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(shù)研究，已成為毛烏素沙地生態(tài)化治理和資源化利用主要方式?；诖?，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(shù)研發(fā)的造田技術(shù)、固沙技術(shù)和節(jié)水技術(shù)，開展技術(shù)介紹、技術(shù)應(yīng)用成效以及技術(shù)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(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 砒砂巖;復配土;技術(shù)

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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，建設(shè)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(fā)、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(nóng)業(yè)經(jīng)濟正常發(fā)展和建設(shè)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(tǒng)稱，是我國沙漠化嚴重地區(qū)之一。相較其他沙漠地區(qū)，其水熱條件更為優(yōu)越。針對沙地治理周期長、開發(fā)利用難度大等問題，國內(nèi)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(tài)環(huán)境退化問題，學者們以實踐為基礎(chǔ)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(tài)保護與農(nóng)業(yè)利用相結(jié)合的模式[1，2]。這些技術(shù)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(zhì)砂巖組成的巖石互層，主要分布在晉、陜、蒙地區(qū)。由于其水土流失嚴重，當?shù)厝罕娨暺湮：θ缗?，故稱為“砒砂巖”[3]。由于其在顆粒結(jié)構(gòu)、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(fā)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(diào)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(nèi)模擬、田間試驗以及工程實踐，研發(fā)了沙地治理的新方法——砒砂巖與沙復配成土技術(shù)[4，5]，并對其成土機理、復配效果、后續(xù)效應(yīng)等進行了全方位分析，得到了國內(nèi)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(shù)陸續(xù)開展了基于砒砂巖與沙復配成土的造田、固沙、節(jié)水技術(shù)。然而，其技術(shù)基本內(nèi)容及成效表述尚不系統(tǒng)?；诖?，綜合目前國內(nèi)外關(guān)于砒砂巖與沙復配成土的研究成果，對其各項技術(shù)基本內(nèi)容及應(yīng)用效果進行系統(tǒng)闡述，以期為毛烏素沙地生態(tài)化治理提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 基于砒砂巖與沙復配成土機理的固沙、節(jié)水、造田技術(shù)內(nèi)容及成效

1.1 砒砂巖與沙復配成土固沙能力提升技術(shù)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(jié)構(gòu)及粒級變化，從而構(gòu)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(shù)[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(xiàn)先增強后降低的趨勢，最高起沙風度可達16 m·s-1。在技術(shù)示范應(yīng)用過程中，根據(jù)沙地特性，結(jié)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(jù)毛烏素沙地氣候、水文等條件，促進復配土凍蓋層、物理結(jié)皮和生物結(jié)皮的形成，結(jié)合生物手段，在地表形成制備覆蓋，充分發(fā)揮了該技術(shù)的生產(chǎn)功能和生態(tài)功能，實現(xiàn)復配土的可持續(xù)利用。

1.2 砒砂巖與沙復配成土節(jié)水技術(shù)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(chǔ)，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(jié)水效率[8]?；谝陨险J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(jié)水灌溉制度，與傳統(tǒng)作物灌溉制度（沙地漫灌、沙地噴灌）等進行對比，發(fā)現(xiàn)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(jié)水效果最高可達43.9%，馬鈴薯的節(jié)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(jié)水效果最高可達29.8%，馬鈴薯的節(jié)水效果可達9.0%，有力地證明使用噴灌取得了良好的節(jié)水效果。在實現(xiàn)耕地資源擴展的同時，提高了農(nóng)業(yè)水資源有效利用率。

毛烏素沙地是我國典型生態(tài)脆弱區(qū)，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(shù)在沙地中的可持續(xù)利用，基于作物需水程度、研究區(qū)供水能力開展了沙地區(qū)域水資源承載力分析評價，獲得了榆林市榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣三個典型區(qū)域水資源對沙地農(nóng)業(yè)開發(fā)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(gòu)建了基于優(yōu)化配置的沙地農(nóng)業(yè)開發(fā)模式，實現(xiàn)了水資源優(yōu)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(zhì)地提供了良好的顆?；A(chǔ)。隨著砒砂巖含量的增加，復配土質(zhì)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(chǔ)。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(jié)合，為復配土壤提供了良好力學基礎(chǔ)，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(chǎn)力的目的。

為了優(yōu)化沙地水肥利用效率，提高作物產(chǎn)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(tǒng)中的碳氮循環(huán)、作物生長和農(nóng)業(yè)管理措施等進行模擬研究，結(jié)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(chǎn)量最高可達7 584 kg·hm-2、8 850 kg·hm-2、9 620 kg·hm-2。對于該區(qū)域典型農(nóng)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(chǎn)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(shù)示范與應(yīng)用

砒砂巖與沙復配成土造田技術(shù)成果已在毛烏素沙地榆林市神木縣、榆陽區(qū)等地進行推廣應(yīng)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(yōu)質(zhì)高標準水澆地2 652.3 hm2，每667 m2均投資

0.8萬元，與傳統(tǒng)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(jié)支0.7萬元。項目建成后極大地改善了當?shù)剞r(nóng)村交通、水利、電力等生產(chǎn)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?shù)厣鐣?、人文、環(huán)境和經(jīng)濟等綜合效益。由于成本低、收益大、群眾參與積極性高，生態(tài)環(huán)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(shè)等方面發(fā)揮了重要作用，達到綠地建設(shè)低成本、高質(zhì)量;高速公路防護帶應(yīng)用該技術(shù)實現(xiàn)了生態(tài)修復、植被恢復、固沙、抗風蝕等綜合效果，在國內(nèi)外同類沙區(qū)治理中有廣闊的推廣應(yīng)用前景。成果推動了土地整治領(lǐng)域的科技進步，對沙地的生態(tài)整治及砒砂巖與沙的資源化利用有重大的現(xiàn)實意義。

3 技術(shù)推廣應(yīng)用前景

砒砂巖與沙復配成土系列技術(shù)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(shù)開展，需要具備以下條件：1）必要的資金投入。國家規(guī)定耕地開墾費專項用于耕地開發(fā)。2）必要的技術(shù)人員和實驗、工程設(shè)備。3）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)的跟進。4）各級政府和當?shù)剞r(nóng)民群眾的大力支持和積極參與。此外，依據(jù)砒砂巖與沙復配成土原理，即顆粒重構(gòu)、生物營養(yǎng)重構(gòu)、剖面重構(gòu)和化學重構(gòu)，可為其他類型沙地治理提供理論依據(jù)。

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(shù)的推廣應(yīng)用提供了良好的自然條件。同時，陜北毛烏素沙地區(qū)域是我國傳統(tǒng)的農(nóng)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(nóng)業(yè)種植提供了灌溉基礎(chǔ)，為標準化和規(guī)模化發(fā)展提供了可能。另外，工業(yè)化和城市化進程的加快，鄉(xiāng)村振興發(fā)展戰(zhàn)略，國家大力扶貧政策的支持，釋放了大量勞動力，促進了農(nóng)村人口的向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了新機遇。

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