一种苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法

技术领域

本发明涉及盐碱土改良技术，特别是针对一种苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法。

背景技术

根据统计，中国拥有约15亿亩盐碱地，其中近5亿亩被认为具有潜在的开发价值。2014年，国家针对盐碱地治理发布了《关于加强盐碱地治理的指导意见》，其中明确推荐暗管技术与其他盐碱地改良技术结合使用。

经调研与分析发现，东北苏打盐碱土条件下暗管排盐效果差的主要原因是苏打盐碱土固有的“质地黏重、渗透微弱”特性，此特性影响了土壤各层间的连通。并且，当前应用的盐碱土改良技术大多仅针对表土层，未涉及心土层。因此，在盐碱土表层受到淋洗后，盐碱溶液在下渗过程中，在心土层受阻，难以进一步下渗至底土层的暗管中。

国际上，如日本和美国采用机械深松、滤料填充及暗渠成型等方法，以增强土壤的渗透性，提升输水稳定性。在国内，黑龙江省农业科学院、吉林农业大学、中国农业大学等研究机构已对此类技术进行了深入探索，尤其是深松、秸秆深埋等技术。但值得注意的是，目前研究主要只针对表土层，并未触及到心土层。

苏打盐碱土土壤富含碳酸钠和碳酸氢钠，其高含量的Na离子导致土壤遇水后具有强分散性。具体来说，盐碱土中的土壤颗粒在Na离子和水分子的作用下会迅速分散泥浆化，从而失去团聚性。这种现象在苏打盐碱土中尤为明显，因为其土壤颗粒相对于正常土壤更小，微小颗粒所占的比例远大于正常土壤。这些数据进一步强调了滤料填充在苏打盐碱土改良中的重要性。

进一步地，这一土壤特性引出了两个问题。第一个问题是新开设的沟渠在遇水后容易出现土壤颗粒的大量分散，随水流走，进一步导致沟渠的形态失稳和坍塌。由于沟渠在其运作中将不可避免地与水进行接触。如果没有采取特定的处理措施，这种沟渠的使用寿命可能会极其短暂，甚至只能使用一次。第二个问题是，为了提升土壤的透水性，采用深松等作业方式，在土壤中形成大量可以透水的毛细孔洞。但是由于苏打盐碱土土壤颗粒特殊的分散性，毛细孔洞在与水接触后会迅速关闭，导致深松等作业方式持久性差，后效性差。

名词解释

苏打盐碱土：苏打盐碱土是一种特殊类型的盐碱土，主要分布在东北松嫩平原。由于其富含碳酸钠(苏打)和碳酸氢钠(小苏打)，使其具备质地粘重，孔隙度小，透水性差的特点。

表土层：一般指0-20厘米左右的土层，由于深松作业主要针对这一层，因此表土层具备较大的孔隙和较好的透水性，能够为植物提供良好的生长环境。

心土层：主要指20-40厘米左右的土层，质地粘重，孔隙度小。

底土层：主要指40厘米以下的土层，一般暗管位于底土层的上部。

淋洗：是一种常用于盐碱土改良的技术手段。该方法是通过大量水冲洗土壤表层，将表层土壤中的盐碱冲洗到田块外的排水渠，或者排到更深层的土壤中通过暗管排出，从而实现土壤表层盐碱含量的降低，起到“淡化表层”的作用。

盐碱溶液：淋洗作业后产生的高盐碱含量的水。

滤料：通常指用于过滤水的颗粒材料，此处泛指所有可以输水的物料。

暗管：一种专用于盐碱土改良的地下排水装置，表面具有密集的微孔结构，暗管上方土层中的水分可以渗透进入暗管。暗管与排水渠相连，配备阀门控制水流。在放水泡田、盐碱淋洗过程中，阀门关闭，防止暗管中的水从排水渠中流失，确保稻田保持适当的水位。在排水、排盐过程中，阀门打开，使稻田中的水通过暗管系统排放到排水渠中。

灌砂：通常用于暗管排盐体系，通过注入砂或其他颗粒物质形成均质、可渗透的灌砂层，增加土壤稳定性，防止因水流不稳定导致的土壤侵蚀或暗管系统失效。

现有技术在盐碱土改良方面主要集中于表层土壤的研究，而忽略更深层次的心土层，特别针对苏打盐碱土渗透性差，无法实现心土层上下连通排水洗盐。

发明内容

本发明提出一种苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法，该方法通过在心土层内建立稳定输水排盐通道，解决传统暗管排盐系统在苏打盐碱土条件下排盐不畅的问题。该方法不仅提高了盐碱土暗管排盐的整体效率，还进一步优化了盐碱土的改良效果。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法，包括如下步骤：

步骤1、开设沟渠：

1.1、暗管检查：确认暗管的完整性和功能性；检查灌砂层厚度；

1.2、开沟设备选择：选择能够创建宽度为10-20厘米的沟渠的开沟设备，所述开沟设备需要能够在湿黏条件下使用，开沟深度最大能够达到40厘米，沟壁平滑且具备一定的坚实度，不易坍塌；

1.3、沟渠参数设定：设定开沟深度为30-40厘米之间，沟渠宽度为10-20厘米；沟渠间距为90-220厘米；

1.4、使用步骤1.2选择的开沟设备对盐碱地进行挖掘，形成沟渠；

1.4.1、在表土层沿与暗管埋设的方向相垂直的方向进行沟渠挖掘，将挖出的表土层土壤单独存放；

所述表土层的深度为0-20厘米；

1.4.2、继续挖掘步骤1.4.1得到的沟渠，通过心土层直达底土层，将挖出的心土层土壤单独存放；

所述心土层的深度为20-40厘米；

所述底土层的深度为40厘米以下；

所述沟渠的开沟深度为30-40厘米之间；

所述暗管的布置深度为40厘米或以下；

步骤2、滤料预处理：

2.1、滤料筛选：选择有机滤料作为滤料，如有机肥、稻壳、秸秆；

2.2、滤料预处理；

步骤3、滤料填充：

在步骤1完成沟渠挖掘后，进行滤料填充；填充完成后，再次进行压实操作，以确保滤料充分填充整个沟渠，并达到适当的密实度；

步骤4、原位覆土作业：

将步骤1.4挖出的心土层土壤回填至其原有的心土层位置，表土层的土壤回填至表土层位置。

所述方法还包括：步骤5、表土整平：在原位覆土作业完成后，对回填土壤进行镇压和整平操作。

所述沟渠剖面的形状为梯形或矩形。

所述步骤2.2进一步包括：

2.2.1、有机肥预处理：保证已充分发酵和成熟，未成熟的有机肥含有对植物有害的物质，如氨气或病原微生物，如果有机肥中含有较大的杂物或结块，需要通过筛选或破碎来预处理，以保证均匀分布；

2.2.2、稻壳预处理：稻壳需要进行晾晒预处理；

2.2.3、秸秆预处理：秸秆需要成型预处理，包括以下方法中的一种或者多种：

2.2.3.1、揉搓成绳：将秸秆揉搓成绳状形态，即长稻绳，确保稻绳直径为5-8厘米；

2.2.3.2、编织成席：通过编织技术将秸秆形成方形的稻席，形成厚度不小于20x20厘米的方形稻席；

2.2.3.3、压缩成块：应用压缩工艺将秸秆压制成块状或饼状；体积压缩至少75％；

2.2.3.4、缠绕成团：采用缠绕手段将秸秆构造成球体形状，形成半径约4厘米的团状；

2.2.3.5、粉碎成段：通过粉碎机将秸秆破碎成小段，将其粉碎至不超过8厘米的小段。

所述步骤3的滤料填充采用分段填充的方法，即使用滤料填充一段沟渠，然后空出一段直接覆土，如此交替进行。

为降低开沟时的阻力，在步骤1.4.1的步骤前，对预定的开沟路径进行深松，从而减少土壤的密实度。

本发明的有益效果为：

本发明针对苏打盐碱土的心土层进行改良，不同于通常的土壤改良方法仅针对表土层，本发明聚焦心土层的透水性，因为这有助于提升各土层的连通性和排盐效率。通过深沟开设和滤料填充技术，在心土层中建立稳定的输水排盐通道，从而实现了底土层暗管与表土层之间的有效连通，进一步提高了盐碱土的整体排盐和改良效率。

本发明提出了一套完整的盐碱地心土层的物理改良方案，从开沟、滤料预处理到深埋填充，每一个步骤都是为了改良土壤的物理性质和提高盐碱土的排盐效率。这种系统化的方法为盐碱土的物理改良提供了一种高效、经济的解决方案。

通过分层开挖和分层原位覆土作业，本发明有效地防止了土层交叉混乱，为后续的盐碱土改良工作提供了更为科学和精确的操作基础。

秸秆作为一种可再生有机滤料，在经过本发明特定的预处理步骤后，其透水性和稳定性得到了显著提升。这些预处理方式如揉搓成绳、编织成席等，不仅增强了秸秆的物理性质，还提高了其在复杂盐碱土环境中的稳定性和持久性。

在环境适应性方面，本发明考虑了不同地域的气候条件，如东北地区的低温环境，从而延缓了预处理滤料的分解速度。这确保了滤料在土壤中能维持长达1-2年的有效性。

本发明还具有与现有暗管排水系统的高度兼容性。本发明通过在暗管上方进行滤料填充，不仅提高了暗管的使用寿命，还显著提升了其排水效率。并且本发明还具备在没有暗管场景下独立运行的能力。

附图说明

图1是本发明输水排盐通道的结构示意图；

图2是本发明输水排盐通道各土层及暗管系统的结构示意图；

图3是本发明的苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法中有机物料填充的示意图。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明的一种苏打盐碱土稳定输水排盐通道构建的改良方法，包括以下步骤：

步骤1、开设沟渠

在进行开沟作业之前，需要完成一系列准备工作以确保作业的有效性和准确性。

1.1、暗管检查：确认暗管的完整性和功能性；检查灌砂层厚度。

所述暗管为一种专用于盐碱土改良的地下排水装置，表面具有密集的微孔结构，暗管上方土层中的水分可以渗透进入暗管。暗管与排水渠相连，配备阀门控制水流。在放水泡田、洗盐过程中，阀门关闭，防止暗管中的水从排水渠中流失，确保稻田保持适当的水位。在排水、排盐过程中，阀门打开，使稻田中的水通过暗管系统排放到排水渠中。如图2所示，暗管系统布置在底土层。

采用随机点位挖掘法，对暗管进行随机点位检查，或者通过检查井进行检查以确保暗管没有断裂，孔洞未被堵塞。

灌砂通常用于暗管排盐体系，通过注入砂或其他颗粒物质形成均质、可渗透的灌砂层，增加土壤稳定性，防止因水流不稳定导致的土壤侵蚀或暗管系统失效。所述灌砂层位于底土层。

检查灌砂层厚度，确定渗透系数大于周围土壤的10倍，压实厚度不小于8厘米。

1.2、开沟设备选择：选择能够创建宽度为10-20厘米的沟渠的开沟设备，所述开沟设备需要能够在湿黏条件下使用，开沟深度最大能够达到40厘米，沟壁平滑且具备一定的坚实度，不易坍塌。

优选地，所述开沟设备选自犁式开沟机、链式开沟机或盘式开沟机。

1.3、沟渠参数设定：

设定开沟深度为30-40厘米之间，沟渠宽度为10-20厘米；沟渠间距为90-220厘米。

开沟深度为30-40厘米之间，以确保接触到底土层暗管上方的灌砂层，也要避免过度挖掘破坏灌砂层。在灌砂层与沟渠之间预留几厘米的空隙是可接受的。沟渠的宽度和间距需要综合多种因素进行决定，包括作业设备的性能参数、预期的灌水量，以及土壤的透水性。

优选地，沟渠宽度为10厘米，沟渠间距为180厘米，进行作业。如果盐碱无法排除，可以增加洗盐次数。

尤为重要的是，当地的盐碱浓度应作为决定沟渠宽度和密度的关键因素；在盐碱浓度较高的区域，沟渠的宽度和密度应相应地增加，以提高盐碱排除的效率。但是综合考虑开沟成本，不建议密度过大，宽度过宽。可以通过增加洗盐次数来弥补盐碱排出效率。

1.4、使用步骤1.2选择的开沟装备对盐碱地进行挖掘，形成沟渠；

1.4.1、在表土层沿与暗管埋设的方向相垂直的方向进行沟渠挖掘，将挖出的表土层土壤单独存放。

所述表土层的深度为0-20厘米。

优选地，为降低开沟时的阻力，在步骤1.4.1的步骤前，对预定的开沟路径进行深松，从而减少土壤的密实度。若在春季进行泡田前作业，建议先进行深松处理，再进行开沟，以有效降低作业阻力并提高盐碱淋洗效果。若在秋季收获后作业，由于土壤含水率相对较高，土壤相对较软。此时无需要进行单独深松，只需要等待土壤含水率降低，一般是秋季收获后等待3-5天，就可以作业了，土壤具有足够的承载力后，进行深松开沟-滤料填充-原位覆土联合作业，防止出现机具下陷的问题。

1.4.2、继续挖掘步骤1.4.1得到的沟渠，通过心土层直达底土层，将挖出的心土层土壤单独存放。

特别地，继续挖掘步骤1.4.1得到的沟渠通过心土层直达底土层中的灌砂层。

所述心土层的深度为20-40厘米。

所述底土层的深度为40厘米以下。

所述沟渠的开沟深度为30-40厘米之间。

所述暗管的布置深度为40厘米或以下。

由于每条暗管上半部分密布微小孔洞，水可以穿过，因此，沟渠的方向与暗管埋设的方向相垂直，以实现每条输水排盐通道与多条暗管的交汇。

所述沟渠的布置旨在实现双重目的：一是使每条沟渠都与多条暗管的微小孔洞连通，以确保盐碱的高效排出；二是为整体排盐系统提供一定的容错性。即使某一暗管或沟渠段失效，整体功能也不会受到明显影响。

由于盐碱淋洗作用主要集中在表土层，这导致表土层的盐碱含量相对较低，而心土层的盐碱含量相对较高。这种差异被称为“表层淡化”现象。因此，在开挖过程中，需确保表土层和心土层土壤不发生混合。心土层中较高的盐碱含量若与表土层混合，将降低表层淡化效果，影响后续土壤改良的效果。具体采取分层开挖的方法，确保各土层土壤的分离。开沟的深度不宜过深。这是因为在暗管的上方，通常会有一层灌砂，其目的是避免土壤堵塞暗管的孔洞，从而影响其排水效率。因此，在开沟时，应确保沟渠与灌砂层连通，避免破坏该灌砂层。同时，也不宜将开沟深度设置得过浅，以避免未能完全穿透苏打盐碱土的心土层，从而阻碍盐碱溶液进入暗管。

沟壁应具有足够的稳定性，以防止坍塌，同时应尽量保持平整。

对于沟形，梯形剖面和矩形剖面均可选用。梯形剖面具有上宽下窄的特点，更有利于水的进入；而矩形剖面则上下等宽，更为普遍使用。

更进一步地，开沟的具体宽度和间隔应基于作业设备、灌水量和土壤的透水性来决定。

进一步地，本发明虽然基于暗管系统设计，也具备在没有暗管场景下独立运行的灵活性。具体来说，在配备暗管的场景中，沟渠一般是无坡度的，以便更精确地与暗管系统对接。相反，在没有暗管的情况下，沟渠则需要设置一定的坡度。这样做的目的是为了确保沟渠的低端与排水渠有效连接，从而使盐碱溶液能够顺利流入排水渠。

在进行已耕作盐碱地的开沟作业时，应充分考虑农时。春季泡田前和秋季收获后为最佳作业时间。作业频率初期为1年1次，次年在未经过作业的地方交替开沟作业。后续作业频率可以逐渐降低，如2年一次或3年一次。

步骤2、滤料预处理

开沟作业后，需要对滤料进行筛选和预处理。

2.1、滤料筛选

滤料筛选中，根据实际情况，选择合适滤料。

本发明使用有机滤料，包括有机肥、稻壳、秸秆中的一种或者多种，它们作为滤料具有优秀的输水特性。这类有机滤料不仅在农田环境中可较为便捷地获取，而且其分解后产物具有促进土壤理化性质改善的作用。

在选择滤料时，需要全面的考量，包括实际的获取途径、经济性、以及对环境的影响。在这一背景下，推荐选择当地常见且易于获取的滤料。通常而言，有机滤料如秸秆、稻壳等，不仅在经济层面上具有优势，同时也更易于获取。这些有机滤料通常是农业活动的副产品，因而具有更高的经济性。

进一步地，为了优化滤料的性能和适应性，可以考虑混合使用不同类型或来源的滤料。这种混合策略可以提供更均衡的物理和化学性质，例如改进透水性、增强稳定性或提高吸附能力，从而更有效地应对多变的土壤条件和环境因素。

在具体应用中，有机肥需经过无害化和粉碎处理以满足颗粒尺寸要求，并且应谨慎控制使用量以避免潜在的环境风险。对于稻壳，使用前应进行筛选操作以排除杂质。对于秸秆，由于其具有柔性特征，且容易缠绕，因此需要进行预处理。

2.2、滤料预处理

2.2.1、有机肥预处理：保证已充分发酵和成熟。未成熟的有机肥可能含有对植物有害的物质，如氨气或病原微生物。如果有机肥中含有较大的杂物或结块，需要通过筛选或破碎来预处理，以保证均匀分布。

2.2.2、稻壳预处理：稻壳需要进行晾晒预处理。

2.2.3、秸秆预处理：秸秆需要成型预处理，包括以下方法中的一种或者多种：

2.2.3.1、揉搓成绳：将秸秆揉搓成绳状形态，即长稻绳，确保稻绳直径为5-8厘米；

2.2.3.2、编织成席：通过编织技术将秸秆形成方形的稻席，形成厚度不小于20x20厘米的方形稻席；

2.2.3.3、压缩成块：应用压缩工艺将秸秆压制成块状或饼状；体积压缩至少75％；

2.2.3.4、缠绕成团：采用缠绕手段将秸秆构造成球体形状，形成半径约4厘米的团状；

2.2.3.5、粉碎成段：通过粉碎机将秸秆破碎成小段，将其粉碎至不超过8厘米的小段。

这些秸秆预处理方法可以根据特定应用场景和需求进行选择，以实现最优的物理性质和经济效益。

更进一步地，滤料的耐久性直接决定输水的稳定性和后效持久性。容易腐败失效的滤料，比如：秸秆。

本发明的创新性在于，通过预处理，尤其是压缩。可以减少秸秆与空气和土壤的接触面积。同时，由于深埋覆土，进一步地减少了秸秆与空气接触的机会。因此，秸秆腐败的速度大幅度降低。加之东北地区，气温较低。秸秆作为滤料深埋密实填充后，可以保证1-2年不失效。

步骤3、滤料填充

在步骤1完成沟渠挖掘后，进行滤料填充。填充完成后，再次进行压实操作，以确保滤料充分填充整个沟渠，并达到适当的密实度。

优选地，滤料填充采用分段填充的方法，即使用滤料填充一段沟渠，然后空出一段直接覆土，如此交替进行。比如：滤料格外昂贵的情况，可以采用分段填充。填充过程中应保证填充的密实度，因此填充过程需要伴随不断地镇压，保证整个沟渠中都被填满。仅在顶部的0-15厘米或0-20厘米预留空间以便后续的回填覆土。

为提高填充效率，使用市面上专门设计用于滤料填充的设备。

在滤料格外昂贵的特殊情况下，可以采用分段填充的方法。具体操作为，使用滤料填充一段沟渠，然后空出一段直接覆土，如此交替进行。需要注意的是，这种方法虽然可行，但会降低输水效率和作业效率。

填充过程中，应尽量避免滤料与土壤混合，以维持滤料的功能性。

滤料填充形成的稳定输水排盐通道是暗道。覆土后，地下暗道的存在不会影响地表作物的种植。

鉴于滤料可能存在的不同形态和经济性问题，本发明提供了一种灵活的滤料填充方案。根据土壤的实际透水需求和经济效益，滤料可进行分段填充。尽管沿沟渠方向的间隔填充是一种可行选项，但为了充分发挥滤料的功能，建议在沟渠内的竖直方向上进行尽可能密实的填充。

步骤4、原位覆土作业

将步骤1.4挖出的心土层土壤回填至其原有的心土层位置，表土层的土壤回填至表土层位置。

对心土层与表土层土壤进行分层回填的原因是两种土层含盐量不同，分层回填避免交叉污染。

步骤5、表土整平

在原位覆土作业完成后，对回填土壤进行镇压和整平操作。

由于有机滤料填充占用了空间，所以，没法把全部的都会回填。多余的土需要运离田间。

镇压与整平作业主要是根据先前开沟覆土的路径进行，以提高土壤的物理稳定性，并降低因土壤不均匀可能造成后续作业操作难度增大。

在秋季进行的作业具有更优的效果。这是由于冬季即将到来，土壤冻结和降雪会自然引发一次全面的盐碱淋洗，在春季融雪期间，滤料作为输水排盐通道将充分发挥其功能。

虽然镇压与整平并非本发明的必需步骤，但在滤料填充后，它们对于提升盐碱土的质量具有明显优势。这些操作能够有效地改善土壤结构，为后续农业活动创造更为有利的土壤环境。因此，应将其视为盐碱土改良过程中的优化措施，旨在实现更为持久且高效的土壤改良效果。

本发明方法的应用实例

实施例1：

以黑龙江省安达市附近盐碱水稻田为例，盐碱土问题严重影响了农业生产，特别是水稻的产量和质量。为解决此问题，本研究选择秋季收获后5天左右进行土壤改良作业。在作业前，通过土壤含水量和天气条件的综合评估，确定最佳作业时间。

步骤1、开设沟渠

在开沟作业前的准备阶段，对现有暗管系统的功能性和完整性进行评估。为此，实施方案采用随机点位挖掘的方法，对地下暗管进行随机点位检查，以确保其结构完好并具备正常运行条件。确认暗管系统无明显损坏并具有良好的功能性，接着便进行标记操作，以明确暗管的走向和位置，为后续的开沟作业提供准确的导向信息。

本实例选择盘式开沟机作为开沟作业的主要设备。考虑到土壤排水和盐碱淋洗，沟渠的设计参数被设定为宽度10厘米和深度35厘米。这样的设定不仅能满足当地一年两次盐碱淋洗的要求，而且也适应于春季水稻泡田的特定需求，从而实现土壤改良和作物生长环境的优化。

通过分阶段挖掘，先对表土层进行挖掘，深度为20厘米。在完成表土层挖掘后，进一步对心土层进行挖掘，深度为15厘米。完成心土层挖掘后，应进行沟底深度测试。若未达到灌砂层，需要加深沟渠深度。

进一步地，心土层土壤盐碱含量远大于表土层，因此被挖掘出的心土层土壤，应当尽快离田。避免高盐碱心土层土壤与低盐碱含量的表土混合，避免二次污染。

进一步地，作业过程中，如有破坏到田边的土垡，应在作业结束后立即进行修复。防止影响后续泡田作业。

步骤2、滤料预处理

由于本次作业选择在秋收之后，这段时间，水稻收获后，会剩余大量的秸秆。选用方捆打包机打包的秸秆，并切割成8-10厘米厚的方块，用车运至田间。

步骤3、滤料填充:

在预先挖好的沟渠中，秸秆方块被密实地排列和填充，其高度通常维持在距离地表约20厘米的位置。填充过程中应伴随，适当的镇压。

步骤4、原位覆土作业

进行分层回填，确定将心土层土壤回填至心土层，表土层土壤回填至表土层。多余的土壤需要及时运走。

步骤5、表土整平

本实例无需进行表土整平。