砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)研究綜述

何 振 嘉，范 王 濤，杜 宜 春

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075)

砒砂巖是一種風(fēng)化程度較高、結(jié)構(gòu)松散的破碎巖石，廣泛分布于我國陜北、內(nèi)蒙古以及山西等干旱半干旱區(qū)域。在水蝕和風(fēng)蝕的作用下，砒砂巖不僅會引發(fā)水土流失和嚴(yán)重的土地沙漠化，還可能嚴(yán)重阻礙人地關(guān)系和諧并危害生態(tài)環(huán)境安全[1-2]。許多學(xué)者對砒砂巖的理化特性和構(gòu)造組成進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，砒砂巖在無水環(huán)境下質(zhì)地堅(jiān)硬難以利用，而在遇水條件下則質(zhì)地松散如泥，保水持水能力較強(qiáng)[3-5]。由于砒砂巖與沙的顆粒結(jié)構(gòu)、礦物組成具有互補(bǔ)特性，若將砒砂巖與沙按一定比例進(jìn)行復(fù)配，則能產(chǎn)生一種質(zhì)地良好、穩(wěn)定性較強(qiáng)、保水透氣且適宜耕種的復(fù)配土壤[6-7]。

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)用地需求的增大，現(xiàn)有的耕地后備資源已不能保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，為緩解后備資源不足的問題以及改善生態(tài)環(huán)境，大量學(xué)者進(jìn)行了多種嘗試，如以煤矸石、建筑廢棄物、污泥等作為填充材料新造耕地，但由于材料運(yùn)輸成本較高、易引起重金屬污染以及造田周期較長而效益較低等原因，未能從根本上解決補(bǔ)充耕地的問題[8-9]。砒砂巖與沙復(fù)配成土因其具有技術(shù)可行、材料易于獲取、造田效益顯著等特點(diǎn)，在土地整治及新造耕地領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢[10]。砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的應(yīng)用和推廣，不僅能極大地對大面積不可利用砒砂巖與沙地進(jìn)行綜合治理，有效提高土地利用程度和增加后備資源補(bǔ)充耕地?cái)?shù)量，還能顯著地促進(jìn)土地資源集約，改善人居環(huán)境和自然環(huán)境，推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。本文從砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)機(jī)理出發(fā)，探討了該技術(shù)的生態(tài)環(huán)境效益和實(shí)際生產(chǎn)效益。在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出研究存在的不足并對該技術(shù)未來發(fā)展趨勢作出展望。

1 砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)機(jī)理

韓霽昌等[11]通過研究提出：砒砂巖與沙經(jīng)混合后，沙粒間的非毛管孔隙被細(xì)顆粒填充，增加了能夠長期保持水分的毛管孔隙，降低了水分的滲漏。在毛管孔隙間不飽和水的毛細(xì)力的作用下，砒砂巖內(nèi)部的膠結(jié)物——碳酸鹽礦物能與沙顆粒相互吸附并形成良好的結(jié)構(gòu)體。由于砒砂巖毛管孔隙度高，而沙的非毛管孔隙度高，二者混合后既能增加通透的非毛管空隙，又能增加持水保水的毛管孔隙；砒砂巖既能團(tuán)結(jié)砂粒，又能被砂粒分散而不使整體板結(jié)，砒砂巖內(nèi)水分不易滲漏、蒸發(fā)少，吸水蓄水能力強(qiáng)，有利于保水保肥土壤層的形成，并提高水資源利用率。此外，砒砂巖中的粉粒以及毛管孔隙等容易吸附養(yǎng)分離子，有效提高復(fù)配土保肥能力。研究表明，砒砂巖與沙在1∶2～1∶5配比條件下，具有良好的孔隙度特性，持水保水能力強(qiáng)，理化性狀良好，能有效增加沙土毛管孔隙度、降低滲透性，有利于土體氣相、液相、固相動態(tài)平衡；還因具有安全無害的特性，在人類活動、生物活動及其分泌物對土壤的共同作用下，能顯著促進(jìn)土壤保水持水能力并提高作物產(chǎn)能[12-13]。作物種植使表層土壤粉粒和黏粒向下運(yùn)移，形成的防滲層起到了良好的保墑作用，進(jìn)一步改善了土壤理化性質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)含量也得到逐步改善，復(fù)配土的團(tuán)聚體數(shù)量隨著砒砂巖含量的增加而增多，粒徑分布更為均勻，土壤結(jié)構(gòu)逐漸改善[14-17]。砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)因?qū)Ψ里L(fēng)固沙、涵養(yǎng)水分、保肥保土、固碳固氮以及營養(yǎng)保障等方面的效果顯著，目前已在毛烏素沙地進(jìn)行了大面積推廣，整治利用土地面積超過7 000 hm2，通過試種小麥、玉米、大豆、馬鈴薯等經(jīng)濟(jì)作物，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[18-19]。

2 砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)效益

2.1 對土壤固沙能力的影響

土壤理化特性和結(jié)構(gòu)組成對風(fēng)蝕量起決定性作用，砒砂巖與沙按一定比例復(fù)配成土改變了土壤理化特性，大量研究表明，沙地中添加砒砂巖可有效提高沙地的固沙能力。程杰等[20]采用試驗(yàn)?zāi)M和野外觀測相結(jié)合的方式，對毛烏素沙地的砒砂巖與沙復(fù)配成土進(jìn)行固沙特性研究，研究表明，復(fù)配成土地表形成的結(jié)皮能有效防止沙土流動，起到固沙效果。李裕瑞等[21]利用集沙儀、掃描電鏡及激光粒度儀等，通過野外觀測，對毛烏素沙地砒砂巖與沙復(fù)配成土輸沙及固沙效應(yīng)進(jìn)行了探索，結(jié)果表明，復(fù)配成土的輸沙量僅為原狀沙地的49.2%，且耕作2 a后形成的土壤團(tuán)聚體數(shù)量以及粉、黏粒量顯著高于原沙地，并提出土壤結(jié)構(gòu)是固沙的重要因素。童偉等[2]通過小區(qū)試驗(yàn)和野外觀測相結(jié)合的方式，研究了砒砂巖與沙復(fù)配成土對固沙能力的影響，結(jié)果表明，復(fù)配土土壤結(jié)皮厚度和地表粗糙度有助于提高抗風(fēng)蝕能力。王歡元等[5]研究了7種不同比例的砒砂巖與沙復(fù)配成土的固沙性能，研究表明，土壤粒度組成對抗風(fēng)蝕能力有較大影響，復(fù)配土由于粒度的改變，影響了抵御風(fēng)蝕的主導(dǎo)力，進(jìn)而提高了固沙能力。張衛(wèi)華等[3]研究了砒砂巖與沙復(fù)配土的理化特性，同樣發(fā)現(xiàn)了在復(fù)配土的表層土壤結(jié)皮、凍蓋層的作用下，固沙效果得到了顯著提高。

2.2 對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)是土壤最基本的性狀和指標(biāo)，也是影響土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。因此，土壤物理性質(zhì)的改善是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本保障。大量研究表明，砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)對土壤物理性質(zhì)影響顯著。李娟等[13]采用模擬土柱試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法，研究砒砂巖與沙復(fù)配成土的保水、保肥、保土能力，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)配土中土壤粉粒、黏粒含量與砒砂巖量呈正相關(guān)關(guān)系，與沙粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，復(fù)配比例為1∶1時(shí)，土壤團(tuán)聚體含量最高，保水效果最好，風(fēng)蝕量也最低。孫嬰嬰等[22]在毛烏素沙地進(jìn)行了玉米種植試驗(yàn)，研究了不同比例復(fù)配土對儲水能力的影響，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配土可顯著提高土壤保水蓄水能力，尤其對表層土壤和深層土壤的保水性有顯著作用，且有利于玉米根系對水分的吸收和生長。王歡元等[23]對不同含沙量條件下的砒砂巖與沙復(fù)配土的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，復(fù)配土的含沙量越高，毛管孔隙度越低，而飽和含水率則越高，含沙量對水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響顯著。張露等[24]對毛烏素沙地不同質(zhì)量比復(fù)配土持水情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明復(fù)配土水分特征曲線可由Gardner模型較好地?cái)M合，復(fù)配土中砒砂巖質(zhì)量與田間持水量、有效水含量、萎蔫系數(shù)以及有效孔隙度均呈正相關(guān)關(guān)系，復(fù)配土壤的持水保水能力隨砒砂巖質(zhì)量的增加而增強(qiáng)。趙彤等[25]研究了毛烏素沙地不同體積比條件下的砒砂巖與沙復(fù)配土對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化情況，結(jié)果表明，種植作物之前、復(fù)配土比例為1∶1時(shí)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比最大，而種植作物4 a后、復(fù)配土比例為1∶2時(shí)，更有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。張露等[26]對砒砂巖與沙復(fù)配成土表層(0～20 cm)土壤儲水情況進(jìn)行了重點(diǎn)研究，發(fā)現(xiàn)表層土體有效水含量隨砒砂巖與沙復(fù)配比例的增加而增加，土體重構(gòu)后，若沙含量大于砒砂巖量，則不利于土壤水分儲蓄。攝曉燕等[27]研究發(fā)現(xiàn)，砒砂巖對降低入滲率和飽和導(dǎo)水率、增加含水量和持水能力效果顯著，砒砂巖與沙比例為1∶3時(shí)，復(fù)配土的吸水和保水性能最佳。

2.3 對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.4 對作物生長和產(chǎn)量的影響

柴苗苗等[38]通過二因素隨機(jī)試驗(yàn)，探究了不同砒砂巖與沙復(fù)配體積比對種植作物生長和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配體積比為1∶1時(shí)團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量較高，更有利于小麥、玉米和大豆的生長，但復(fù)配比為1∶1時(shí)作物產(chǎn)量顯著低于1∶2和1∶5時(shí)。胡雅[39]在小區(qū)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了砒砂巖與沙不同復(fù)配比例對作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配比例對作物產(chǎn)量的作用不明顯，復(fù)配土中砒砂巖含量小時(shí)，較為適宜耕種馬鈴薯，復(fù)配土中砒砂巖含量大時(shí)，則較為適宜耕種玉米、小麥和大豆。韓霽昌等[16-17]對砒砂巖與沙復(fù)配土種植冬小麥的生長和產(chǎn)量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配土對作物生長凈光合速率、蒸騰速率等均有顯著影響，較黃土與沙復(fù)配土的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量均有顯著提高。魏樣等[40]為尋求適宜小麥生長的砒砂巖與沙復(fù)配比例進(jìn)行了小區(qū)模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明，復(fù)配土比例為1∶5時(shí)，土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量和小麥產(chǎn)量能達(dá)到最高。孫嬰嬰等[41]研究了不同砒砂巖與沙復(fù)配比例對春玉米生長指標(biāo)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶2時(shí)，對春玉米光合作用影響顯著，且百粒重與產(chǎn)量均顯著高于其他比例的復(fù)配土。孫增慧等[42]在陜北榆陽區(qū)進(jìn)行了不同砒砂巖與沙復(fù)配比例條件下的玉米大田試驗(yàn)，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶2時(shí)，對玉米產(chǎn)量的增加效果最為顯著，畝均產(chǎn)量最高可達(dá)480 kg，此外，對復(fù)配土添加一定量的改性材料也有助于作物生長和產(chǎn)量的提高。魏彬萌等[43]通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究了生物炭對砒砂巖與沙復(fù)配土種植玉米的影響，結(jié)果表明，復(fù)配土中生物炭量的增加可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、磷和鉀的含量，且對復(fù)配土理化性質(zhì)、水肥保持、作物生產(chǎn)和產(chǎn)量均有顯著改善。

3 砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)研究不足

國內(nèi)學(xué)者對砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究并取得了諸多成果，該技術(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[18-19，44]。但根據(jù)目前研究現(xiàn)狀來看，仍有較多關(guān)鍵技術(shù)要素尚需取得突破。

3.1 復(fù)配成土的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)研究尚不充分

馬增輝等[45]探討了不同混合比例的砒砂巖與沙復(fù)配土壤中粉粒和黏粒的運(yùn)移規(guī)律，杜宜春等[46]研究了濃度、流速和離子強(qiáng)度對砒砂巖黏粒在風(fēng)沙土中遷移的影響，而對復(fù)配土土壤容重、土壤酸堿度、孔隙度以及團(tuán)聚體等質(zhì)地和結(jié)構(gòu)方面的研究較少。水肥氣熱對土壤理化性質(zhì)具有重要的影響，王璐瑤等[47]研究了土壤溫度對砒砂巖理化性質(zhì)及營養(yǎng)成分的影響，但對于復(fù)配土土壤溫度和光熱狀況的研究尚不多見。土壤微生物活動對作物生長和土壤質(zhì)量提高具有顯著影響，目前僅曹婷婷等[29]對砒砂巖與沙復(fù)配成土生物培肥效應(yīng)進(jìn)行了研究，對微生物活動引起的砒砂巖與沙復(fù)配土理化性質(zhì)的影響尚需進(jìn)一步研究。

另外，環(huán)境中某種營養(yǎng)元素過量、不足或多種養(yǎng)分配合不當(dāng)，都可能對生物的生命活動起限制作用，不同類型作物對營養(yǎng)物質(zhì)種類與需求量存在較大差異，營養(yǎng)物質(zhì)在作物體內(nèi)的積累量也有不同。大量研究通過設(shè)置不同復(fù)配土比例驗(yàn)證了復(fù)配土對含蓄水分、增加土壤養(yǎng)分及提高作物產(chǎn)量具有一定影響，但砒砂巖與沙復(fù)配成土在涵養(yǎng)水分、保蓄養(yǎng)分以及作物增產(chǎn)等方面的作用機(jī)理尚不明確，且對于養(yǎng)分方面的研究主要集中于土壤氮素[48-50]，并在復(fù)配土氮素垂直運(yùn)移[35]、氮素吸附性能[36]以及氮素淋失[33]等方面進(jìn)行了研究，而對于其他養(yǎng)分，如有效磷、速效鉀、有機(jī)碳等營養(yǎng)物質(zhì)的研究較少。此外，王晶等[51]、張海歐等[52-53]對砒砂巖與沙復(fù)配土壤在凍融條件下土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤特征進(jìn)行了研究，但尚缺乏不同覆蓋材料以及施用生物炭條件對其在凍融條件下節(jié)水、保肥及增產(chǎn)效果方面的研究。針對復(fù)雜的野外作業(yè)條件，多種因素共同作用(如水肥耦合條件、水鹽脅迫等交互作用)對砒砂巖與沙復(fù)配土物理、化學(xué)及生物性質(zhì)影響的研究較少。

3.2 缺乏長期應(yīng)用及系統(tǒng)觀測

對不同比例復(fù)配土條件所實(shí)現(xiàn)的不同效果成因研究不明確。研究中試驗(yàn)研究較多，但對于中間發(fā)生的過程研究相對不足，大量試驗(yàn)研究集中在短期或一個(gè)生育期內(nèi)，缺乏多個(gè)生育期內(nèi)或多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性研究。作為一種配土技術(shù)，其配方相關(guān)參數(shù)的確定方法尚不明確，且不同比例復(fù)配土的設(shè)定主要依靠主觀經(jīng)驗(yàn)。目前，雖然已進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但并未制定出業(yè)內(nèi)統(tǒng)一且被認(rèn)可的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大規(guī)模復(fù)配土操作流程及技術(shù)規(guī)范也尚未形成。如針對不同作物種植結(jié)構(gòu)、不同施肥模式[54]、不同地類現(xiàn)狀、不同灌溉排水條件以及不同種類化肥施用條件下適宜的復(fù)配比例等也尚未明確，特別是在極端降雨、極端干旱等氣候條件下，缺乏相關(guān)長期觀測數(shù)據(jù)和模擬試驗(yàn)，復(fù)配土的長期施用結(jié)果存在不確定性。

3.3 對土壤固碳、土壤重金屬影響效果、改性材料添加和土壤溫度等研究尚不充分

需要指出的是，土壤固碳和土壤修復(fù)是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)對土壤固碳和土壤重金屬影響效果的研究還十分少見，目前僅孫嬰嬰和郭振等[55-56]對砒砂巖與沙復(fù)配土的固碳機(jī)理及固碳能力等方面進(jìn)行了研究，但由于觀測時(shí)間較短、研究數(shù)據(jù)較少，對不同復(fù)配比例條件下土壤固碳能力和差異性以及對不同復(fù)配土中生物群落結(jié)構(gòu)和功能的研究尚未見到。羅林濤等[57]利用等離子體質(zhì)譜儀對砒砂巖與沙復(fù)配土的重金屬含量進(jìn)行了測定，結(jié)果雖表明復(fù)配土中重金屬含量對作物生長和品質(zhì)安全有一定的保證，但對于富集重金屬的土壤中作物生長和產(chǎn)量等方面的研究尚未見到，復(fù)配土是否對土壤中重金屬含量具有吸附固定作用也有待進(jìn)一步研究。李勁彬等[58]研究了不同比例復(fù)配土對重金屬滲透遷移的影響，結(jié)果表明，砒砂巖對重金屬滲透抑制效果顯著，但對重金屬的吸附性低于黃土。李娟等[59]研究了添加秸稈和生物炭等改性材料對復(fù)配土穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，添加有機(jī)物料后的復(fù)配土穩(wěn)定性指標(biāo)均比對照組高，且混施物料對團(tuán)聚體穩(wěn)定指標(biāo)的改善效果優(yōu)于單一物料。郭振[60]研究了添加有機(jī)物對復(fù)配土碳氮含量的影響，結(jié)果表明，施用有機(jī)肥可促進(jìn)0～20 cm表層土壤有機(jī)碳和全氮的積累，但研究均較為單一。因此，改性材料的添加對復(fù)配土理化性質(zhì)、保水保肥保土以及對作物生長和產(chǎn)量、土壤固碳和重金屬防治等方面的研究也應(yīng)是重點(diǎn)研究的內(nèi)容。此外，針對復(fù)配土地溫相關(guān)研究目前較少[61-62]，也是今后研究的一個(gè)重要方向。

4 砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)推廣前景和展望

砒砂巖是一種危害大且利用率較差的風(fēng)化巖石，但通過與沙復(fù)配成土，砒砂巖變成了可以利用的優(yōu)勢資源。結(jié)合大量文獻(xiàn)可以看出，砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)在增加耕地面積、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水土、增強(qiáng)土壤水土保持效應(yīng)、改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)、提高土壤養(yǎng)分和營養(yǎng)物質(zhì)以及增產(chǎn)等方面都有顯著的作用[63-65]。針對不同的種植條件和作物種類，均提出了適宜的復(fù)配比例，促進(jìn)了砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的應(yīng)用和推廣。但目前砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)相關(guān)研究尚不全面。根據(jù)查閱分析以往文獻(xiàn)，目前對砒砂巖與沙復(fù)配成土的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)還缺乏系統(tǒng)性研究，相關(guān)研究仍有待加強(qiáng)。大面積施用后，砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)對土壤固碳和土壤重金屬影響效果具有重要的生態(tài)環(huán)境意義，該方面研究應(yīng)提前開展。砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)尚新，因此其長期環(huán)境、生態(tài)效益也應(yīng)得到持續(xù)關(guān)注?？傊?，砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的推廣和相關(guān)工程的實(shí)施，為我國提高耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量、保障糧食安全、緩解水土流失以及生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展提供了廣闊的路徑和科技支撐。