淺析毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性研究關鍵技術

摘 要：目前，土地作為一種非常珍貴的資源，人們關心的不僅是目前合成“土壤”具有良好的理化性質，可以滿足農業生產的基本需求，更關心這種合成“土壤”的性質穩定性和可持續利用。本文在砒砂巖與沙復配成土技術基礎上，主要從土壤特性變化、水肥耦合和水土匹配3方面分析毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性關鍵技術問題，從而為新造土壤的穩定性和可持續利用提供技術指導和理論支持。最后展望未來開展毛烏素沙地治理及砒砂巖與沙復配土壤關鍵技術研究的發展趨勢。

關鍵詞：復配土壤；穩定性；可持續利用；關鍵技術

中圖分類號：S-1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733052

引言

毛烏素沙地是我國農牧交錯區的典型代表，生態環境脆弱并威脅北方地區的生態安全。區內存在沙地沙漠化嚴重和砒砂巖區水土流失嚴重2大危害，長期以來的治理雖然取得了一定成效，但仍較為有限，未從根本上解決區內嚴重的生態環境問題。隨著陜西省耕地面積的日益縮減，在關中地區可開發利用土地日益減少、陜南土地開發利用難度大的前提下，增加耕地資源的焦點轉向了具有光熱資源豐富的陜北地區，毛烏素沙地面積廣，具有巨大的挖掘潛力。如何對毛烏素沙地進行整治利用，提高耕地質量，實現土地的可持續利用成為亟待解決的關鍵問題[1-3]。陜西省“十二五”規劃綱要明確提出，加強土地開發整理，充分挖掘陜北地區糧食潛力，建設陜西第二糧倉。

陜西省土地工程建設集團經過近10a的探索及研究，利用砒砂巖與沙在成土中的互補性，將二者按不同的比例復配成土，砒砂巖與沙的合成“土壤”具有良好的理化性質，為作物生長、農業生產創造了良好的基礎[4-9]。田間試驗和工程示范結果也已經證實，合成“土壤”用于種植作物、農業生產的效果顯著[10-13]。目前，土地作為一種非常珍貴的資源，人們關心的不僅是目前合成“土壤”具有良好的理化性質，可以滿足農業生產的基本需求，更關心這種合成“土壤”的性質穩定性和可持續利用。本文在砒砂巖與沙復配成土技術的基礎上，通過分析毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性研究關鍵技術問題，從而為新造土壤的穩定性和可持續利用提供技術指導和理論支持。

1 毛烏素沙地綜合整治現狀

全國沙漠化普查結果表明，毛烏素沙地總面積為7.84萬km2，占全國沙區總面積的4.25%。由于自然氣候條件和人文活動干擾的綜合影響，毛烏素沙地的沙漠化態勢明顯加劇，對我國北方地區的生態安全造成巨大沖擊。毛烏素沙地屬于生態脆弱區，廣泛分布著砒砂巖，近幾十年來，砒砂巖區內的許多縣區均開展了砒砂巖區域的治理工作。總體來看，數十年來，通過生物固沙、機械固沙和化學固沙，在一定程度上控制了毛烏素地區沙地的快速擴張。但是，沙地土壤貧瘠，肥料短缺，嚴重影響作物產量，毛烏素沙地呈現出“整體遏制，局部好轉，局部退化”的局面，未治理的面積仍占較大比例。而且隨著快速工業化、城鎮化發展，人類經濟活動加劇，特別是能源開采、水資源開發、農業結構戰略性調整仍會對區域生態建設、沙漠化防止帶來新的沖擊和壓力，因而科學協調保障發展與保護生態環境的關系事關生態脆弱地區的資源可持續利用和經濟社會的可持續發展。

被稱為“環境癌癥”的砒砂巖在該地區分布范圍廣[14]，缺點是砒砂巖成巖程度低，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能力和保水能力，巖層儲水多，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，彌補漏沙、漏水、漏肥的缺點。陜西省土地工程建設集團利用二者的性質，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象，達到改善土壤物理特性，進而達到提高土地生產力的目的。

2 砒砂巖與沙復配成土技術研究進展及現狀

砒砂巖與沙復配成土技術是指將沙地開發整治為耕地過程，通過將一定量的砒砂巖和沙2種物質經科學配比，使其成為滿足作物生長的新增耕地的耕作土壤層，同時加以工程、經濟、技術手段使沙地成為優質耕地的技術[4-8]。

毛烏素沙地廣泛分布著砒砂巖和沙，砒砂巖質地粘重，遇水板結，導水性能低，透水性差，熟化程度低，遇水流失嚴重，但砒砂巖持水保水性能較強，而沙通體無結構，漏水、漏肥嚴重，砒砂巖和沙在當地并稱為“兩害”，也是造成當地水土流失、耕地減少的主要原因。如何變“兩害”為“一寶”，陜西省土地工程建設集團經過近10a的探索及研究，從資源合理利用的角度出發，遵循區域生態環境平衡的規律，就地取材，利用兩者在成土中的互補性，將砒砂巖與沙按不同的比例復配成土，揭示其成土機理，既可解決沙土黏著力差、易被風吹揚和滲透能力太強漏水、漏肥的問題，也可以改善砒砂巖粘重、易板結的特點，使土壤兼備透氣透水性和保水保肥性，變“兩害”為“一寶”[1-13]。并采取新思路在復配成土技術上取得了一定的突破，將砒砂巖與沙復配成土的技術應用于造田工程，并在榆林市小紀汗鄉大紀汗村得以推廣應用。砒砂巖與沙復配成土技術的研究與應用推進了土地整治工程領域的發展，開啟了土地整治、保護耕地的新篇章。

陜西省土地工程建設集團在研究中重點通過將砒砂巖與沙進行不同配比，采用正交的試驗設計法，選取沙土比例、灌溉水量、種植作物種類及農藝處理4個試驗因素，經多年的反復試種和測土測產分析，分析不同影響因素下作物生長和土壤結構的變化。研究人員通過砒砂巖與沙的不同混合比例多項指標的對比研究，分析比較了砒砂巖與沙在不同混合比例的土壤物理性質的變化特征，發現二者按照1：2～1：5的比例合理配置后，粘粒含量可以達到4.9%～8.4%，粉粒含量可以達到22.5%～38.9%，土壤質地達到砂壤土的標準，遠遠好于原來以砂粒為主的沙地砂質土壤質地，形成了松散透氣、結構適宜的膠結土層。

目前，除了陜西省土地工程建設集團對于砒砂巖與沙復配成土技術進行分析研究外，國內外相關文獻未見利用砒砂巖和沙混合合成可耕種土壤及其相關試驗和研究等內容報道。本文研究了在砒砂巖與沙復配成土技術研究的基礎上分析復配土的穩定性及可持續利用的關鍵技術。

3 砒砂巖與沙復配土壤穩定性研究關鍵技術

3.1 揭示復配土壤結構、成分等特性隨時間的變化機理

作為一種新型的復配土壤，其土壤特性及隨時間的變化情況可以反映出其作為土壤這種基質的性能好壞。因此，研究其土壤特性，特別是隨時間的遷移變化對土壤的穩定性具有重要理論意義。

已有研究成果發現[1-13]，砒砂巖與沙按一定比例復配成土，在農業管理措施（灌溉、耕作等）的影響下，土壤中的粉粒和粘粒有向下運移的趨勢，經過長期影響，土壤耕層的粉粒和粘粒含量將如何影響土壤質地；土壤耕層砒砂巖與沙的復配比例在這種情況下如何保證。因此，需要對土壤剖面中的粉粒和粘粒的向下運移對土壤質地的影響進行研究，從而指導工程實踐中砒砂巖與沙復配成土的混合比例的確定。

土壤團聚體是土壤結構最基本的單元，是土壤肥力的協調中心和土壤性狀的敏感性物理指標[15-17]。單獨的砒砂巖與沙的N、P、K和有機質等養分含量都非常低，難以滿足作物對土壤肥力的需求。而砒砂巖與沙復配成土后，復合土壤的有機質含量將如何變化，需要對復合土壤的有機質含量隨時間的變化規律進行研究；而土壤團聚體是土壤養分的有效載體，較好的團聚體組成是土壤熟化的指標之一，因此，還需要對土壤團粒隨時間的變化進行研究，采用水穩性團聚體的研究來評價砒砂巖與沙合成“土壤”的穩定性。

3.2 確定不同作物種植的水土肥耦合方法及合理的農田管理制度

根據新型土壤保水保肥性能，建立科學的田間水肥管理制度至關重要，科學的水肥管理制度可以為新型土壤的可持續發育和利用提供技術保障。

砒砂巖與沙復配成土后改善了土壤的通透性和保水保肥性，種植作物的產量顯著高于沙地產量，對砒砂巖與沙復配成土后不同作物品種水肥耦合利用進行研究，以達到提高水肥資源利用效率、提高作物產量的目的。同時，針對作物的品質進行對比研究，對復合土壤上種植作物的品質與沙地作物品質進行對比研究，以確保復合土壤上的作物安全食用問題。

砒砂巖與沙合成“土壤”養分匱乏，如何滿足作物生長養分需求，需要增施肥料，尤其要多施有機肥，施入的有機肥形成腐殖質，可以增加土壤中的膠結物，提高沙土的粘結性和團聚性，促進土壤團粒結構的形成[18]。增施有機肥對于合成“土壤”尤其重要，因為合成“土壤”的部分團粒結構水穩性較差，而利用有機質作為膠結物則有利于增加團粒結構的穩定性[19-21]。并且由于砒砂巖為弱堿性，而土壤有機質養分轉化是微生物在微酸、中性和微堿的土壤環境中形成的，故而研究區內的砒砂巖土不利于有機質的積累和轉化。要對砒砂巖進行有效利用，就要適當調節土壤的酸堿度，增施生理酸性肥料和有機質料來改善。

耕作是調節土壤結構最有效的基本措施，有利于調節土壤的孔隙度，尤其針對板結土壤的耕作，可以改善土壤的通透性，有利于作物的生長發育和土壤的熟化。合理的輪作或免耕制度對于恢復和培育團粒結構有良好的影響，如一年生作物因耕作頻繁，土壤有機質消耗快，不利于團粒結構形成，適當推行免耕可以減少有機質的消耗，改良土壤結構[22-23]。

3.3 確定合理的水資源開發利用模式

在毛烏素沙地開發集約節約利用中，可利用的有效水資源是最為關鍵的，研究毛烏素沙地的開發，必須首先解決水的問題，特別是能否節水，水資源能否可持續利用，是土地能否可持續利用的決定因素。因此，毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性關鍵技術研究，應該主要對水資源的儲量、供需平衡分析、復配土持水保水特性和節水措施下的灌溉制度效果進行研究。

砒砂巖與沙復配成土具有持水保水效果，這是毛烏素沙地開發利用的基礎保障。在不同的灌溉手段、不同的灌溉制度等條件下分析對比不同的用水量，尋找合理的、高效的節水方式；在毛烏素沙地大規模、大面積開發利用時，探索區域水資源支持能力；在高效節水、可持續利用水資源等措施下，研究并實現區域水資源優化配置。

毛烏素沙地砒砂巖與沙復配成土后進行集約化的農業生產勢必需要大量的水資源供給，毛烏素沙地水資源占有量與集約化農業生產需水規模是否匹配；砒砂巖與沙復配成土技術在當地是否可以保證可持續利用；因此，需要對毛烏素沙地水資源量進行調查研究，并監測地下水的變化，從而采用適宜的開發利用模式，以保證農業的可持續發展。

要想找出作物需水規律并建立正確的灌溉技術，需要對土壤水儲量進行研究。進行復配土壤水分測定，了解復配土水儲量的動態變化，從而達到科學用水，改良土壤，提高單位面積產量，對于毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性和可持續利用具有重要的意義。

作為沙地農業最關鍵的生態因子，節水灌溉極其重要。從作物生長角度，適時補給適量水分為正常生長所必需，水分過少會使植物發生萎焉甚至枯死，水分過多則會帶走養分，使植物無法及時吸收利用，易造成水肥浪費，土壤板結。從水資源利用角度，節水灌溉有利于水資源涵養、保護地下水資源，有利于沙漠生物生存和沙地生境改善等，是滿足人類可持續生存的必要前提[24-25]。因此，沙地灌溉要實現高效、節水，有計劃利用。

4 結論

本研究在砒砂巖與沙復配成土技術基礎上，主要通過分析砒砂巖與沙復配成土的土壤特性變化、水肥耦合和水土匹配等方面的變化機理，揭示毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土壤穩定性研究關鍵技術問題，目的在于分析復配土的性質穩定性、水肥耦合，調控合成土壤質量的良性發展，以促進土壤的可持續利用；同時對研究區水資源可持續利用和生態修復進行分析闡述，旨在為砒砂巖與沙復配成土技術在毛烏素沙地的大規模推廣應用奠定堅實的基礎，從而為新造土壤的穩定性和可持續利用提供技術指導和理論支持。

本文基于砒砂巖與沙復配成土技術能夠更好地推廣，以期為毛烏素沙地基于砒砂巖與沙復配成土技術的推廣應用提供理論依據，對于增加耕地面積，提高土壤質量，保障我國18億hm2耕地紅線，以及保證糧食生產安全具有重要的現實意義；同時，由于對毛烏素生態脆弱區進行生態開發、和諧利用，對于促進研究區域的生態環境安全和人與自然和諧發展具有重要意義；對毛烏素沙地生態脆弱區的土地綜合整治具有重要的經濟效益、社會效益和生態效益。

5 展望

砒砂巖區土地由于地力貧瘠，作物產量不高，廣種薄收，田間配套及管理措施也比較落后。要提高砒砂巖區土地利用效率，促進土地可持續利用和生態文明建設，需要促進土地利用轉型。

結合對毛烏素沙地基本概況、前期治理思路，以及新時期生態脆弱區土地綜合整治戰略的系統分析和梳理，仍有必要深入開展沙地開發、治理、利用的綜合研究，實現生態脆弱地區的生態環境治理與資源開發利用的協同發展。砒砂巖和沙是毛烏素沙地的重要物質成分，前者裸露風化后遇風起塵、遇水流失，后者結構松散、漏水漏肥，二者為具有明顯差異性、互補性特征的2類物質。由此，亟須創新開展砒砂巖與沙的配比組合成土相關技術、工程研究，將這2種物質機械合成、物理膠結，構筑沙巖交融體，混合成土，在實現固沙的同時，嘗試利用新形成的“土壤”進行規模化的現代農業生產。特別要集成運用現代高效節水技術，基于生態友好型農田生態系統建設的相關理論與技術，建設高標準農田，大力發展現代特色高效農業，促進生態脆弱區生態環境治理、資源開發利用和高效產業發展的系統耦合，力爭實現從“被動的單一化治理”向“主動的綜合化利用”的模式轉變與戰略轉型。

利用砒砂巖與沙復配成土技術，使得在堅持既增加耕地面積，又治理生態環境的原則下，深入研究、大膽實驗，變“兩害”為“一寶”，成功破解了砒砂巖與沙治理和資源化利用的難題。成果的示范和大規模推廣，有效地解決了陜西省重大項目及城市化建設占用耕地日趨緊缺的瓶頸問題，為建設“陜北第二糧倉”儲備優質耕地資源，為我國乃至全球同類型沙地和荒漠化土地的資源化利用探索出了一條新途徑。

毛烏素沙地砒砂巖與沙新型復配土，其結構能否持續穩定發育，區內的水資源能否保證農業的需求，生態環境能否得到恢復，特別是休閑期其固沙性能否持續等問題需要進一步的深入研究。

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作者簡介：張海歐（1985-），女，陜西西安人，博士研究生，工程師，主要研究方向：土地整理復墾和土地工程。