毛乌素沙地综合整治技术研究及示范应用

庞喆

[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神木公草湾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，改善了农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

毛乌素沙地作为我国四大沙区之一，是典型的生态脆弱区和农牧交错区，土地风蚀荒漠化严重，近些年经治理恢复，土地荒漠化情况有所好转，但仍有扩张风险。毛乌素沙地砒砂岩和沙广泛分布，砒砂岩无水坚硬如石、遇水则松软如泥，而沙子结构松散、漏水漏肥，土地沙漠化和砒砂岩的水土流失并称“两害”，严重制约着区域可持续发展。砒砂岩与沙复配成土后，将开展现代化农业大生产，有望成为改善区域生态环境、增加主要农产品供给、促进当地农民增收的重要途径。如何有效防治土地沙漠化、改善區域生态环境、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。从近些年来的防治技术研究与实践来看，毛乌素沙地治理呈现出常规化、单一性、短期性的特点与问题，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

项目区位于神木县锦界镇西北部29.5km处的神木县锦界镇公草湾林场，距神木县城约80km，地理坐标为109°51′9.87″～109°52′42.21″，北纬38°52′39.48″～38°53′27.26″之间。项目区为典型的沙荒地，总面积648.52hm2，建设后新增耕地625.69hm2。项目区属于暖温带干旱半干旱大陆性季风气候区，季节变化明显，温差大，光能资源充裕，热量资源较丰富。多年平均降雨量365.1mm，降水年际变化大和季节性分配不均是制约土地利用的主要因素之一，易形成旱灾，当地总结为十年九旱，主要在春夏两季发生，严重影响农业产量和品质。项目区所在地土壤以沙土为主，土壤孔隙度大，保水保肥能力差，土壤养分含量为末级含量水平，有机质含量贫乏，氮、磷俱缺，微量元素中的硼、锌、锰、铁均缺乏，从而制约了土地生产力的提高。

2 关键技术介绍

2.1 固沙能力提升技术

砒砂岩是岩石，也是成土母质，它含有丰富的粉粒物质。这种粉粒物质结构形成团粒结构的速度最快，是形成土壤的基本元素。它的板结性很强，板结后可以保水不渗水。利用砒砂岩这种持水性强、渗透性能差的性质，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。由于砒砂岩具有持水性能佳的优点，弥补沙保水性能差的缺点，将二者混合形成互补效应，以期改善土壤物理特性，达到提高土地生产力的目的。

砒砂岩与沙按不同比例、不同级配混合后形成的物质性质和固沙效果不同，研究开展了砒砂岩与沙不同颗粒级配和混合比例组合的实验工作，通过扫描电镜、风洞试验和野外定位观测分析研究，进行3项试验数据的综合对比分析，得到复配土的风蚀量显著降低的效果。复配土的抗风蚀能力得到增强，根据研究区砒砂岩与沙粘粒含量，砒砂岩与沙比例在1：5～1：2之间抗风蚀能力最强。针对复配前期固沙能力弱的问题，在工程应用中，主要通过确定合理的砒砂岩与沙复配比例，以促进复配土结皮的形成和冬季冻盖层的形成。通过农业种植，增加复配土地表植被覆盖，充分发挥该技术的生产功能和生态功能，实现复配土的可持续利用。根据水源条件，可采取种植乔木或草灌的方式，改变上风向区域的植被特征，减缓风速，降低冬春季尤其是春季的输沙量。

2.2 高效灌溉节水技术

节水灌溉方式不仅可以采用较小灌水定额对作物进行浅浇勤灌，严格控制土壤水分，使之与作物生长需水更相适应；而且对耕作层土壤不产生机械破坏作用，可保持土壤团粒结构，使土壤疏松、孔隙多、通气条件好，促进养分分解、微生物活跃，提高土壤肥力。

依据当地气候条件及农业种植传统，选定适宜当地生长的典型经济作物马铃薯，并根据农作物生长状态对其全生育期进行阶段划分，利用测得的田间持水量、凋萎含水量等关键参数以及作物生育期内各用水阶段的需水要求，确定出不同生长阶段的计划湿润层深度，并据此分析计算得出各生育阶段内适宜的土壤含水量范围阈值。通过土壤含水率范围阈值确定不同阶段作物需水量，以此制定出作物节水灌溉制度。根据作物需水量的计算结果，制定出综合节水措施下玉米及马铃薯的灌溉制度（见表1）。

2.3 水肥管理技术

采用大田试验与土壤作物系统模型相结合的研究方法，以大田试验为基础，主要针对研究区主要种植的两种作物（玉米和马铃薯），种植前测定复配土的质地、容重、水力学参数（萎蔫点、田间持水量、饱和含水量、饱和导水率等）、水分和养分初始值；定期监测作物生育期内不同土壤深度的土壤水分、氮素（铵态氮、硝态氮）；叶面积指数、干物重、产量等作物指标在作物关键期测定，利用土壤作物系统模型在逐日气象数据的驱动下进行模拟研究，在校正和验证模型的基础上，模拟研究整个土壤、植物系统的水分平衡、氮素平衡、水分利用效率（WUE）和氮素利用效率（NUE），研究作物在复配土壤上的高产高效水肥管理技术，并通过不同气象年份下的情景分析对不同气候年份下作物的水肥管理制度进行模型研究。

通过采用水氮管理模型（WNMM）对复配土上水动力学、土壤和作物系统中的碳氮循环、作物生长和农业管理措施等进行模拟研究，结果证实砒砂岩在提高沙地水分、氮素和肥料利用效率方面发挥了显著的作用。对于复配土上春玉米而言，在枯水年、平水年、丰水年灌溉量分别为477mm、291mm、176mm左右，施肥量分别为114kgNhm-2、90kgNhm-2、169kgNhm-2左右的水肥管理制度为较好的水肥管理制度。对于复配土上马铃薯而言，在枯水年、平水年、丰水年灌溉量分别为245mm、219mm、104mm左右，施肥量分别为120kgNhm-2、120kgNhm-2、121kgNhm-2左右的水肥管理制度为较好的水肥管理制度。

3 关键技术应用

示范区结合固沙能力提升技术、高效灌溉节水技术和水肥管理技术，按照土体重构、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等有关建设标准要求和建设需要，进行单项工程建设。

3.1 土体重构

3.1.1 田块布置。田块长度和宽度既关系到田块平整工程量的大小和机械作业效率的发挥，也影响着灌排系统的布设。鉴于此，本次在综合考虑平整工程、机械化作业水平和农田灌排等因素，项目区内耕地全部按大田标准进行规划设计，田块长度控制在950m左右，田块宽度控制在400～600m左右，相邻田坎高度小于2.0m。

田块规模的大小与项目区农业种植习惯、耕作方式、地形地势条件、社会经济状况等因素密切相关。项目区全部种植马铃薯等大田作物。考虑到当地实际情况，本次划分田块在不受地形条件限制的条件下，尽可能使田块规模大，除因特殊地形形成的田块外，控制最小田块面积不小于45hm2。田坎设计为土坎，田坎高1.5m左右，田坎坡度1：1，田坎上栽植防护林。

3.1.2 底土平整。示范区未利用土地开发前均为高低起伏的其他沙地，相对高差均小于20m，但是地势高低分布不均，首先需要进行土地平整。采用DTM法计算沙丘土方推移工程量，针对田块之间高程不满足要求的，进行局部相邻田块间的土方调配。土地平整前先进行地面障碍物的处理和清除，采用履带式推土机，辅以人工的方法进行土地平整。施工前首先熟悉规划、设计图纸和施工现场，按田块和道路位置进行放线，先放出道路中心线，再放出道路路基边线，田块边坡坡脚线，以控制田块四周位置，再根据设计高程，测设出挖填平衡线，并做好高程标高标记，以每个小田块为一个施工单元，用推土机推平田块中的沙丘至设计高程。

3.1.3 砒砂岩与沙复配。根据现场踏勘，神木公草湾示范区土壤质地均以风沙土为主，粒径集中，属于粗砂粒，粘粉粒极少，颗粒表面活性低，粘性小，松散性强，风蚀沙化和水土流失严重。沙丘平整完成后需在田面上覆砒砂岩，以增加耕土层土壤粘粒。

神木公草湾示范区，根据项目研究结果，为达到最大综合效益，示范区适宜选择种植马铃薯。另外，研究结果表明，砒砂岩与沙在1：1～1：5比例之间，所混合而成的复配土固沙效应较好，且马铃薯适宜于1：5比例种植。综合砒砂岩与沙粘粒含量，同时考虑结合工程施工成本及土地持续综合利用性，工程实施过程中，在沙地表面上覆盖约5cm厚的砒砂岩颗粒，然后将表层30cm的砒砂岩与沙进行翻耕混匀，实现目标配比。

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。神木公草湾示范区共计移动土方673.71万m3，拉运砒砂岩约79.90万m3。

3.2 配套工程

3.2.1 灌溉与排水工程。示范区设计种植作物为马铃薯，采用西北半干旱区节水灌溉模式以喷灌和滴灌相结合为主，暗管灌溉为辅的灌溉方式。由项目区内机井抽水通过地埋输水管道输水至区域中心蓄水池，再经由中心支轴式喷灌机自配的加压泵抽水供给喷灌机进行喷洒灌溉；滴灌区域灌溉系统由机井、输水管道、加压系统和滴灌带组成。项目区机井抽水经由输水管道至田块区域加压系统加压输送至滴灌带进行灌溉；对喷灌机控制灌溉之外的边角连片大面积用地，采用暗管输水的形式进行灌溉。

水肥管理技术在示范区进行示范应用。施肥量与灌溉量完全参考马铃薯水肥管理制度：枯水年、平水年、丰水年灌溉量分别为245mm、219mm、104mm左右，施肥量分别为120kgNhm-2、120kgNhm-2、121kgNhm-2。榆阳区2016年降雨量为583.0mm，属于平水年，应用课题研究成果具体灌溉施肥措施见表2。

3.2.2 输配电工程。项目区共架设10KW高压线13837m，埋设低压线路18557m，安装变压器8台。高压线路沿路架设，变压器采用杆上架设（包括10KW跌落式熔断器、10KW避雷器），泵站、机井采用专用直配输电线路供电，低压线路采用地埋，变压器到各负荷的电压降小于10%，供电半径不超过700m。电力线路设备安装均符合DL/T5220-2005。

3.2.3 道路工程。路工程一般包括田间路和生产路两级，田间路一般采用砼路面，生产路一般采用泥结石或素土路面。项目区修建的各级道路沙路基基础水沉淀处理，土路基压实，压实度不低于94%；路面宽度根据道路规格确定，主干路路面宽度不小于3.5m，田间路路面宽度不小于3m，生产路路面宽度不小于1m；各级道路两侧路基宽度均不低于0.5m；道路横断面呈“鱼脊状”，横向坡降不低于1.5%，纵断面坡降应控制在6%～8%之间；弯道半径不低于20m。

神木公草湾示范区共修建道路18138m，包括：主干路5条，长9100m，混凝土路面宽4.5m，两边路肩各0.50m，路面高出田面50cm，原砂整平压实，垫层为35cm，面层为15cm厚的混凝土路面。生产路13条，长7376m，路面宽2m。示范区农田道路通达率均达到了95%以上。

3.2.4 农田防护与生态环境保持工程。对于项目区来说，农田防护林乔木宜选用樟子松、旱柳等；灌木宜选用沙棘、沙柳和紫穗槐等。渠道、道路边绿化带低于田面0.3m。对于防风林带工程規模参数中长、宽、直径任何一个大于10km的需在长段两侧增设防风林带。主林带应与主害风向垂直，带宽8～12m，斜设时偏角不得超过45°。副林带与主林带垂直，带宽3～4m。人多地少地区，主林带宽5～6m，副林带宽3～4m。

4 综合效益分析

4.1 生态效益

4.1.1 防风固沙。工程建设改善了土地内在质量，优化了土壤理化性状，增强了抵御自然灾害的能力，减轻了水土流失，抑制了土地沙化。项目建设后栽植的新疆杨、紫穗槐以及樟子松等植被不仅能有效防风固沙，控制水土流失，还能起到涵养水源、净化空气的作用，对生态环境质量的改善和提高起到重要作用。同时水地面积的增加，改善了沙地的土壤水分状况，为生物创造了有利的生存条件，可有效促进项目区植物种群的增加和扩大。项目实施增加了林草地面积，提高了植被覆盖率，促进了当地生态环境得到进一步改善。

4.1.2 节水。选定适宜当地生长的典型作物马铃薯，并根据农作物生长状态对其全育期进行阶段划分，利用测得的田间持水量、凋萎含水量等关键参数以及作物生育期内各用水阶段的需水要求，确定出不同生长阶段的计划湿润层深度，并据此分析计算得出各生育阶段内适宜的土壤含水量范围阈值。通过土壤含水率范围阈值确定不同阶段作物需水量，以此制定出作物节水灌溉制度，形成了砒砂岩与沙复配成土的灌溉节水技术；通过调整作物生长过程当中的耕作措施及制度，形成了砒砂岩与沙复配成土的耕作节水技术。工程技术节水、灌溉技术节水以及耕作制度节水等三个方面共同构建了毛乌素沙地农业开发利用的节水技术体系。示范区通过采用该高效灌溉节水技术，节水效果显著（具体如表3）。

4.2 经济效益

神木公草湾示范区建成后新增耕地625.69hm2，当复种指数为1.0时，稳定生产年份种植，马铃薯单产45000kghm-2，玉米单产15000kghm-2，开发后经济效益如表4所示。

通过估算可以算出，神木公草湾项目种植马铃薯年收入可达5631.25万元，总成本为1877.08万元，预期年新增纯收入3754.17万元；种植玉米年收入可达1877.08万元，总成本为450.50万元，预期年新增纯收入1426.58万元。

神木公草湾示范区总投资8345.19万元，按开发整理净增耕地面积625.69hm2计算，每公顷投入量为13.34万元。示范区一般实行轮作倒茬，种植两年马铃薯一年玉米，按三年种植季计算，平均每年净收益为2978.31万元，每公顷每年净收益为47600.1元，每公顷投入产出率为35.69%。

神木公草湾示范区总投资额8345.19万元。计算投资回收期如下：

投资回收期=总投资/新增纯收入=8345.19/2978.31

回收期为3年，本项目经济效益良好。

4.3 社会效益

毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土造田工程在保障国家粮食安全、实现区域耕地总量平衡、促进农村发展、维护社会稳定等方面的效益显著。

4.3.1 对国家粮食安全保障的贡献。项目实施后，项目区将形成田、坝、渠、路、林等基础设施配套完善的高标准基本农田，耕地的保水、保肥、抗灾能力将得到明显增强，耕地质量将会显著提高，从而稳步提升耕地综合生产能力，增强粮食生产能力。经初步测算，神木公草湾示范区项目实施后实现年增加粮食产量达2815.63万kg，将有力地支撑项目区经济社会的可持续发展，为保障国家粮食安全做出积极贡献。

4.3.2 对实现区域耕地总量平衡的贡献。榆林市处于城乡转型发展新阶段，城镇、工业及基础设施建设用地需求日益旺盛，对该区域实现耕地总量平衡带来了极大的挑战。砒砂岩与沙复配成土造田工程大幅提升了耕地质量的同时，实现新增耕地面积625.69hm2，新增耕地率为96.48%。通过农田基础设施的配套完善，补充耕地的质量明显提高，从而对实现榆林市乃至陕西省耕地总量平衡及其耕地综合生产能力提升，做出积极贡献。

4.3.3 对农村发展的积极作用。项目实施旨在促进农民增收、扶贫开发、重点集镇和先进农业生产模式新型农村社区建设相结合，不仅可以大幅改善农业生产条件，促进农村土地规模化经营，提高农业产出水平，增加农民收入，而且可以完善农村道路、交通设施和公共服务设施，有效推进小城镇、中心村建设，对于夯实农村基础，缩小城乡差距，促进城乡协调发展，具有积极的引导和推动作用。

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