砒砂岩对生态环境的影响及对策研究

魏力

[摘要]砒砂岩作为一种发育不充分且利用率较低的风化岩石，其特殊的理化特性和结构特点引起区域内土地荒漠化和水土流失等环境破坏现象，对自然生态环境产生严重的危害。从砒砂岩区域内生态建设的需求出发，对砒砂岩引起的环境问题进行了说明，并针对引发的问题提出了砒砂岩与沙复配成土技术、砒砂岩改性材料技术以及砒砂岩重金属吸附技术的应用，对实现砒砂岩资源最大化利用具有重要的意义。

[关键词]砒砂岩;生态环境;影响;对策

[中图分类号]X53[文献标识码]A

引言

砒砂岩是一种由风化和干旱引起的结构松散的岩石，其主要成分为泥岩或沙岩。目前主要于我国陕北、内蒙古以及山西等区域和大部分沙漠地带富集。砒砂岩结构特殊且受自然条件制约较大，在风力作用下使其砂化并随之迁移，逐渐改变所在地自然环境甚至形成沙漠，土壤侵蚀现象严重。由于其极易溶于水，在极端降雨条件下容易引起严重的水土流失现象，而在无水无风情况下，其质又十分坚硬而难以利用。砒砂岩所处区域大部分在于干旱半干旱地带，植被覆盖程度较低，降雨较为集中且风沙活动频繁，对岩层的破坏程度更大，使得区域内地形破碎，形成沟壑及陡坡，严重危害自然生态环境和生活生产。2018年6月，中共中央、国务院印发《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》等众多政策规划制定了生态保护红线并提出“绿水青山就是金山银山”生态战略思想。因此，如何有效利用砒砂岩结构特性将其充分利用，减轻其对自然生态环境的破坏是目前必须要解决的问题。

1 砒砂岩引起的环境问题

砒砂岩形成年代较早，主要为三叠纪、侏罗纪和白垩纪时期积累的砂岩、页岩及泥岩的复合体，其透水性差且地表呈层状板结紧实，在风力、降雨、冻融等自然条件的影響下，其结构十分容易改变。风蚀发生与表土粒度组成特征存在紧密的相关性，因此土壤质地是引起风蚀的重要因素之一，由于砒砂岩胶结能力较差且结构强度低，土层浇薄且极易风化，裸露砒砂岩风化速率快，风力作用能够使其结构发生一定的破坏，抵抗侵蚀的能力减弱，进而使其沙漠化程度加剧。目前已通过种植沙棘、物理化学及生态手段等进行了砒砂岩区域治沙，虽取得了一定成果，但并未从根源上解决砒砂岩区沙化问题。砒砂岩中粒径小于0.2μm的黏粒含量较少，结构松散、遇水易水解，透水性差，黏粒缺乏导致其保水性极差，风化后的堆积物的抗蚀性弱，易受水力侵蚀，砒砂岩区水土流失现象严重。由于砒砂岩中有机质含量低，土壤肥力较低，缺乏作物生长所需的必要营养物质，砒砂岩区域内作物生长及产量受到较大程度的影响。此外，由于大面积砒砂岩的存在，导致了很大程度土地资源利用率较低，不仅激化了人地矛盾，且对我国粮食安全造成了重大影响。

2 砒砂岩环境污染治理对策

2.1 砒砂岩与沙复配成土技术

土壤修复及土体有机重构技术是当前研究的热点问题，尤其在土地整治工程中应用较为广泛。从2009年起，韩霁昌等在毛乌素沙地进行了砒砂岩与沙复配成土技术的研究，通过将砒砂岩与沙按照不同比例混合，使其结构组成进行有机重构，形成新的可被有效利用的土壤，既解决了砒砂岩大量富集引起的占用土地问题，又将其进行了有效利用，缓解了砒砂岩对自然环境的破坏。大量研究表明，砒砂岩与沙复配成土技术对防风固沙、涵养水土、有效提高土壤有机质含量和提高作物产量等方面具有显著影响，该技术已在陕西毛乌素沙地进行大面积推广，取得了较好的效果，经济效益和生态效益十分显著。程杰等对毛乌素沙地的砒砂岩与沙复配进行固沙特性研究，研究表明是通过将二者复配后在地表形成的结皮有效起到了防止沙土流动和地表扬沙的固沙效果。张露等对毛乌素沙地不同质量比复配土持水情况进行了研究，结果表明复配土中砒砂岩质量与田间持水量和保水能力呈显著的正相关关系。魏彬萌等按砒砂岩与沙不同复配比例进行田间种植试验，结果表明，复配土有机质含量与种植年限呈正相关关系。柴苗苗等研究表明，砒砂岩与沙复配土壤团聚体和有机质含量较高，更有利于小麦、玉米和大豆的生长，且通过复配土造地，产生了可以利用的优质耕地，缓解了人地矛盾和降低了粮食安全威胁。

2.2 砒砂岩改性材料技术

砒砂岩中主要矿物成分为石英、长石、餐酸盐以及蒙脱石、高岭石等，大多为兼容性物质，且由于砒砂岩具备一定的火山灰活性，有利于其胶凝化。有研究表明，通过物理和化学手段来改变材料的物质形态或性质能有效提高其使用性能，利用砒砂岩研制地聚物材料具有可行性，砒砂岩可以用来研制地聚物材料进行筑坝，具有较大的工程应用潜力。董晶亮等研究表明，可以将砒砂岩作为改性建筑材料。在NaOH激发条件下，砒砂岩强度和抗压强度均得到大幅提高，可作为混凝土掺合材料，并对混凝土的抗折强度和抗冻融性能均有显著提高。董晶亮等研究表明，通过碱激发法并掺入适量的矿粉将砒砂岩转变成了力学性能较好的改性矿粉/砒砂岩复合材料，其力学性能及耐水性得到显著提高。此外，对黄土高原水土流失区域有效治理的手段为修建淤地坝，由于砒砂岩结构特性不能直接作为淤地坝建筑材料，而砒砂岩改性技术的应用使其力学性能得到有效提高，可以满足其施工要求。

2.3 砒砂岩重金属吸附技术

重金属污染由于其稳定性强、不易迁移、难以降解以及含有毒性成分等特点，严重危害土壤系统和生态系统。目前，针对土壤重金属污染的治理措施主要有物理、化学、生物及复合修复技术，但此类修复方式大多存在除污效率低下、操作复杂及投入成本较高等缺陷。温婧等研究表明，砒砂岩对Pb吸附效果显著，且吸附效果与土壤pH值成正相关关系。李劲彬等研究表明，砒砂岩对Mn2+、Ni 2+、Cd2+、Cr6+和Cu2+等重金属渗透抑制效果显著，抑制程度与砒砂岩含量成正比。温婧等研究表明，砒砂岩对土壤弱酸提取态铅的含量具有显著的降低效果，且能显著降低土壤铅毒性溶出量。罗林涛等利用砒砂岩对土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb含量进行研究，结果表明，除Hg外土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb质量比均有明显下降，砒砂岩及沙重金属单项污染指数均小于1。

3 结语

砒砂岩由于其自身理化特性和结构特点危害性显著，不仅能引起土壤质量下降、土地荒漠化，且在区域内水土流失严重，不仅不利于区域内自然生态环境可持续发展，且对于耕地资源浪费引起的粮食安全尤为严重。本文通过对砒砂岩引起的环境危害，提出了砒砂岩与沙复配成土技术、砒砂岩改性材料技术以及砒砂岩重金属吸附技术等能够实现砒砂岩资源利用最大化的技术和对策，为砒砂岩区域内生态建设提供新的思路。

[参考文献]

[1] 童伟，韩霁昌，王欢元，等.毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技术固沙效应[J].中国沙漠，2015，35（6）：1467-1472.

[2] 杜宜春，王欢元.毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技術成效与应用[J].南方农业，2018，12（33）：181-182，185.

[3] 张卫华，韩霁昌，王欢元，等.砒砂岩对毛乌素沙地风成沙的改良应用研究[J].干旱区资源与环境，2015，29（10）：122-127.

[4] 王欢元，童伟.基于粒度组成分析的砒砂岩与沙复配固沙机理探析[J].土地开发工程研究，2018，3（5）：46-50.

[5] 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（2）：117-120.

[6] 罗林涛，童伟，韩霁昌，等.毛乌素沙地砒砂岩、沙及复配土重金属含量分析与评价[J].安全与环境学报，2014，14（1）：258-262.

[7] 姚文艺，吴智仁，刘慧，等.黄河流域砒砂岩区抗蚀促生技术试验研究[J].人民黄河，2015（1）：6-10.

[8] 李长明，宋丽莎，王立久.砒砂岩的矿物成分及其抗蚀性[J].中国水土保持科学，2015，13（2）：11-16.

[9] 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.

[10] 程杰，韩霁昌，王欢元，等.毛乌素沙地砒砂岩固沙机理研究[J].水土保持学报，2016，30（5）：124-127.

[11] 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（2）：207-214.

[12] 魏彬萌，赵宣.添加砒砂岩对风沙土性质的改良及时间效应[J].水土保持研究，2017，24（6）：16-21.

[13] 柴苗苗，韩霁昌，罗林涛，等.砒砂岩与沙混合比例及作物种植季数对复配土壤性质和作物产量的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（10）：179-184，192.

[14] 杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础[J].硅酸盐学报，1996，24（2）：209-215.

[15] LI Changming， ZHANG Tingting， WANG Lijiu. Effect of Dosage of Fly ash and NaOH on the Properties of Alkali activated Pisha Sandstone-based Mortar[J]. ACI Mater J， 2016， 113（2）： 173-183.

[16] LI Changming， DONG Jingliang， ZHAO Shunbo， et al. Development of low cost supplementary cementitious materials utilizing thermally activated Pisha sandstone[J]. Constr Build Mater， 2018（174）：484-495.

[17] 董晶亮，王立久，张立卿.改性黄河砒砂岩复合材料试验研究[J].人民黄河，2015，37（1）：103-107.

[18] 董晶亮，张婷婷，王立久.碱激发改性矿粉/砒砂岩复合材料[J].复合材料学报，2016，33（1）：132-141.

[19] 唐政洪，蔡强国，李忠武，等.内蒙古砒砂岩地区风蚀、水蚀及重力侵蚀交互作用研究[J].水土保持学报，2001，15（2）：25-29.

[20] 杨大令，张婷婷，韩俊南，等.利用改性砒砂岩修筑淤地坝研究[J].人民黄河，2016，38（6）：42-45.

[21] 嵇东，孙红.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究 [J].农业开发与装备，2018，（12）：74-75.

[22] 林荣誉，苏结雯，吴灵.珠海市农用地土壤重金属污染情况调查[J].资源节约与环保，2016（8）：180-181.

[23] 温婧，朱元骏，殷宪强，等.砒砂岩对Pb（II）的吸附特性研究[J].环境科学学报，2014，34（10）：2491-2499.

[24] 李劲彬，李娟，王昭.不同比例砒砂岩与沙复配土中重金属的渗透迁移规律研究[J].西部大开发（土地开发工程研究），2018，3（11）：35-40.

[25] 温婧，朱元骏，张兴昌，等.砒砂岩修复晋陕蒙能源区铅污染土壤的研究[J].环境科学学报，2015，35（3）：873-879.

[26] 罗林涛，童伟，韩霁昌，等.毛乌素沙地砒砂岩、沙及复配土重金属含量分析与评价[J].安全与环境学报，2014，14（1）：258-262.