1.本发明属于土壤修复技术领域，尤其涉及一种水田土体修复方法。
背景技术：
2.水稻是主要粮食作物。随着城市化进程加快和耕地不合理的开发利用，原有的水田非农化和非粮化利用现象普遍，严重威胁着粮食安全。因此腾退清理的非粮化耕地用于水稻等粮食作物的种植具有重要意义。
3.现有的水田土体修复主要以工程措施为主，包括耕作层土壤剥离、田间防渗、耕作层土壤回覆等步骤，存在耗时长、投资大、资源浪费等缺陷。其中，河谷平原地区耕地土壤母质起源于河流冲积物，耕作层浅薄，土壤砂粒含量高，质地以砂土和砂壤土为主，结构松散，犁底层极薄(一般《5cm)，因此该地区水田土体结构脆弱，极易被破坏。河谷平原地区水田在进行苗木种植等非粮化利用后，由于根系深扎、带土移苗等影响，导致犁底层破坏、田块渗漏严重、土壤保墒保肥性差、水稻产量低等突出问题。当前，针对河谷平原的水田土体修复技术缺乏，导致不少非粮化复垦水田长期不能有效利用。
4.专利cn109588077a公布了一种在砂质表土上构建水田的方法：分析土壤的土层结构，确定其耕作层、过渡层和粘土层；按照从上至下的顺序，依次将耕作层、过渡层、粘土层剥离，存放至临时储存区；将过渡层土壤进行回填操作；取粘土层土壤，均匀铺设在过渡层上方，并进行碾压，构成犁底层；取剩余的粘土层土壤均匀铺设在犁底层上，取耕作层土壤均匀铺设在粘土层土壤上，使用旋耕机旋耕，直至粘土层土壤与耕作层土壤充分混匀。该发明对于特定的砂质土壤结构的土体具有较好实用性和操作性，但河谷平原耕地土层较薄，下部没有多余的粘土层，无法进行犁底层构建和耕作层“掺粘”处理，因此该方法并不适用于河谷平原。专利cn110268933a公开了山地黄壤区旱地改水田方法：确定拟改造田块范围，表土剥离及基底平整，田坎修筑，表土回填及田面平整；泡田打浆；插秧耕作，按传统方式对田块进行插秧、日常管护处理。该发明利用黄壤区土壤黏粒含量高的优点，促进快速形成优质犁底层，但针对土壤黏粒含量偏少河谷平原效果差，而且同样需要利用工程机械剥离耕作层，最后回填表土，改造过程耗时长，成本较高，不利于推广应用。专利cn105766118a公开了一种用于水稻种植的沙洲土体重构方法：将沙洲表层进行平整；用泥水浇灌平整后的沙洲表层，形成泥土层；晾晒泥土层并在其上覆盖黄土后夯实，形成人造犁底层；采用铲高垫低方式对人造犁底层进行平整；在平整后的人造犁底层上覆盖黄土，形成人造耕作层。该发明解决的是极端砂化条件下的水田改造，其犁底层和耕作层的土壤全部来源于外运的黄土，改造成本高、耗时长、资源浪费。上述技术中公开的土体修复方法针对特定的土壤类型，并不适用于河谷平原地区非粮化复垦耕地的修复，目前也并没有通用的土壤修复方法。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水田土体修复方法，能够修复河谷平原地区非粮化复垦耕地，对促进合理利用耕地具有重要意义。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
7.一种水田土体修复方法，包括如下步骤：对水田块进行翻耕，投放黏质土壤、膨润土和有机物料，灌溉泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田。
8.优选的，所述水田为河谷平原复垦水田。
9.优选的，所述灌溉泡田为淹没田面10-15cm，泡田3-6h。
10.优选的，所述晒田结束后，向田块灌水至淹没田面10-15cm，观测田面水下降速度，如下降速度＞2cm/天，重复灌溉泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田的步骤。
11.优选的，所述投放黏质土壤，为根据土壤本底组成测定结果确定黏质土壤用量，所述田块0-20cm耕层土壤中＜0.002mm的黏粒含量＜15％时，需要投放黏质土壤。
12.优选的，所述黏质土壤用量按以下公式确定：
[0013][0014]
式中：m为黏质土壤用量；ar为破坏耕层面积所占田块比例，单位为％；c
黏粒
为投放的黏质土壤中《0.002mm黏粒含量，单位为％；wc为投放的黏质土壤的含水量，单位为％。
[0015]
优选的，所述黏质土壤包括黄泥土、青紫泥土和红黏土中的任意一种或几种。
[0016]
优选的，所述膨润土添加量为黏质土壤用量的10-20％，所述有机物料添加量为300-500kg/亩。
[0017]
优选的，还包括水田土体修复后耕作层土壤的熟化，包括以下步骤：水稻和绿肥周年轮作，水稻秸秆和绿肥全量还田。
[0018]
优选的，所述水稻收获后，施生物炭250-500kg/亩、有机肥500-1000kg/亩。
[0019]
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0020]
本发明提供了一种水田土体修复方法，能够有效修复水田土体，可快速重构被破坏的犁底层，显著改善水田保水性能，节约水资源，有利于非粮化复垦农田的快速修复。本发明方法修复后的田块渗漏问题得到解决，提高水肥利用率，能够保证水稻正常分蘖成穗，同时能够减轻稻田草害，有助于促进耕地的合理利用。
附图说明
[0021]
图1：水田土体修复过程中犁底层构建过程原理示意图，其中，1为耕作层、2为犁底层、3为土壤砂粒、4为有机无机复合胶体、5为土壤黏粒。
具体实施方式
[0022]
本发明提供了一种水田土体修复方法，包括如下步骤：对水田块进行翻耕，投放黏质土壤、膨润土和有机物料，灌溉泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田，优选的，所述水田为河谷平原复垦水田。
[0023]
本发明针对河谷平原地区非粮化复垦耕地，由于大部分田块土体仅是斑块化的破坏，需要在分析土体性质的基础上进行针对性分类修复，充分利用现有的耕作层土壤，避免大量客土。
[0024]
本发明中，在进行土体修复前，现场勘察待修复区域内土体破坏的情况，调查耕作
层厚度、犁底层厚度，并估算破坏耕层面积所占田块比例。
[0025]
本发明采集表层土壤混合样，分析测定土壤样品指标，所述测定指标包括ph、盐含量、有机质含量以及土壤本底组成中的黏粒(《0.002mm)、粉粒(0.05-0.002mm)和砂粒(2-0.05mm)含量。
[0026]
作为一种可实施的方式，本发明每公顷采集＞1个表层土壤混合样，所述采集深度为0-20cm，本发明采集土壤深度不超过犁底层。作为一种可实施的方式，本发明利用不锈钢土壤采样器按网格法进行采样，所述采样结束后，将15-30个采样点土壤进行混合，构成一个表层土壤混合样。
[0027]
本发明中，对调查完本底的水田块进行翻耕。作为一种可实施的方式，选用铧犁对田块进行翻耕，耕翻深度根据调查的耕作层深度而定，所述翻耕深度＜20cm，不破坏原有的犁底层，全田耕翻不留死角。
[0028]
本发明中，根据土壤本底组成测定结果确定黏质土壤用量，所述田块0-20cm耕层土壤中＜0.002mm的黏粒含量≥15％时，无需投放黏质土壤；所述0-20cm耕层土壤中＜0.002mm的黏粒含量＜15％时，需要投放黏质土壤。
[0029]
本发明中，所述黏质土壤用量按以下公式确定：
[0030][0031]
式中：m为黏质土壤用量；ar为破坏耕层面积所占田块比例，单位为％；c
黏粒
为投放的黏质土壤中《0.002mm黏粒含量，单位为％；wc为投放的黏质土壤的含水量，单位为％。
[0032]
本发明中，所述黏质土壤选自黄泥土、青紫泥土和红黏土中的任意一种或几种。
[0033]
作为一种可实施的方式，本发明将黏质土壤填在耕作层被破坏的坑洼区域，余下部分均匀撒施于全田，并保持田块中土地相对平整。
[0034]
本发明中，将膨润土和有机物料均匀撒入田块中，所述膨润土添加量为黏质土壤用量的10-20％，所述有机物料添加量为300-500kg/亩。
[0035]
作为一种可实施的方式，本发明投放的膨润土以蒙脱石为主要矿物成分，属于2:1型膨胀型粘土矿物，其涨缩性强、电荷数量大、胶体特性突出，能加速犁底层形成，并提高土壤阳离子交换量。
[0036]
作为一种可实施的方式，本发明投放的有机物料可选自黄腐酸、生物炭、有机肥中任意一种或几种。本发明投放的有机物料中的有机质可以改善土壤的胶体状况，增强土壤吸附性能，有机质和土壤混合后，有机胶体和无机胶体可以各种作用力胶结，形成土壤有机无机复合体，从而使土壤有更高的持水能力，提高表层土壤渗透性，加速黏粒沉降并形成犁底层。
[0037]
本发明中，所述灌溉泡田为淹没田面10-15cm，泡田3-6h，优选为淹没田面12-13cm，泡田4-5h。本发明泡田结束后土壤达到饱和吸水状态，对土层进行旋耕，所述旋耕深度10-15cm。本发明中灌溉泡田、旋耕的步骤在1d内完成。
[0038]
本发明中，旋耕后的土壤为悬浊状态，此时应避免外界搅动，让泥浆进行自然分层沉淀。由于耕层上部土壤颗粒大，土粒间的孔隙使微小黏粒沉降成为可能，此时泥浆中小粒径的土壤黏粒和有机无机复合胶体随水沉入耕层下部，有利于形成犁底层。作为一种可实施的方式，所述泥浆沉淀时间为2-3天。
[0039]
本发明中，待泥浆沉淀步骤完成后，排出多余田面水，进行晒田处理。本发明通过晒田有利于下层土壤胶结固化，减少后期田块渗漏。作为一种可实施的方式，所述晒田时间为7-10d左右，优选晒田8-9天。
[0040]
本发明水田土体修复过程中犁底层构建过程如图1所示，本发明在泡田和旋耕后，土壤呈悬浊液状态，小粒径的土壤黏粒和有机无机复合胶体随水沉淀至底部形成犁底层，由于耕作层上部的土壤颗粒大，退水后土粒间存在的孔隙使黏粒能够顺利沉降。
[0041]
本发明中，所述晒田结束后，向田块灌水至淹没田面10-15cm，观测田面水下降速度，如下降速度＞2cm/天，说明水田快渗漏率偏高，犁底层隔水性能未达标，此时需要重复灌溉泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田的步骤。
[0042]
本发明在研究中发现，土体犁底层破坏导致田块不能有效保水，严重影响水稻产量，在旱地改水田过程中，水田的渗漏率是判定能否作为水田利用的一个重要的指标。
[0043]
本发明中，还包括水田土体修复后耕作层土壤的熟化，包括以下步骤：水稻和绿肥周年轮作，水稻秸秆和绿肥全量还田。
[0044]
本发明中，所述绿肥选自紫云英或苜蓿。
[0045]
作为一种可实施的方式，农田修复后的第一年，采用直播方式种植水稻，水稻秸秆和绿肥粉碎并翻埋实现全量还田。本发明水稻秸秆和绿肥全量还田能够减轻土地利用强度并提高耕地地力。
[0046]
本发明中，所述水稻收获后，施生物炭250-500kg/亩、有机肥500-1000kg/亩。作为一种可实施的方式，本发明生物炭和有机肥投放比例为1:2，生物炭和有机肥联用提高土壤肥力和稳定性，加速耕作层土壤熟化。
[0047]
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供了一种水田土体修复方法
[0050]
地点：浙江省宁波市奉化区溪口镇许江岸村
[0051]
时间：2022年3月-2023年3月
[0052]
在奉化溪口许江岸村非粮化整治区域，选取一片5亩被雷笋种植破坏的水田开展土体修复，具体步骤包括：
[0053]
现场勘察待修复区域内土体破坏的情况，调查耕作层厚度为15cm、犁底层厚度为3cm，估算出土体破坏比例约为40％。
[0054]
采集1个表层土壤混合样，采集深度为0-15cm，利用不锈钢土壤采样器按网格法进行采样，将15个采样点土壤进行混合，构成一个土壤混合样，分析测定土壤样品指标：ph、盐含量、有机质含量以及土壤本底组成中的黏粒(《0.002mm)、粉粒(0.05-0.002mm)和砂粒(2-0.05mm)含量。土壤经分析测试后的结果为：ph为6.33、盐含量为0.24g/kg、有机质含量为31.5g/kg、土壤本底组成中黏粒含量为13％、粉粒含量为22％、砂粒含量为65％。
[0055]
黏质土壤准备：根据待修复地块土壤本底调查结果，需要投放外运黏质土壤，选择黄泥土作为外运黏质土壤，其黏粒(《0.002mm)含量为54％，含水量为23％，黏质土壤用量根据以下公式计算：
[0056][0057]
其中，破坏耕层面积所占田块比例ar为40％、c黏粒为54％、含水量wc为23％，根据公式计算得7.2吨/亩，5亩试验田需外运黄泥36吨。
[0058]
膨润土准备：膨润土的用量为黏质土壤用量的10％，为720kg/亩，5亩试验田需3.6吨。
[0059]
有机物料准备：由于土壤呈酸性，选择碱性的生物炭为有机物料，添加量为500kg/亩，5亩试验田需2.5吨。
[0060]
选用铧犁对田块进行翻耕，耕翻深度15cm，全田耕翻不留死角。
[0061]
将外运的黏质土壤填在耕作层被破坏的坑洼区域，余下部分均匀撒施于全田，并保持田块中土地相对平整。
[0062]
将生物炭和膨润土均匀撒入翻耕过的田块中。
[0063]
利用水泵抽水灌溉翻耕后的农田，淹没田面10cm，3小时后，土壤达到饱和吸水状态，对土层进行旋耕处理，旋耕深度15cm，将田块所有区域旋耕完全，此步骤在1d内完成。
[0064]
旋耕后的泥浆进行自然分层沉淀2天。
[0065]
泥浆沉淀步骤完成后，排出田面水，晒田7d。
[0066]
向田块补充灌水至10cm，观测到田面水下降速度为＜2cm/天，满足水田渗漏率要求。
[0067]
水田土体修复完成后，采用直播方式种植一季水稻，水稻生产季后种植紫云英作为绿肥，水稻秸秆和紫云英粉碎并翻埋均实现全量还田。
[0068]
水稻收获后将生物炭和有机肥均匀撒施在地块中，生物炭和有机肥投放比例为1:2，生物炭用量250kg/亩、有机肥用量500kg/亩。
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例提供了一种水田土体修复方法
[0071]
地点：浙江省宁波市奉化区莼湖街道楼隘村
[0072]
时间：2022年3月-2023年5月
[0073]
在奉化莼湖楼隘非粮化整治区域，选取一片10亩被苗木种植破坏的水田开展土体修复试验，具体步骤包括：
[0074]
现场勘察待修复区域内土体破坏的情况，调查耕作层厚度为18cm、犁底层厚度为5cm，估算出土体破坏比例约为15％。
[0075]
采集1个表层土壤混合样，采集深度为0-18cm，利用不锈钢土壤采样器按网格法进行采样，将30个采样点土壤进行混合，构成一个土壤混合样，分析测定土壤样品指标：ph、盐含量、有机质含量以及土壤本底组成中的黏粒(《0.002mm)、粉粒(0.05-0.002mm)和砂粒(2-0.05mm)含量。土壤经分析测试后的结果为：ph为7.51、盐含量为0.55g/kg、有机质含量为22.2g/kg、机械组成中黏粒含量为9％、粉粒含量为23％、砂粒含量为68％。
[0076]
黏质土壤准备：根据待修复地块土壤本底调查结果，需要投放外运黏质土壤，选择的黄泥土作为外运黏质土壤，其黏粒(《0.002mm)含量为48％，含水量为25％，黏质土壤用量根据以下公式计算：
[0077][0078]
其中，破坏耕层面积所占田块比例ar为15％、c黏粒为48％、含水量wc为25％，根据公式计算得3.1吨/亩，10亩试验田需投放外运黄泥土31吨。
[0079]
膨润土准备：膨润土的用量为黏质土壤用量的10％，为310kg/亩，10亩试验田需3.1吨。
[0080]
有机物料准备：由于土壤偏碱性，选择酸性的黄腐酸为有机物料，添加量为500kg/亩，10亩试验田需5吨。
[0081]
选用铧犁对田块进行翻耕，耕翻深度18cm，全田耕翻不留死角。
[0082]
将外运的黏质土壤填在耕作层被破坏的坑洼区域，余下部分均匀撒施于全田，并保持田块中土地相对平整。
[0083]
将黄腐酸和膨润土均匀撒入翻耕过的田块中。
[0084]
利用水泵抽水灌溉翻耕后的农田，淹没田面10cm，5小时后，土壤达到饱和吸水状态，对土层进行旋耕处理，旋耕深度18cm，将田块所有区域旋耕完全，此步骤在1d内完成。
[0085]
旋耕后的泥浆进行自然分层沉淀2天。
[0086]
泥浆沉淀步骤完成后，排出田面水，晒田9d。
[0087]
向田块补充灌水至10cm，观测到田面水下降速度为3.5cm/天，未能满足水田渗漏率要求。
[0088]
重复上述灌溉泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田的步骤。向田块补充灌水至10cm，观测到田面水下降速度为＜2cm/天，满足水田渗漏率要求。
[0089]
水田土体修复完成后，采用直播方式种植了一季水稻，水稻生产季后种植紫云英作为绿肥，稻秸秆和紫云英粉碎并翻埋均实现全量还田。
[0090]
水稻收获后将生物炭和有机肥均匀撒施在地块中，生物炭和有机肥投放比例为1:2，生物炭用量250kg/亩、有机肥用量500kg/亩。
[0091]
对比例1
[0092]
与实施例1不同的是：未加入生物炭和膨润土处理，其余同实施例1。
[0093]
对比例2
[0094]
与实施例2不同的是：未进行泡田至土壤达到饱和吸水状态，旋耕，沉淀泥浆，晒田的步骤处理，其余同实施例2。
[0095]
实施例3
[0096]
本实施例对比了不同水田土体修复方法的效果
[0097]
1、在经过实施例1-2、对比例1-2的改造过的水田，以及未修复的对照(ck1、ck2)水田中，按照当地常规方式种植水稻，其中ck1为实施例1中奉化溪口许江岸村非粮化整治区域，被雷笋种植破坏的、未经修复的水田，ck2为实施例2中奉化莼湖楼隘非粮化整治区域，被苗木种植破坏的、未经修复的水田。
[0098]
在水稻分蘖前期灌水1次，田面平均水深10厘米，定时测定田面水深度，结果如表1所示。
[0099]
表1不同处理下田面水深日变化情况
[0100][0101]
从表1可知，对照组中水田未进行修复改造，灌满水后，分别在2天和3天内均全部落干，说明土体渗漏严重，对比例1-2改造过的水田，保水性能有一定程度提升，田面水可保持4-5天，而实施例1-2经过本发明水田土体快速修复后，田面水可保持7天，说明通过本发明可快速重构被破坏的犁底层，显著改善水田保水性能，节约水资源，有利于非粮化复垦农田的快速修复。
[0102]
2、经过实施例1-2、对比例1-2的改造过的水田，以及ck1和ck2中的水田，在修复1年后采集不同处理耕作层土壤样品，在实验室测定土壤相关理化指标。各处理土壤理化性质如表2所示。
[0103]
表2不同处理下耕层土壤理化性质
[0104][0105]
从表2可知，对照组中的土壤分别呈弱酸性和弱碱性，对比例中土壤ph值变化不显著，而实施例中土壤趋于中性，更加有利于水稻种植；实施例中cec较对比例和对照组有较大的提高，表明土壤保肥能力更强；与对照组相比，实施例中土壤有机质和全氮分别增加10.4-16.7％和23.0-34.1％，碱解氮、有效磷和速效钾等速效养分含量也大幅提升。对比例中土壤cec、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等与对照例相比也有一定程度增加，但增幅小于实施例。以上结果表明，采取本发明的方法修复后提高了耕层土壤肥力水平，保证了作物养分供应，为稻田的高产和高效奠定了基础。
[0106]
3、经过实施例1-2、对比例1-2的改造过的水田，以及ck1和ck2中的水田中，按当地常规直播方式种植水稻，除对照组1-2和对比例1-2增加灌水频次外，其它的施肥等田间管理措施与当地常规方法相同。水稻成熟期对不同处理田块进行实割测产，每个处理随机收割3个田块，每块田1亩，作为3个重复，各处理水稻产量如表3所示。
[0107]
表3不同处理下稻季稻谷产量
[0108][0109][0110]
按当地常规种植水稻的水分管理方式进行土壤干湿交替处理，通过调查稻田土壤水分含量判断灌水时机，由于对比例和对照组中土体犁底层破坏导致田块不能有效保水，在水稻种植过程中增加了灌水频次。其中，实施例1-2平均灌水频次为12次，对比例1-2为22次，对照组1-2为45次，与实施例1-2相比，对比例和对照组灌水频次分别增加了83.3％和275％。可见，本发明能够修复水田土体犁底层，节约水稻种植成本。
[0111]
从表3可知，两个实施例的稻谷平均产量达573.5kg/亩，与当地平均产量相当，但显著高于对比例和对照组。与对照组相比，对比例1和对比例2稻谷分别增产34.6％和37.6％，而实施例1和实施例2分别增产达58.6％和63.3％。经过修复后的田块渗漏问题得到解决，不仅保证了水稻正常的分蘖成穗，而且大大减轻了稻田草害。另外，由于实施例减少了养分随水流失，且增施了生物炭和有机肥等肥料，能补充并活化了土壤养分，使水稻大幅增产。
[0112]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。