砒砂岩与沙复配成土技术研究综述

何 振 嘉，范 王 涛，杜 宜 春

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 2.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075)

砒砂岩是一种风化程度较高、结构松散的破碎岩石，广泛分布于我国陕北、内蒙古以及山西等干旱半干旱区域。在水蚀和风蚀的作用下，砒砂岩不仅会引发水土流失和严重的土地沙漠化，还可能严重阻碍人地关系和谐并危害生态环境安全[1-2]。许多学者对砒砂岩的理化特性和构造组成进行了研究，研究发现，砒砂岩在无水环境下质地坚硬难以利用，而在遇水条件下则质地松散如泥，保水持水能力较强[3-5]。由于砒砂岩与沙的颗粒结构、矿物组成具有互补特性，若将砒砂岩与沙按一定比例进行复配，则能产生一种质地良好、稳定性较强、保水透气且适宜耕种的复配土壤[6-7]。

随着城镇化建设用地需求的增大，现有的耕地后备资源已不能保障经济发展的需要，为缓解后备资源不足的问题以及改善生态环境，大量学者进行了多种尝试，如以煤矸石、建筑废弃物、污泥等作为填充材料新造耕地，但由于材料运输成本较高、易引起重金属污染以及造田周期较长而效益较低等原因，未能从根本上解决补充耕地的问题[8-9]。砒砂岩与沙复配成土因其具有技术可行、材料易于获取、造田效益显著等特点，在土地整治及新造耕地领域具有较大的优势[10]。砒砂岩与沙复配成土技术的应用和推广，不仅能极大地对大面积不可利用砒砂岩与沙地进行综合治理，有效提高土地利用程度和增加后备资源补充耕地数量，还能显著地促进土地资源集约，改善人居环境和自然环境，推动经济可持续发展。本文从砒砂岩与沙复配成土技术机理出发，探讨了该技术的生态环境效益和实际生产效益。在总结已有研究成果的基础上，提出研究存在的不足并对该技术未来发展趋势作出展望。

1 砒砂岩与沙复配成土技术机理

韩霁昌等[11]通过研究提出：砒砂岩与沙经混合后，沙粒间的非毛管孔隙被细颗粒填充，增加了能够长期保持水分的毛管孔隙，降低了水分的渗漏。在毛管孔隙间不饱和水的毛细力的作用下，砒砂岩内部的胶结物——碳酸盐矿物能与沙颗粒相互吸附并形成良好的结构体。由于砒砂岩毛管孔隙度高，而沙的非毛管孔隙度高，二者混合后既能增加通透的非毛管空隙，又能增加持水保水的毛管孔隙；砒砂岩既能团结砂粒，又能被砂粒分散而不使整体板结，砒砂岩内水分不易渗漏、蒸发少，吸水蓄水能力强，有利于保水保肥土壤层的形成，并提高水资源利用率。此外，砒砂岩中的粉粒以及毛管孔隙等容易吸附养分离子，有效提高复配土保肥能力。研究表明，砒砂岩与沙在1∶2～1∶5配比条件下，具有良好的孔隙度特性，持水保水能力强，理化性状良好，能有效增加沙土毛管孔隙度、降低渗透性，有利于土体气相、液相、固相动态平衡；还因具有安全无害的特性，在人类活动、生物活动及其分泌物对土壤的共同作用下，能显著促进土壤保水持水能力并提高作物产能[12-13]。作物种植使表层土壤粉粒和黏粒向下运移，形成的防渗层起到了良好的保墒作用，进一步改善了土壤理化性质，土壤有机质含量也得到逐步改善，复配土的团聚体数量随着砒砂岩含量的增加而增多，粒径分布更为均匀，土壤结构逐渐改善[14-17]。砒砂岩与沙复配成土技术因对防风固沙、涵养水分、保肥保土、固碳固氮以及营养保障等方面的效果显著，目前已在毛乌素沙地进行了大面积推广，整治利用土地面积超过7 000 hm2，通过试种小麦、玉米、大豆、马铃薯等经济作物，取得了显著的社会效益和经济效益[18-19]。

2 砒砂岩与沙复配成土技术效益

2.1 对土壤固沙能力的影响

土壤理化特性和结构组成对风蚀量起决定性作用，砒砂岩与沙按一定比例复配成土改变了土壤理化特性，大量研究表明，沙地中添加砒砂岩可有效提高沙地的固沙能力。程杰等[20]采用试验模拟和野外观测相结合的方式，对毛乌素沙地的砒砂岩与沙复配成土进行固沙特性研究，研究表明，复配成土地表形成的结皮能有效防止沙土流动，起到固沙效果。李裕瑞等[21]利用集沙仪、扫描电镜及激光粒度仪等，通过野外观测，对毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土输沙及固沙效应进行了探索，结果表明，复配成土的输沙量仅为原状沙地的49.2%，且耕作2 a后形成的土壤团聚体数量以及粉、黏粒量显著高于原沙地，并提出土壤结构是固沙的重要因素。童伟等[2]通过小区试验和野外观测相结合的方式，研究了砒砂岩与沙复配成土对固沙能力的影响，结果表明，复配土土壤结皮厚度和地表粗糙度有助于提高抗风蚀能力。王欢元等[5]研究了7种不同比例的砒砂岩与沙复配成土的固沙性能，研究表明，土壤粒度组成对抗风蚀能力有较大影响，复配土由于粒度的改变，影响了抵御风蚀的主导力，进而提高了固沙能力。张卫华等[3]研究了砒砂岩与沙复配土的理化特性，同样发现了在复配土的表层土壤结皮、冻盖层的作用下，固沙效果得到了显著提高。

2.2 对土壤物理性质的影响

土壤物理性质是土壤最基本的性状和指标，也是影响土壤质量的重要参数。因此，土壤物理性质的改善是保护生态环境和发展农业生产的基本保障。大量研究表明，砒砂岩与沙复配成土技术对土壤物理性质影响显著。李娟等[13]采用模拟土柱试验和风洞试验方法，研究砒砂岩与沙复配成土的保水、保肥、保土能力，研究发现，复配土中土壤粉粒、黏粒含量与砒砂岩量呈正相关关系，与沙粒含量呈负相关关系，复配比例为1∶1时，土壤团聚体含量最高，保水效果最好，风蚀量也最低。孙婴婴等[22]在毛乌素沙地进行了玉米种植试验，研究了不同比例复配土对储水能力的影响，结果表明，砒砂岩与沙复配土可显著提高土壤保水蓄水能力，尤其对表层土壤和深层土壤的保水性有显著作用，且有利于玉米根系对水分的吸收和生长。王欢元等[23]对不同含沙量条件下的砒砂岩与沙复配土的物理性质进行了研究，结果表明，复配土的含沙量越高，毛管孔隙度越低，而饱和含水率则越高，含沙量对水稳性团聚体含量影响显著。张露等[24]对毛乌素沙地不同质量比复配土持水情况进行了研究，结果表明复配土水分特征曲线可由Gardner模型较好地拟合，复配土中砒砂岩质量与田间持水量、有效水含量、萎蔫系数以及有效孔隙度均呈正相关关系，复配土壤的持水保水能力随砒砂岩质量的增加而增强。赵彤等[25]研究了毛乌素沙地不同体积比条件下的砒砂岩与沙复配土对水稳性团聚体的变化情况，结果表明，种植作物之前、复配土比例为1∶1时，水稳性团聚体质量百分比最大，而种植作物4 a后、复配土比例为1∶2时，更有利于水稳性团聚体的形成。张露等[26]对砒砂岩与沙复配成土表层(0～20 cm)土壤储水情况进行了重点研究，发现表层土体有效水含量随砒砂岩与沙复配比例的增加而增加，土体重构后，若沙含量大于砒砂岩量，则不利于土壤水分储蓄。摄晓燕等[27]研究发现，砒砂岩对降低入渗率和饱和导水率、增加含水量和持水能力效果显著，砒砂岩与沙比例为1∶3时，复配土的吸水和保水性能最佳。

2.3 对土壤化学性质的影响

2.4 对作物生长和产量的影响

柴苗苗等[38]通过二因素随机试验，探究了不同砒砂岩与沙复配体积比对种植作物生长和产量的影响，结果表明，砒砂岩与沙复配体积比为1∶1时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，但复配比为1∶1时作物产量显著低于1∶2和1∶5时。胡雅[39]在小区试验的基础上，研究了砒砂岩与沙不同复配比例对作物产量的影响，结果表明，砒砂岩与沙复配比例对作物产量的作用不明显，复配土中砒砂岩含量小时，较为适宜耕种马铃薯，复配土中砒砂岩含量大时，则较为适宜耕种玉米、小麦和大豆。韩霁昌等[16-17]对砒砂岩与沙复配土种植冬小麦的生长和产量进行了研究，结果表明，砒砂岩与沙复配土对作物生长净光合速率、蒸腾速率等均有显著影响，较黄土与沙复配土的干物质积累量、产量均有显著提高。魏样等[40]为寻求适宜小麦生长的砒砂岩与沙复配比例进行了小区模拟试验，结果表明，复配土比例为1∶5时，土壤容重、有机质含量和小麦产量能达到最高。孙婴婴等[41]研究了不同砒砂岩与沙复配比例对春玉米生长指标和产量的影响，结果表明，砒砂岩与沙复配比例为1∶2时，对春玉米光合作用影响显著，且百粒重与产量均显著高于其他比例的复配土。孙增慧等[42]在陕北榆阳区进行了不同砒砂岩与沙复配比例条件下的玉米大田试验，结果表明，砒砂岩与沙复配比例为1∶2时，对玉米产量的增加效果最为显著，亩均产量最高可达480 kg，此外，对复配土添加一定量的改性材料也有助于作物生长和产量的提高。魏彬萌等[43]通过盆栽实验研究了生物炭对砒砂岩与沙复配土种植玉米的影响，结果表明，复配土中生物炭量的增加可显著提高土壤有机质、磷和钾的含量，且对复配土理化性质、水肥保持、作物生产和产量均有显著改善。

3 砒砂岩与沙复配成土技术研究不足

国内学者对砒砂岩与沙复配成土技术在各个领域方面的应用进行了大量研究并取得了诸多成果，该技术取得了较好的经济效益和社会效益[18-19，44]。但根据目前研究现状来看，仍有较多关键技术要素尚需取得突破。

3.1 复配成土的物理、化学、生物学性质研究尚不充分

马增辉等[45]探讨了不同混合比例的砒砂岩与沙复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律，杜宜春等[46]研究了浓度、流速和离子强度对砒砂岩黏粒在风沙土中迁移的影响，而对复配土土壤容重、土壤酸碱度、孔隙度以及团聚体等质地和结构方面的研究较少。水肥气热对土壤理化性质具有重要的影响，王璐瑶等[47]研究了土壤温度对砒砂岩理化性质及营养成分的影响，但对于复配土土壤温度和光热状况的研究尚不多见。土壤微生物活动对作物生长和土壤质量提高具有显著影响，目前仅曹婷婷等[29]对砒砂岩与沙复配成土生物培肥效应进行了研究，对微生物活动引起的砒砂岩与沙复配土理化性质的影响尚需进一步研究。

另外，环境中某种营养元素过量、不足或多种养分配合不当，都可能对生物的生命活动起限制作用，不同类型作物对营养物质种类与需求量存在较大差异，营养物质在作物体内的积累量也有不同。大量研究通过设置不同复配土比例验证了复配土对含蓄水分、增加土壤养分及提高作物产量具有一定影响，但砒砂岩与沙复配成土在涵养水分、保蓄养分以及作物增产等方面的作用机理尚不明确，且对于养分方面的研究主要集中于土壤氮素[48-50]，并在复配土氮素垂直运移[35]、氮素吸附性能[36]以及氮素淋失[33]等方面进行了研究，而对于其他养分，如有效磷、速效钾、有机碳等营养物质的研究较少。此外，王晶等[51]、张海欧等[52-53]对砒砂岩与沙复配土壤在冻融条件下土壤团粒结构和土壤特征进行了研究，但尚缺乏不同覆盖材料以及施用生物炭条件对其在冻融条件下节水、保肥及增产效果方面的研究。针对复杂的野外作业条件，多种因素共同作用(如水肥耦合条件、水盐胁迫等交互作用)对砒砂岩与沙复配土物理、化学及生物性质影响的研究较少。

3.2 缺乏长期应用及系统观测

对不同比例复配土条件所实现的不同效果成因研究不明确。研究中试验研究较多，但对于中间发生的过程研究相对不足，大量试验研究集中在短期或一个生育期内，缺乏多个生育期内或多年试验数据的连续性研究。作为一种配土技术，其配方相关参数的确定方法尚不明确，且不同比例复配土的设定主要依靠主观经验。目前，虽然已进行了大量试验研究，但并未制定出业内统一且被认可的相关规范和技术标准，大规模复配土操作流程及技术规范也尚未形成。如针对不同作物种植结构、不同施肥模式[54]、不同地类现状、不同灌溉排水条件以及不同种类化肥施用条件下适宜的复配比例等也尚未明确，特别是在极端降雨、极端干旱等气候条件下，缺乏相关长期观测数据和模拟试验，复配土的长期施用结果存在不确定性。

3.3 对土壤固碳、土壤重金属影响效果、改性材料添加和土壤温度等研究尚不充分

需要指出的是，土壤固碳和土壤修复是当前研究的一个热点问题，砒砂岩与沙复配成土技术对土壤固碳和土壤重金属影响效果的研究还十分少见，目前仅孙婴婴和郭振等[55-56]对砒砂岩与沙复配土的固碳机理及固碳能力等方面进行了研究，但由于观测时间较短、研究数据较少，对不同复配比例条件下土壤固碳能力和差异性以及对不同复配土中生物群落结构和功能的研究尚未见到。罗林涛等[57]利用等离子体质谱仪对砒砂岩与沙复配土的重金属含量进行了测定，结果虽表明复配土中重金属含量对作物生长和品质安全有一定的保证，但对于富集重金属的土壤中作物生长和产量等方面的研究尚未见到，复配土是否对土壤中重金属含量具有吸附固定作用也有待进一步研究。李劲彬等[58]研究了不同比例复配土对重金属渗透迁移的影响，结果表明，砒砂岩对重金属渗透抑制效果显著，但对重金属的吸附性低于黄土。李娟等[59]研究了添加秸秆和生物炭等改性材料对复配土稳定性的影响，结果表明，添加有机物料后的复配土稳定性指标均比对照组高，且混施物料对团聚体稳定指标的改善效果优于单一物料。郭振[60]研究了添加有机物对复配土碳氮含量的影响，结果表明，施用有机肥可促进0～20 cm表层土壤有机碳和全氮的积累，但研究均较为单一。因此，改性材料的添加对复配土理化性质、保水保肥保土以及对作物生长和产量、土壤固碳和重金属防治等方面的研究也应是重点研究的内容。此外，针对复配土地温相关研究目前较少[61-62]，也是今后研究的一个重要方向。

4 砒砂岩与沙复配成土技术推广前景和展望

砒砂岩是一种危害大且利用率较差的风化岩石，但通过与沙复配成土，砒砂岩变成了可以利用的优势资源。结合大量文献可以看出，砒砂岩与沙复配成土技术在增加耕地面积、防风固沙、涵养水土、增强土壤水土保持效应、改善土壤物理和化学性质、提高土壤养分和营养物质以及增产等方面都有显著的作用[63-65]。针对不同的种植条件和作物种类，均提出了适宜的复配比例，促进了砒砂岩与沙复配成土技术的应用和推广。但目前砒砂岩与沙复配成土技术相关研究尚不全面。根据查阅分析以往文献，目前对砒砂岩与沙复配成土的物理、化学、生物学性质还缺乏系统性研究，相关研究仍有待加强。大面积施用后，砒砂岩与沙复配成土技术对土壤固碳和土壤重金属影响效果具有重要的生态环境意义，该方面研究应提前开展。砒砂岩与沙复配成土技术尚新，因此其长期环境、生态效益也应得到持续关注。总之，砒砂岩与沙复配成土技术的推广和相关工程的实施，为我国提高耕地数量和质量、保障粮食安全、缓解水土流失以及生态环境健康可持续发展提供了广阔的路径和科技支撑。