摘 要：为促进砒砂岩与沙复合成土高效节水技术在毛乌素沙地治理中的合理应用，开展了砂岩与沙不同配比、不同颗粒级配下的理化特性以及砒砂岩、沙及砒砂岩与沙复合土壤持水保水性能效果的实验研究。结果表明：1)砒砂岩与沙不同配比混合后，随砒砂岩比例增加，砂粒含量降低，粉粒含量增加，黏粒含量增加幅度较小，且黏粒在配比1∶1时达到最大值。从土壤质地变化角度，砒砂岩与沙混合的适宜比例为1∶5≤砒砂岩与沙混合比例≤1∶1;2)砒砂岩与沙配比为1∶2时是有效含水量与重力水大小关系的转折点，随着砒砂岩混合比例的增大，有效水含量开始增大，混合土壤的持水性能逐渐增强；3)砒砂岩与沙混合后，同时具有水分吸收和保水的作用，且沙中混合粒径2～4 cm砒砂岩岩块为最佳粒径范围；4)砒砂岩持水能力最强，砒砂岩与沙混合(1∶2比例)次之，沙最差，砒砂岩与沙混合后砒砂岩自身保持的水分向环境中释放，提高土壤保水能力，延长持水时间。总之，砒砂岩与沙混合后弥补了各自不利特性，防止了土壤水分的流失和无效蒸发，提高了土壤持水保水能力，为毛乌素沙地的治理和农业发展提供了有利条件。
关键词:砒砂岩;沙;复合土壤;持水性;保水性;
1 研究背景
水资源短缺已经成为制约农业发展的一个障碍，保水节水技术现已逐步成为水土保持和节水农业研究的核心内容[1]。应用保水剂节水效果明显，但其高成本成为一个重要制约因素，因此发展保水效果明显且成本低的保水材料成为研究重点。保水剂具有特殊的保水、节水和反复吸水性等特点，近几年来，复合保水剂[2]等的研制备受关注，有些已得到广泛应用。同时保水剂的应用也受到土壤pH、基质等因素影响[3,4],使其应用范围受到约束。在我国北方农牧交错带的西部毛乌素沙地，生态环境脆弱，土壤无发育，保水保肥性差，水分的深层损失量大、有效利用率很低，砒砂岩和沙是毛乌素沙地的重要物质成分，研究表明砒砂岩具有较好的持水能力和保水能力[5]。基于砒砂岩保水性能好，能够弥补沙漏水漏肥的缺点，利用二者的性质，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，从而达到改善土壤物理特性的目的。目前国内学者赵晓雪[6]等人对砒砂岩、沙的保水特性及入渗过程变化规律进行了分析，但均是针对各自的特性研究。将砒砂岩与沙混合研究其持水保水的特性的研究尚不多见，通过对其深入研究，将进一步增添一种新的复合土壤保水技术。本文从节约成本、环保、取材方便同时又能改善土壤的角度出发，系统研究砒砂岩与沙在不同配比、不同颗粒级配下的理化特性以及砒砂岩、沙及砒砂岩与沙复合土壤持水保水性能，以期找出持水保水性能较优的最佳砒砂岩与沙的配比，研究结果对毛乌素沙地的生态环境治理、资源开发利用和高效农业节水发展具有重要的现实意义。
2 材料与方法
2.1 实验材料
实验所用沙土样品采自榆林市小纪汗乡，采样点7个，经实验室测定项目区沙土中砂粒、粉粒和黏粒含量分别为91.39%、5.51%和3.10%,按照美国制质地划分标准，主要分布为1～0.05 mm, 土壤质地主要为砂土。毛乌素沙漠砂颗粒表面活性低，黏性小，松散性强；实验所用砒砂岩样品采自毛乌素沙地的榆林市大纪汗乡境内的梁地，采样点7个，采样品均为混合性质的砒砂岩，沙区境内的梁地以白垩纪紫红色和灰色砂岩及其混合沉积岩为主。
2.2 实验设计
实验设计分为3部分：1)通过对砒砂岩与沙不同混合比例的多项指标的研究，分析比较不同混合比例下土壤物理性质的变化特征；2)不同颗粒级配下砒砂岩保水性和持水性研究，分析颗粒级配对砒砂岩与沙混合物含水量的影响；3)根据前两步拟确定的级配和混合比例，分析砒砂岩、沙及砒砂岩与沙混合物的持水保水特性。
2.2.1 砒砂岩与沙不同配比下理化性质指标的测定
将砒砂岩与沙自然风干，分别过1 mm筛后，控制砒砂岩与沙的混合比例为1∶0、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1。将7种不同配比的样品充分混合均匀，然后分别测定各混合比例下土壤机械组成、毛管孔隙度、饱和导水率和有机质等理化性质。根据部分测定的指标，利用土壤传递函数方法估算出混合后土壤的水力学特性，包括凋萎系数、田间持水量和有效持水量等。
2.2.2 不同颗粒级配下的砒砂岩含水率的测定
以裸露砒砂岩为对照，对比分析在覆沙条件下不同级配砒砂岩的水分损失，确定砒砂岩与沙混合的合理级配。实验设计分为8组，分别放置于8个容器中，每组实验由直径为2 cm、3 cm、4 cm、5 cm的砒砂岩岩块和若干沙组成。首先，8个容器中分别装入厚度10 cm的沙，在沙上放置1组砒砂岩，其中4组在砒砂岩上再覆盖厚度10 cm的沙，模拟有沙包裹状态的砒砂岩；另外4组砒砂岩裸露放置。8组实验同时灌水，为避免水滴对砒砂岩和沙结构的破坏，灌水时在土样上方覆盖滤纸，使水能够缓慢浸润砒砂岩。为保证砒砂岩吸水充分，灌水分3次进行，前2次每个容器灌水1 500 mL,最后1次灌水500 mL,每次灌水间隔30 min。从最后1次灌水明水面消失开始计时，分别于灌水后的2 h、10 h、22 h和30 h取砒砂岩土样，进行土壤水分测定。
2.2.3 随时间变化砒砂岩、沙、砒砂岩与沙混合(1∶2比例)含水率的测定
在一个70 cm×70 cm×50 cm(长×宽×高)的通透容器中，模拟砒砂岩与沙混合物水分的运移过程。容器0～30 cm填入混合比例为2∶1的沙与砒砂岩混合物(粒径2～3 m),30～50 cm填入沙子，容器底部与地面相接。向装有混合物的容器中灌水，待容器底部有水渗出。分别于灌水后6 h、18 h、30 h、42 h、54 h、102 h、294 h、318 h、342 h、390 h、438 h、510 h、606 h、678 h、798 h、894 h、990 h、1 110 h, 按照0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～30 cm分层采样，并将砒砂岩岩块从混合物中剥离出来测定含水率。沙与砒砂岩2∶1混合后，测定不同深度的砒砂岩岩块、砒砂岩与沙混合物随时间延长的含水率，分析混合后水分在混合物中的变化过程。同时，另一个容器中装有沙子，灌水完全后，按照上述进行同样处理，测定纯沙随时间延长的含水率，以其作为对照。
2.3 实验方法
土壤质地采用吸管法测定，允许平行绝对误差为黏粒级<1%,粉砂粒级<2%;土壤饱和导水率采用环刀法测定，重复测定3次，取其算术平均值；毛管孔隙度也采用环刀法测定；采用烘干法测定土壤含水率。应用HYPRES模型和Rosetta模型对砒砂岩与沙不同混合比例的土壤水力学参数进行估算。利用田间持水量、萎蔫点和有效水含量来描述砒砂岩与沙不同混合比例下土壤持水性能，利用水分特征曲线，取吸力为100 hPa(砂质土)或330 hPa(其他质地)时的体积含水量为田间持水量，吸力为15 000 hPa时的体积含水量为永久萎蔫含水量，有效含水量为田间持水量和萎蔫含水量之差；凋萎含水量以下的土壤水含量，不能为植物生长所利用，为无效水；土壤毛管持水量与毛管孔隙度数值相同，对应于田间持水率和凋萎含水率之间的土壤含水量。
3 结果与分析
3.1 不同配比下砒砂岩与沙混合的特性
3.1.1 砒砂岩与沙不同配比下质地性质
由表1可知，砒砂岩与沙不同配比下，单沙的砂粒含量为94.07%,单砒砂岩砂粒含量为19.57%,砒砂岩砂粒含量仅为沙的1/5,随着沙中混合砒砂岩比例增加，砂粒含量不断减少。单沙的粉粒含量为3.20%,单砒砂岩粉粒含量为72.94%,是沙的22.8倍，在沙中混合砒砂岩，粉粒含量大幅度增加，并随着砒砂岩比例提高而增加。沙和砒砂岩的黏粒含量都属于较低水平，沙仅为2.73%,砒砂岩为7.49%,两者混合后，随砒砂岩比例增加，黏粒含量由2.73%增加到8.24%,砒砂岩混合比例大于1∶1后黏粒含量不再提高。因此，砒砂岩与沙混合后，随着砒砂岩比例增加，砂粒含量降低、粉粒含量增加、黏粒含量增加幅度较小，且黏粒在比例为1∶1时达到最大值。
砒砂岩与沙混合后随着砒砂岩混合比例的增大，沙粒含量降低，粉粒和黏粒含量增加，土壤质地发生了变化，从沙土→砂壤→壤土→粉壤。土壤质地的粗细直接影响土壤蓄水性、透气性和保肥性，因此，不良的砂土质地可以得到显著改良。由土壤质地分布(美国质)图查得，砒砂岩与沙的混合比例为1∶5是土壤质地由砂土变为砂壤的临界值；砒砂岩与沙的混合比例大于等于2∶1时，土壤质地为粉壤，且随着比例提高土壤质地不再发生变化。从土壤质地变化角度分析，砒砂岩与沙混合的比例为1∶5≤砒砂岩与沙混合比例 ≤1∶1。
全沙的饱和导水率KS高达7.10 mm/min, 与砒砂岩混合后显著下降。砒砂岩与沙混合比例为1∶5～1∶2是饱和导水率下降趋势由快到慢的转折点，而后随着砒砂岩比例升高，饱和导水率降低趋于平缓，从砒砂岩与沙混合比例1∶1增加到全砒砂岩，样品的导水率从0.26 mm/min降低到0.07 mm/min, 属于低透水性土壤。砒砂岩本身导水性能差，当其与沙混合时可以显著降低土壤的饱和导水率，从而降低混合土壤水分渗漏的速度。与黄土区土壤做比较，生产力最高的土层的导水率在0.40～1.45 mm/min[18],砒砂岩与沙混合比例1∶5～1∶2能够达到较为理想的导水范围。
3.1.2 砒砂岩与沙不同配比下水力学特性
分别利用HYPRES和Rosetta模型预测不同砒砂岩与沙混合比例的土壤水力学参数。结合实测的饱和导水率与两种模型预测的饱和导水率可知：两种模型预测的土壤水力学参数变化趋势基本一致，但HYPRES模型预测的饱和导水率变化趋势和实测结果更为相近，因此，选择HYPRES模型预测的结果来分析不同砒砂岩与沙混合比例下水力学性质。利用田间持水量、萎蔫点和饱和含水量来描述砒砂岩与沙不同混合比例下持水性能。
土壤有效水含量为田间持水量减去萎蔫含水量，是土壤中能被作物吸收利用的水量；土壤重力水为土壤饱和含水量减去田间持水量，是当土壤水分超过田间持水量时，多余的水分不能被毛管所吸持。随着砒砂岩混合比例的增加，饱和含水量与萎蔫点差的变幅不大。HYPRES模型预测的有效含水量随着砒砂岩与沙混合比例的增大而增大，在砒砂岩与沙混合比例为2∶1时增加趋于平缓，当砒砂岩与沙混合比例接近1∶2时，是重力水(θs-FC,即土壤饱和含水量减去田间持水量)与有效含水量(FC-θwp,即田间持水量减去萎蔫点)大小关系的转折点，说明随着砒砂岩混合比例的增大，有效水含量开始增大，混合土壤的持水性能在逐渐增强。
砒砂岩与沙不同混合比例下有效含水量具有显著的差异，灌水量超过田间持水量就会导致水分向下渗漏。砒砂岩混合比例增加，有效含水量变大，说明渗漏损失减少，持水能力提高。因此，砒砂岩与沙不同混合比例对土壤持水能力和水分利用效率具有一定影响作用。
3.2 不同颗粒级配下裸露与覆沙砒砂岩含水率变化
根据传导函数求得砒砂岩的饱和含水率为46.0%,田间持水量为35.7%。在灌水时为避免水滴对砒砂岩和沙结构的破坏，在容器上覆盖滤纸，采取浸润的方式湿润砒砂岩，但是由于砒砂岩结构不稳定，遇水即散，物理性质和水力学特性均发生变化。粒径为2 cm和3 cm的裸露砒砂岩经过3次灌水后结构完全分散，持水量降低；粒径4 cm的砒砂岩由于直径略大，遇水后部分分散，仍能够保持砒砂岩自身的物理特性；粒径5 cm砒砂岩遇水后分散程度更低，砒砂岩导水性能差，吸水缓慢，难以饱和，含水率最低，仅为26.41%。说明粒径4 cm裸露砒砂岩块最利于吸收水分。
如图1(a)可知，灌水后2 h, 粒径4 cm的裸露砒砂岩的含水率接近田间持水量，其余不同粒径的砒砂岩含水率都低于田间持水量，粒径4 cm的砒砂岩持水能力最强。不同粒径的裸露砒砂岩均随着时间的延长含水率不断下降，灌水后30 h, 随着砒砂岩粒径增大，含水率增加，从5.88%增至20.30%,说明裸露砒砂岩粒径越大保水能力越强。
如图1(b)可知，覆沙砒砂岩粒径越小，含水率越大，且随着粒径逐渐增大，含水率减少量逐渐增大。粒径2 cm砒砂岩含水率灌水2 h后到达最大，为23.12%,低于田间持水量，随着粒径的增大，含水率下降至20.55%,证实了砒砂岩导水性能差的特点。随着时间延长，粒径2 cm砒砂岩含水率下降至5.88%,粒径3 cm、4 cm、5 cm砒砂岩含水率变化幅度很小，含水率为20.30%～20.33%。因此覆沙砒砂岩粒径>2 cm时保水效果显著。
通过对砒砂岩裸露和覆沙比较分析，裸露砒砂岩有利于水分的吸收，覆沙砒砂岩有利于水分保持。因此，砒砂岩与沙混合后，部分裸露，部分覆沙，一方面利于水分吸收，另一方面利于保水，同时具有水分吸收和保水的作用，不同粒径级配下裸露和覆沙砒砂岩保水性能是不相同的，沙中混合粒径2～4 cm范围的砒砂岩是最有利于水分吸收和保水作用，且保水时间延长。对砒砂岩、沙、砒砂岩与沙复合土壤三者的持水保水性对比，砒砂岩的持水能力最强，砒砂岩与沙混合物次之，沙最差。与沙混合后将砒砂岩自身保持的水分缓慢向环境中释放，提高土壤保水能力。董学军[19]、张俊魁等[20]人研究发现砒砂岩的含水量优于沙地，与本次研究结果一致。
3.3 砒砂岩、沙及砒砂岩与沙混合(比例1∶2)的持水保水性对比分析
灌水后6 h, 沙的含水率为15.9%,随着时间延长，含水率不断降低，由于在灌水后54～102 h发生降水，在102 h时土壤含水率略微增大，随后继续降低。在390 h时含水率降低至0.49%,而沙含水率趋于稳定，水分损失仅为蒸发，沙的保水时间不长于390 h。
灌水后6 h, 砒砂岩、砒砂岩与沙混合物含水率平均值为16.21%、19.36%,均大于沙的含水率15.90%,说明砒砂岩与沙混合后持水性能高于沙的持水性能。砒砂岩与沙混合后390h, 砒砂岩、砒砂岩与沙混合物0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～30 cm各土层含水率分别为22.16%、9.53%;15.69%、8.28%;19.12%、8.59%;19.05%、9.49%;16.47%、10.96%,均大于沙的含水率，且砒砂岩含水率高于混合物含水率。
在1 110 h内，砒砂岩与沙混合后，砒砂岩、砒砂岩与沙的混合物均随时间延长呈波动性降低趋势。各土层砒砂岩含水率均高于砒砂岩与沙混合物含水率，在1 110 h含水率变化速率，0～5 cm土层砒砂岩、砒砂岩与沙混合物水分损失速度高于其他土层，且砒砂岩、混合物水分损失速率相当。5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～30 cm土层砒砂岩水分损失速率低于混合物水分损失速率。1 110 h内土壤水分损失量变化，土层0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～30 cm砒砂岩水分损失率分别为18.08%、12.93%、8.08%、3.46%、10.91%,平均损失率10.69%;砒砂岩与沙混合物水分损失率分别为13.97%、13.75%、11.11%、9.45%、15.05%,平均损失率12.67%;沙水分损失率为15.50%。因此，砒砂岩的持水能力最强，砒砂岩与沙混合物次之，沙最差。说明砒砂岩自身的持水保水能力较强，与沙混合后将砒砂岩自身保持的水分缓慢向环境中释放，提高土壤保水能力，延长土壤水分的持水时间。
4 结语
为了更好的将复合土持水保水技术应用到毛乌素沙地治理中，开展了砒砂岩与沙混合配比、质地、持水保水等特性实验研究。从土壤质地分析，砒砂岩与沙混合的适宜比例为1∶5～1∶1,该范围达到了土壤结构性比较理想状态；沙在与砒砂岩混合后饱和导水率显著下降，当砒砂岩与沙混合比例1∶5～1∶2时，能够达到较为理想的导水范围；从水力学性质来看，随着砒砂岩比例的增高，有效水含量开始增大，砒砂岩与沙混合土壤的持水性能逐渐增强；不同粒径级配下裸露和覆沙砒砂岩保水性能不相同，沙中混合粒径2～4 cm范围的砒砂岩是最有利于水分吸收和保水作用，且保水时间延长。
总之，砒砂岩与沙混合后，弥补了砒砂岩和沙各自的不利特性，在土壤水分充足时，砒砂岩岩块从环境中吸收水分并保存起来，减少了沙地的水分渗漏；当土壤干旱缺水时，其所吸持的水分在基质势作用下，缓慢释放到环境中，降低了土水势，供植物吸收利用水分增加，有效防止了水分的流失和无效蒸发。
[1] 周客，王利书，程东娟，等．保水剂对土壤水分运移和水吸力变化的影响[J]．节水灌溉，2021(2):52-57．
[2] 纪冰祎，李娜，王云跃．保水剂对土壤物理性质影响的研究进展[J]．水土保持应用技术，2018(5):29-31．
[3] 陈晓蓉，刘辉，陈薇，等．几种矿物复合保水剂的保水性能及养分增效研究[J]．土壤学报，2012,49(1):194-197．
[4] 黄朗，王醒，黄卉，等．不同土地利用类型土壤水分特征曲线研究[J]．水土保持应用技术，2020(6):4-6．
[5] 辛军伟，尚振坤，王俊鹏，等．砒砂岩区典型坡面土壤水分空间分布特征[J]．中国水土保持科学(中英文)，2021,19(1):52-59．
[6] 赵晓雪，饶良懿，申震洲，砒砂岩区不同地形位置土壤物理性质分异特征[J].应用与环境生物学报，2020,(6):1359-1368.