CN113016252A

CN113016252A - 黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法

Info

Publication number: CN113016252A
Application number: CN202110238956.5A
Authority: CN
Inventors: 张亚歌; 岳建伟; 王道杰; 杨中领; 张海燕; 张大乐; 张建伟; 张丽; 李锁平
Original assignee: Henan University
Current assignee: Henan University
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本发明公开了黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，核心技术为在耕地层中形成隔水层的方法，形成隔水层的外加材料包括粘土150～300份，脲酶5～30份，尿素20～80份，钙盐10～90份和水500～1000份，通过搅拌器把外加材料与原状土壤进行混合，形成隔水层，实现黄泛区耕地节水节肥保墒的治理。通过隔水层实现耕地的节水节肥和高效控盐，并有效阻止地下水的蒸发散失，切断地下水盐分与耕层土壤间的联系，避免了盐分在耕地层的积聚，为作物生长创造良好的条件，也实现可持续改良耕地的目的。

Description

黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法

技术领域

本发明属于土地治理与农业利用技术领域，涉及黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法。

背景技术

黄河下游流域土层呈现层状分布的特点，土质以粉土和粉砂为主，渗透系数大，毛细作用旺盛，地下的粉土和粉砂层犹如一个地下沙漠，既不利于保水，又造成顶部耕种层水和肥料的流失，造成该区域耕地易干旱、盐碱化、土质差、肥力低的特点及地下水污染的弊端，保水、保肥、保土能力弱，进而使得该区域的作物产量难以保障。因此，依据黄河下游流域土层和耕地实际情况，研发有助于节水稳产和肥料保持的相关技术与方法，持续不断对耕地进行改良，是该区域水资源可持续开发、农业稳定发展和生态环境保护的共同需求，也是黄河流域生态保护和高质量发展的本质要求。

耕地节水节肥备受关注，也有很多文献报道，如CN103374904B提出了农田排灌模式转换节地节水方法，以控制灌溉水用量为核心，通过增加灌溉水设施或者保水材料或者覆盖地膜等方法，来减少灌溉水量，但这些方法，实际实施时，存在投入大、维护费用高、使用麻烦、耕地表层易盐化等缺陷，很难达到保水保肥的目的，甚至带来环境污染或地下水的污染。

发明内容

针对目前黄河下游流域耕地保水性差，易干旱、灌溉水用量大、肥料流失严重、土质盐碱化明显、保水节肥技术方法手段落后、耕种成本高、地力培育进程慢、水资源利用效率低、可持续发展滞后等一系列现实问题，提出一套适合黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法。

本发明增加粉砂土耕地在50cm深自然形成很薄的富含粘土层的厚度，以降低灌溉用水量和提高化肥利用率为目的，结合控制粉土渗透系数和调节毛细作用范围的技术，利用水汽凝结的锅盖效应，提出了黄泛区耕地节水节肥保墒的方法，实现“堵漏限蒸”的目的，以解决该区域水流失严重、土壤瘠薄、保水保肥差的问题，最终实现降低灌溉用水、减少化肥用量、降低农业投入成本，实现可持续改良土质盐碱化、提高粮食产量和生态保护的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

土层分布、耕地和粉土等渗透系数等条件会影响到耕地隔水层(低渗透层)的深度、厚度、添加材料配合比，根据地貌特征，确定隔水层处理的范围，不处理的区域作为夏季多余雨水的下渗区域，耕地时用带有搅拌器的旋耕机把添加材料、水、隔水层土壤进行均匀混合，固化后形成耕地隔水层。隔水层具有锅盖效应，既有效阻止灌溉水、雨水的渗漏，避免肥料的流失和土壤污染，又调节了毛细水上升和地下水汽的通道，毛细水和凝结水在隔水层下方积聚，植物根系附近始终保持一定的湿度，满足植物生成的需要，隔水层的渗透系数相对较小，阻止了地下水蒸发的速度，避免了盐分在耕地层的积聚。

隔水层的锅盖效应，是指冬季土壤表层温度下降时，受深层地温作用，地下水蒸发为水汽向上迁移，在隔水层附近凝结为水，再通过隔水层的毛细作用为植物根系持续缓慢输送水分，如果水汽扩散通量大于下方公式的计算量，凝结水使隔水层内土达到临界饱和状态，凝结水过多，则重新流到深层土中，类似烧开水的锅，锅盖阻止了水分和温度的流失，隔水层即起到疏水又起到保温作用，为植物的生长提供了有利环境。

其中，J为土的水汽扩散通量；ρ为含水率；θ为孔隙率；T为温度，z为距离地表的深度。

黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法步骤为：

S1、根据土层分布和性质及气候条件和主要耕种作物，确定耕地隔水层的深度、厚度；

S2.根据地貌特征，确定隔水层处理的范围；

S3.确定隔水层处理的材料；根据隔水层抗渗和水土环保要求，基于微生物矿化原理，选取脲酶作为矿化液体，选取尿素、钙盐等作为矿化菌的营养成分，选取粘土作为矿化反应的基体。优选的，添加材料按重量分为：粘土为150～300份，脲酶为5～30份，尿素为20～80份，钙盐为10～90份，水500～1000份，拌合后形成混合液体；通常，按隔水层15cm计算，每亩需要外加粘土为269～539kg，脲酶为9～54kg，尿素为36～144kg，钙盐为17～162kg，水900～1798kg。

S4.采用地下搅拌方式形成隔水层(低渗透层)，将矿化材料加入到可以加压的容器内并搅拌均匀，旋耕机的搅拌器通过管子与加压的容器进行连接；旋耕机包括耕地部件和搅拌器，边耕地边用搅拌器搅拌土壤，形成耕地隔水层；搅拌时压力<5kpa,根据土壤密实度进行调整。

S5.静养隔水层；

搅拌后隔水层需要静停6个小时以上，以保证土壤颗粒间胶结物持续形成，并具有一定的抗压能力，同时静养期间不能浇水。

确定耕地隔水层的深度、厚度时可采用钻孔方法确定土层分布情况，对每层土进行取样，测定土层的粘粒含量、渗透系数、酸碱性、阳离子含量，综合耕地土特性、耕种深度、降雨量等因素，确定耕地隔水层(低渗透层)的深度和厚度。

优先的，根据土的变水头渗透系数公式进行隔水层深度和厚度的设计，

k为隔水层的渗透系数，H为隔水层的厚度，h₁为隔水层的深度，h₂为植物根系到隔水层的距离，t为降雨后完全饱和耕地水位从h₁下渗至植物根系h₂的时长，k是根据土的基本参数和隔水层的材料确定的。

需要说明的是，确定隔水层处理的范围具体步骤为：根据耕地的大小、周边地貌及各层土分布状况，按照雨季降雨量、隔水层特性和耕地保水特性及不处理土层的渗透特性，以降雨时耕地不积水作为计算依据，确定隔水层处理的范围和不处理的区域(降雨的渗漏区域)。

假设耕地周边没有河沟，自然排水条件比较差，根据公式A＝Q/(k_sJ)计算不处理的范围，Q为雨季降雨时耕地的积水量，根据气象站数据进行计算，k_s为隔水层下部土层的渗透系数，A为不处理耕地的面积，J为水力坡度，根据降雨时耕地的积水高度和粉砂层的深度进行计算。

进一步的，形成耕地隔水层的步骤为：把矿化液体、营养液体、粘土和适量的纯净水均匀搅拌混合，把混合液加入到可以加压的容器内，旋耕机的搅拌器通过管子与加压的容器进行连接，旋耕机边耕地边用搅拌器搅拌隔水层土壤，脲酶分解尿素生成碳酸根离子(CO₃ ^2-)和铵根离子(NH4⁺)，并与土壤中存在钙离子形成碳酸钙，从而将土壤颗粒胶结起来，降低土壤的渗透系数，形成耕地隔水层。

进一步的，所述脲酶为巴氏芽孢杆菌超声破碎离心后的上清液，上清液中脲酶活性≥5μmol urea/min。尿素为普通化肥，其化学式是CH₄N₂O。钙盐为无水氯化钙或氢氧化钙。粘土中小于0.074mm的颗粒含量大于50％。

进一步的，搅拌器为滚筒状带刀搅拌器，搅拌行进速度为2～10m/min。

优选的，隔水层深度为30-50cm，厚度为10-20cm，渗透系数＜2×10^-5cm/s。

带有搅拌器的旋耕机，具有耕地和搅拌两种功能，根据土质条件和隔水层深度，搅拌器的旋转速度和液体压力进行适当调整，液体压力应＜5kPa。行进速度和混合液体压力和隔水层的渗透系数、原状土壤的特性、搅拌器的大小有关。

有益效果：

(1)节约水资源，作物生长发育期可减少灌溉水用量。隔水层的存在，有效阻止灌溉水在下层粉土、粉砂层的快速下渗，促使灌溉水在隔水层上部耕层土的快速均匀分布，节约灌溉用水和农田管理时间；

(2)节省肥料，减少环境污染。农田内的肥料通过植物的根系进行吸收，肥料在根系周围最容易吸收，隔水层的存在避免肥料随灌溉水下渗，也可以阻止根系为了吸收下沉的深层肥料过度向下生长而消耗太多的营养，肥料始终积聚在上层耕地区域，保持了耕层土壤的肥力，节省了肥料，降低了耕种成本，也避免了地下水的污染和大量生产化肥引起的环境污染。

(3)有利于地下水的保持。地下水通过毛细作用上升至地表，没有隔水层时，旱季的地下水通过蒸发散失，同时带来土壤盐分的积聚。隔水层的存在改变了毛细水上升的进程，隔水层的渗透系数较小，地下毛细水上升至隔水层下部时，在隔水层下部形成积聚区域，旱季时，通过隔水层微弱的毛细作用为植物根系持续缓慢补充水分。

(4)有利于降低耕地盐碱化，保持耕地疏松。隔水层内细菌，通过矿化腐蚀减少土壤内的阳离子，尤其是二价以上阳离子；隔水层的存在阻止深处土壤盐分在耕地上层的积聚，避免上层耕地土的盐碱化和板结；灌溉水用量的减少，减少了土层应力。这些有利因素，避免了耕地的盐碱化和板结，保持了耕地的疏松状态，有利于农作物的生长。

本发明的节水节肥保墒的治理方法推广前景广阔，黄河下游流域的耕地除丘陵地形外，基本都是历史上的黄河泛滥区，土壤瘠薄，保水保肥能力差，黄河流域水资源缺乏，耕地耕种成本高，产量低。黄河下游流域耕地节水节肥的方法，将节水节肥和耕地改良相集成，具有轻简、投入少和高产出且简便易操作的特点，不仅适用于在水资源更为紧缺的黄河下游流域，对于其他区域的耕地改良具有相当的适用性，技术推广应用前景广阔。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明隔水层的微观结构；

图2为黄河下游流域土层分布及土层水分调节图；

图3为具有隔水层的耕地水分调节示意图；

图4为耕地改良总体布局示意图；

图5为带有搅拌器的旋耕犁。

附图标记：1-隔水层(低渗透土层)，2-富水区，3-耕地部件，4-搅拌器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种黄河下游流域耕地节水节肥保墒的治理方法，其核心是在耕地层中形成隔水层1，实现耕地的节水节肥和高效控盐，并有效阻止地下水的蒸发散失，切断地下水盐分与耕层土壤间的联系，避免了盐分在耕地层的积聚，为作物生长创造良好的条件，也实现可持续改良耕地的目的。

在河南开封县杏花营耕地进行实施，2019年3月1日实施耕地改良，面积为1亩地。所用巴氏芽孢杆菌，保藏号：ATCC 11859，该菌株在申请日以前属于现有技术，公开号为105200979B的发明专利一种利用耐盐细菌固沙的方法报道过该菌株。

脲酶上清液制备过程：

巴氏芽孢杆菌培养

液体培养基：

CASO+20g/L尿素：酪蛋白栋15.0g，豆粕蛋白栋5.0g，NaCl 5.0g，尿素20g，蒸馏水1000.0ml，pH为7.3；121℃下灭菌15min。

液体培养条件：25～28℃条件下振荡(200rpm)培养4～5d。

脲酶上清液是将巴氏芽孢杆菌超声破碎30分钟，每五分钟超声一次即在0摄氏度水中冷却一次，总共超声冷却6次，然后放入离心机(转速8000-10000rpm)离心得到脲酶上清液。

黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法步骤为：

S1.根据土层分布和性质及气候条件和主要耕种作物，确定耕地隔水层1的深度、厚度；

(1)土特性检测。对需要处理的耕地，采用钻孔方法确定土层分布情况，如图2所示，土壤采自黄河下游区域耕地30～60cm深的土层中，其pH为8.00，水溶性Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量分别为926、112、73mg·kg^-1，SAR为5.6，含盐量为0.34％，属于中等盐碱化土壤，渗透系数为1.5×10^-4cm/s。

(2)确定耕地隔水层1的深度和厚度。

根据植物根系生长需求，隔水层1深度处于40cm位置，经过一次充分灌溉，10天内隔水层1上部8cm内富含较多水分，根据变水头渗透系数计算，隔水层厚度为8cm，且隔水层1的渗透系数为1.5×10^-5cm/s。这样的隔水层1可以避免夏季缺水对植物的影响。

S2.根据地貌特征，确定隔水层1处理的范围。

为防止雨季引起的内涝对植物的影响，以降雨时耕地不积水作为计算依据，确定隔水层1处理的范围和不处理的区域(降雨的渗漏区域)，且隔水层1以渗漏区域为中心向四周扩散并具有一定的倾角。

S3.隔水层外加材料按重量分计包括粘土150份，脲酶10份，尿素40份，钙盐为30份，与2000份耕地土进行混合，测得试样的渗透系数为3.2×10^-6cm/s，满足设计要求。根据隔水层1抗渗和水土环保要求，基于微生物矿化原理，选取脲酶作为矿化液体，选取尿素、钙盐等作为营养液体，选取粘土作为矿化反应的基体。所述脲酶为巴氏芽孢杆菌超声破碎离心后的上清液，上清液中脲酶活性≥5μmol urea/min。尿素为普通化肥，其化学式是CH₄N₂O。钙盐为无水氯化钙。粘土中小于0.074mm的颗粒含量大于50％。

S4.如图3和图4所示，采用地下搅拌方式形成隔水层(低渗透层)，将矿化材料加入到可以加压的容器内并搅拌均匀，旋耕机的搅拌器4通过管子与加压的容器进行连接；旋耕机包括耕地部件3和搅拌器4，边耕地边用搅拌器搅拌土壤，形成耕地隔水层1。

所用的搅拌器为滚筒状带刀搅拌器，搅拌行进速度为5m/min，液体压力3kPa。

S5.静养隔水层。搅拌后隔水层需要静停6个小时以上，以保证土颗粒间胶结物持续形成，并具有一定的抗压能力，同时静养期间不能浇水。

图1(a)和图1(b)为本实施例中形成的隔水层的微观结构，图1(b)中椭圆标识中圈出的为碳酸钙晶体。

7月份，露地栽培的西瓜处于果实膨大期，此时的水肥需求量较大并且直接影响西瓜品质。按照西瓜地自东向西表层湿润为标准，改良耕地灌溉时间13分钟，同样的灌溉方式，对照组为未改良地灌溉时间为42分钟，节约用水显著，提高了灌溉效率。灌溉后土壤保持湿润时间延长一倍，改良组比对照组综合节约用水40％。

对照组每亩地施加优质腐熟农家肥3500kg，普通过磷酸钙60kg，50％硫酸钾20kg，锌肥1kg，硼肥2kg，产量4800kg。

改良组每亩地施加优质腐熟农家肥3500kg，普通过磷酸钙50kg，50％硫酸钾15kg，锌肥0.6kg，硼肥1.7kg，产量5500kg。

实施例2

在河南开封县杏花营耕地进行实施，2019年6月10日实施耕地改良，面积为1亩地。所用巴氏芽孢杆菌，保藏号：ATCC 11859，该菌株在申请日以前属于现有技术，公开号为105200979B的发明专利一种利用耐盐细菌固沙的方法报道过该菌株。

脲酶上清液制备过程：

巴氏芽孢杆菌培养

液体培养基：

液体培养条件：25～28℃条件下振荡(200rpm)培养4～5d。

黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法步骤为：

(1)土特性检测。对需要处理的耕地，采用钻孔方法确定土层分布情况，如图2所示，土壤采自耕地30～60cm深的土层中，其pH为8.00，水溶性Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量分别为926、112、73mg·kg^-1，SAR为5.6，含盐量为0.34％，属于中等盐碱化土壤，渗透系数为1.7×10^- ⁴cm/s。

(2)确定耕地隔水层1的深度和厚度。

根据植物根系生长需求，隔水层1深度处于50cm位置，经过一次充分灌溉，12天内隔水层1上部10cm内富含较多水分，根据变水头渗透系数计算，隔水层厚度为11cm，且隔水层1的渗透系数为1.2×10^-5cm/s。这样的隔水层1可以避免夏季缺水对植物的影响。

S2.根据地貌特征，确定隔水层1处理的范围。

S3.隔水层外加材料按重量分计包括粘土200份，脲酶15份，尿素55份，钙盐50为份，与2000份耕地土进行混合，测得试样的渗透系数为2.1×10^-6cm/s，满足设计要求。根据隔水层1抗渗和水土环保要求，基于微生物矿化原理，选取脲酶作为矿化液体，选取尿素、钙盐等作为营养液体，选取粘土作为矿化反应的基体。所述脲酶为巴氏芽孢杆菌超声破碎离心后的上清液，上清液中脲酶活性≥5μmol urea/min。尿素为普通化肥，其化学式是CH₄N₂O。钙盐为无水氯化钙。粘土中小于0.074mm的颗粒含量大于50％。

所用的搅拌器为滚筒状带刀搅拌器，搅拌行进速度为3m/min，液体压力3kPa。

7月份，玉米处于快速生长期，此时的水肥需求量较大并且直接影响最终产量。按照玉米地自东向西表层湿润为标准，改良耕地灌溉时间20分钟，同样的灌溉方式，对照组为未改良地灌溉时间为50分钟，节约用水显著，提高了灌溉效率。灌溉后土壤保持湿润时间延长一倍，改良组比对照组综合节约用水60％。对照组每亩地施加普通过磷酸钙60kg，硫酸铵45kg，氯化钾10kg，产量358kg。改良组每亩地施加普通过磷酸钙50kg，硫酸铵40kg，氯化钾8kg，产量403kg。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.黄泛区耕地隔水层外加材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：粘土150～300份，脲酶5～30份，尿素20～80份，钙盐10～90份和水500～1000份。

2.如权利要求1所述的黄泛区耕地隔水层外加材料，其特征在于，所述脲酶为巴氏芽孢杆菌超声破碎离心后的上清液，上清液中脲酶活性≥5μmol urea/min；钙盐为无水氯化钙或氢氧化钙；粘土50％以上的颗粒＜0.074mm。

3.一种黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、根据地貌特征，确定隔水层处理的范围；

S3、采用带搅拌器的旋耕机，将权利要求1所述的隔水层外加材料以地下搅拌方式，在土壤中形成隔水层；

S4、静养隔水层；静停6个小时以上，静养期间不浇水。

4.如权利要求3所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，S1中根据土的变水头渗透系数公式进行隔水层深度和厚度的设计：

其中，k为隔水层的渗透系数，H为隔水层的厚度，h₁为隔水层的深度，h₂为植物根系到隔水层的距离，t为降雨后完全饱和耕地水位从h₁下渗至植物根系h₂的时长。

5.如权利要求4所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，隔水层深度为30-50cm，厚度为10-20cm，隔水层的渗透系数k＜2×10^-5cm/s。

6.如权利要求3所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，S2中确定隔水层处理的范围的方法为：根据耕地的大小、周边地貌及各层土分布状况，按照雨季降雨量、隔水层特性和耕地保水特性及不处理土层的渗透特性，以降雨时耕地不积水作为计算依据，确定隔水层处理的范围和不处理的区域。

7.如权利要求6所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，根据公式A＝Q/(k_sJ)计算不处理的区域，Q为雨季降雨时耕地的积水量，根据气象站数据进行计算，k_s为隔水层下部土层的渗透系数，A为不处理耕地的面积，J为水力坡度，根据降雨时耕地的积水高度和粉砂层的深度进行计算；

8.如权利要求3所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，S3中搅拌器为滚筒状带刀搅拌器，搅拌行进速度为2～10m/min，隔水层混合液体压力＜5kPa。

9.如权利要求3所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，S3中在土壤中形成耕地隔水层的方法为：将隔水层外加材料各组分加入到可以加压的容器内并搅拌均匀，形成混合液体；然后将旋耕机的搅拌器通过管子与加压的容器进行连接；旋耕机边耕地边用搅拌器搅拌土壤，在土壤中形成隔水层。

10.如权利要求3所述的黄泛区耕地节水节肥保墒的治理方法，其特征在于，每亩形成15cm厚的隔水层需要隔水层外加材料的重量为：粘土269～539kg，脲酶9～54kg，尿素36～144kg，钙盐17～162kg和水900～1798kg。