毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土造田工程技术研究

摘 要：为探索出一条适宜毛乌素沙地治理模式，选取地理位置、气候、水文等条件具有代表性的榆林市小纪汗乡大纪汗村区域作为工程示范项目点，在基于砒砂岩和沙复配成土技术基础上，综合运用工程和耕作管理措施，形成一套兼顾生态和经济效益的开发性治理新模式。实践证明：通过砒砂岩与沙复配成土造田工程的实施，有效增加了耕地面积，改善了農业生产条件和生产效率，提高了粮食产量，实现了沙地资源化利用。通过对项目区实施灌溉与排水工程、田间道路工程、农田防护与生态环境保护工程等配套工程措施，使项目区种植结构有了合理调整，改善了当地的区域自然生态环境，逐步建立起人与自然、环境之间协调发展的生态系统，将原来的沙荒地打造成为景观生态农业基地。

关键词：毛乌素；砒砂岩；沙；造田工程

中图分类号：S282 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170721001

毛乌素沙地，是鄂尔多斯高原东南部和陕北长城沿线沙地的统称，位于N3730'～3920'，E10720'～11130'之间。长期以来，毛乌素沙地面临区域土地沙漠化、生态退化等严重的生态环境问题。随着气候暖化趋势的日益显现和人类活动强度的不断增大，土地沙漠化加剧、水资源缺乏、水土流失、土地质量下降等综合问题日益突出[1]。如何有效防治土地沙漠化、改善区域生态环境、协调人地关系，成为国内管理界、学术界密切关注的重大现实问题[1，2]。从近些年来的防治技术研究与实践来看，呈现出常规化、单一性、短期性的特点与问题，基础性技术集成和自主创新能力不足、成果偏少，因而面对区域性生态退化、土地质量下降和人地关系恶化等一系列难题，亟需立足当地实际、明确科学目标，推进深度研究和创新[3]。

毛乌素沙地广泛分布着被当地人俗称为“砒砂岩”的松散岩层，它具体指古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层。该地层为陆相碎屑岩系，由于其上覆岩层厚度小、压力低，造成其成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低。砒砂岩无水坚硬如石，遇水则松软如泥。由于这种岩层自身物理、化学性质和当地特殊的自然、人文环境，使得该岩层极易发生风化剥蚀。砒砂岩区土壤侵蚀模数高达3～4万t/km2·a，是黄土高原侵蚀最剧烈的区域，被称为“世界水土流失之最”，和“环境癌症”。当地群众深受其水土流失危害，视其危害毒如砒霜，故称其为“砒砂岩”[4]。

长期以来，毛乌素沙地面临区域土地沙漠化、生态退化等严重的生态与环境问题。随着气候变暖趋势日益显现和人类活动强度不断增大，土地沙漠化加剧、水资源缺乏、水土流失、土地质量下降等综合问题日益突出。如何有效防治土地沙漠化、改善区域生态环境、协调人地关系，成为国内管理界、学术界密切关注的重大现实问题[5]。从近些年来的防治技术研究与实践来看，呈现出常规化、单一性、短期性的特点与问题，基础性技术集成和自主创新能力不足、成果偏少，因而面对区域性生态退化、土地质量下降和人地关系恶化等一系列难题，亟需立足当地实际、明确科学目标，推进深度研究和创新。

1 项目区概况

项目区位于陕西省榆林市榆阳区境内的小纪汗乡大纪汗村。距榆林城区23km，地理坐标介于E10928'58''～10930'10''，N3827'53''～3828'23''之间。本项目建设总规模170hm2，实现新增耕地165hm2。项目区属典型中温带半干旱大陆性季风气候区，雨少不匀，气候干燥，冬长夏短，四季分明，日照充足。年平均降水量413.9mm，60.9%集中在7—9月。区域属干旱与半干旱草原沙丘植被带，天然植被属西北草原系群落的延伸。由于过度放牧和风沙侵蚀，天然植被灌丛和野草几乎殆尽，取而代之的植被是人工植被和次生植被。主要有新疆杨、旱柳等乔木、沙柳、沙蒿等灌木零星栽植，覆盖率小于10%，亦有部分荒地，基本无植被覆盖[6-8]。

2 砒砂岩与沙复配成土造田工程技术解析

砒砂岩与沙复配成土造田工程技术的核心部分是土体的有机重构和配套工程的实施。土体有机重构工程标准从颗粒重构、剖面重构、化学重构以及生物营养保障4方面做了规范。通过砒砂岩与沙复配首先达到适宜作物生长的土壤颗粒级配[9]，随后优化土体剖面结构，构建合适的耕作层构型[10]，调节土壤各化学指标达到作物生长适宜范围，最后调节土体养分，满足生命体生长需求。

2.1 土体有机重构

2.1.1 土体颗粒和土体剖面重构

颗粒重构前首先应根据项目区实际情况调查并选择合适的种植作物，根据作物种类选择适宜的砒砂岩与沙复配比例。陕西毛乌素地区一般适宜种植马铃薯和玉米等，根据多年长期定位研究及示范推广效果，采用如表1所示的砒砂岩与沙，不同作物最适复配比例（体积比）见表2。本标准中土体颗粒重构及剖面重构工程均以表1所示砒砂岩与沙的机械组成为例，使用其他机械组成的砒砂岩与沙配比，砒砂岩用量可以此砒砂岩机械组成为标准进行计算。

土体剖面重构：底土平整后，上覆砒砂岩与沙混合物重构耕作层，根据不同作物设计配比及耕作层厚度计算砒砂岩用量。耕作层设计厚度以具体作物而定，一般设计30cm，如果种植作物为马铃薯，则需覆砒砂岩5cm；如果种植作物为玉米，则需覆砒砂岩10cm。砒砂岩采用挖掘机采挖，自卸货车运输，以每个田块为一个施工单元，覆砒砂岩前根据每车的运输方量计算出单车覆砒砂岩面积，在田面上用白灰划出方格网，使每个方格网面积和单车覆砒砂岩面积相等，做到每个方格网一车砒砂岩，以保证覆砒砂岩厚度均匀，覆土后翻耕混匀，保证砒砂岩岩块直径在4cm以下。

2.1.2 土体化学重构

新复配土体化学指标检测主要检测耕作层土壤pH、电导率以及重金属指标，以判定各项指标是否满足作物生长的环境化学要求，根据检测指标进行土体化学重构。

调节土壤pH及电导率至能满足目标作物的正常生长范围内，改善土壤环境质量，重金属含量不高于GB 15618-1995二级标准。如果项目区有一定程度的盐渍化或者土壤pH较低，难以满足作物生长，可选择施用石膏、硅酸钙、有机肥料、生理酸性肥料等减轻土壤盐渍化，选择石灰等材料提高土壤pH，以达到土体化学重构，满足作物生长的目的[11，12]。endprint

对于毛乌素沙地来说，如果项目区有轻度的盐渍化或者土壤pH略高，不符合设计要求，可选择施用石膏、生理酸性肥料等进行改良，降低土壤pH。改良剂施用量采用式（1）进行计算。

G= [（10-J-10-K）×30×B×2.5×I ]/D×10000 （1）

式中G——改良剂添加量，kg/hm2；J——设计pH值；K——复配土实际pH值；30——耕作层厚度，cm；B——耕作层容重，g/cm3。2.5——pH测定水土比；I——改良剂摩尔质量，g；D——1mol改良剂能中和的OH-离子摩尔数，mol。

2.1.3 生物营养保障

基础土质成分调节：首年土质成分调节：一般新复配土壤养分含量较低，首年土质成分调节应以提高土壤有机质为目的，以基本可满足作物生长为目标。提高土壤有机质主要以基施有机肥的方式进行，土地较贫瘠，可每667m2施腐熟农家肥4 m3；中等肥力土壤可每667m2施腐熟农家肥3m3；高肥力土壤可每667m2施农家肥2.5m3。

养分培育调节：在新增耕地后期管理中，有机肥的施入和秸秆的还田效应，都会缓慢释放出氮、磷、钾等养分元素，结合化学肥料的施用，土体养分会发生动态变化，不断改善。土体养分培育应以平衡施肥法为主[13，14]，根据不同作物目标产量确定合理肥料施用量，常见作物百公斤产量养分需求量见表3。

化肥施用量的计算根据产量指标、土壤肥力、肥料类型等综合资料确定，公式如下：

化肥施用量=（计划产量的养分吸收量-土壤供肥量-有机肥供肥量）/肥料含养分百分率（%）/肥料利用率（%）

2.2 配套工程措施

造田工程的相关配套工程进行了规范，其中灌溉与排水工程、输配电工程、道路工程、农田防护与生态环境保持工程是主要部分。

灌溉与排水工程：根据项目区实际开采地下水或地表水作为灌溉水源，沙荒地造田的灌溉方式通常包括喷灌和滴灌2种方式。对于土豆等无明显花期的作物，建议使用喷灌，对于小麦等有明显花期的作物，建议使用滴灌。

输配电工程：高压线路沿路架设，变压器采用杆上架设（包括10KV跌落式熔断器、10KV避雷器），泵站、机井宜采用专用直配输电线路供电，低压线路根据实际采用空架或地埋，变压器到各负荷的电压降不超过10%，供电半径不超过700m。配电室主要包括低压配电箱、低压补偿电容器、水泵启动器或软启动器。

道路工程：一般包括田间路和生产路两级，田間路一般采用砼路面，生产路一般采用泥结石或素土路面。

农田防护与生态环境保持工程：农田防护与生态保持工程主要包括农田防护林工程和防风林带工程

3 综合效益分析

3.1 社会效益

砒砂岩与沙复配成土技术在毛乌素沙地开展成土造地工程中的实施与推广，有利于保持耕地总量动态平衡，拓宽建设用地空间；有利于优化土地利用结构，促进土地集约利用；有利于改善农业生产条件和基础设施建设，提高农业生产率；有利于促进节约集约用地，促进农民增收、农业增效、农村发展。尤为重要的是，通过引入大规模现代化农业，不仅改变了传统的农业生产方式，更加使当地干部群众的思想产生翻天覆地的变化。这种巨变将推动农业生产以及其他产业结构的转型和效益的提升[15]。

3.2 经济效益

大纪汗项目建成后新增耕地达到稳定生产年份后，种植马铃薯年收入达1485.56万元，总成本为668.50万元，年新增纯收入817.06万元；种植玉米年收入可达495.19万元，总成本为118.84万元，年新增纯收入376.35万元。

大纪汗示范区总投资2148.91万元，按开发整理净增耕地面积165hm2计算，每667m2投入量为8679.20元。示范区实行轮作倒茬，种植2a马铃薯1a玉米，按3a种植季计算，平均每年净收益为670.16 万元，每667m2每年净收益为2706.70元，每667m2投入产出率为31.19%。

大纪汗示范区总投资额2148.91万元。计算投资回收期如下：

投资回收期=总投资/新增纯收入=2148.91/670.16=3.21a

回收期为4a，本项目经济效益良好。

3.3 生态效益

砒砂岩与沙复配成土造田工程项目依据标准实施后，工程建设新增水土流失得到有效控制，区域生态环境明显改善，工程建设扰动土地的治理率可达95.5%[15]，水土流失面积的治理度达到85.7%。建设项目完成后，随着新植林带的成长及农作物的种植，植物恢复系数可达95.8%，林草覆盖率达69.0%，在防风、固沙、排除空气污染，净化空气、改善项目区小气候，美化环境等方面，发挥重要的作用；形成错落有致的人工绿色农田生态系统：“田方、路平、林齐”，与社会经济发展相平衡的农业生态系统将逐步形成[16，17]。

砒砂岩与沙复配成土建成的田地土壤肥沃，水分充足，抗旱能力强，是高产稳产的优质基本农田。为调整农村产业结构、发展多种经营、促进退耕还林还草创造了有利条件。通过实施砒砂岩与沙复配成土造田重大工程，既可以增加优质农田，又能够有效巩固退耕还林和生态建设成果[18，19]。

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作者简介：王启龙（1990-），男，山东潍坊人，硕士，主要从事土地整治工程技术研究。endprint