砒砂巖與沙復配成土技術研究綜述

何 振 嘉，范 王 濤，杜 宜 春

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，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實驗室，陜西 西安 710075)

砒砂巖是一種風化程度較高、結構松散的破碎巖石，廣泛分布于我國陜北、內蒙古以及山西等干旱半干旱區域。在水蝕和風蝕的作用下，砒砂巖不僅會引發水土流失和嚴重的土地沙漠化，還可能嚴重阻礙人地關系和諧并危害生態環境安全[1-2]。許多學者對砒砂巖的理化特性和構造組成進行了研究，研究發現，砒砂巖在無水環境下質地堅硬難以利用，而在遇水條件下則質地松散如泥，保水持水能力較強[3-5]。由于砒砂巖與沙的顆粒結構、礦物組成具有互補特性，若將砒砂巖與沙按一定比例進行復配，則能產生一種質地良好、穩定性較強、保水透氣且適宜耕種的復配土壤[6-7]。

隨著城鎮化建設用地需求的增大，現有的耕地后備資源已不能保障經濟發展的需要，為緩解后備資源不足的問題以及改善生態環境，大量學者進行了多種嘗試，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充耕地的問題[8-9]。砒砂巖與沙復配成土因其具有技術可行、材料易于獲取、造田效益顯著等特點，在土地整治及新造耕地領域具有較大的優勢[10]。砒砂巖與沙復配成土技術的應用和推廣，不僅能極大地對大面積不可利用砒砂巖與沙地進行綜合治理，有效提高土地利用程度和增加后備資源補充耕地數量，還能顯著地促進土地資源集約，改善人居環境和自然環境，推動經濟可持續發展。本文從砒砂巖與沙復配成土技術機理出發，探討了該技術的生態環境效益和實際生產效益。在總結已有研究成果的基礎上，提出研究存在的不足并對該技術未來發展趨勢作出展望。

1 砒砂巖與沙復配成土技術機理

韓霽昌等[11]通過研究提出：砒砂巖與沙經混合后，沙粒間的非毛管孔隙被細顆粒填充，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力的作用下，砒砂巖內部的膠結物——碳酸鹽礦物能與沙顆粒相互吸附并形成良好的結構體。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；砒砂巖既能團結砂粒，又能被砂粒分散而不使整體板結，砒砂巖內水分不易滲漏、蒸發少，吸水蓄水能力強，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分離子，有效提高復配土保肥能力。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，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，能顯著促進土壤保水持水能力并提高作物產能[12-13]。作物種植使表層土壤粉粒和黏粒向下運移，形成的防滲層起到了良好的保墑作用，進一步改善了土壤理化性質，土壤有機質含量也得到逐步改善，復配土的團聚體數量隨著砒砂巖含量的增加而增多，粒徑分布更為均勻，土壤結構逐漸改善[14-17]。砒砂巖與沙復配成土技術因對防風固沙、涵養水分、保肥保土、固碳固氮以及營養保障等方面的效果顯著，目前已在毛烏素沙地進行了大面積推廣，整治利用土地面積超過7 000 hm2，通過試種小麥、玉米、大豆、馬鈴薯等經濟作物，取得了顯著的社會效益和經濟效益[18-19]。

2 砒砂巖與沙復配成土技術效益

2.1 對土壤固沙能力的影響

土壤理化特性和結構組成對風蝕量起決定性作用，砒砂巖與沙按一定比例復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]采用試驗模擬和野外觀測相結合的方式，對毛烏素沙地的砒砂巖與沙復配成土進行固沙特性研究，研究表明，復配成土地表形成的結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配成土輸沙及固沙效應進行了探索，結果表明，復配成土的輸沙量僅為原狀沙地的49.2%，且耕作2 a后形成的土壤團聚體數量以及粉、黏粒量顯著高于原沙地，并提出土壤結構是固沙的重要因素。童偉等[2]通過小區試驗和野外觀測相結合的方式，研究了砒砂巖與沙復配成土對固沙能力的影響，結果表明，復配土土壤結皮厚度和地表粗糙度有助于提高抗風蝕能力。王歡元等[5]研究了7種不同比例的砒砂巖與沙復配成土的固沙性能，研究表明，土壤粒度組成對抗風蝕能力有較大影響，復配土由于粒度的改變，影響了抵御風蝕的主導力，進而提高了固沙能力。張衛華等[3]研究了砒砂巖與沙復配土的理化特性，同樣發現了在復配土的表層土壤結皮、凍蓋層的作用下，固沙效果得到了顯著提高。

2.2 對土壤物理性質的影響

土壤物理性質是土壤最基本的性狀和指標，也是影響土壤質量的重要參數。因此，土壤物理性質的改善是保護生態環境和發展農業生產的基本保障。大量研究表明，砒砂巖與沙復配成土技術對土壤物理性質影響顯著。李娟等[13]采用模擬土柱試驗和風洞試驗方法，研究砒砂巖與沙復配成土的保水、保肥、保土能力，研究發現，復配土中土壤粉粒、黏粒含量與砒砂巖量呈正相關關系，與沙粒含量呈負相關關系，復配比例為1∶1時，土壤團聚體含量最高，保水效果最好，風蝕量也最低。孫嬰嬰等[22]在毛烏素沙地進行了玉米種植試驗，研究了不同比例復配土對儲水能力的影響，結果表明，砒砂巖與沙復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配土的物理性質進行了研究，結果表明，復配土的含沙量越高，毛管孔隙度越低，而飽和含水率則越高，含沙量對水穩性團聚體含量影響顯著。張露等[24]對毛烏素沙地不同質量比復配土持水情況進行了研究，結果表明復配土水分特征曲線可由Gardner模型較好地擬合，復配土中砒砂巖質量與田間持水量、有效水含量、萎蔫系數以及有效孔隙度均呈正相關關系，復配土壤的持水保水能力隨砒砂巖質量的增加而增強。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配土對水穩性團聚體的變化情況，結果表明，種植作物之前、復配土比例為1∶1時，水穩性團聚體質量百分比最大，而種植作物4 a后、復配土比例為1∶2時，更有利于水穩性團聚體的形成。張露等[26]對砒砂巖與沙復配成土表層(0～20 cm)土壤儲水情況進行了重點研究，發現表層土體有效水含量隨砒砂巖與沙復配比例的增加而增加，土體重構后，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]研究發現，砒砂巖對降低入滲率和飽和導水率、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，復配土的吸水和保水性能最佳。

2.3 對土壤化學性質的影響

2.4 對作物生長和產量的影響

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

3 砒砂巖與沙復配成土技術研究不足

國內學者對砒砂巖與沙復配成土技術在各個領域方面的應用進行了大量研究并取得了諸多成果，該技術取得了較好的經濟效益和社會效益[18-19，44]。但根據目前研究現狀來看，仍有較多關鍵技術要素尚需取得突破。

3.1 復配成土的物理、化學、生物學性質研究尚不充分

馬增輝等[45]探討了不同混合比例的砒砂巖與沙復配土壤中粉粒和黏粒的運移規律，杜宜春等[46]研究了濃度、流速和離子強度對砒砂巖黏粒在風沙土中遷移的影響，而對復配土土壤容重、土壤酸堿度、孔隙度以及團聚體等質地和結構方面的研究較少。水肥氣熱對土壤理化性質具有重要的影響，王璐瑤等[47]研究了土壤溫度對砒砂巖理化性質及營養成分的影響，但對于復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量提高具有顯著影響，目前僅曹婷婷等[29]對砒砂巖與沙復配成土生物培肥效應進行了研究，對微生物活動引起的砒砂巖與沙復配土理化性質的影響尚需進一步研究。

另外，環境中某種營養元素過量、不足或多種養分配合不當，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物質種類與需求量存在較大差異，營養物質在作物體內的積累量也有不同。大量研究通過設置不同復配土比例驗證了復配土對含蓄水分、增加土壤養分及提高作物產量具有一定影響，但砒砂巖與沙復配成土在涵養水分、保蓄養分以及作物增產等方面的作用機理尚不明確，且對于養分方面的研究主要集中于土壤氮素[48-50]，并在復配土氮素垂直運移[35]、氮素吸附性能[36]以及氮素淋失[33]等方面進行了研究，而對于其他養分，如有效磷、速效鉀、有機碳等營養物質的研究較少。此外，王晶等[51]、張海歐等[52-53]對砒砂巖與沙復配土壤在凍融條件下土壤團粒結構和土壤特征進行了研究，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水、保肥及增產效果方面的研究。針對復雜的野外作業條件，多種因素共同作用(如水肥耦合條件、水鹽脅迫等交互作用)對砒砂巖與沙復配土物理、化學及生物性質影響的研究較少。

3.2 缺乏長期應用及系統觀測

對不同比例復配土條件所實現的不同效果成因研究不明確。研究中試驗研究較多，但對于中間發生的過程研究相對不足，大量試驗研究集中在短期或一個生育期內，缺乏多個生育期內或多年試驗數據的連續性研究。作為一種配土技術，其配方相關參數的確定方法尚不明確，且不同比例復配土的設定主要依靠主觀經驗。目前，雖然已進行了大量試驗研究，但并未制定出業內統一且被認可的相關規范和技術標準，大規模復配土操作流程及技術規范也尚未形成。如針對不同作物種植結構、不同施肥模式[54]、不同地類現狀、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，缺乏相關長期觀測數據和模擬試驗，復配土的長期施用結果存在不確定性。

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是當前研究的一個熱點問題，砒砂巖與沙復配成土技術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]對砒砂巖與沙復配土的固碳機理及固碳能力等方面進行了研究，但由于觀測時間較短、研究數據較少，對不同復配比例條件下土壤固碳能力和差異性以及對不同復配土中生物群落結構和功能的研究尚未見到。羅林濤等[57]利用等離子體質譜儀對砒砂巖與沙復配土的重金屬含量進行了測定，結果雖表明復配土中重金屬含量對作物生長和品質安全有一定的保證，但對于富集重金屬的土壤中作物生長和產量等方面的研究尚未見到，復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一步研究。李勁彬等[58]研究了不同比例復配土對重金屬滲透遷移的影響，結果表明，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配土穩定性的影響，結果表明，添加有機物料后的復配土穩定性指標均比對照組高，且混施物料對團聚體穩定指標的改善效果優于單一物料。郭振[60]研究了添加有機物對復配土碳氮含量的影響，結果表明，施用有機肥可促進0～20 cm表層土壤有機碳和全氮的積累，但研究均較為單一。因此，改性材料的添加對復配土理化性質、保水保肥保土以及對作物生長和產量、土壤固碳和重金屬防治等方面的研究也應是重點研究的內容。此外，針對復配土地溫相關研究目前較少[61-62]，也是今后研究的一個重要方向。

4 砒砂巖與沙復配成土技術推廣前景和展望

砒砂巖是一種危害大且利用率較差的風化巖石，但通過與沙復配成土，砒砂巖變成了可以利用的優勢資源。結合大量文獻可以看出，砒砂巖與沙復配成土技術在增加耕地面積、防風固沙、涵養水土、增強土壤水土保持效應、改善土壤物理和化學性質、提高土壤養分和營養物質以及增產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，均提出了適宜的復配比例，促進了砒砂巖與沙復配成土技術的應用和推廣。但目前砒砂巖與沙復配成土技術相關研究尚不全面。根據查閱分析以往文獻，目前對砒砂巖與沙復配成土的物理、化學、生物學性質還缺乏系統性研究，相關研究仍有待加強。大面積施用后，砒砂巖與沙復配成土技術對土壤固碳和土壤重金屬影響效果具有重要的生態環境意義，該方面研究應提前開展。砒砂巖與沙復配成土技術尚新，因此其長期環境、生態效益也應得到持續關注。總之，砒砂巖與沙復配成土技術的推廣和相關工程的實施，為我國提高耕地數量和質量、保障糧食安全、緩解水土流失以及生態環境健康可持續發展提供了廣闊的路徑和科技支撐。