毛烏素沙地綜合整治技術研究及示范應用

龐喆

[摘要]為探索出一條適宜毛烏素沙地治理模式，選取地理位置、氣候、水文等條件具有代表性的神木公草灣區(qū)域作為工程示范項目點，在基于砒砂巖和沙復配成土技術基礎上，綜合運用工程和耕作管理措施，形成一套兼顧生態(tài)和經(jīng)濟效益的開發(fā)性治理新模式。實踐證明：通過砒砂巖與沙復配成土造田工程的實施，有效增加了耕地面積，改善了農業(yè)生產(chǎn)條件和生產(chǎn)效率，提高了糧食產(chǎn)量，實現(xiàn)了沙地資源化利用。通過對項目區(qū)實施灌溉與排水工程、田間道路工程、農田防護與生態(tài)環(huán)境保護工程等配套工程措施，使項目區(qū)種植結構有了合理調整，改善了當?shù)氐膮^(qū)域自然生態(tài)環(huán)境，逐步建立起人與自然、環(huán)境之間協(xié)調發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，將原來的沙荒地打造成為景觀生態(tài)農業(yè)基地。

[關鍵詞]毛烏素；砒砂巖；沙；造田工程

[中圖分類號]S282 [文獻標識碼]A

毛烏素沙地作為我國四大沙區(qū)之一，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)和農牧交錯區(qū)，土地風蝕荒漠化嚴重，近些年經(jīng)治理恢復，土地荒漠化情況有所好轉，但仍有擴張風險。毛烏素沙地砒砂巖和沙廣泛分布，砒砂巖無水堅硬如石、遇水則松軟如泥，而沙子結構松散、漏水漏肥，土地沙漠化和砒砂巖的水土流失并稱“兩害”，嚴重制約著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。砒砂巖與沙復配成土后，將開展現(xiàn)代化農業(yè)大生產(chǎn)，有望成為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、增加主要農產(chǎn)品供給、促進當?shù)剞r民增收的重要途徑。如何有效防治土地沙漠化、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、協(xié)調人地關系，成為國內管理界、學術界密切關注的重大現(xiàn)實問題。從近些年來的防治技術研究與實踐來看，毛烏素沙地治理呈現(xiàn)出常規(guī)化、單一性、短期性的特點與問題，亟需立足當?shù)貙嶋H、明確科學目標，推進深度研究和創(chuàng)新。

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)位于神木縣錦界鎮(zhèn)西北部29.5km處的神木縣錦界鎮(zhèn)公草灣林場，距神木縣城約80km，地理坐標為109°51′9.87″～109°52′42.21″，北緯38°52′39.48″～38°53′27.26″之間。項目區(qū)為典型的沙荒地，總面積648.52hm2，建設后新增耕地625.69hm2。項目區(qū)屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候區(qū)，季節(jié)變化明顯，溫差大，光能資源充裕，熱量資源較豐富。多年平均降雨量365.1mm，降水年際變化大和季節(jié)性分配不均是制約土地利用的主要因素之一，易形成旱災，當?shù)乜偨Y為十年九旱，主要在春夏兩季發(fā)生，嚴重影響農業(yè)產(chǎn)量和品質。項目區(qū)所在地土壤以沙土為主，土壤孔隙度大，保水保肥能力差，土壤養(yǎng)分含量為末級含量水平，有機質含量貧乏，氮、磷俱缺，微量元素中的硼、鋅、錳、鐵均缺乏，從而制約了土地生產(chǎn)力的提高。

2 關鍵技術介紹

2.1 固沙能力提升技術

砒砂巖是巖石，也是成土母質，它含有豐富的粉粒物質。這種粉粒物質結構形成團粒結構的速度最快，是形成土壤的基本元素。它的板結性很強，板結后可以保水不滲水。利用砒砂巖這種持水性強、滲透性能差的性質，將砒砂巖與沙混合，既可以減少或阻止沙地水分滲漏，又可減弱砒砂巖堅硬板結的現(xiàn)象。由于砒砂巖具有持水性能佳的優(yōu)點，彌補沙保水性能差的缺點，將二者混合形成互補效應，以期改善土壤物理特性，達到提高土地生產(chǎn)力的目的。

砒砂巖與沙按不同比例、不同級配混合后形成的物質性質和固沙效果不同，研究開展了砒砂巖與沙不同顆粒級配和混合比例組合的實驗工作，通過掃描電鏡、風洞試驗和野外定位觀測分析研究，進行3項試驗數(shù)據(jù)的綜合對比分析，得到復配土的風蝕量顯著降低的效果。復配土的抗風蝕能力得到增強，根據(jù)研究區(qū)砒砂巖與沙粘粒含量，砒砂巖與沙比例在1：5～1：2之間抗風蝕能力最強。針對復配前期固沙能力弱的問題，在工程應用中，主要通過確定合理的砒砂巖與沙復配比例，以促進復配土結皮的形成和冬季凍蓋層的形成。通過農業(yè)種植，增加復配土地表植被覆蓋，充分發(fā)揮該技術的生產(chǎn)功能和生態(tài)功能，實現(xiàn)復配土的可持續(xù)利用。根據(jù)水源條件，可采取種植喬木或草灌的方式，改變上風向區(qū)域的植被特征，減緩風速，降低冬春季尤其是春季的輸沙量。

2.2 高效灌溉節(jié)水技術

節(jié)水灌溉方式不僅可以采用較小灌水定額對作物進行淺澆勤灌，嚴格控制土壤水分，使之與作物生長需水更相適應；而且對耕作層土壤不產(chǎn)生機械破壞作用，可保持土壤團粒結構，使土壤疏松、孔隙多、通氣條件好，促進養(yǎng)分分解、微生物活躍，提高土壤肥力。

依據(jù)當?shù)貧夂驐l件及農業(yè)種植傳統(tǒng)，選定適宜當?shù)厣L的典型經(jīng)濟作物馬鈴薯，并根據(jù)農作物生長狀態(tài)對其全生育期進行階段劃分，利用測得的田間持水量、凋萎含水量等關鍵參數(shù)以及作物生育期內各用水階段的需水要求，確定出不同生長階段的計劃濕潤層深度，并據(jù)此分析計算得出各生育階段內適宜的土壤含水量范圍閾值。通過土壤含水率范圍閾值確定不同階段作物需水量，以此制定出作物節(jié)水灌溉制度。根據(jù)作物需水量的計算結果，制定出綜合節(jié)水措施下玉米及馬鈴薯的灌溉制度（見表1）。

2.3 水肥管理技術

采用大田試驗與土壤作物系統(tǒng)模型相結合的研究方法，以大田試驗為基礎，主要針對研究區(qū)主要種植的兩種作物（玉米和馬鈴薯），種植前測定復配土的質地、容重、水力學參數(shù)（萎蔫點、田間持水量、飽和含水量、飽和導水率等）、水分和養(yǎng)分初始值；定期監(jiān)測作物生育期內不同土壤深度的土壤水分、氮素（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）；葉面積指數(shù)、干物重、產(chǎn)量等作物指標在作物關鍵期測定，利用土壤作物系統(tǒng)模型在逐日氣象數(shù)據(jù)的驅動下進行模擬研究，在校正和驗證模型的基礎上，模擬研究整個土壤、植物系統(tǒng)的水分平衡、氮素平衡、水分利用效率（WUE）和氮素利用效率（NUE），研究作物在復配土壤上的高產(chǎn)高效水肥管理技術，并通過不同氣象年份下的情景分析對不同氣候年份下作物的水肥管理制度進行模型研究。

通過采用水氮管理模型（WNMM）對復配土上水動力學、土壤和作物系統(tǒng)中的碳氮循環(huán)、作物生長和農業(yè)管理措施等進行模擬研究，結果證實砒砂巖在提高沙地水分、氮素和肥料利用效率方面發(fā)揮了顯著的作用。對于復配土上春玉米而言，在枯水年、平水年、豐水年灌溉量分別為477mm、291mm、176mm左右，施肥量分別為114kgNhm-2、90kgNhm-2、169kgNhm-2左右的水肥管理制度為較好的水肥管理制度。對于復配土上馬鈴薯而言，在枯水年、平水年、豐水年灌溉量分別為245mm、219mm、104mm左右，施肥量分別為120kgNhm-2、120kgNhm-2、121kgNhm-2左右的水肥管理制度為較好的水肥管理制度。

3 關鍵技術應用

示范區(qū)結合固沙能力提升技術、高效灌溉節(jié)水技術和水肥管理技術，按照土體重構、灌溉與排水工程、輸配電工程、道路工程、農田防護與生態(tài)環(huán)境保持工程等有關建設標準要求和建設需要，進行單項工程建設。

3.1 土體重構

3.1.1 田塊布置。田塊長度和寬度既關系到田塊平整工程量的大小和機械作業(yè)效率的發(fā)揮，也影響著灌排系統(tǒng)的布設。鑒于此，本次在綜合考慮平整工程、機械化作業(yè)水平和農田灌排等因素，項目區(qū)內耕地全部按大田標準進行規(guī)劃設計，田塊長度控制在950m左右，田塊寬度控制在400～600m左右，相鄰田坎高度小于2.0m。

田塊規(guī)模的大小與項目區(qū)農業(yè)種植習慣、耕作方式、地形地勢條件、社會經(jīng)濟狀況等因素密切相關。項目區(qū)全部種植馬鈴薯等大田作物?？紤]到當?shù)貙嶋H情況，本次劃分田塊在不受地形條件限制的條件下，盡可能使田塊規(guī)模大，除因特殊地形形成的田塊外，控制最小田塊面積不小于45hm2。田坎設計為土坎，田坎高1.5m左右，田坎坡度1：1，田坎上栽植防護林。

3.1.2 底土平整。示范區(qū)未利用土地開發(fā)前均為高低起伏的其他沙地，相對高差均小于20m，但是地勢高低分布不均，首先需要進行土地平整。采用DTM法計算沙丘土方推移工程量，針對田塊之間高程不滿足要求的，進行局部相鄰田塊間的土方調配。土地平整前先進行地面障礙物的處理和清除，采用履帶式推土機，輔以人工的方法進行土地平整。施工前首先熟悉規(guī)劃、設計圖紙和施工現(xiàn)場，按田塊和道路位置進行放線，先放出道路中心線，再放出道路路基邊線，田塊邊坡坡腳線，以控制田塊四周位置，再根據(jù)設計高程，測設出挖填平衡線，并做好高程標高標記，以每個小田塊為一個施工單元，用推土機推平田塊中的沙丘至設計高程。

3.1.3 砒砂巖與沙復配。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，神木公草灣示范區(qū)土壤質地均以風沙土為主，粒徑集中，屬于粗砂粒，粘粉粒極少，顆粒表面活性低，粘性小，松散性強，風蝕沙化和水土流失嚴重。沙丘平整完成后需在田面上覆砒砂巖，以增加耕土層土壤粘粒。

神木公草灣示范區(qū)，根據(jù)項目研究結果，為達到最大綜合效益，示范區(qū)適宜選擇種植馬鈴薯。另外，研究結果表明，砒砂巖與沙在1：1～1：5比例之間，所混合而成的復配土固沙效應較好，且馬鈴薯適宜于1：5比例種植。綜合砒砂巖與沙粘粒含量，同時考慮結合工程施工成本及土地持續(xù)綜合利用性，工程實施過程中，在沙地表面上覆蓋約5cm厚的砒砂巖顆粒，然后將表層30cm的砒砂巖與沙進行翻耕混勻，實現(xiàn)目標配比。

砒砂巖采用挖掘機采挖，自卸貨車運輸，以每個田塊為一個施工單元，覆砒砂巖前根據(jù)每車的運輸方量計算出單車覆砒砂巖面積，在田面上用白灰劃出方格網(wǎng)，使每個方格網(wǎng)面積和單車覆砒砂巖面積相等，做到每個方格網(wǎng)一車砒砂巖，以保證覆砒砂巖厚度均勻，覆土后翻耕混勻。神木公草灣示范區(qū)共計移動土方673.71萬m3，拉運砒砂巖約79.90萬m3。

3.2 配套工程

3.2.1 灌溉與排水工程。示范區(qū)設計種植作物為馬鈴薯，采用西北半干旱區(qū)節(jié)水灌溉模式以噴灌和滴灌相結合為主，暗管灌溉為輔的灌溉方式。由項目區(qū)內機井抽水通過地埋輸水管道輸水至區(qū)域中心蓄水池，再經(jīng)由中心支軸式噴灌機自配的加壓泵抽水供給噴灌機進行噴灑灌溉；滴灌區(qū)域灌溉系統(tǒng)由機井、輸水管道、加壓系統(tǒng)和滴灌帶組成。項目區(qū)機井抽水經(jīng)由輸水管道至田塊區(qū)域加壓系統(tǒng)加壓輸送至滴灌帶進行灌溉；對噴灌機控制灌溉之外的邊角連片大面積用地，采用暗管輸水的形式進行灌溉。

水肥管理技術在示范區(qū)進行示范應用。施肥量與灌溉量完全參考馬鈴薯水肥管理制度：枯水年、平水年、豐水年灌溉量分別為245mm、219mm、104mm左右，施肥量分別為120kgNhm-2、120kgNhm-2、121kgNhm-2。榆陽區(qū)2016年降雨量為583.0mm，屬于平水年，應用課題研究成果具體灌溉施肥措施見表2。

3.2.2 輸配電工程。項目區(qū)共架設10KW高壓線13837m，埋設低壓線路18557m，安裝變壓器8臺。高壓線路沿路架設，變壓器采用桿上架設（包括10KW跌落式熔斷器、10KW避雷器），泵站、機井采用專用直配輸電線路供電，低壓線路采用地埋，變壓器到各負荷的電壓降小于10%，供電半徑不超過700m。電力線路設備安裝均符合DL/T5220-2005。

3.2.3 道路工程。路工程一般包括田間路和生產(chǎn)路兩級，田間路一般采用砼路面，生產(chǎn)路一般采用泥結石或素土路面。項目區(qū)修建的各級道路沙路基基礎水沉淀處理，土路基壓實，壓實度不低于94%；路面寬度根據(jù)道路規(guī)格確定，主干路路面寬度不小于3.5m，田間路路面寬度不小于3m，生產(chǎn)路路面寬度不小于1m；各級道路兩側路基寬度均不低于0.5m；道路橫斷面呈“魚脊狀”，橫向坡降不低于1.5%，縱斷面坡降應控制在6%～8%之間；彎道半徑不低于20m。

神木公草灣示范區(qū)共修建道路18138m，包括：主干路5條，長9100m，混凝土路面寬4.5m，兩邊路肩各0.50m，路面高出田面50cm，原砂整平壓實，墊層為35cm，面層為15cm厚的混凝土路面。生產(chǎn)路13條，長7376m，路面寬2m。示范區(qū)農田道路通達率均達到了95%以上。

3.2.4 農田防護與生態(tài)環(huán)境保持工程。對于項目區(qū)來說，農田防護林喬木宜選用樟子松、旱柳等；灌木宜選用沙棘、沙柳和紫穗槐等。渠道、道路邊綠化帶低于田面0.3m。對于防風林帶工程規(guī)模參數(shù)中長、寬、直徑任何一個大于10km的需在長段兩側增設防風林帶。主林帶應與主害風向垂直，帶寬8～12m，斜設時偏角不得超過45°。副林帶與主林帶垂直，帶寬3～4m。人多地少地區(qū)，主林帶寬5～6m，副林帶寬3～4m。

4 綜合效益分析

4.1 生態(tài)效益

4.1.1 防風固沙。工程建設改善了土地內在質量，優(yōu)化了土壤理化性狀，增強了抵御自然災害的能力，減輕了水土流失，抑制了土地沙化。項目建設后栽植的新疆楊、紫穗槐以及樟子松等植被不僅能有效防風固沙，控制水土流失，還能起到涵養(yǎng)水源、凈化空氣的作用，對生態(tài)環(huán)境質量的改善和提高起到重要作用。同時水地面積的增加，改善了沙地的土壤水分狀況，為生物創(chuàng)造了有利的生存條件，可有效促進項目區(qū)植物種群的增加和擴大。項目實施增加了林草地面積，提高了植被覆蓋率，促進了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境得到進一步改善。

4.1.2 節(jié)水。選定適宜當?shù)厣L的典型作物馬鈴薯，并根據(jù)農作物生長狀態(tài)對其全育期進行階段劃分，利用測得的田間持水量、凋萎含水量等關鍵參數(shù)以及作物生育期內各用水階段的需水要求，確定出不同生長階段的計劃濕潤層深度，并據(jù)此分析計算得出各生育階段內適宜的土壤含水量范圍閾值。通過土壤含水率范圍閾值確定不同階段作物需水量，以此制定出作物節(jié)水灌溉制度，形成了砒砂巖與沙復配成土的灌溉節(jié)水技術；通過調整作物生長過程當中的耕作措施及制度，形成了砒砂巖與沙復配成土的耕作節(jié)水技術。工程技術節(jié)水、灌溉技術節(jié)水以及耕作制度節(jié)水等三個方面共同構建了毛烏素沙地農業(yè)開發(fā)利用的節(jié)水技術體系。示范區(qū)通過采用該高效灌溉節(jié)水技術，節(jié)水效果顯著（具體如表3）。

4.2 經(jīng)濟效益

神木公草灣示范區(qū)建成后新增耕地625.69hm2，當復種指數(shù)為1.0時，穩(wěn)定生產(chǎn)年份種植，馬鈴薯單產(chǎn)45000kghm-2，玉米單產(chǎn)15000kghm-2，開發(fā)后經(jīng)濟效益如表4所示。

通過估算可以算出，神木公草灣項目種植馬鈴薯年收入可達5631.25萬元，總成本為1877.08萬元，預期年新增純收入3754.17萬元；種植玉米年收入可達1877.08萬元，總成本為450.50萬元，預期年新增純收入1426.58萬元。

神木公草灣示范區(qū)總投資8345.19萬元，按開發(fā)整理凈增耕地面積625.69hm2計算，每公頃投入量為13.34萬元。示范區(qū)一般實行輪作倒茬，種植兩年馬鈴薯一年玉米，按三年種植季計算，平均每年凈收益為2978.31萬元，每公頃每年凈收益為47600.1元，每公頃投入產(chǎn)出率為35.69%。

神木公草灣示范區(qū)總投資額8345.19萬元。計算投資回收期如下：

投資回收期=總投資/新增純收入=8345.19/2978.31

回收期為3年，本項目經(jīng)濟效益良好。

4.3 社會效益

毛烏素沙地砒砂巖與沙復配成土造田工程在保障國家糧食安全、實現(xiàn)區(qū)域耕地總量平衡、促進農村發(fā)展、維護社會穩(wěn)定等方面的效益顯著。

4.3.1 對國家糧食安全保障的貢獻。項目實施后，項目區(qū)將形成田、壩、渠、路、林等基礎設施配套完善的高標準基本農田，耕地的保水、保肥、抗災能力將得到明顯增強，耕地質量將會顯著提高，從而穩(wěn)步提升耕地綜合生產(chǎn)能力，增強糧食生產(chǎn)能力。經(jīng)初步測算，神木公草灣示范區(qū)項目實施后實現(xiàn)年增加糧食產(chǎn)量達2815.63萬kg，將有力地支撐項目區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，為保障國家糧食安全做出積極貢獻。

4.3.2 對實現(xiàn)區(qū)域耕地總量平衡的貢獻。榆林市處于城鄉(xiāng)轉型發(fā)展新階段，城鎮(zhèn)、工業(yè)及基礎設施建設用地需求日益旺盛，對該區(qū)域實現(xiàn)耕地總量平衡帶來了極大的挑戰(zhàn)。砒砂巖與沙復配成土造田工程大幅提升了耕地質量的同時，實現(xiàn)新增耕地面積625.69hm2，新增耕地率為96.48%。通過農田基礎設施的配套完善，補充耕地的質量明顯提高，從而對實現(xiàn)榆林市乃至陜西省耕地總量平衡及其耕地綜合生產(chǎn)能力提升，做出積極貢獻。

4.3.3 對農村發(fā)展的積極作用。項目實施旨在促進農民增收、扶貧開發(fā)、重點集鎮(zhèn)和先進農業(yè)生產(chǎn)模式新型農村社區(qū)建設相結合，不僅可以大幅改善農業(yè)生產(chǎn)條件，促進農村土地規(guī)?；?jīng)營，提高農業(yè)產(chǎn)出水平，增加農民收入，而且可以完善農村道路、交通設施和公共服務設施，有效推進小城鎮(zhèn)、中心村建設，對于夯實農村基礎，縮小城鄉(xiāng)差距，促進城鄉(xiāng)協(xié)調發(fā)展，具有積極的引導和推動作用。

[參考文獻]

[1] 董雯，趙景波.毛烏素沙地的形成與治理[J].貴州師范大學學報（自然版），2006，24（4）：42-46.

[2] 何彤慧.毛烏素沙地歷史時期環(huán)境變化研究[D].蘭州：蘭州大學，2008.

[3] Kanayama M，Ohira T，Ogawa Y，et al.Variation of microstructure with consolidation proceeding for sand-clay mixed soils [J].Journal of the Clay Science Society of Japan， 2009，48（1）：1-8.

[4] Mohammad，F(xiàn)awzi Said.Potential of subsurface irrigation system for water conservation in an arid climatic environment [J].International Agricultural Engineering Journal，1998，7（1）：23-36.

[5] 劉曉瓊，劉彥隨.干旱化背景下區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展適應對策—以陜北榆林市為例[J].地理科學進展，2006，25（5）：86-93.

[6] 劉翠英.毛烏素沙地城鎮(zhèn)綠化可利用的野生觀賞植物資源[J].中國農學通報，2006，22（2）：252-256.

[7] 郭柯.毛烏素沙地油蒿群落的循環(huán)演替[J].植物生態(tài)學報，2000，24（2）：243-247.

[8] 黃永誠.2000-2010年毛烏素沙地植被覆蓋度和利用變化研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[9] Pandian N.S，Nagaraj T.S，Raju P.S.R.N.Permeability and compressibility behavior of bentonite-sand/soil mixes[J].Geotechnical Testing Journal，1995，18（1）：86-93.

[10] Power D J，Decision support systems：concepts and resources for managers [M].Greenwood Publishing Group，2002.

[11] Turoff M，Hiltz S R.Delphi Conferencing：Computer Based Conferencing with Anonymity[J].Journal of Technological Forecasting and Social Change，1970，3（2）：159-204..

[12] 呂貽忠，胡克林，李保國.毛烏素沙地不同沙丘土壤水分的時空變異[J].土壤學報，2006，43（1）：152-154.

[13] 馬云艷，趙紅艷，嚴嘯，等.炭和腐泥改良風沙土前后土壤理化性質比較[J].吉林農業(yè)科學，2009，34（6）：40-44.