毛烏素沙地砒砂巖與沙復配成土技術成效與應用

杜宜春 王歡元

摘 要 基于砒砂巖與沙理化性狀互補特性開展砒砂巖與沙復配成土技術研究，已成為毛烏素沙地生態化治理和資源化利用主要方式。基于此，綜合砒砂巖與沙復配成土研究成果，重點圍繞基于砒砂巖與沙復配成土技術研發的造田技術、固沙技術和節水技術，開展技術介紹、技術應用成效以及技術示范推廣進行簡要介紹，借此推進砒砂巖與沙復配成土技術的規模化應用。

關鍵詞 砒砂巖;復配土;技術

中圖分類號：S156 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.33.095

隨著城市化進程和基礎設施建設的加快，建設用地需求逐年增加，造成人地矛盾日益突出，急需要通過開發、復墾等土地整治工程的實施，來補充和增加耕地面積，以保障農業經濟正常發展和建設用地的需要。

毛烏素沙地是鄂爾多斯高原東南部和陜北長城沿線沙地的統稱，是我國沙漠化嚴重地區之一。相較其他沙漠地區，其水熱條件更為優越。針對沙地治理周期長、開發利用難度大等問題，國內外學者開展了大量研究。面對沙地造田時因土壤含水量低造成的樹木難以成活及生態環境退化問題，學者們以實踐為基礎通過人工墊土、引洪漫淤、種植綠肥植物等措施對沙地進行改良的研究，還開展了利用煤矸石、泥炭和酒精廢渣等材料對風沙土進行改良的實驗，形成了許多生態保護與農業利用相結合的模式[1，2]。這些技術從防沙固沙方面取得了較好的治理效果，但仍存在一些缺陷，如常見的物理固沙方法沙障、柵欄、草方格，植物固沙方法防護林帶、風沙育草等，效果顯著，但投入的人力物力財力較大，且周期長，效益低，沒有從根本上改變沙地特性。

砒砂巖，是指古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的巖石互層，主要分布在晉、陜、蒙地區。由于其水土流失嚴重，當地群眾視其危害如砒霜，故稱為“砒砂巖”[3]。由于其在顆粒結構、礦物組成等方面與沙具有一定的互補特性，按照一定比例與沙復配，為沙地的治理和開發利用提供了可能。韓霽昌研究團隊基于對砒砂巖特性的深入調研與分析，提出了將砒砂巖作為沙地改良的天然材料，并通過室內模擬、田間試驗以及工程實踐，研發了沙地治理的新方法——砒砂巖與沙復配成土技術[4，5]，并對其成土機理、復配效果、后續效應等進行了全方位分析，得到了國內外學者的認可和報道。近年來，圍繞砒砂巖與沙復配成土技術陸續開展了基于砒砂巖與沙復配成土的造田、固沙、節水技術。然而，其技術基本內容及成效表述尚不系統。基于此，綜合目前國內外關于砒砂巖與沙復配成土的研究成果，對其各項技術基本內容及應用效果進行系統闡述，以期為毛烏素沙地生態化治理提供技術支持和理論依據。

1 基于砒砂巖與沙復配成土機理的固沙、節水、造田技術內容及成效

1.1 砒砂巖與沙復配成土固沙能力提升技術及其效果

沙地中添加砒砂巖可有效提高沙地的固沙能力，提高起沙風速。基于砒砂巖與沙互補特性，開展了不同顆粒級配、不同體積比例組合的試驗和模擬，通過風洞試驗[6]和野外定位觀測分析研究了復配土固沙效果，通過掃描電鏡研究了復配土微觀結構及粒級變化，從而構建了基于砒砂巖與沙互補特性的復配土固沙能力提升技術[7]。復配土具有抵御風蝕的潛力，單獨砒砂巖與沙的風蝕量均較大，而二者復配成土后風蝕量則顯著降低，單從粒度組成角度看，復配土的抗風蝕能力得到增強，隨著砒砂巖比例的增加，抗風蝕能力呈現先增強后降低的趨勢，最高起沙風度可達16 m·s-1。在技術示范應用過程中，根據沙地特性，結合固沙機理，制定適宜的砒砂巖與沙復配的體積比例，通過工程手段將砒砂巖與沙充分復配（集中在0～30 cm）;同時，依據毛烏素沙地氣候、水文等條件，促進復配土凍蓋層、物理結皮和生物結皮的形成，結合生物手段，在地表形成制備覆蓋，充分發揮了該技術的生產功能和生態功能，實現復配土的可持續利用。

1.2 砒砂巖與沙復配成土節水技術及其效果

砒砂巖豐富的黏粉粒為復配土的保水保肥性提供了基礎，砒砂巖可以作為“小水庫”，按照一定比例與沙復配后提高沙地節水效率[8]。基于以上認知，Wang等[9-10]通過大田試驗制定的砒砂巖與沙復配土壤典型作物的節水灌溉制度，與傳統作物灌溉制度（沙地漫灌、沙地噴灌）等進行對比，發現將復配土壤及噴灌措施下灌溉制度與沙地漫灌措施下灌溉制度相比，復配土玉米灌溉水量節水效果最高可達43.9%，馬鈴薯的節水效果可達27.2%;將復配土壤及噴灌措施下灌溉制度與沙地噴灌措施下灌溉制度相比，玉米灌溉水量節水效果最高可達29.8%，馬鈴薯的節水效果可達9.0%，有力地證明使用噴灌取得了良好的節水效果。在實現耕地資源擴展的同時，提高了農業水資源有效利用率。

毛烏素沙地是我國典型生態脆弱區，地表和地下水資源總量相對匱乏。為了確保砒砂巖與沙復配成土技術在沙地中的可持續利用，基于作物需水程度、研究區供水能力開展了沙地區域水資源承載力分析評價，獲得了榆林市榆陽區、神木縣和府谷縣三個典型區域水資源對沙地農業開發的最大承載能力，并針對沙地適宜的種植作物（玉米、馬鈴薯），構建了基于優化配置的沙地農業開發模式，實現了水資源優化配置。

1.3 砒砂巖與沙復配成土造田水肥管理制度及其效果

砒砂巖豐富的黏粉粒含量，可高達80%以上，為改良沙地質地提供了良好的顆粒基礎。隨著砒砂巖含量的增加，復配土質地由沙土-沙壤-粉壤-壤沙-壤土過渡，為作物生長提供了立地基礎。同時，砒砂巖中富含鈣蒙脫石等礦物成分，砒砂巖與沙復配后，在范德華力、雙電層力等共同作用下，砒砂巖顆粒與沙粒緊密結合，為復配土壤提供了良好力學基礎，同時鈣蒙脫石等礦物成分持水性強，可降低沙地水分滲漏，彌補沙地保水保肥性差的缺點，從而達到提高土地生產力的目的。

為了優化沙地水肥利用效率，提高作物產量，Wang等[11]通過采用水氮管理模型（WNMM）對復配土水動力學、土壤和作物系統中的碳氮循環、作物生長和農業管理措施等進行模擬研究，結果表明砒砂巖與沙復配成土后，可有效提高沙地水分、氮素和肥料利用效率。對于毛烏素沙地典型作物春玉米而言，在枯水年、平水年、豐水年灌溉量分別為477 mm、291 mm、176 mm，氮施用量分別為114 kg·hm-2、90 kg·hm-2、169 kg·hm-2的水肥管理制度為相對理想的水肥管理制度，產量最高可達7 584 kg·hm-2、8 850 kg·hm-2、9 620 kg·hm-2。對于該區域典型農作物馬鈴薯而言，在枯水年、平水年、豐水年灌溉量分別為245 mm、219 mm、104 mm，氮施用量分別為120 kg·hm-2、120 kg·hm-2、121 kg·hm-2的水肥管理制度為相對理想的水肥管理制度，產量最高可達14 000 kg·hm-2、16 000 kg·hm-2和25 000 kg·hm-2。

2 砒砂巖與沙復配成土技術示范與應用

砒砂巖與沙復配成土造田技術成果已在毛烏素沙地榆林市神木縣、榆陽區等地進行推廣應用，效果顯著（見圖1）。截止2017年底，已累計推廣面積達2 769.7 hm2，新增優質高標準水澆地2 652.3 hm2，每667 m2均投資

0.8萬元，與傳統沙地復配黃土造地相比，僅黃土遠距離運輸費一項每667 m2節支0.7萬元。項目建成后極大地改善了當地農村交通、水利、電力等生產生活條件，將原來的沙荒地改造成高標準水澆地，不僅增加了耕地面積而且有效提高了當地社會、人文、環境和經濟等綜合效益。由于成本低、收益大、群眾參與積極性高，生態環境的改善效果明顯。項目成果同時在林草地、城市綠地以及高速公路防護帶建設等方面發揮了重要作用，達到綠地建設低成本、高質量;高速公路防護帶應用該技術實現了生態修復、植被恢復、固沙、抗風蝕等綜合效果，在國內外同類沙區治理中有廣闊的推廣應用前景。成果推動了土地整治領域的科技進步，對沙地的生態整治及砒砂巖與沙的資源化利用有重大的現實意義。

3 技術推廣應用前景

砒砂巖與沙復配成土系列技術適用于分布有砒砂巖的沙地，在我國主要為晉陜蒙三省交界處。該系列技術開展，需要具備以下條件：1）必要的資金投入。國家規定耕地開墾費專項用于耕地開發。2）必要的技術人員和實驗、工程設備。3）現代農業企業的跟進。4）各級政府和當地農民群眾的大力支持和積極參與。此外，依據砒砂巖與沙復配成土原理，即顆粒重構、生物營養重構、剖面重構和化學重構，可為其他類型沙地治理提供理論依據。

毛烏素沙地面積廣闊，砒砂巖與沙交相分布，為砒砂巖與沙復配成土系列技術的推廣應用提供了良好的自然條件。同時，陜北毛烏素沙地區域是我國傳統的農牧交錯帶，水資源總量以及降水量較其他沙地豐富，為沙地改良和農業種植提供了灌溉基礎，為標準化和規模化發展提供了可能。另外，工業化和城市化進程的加快，鄉村振興發展戰略，國家大力扶貧政策的支持，釋放了大量勞動力，促進了農村人口的向城鎮轉移，為現代化農業發展帶來了新機遇。

參考文獻：

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