毛烏素沙地砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)成效與應(yīng)用

杜宜春 王歡元

摘 要 基于砒砂巖與沙理化性狀互補(bǔ)特性開展砒砂巖與沙復(fù)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?；诖耍C合砒砂巖與沙復(fù)配成土研究成果，重點(diǎn)圍繞基于砒砂巖與沙復(fù)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(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，借此推進(jìn)砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

關(guān)鍵詞 砒砂巖;復(fù)配土;技術(shù)

中圖分類號(hào)：S156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.33.095

隨著城市化進(jìn)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(guò)開發(fā)、復(fù)墾等土地整治工程的實(shí)施，來(lái)補(bǔ)充和增加耕地面積，以保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)城沿線沙地的統(tǒng)稱，是我國(guó)沙漠化嚴(yán)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(duì)沙地治理周期長(zhǎng)、開發(fā)利用難度大等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。面對(duì)沙地造田時(shí)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(wèn)題，學(xué)者們以實(shí)踐為基礎(chǔ)通過(guò)人工墊土、引洪漫淤、種植綠肥植物等措施對(duì)沙地進(jìn)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(duì)風(fēng)沙土進(jìn)行改良的實(shí)驗(yàn)，形成了許多生態(tài)保護(hù)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(hù)林帶、風(fēng)沙育草等，效果顯著，但投入的人力物力財(cái)力較大，且周期長(zhǎng)，效益低，沒(méi)有從根本上改變沙地特性。

砒砂巖，是指古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的厚層砂巖、砂頁(yè)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(yán)重，當(dāng)?shù)厝罕娨暺湮：θ缗史Q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(bǔ)特性，按照一定比例與沙復(fù)配，為沙地的治理和開發(fā)利用提供了可能。韓霽昌研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)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(guò)室內(nèi)模擬、田間試驗(yàn)以及工程實(shí)踐，研發(fā)了沙地治理的新方法——砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)[4，5]，并對(duì)其成土機(jī)理、復(fù)配效果、后續(xù)效應(yīng)等進(jìn)行了全方位分析，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可和報(bào)道。近年來(lái)，圍繞砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)陸續(xù)開展了基于砒砂巖與沙復(fù)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)。基于此，綜合目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于砒砂巖與沙復(fù)配成土的研究成果，對(duì)其各項(xiàng)技術(shù)基本內(nèi)容及應(yīng)用效果進(jìn)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(fù)配成土機(jī)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(fù)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(fēng)速?；谂皫r與沙互補(bǔ)特性，開展了不同顆粒級(jí)配、不同體積比例組合的試驗(yàn)和模擬，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)[6]和野外定位觀測(cè)分析研究了復(fù)配土固沙效果，通過(guò)掃描電鏡研究了復(fù)配土微觀結(jié)構(gòu)及粒級(jí)變化，從而構(gòu)建了基于砒砂巖與沙互補(bǔ)特性的復(fù)配土固沙能力提升技術(shù)[7]。復(fù)配土具有抵御風(fēng)蝕的潛力，單獨(dú)砒砂巖與沙的風(fēng)蝕量均較大，而二者復(fù)配成土后風(fēng)蝕量則顯著降低，單從粒度組成角度看，復(fù)配土的抗風(fēng)蝕能力得到增強(qiáng)，隨著砒砂巖比例的增加，抗風(fēng)蝕能力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的趨勢(shì)，最高起沙風(fēng)度可達(dá)16 m·s-1。在技術(shù)示范應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)沙地特性，結(jié)合固沙機(jī)理，制定適宜的砒砂巖與沙復(fù)配的體積比例，通過(guò)工程手段將砒砂巖與沙充分復(fù)配（集中在0～30 cm）;同時(shí)，依據(jù)毛烏素沙地氣候、水文等條件，促進(jìn)復(fù)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(shí)現(xiàn)復(fù)配土的可持續(xù)利用。

1.2 砒砂巖與沙復(fù)配成土節(jié)水技術(shù)及其效果

砒砂巖豐富的黏粉粒為復(fù)配土的保水保肥性提供了基礎(chǔ)，砒砂巖可以作為“小水庫(kù)”，按照一定比例與沙復(fù)配后提高沙地節(jié)水效率[8]?；谝陨险J(rèn)知，Wang等[9-10]通過(guò)大田試驗(yàn)制定的砒砂巖與沙復(fù)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)將復(fù)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(fù)配土玉米灌溉水量節(jié)水效果最高可達(dá)43.9%，馬鈴薯的節(jié)水效果可達(dá)27.2%;將復(fù)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(dá)29.8%，馬鈴薯的節(jié)水效果可達(dá)9.0%，有力地證明使用噴灌取得了良好的節(jié)水效果。在實(shí)現(xiàn)耕地資源擴(kuò)展的同時(shí)，提高了農(nóng)業(yè)水資源有效利用率。

毛烏素沙地是我國(guó)典型生態(tài)脆弱區(qū)，地表和地下水資源總量相對(duì)匱乏。為了確保砒砂巖與沙復(fù)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(píng)價(jià)，獲得了榆林市榆陽(yáng)區(qū)、神木縣和府谷縣三個(gè)典型區(qū)域水資源對(duì)沙地農(nóng)業(yè)開發(fā)的最大承載能力，并針對(duì)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(shí)現(xiàn)了水資源優(yōu)化配置。

1.3 砒砂巖與沙復(fù)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(dá)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(fù)配土質(zhì)地由沙土-沙壤-粉壤-壤沙-壤土過(guò)渡，為作物生長(zhǎng)提供了立地基礎(chǔ)。同時(shí)，砒砂巖中富含鈣蒙脫石等礦物成分，砒砂巖與沙復(fù)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(fù)配土壤提供了良好力學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)鈣蒙脫石等礦物成分持水性強(qiáng)，可降低沙地水分滲漏，彌補(bǔ)沙地保水保肥性差的缺點(diǎn)，從而達(dá)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(guò)采用水氮管理模型（WNMM）對(duì)復(fù)配土水動(dòng)力學(xué)、土壤和作物系統(tǒng)中的碳氮循環(huán)、作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)管理措施等進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明砒砂巖與沙復(fù)配成土后，可有效提高沙地水分、氮素和肥料利用效率。對(duì)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(duì)理想的水肥管理制度，產(chǎn)量最高可達(dá)7 584 kg·hm-2、8 850 kg·hm-2、9 620 kg·hm-2。對(duì)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(duì)理想的水肥管理制度，產(chǎn)量最高可達(dá)14 000 kg·hm-2、16 000 kg·hm-2和25 000 kg·hm-2。

2 砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)示范與應(yīng)用

砒砂巖與沙復(fù)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(yáng)區(qū)等地進(jìn)行推廣應(yīng)用，效果顯著（見圖1）。截止2017年底，已累計(jì)推廣面積達(dá)2 769.7 hm2，新增優(yōu)質(zhì)高標(biāo)準(zhǔn)水澆地2 652.3 hm2，每667 m2均投資

0.8萬(wàn)元，與傳統(tǒng)沙地復(fù)配黃土造地相比，僅黃土遠(yuǎn)距離運(yùn)輸費(fèi)一項(xiàng)每667 m2節(jié)支0.7萬(wàn)元。項(xiàng)目建成后極大地改善了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村交通、水利、電力等生產(chǎn)生活條件，將原來(lái)的沙荒地改造成高標(biāo)準(zhǔn)水澆地，不僅增加了耕地面積而且有效提高了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、人文、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目成果同時(shí)在林草地、城市綠地以及高速公路防護(hù)帶建設(shè)等方面發(fā)揮了重要作用，達(dá)到綠地建設(shè)低成本、高質(zhì)量;高速公路防護(hù)帶應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)、植被恢復(fù)、固沙、抗風(fēng)蝕等綜合效果，在國(guó)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(dòng)了土地整治領(lǐng)域的科技進(jìn)步，對(duì)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(shí)意義。

3 技術(shù)推廣應(yīng)用前景

砒砂巖與沙復(fù)配成土系列技術(shù)適用于分布有砒砂巖的沙地，在我國(guó)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(guó)家規(guī)定耕地開墾費(fèi)專項(xiàng)用于耕地開發(fā)。2）必要的技術(shù)人員和實(shí)驗(yàn)、工程設(shè)備。3）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)的跟進(jìn)。4）各級(jí)政府和當(dāng)?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(fù)配成土原理，即顆粒重構(gòu)、生物營(yíng)養(yǎng)重構(gòu)、剖面重構(gòu)和化學(xué)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(fù)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(shí)，陜北毛烏素沙地區(qū)域是我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)牧交錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；l(fā)展提供了可能。另外，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，鄉(xiāng)村振興發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)家大力扶貧政策的支持，釋放了大量勞動(dòng)力，促進(jìn)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(lái)了新機(jī)遇。

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