毛烏素沙地長(zhǎng)期復(fù)配土的技術(shù)問題研究

毛烏素沙地長(zhǎng)期復(fù)配土的技術(shù)問題研究

毛烏蘇沙是歐爾多斯高原東南部和陜北長(zhǎng)城沿線沙地的總稱。位于北緯3730-3920，東經(jīng)10720-11130。毛烏素沙地地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)生態(tài)脆弱區(qū),生態(tài)環(huán)境極易破壞,人地矛盾相對(duì)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(chǎng)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。例如,飛播造林已有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(dòng)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。王仁德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(guó)外已有砂黏混合土,塌陷土和砂混合土,膨潤(rùn)土和沙土混合土等沙地改良的報(bào)道。國(guó)內(nèi)已有沙土和鹽堿土混合成沙堿土,炭和腐泥改良風(fēng)沙土,沙土和煤矸石混合成土等復(fù)合土壤種植作物的報(bào)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(shì)必會(huì)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。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,巖層貯水多,成為相對(duì)富水層,能為植物生長(zhǎng)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(huì)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(duì)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(duì)于增加陜西省耕地面積、提高耕地質(zhì)量具有重要意義。1材料和方法1.1沙荒地分布及地質(zhì)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(shì)北高南低,自西北向東南傾斜,海拔375.8~1420.7m。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5187.4MJ/m2,年日照時(shí)數(shù)約2389.6h,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%。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(zhǎng)城以北約30km,涉及榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村1個(gè)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充分利用宏觀法確定作物生長(zhǎng)的最佳比例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(cè)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(píng)價(jià)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(zhǎng)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(cè)定方法詳見表1。2結(jié)果與討論2.1沙中植物基質(zhì)分子中沙結(jié)構(gòu)的改變土壤質(zhì)地與土壤理化性狀密切相關(guān),因此,可通過測(cè)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(duì)合成“土壤”性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(shì)(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(cè)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(shì)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(duì)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(cè)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(shì),毛管孔隙度增大,有利于蓄水供水,保證作物良好的生長(zhǎng)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(zhǎng),可通過后期施用有機(jī)肥等措施得以改善。2.2種植水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量根據(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(shì);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9900,8250kg/hm2和22500,35235kg/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(zhǎng),而馬鈴薯適宜在1∶5復(fù)配土壤中生長(zhǎng)。2.3田塊立地條件榆陽項(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(duì)高差小于20m,土地平整工程任務(wù)大,項(xiàng)目共移動(dòng)土方1.35×106m3,平整后共劃分為28個(gè)田塊,單個(gè)田塊均為規(guī)則的長(zhǎng)方形,均約5.7hm2/塊,根據(jù)實(shí)際地形,田塊長(zhǎng)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(gè)田塊的耕作層在30cm,整個(gè)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(gè)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(duì)30cm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(duì)30cm耕作層進(jìn)行翻旋混勻。馬鈴薯和玉米的產(chǎn)量分別為37500~45000kg/hm2和13500~14250kg/hm2。2.3.1土壤肥力指標(biāo)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(gè)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》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(jí)為主。砒砂巖與沙復(fù)配土在作物收獲后,測(cè)得土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.2g/kg,變幅在1.3~3.4g/kg,處于9級(jí)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(shí),作物的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)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(cè)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(jí)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,砒砂巖與沙復(fù)配土測(cè)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(jí)水平。砒砂巖與沙復(fù)配土測(cè)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(jí)水平。2.3.2沙復(fù)配土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)含量變化由表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15.79~21.44mg/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6.27~14.55mg/kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,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(jí)標(biāo)準(zhǔn),一部分達(dá)到二級(jí)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(jí)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2100hm2,新增耕地1573hm2,新技術(shù)節(jié)支總額約1.57億元