，確定泥沙還田對耕地風蝕情況的影響程度。

自然風干之后的土壤含水率如表3所示，不同處理土壤起動風速見表4所示。泥沙還田會增大自然風干條件下土壤含水率，但由于土壤表面可蝕顆粒增多，導致泥沙還田會降低土壤風蝕的起動風速，隨著還田量的增大，土壤起動風速隨之降低。由表4可知，CK處理的土壤起動風速為5.5 m/s，C1處理的土壤起動風速為5.3 m/s，C2處理的土壤起動風速為4.9 m/s，C3處理的土壤起動風速為4.8 m/s，C1、C2、C3的起動風速分別較CK降低了3.6%、10.9%、14.5%，泥沙還田會降低土壤的起動風速。這是由于還田量越大，土壤表面松散的小顆粒越多，越容易被風吹起產(chǎn)生風蝕。董治寶研究表明，起動風速和粒徑的關(guān)系服從分段函數(shù)，即在不同粒徑范圍內(nèi)遵循不同規(guī)律，當土壤粒徑<0.09 mm時，起動風速隨粒徑的減小而增大；當土壤粒徑>0.09 mm時，起動風速隨粒徑增大而增大。在較為松散的土壤表面，土壤的起動風速和風蝕量受細小顆粒的影響較大，雖然黏粒含量增大會提高土壤的內(nèi)聚力，但是土壤表面小顆粒土壤較多，且表層土壤內(nèi)聚力較小，顆粒越細越容易發(fā)生風蝕。

表3 風蝕試驗各處理土壤風干含水率

表4 不同處理土壤起動風速

2.4 風速對各摻沙處理土壤風蝕量的影響

由圖10可知，不同摻沙處理土壤風蝕量均隨風速的增大而增大，風蝕量與風速呈正相關(guān)關(guān)系。在風速為6 m/s和8 m/s時，風蝕量較小，風蝕量隨風速增加的程度較小，且不同處理風蝕量隨風速變化的趨勢線較為相似。而在風速為10 m/s和12 m/s時，風蝕量隨風速增加的程度較大，趨勢線也出現(xiàn)較大的差別。風速為10 m/s時，C3處理的風蝕量大于CK，C1和C2的風蝕量小于CK，風蝕量從大到小依次為C3>CK>C2>C1，C1和C2的風蝕量分別相較于CK減小了52.7%和38.0%，C3風蝕量增大了4.9%。風速為12 m/s時，各摻沙處理土壤風蝕量均大于CK處理，且風蝕量隨還田量的增大而增大，風蝕量從大到小依次為C3>C2>C1>CK，C1、C2、C3分別較CK增大了6.5%、11.0%、96.8%。

圖10 不同摻沙處理風蝕量隨風速的變化示意

一般來說，在其他條件一定時，土壤整體抗風蝕能力隨著土壤黏粒含量的增大而增大，土壤各細小顆粒間的內(nèi)聚力隨著土壤黏粒含量的增大而越強，從而增大土壤抗風蝕能力。在本次試驗中，隨著還田量的增大，土壤黏粒含量增多，但在風速10 m/s和12 m/s條件下，并非各個處理都能降低土壤的風蝕量。這是由于本次風蝕試驗土樣自然風干之后含水率較低，導致細小顆粒之間的內(nèi)聚力較小，土粒都處于互相分離的狀態(tài)，土壤顆粒間的吸引力小，最終導致不僅沒有降低土壤風蝕量，反而增大了不同處理的土壤風蝕量。在風速為10 m/s時，風力對C1和C2的內(nèi)聚力破壞作用較小，因此風蝕量較小；在風速為12 m/s時，各處理的內(nèi)聚力不足以抵抗風力的破壞，CK土壤黏粒含量較小，主要是靠大顆粒的慣性來抵抗風蝕，因此導致?lián)缴程幚盹L蝕量都大于CK。

2.5 坡度對各摻沙處理土壤風蝕量的影響

從圖11可以看出，在固定風速為8 m/s下，不同處理土壤風蝕量并非隨著坡度的增大而一直增大，而是呈起伏變化。C1、C2和C3三個處理風蝕量隨坡度變化趨勢相同，呈現(xiàn)升高-降低-升高的起伏變化。三種處理都是在坡度為0°時風蝕量最小，在坡度為10°時風蝕量為極大值，在經(jīng)過坡度為20°的轉(zhuǎn)折坡度后，風蝕量隨著坡度的增加急劇增大。CK處理同樣是呈現(xiàn)升高-降低-升高的變化趨勢，但在坡度為10°時風蝕量最小，此后隨坡度增大風蝕量逐漸增加，且轉(zhuǎn)折坡度為10°。因此摻沙處理存在兩個轉(zhuǎn)折風速，一種是坡度為10°時風蝕量由大變小的轉(zhuǎn)折風速，一種是坡度為20°時風蝕量由小變大的轉(zhuǎn)折風速，而對照處理只有10°一種轉(zhuǎn)折坡度。

圖11 不同摻沙處理風蝕量隨坡度的變化示意

坡度的變化會使土壤受風力作用的方向發(fā)生變化，導致風蝕量發(fā)生變化。在坡度0°～10°之間，隨著坡度的增加各處理風蝕量呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于隨著坡度的增加風對土壤的直接吹蝕力增大，導致風蝕量增大；在坡度10°～20°之間風蝕量隨著坡度的增大而減小，這可能是因為土壤顆粒有向下的重力，而若發(fā)生風蝕則需要額外克服土壤顆粒上坡的重力，此時重力優(yōu)勢要大于風力，因此導致土壤風蝕降低；在坡度20°以上，土壤顆粒受重力影響過大，導致土壤整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，同時土壤表面與風力直接接觸面增大，導致風蝕量增大，因此各處理風蝕量隨坡度的增大呈現(xiàn)升高-降低-升高的變化趨勢。

3 結(jié)語

在內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)，泥沙還田后不同土層各處理的土壤含水率均大于CK，且土壤含水率表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增大的趨勢。在相同處理方式下，0～20 cm土壤含水率隨著泥沙還田量的增大而增大；而在相同還田量下，0～10 cm土層覆沙處理土壤含水率要高于摻沙處理。這是因為泥沙還田后表層土壤黏粒含量增多，有利于抑制土壤水分的蒸發(fā)，降低表層土壤水分入滲能力。

泥沙還田會影響土壤的風蝕情況，各處理土壤風蝕量均隨風速的增大而增大。在風速為10 m/s時，風力對C1和C2的內(nèi)聚力破壞作用較小，因此風蝕量較??；在風速為12 m/s時，各摻沙處理土壤風蝕量均大于CK處理，且風蝕量隨還田量的增大而增大，風蝕量從大到小依次為C3>C2>C1>CK，C1、C2、C3分別較CK增大了6.5%、11.0%、96.8%。泥沙還田會降低土壤起動風速，且隨著摻沙量的增大起動風速越來越小，C3起動風速最小，即最易發(fā)生風蝕，C1、C2、C3的起動風速分別較CK降低了3.6%、10.9%、14.5%。坡度的變化會導致風蝕量發(fā)生變化，在30°坡度內(nèi)，各處理風蝕量隨坡度變化趨勢相同，總體呈現(xiàn)升高-降低-升高的起伏變化。因此在泥沙還田之后，可結(jié)合防風蝕措施，來減小土壤風蝕量。