黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田生產(chǎn)力障礙因素調(diào)查分析

王培俊 華寶龍 孫 煌 范勝龍 楊耀淇 胡振琪

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 公共管理學(xué)院，福州 350002；2.北京大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100871；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

土地資源是人類生存的最寶貴資源，關(guān)系著人類的糧食安全和生態(tài)安全。煤炭是中國(guó)重要的一次性能源[1]，其大規(guī)模開采，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供能源支撐的同時(shí)，也對(duì)土地造成了破壞[2]。據(jù)測(cè)算，井工煤礦開采的萬噸煤炭塌陷率平均為0.2 hm2，根據(jù)2017年研究，中國(guó)采煤沉陷區(qū)面積約200萬 hm2，而且每年還以7萬 hm2的速度遞增[3]。中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，人地矛盾十分突出，采煤沉陷使土地?fù)p壞，失去生產(chǎn)能力，嚴(yán)重威脅中國(guó)的糧食安全；同時(shí)采煤沉陷破壞了生態(tài)環(huán)境，對(duì)中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)也構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為積極實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略[4]和生態(tài)文明建設(shè)[5]，確保國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全，胡振琪等[6]首先提出并實(shí)踐了引黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地的技術(shù)。目前，黃河泥沙充填復(fù)墾研究主要集中于充填復(fù)墾物料[7]、技術(shù)流程[8-10]、覆土材料[11]和復(fù)墾后土壤剖面理化性質(zhì)[12-13]等方面，對(duì)復(fù)墾農(nóng)田生產(chǎn)力及障礙因素的研究較少且主要集中在土壤理化性質(zhì)方面[14-15]，對(duì)農(nóng)戶耕作管理因素的研究尚無報(bào)道。

Guo等[16]和Liu等[17]研究表明，農(nóng)戶不合理的施肥和灌溉等耕作管理，不僅影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和生產(chǎn)效益，還會(huì)造成資源浪費(fèi)，污染大氣、水體和土壤環(huán)境。Chen等[18-19]研究表明，土壤-作物系統(tǒng)綜合管理(ISSM)技術(shù)使玉米產(chǎn)量和資源效率翻番，使小麥、玉米和水稻平均增產(chǎn)30%，溫室氣體排放減少40 %，氮素排放減少50 %，同時(shí)保障糧食安全、環(huán)境安全和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。Zhang等[20]研究表明，通過科技小院向小農(nóng)戶傳授科學(xué)耕作管理知識(shí)，讓小農(nóng)戶實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)增效。劉?；ǖ萚21]研究表明當(dāng)前全世界小麥、玉米的平均產(chǎn)量潛力分別為6.7和11.2 t/hm2，農(nóng)戶產(chǎn)量分別實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量潛力的60%和53%，產(chǎn)量還有很大的提升空間。Duvick等[22-24]研究表明，美國(guó)玉米產(chǎn)量增加的40%～60%歸功于農(nóng)田管理、肥料和栽培技術(shù)的提高以及玉米雜種優(yōu)勢(shì)的利用等，其中施肥量、灌溉量和播種密度的增加和機(jī)械化程度的提高等栽培管理措施的貢獻(xiàn)尤為重要。前人的這些研究成果表明，農(nóng)戶的耕作管理對(duì)提升作物產(chǎn)量和改善生態(tài)環(huán)境的確發(fā)揮著重要作用，在提高黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田生產(chǎn)力的研究過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)農(nóng)戶的耕作管理信息予以重點(diǎn)關(guān)注。為此，本研究通過農(nóng)戶問卷調(diào)查并結(jié)合定點(diǎn)采樣分析的方法，對(duì)黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田小麥生產(chǎn)力及障礙因素進(jìn)行了研究，以期為黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田作物增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河泥沙充填復(fù)墾區(qū)位于山東省德州市齊河縣邱集煤礦西南側(cè)，于2008年結(jié)束煤炭開采，已達(dá)到沉陷穩(wěn)定狀態(tài)，沉陷深度為0.50～2.22 m。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)于2012—2015年分2期利用黃河泥沙在采煤沉陷穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行了充填復(fù)墾，總面積為53.33 hm2。本次研究區(qū)為采用間隔條帶式加速排水一次充填復(fù)墾技術(shù)形成的第一期充填復(fù)墾區(qū)，面積為34.67 hm2。問卷調(diào)查區(qū)域在復(fù)墾農(nóng)田周邊的2個(gè)村莊(梅莊和石廟楊村)，具體位置見(圖1)。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，平均降水量為645.9 mm，降水有明顯的季節(jié)性，多集中在6月下旬—9月下旬，占全年的76.4 %左右，多年平均蒸發(fā)量1 700 mm，全年無霜期平均210 d左右。研究區(qū)域土壤以潮土、鹽化潮土、沖積土為主，pH一般為6.5～8.5。研究區(qū)域種植結(jié)構(gòu)主要為小麥-玉米輪作。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the research area

1.2 研究方法

1.2.1農(nóng)戶問卷調(diào)查

在山東省邱集煤礦充填復(fù)墾農(nóng)田周邊的梅莊和石廟楊村進(jìn)行農(nóng)戶耕作管理信息問卷調(diào)查，由于這2個(gè)村為小型村莊，農(nóng)戶數(shù)量較少，且耕種復(fù)墾農(nóng)田的農(nóng)戶數(shù)量有限，因而本次調(diào)查的復(fù)墾農(nóng)田農(nóng)戶數(shù)量為47戶，正常農(nóng)田農(nóng)戶35戶。具體調(diào)查內(nèi)容包括：農(nóng)作物品種、產(chǎn)量、施肥時(shí)間、施肥種類、施肥量、灌溉時(shí)間、灌溉方式和灌溉量等。

1.2.2定點(diǎn)采樣分析

在問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，將黃河泥沙充填復(fù)墾區(qū)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)劃分成3個(gè)區(qū)域，在附近選取正常農(nóng)田作為對(duì)照研究區(qū)域，采樣區(qū)土壤剖面構(gòu)型具體見(圖2)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距>50 m，共計(jì)20個(gè)采樣點(diǎn)。采集表層(0～20 cm)土壤帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤養(yǎng)分狀況分析，指標(biāo)有土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀。在農(nóng)作物收獲后對(duì)其產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)算。

圖2 采樣區(qū)土壤剖面構(gòu)型Fig.2 Soil profile configuration of sampling area

1.2.3肥料效率計(jì)算方法

選用肥料偏生產(chǎn)力作為肥料效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式為:

PFP=Y/F

式中：PFP代表氮肥(N)、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)偏生產(chǎn)力，kg/kg；Y代表作物單產(chǎn)，kg/hm2；F代表單位面積施肥量，kg/hm2。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，按常規(guī)方法做前期處理。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮采用半定量凱氏定氮法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定；速效鉀采用1.0 mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定[25]。

研究中的所有數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 21.0軟件進(jìn)行整理分析，用Origin Pro 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆土厚度對(duì)小麥實(shí)際產(chǎn)量的影響

從圖3可知，黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田小麥產(chǎn)量和正常農(nóng)田存在不同程度的差異，隨著覆土厚度的減小，小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。覆土厚度70 cm的采樣點(diǎn)，小麥產(chǎn)量比覆土厚度30 cm的采樣點(diǎn)高出28.57 %。覆土厚度30 cm的采樣點(diǎn)，小麥產(chǎn)量只有正常農(nóng)田的70 %，與正常農(nóng)田相比，還有很大的增產(chǎn)空間。

圖3 不同覆土厚度復(fù)墾農(nóng)田小麥實(shí)際產(chǎn)量Fig.3 Actual wheat yield of reclaimed farmlands with different covering soil thickness

2.2 表層土壤養(yǎng)分對(duì)小麥實(shí)際產(chǎn)量的影響

由圖3和表1可知，正常農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量高于黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田，其小麥產(chǎn)量也高于復(fù)墾農(nóng)田，說明土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量整體上與研究區(qū)小麥產(chǎn)量成正相關(guān)。兩類農(nóng)田土壤總鉀與有效鉀含量差異不大。結(jié)合第二次全國(guó)土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26-27]可知，黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量位于五級(jí)；總氮含量在五級(jí)及以下；總磷含量在二級(jí)；堿解氮含量在四級(jí)及以下；有效磷含量在三級(jí)及以下；總鉀含量在三級(jí)；有效鉀含量在二級(jí)左右。因此，充填復(fù)墾農(nóng)田土壤肥力狀況整體較差，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)、總氮和堿解氮含量很低，影響小麥產(chǎn)量的提升。表1還顯示充填復(fù)墾農(nóng)田土壤養(yǎng)分變異性整體較對(duì)照農(nóng)田大，這可能與黃河泥沙充填復(fù)墾施工過程中表土、心土的剝離、堆放及回填，導(dǎo)致復(fù)墾農(nóng)田耕作層土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起土壤養(yǎng)分的變化有關(guān)。

表1 復(fù)墾農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田表層土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Surface soil status of reclaimed and normal farmlands

2.3 施肥情況對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響

由表2和圖4可知，復(fù)墾農(nóng)田施肥量整體高于正常農(nóng)田，復(fù)墾農(nóng)田氮肥使用量平均為359.35 kg/hm2，正常農(nóng)田氮肥使用量平均為336.66 kg/hm2，高出正常農(nóng)田22.69 kg/hm2，磷肥和鉀肥則相當(dāng)。李健敏等[28]研究發(fā)現(xiàn)，山東省小麥最佳施肥量：N為182.02 kg/hm2，P2O5為82.58 kg/hm2，K2O為83.22 kg/hm2；小麥產(chǎn)量為9 444.19 kg/hm2。研究區(qū)復(fù)墾農(nóng)田和正常農(nóng)田氮肥施用量分別為最佳施氮量的1.97和1.85倍。研究區(qū)復(fù)墾農(nóng)田平均施肥總量569.16 kg/hm2，正常農(nóng)田平均施肥總量545.82 kg/hm2，二者均遠(yuǎn)高于2015年全國(guó)農(nóng)作物平均施肥量361.99 kg/hm2，分別超出發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)置的 225 kg/hm2的安全施肥量上限152.96%和142.59%。

從表2可知，研究區(qū)復(fù)墾農(nóng)田和正常農(nóng)田小麥平均氮肥偏生產(chǎn)力分別為22.31和25.63 kg/kg。Ladha等[29]研究發(fā)現(xiàn)，全球小麥平均氮肥偏生產(chǎn)力為44.00 kg/kg，研究區(qū)氮肥偏生產(chǎn)力明顯低于世界平均水平。研究區(qū)復(fù)墾農(nóng)田和正常農(nóng)田N、P、K施用比例分別為1.00∶0.29∶0.29，1.00∶0.31∶0.31。文獻(xiàn)[28]研究發(fā)現(xiàn)山東省2015年小麥N、P和K平均施肥量比例為1.00∶0.58∶0.38。對(duì)照可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)N、P和K施用比例失衡，過于傾向施用氮肥，磷肥和鉀肥施用量較少。

表2 復(fù)墾農(nóng)田和正常農(nóng)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麥產(chǎn)量代表不同農(nóng)戶的調(diào)查產(chǎn)量。Different wheat yields under the same amount of fertilization represent the investigated yields of different farmers.圖4 農(nóng)戶習(xí)慣施肥量對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響Fig.4 Effect of farmer habitual application of fertilizer on investigated wheat yield

通過圖4可知，復(fù)墾農(nóng)田氮肥用量與產(chǎn)量之間的關(guān)系變化較大，不如正常農(nóng)田穩(wěn)定。復(fù)墾農(nóng)田和正常農(nóng)田在磷肥和鉀肥的用量上則相當(dāng)，且復(fù)墾農(nóng)田施肥量與產(chǎn)量的關(guān)系變化較正常農(nóng)田大。同時(shí)可以看出，施肥量在一定程度上有助于產(chǎn)量提升，但施肥過量后會(huì)對(duì)產(chǎn)量起到抑制作用，這符合肥料報(bào)酬遞減規(guī)律。通過調(diào)查得知，研究區(qū)農(nóng)戶一般會(huì)在小麥生長(zhǎng)過程中施肥2次以上，第一次是在播種時(shí)，用作基肥，所施肥量最大，多為復(fù)合肥料；第二次在返青時(shí)，結(jié)合灌水追施一定的復(fù)合肥或尿素；第三次在小麥拔節(jié)時(shí)，會(huì)再追施一定尿素；其他時(shí)間段，農(nóng)戶會(huì)根據(jù)小麥生長(zhǎng)情況追施一定肥料。

2.4 灌水情況對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響

從圖5可知，研究區(qū)內(nèi)灌溉量對(duì)小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，復(fù)墾農(nóng)田的灌溉量要高于正常農(nóng)田，這與復(fù)墾農(nóng)田的土壤剖面構(gòu)型有關(guān)。如圖2所示，復(fù)墾農(nóng)田是人為重構(gòu)的土壤，其土壤剖面為“上土下沙”的構(gòu)型，使得水分容易入滲，保水能力較差，所以需水量較大。研究區(qū)農(nóng)戶一般采用大水漫灌的形式灌溉，且一次性灌溉量較大，大部分農(nóng)戶會(huì)在小麥返青和拔節(jié)時(shí)灌溉2次，少部分農(nóng)戶只在返青時(shí)灌溉1次。

圖5 灌溉量對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of irrigation volume on investigated wheat yield

研究區(qū)小麥平均調(diào)查產(chǎn)量與平均施肥量、灌溉量、施肥次數(shù)和灌溉次數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。復(fù)墾農(nóng)田小麥平均調(diào)查產(chǎn)量與灌溉量在0.01水平上顯著相關(guān)。復(fù)墾農(nóng)田“上土下沙”的土壤剖面構(gòu)型保水性能差，而研究區(qū)農(nóng)民又習(xí)慣于大水漫灌，田間過飽和的水很快入滲流失，復(fù)墾農(nóng)田容易受旱，導(dǎo)致灌溉量對(duì)小麥產(chǎn)量具有顯著影響。此外，施磷量、施肥次數(shù)、灌溉次數(shù)與復(fù)墾農(nóng)田小麥平均調(diào)查產(chǎn)量成正相關(guān)，而施氮量與施鉀量與復(fù)墾農(nóng)田小麥平均調(diào)查產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)。從表2可知復(fù)墾農(nóng)田氮肥已經(jīng)施用過量，而復(fù)墾農(nóng)田土壤總鉀與有效鉀含量較高，并不缺鉀肥，因此再施氮肥和鉀肥會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。正常農(nóng)田小麥產(chǎn)量也與灌溉量在0.01水平上顯著相關(guān)，與施肥次數(shù)在0.05水平上顯著相關(guān)。因此，研究區(qū)兩類農(nóng)田灌溉與施肥均應(yīng)遵循少量多次的原則，并且應(yīng)多施磷肥，減少氮肥和鉀肥的過量施用。

2.5 品種對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響

由表4可知，在研究區(qū)內(nèi)，正常農(nóng)田3個(gè)小麥品種的平均產(chǎn)量均高于復(fù)墾農(nóng)田，正常農(nóng)田3個(gè)小麥品種產(chǎn)量差異不顯著，復(fù)墾農(nóng)田“濟(jì)麥22”和“良星77”的產(chǎn)量與“良星99”的產(chǎn)量存在顯著差異(P<0.05)。復(fù)墾農(nóng)田“濟(jì)麥22”產(chǎn)量變異性比正常農(nóng)田小，穩(wěn)定性強(qiáng)，而“良星77”和“良星99”的產(chǎn)量變異性比正常農(nóng)田大，穩(wěn)定性較差。袁園園等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在山東省，“濟(jì)麥22”平均產(chǎn)量為8 035.58 kg/hm2，“良星77”平均產(chǎn)量為8 035.65 kg/hm2，“良星99”平均產(chǎn)量為8 042.25 kg/hm2，說明3個(gè)小麥品種都是高產(chǎn)品種。對(duì)比目前研究區(qū)農(nóng)戶調(diào)查產(chǎn)量，可以發(fā)現(xiàn)黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田“濟(jì)麥22”的產(chǎn)量最高，“良星77”和“良星99”在復(fù)墾農(nóng)田分別存在11.41%和20.36%的增產(chǎn)空間。

表3 研究區(qū)小麥平均調(diào)查產(chǎn)量與平均施肥量、灌溉量、施肥次數(shù)和灌溉次數(shù)的相關(guān)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 品種對(duì)小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響Table 4 Effect of different varieties on investigated wheat yield

3 結(jié) 論

本研究通過對(duì)山東省邱集煤礦黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田的農(nóng)戶問卷調(diào)查和定點(diǎn)采樣分析，得到以下結(jié)論：

1)黃河泥沙充填復(fù)墾覆土厚度影響小麥實(shí)際產(chǎn)量，隨著覆土厚度的減小，小麥實(shí)際產(chǎn)量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮和有效磷含量整體上與研究區(qū)農(nóng)田小麥實(shí)際產(chǎn)量成正相關(guān)。

2)施肥量對(duì)黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田小麥調(diào)查產(chǎn)量的影響不穩(wěn)定性較強(qiáng)；耕種復(fù)墾農(nóng)田的農(nóng)戶習(xí)慣施肥量存在嚴(yán)重過高現(xiàn)象，且肥料施用比例失衡。建議農(nóng)戶在耕作管理過程中采取少量多次的施肥方式，并注意肥料種類的搭配，避免施肥單一化，同時(shí)應(yīng)多進(jìn)行農(nóng)作物秸稈還田。

3)研究區(qū)兩類農(nóng)田小麥調(diào)查產(chǎn)量與灌溉量均在0.01水平上顯著相關(guān)，建議農(nóng)戶在耕作管理過程中采取少量多次的灌溉方式?！皾?jì)麥22”是黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田調(diào)查產(chǎn)量最高的小麥品種，“良星77”和“良星99”在復(fù)墾農(nóng)田分別存在11.41%和20.36%的增產(chǎn)空間。

4)黃河泥沙充填復(fù)墾在研究區(qū)是可行的，但農(nóng)戶在耕作管理過程中應(yīng)當(dāng)注意農(nóng)作物秸稈還田，培肥地力、提高土壤保水保肥能力等。