砒砂巖與沙復配成土造田技術研究

付 佩，王歡元，羅林濤，2，韓霽昌，馬增輝，童 偉，程 杰

（1.陜西省地產開發服務總公司 陜西省土地整治工程技術研究中心 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安710075；2.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安710048）

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［1］，位于北緯37°30′—39°20′，東經107°20′—111°30′之間。毛烏素沙地地處北方農牧交錯生態脆弱區，生態環境極易破壞，人地矛盾相對突出。東南部人為破壞嚴重，流沙比重大；西北部除有流沙分布外，還有成片的半固定、固定沙地分布；東部和南部地區農田高度集中于河谷階地和灘地，向西北則農地減少，草場分布增多；流沙在一些區域還在擴大。治沙是毛烏素沙地所在很多地區面臨的首要任務。為了控制風沙危害，改善生態環境和農牧業生產條件，學者們［2－3］提出了多種毛烏素沙地的生態修復措施，但該區的土壤和水分條件限制了這些措施的開展［4］。例如，飛播造林［5］已有30多年的歷史，但飛播后種子的穩定性差，成活率低，尤其是在流動性很強的沙地上，由于沙面極不穩定，水分條件差，植物入侵困難。因此，毛烏素沙地的治理需要將工程固沙與生物固沙措施結合起來［6－7］。王仁德［8］就提出了毛烏素沙地治理及綜合利用新模式，但核心問題是沙地改良。國外已有砂黏混合土［9］，塌陷土和砂混合土［10］，膨潤土和沙土混合土［11］等沙地改良的報道。國內已有沙土和鹽堿土混合成沙堿土［12］，炭和腐泥改良風沙土［13］，沙土和煤矸石混合成土［14］等復合土壤種植作物的報道。在毛烏素沙地地區，一般可通過黃土與沙混合來達到沙地改良的目的。但該方法在榆林的沙荒地治理中很難實行，一方面，當地最近的黃土土源約在50～60km外，僅拉土成本就高達10.5萬元/hm2，工程成本太高；另一方面，陜北屬于黃土高原溝壑區，大量開采黃土勢必會加速水土流失和環境惡化。

毛烏素沙地中還廣泛分布著砒砂巖，其以晉陜蒙接壤區為中心，遍及內蒙古自治區的杭錦旗、清水河兩縣的部分地區，總面積達1.67×104km2［15］。砒砂巖無水則堅硬如頑石，有水則松軟如爛泥，遇風則風化剝蝕，因凍融作用強烈，致使溝谷坡表層的松散層達5～10m。并且，砒砂巖極易風化，遇風、遇雨、遇凍、遇曬、遇外力，很容易松散，砒砂巖區又是黃土高原的暴雨中心，降水多以暴雨形式出現，加之植被稀少等原因，造成砒砂巖區侵蝕嚴重，產沙量大，遇到山洪暴發，便順流而下，進入黃河，成為下游河床不斷淤高的主要原因。砒砂巖區土壤侵蝕模數高達約4.0×104t/（km2·a），是黃土高原侵蝕最劇烈的區域。

砒砂巖成巖程度低，結構強度低，易風化，顆粒間膠結程度低，滲透性能差，優點是具有較好的持水和保水能力［16－17］，巖層貯水多，成為相對富水層，能為植物生長提供水分。沙土質地均一，結構疏松，水分在土層空間內的分布較為均勻，一旦水分補給減少，蒸散增加，就會出現整體性缺水。由于砒砂巖具有保水性能好的優點，可以彌補沙漏水漏肥的缺點。利用二者互補的性質，進行了砒砂巖與沙以不同比例混合復配成土及其作物種植實驗。在砒砂巖與沙成土室內、田間試驗研究基礎上，選取毛烏素沙地在地理位置、氣候、水文（主要是水資源）等方面具有典型性的榆陽區小紀汗鄉大紀汗村作為大田工程示范項目點，對砒砂巖與沙成土大田工程示范進行了研究。研究成果有助于砒砂巖與沙成土技術在毛烏素沙地的大面積推廣，對于增加陜西省耕地面積、提高耕地質量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗所用砒砂巖與沙均采自毛烏素沙地榆林市榆陽區。室內實驗和田間小區試驗在陜西省地產開發服務總公司的富平縣試驗基地（E108°57′—109°26′，N34°42′—35°06′）進行。富平縣是關中平原和陜北高原的過渡地帶，屬渭北黃土高原溝壑區，地勢北高南低，自西北向東南傾斜，海拔375.8～1 420.7m。氣候屬于大陸性季風溫暖帶半干旱型氣候區，年總輻射量5 187.4MJ/m2，年日照時數約2 389.6h，年均氣溫為13.1℃，年平均降水量527.2mm（1960—1995年），降水年際變率達21.2%［18］。

大田工程示范在榆林市榆陽區，榆陽區位于陜西省榆林市的中北部，無定河中游，東與神木毗鄰，西北與內蒙接壤，東南與佳縣、米脂縣交接，西南與橫山縣相連。根據2009年第二次土地全面調查數據匯總結果顯示，榆林市未利用土地占陜西省未利用土地總面積的45.60%，其中沙荒地約3.53×105hm2，占榆林未利用地總面積的91.65%。項目區位于毛烏素沙地腹地，長城以北約30km，涉及榆陽區小紀汗鄉大紀汗村1個行政村，地理坐標介于東經109°29′50″—109°31′44″，北緯38°26′23″—38°27′02″之間，屬典型的風沙草灘區，其特殊的地理位置及植被類型決定了無法利用傳統措施進行大面積造地。而榆陽區小紀汗鄉大紀汗村土地開發項目周邊砒砂巖分布較為廣泛。項目區周邊的分布區域有距離項目區約5km的井克梁村，分布有約1km2；距項目區25km的楊家灘村約有2.7km2；距項目區15km的黃土梁村約有0.6km2的砒砂巖分布，而且均為蓋沙區砒砂巖。

1.2 研究方法

將砒砂巖與沙在室內自然風干，研缽研磨，使之全部通過2mm孔徑的篩子，將砒砂巖與沙以不同的比例混合均勻備用。分別測定了各混合比例下的土壤機械組成、毛管孔隙度、飽和導水率和有機質等理化性質，使用的方法分別為吸管法、環刀法、定水頭法、重鉻酸鉀氧化—外加熱法。綜合評價砒砂巖與沙在不同混合比例下的成土物理性質。

根據室內實驗選出砒砂巖與沙0∶1，1∶5，1∶2，1∶1，2∶1，5∶1，1∶0等混合比例進行富平縣小區田間試驗研究。在自然氣候等環境條件下栽培作物，以不同比例混合的砒砂巖與沙為培養介質，在當地傳統水肥管理下種植適宜當地氣候的多種作物，確定的作物生長的最佳混合比例。田間小區和榆陽區示范工程主要種植馬鈴薯和玉米。榆陽區大田工程示范是在田間小區實驗基礎上，結合土地整治工程和現代高效節水灌溉技術在項目示范區進行的小范圍的工程示范。榆陽區作物試種后“復配土壤”肥力水平和重金屬指標的測定方法詳見表1。

表1 土壤肥力檢測項目與分析方法

2 結果與討論

2.1 砒砂巖與沙復配土室內實驗

土壤質地與土壤理化性狀密切相關，因此，可通過測定其機械組成，確定合成“土壤”的質地。并選取飽和導水率和毛管孔隙度作為持水保水能力的指標，以有機質作為肥力指標對合成“土壤”性狀進行評價。砒砂巖與沙混合后的土壤質地隨著其中砒砂巖比例的增大，質地類型呈現:砂土→砂壤→壤土→粉壤的變化趨勢（表2）。由表2可見，當沙中混入砒砂巖后，結構性質不良的砂質土壤得到了顯著的改良。二者混合后經測定飽和導水率比全沙顯著下降，說明砒砂巖有降低飽和導水率的作用。在混合比例1∶5～1∶2是混合樣品的飽和導水率下降趨勢由快到慢的轉折點，該比例范圍是較為理想的導水范圍（圖1）。砒砂巖含量的增加對合成“土壤”結構性的改良具有積極的作用，但不宜過多，否則影響結構的通透性。經測定，毛管孔隙度隨著砒砂巖混合比例的增加從26.33%提高到了44.94%（圖2），說明沙中混入砒砂巖后，非毛管孔隙有向毛管孔隙轉變的趨勢，毛管孔隙度增大，有利于蓄水供水，保證作物良好的生長條件。砒砂巖與沙混合后的有機質含量變化范圍為0.42～1.06g/kg，不適宜作物的直接生長，可通過后期施用有機肥等措施得以改善。

表2 砒砂巖與沙不同混合比例下的土壤質地

圖1 砒砂巖與沙不同混合比例下的飽和導水率

圖2 砒砂巖與沙不同混合比例下的毛管孔隙度

2.2 砒砂巖與沙復配土富平縣小區試驗

根據砒砂巖與沙復配成土室內實驗相關研究結果，以砒砂巖與沙1∶2和1∶5等混合比例種植作物。不同砒砂巖與沙混合比例的土壤分別經兩季作物種植后的有機質含量變化詳見表3。其中砒砂巖與沙1∶2和1∶5配比下的“土壤”有機質含量平均分別提高了0.465和0.695g/kg，并且土壤有機質含量呈現出隨著種植作物季數的增加而增加的趨勢；砒砂巖與沙混合比例為1∶2和1∶5的＞0.25mm水穩定性團聚體含量在第二季作物種植后分別達到了22.82%和20.82%，分別比砒砂巖與沙混合種植前的含量提高了1.38%和2.44%（表4），而且，土壤團聚體粒徑分布更為均勻，土壤結構逐漸改善。玉米和馬鈴薯在1∶2和1∶5復配土壤中的產量分別為9 900，8 250kg/hm2和22 500，35 235kg/hm2。從作物產量情況來看，玉米適宜在1∶2復配土壤中生長，而馬鈴薯適宜在1∶5復配土壤中生長。

表3 土壤種植兩季作物前后的有機質含量 g/kg

表4 土壤種植兩季作物前后水穩定性團聚體質量百分含量 %

2.3 砒砂巖與沙復配土榆陽區大田試種

榆陽項目區未利用土地開發前均為高低起伏的風沙草灘地，相對高差小于20m，土地平整工程任務大，項目共移動土方1.35×106m3，平整后共劃分為28個田塊，單個田塊均為規則的長方形，均約5.7 hm2/塊，根據實際地形，田塊長邊方向坡降基本控制在2‰、寬邊方向坡降基本控制在5‰范圍內，土地平整度及坡降均滿足灌水均勻等相關技術要求。每個田塊的耕作層在30cm，整個工程主要采用外運砒砂巖進行覆蓋、破碎、翻耕攪拌達到復合成土，以達到改善土壤結構的目的，整個項目共覆砒砂巖1.55×105m3。用于種植馬鈴薯的田塊砒砂巖與沙以1∶5的比例混合，即覆蓋5cm左右砒砂巖于沙土上，再對30 cm耕作層進行翻旋混勻。用于種植玉米的田塊砒砂巖與沙以1∶2的比例混合，即覆蓋約10cm砒砂巖于沙土上，再對30cm耕作層進行翻旋混勻。馬鈴薯和玉米的產量分別為37 500～45 000kg/hm2和13 500～14 250kg/hm2。

2.3.1 砒砂巖與沙復配土榆陽區大田試種后土壤的肥力水平分析 榆林市榆陽工程示范區共規劃了7塊農田，在2012年馬鈴薯收獲后，在每塊農田中采集了1個土壤樣品。土壤樣品的采集與制備按照《土壤理化分析與剖面描述》［19］進行。

由表5看出，根據《陜西土壤》，榆林市榆陽區土壤pH值偏堿性，變幅在8.26～8.50。《陜西土壤》中陜北地區土壤的有機質以9級為主。砒砂巖與沙復配土在作物收獲后，測得土壤有機質平均含量為2.2 g/kg，變幅在1.3～3.4g/kg，處于9級水平。一般認為，土壤有機質含量大于20g/kg的土壤比較肥沃，所以總體上來說，土壤有機質含量急需提高。砒砂巖與沙復配土平均全鹽量為0.13%，變幅范圍為0.01%～0.25%，一般情況下，當耕作層土壤含鹽量大于0.2%時，作物的生長發育會受一定的影響，復配土有90%左右的全鹽量達標，符合種植標準。土壤全氮含量是土壤肥力的主要指標之一。砒砂巖與沙復配土測得土壤全氮平均含量為0.57g/kg，變幅在0.42～0.70g/kg，處于7級水平。土壤速效磷含量水平是土壤供磷能力的重要指標之一。根據《陜西土壤》的研究結果，陜西省絕大部分地區的土壤是缺磷的［10］，砒砂巖與沙復配土測得土壤速效磷平均含量為3.0mg/kg，變幅在2.5～3.7mg/kg，處于7級水平。砒砂巖與沙復配土測得土壤速效鉀平均含量為60.1mg/kg，變幅在47.4～85.0mg/kg，處于6級水平。

表5 復配土理化指標檢測結果

2.3.2 砒砂巖與沙復配土榆陽區大田試種后土壤的環境質量狀況 由表6可以看出，復配土全砷含量變化范圍2.48～14.50mg/kg，全汞含量變化范圍0.05～0.14mg/kg，全鉛含量變化范圍15.79～21.44 mg/kg，全鎘含量變化范圍0.18～0.33mg/kg，全鉻含量變化范圍16.64～27.23mg/kg，全銅含量變化范圍2.34～8.79mg/kg，全鋅含量變化范圍2.41～7.96mg/kg，全 鎳 含 量 變 化 范 圍 6.27～14.55 mg/kg。根據《土壤環境質量標準》［20］，砒砂巖與沙復配土壤質量中除全鎘含量一部分達到一級標準，一部分達到二級標準外，其余重金屬砷、汞、鉛、鉻、銅、鋅、鎳的含量均達到了一級標準，均符合種植標準。從2009年開始，在榆陽區大紀汗土地開發示范工程中，累計整治規模2 100hm2，新增耕地1 573hm2，新技術節支總額約1.57億元，且節水效果顯著；建成的規模化、高標準脫毒馬鈴薯原種繁育基地，對周邊農戶起到了輻射帶動作用，經濟、社會和生態綜合效益顯著。

表6 復配土重金屬含量 mg/kg

3 結論

玉米和馬鈴薯分別適宜在砒砂巖與沙為1∶2和1∶5的復配土中生長，并對大田試種后的土壤肥力水平與環境質量狀況進行了分析，均符合種植標準。總體來看，砒砂巖與沙兩種物質按照一定比例混合后，改善了砒砂巖和沙物質自身的不利特性，產生了新的土壤特性，可以滿足作物生長的需求，增加了耕地資源。砒砂巖與沙復配成土造田技術為在毛烏素沙地大規模推廣應用提供了科學依據。

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