浅析毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性研究关键技术

摘 要：目前，土地作为一种非常珍贵的资源，人们关心的不仅是目前合成“土壤”具有良好的理化性质，可以满足农业生产的基本需求，更关心这种合成“土壤”的性质稳定性和可持续利用。本文在砒砂岩与沙复配成土技术基础上，主要从土壤特性变化、水肥耦合和水土匹配3方面分析毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性关键技术问题，从而为新造土壤的稳定性和可持续利用提供技术指导和理论支持。最后展望未来开展毛乌素沙地治理及砒砂岩与沙复配土壤关键技术研究的发展趋势。

关键词：复配土壤；稳定性；可持续利用；关键技术

中图分类号：S-1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733052

引言

毛乌素沙地是我国农牧交错区的典型代表，生态环境脆弱并威胁北方地区的生态安全。区内存在沙地沙漠化严重和砒砂岩区水土流失严重2大危害，长期以来的治理虽然取得了一定成效，但仍较为有限，未从根本上解决区内严重的生态环境问题。随着陕西省耕地面积的日益缩减，在关中地区可开发利用土地日益减少、陕南土地开发利用难度大的前提下，增加耕地资源的焦点转向了具有光热资源丰富的陕北地区，毛乌素沙地面积广，具有巨大的挖掘潜力。如何对毛乌素沙地进行整治利用，提高耕地质量，实现土地的可持续利用成为亟待解决的关键问题[1-3]。陕西省“十二五”规划纲要明确提出，加强土地开发整理，充分挖掘陕北地区粮食潜力，建设陕西第二粮仓。

陕西省土地工程建设集团经过近10a的探索及研究，利用砒砂岩与沙在成土中的互补性，将二者按不同的比例复配成土，砒砂岩与沙的合成“土壤”具有良好的理化性质，为作物生长、农业生产创造了良好的基础[4-9]。田间试验和工程示范结果也已经证实，合成“土壤”用于种植作物、农业生产的效果显著[10-13]。目前，土地作为一种非常珍贵的资源，人们关心的不仅是目前合成“土壤”具有良好的理化性质，可以满足农业生产的基本需求，更关心这种合成“土壤”的性质稳定性和可持续利用。本文在砒砂岩与沙复配成土技术的基础上，通过分析毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性研究关键技术问题，从而为新造土壤的稳定性和可持续利用提供技术指导和理论支持。

1 毛乌素沙地综合整治现状

全国沙漠化普查结果表明，毛乌素沙地总面积为7.84万km2，占全国沙区总面积的4.25%。由于自然气候条件和人文活动干扰的综合影响，毛乌素沙地的沙漠化态势明显加剧，对我国北方地区的生态安全造成巨大冲击。毛乌素沙地属于生态脆弱区，广泛分布着砒砂岩，近几十年来，砒砂岩区内的许多县区均开展了砒砂岩区域的治理工作。总体来看，数十年来，通过生物固沙、机械固沙和化学固沙，在一定程度上控制了毛乌素地区沙地的快速扩张。但是，沙地土壤贫瘠，肥料短缺，严重影响作物产量，毛乌素沙地呈现出“整体遏制，局部好转，局部退化”的局面，未治理的面积仍占较大比例。而且随着快速工业化、城镇化发展，人类经济活动加剧，特别是能源开采、水资源开发、农业结构战略性调整仍会对区域生态建设、沙漠化防止带来新的冲击和压力，因而科学协调保障发展与保护生态环境的关系事关生态脆弱地区的资源可持续利用和经济社会的可持续发展。

被称为“环境癌症”的砒砂岩在该地区分布范围广[14]，缺点是砒砂岩成岩程度低，结构强度低，易风化，颗粒间胶结程度低，渗透性能差，优点是具有较好的持水能力和保水能力，岩层储水多，成为相对富水层，能为植物生长提供水分。沙土质地均一，结构疏松，水分在土层空间内的分布较为均匀，一旦水分补给减少，蒸散增加，就会出现整体性缺水。由于砒砂岩具有保水性能好，弥补漏沙、漏水、漏肥的缺点。陕西省土地工程建设集团利用二者的性质，将砒砂岩与沙混合，既可以减少或阻止沙地水分渗漏，又可减弱砒砂岩坚硬板结的现象，达到改善土壤物理特性，进而达到提高土地生产力的目的。

2 砒砂岩与沙复配成土技术研究进展及现状

砒砂岩与沙复配成土技术是指将沙地开发整治为耕地过程，通过将一定量的砒砂岩和沙2种物质经科学配比，使其成为满足作物生长的新增耕地的耕作土壤层，同时加以工程、经济、技术手段使沙地成为优质耕地的技术[4-8]。

毛乌素沙地广泛分布着砒砂岩和沙，砒砂岩质地粘重，遇水板結，导水性能低，透水性差，熟化程度低，遇水流失严重，但砒砂岩持水保水性能较强，而沙通体无结构，漏水、漏肥严重，砒砂岩和沙在当地并称为“两害”，也是造成当地水土流失、耕地减少的主要原因。如何变“两害”为“一宝”，陕西省土地工程建设集团经过近10a的探索及研究，从资源合理利用的角度出发，遵循区域生态环境平衡的规律，就地取材，利用两者在成土中的互补性，将砒砂岩与沙按不同的比例复配成土，揭示其成土机理，既可解决沙土黏着力差、易被风吹扬和渗透能力太强漏水、漏肥的问题，也可以改善砒砂岩粘重、易板结的特点，使土壤兼备透气透水性和保水保肥性，变“两害”为“一宝”[1-13]。并采取新思路在复配成土技术上取得了一定的突破，将砒砂岩与沙复配成土的技术应用于造田工程，并在榆林市小纪汗乡大纪汗村得以推广应用。砒砂岩与沙复配成土技术的研究与应用推进了土地整治工程领域的发展，开启了土地整治、保护耕地的新篇章。

陕西省土地工程建设集团在研究中重点通过将砒砂岩与沙进行不同配比，采用正交的试验设计法，选取沙土比例、灌溉水量、种植作物种类及农艺处理4个试验因素，经多年的反复试种和测土测产分析，分析不同影响因素下作物生长和土壤结构的变化。研究人员通过砒砂岩与沙的不同混合比例多项指标的对比研究，分析比较了砒砂岩与沙在不同混合比例的土壤物理性质的变化特征，发现二者按照1：2～1：5的比例合理配置后，粘粒含量可以达到4.9%～8.4%，粉粒含量可以达到22.5%～38.9%，土壤质地达到砂壤土的标准，远远好于原来以砂粒为主的沙地砂质土壤质地，形成了松散透气、结构适宜的胶结土层。

目前，除了陕西省土地工程建设集团对于砒砂岩与沙复配成土技术进行分析研究外，国内外相关文献未见利用砒砂岩和沙混合合成可耕种土壤及其相关试验和研究等内容报道。本文研究了在砒砂岩与沙复配成土技术研究的基础上分析复配土的稳定性及可持续利用的关键技术。

3 砒砂岩与沙复配土壤稳定性研究关键技术

3.1 揭示复配土壤结构、成分等特性随时间的变化机理

作为一种新型的复配土壤，其土壤特性及随时间的变化情况可以反映出其作为土壤这种基质的性能好坏。因此，研究其土壤特性，特别是随时间的迁移变化对土壤的稳定性具有重要理论意义。

已有研究成果发现[1-13]，砒砂岩与沙按一定比例复配成土，在农业管理措施（灌溉、耕作等）的影响下，土壤中的粉粒和粘粒有向下运移的趋势，经过长期影响，土壤耕层的粉粒和粘粒含量将如何影响土壤质地；土壤耕层砒砂岩与沙的复配比例在这种情况下如何保证。因此，需要对土壤剖面中的粉粒和粘粒的向下运移对土壤质地的影响进行研究，从而指导工程实践中砒砂岩与沙复配成土的混合比例的确定。

土壤团聚体是土壤结构最基本的单元，是土壤肥力的协调中心和土壤性状的敏感性物理指标[15-17]。单独的砒砂岩与沙的N、P、K和有机质等养分含量都非常低，难以满足作物对土壤肥力的需求。而砒砂岩与沙复配成土后，复合土壤的有机质含量将如何变化，需要对复合土壤的有机质含量随时间的变化规律进行研究；而土壤团聚体是土壤养分的有效载体，较好的团聚体组成是土壤熟化的指标之一，因此，还需要对土壤团粒随时间的变化进行研究，采用水稳性团聚体的研究来评价砒砂岩与沙合成“土壤”的稳定性。

3.2 确定不同作物种植的水土肥耦合方法及合理的农田管理制度

根据新型土壤保水保肥性能，建立科学的田间水肥管理制度至关重要，科学的水肥管理制度可以为新型土壤的可持续发育和利用提供技术保障。

砒砂岩与沙复配成土后改善了土壤的通透性和保水保肥性，种植作物的产量显著高于沙地产量，对砒砂岩与沙复配成土后不同作物品种水肥耦合利用进行研究，以达到提高水肥资源利用效率、提高作物产量的目的。同时，针对作物的品质进行对比研究，对复合土壤上种植作物的品质与沙地作物品质进行对比研究，以确保复合土壤上的作物安全食用问题。

砒砂岩与沙合成“土壤”养分匮乏，如何满足作物生长养分需求，需要增施肥料，尤其要多施有机肥，施入的有机肥形成腐殖质，可以增加土壤中的胶结物，提高沙土的粘结性和团聚性，促进土壤团粒结构的形成[18]。增施有机肥对于合成“土壤”尤其重要，因为合成“土壤”的部分团粒结构水稳性较差，而利用有机质作为胶结物则有利于增加团粒结构的稳定性[19-21]。并且由于砒砂岩为弱碱性，而土壤有机质养分转化是微生物在微酸、中性和微碱的土壤环境中形成的，故而研究区内的砒砂岩土不利于有机质的积累和转化。要对砒砂岩进行有效利用，就要适当调节土壤的酸碱度，增施生理酸性肥料和有机质料来改善。

耕作是调节土壤结构最有效的基本措施，有利于调节土壤的孔隙度，尤其针对板结土壤的耕作，可以改善土壤的通透性，有利于作物的生长发育和土壤的熟化。合理的轮作或免耕制度对于恢复和培育团粒结构有良好的影响，如一年生作物因耕作频繁，土壤有机质消耗快，不利于团粒结构形成，适当推行免耕可以减少有机质的消耗，改良土壤结构[22-23]。

3.3 确定合理的水资源开发利用模式

在毛乌素沙地开发集约节约利用中，可利用的有效水资源是最为关键的，研究毛乌素沙地的开发，必须首先解决水的问题，特别是能否节水，水资源能否可持续利用，是土地能否可持续利用的决定因素。因此，毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性关键技术研究，应该主要对水资源的储量、供需平衡分析、复配土持水保水特性和节水措施下的灌溉制度效果进行研究。

砒砂岩与沙复配成土具有持水保水效果，这是毛乌素沙地开发利用的基础保障。在不同的灌溉手段、不同的灌溉制度等条件下分析对比不同的用水量，寻找合理的、高效的节水方式；在毛乌素沙地大规模、大面积开发利用时，探索区域水资源支持能力；在高效节水、可持续利用水资源等措施下，研究并实现区域水资源优化配置。

毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土后进行集约化的农业生产勢必需要大量的水资源供给，毛乌素沙地水资源占有量与集约化农业生产需水规模是否匹配；砒砂岩与沙复配成土技术在当地是否可以保证可持续利用；因此，需要对毛乌素沙地水资源量进行调查研究，并监测地下水的变化，从而采用适宜的开发利用模式，以保证农业的可持续发展。

要想找出作物需水规律并建立正确的灌溉技术，需要对土壤水储量进行研究。进行复配土壤水分测定，了解复配土水储量的动态变化，从而达到科学用水，改良土壤，提高单位面积产量，对于毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性和可持续利用具有重要的意义。

作为沙地农业最关键的生态因子，节水灌溉极其重要。从作物生长角度，适时补给适量水分为正常生长所必需，水分过少会使植物发生萎焉甚至枯死，水分过多则会带走养分，使植物无法及时吸收利用，易造成水肥浪费，土壤板结。从水资源利用角度，节水灌溉有利于水资源涵养、保护地下水资源，有利于沙漠生物生存和沙地生境改善等，是满足人类可持续生存的必要前提[24-25]。因此，沙地灌溉要实现高效、节水，有计划利用。

4 结论

本研究在砒砂岩与沙复配成土技术基础上，主要通过分析砒砂岩与沙复配成土的土壤特性变化、水肥耦合和水土匹配等方面的变化机理，揭示毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤稳定性研究关键技术问题，目的在于分析复配土的性质稳定性、水肥耦合，调控合成土壤质量的良性发展，以促进土壤的可持续利用；同时对研究区水资源可持续利用和生态修复进行分析阐述，旨在为砒砂岩与沙复配成土技术在毛乌素沙地的大规模推广应用奠定坚实的基础，从而为新造土壤的稳定性和可持续利用提供技术指导和理论支持。

本文基于砒砂岩与沙复配成土技术能够更好地推广，以期为毛乌素沙地基于砒砂岩与沙复配成土技术的推广应用提供理论依据，对于增加耕地面积，提高土壤质量，保障我国18亿hm2耕地红线，以及保证粮食生产安全具有重要的现实意义；同时，由于对毛乌素生态脆弱区进行生态开发、和谐利用，对于促进研究区域的生态环境安全和人与自然和谐发展具有重要意义；对毛乌素沙地生态脆弱区的土地综合整治具有重要的经济效益、社会效益和生态效益。

5 展望

砒砂岩区土地由于地力贫瘠，作物产量不高，广种薄收，田间配套及管理措施也比较落后。要提高砒砂岩区土地利用效率，促进土地可持续利用和生态文明建设，需要促进土地利用转型。

结合对毛乌素沙地基本概况、前期治理思路，以及新时期生态脆弱区土地综合整治战略的系统分析和梳理，仍有必要深入开展沙地开发、治理、利用的综合研究，实现生态脆弱地区的生态环境治理与资源开发利用的协同发展。砒砂岩和沙是毛乌素沙地的重要物质成分，前者裸露风化后遇风起尘、遇水流失，后者结构松散、漏水漏肥，二者为具有明显差异性、互补性特征的2类物质。由此，亟须创新开展砒砂岩与沙的配比组合成土相关技术、工程研究，将这2种物质机械合成、物理胶结，构筑沙岩交融体，混合成土，在实现固沙的同时，尝试利用新形成的“土壤”进行规模化的现代农业生产。特别要集成运用现代高效节水技术，基于生态友好型农田生态系统建设的相关理论与技术，建設高标准农田，大力发展现代特色高效农业，促进生态脆弱区生态环境治理、资源开发利用和高效产业发展的系统耦合，力争实现从“被动的单一化治理”向“主动的综合化利用”的模式转变与战略转型。

利用砒砂岩与沙复配成土技术，使得在坚持既增加耕地面积，又治理生态环境的原则下，深入研究、大胆实验，变“两害”为“一宝”，成功破解了砒砂岩与沙治理和资源化利用的难题。成果的示范和大规模推广，有效地解决了陕西省重大项目及城市化建设占用耕地日趋紧缺的瓶颈问题，为建设“陕北第二粮仓”储备优质耕地资源，为我国乃至全球同类型沙地和荒漠化土地的资源化利用探索出了一条新途径。

毛乌素沙地砒砂岩与沙新型复配土，其结构能否持续稳定发育，区内的水资源能否保证农业的需求，生态环境能否得到恢复，特别是休闲期其固沙性能否持续等问题需要进一步的深入研究。

参考文献

[1]李文学.土地整理与粮食安全[J].理论与当代，2008（10）：42-45.

[2]刘军芳.土地开发整理与粮食安全的关系探析[J].山西农业科学，山西太原，2008，36（9）：3-6.

[3]王仁德，吴晓旭.毛乌素沙地治理的新模式[J].水土保持研究，2009，16（05）：176-180.

[4]韩霁昌，刘彦随，罗林涛.毛乌素沙地砒砂岩与沙快速复配成土核心技术研究[J].中国土地科学，2012（08）：87-94.

[5]王欢元，韩霁昌，罗林涛，等.砒砂岩与沙复配成土过程中沙的调控作用[J].土壤通报，2014，45（02）：286-290.

[6]Wang N.，Xie J.C.Han J.C..A sand control and development model in sandy land based on mixed expefi—ments of arsenic sandstone and sand：A case study in Mu Us Sandy Land in China[J]. Chinese Geographical Science，2013，23（06）：700-707.

[7]Wang N，Xie J C，Han J C，et.al.A comprehensive framework on land-water resources development in Mu Us Sandy Land[J].Land Use Policy，2014（40）：69–73.

[8]Han J C，Xie J C，Zhang Y.Potential role of feldspathic sandstone as a natural water retaining agent in Mu Us Sandy Land，northwest China [J].Chinese Geographical Science，2012， 22（05）：550-555.

[9]韩霁昌，李娟，李晓明.砒砂岩与沙复配成土的物理性状及其对冬小麦产量的影响[J].西北农业学报，2013，22（11）：15-19.

[10]付佩，王欢元，罗林涛，等.砒砂岩与沙复配成土造田技术研究[J].水土保持通报，2013，33（06）：242-246.

[11]韩霁昌，付佩，王欢元，等.砒砂岩与沙复配成土技术在毛乌素沙地土地整治工程中的推广应用[J].科学技术与工程，2013，13（25）：7287-7293.

[12]张露，韩霁昌，罗林涛，等.砒砂岩与风沙土复配土壤的持水特性研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2014， 42（02）：207-214.

[13]罗林涛，程杰，王欢元，等.玉米种植模式下砒砂岩与沙复配土氮素淋失特征[J].水土保持学报，2013，27（04）：58-66.

[14]王愿昌，吴永红，寇权，等.砒砂岩分布范围界定与类型区划分[J].中国水土保持科学，2007，5（01）：14-18.

[15]戴全厚，刘国彬，薛萐，等.侵蚀环境退耕撂荒地水稳性团聚体演变特征及与土壤养分效应[J].水土保持学报，2007（02）：61-64.

[16]曾河水.不同治理措施侵蚀地土壤物理性状变化的研究[J].福建水土保持，2002（01）.

[17]韩永伟，韩建国，张蕴薇.农牧交错带退耕还草对土壤物理性状的影响[J].草地学报，2002（02）.

[18]姜伍梅.福安市耕地土壤肥力状况及改良途径[J].福建农业，2011（12）：10-11.

[19]金宏鑫，裴占江，李淑芹，等.污泥生物有机肥对大豆产量和氮磷吸收的影响[J].作物杂志，2012（01）：92-95.

[20]韩霁昌，罗林涛，付佩，等.榆林市榆阳区土地整治土壤肥力状况及培肥调控措施研究[J].陕西农业科学，2013，59（02）： 117-120.

[21]胡万里，段宗颜，陈拾华，等.云南大田不同轮作模式养分平衡现状研究[J].西南农业学报，2009，22（03）：594-597.

[22]巨晓棠，刘学军，张福锁.冬小麦/夏玉米轮作中NO3--N在土壤剖面的累积及移动[J].土壤学报，2003，40（14）：538-546.

[23]金争平.砒砂岩区水土保持与农牧业发展研究[M].郑州：黄河水利出版社，2003.

[24]王浩，杨贵羽，贾仰文，等.土壤水资源的内涵及评价指标体系[J].水利学报，2006，37（04）：389-394.

[25]Han J C，Liu Y S，Zhang Y.Sand stabilization effect of feldspathic sandstone during the fallow period in Mu Us Sandy Land[J].Journal of Geographical Sciences，2015（04）：428-436.

作者简介：张海欧（1985-），女，陕西西安人，博士研究生，工程师，主要研究方向：土地整理复垦和土地工程。