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(chǎn)開發(fā)服務(wù)總公司 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710075；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)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(tǒng)稱［1］，位于北緯37°30′—39°20′，東經(jīng)107°20′—111°30′之間。毛烏素沙地地處北方農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)，生態(tài)環(huán)境極易破壞，人地矛盾相對突出。東南部人為破壞嚴(yán)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(qū)農(nóng)田高度集中于河谷階地和灘地，向西北則農(nóng)地減少，草場分布增多；流沙在一些區(qū)域還在擴(kuò)大。治沙是毛烏素沙地所在很多地區(qū)面臨的首要任務(wù)。為了控制風(fēng)沙危害，改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)條件，學(xué)者們［2－3］提出了多種毛烏素沙地的生態(tài)修復(fù)措施，但該區(qū)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(wěn)定性差，成活率低，尤其是在流動性很強(qiáng)的沙地上，由于沙面極不穩(wěn)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(jié)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(nèi)已有沙土和鹽堿土混合成沙堿土［12］，炭和腐泥改良風(fēng)沙土［13］，沙土和煤矸石混合成土［14］等復(fù)合土壤種植作物的報道。在毛烏素沙地地區(qū)，一般可通過黃土與沙混合來達(dá)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(shí)行，一方面，當(dāng)?shù)刈罱狞S土土源約在50～60km外，僅拉土成本就高達(dá)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(qū)，大量開采黃土勢必會加速水土流失和環(huán)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(qū)為中心，遍及內(nèi)蒙古自治區(qū)的杭錦旗、清水河兩縣的部分地區(qū)，總面積達(dá)1.67×104km2［15］。砒砂巖無水則堅(jiān)硬如頑石，有水則松軟如爛泥，遇風(fēng)則風(fēng)化剝蝕，因凍融作用強(qiáng)烈，致使溝谷坡表層的松散層達(dá)5～10m。并且，砒砂巖極易風(fēng)化，遇風(fēng)、遇雨、遇凍、遇曬、遇外力，很容易松散，砒砂巖區(qū)又是黃土高原的暴雨中心，降水多以暴雨形式出現(xiàn)，加之植被稀少等原因，造成砒砂巖區(qū)侵蝕嚴(yán)重，產(chǎn)沙量大，遇到山洪暴發(fā)，便順流而下，進(jìn)入黃河，成為下游河床不斷淤高的主要原因。砒砂巖區(qū)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)約4.0×104t/（km2·a），是黃土高原侵蝕最劇烈的區(qū)域。

砒砂巖成巖程度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，易風(fēng)化，顆粒間膠結(jié)程度低，滲透性能差，優(yōu)點(diǎn)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(zhì)地均一，結(jié)構(gòu)疏松，水分在土層空間內(nèi)的分布較為均勻，一旦水分補(bǔ)給減少，蒸散增加，就會出現(xiàn)整體性缺水。由于砒砂巖具有保水性能好的優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)沙漏水漏肥的缺點(diǎn)。利用二者互補(bǔ)的性質(zhì)，進(jìn)行了砒砂巖與沙以不同比例混合復(fù)配成土及其作物種植實(shí)驗(yàn)。在砒砂巖與沙成土室內(nèi)、田間試驗(yàn)研究基礎(chǔ)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(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村作為大田工程示范項(xiàng)目點(diǎn)，對砒砂巖與沙成土大田工程示范進(jìn)行了研究。研究成果有助于砒砂巖與沙成土技術(shù)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(zhì)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)所用砒砂巖與沙均采自毛烏素沙地榆林市榆陽區(qū)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和田間小區(qū)試驗(yàn)在陜西省地產(chǎn)開發(fā)服務(wù)總公司的富平縣試驗(yàn)基地（E108°57′—109°26′，N34°42′—35°06′）進(jìn)行。富平縣是關(guān)中平原和陜北高原的過渡地帶，屬渭北黃土高原溝壑區(qū)，地勢北高南低，自西北向東南傾斜，海拔375.8～1 420.7m。氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)溫暖帶半干旱型氣候區(qū)，年總輻射量5 187.4MJ/m2，年日照時數(shù)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(dá)21.2%［18］。

大田工程示范在榆林市榆陽區(qū)，榆陽區(qū)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(nèi)蒙接壤，東南與佳縣、米脂縣交接，西南與橫山縣相連。根據(jù)2009年第二次土地全面調(diào)查數(shù)據(jù)匯總結(jié)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(xiàng)目區(qū)位于毛烏素沙地腹地，長城以北約30km，涉及榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村1個行政村，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)109°29′50″—109°31′44″，北緯38°26′23″—38°27′02″之間，屬典型的風(fēng)沙草灘區(qū)，其特殊的地理位置及植被類型決定了無法利用傳統(tǒng)措施進(jìn)行大面積造地。而榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村土地開發(fā)項(xiàng)目周邊砒砂巖分布較為廣泛。項(xiàng)目區(qū)周邊的分布區(qū)域有距離項(xiàng)目區(qū)約5km的井克梁村，分布有約1km2；距項(xiàng)目區(qū)25km的楊家灘村約有2.7km2；距項(xiàng)目區(qū)15km的黃土梁村約有0.6km2的砒砂巖分布，而且均為蓋沙區(qū)砒砂巖。

1.2 研究方法

將砒砂巖與沙在室內(nèi)自然風(fēng)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(jī)械組成、毛管孔隙度、飽和導(dǎo)水率和有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)，使用的方法分別為吸管法、環(huán)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(zhì)。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行富平縣小區(qū)田間試驗(yàn)研究。在自然氣候等環(huán)境條件下栽培作物，以不同比例混合的砒砂巖與沙為培養(yǎng)介質(zhì)，在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥管理下種植適宜當(dāng)?shù)貧夂虻亩喾N作物，確定的作物生長的最佳混合比例。田間小區(qū)和榆陽區(qū)示范工程主要種植馬鈴薯和玉米。榆陽區(qū)大田工程示范是在田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合土地整治工程和現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)在項(xiàng)目示范區(qū)進(jìn)行的小范圍的工程示范。榆陽區(qū)作物試種后“復(fù)配土壤”肥力水平和重金屬指標(biāo)的測定方法詳見表1。

表1 土壤肥力檢測項(xiàng)目與分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 砒砂巖與沙復(fù)配土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

土壤質(zhì)地與土壤理化性狀密切相關(guān)，因此，可通過測定其機(jī)械組成，確定合成“土壤”的質(zhì)地。并選取飽和導(dǎo)水率和毛管孔隙度作為持水保水能力的指標(biāo)，以有機(jī)質(zhì)作為肥力指標(biāo)對合成“土壤”性狀進(jìn)行評價。砒砂巖與沙混合后的土壤質(zhì)地隨著其中砒砂巖比例的增大，質(zhì)地類型呈現(xiàn):砂土→砂壤→壤土→粉壤的變化趨勢（表2）。由表2可見，當(dāng)沙中混入砒砂巖后，結(jié)構(gòu)性質(zhì)不良的砂質(zhì)土壤得到了顯著的改良。二者混合后經(jīng)測定飽和導(dǎo)水率比全沙顯著下降，說明砒砂巖有降低飽和導(dǎo)水率的作用。在混合比例1∶5～1∶2是混合樣品的飽和導(dǎo)水率下降趨勢由快到慢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該比例范圍是較為理想的導(dǎo)水范圍（圖1）。砒砂巖含量的增加對合成“土壤”結(jié)構(gòu)性的改良具有積極的作用，但不宜過多，否則影響結(jié)構(gòu)的通透性。經(jīng)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(zhuǎn)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(jī)質(zhì)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(jī)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(zhì)地

圖1 砒砂巖與沙不同混合比例下的飽和導(dǎo)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(fù)配土富平縣小區(qū)試驗(yàn)

根據(jù)砒砂巖與沙復(fù)配成土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究結(jié)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(jīng)兩季作物種植后的有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量平均分別提高了0.465和0.695g/kg，并且土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出隨著種植作物季數(shù)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(wěn)定性團(tuán)聚體含量在第二季作物種植后分別達(dá)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(tuán)聚體粒徑分布更為均勻，土壤結(jié)構(gòu)逐漸改善。玉米和馬鈴薯在1∶2和1∶5復(fù)配土壤中的產(chǎn)量分別為9 900，8 250kg/hm2和22 500，35 235kg/hm2。從作物產(chǎn)量情況來看，玉米適宜在1∶2復(fù)配土壤中生長，而馬鈴薯適宜在1∶5復(fù)配土壤中生長。

表3 土壤種植兩季作物前后的有機(jī)質(zhì)含量 g/kg

表4 土壤種植兩季作物前后水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量 %

2.3 砒砂巖與沙復(fù)配土榆陽區(qū)大田試種

榆陽項(xiàng)目區(qū)未利用土地開發(fā)前均為高低起伏的風(fēng)沙草灘地，相對高差小于20m，土地平整工程任務(wù)大，項(xiàng)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(guī)則的長方形，均約5.7 hm2/塊，根據(jù)實(shí)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(nèi)，土地平整度及坡降均滿足灌水均勻等相關(guān)技術(shù)要求。每個田塊的耕作層在30cm，整個工程主要采用外運(yùn)砒砂巖進(jìn)行覆蓋、破碎、翻耕攪拌達(dá)到復(fù)合成土，以達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)的目的，整個項(xiàng)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(jìn)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(jìn)行翻旋混勻。馬鈴薯和玉米的產(chǎn)量分別為37 500～45 000kg/hm2和13 500～14 250kg/hm2。

2.3.1 砒砂巖與沙復(fù)配土榆陽區(qū)大田試種后土壤的肥力水平分析 榆林市榆陽工程示范區(qū)共規(guī)劃了7塊農(nóng)田，在2012年馬鈴薯收獲后，在每塊農(nóng)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(jìn)行。

由表5看出，根據(jù)《陜西土壤》，榆林市榆陽區(qū)土壤pH值偏堿性，變幅在8.26～8.50?！蛾兾魍寥馈分嘘儽钡貐^(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)以9級為主。砒砂巖與沙復(fù)配土在作物收獲后，測得土壤有機(jī)質(zhì)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(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)含量大于20g/kg的土壤比較肥沃，所以總體上來說，土壤有機(jī)質(zhì)含量急需提高。砒砂巖與沙復(fù)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(dāng)耕作層土壤含鹽量大于0.2%時，作物的生長發(fā)育會受一定的影響，復(fù)配土有90%左右的全鹽量達(dá)標(biāo)，符合種植標(biāo)準(zhǔn)。土壤全氮含量是土壤肥力的主要指標(biāo)之一。砒砂巖與沙復(fù)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(biāo)之一。根據(jù)《陜西土壤》的研究結(jié)果，陜西省絕大部分地區(qū)的土壤是缺磷的［10］，砒砂巖與沙復(fù)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(fù)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(fù)配土理化指標(biāo)檢測結(jié)果

2.3.2 砒砂巖與沙復(fù)配土榆陽區(qū)大田試種后土壤的環(huán)境質(zhì)量狀況 由表6可以看出，復(fù)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(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［20］，砒砂巖與沙復(fù)配土壤質(zhì)量中除全鎘含量一部分達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)，一部分達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)外，其余重金屬砷、汞、鉛、鉻、銅、鋅、鎳的含量均達(dá)到了一級標(biāo)準(zhǔn)，均符合種植標(biāo)準(zhǔn)。從2009年開始，在榆陽區(qū)大紀(jì)汗土地開發(fā)示范工程中，累計(jì)整治規(guī)模2 100hm2，新增耕地1 573hm2，新技術(shù)節(jié)支總額約1.57億元，且節(jié)水效果顯著；建成的規(guī)模化、高標(biāo)準(zhǔn)脫毒馬鈴薯原種繁育基地，對周邊農(nóng)戶起到了輻射帶動作用，經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)綜合效益顯著。

表6 復(fù)配土重金屬含量 mg/kg

3 結(jié)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(fù)配土中生長，并對大田試種后的土壤肥力水平與環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了分析，均符合種植標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來看，砒砂巖與沙兩種物質(zhì)按照一定比例混合后，改善了砒砂巖和沙物質(zhì)自身的不利特性，產(chǎn)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(fù)配成土造田技術(shù)為在毛烏素沙地大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

［1］朱俊鳳，朱震達(dá).中國沙漠化防治［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1999.

［2］韓麗文，李祝賀，單學(xué)平，等.土地沙化與防沙治沙措施研究［J］.水土保持研究，2005，12（5）:210－213.

［3］孫麗敏，侯旭光.干旱、半干旱地區(qū)植被治沙造林技術(shù)措施［J］.防護(hù)林科技，2005，（4）:90－91.

［4］牛蘭蘭，張?zhí)煊?，丁國?毛烏素沙地生態(tài)修復(fù)現(xiàn)狀、問題與對策［J］.水土保持研究，2006，13（6）:239－242.

［5］沈渭壽.毛烏素沙地飛播植被現(xiàn)狀與評價［J］.中國沙漠，1998，18（2）:143－148.

［6］李維，張強(qiáng).毛烏素沙地植被恢復(fù)措施［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2007，32（5）:76－78.

［7］吳卿，楊莉，李文忠，等.榆林沙區(qū)防風(fēng)固沙林結(jié)構(gòu)與效益研究［J］.人民黃河，2010，32（7）:89－94.

［8］王仁德，吳曉旭.毛烏素沙地治理的新模式［J］.水土保持研究，2009，16（5）:176－180.

［9］Kanayama M，Ohira T，Ogawa Y，et al.Variation of microstructure with consolidation proceeding for sandclay mixed soils［J］.Journal of the Clay Science Society of Japan，2009，48（1）:1－8.

［10］Moussa G K.New approach for estimating the permanent strain of collapsible soil－sand mixtures［J］.Alexandria Engineering Journal，2002，41（3）:475－483.

［11］Pandian N S，Nagaraj T S，Raju P S R N.Permeability and compressibility behavior of bentonite－sand/soil mixes［J］.Geotechnical Testing Journal，1995，18（1）:86－93.

［12］周道瑋，田雨，王敏玲，等.覆沙改良科爾沁沙地—松遼平原交錯區(qū)鹽堿地與造田技術(shù)研究［J］.自然資源學(xué)報，2011，26（6）:910－918.

［13］馬云艷，趙紅艷，嚴(yán)嘯，等.泥炭和腐泥改良風(fēng)沙土前后土壤理化性質(zhì)比較［J］.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，34（6）:40－44.

［14］張曉薇，詹強(qiáng).礦區(qū)退化土地土壤改良劑的研制［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，29（S1）:147－148.

［15］王愿昌，吳永紅，寇權(quán)，等.砒砂巖分布范圍界定與類型區(qū)劃分［J］.中國水土保持科學(xué)，2007，5（1）:14－18.

［16］黃寶林.扎根砒砂巖不渝水保情:記內(nèi)蒙古有突出貢獻(xiàn)的水?？萍脊ぷ髡吆罡２跩］.中國水土保持，1994（1）:54－55.

［17］朱曉梅，臧春鑫，宋炳煜.皇甫川流域砒砂巖及栗鈣土的土壤水分特征［J］.人民黃河，2007，29（7）:40－44.

［18］張歲岐，辛小桂.富平縣農(nóng)業(yè)氣候資源及災(zāi)害天氣分析［J］.水土保持研究，1999，6（1）:32－36.

［19］劉光崧.土壤理化分析與剖面描述［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［20］國家環(huán)境保護(hù)局和國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 15618—1995中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，1995.