城郊土地复垦技术及种植豌豆培肥效果评价研究

乾义柯，陈佩瑶，郭 瑞，王建兵，陈禅友*

（1.江汉大学 生命科学学院，湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心，湖北 武汉 430056；2.湖北食汇缘农业科技有限公司，湖北 武汉 430042）

城郊耕地资源可持续利用是城郊区域实现可持续发展的基本前提，保护和利用好城郊耕地资源对城市系统的和谐良性运转非常关键［1-2］。随着城市化的高速发展，原本属于乡村的地区逐渐变为市区的范围，耕地不断被征用为建设用地，而处于边缘地带的城乡过渡区，大量村民依靠优越的地理位置，通过出租各类厂房、房屋、仓库等谋取经济利益，造成了土地资源的利用极不合理和浪费［3］。武汉城郊地区也不同程度出现了土地滥用、闲置、弃耕抛荒等现象，科学开展城郊土地复垦能够有效缓解耕地面积萎缩和土地闲置，保护生态环境。

土地复垦作为统筹生产建设活动和土地资源保护的最有效途径之一，在保护和补充耕地资源、保障粮食和生态安全、坚守18 亿亩耕地红线等方面发挥了重要作用［4］。土地复垦不仅有利于整个生态系统恢复正常，而且有利于更加科学合理地使用土地资源，从而起到保护环境、推动国民经济快速发展的作用［5］。当前，我国土地复垦率相对较低，且多以矿区土地复垦与生态修复技术研究为主，目前已根据矿区地质环境要求制定了一系列复垦方案和验收标准。而城郊土地复垦技术研究较少，复垦中的科学问题研究深度不够，复垦技术较单一、创新不足，复垦后土地转化和持续利用效率不高，缺乏科学的参考依据，各地城郊土地复垦技术要求和验收规范标准也不健全。本研究以武汉市东西湖区城郊土地复垦场地为试验点，因地制宜开展整地、复垦和高效培肥系统化技术方案的探索，以期为城郊土地复垦和高效利用提供技术方案。

1 材料与方法

1.1 试验土地与材料

复垦试验土地位于武汉市东西湖区环湖中路（地理坐标：30°40'13″ N，114°12'17″ E），试验土地复垦前是城郊工业废弃地，面积约50 亩。对照试验地位于江汉大学湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心汉南区实验基地内，为标准化管理的农业生产用地。

供试作物：豌豆，品种为江汉大学选育的‘汉豌1 号’。

1.2 土地复垦方案

1.2.1 地块成型 1）建筑垃圾清理和利用。首先采用卫星平地系统（型号：AG-1000P，河南豪丰农业装备有限公司）对复垦地块进行平整，然后利用旋耕机（型号：IGQN-230，河南豪丰农业装备有限公司）对复垦地块表层至50 cm 深度土层进行深翻，再利用全自动捡石机（型号：SB5200，凯斯纽荷兰工业（哈尔滨）机械有限公司）对30 cm 土层以上的水泥块、砖渣、玻璃等建筑垃圾进行清理，并再次平整地块。

2）基础设施建设。复垦区地块成型后，配套修筑沟、渠、路，保证灌溉用水源充足且安全、排水通畅、耕作机械顺畅通行，生产者能开展耕作。

1.2.2 土壤前期改良 1）破解土块板结。经过夏季高温炕地或者冬季凌冻，敲碎破解土壤大结块。然后平整深沟、高畦，进一步细化整理地块。

2）回填表土层。复垦地如留有表土层土壤的，可将表土直接回填，表土层厚度应达到20 cm以上；需异地取土的，就近选择风化度较高较肥沃的壤土、泥沙土或塘泥、湖泥；也可在建设项目占用耕地时将其耕作层取至复垦地。

3）增施有机肥。根据复垦地肥力情况，采用直接增施有机肥或利用秸秆配施生物腐杆剂、农家肥等。

1.2.3 土壤培肥改良 选用江汉大学湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心选育的‘汉豌1 号’豌豆为复垦地生物培肥作物。试验于2021 年11 月至2023 年5 月在复垦试验地进行。试验采用免耕栽培模式，直接穴播，每穴3 粒种子，株距25 cm，行距50 cm。第一年复垦种植前，先追施农家肥，再种植‘汉豌1 号’豌豆；第二年复垦种植前，将第一年豌豆秸秆还田，对土壤进行二次改良，进一步达到适宜耕作目标。

1.3 土壤改良效果评价方法

1.3.1 取样方法 取样时间：2023 年3 月14 日。

豌豆植株：采用随机取样法，在试验样地东南西北中5 个点，每个点根据试验需要随机选取10 株豌豆进行试验，做好田间记录并取样送实验室测定分析。

土样：采用随机取样法，在试验样地东南西北中5 个点，每个点随机采取土样5 份，取样深度25 cm，每份取样约200 g，将每个点采集的5 份土样充分混匀后，用样品袋包好密封，带回实验室进行测定分析。

1.3.2 土壤pH 值的测定 采用pH 试纸测定法。将土样过10 目筛网，称25 g 放入烧杯中，加25 mL蒸馏水，搅拌使土粒充分分散，静置30 min 后测定。用pH 5～9 精密试纸浸入土样澄清液中，半分钟后取出，观察试纸颜色与比色板进行对比。

1.3.3 土壤有机质的测定 配制8%重铬酸钾、0.5%碳标准液。取3 个100 mL 三角瓶，分别加入3 mL 蒸馏水（空白对照）、3 mL 0.5%碳标准液（标准）、1 g 待测风干土样（摇散），然后每瓶中依次加入10 mL 8%重铬酸钾、10 mL 浓硫酸，摇动半分钟后立即放在沸水浴中加热15 min，再各加蒸馏水25 mL，摇匀，过滤。按照土壤养分速测仪（型号：YT-FA，山东云唐智能科技有限公司）操作说明测定过滤液，计算土壤中有机质含量。

1.3.4 豌豆株高整齐度指标的表示与计算方法 在试验地随机选取一点作为取样点A，以该取样点A 为中心构建总共5 点的取样区域，每个取样点随机选取10 株豌豆测量其株高。计算株高的变异系数。整齐度指标采用变异系数的倒数法，变异系数的倒数值越大表示整齐度越高［6］。计算公式为：1/U=μ/s，其中U为变异系数，μ为样本株高平均值（cm），s为标准差。

2 结果与分析

2.1 整地复垦效果

试验地块主要为城郊建筑拆迁地（见图1A、图1B），土地高低不平，低洼处积水，土壤中混杂有水泥块、砖渣、玻璃等建筑垃圾，土壤盐碱度高，有机质含量低，土层深厚，土质疏松，生态系统抗逆性差。整平地面，清理建筑垃圾是土地复垦成型的第一步，为减少人力投入且能适应大范围作业，本研究通过校企合作，根据城郊建筑拆迁土地特点改造了捡石机和卫星水平整地仪。全自动捡石器将30 cm 深土层以上5 cm 大小水泥块、砖渣、玻璃等建筑垃圾进行有效清理，降低石块对土地水分保持和作物生长的影响；卫星水平整地仪可通过卫星定位系统设定航行路径，测绘地势等高图，并实时调整平地范围，能在夜间、雾天、灰尘等低能见度环境下工作，实现24 h 连续工作。通过机械与人工配合，大大提高了整地效率。整理后的土地无明显凸起和低洼地段，表层土壤均一，无明显石块杂物，整地效果见图2A；清理的水泥石块直接用于田间沟渠和路面等基础设施建设，满足农用机械下地作业的需求，见图2B。复垦改造后土地种植豌豆，成熟期后利用旋耕机返田培肥，进一步改良土壤，复垦第一年种植豌豆效果见图3A，复垦第二年种植豌豆效果见图3B。

图1 土地复垦前状况Fig.1 The situation before land reclamation

图2 土地复垦中状况Fig.2 The situation in land reclamation

图3 土地复垦后豌豆种植效果Fig.3 The situation of pea planting after land reclamation

2.2 土壤复垦改良结果

2.2.1 土壤酸碱度改良结果 复垦一年为土壤前期改良后种植第一茬豌豆，复垦二年为种植第一茬豌豆还田后再种植第二茬豌豆。复垦一年后土壤pH 平均值为7.5，复垦二年后土壤pH 平均值为7.0，同年对照试验地（汉南区标准化农业用地）的土壤pH 平均值为6.7。复垦一年土壤pH值相对较高，土壤为弱碱性，复垦二年土壤pH 值有所降低，土壤酸碱度环境有所改善，但相对对照试验基地pH 值稍微偏高。土壤pH 值降低与腐植酸的积累有关。一方面是复垦地表层土壤前期改善采用泥沙土、塘泥、湖泥等回填；另一方面是通过种植豌豆还田培肥，逐年增加土壤中腐植酸的积累。复垦后的土地pH 值已接近中性范围，最适植物生长的土壤pH 值一般在5.2～6.8 之间，而豆类在pH 值6.6～7.8 范围内的土壤上都能正常生长，因此，本研究优选豌豆作为培肥植物。

2.2.2 土壤有机质改良结果 在试验样地东南西北中5 个点，每个点随机取5 份土壤，分别计算各样点有机质含量平均值及总平均值，并计算各试验样地间标准误差。土壤有机质含量测定结果见图4，复垦一年土壤的有机质平均含量值为15.10‰，样本间误差较小，说明复垦一年地块有机质含量普遍较低。复垦二年土壤的有机质平均含量值为195.06‰，对照试验地土壤的有机质平均含量值为168.40‰，明显高于复垦一年土壤中有机质含量。复垦二年土壤有机质含量稍高于对照试验基地，但没有明显差异，说明复垦二年土壤的肥力基本达到标准化农用地的水平。豆科植物具有生物固氮效率高、根系发达、抗逆性强、生长迅速、生物量大等特点，是复垦地生物培肥的优选作物之一。本试验结合城郊复垦地特点，选用研究团队自主创新豌豆品种‘汉豌1 号’作为复垦培肥材料，不仅显示出较好的培肥效果，同时增强了城郊土地美化效果，显示出较好的生态应用前景。

图4 试验地土壤有机质含量Fig.4 The soil organic matter content of the test land

2.3 豌豆株高整齐度

在试验样地东南西北中5 个点，每个点随机选取10 株豌豆测量高度，以地面根部至顶端子叶为准，分别计算各取样点平均值及总平均值，根据1.3.4 中的计算公式求得各试验地标准误差及变异系数，变异系数越小，其倒数值越大，表明整齐度越高，结果见表1。对照试验地豌豆株高平均值79.0 cm，变异系数的倒数值为13.75；复垦二年试验地豌豆株高平均值17.0 cm，变异系数的倒数值为11.93，与对照基地测试结果无明显差异；复垦一年试验地豌豆株高平均值29.4 cm，变异系数的倒数值为4.53，与复垦二年和对照试验地测试结果差异明显。说明复垦地土壤经过二次改良，土壤环境与肥力状况得到较好恢复，营养成分均一化程度高，基本达到标准化农用地的水平。调查结果显示复垦二年豌豆平均株高低于复垦一年豌豆平均株高，主要原因是播种期不同，复垦一年豌豆播种期早于复垦二年播种期15 d 左右。采用株高变异系数进行相对值比较，能够有效降低整齐度指标误差。

表1 复垦地豌豆株高整齐度指标Tab.1 The uniformity index of pea plant height in reclaimed land

3 讨论与结论

城郊复垦后的土地可用于林业恢复、渔业养殖、农用耕地，也可将恢复后的土地进行二次开发。《土地复垦条例实施办法》第二条规定生产建设活动造成耕地损毁的，能够复垦为耕地的，应当优先复垦为耕地。矿区土地复垦可以采用大面积填充、深挖、植树等方案，多以土地生态修复为主［7-9］，而城郊土地与矿区土地在土壤环境、复垦用途及生态效益评价等方面存在一定区别［10-12］，城郊土地复垦更需要精细化作业，复垦后要优先用于农业耕地。

本土地复垦技术方案分为整地成型、回填表土、种植培肥和转换耕种4 个阶段。整地成型阶段采用改造后的专业化机械作业，能够提高复垦效率，便于大范围标准化作业。回填表土阶段应结合区域实际情况，以环保、低耗、就近为主，如菌渣、猪粪、牛粪等农业废弃物，能显著改善土壤结构，快速提升土壤肥力［13-14］。复垦区周边建设项目占用耕地时将其耕作层取至复垦地，可直接用于复垦地表层回填。由于武汉地区具有多沙土及湖泥土壤特色，本研究方案采用沙土与湖泥还田，有效改善了土壤酸碱度及有机质含量。种植培肥阶段是复垦土地持续完善土壤环境、提高土壤自身循环能力的重要阶段，种植作物可加强土壤中各类微生物的活动，进一步增加土壤中有机酸含量［15］。已有报道的土地复垦作物有大豆［16］、玉米［17］、小麦［18］、苜蓿［19］、紫云英［20］等。其中豆科植物具有庞大的根系，适生范围广、抗逆性强、耐瘠薄、易栽培、生长迅速、萌蘖力强、生物量高、轮伐期短、热值高等优点，因此豆科植物在共生固氮、水土保持、改善土壤肥力等方面发挥着重要的作用［21］。本研究选用豌豆作为培肥作物，豌豆除具有豆科植物上述优点外，还适合越冬种植，可充分利用冬闲时期对土壤进行培肥，且生态效益明显，经过两年的培肥种植，土壤有机质含量明显增加，土壤种植环境得到持续改善，同时又展现出美化城郊环境的生态效益。

大多研究表明作物的株高整齐度是影响产量的重要性状。两系杂交晚稻的株高整齐度对单株产量有显著的效应，仅次于千粒质量和单株穗数［22-23］。玉米株高整齐度对产量影响最为突出，大量研究表明玉米株高整齐度与产量呈现极显著的正相关［24-25］。移栽油菜的株高整齐度也与产量呈现极显著的正相关，但直播油菜的株高整齐度与产量无显著的相关性［26］。大豆的株高整齐度对产量也有显著效应［27］。本研究中复垦二年种植豌豆的整齐度指标已接近标准化管理的农业生产用地，说明复垦地改良效果明显，对种植豌豆的产量具有显著效应，可以进入转换耕种阶段，即具备耕地基本功能，可以栽培各类作物。

武汉地区水域广泛，多沙土及湖泥，城郊复垦地表层土壤酸碱度改良推荐因地制宜，就近取材，通过沙土与湖泥还田，能够有效改善土壤酸碱度。从提升城郊复垦土壤肥力和生态效应的角度，推荐豌豆还田处理作为首选培肥方案的栽培作物。采用本方案改良土壤，复垦二年土壤酸碱度适中，pH 值为7.0，有机质含量达到195.06‰，作物生长整齐度指标显著提高，基本达到标准化农用地的水平。