GS-3生態(tài)固沙劑性能及其濃度對植物生長的影響

鐘 帥，韓致文，李愛敏,4

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GS-3生態(tài)固沙劑性能及其濃度對植物生長的影響

鐘 帥1,2,3，韓致文1,2※，李愛敏1,2,3,4

（1. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000；2. 中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 菏澤學(xué)院資源與環(huán)境部，菏澤 274015）

該文研究試驗(yàn)一種高效、環(huán)保、較低廉的生態(tài)固沙劑，為沙漠化防治和生態(tài)修復(fù)提供新材料與技術(shù)儲備。該文對GS-3生態(tài)固沙劑理化性能及其對植物生長影響進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：GS-3生態(tài)固沙劑固結(jié)層滲透性良好，抗壓強(qiáng)度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，質(zhì)量變化較為小，抗風(fēng)蝕性能良好；GS-3生態(tài)固沙劑對夏季地表高溫有顯著的抑制作用，并有效保持土壤水分，4.0%濃度乳液的固結(jié)層7月份0～5 cm土壤溫度比對照組降低8.1 ℃，降幅達(dá)31%，8月份0～5 cm土壤含水量比對照組高2.8倍；GS-3生態(tài)固沙劑的保溫、透氣、保濕及隔離地表風(fēng)沙流等特點(diǎn)，對提高植物出苗和促進(jìn)植物生長作用顯著；4.0% GS-3乳液試驗(yàn)區(qū)固沙效果最好，但3.0%濃度區(qū)植被蓋度和生物量最大（是對照組的2.4倍和4.1倍）。綜合成本和實(shí)際效果，3.0%濃度GS-3生態(tài)固沙劑具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，是庫布齊沙漠及周邊地區(qū)沙漠化防治如沙漠公路兩側(cè)防護(hù)、沙漠中基礎(chǔ)設(shè)施周邊沙害防護(hù)等的可選固沙材料之一。

固沙；植物；GS-3生態(tài)固沙劑；固沙劑理化性質(zhì)；固結(jié)層強(qiáng)度；土壤環(huán)境

0 引 言

當(dāng)前，沙漠化已成為影響人類社會(huì)發(fā)展的重要環(huán)境問題，人類的頻繁活動(dòng)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，沙漠化面積不斷擴(kuò)大。中國是世界上沙漠化嚴(yán)重的國家之一，截止2014年底，中國沙漠化總面積1.72×108hm2，涉及30個(gè)?。▍^(qū)）和920個(gè)縣，約占國土面積的17.93%[1]。近年來，中國日益重視沙漠化防治，沙漠化防治技術(shù)發(fā)展較快，但仍有許多問題值亟待解決，如治沙技術(shù)與材料的標(biāo)準(zhǔn)化滯后，新技術(shù)新材料研發(fā)進(jìn)展緩慢等，難以適應(yīng)沙漠化防治和生態(tài)建設(shè)的需求。

防風(fēng)固沙是沙漠化防治和沙漠治理的關(guān)鍵，根據(jù)技術(shù)手段劃分主要有3類：工程固沙技術(shù)（又稱機(jī)械固沙技術(shù)）、生物固沙技術(shù)和化學(xué)固沙技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對工程固沙開展了大量的研究并取得了眾多重要成果[2-6]，工程固沙技術(shù)主要是利用枝條、秸稈、礫石等材料設(shè)置障礙物，增大地表粗糙度，以起到防風(fēng)固沙的作用。近年來玻璃纖維網(wǎng)、尼綸網(wǎng)，HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)等新材料沙障在防風(fēng)阻沙領(lǐng)域應(yīng)用研究已取得重要進(jìn)展[7-11]。生物固沙技術(shù)的關(guān)鍵是根據(jù)適地適樹原則選擇合適的植物或微生物并建立有效的防護(hù)體系，但在荒漠化治理初期植被建設(shè)難度巨大[4]。

化學(xué)固沙是應(yīng)用化學(xué)材料與施用工藝，在沙丘或沙質(zhì)地表形成噴施形成一層能夠防止風(fēng)力吹揚(yáng)又具有保持水分和改良沙地性質(zhì)的固結(jié)層，以達(dá)到控制和改善沙害的技術(shù)措施?；瘜W(xué)固沙在國外已經(jīng)有80多年的歷史，前蘇聯(lián)、美國、英國、沙特阿拉伯、利比亞及澳大利亞等國家開展了化學(xué)固沙的試驗(yàn)，均取得了一定的效果[12-13]。國內(nèi)化學(xué)固沙始于20世紀(jì)60年代，對瀝青乳液固沙劑的配方、噴施工藝、器械等進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，取得了一定成效。如在蘭新鐵路沙害地段及塔里木沙漠石油公路沿線進(jìn)行過一定規(guī)模的化學(xué)固沙試驗(yàn)[14-19]。迄今國內(nèi)已有幾十種乳化瀝青、高分子聚合物、無機(jī)材料等化學(xué)固沙材料，但是多數(shù)固沙劑對植物生長影響較大，材料成本相對較高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用[20-23]。

聚醋酸乙烯酯乳液俗稱白乳膠[24]，簡稱PVAc，可應(yīng)用作生態(tài)固沙劑。1937年聚醋酸乙烯酯乳液在德國首次投產(chǎn)，1945年美國為了彌補(bǔ)動(dòng)物膠的不足開始大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用聚醋酸乙烯酯乳液，主要應(yīng)用于木質(zhì)品加工、膠粘劑以及涂料等方面[25]，2000年全球醋酸乙烯醋總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到4.98×106t[26]，聚醋酸乙烯酯由于分子量高、粘接強(qiáng)度大、無毒無味、安全環(huán)保且價(jià)格低廉，屬于環(huán)境友好型膠粘劑，近年來廣泛應(yīng)用于卷煙、建筑、家具、皮革、膠粘劑、造紙以及涂料等行業(yè)[27-28]。為提高聚醋酸乙烯酯的耐水性、耐熱性、耐寒性以及機(jī)械穩(wěn)定性，有研究者對其進(jìn)行改性研究。具有代表性的包括：Naghash等[29]用丙烯酸-2-乙基己酯（2-EHA）、三乙氧基乙烯基硅（TEVS）與醋酸乙烯酯共聚，得到了抗紫外線、耐溶劑的共聚物乳液。何中為等[30]，魯琴等[31]分別用含氫聚硅氧烷與醋酸乙烯酯、羥甲基丙烯酰胺進(jìn)行共聚，制得有機(jī)硅一醋酸乙烯酯復(fù)合乳液，提高膠膜拉伸強(qiáng)度。張心亞等[32]采用種子乳液聚合，在醋-丙乳液中引入乙烯基三甲氧基硅烷（A-171）單體，合成了A-171改性醋-丙乳液，得到了耐水性和耐寒性優(yōu)異、機(jī)械和貯存穩(wěn)定性優(yōu)良的硅氧烷改性醋-丙乳液。目前國內(nèi)外對聚醋酸乙烯酯或改性聚醋酸乙烯酯的制備及改性研究較多，應(yīng)用于水土保持和沙漠化防治領(lǐng)域的研究較少，段立哲等[33]制備可溶性淀粉接枝丙烯酸（AA）/醋酸乙烯酯（VAc）乳液并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室固沙試驗(yàn)，但未對其野外植被生長影響進(jìn)行試驗(yàn)與研究。

GS-3生態(tài)固沙劑是一種改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（陽離子P（VAc-BA-DMC）乳液），無毒無味、安全環(huán)保、結(jié)合性和凝聚性較好，凝膠體的降解周期可控制，常溫下能與水按任何配比互溶。該文對GS-3生態(tài)固沙劑理化性能進(jìn)行測試分析，并在庫布齊沙漠沙丘地表開展固沙及其對植物生長影響的試驗(yàn)，以期找到適合庫布齊沙漠地區(qū)的、環(huán)保并且價(jià)格相對低廉的固沙新材料，從而為該地區(qū)沙漠化防治提供新思路和新方法。

1 材料和方法

1.1 供試材料

GS-3生態(tài)固沙劑：由中科院成都有機(jī)化學(xué)研究所提供，屬于改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（陽離子P(VAc-BA-DMC)乳液），乳白色黏稠液體。

1.2 固沙劑實(shí)驗(yàn)室測試

固沙劑乳液顆粒粒徑和黏度測定。黏度代表固沙劑的粘結(jié)能力，粘度越大，表示材料粘結(jié)力越好，但是粘度過大，也會(huì)影響固沙劑的噴施、下滲以及植物出苗等，粘度過小，又會(huì)影響固結(jié)層強(qiáng)度，因此，選擇合適乳液的粘度是非常重要的。將乳液稀釋至0.1%濃度，取1～2滴稀釋后的乳液，滴加到銅網(wǎng)上，乳液晾干后，用2%的磷鎢酸負(fù)染色，待銅網(wǎng)充分晾干后在TecnaiG220投射電子顯微鏡（由FEI香港有限公司生產(chǎn)）下測定樣品中乳膠粒子的大小及分布情況。乳液粘度用涂-4粘度計(jì)進(jìn)行測定。

固沙劑穩(wěn)定性測試。取少量固沙劑乳液滴入裝水的燒杯當(dāng)中，再將燒杯放入10～70 ℃不同溫度的恒溫水浴中12 h，觀察試樣的沉淀現(xiàn)象。

固沙劑滲透性和耐水性測試。固沙劑良好的滲透性能有利于機(jī)械化快速作業(yè)，施工時(shí)乳液能迅速深入沙層，能形成一定厚度的固化層。較好的固沙劑透水性有利于雨水的下滲與儲存。耐水性則可以保證固化層在降雨時(shí)不被侵蝕破壞。固沙劑浸水干燥后，固結(jié)層的可恢復(fù)性也是固沙劑能否持久保存的重要因素。在50 cm×50 cm×5 cm木框內(nèi)填滿過20目篩的細(xì)沙，用手持式小型噴霧器對沙床噴灑濃度分別為2.0%、3.0%、4.0%的固沙劑，觀察溶液的滲透性能。在沙床完全固化干燥后，進(jìn)行模擬降雨噴水試驗(yàn)，觀察沙床的透水性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.3 固沙劑野外試驗(yàn)

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原脊線的北部（39°30′～40°41′N，107°18′～111°30′E），總面積約1.86×104km2，流動(dòng)沙丘約占61%，沙丘高10～60 m，形態(tài)以沙丘鏈和格狀沙丘為主，是京津冀三大風(fēng)沙源區(qū)之一，直線距離僅約800km。庫布齊沙漠南北分布有10條季節(jié)性河流，被稱為“十大孔兌”，每年約有2.37 × 107t泥沙流入黃河。該區(qū)屬典型溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，冬季漫長而寒冷，夏季溫和而短促，春季干旱少雨多風(fēng)，秋季涼爽，四季溫差較大。年平均氣溫6～7.5 ℃，1月最冷，極端最低溫度?32.1 ℃；7月最熱，極端最高溫度38.7 ℃。年日照時(shí)數(shù)3 000～3 200 h，≥10 ℃有效積溫2 613.2～3 221.1 ℃，無霜期122～144 d，年降水量150～400 mm，年蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，干燥度1.5～4。年平均風(fēng)速3～4 m/s，最大風(fēng)速16.6 m/s，大風(fēng)日數(shù)25～35 d，其中偏東風(fēng)（ENE和E；輸沙勢116.22VU）與偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW和NW；輸沙勢104.71VU）為主要起沙風(fēng)風(fēng)向[34]。試驗(yàn)地選擇在庫布齊沙漠腹地的流動(dòng)沙丘區(qū)（40°29′49.70″N，108°42′26.01″E）（圖1）。試驗(yàn)區(qū)沙丘地表無植被覆蓋，試驗(yàn)區(qū)地表沙物質(zhì)理化性質(zhì)分析結(jié)果表明，沙粒粒徑0.2～0.4 mm，pH值平均7.62，電導(dǎo)率0.05 mS/cm，全鹽量0.65 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量0.43 g/kg。該區(qū)域降水主要集中在每年的7～8月。因此，固沙劑野外試驗(yàn)時(shí)間選擇在2016年6月份到2017年6月，試驗(yàn)期1年。

1.3.1 固沙試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)布置于流動(dòng)沙丘上。選取庫布齊沙漠生態(tài)建設(shè)中先鋒植物種，對沙米（(.) Moq.）、沙蒿（）、楊柴（Turcz Var.）、花棒（）種子，以溝播方式播種，行距為1.0 m，溝播深度為2.0 cm。播種量0.53 g/m2（通常情況下庫布齊沙漠的飛播種子用量）。種子按沙米∶沙蒿∶楊柴∶花棒=1∶1∶2∶2重量比例混合后進(jìn)行播種。每個(gè)播種區(qū)規(guī)格20.0 m×4.0 m，播區(qū)之間預(yù)留1.0 m的觀察通道（圖2）。播種后，使用機(jī)械設(shè)備在沙地表面分別噴灑濃度為2.0%、3.0%和4.0%的GS-3生態(tài)固沙劑，對照組CK噴灑清水，3種處理使用固沙劑量分別是20、30、40 g/m2，3種處理和對照組使用相同水量1 000 g/m2。

1.3.2 固沙劑力學(xué)性能現(xiàn)場測試

在每種不同濃度固沙劑試驗(yàn)區(qū)，隨機(jī)選擇面積100 cm2的10個(gè)測點(diǎn)并標(biāo)記固定，從2016年6月份開始至2017年6月份，每月15日定期觀測。

固結(jié)層厚度采用電子游標(biāo)卡尺（Mitutoyo公司生產(chǎn)）測量。固結(jié)層抗壓強(qiáng)度以1185型萬能材料試驗(yàn)機(jī)（Instron公司生產(chǎn)）測量固結(jié)層破碎時(shí)的最大承受壓力，測試速度為2mm/min，最大壓力5000 N。固結(jié)層硬度用硬度計(jì)（Fujiwara Seisakusho公司生產(chǎn)）測定，單位為mm。固結(jié)層質(zhì)量用EJ-610天平（A&D公司生產(chǎn)）測定。固結(jié)層保溫保水性采用TRM-ZS3自動(dòng)氣象站（錦州陽光氣象科技有限公司生產(chǎn)）連續(xù)觀測土壤溫度和濕度變化。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置與地表狀況

圖2 試驗(yàn)區(qū)布置示意圖

1.4 固沙劑對植物生長的影響

固沙劑的實(shí)用性與效應(yīng)，很大程度上取決于其對植被恢復(fù)的影響，通過出苗率、植物保存、植被覆蓋度以及生物量4個(gè)指標(biāo)，分析固沙劑對植物生長的影響。在不同濃度固沙劑噴施區(qū)域，均隨機(jī)選取3個(gè)樣方（1.0 m× 1.0 m）并標(biāo)記固定，對植物發(fā)育生長情況進(jìn)行持續(xù)觀測。出苗率統(tǒng)計(jì)，每天記錄不同播區(qū)種子出苗情況，等種子不再出苗，再統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù)，計(jì)算出苗率。試驗(yàn)期每個(gè)月對樣方植物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算植物苗保存率。每3個(gè)月進(jìn)行拍照，用Adobe Photoshop選擇植被色彩范圍像素，計(jì)算在照片總像素中占比得出植被覆蓋度。在試驗(yàn)期末，按區(qū)域?qū)⑺兄参锶瓴苫?，恒溫烘干稱質(zhì)量，獲得植物生物量數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 固沙劑理化性質(zhì)

2.1.1 固沙劑粘度和穩(wěn)定性

固沙劑乳液外觀整體呈乳白色，顆粒分散均勻，在顯微鏡下測定結(jié)果（表1），乳液顆粒粒徑不超過0.5m，具有良好的滲透性。

用涂-4粘度計(jì)測定結(jié)果為14.0 Pa·s，說明GS-3具有良好的粘性。

表1 GS-3固沙劑理化性狀

固沙劑的穩(wěn)定性在一定程度上能夠反映其環(huán)境適應(yīng)性。在實(shí)驗(yàn)室10～70 ℃不同溫度下觀察GS-3固沙劑乳液，試樣無沉淀現(xiàn)象，說明GS-3固沙劑乳液具有良好的穩(wěn)定性。

2.1.2 固沙劑的滲透性、透水性及耐水性

選擇3種不同濃度的GS-3固沙劑，按設(shè)計(jì)用量噴灑試驗(yàn)，觀察測試乳液的滲透性、固結(jié)層透水性、遇水穩(wěn)定性及浸水干燥后的固結(jié)層強(qiáng)度（表2）。結(jié)果表明，3種試驗(yàn)濃度的GS-3固沙劑乳液都具有良好的滲透性能，透水性良好，但隨試驗(yàn)濃度增大有所下降，固結(jié)層遇水穩(wěn)定，有一定韌性和彈性，干燥后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可站人而不易破碎。

表2 GS-3固沙劑滲透性和耐水性

2.2 固結(jié)層物理性質(zhì)

野外試驗(yàn)結(jié)果顯示，濃度為3.0%和4.0%的GS-3固沙劑乳液固沙區(qū)域固結(jié)層沒有破損，而2.0%濃度乳液區(qū)域發(fā)生輕微破損，破損面積占總面積的3.5%。不同濃度的GS-3乳液固沙區(qū)，固結(jié)層厚度變化觀測表明（圖3a），2.0%濃度乳液的固結(jié)層厚度為2.51～2.78 mm，3.0%濃度乳液的固結(jié)層厚度為3.55～3.84 mm，4.0%濃度乳液的固結(jié)層厚度為5.25～5.56 mm。由于風(fēng)沙流攜帶的沙粒不斷附著于新噴施的固結(jié)層表面，固結(jié)層厚度有所增加，隨著固沙劑中水分不斷蒸發(fā)，厚度有所下降。至次年6月前，隨著氣溫回升，固結(jié)層不斷吸收水分，厚度有所增加。總體來看，固結(jié)層厚度變化不顯著，穩(wěn)定性良好。

抗壓強(qiáng)度和硬度是衡量固沙劑力學(xué)性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)觀測結(jié)果顯示（圖3b和3c），GS-3固沙劑乳液的固結(jié)層抗壓強(qiáng)度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，表面均可站人，其中4.0%濃度強(qiáng)度最大。噴施后前4個(gè)月，隨著固結(jié)層厚度增加及強(qiáng)化穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度和硬度有所增大，變化幅度在10%左右。隨時(shí)間推移，固結(jié)層抗壓強(qiáng)度有所下降，但下降程度均不超過10%。

由于沙粒不斷黏結(jié)到固結(jié)層表面，固沙劑噴施后30 d固結(jié)層質(zhì)量有所增加。進(jìn)入冬季，隨著固結(jié)層含水量降低，固結(jié)層質(zhì)量也有所下降。至次年春季，隨氣溫回升固結(jié)層吸收水分，質(zhì)量有所增大，但變化幅度均小于10%（圖3d）。

注：不同大寫字母表示同一月份的不同濃度間差異顯著（P<0.01）。

2.3 固結(jié)層對土壤溫度的影響

固結(jié)層對土壤溫度的影響，間接影響植物的成活率和生長。0～5、>5～10、>10～15、>15～20 cm深度土壤溫度變化表明（圖4），固結(jié)層對0～5 cm深度土壤溫度影響最大，深度越大影響越小，具有夏季降溫冬季保溫的作用，夏季降溫作用尤其明顯。固沙劑濃度越大，降溫作用越顯著。7月份，濃度為2%、3%、4%的固沙劑0～5 cm層土壤溫度比對照組分別低3.2、5.5和8.1 ℃，最大降溫幅度達(dá)31%；11月份，0～5 cm土壤溫度比對照組分別高0.5、0.9和1.6 ℃。固結(jié)層夏季顯著降低沙面溫度，可以有效防止植物幼苗被地表高溫傷害，增加植物成活率。固結(jié)層對冬季土壤溫度也有一定提升作用。

圖4 不同濃度GS-3乳液固沙區(qū)土壤溫度變化

2.4 固結(jié)層對土壤濕度的影響

固結(jié)層的土壤保濕作用對植物生長最為重要。10、20、30 cm深度土壤濕度變化監(jiān)測結(jié)果表明（圖5），固結(jié)層對10 cm深度土壤濕度影響最大，層位越深影響越小。這說明固結(jié)層對抑制蒸發(fā)、提高土壤含水量具有顯著作用，并且高濃度固沙劑固結(jié)層對提高土壤濕度的作用越顯著。8月份2.0%、3.0%、4.0%濃度的固沙區(qū)10 cm深土壤含水量是對照組的2倍、2.4倍和2.8倍?？梢?，固結(jié)層可以顯著提高沙地含水量。

2.5 固沙劑對植物生長的影響

選用庫布齊沙漠生態(tài)建設(shè)中適宜的先鋒植物種沙米、沙蒿、楊柴、花棒種子，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定（表3）。通過對種子出苗率、植物存活數(shù)、植被覆蓋度以及生物量等4項(xiàng)指標(biāo)測試，綜合分析固沙劑對植物生長的影響。野外對比試驗(yàn)結(jié)果顯示，固沙劑濃度過低，固結(jié)層隔熱效果一般，影響植物出苗率；固沙劑濃度過高，固結(jié)層厚度大，透氣性較差，同樣影響出苗率。所以適度的固沙劑濃度對于先鋒植物種子出苗率影響顯著。濃度為2.0%、3.0%、4.0%的固沙劑噴施區(qū)與對照區(qū)出苗率分別為65.3%、76.2%、50.7%和32.4%，3.0%濃度固沙區(qū)出苗率最高（圖6a）。

固結(jié)層起到降低沙面溫度和保持土壤水分的作用，對植物生長有重要作用，尤其對多年生植物的保存影響顯著（圖6b）。7月份3%濃度固沙劑樣方區(qū)植物出苗數(shù)量達(dá)每150株/m2，其次為2.0%和4.0%濃度樣方區(qū)，植物保存數(shù)量分別為132株/m2和101株/m2，均顯著高于對照組的73株/m2。受高溫、寒冷、缺水及地表侵蝕堆積過程等因素影響，試驗(yàn)區(qū)植物保存數(shù)有所減少，至次年6月份，3.0%濃度固沙劑樣方區(qū)植物保存數(shù)量36株/m2，其次為4.0%濃度和2.0%濃度樣方區(qū)分別為26株/m2和19株/m2，但均顯著高于對照組的7株/m2。其中，3.0%濃度固沙劑對植物生長最為有利，4.0%濃度樣方區(qū)比2.0%濃度樣方區(qū)出苗少，但次年保存數(shù)高于后者，體現(xiàn)了4.0%濃度樣方區(qū)固結(jié)層較好的保水性和抗風(fēng)蝕性。

圖5 不同濃度GS-3乳液固沙區(qū)土壤濕度變化

表3 種子指標(biāo)測定

植被覆蓋度和生物量是衡量植被建設(shè)有效性的重要依據(jù)。多年生植物保存數(shù)量3.0%濃度樣方區(qū)最高，其次為4.0%和2.0%濃度樣方區(qū)（圖6c，圖6d）。3.0%濃度樣方區(qū)植被蓋度和生物量最大，分別為23%和12.3 g/m2，是對照組的2.4倍和4.1倍；其次為4.0%濃度和2.0%濃度樣方區(qū)。

注：不同大寫字母表示同一月份的不同濃度間差異顯著（P<0.01）。

3 討 論

使用高分子聚合物固定流沙，處理過程和施工簡便，可改善勞動(dòng)條件和縮短工期，其效果較其他化學(xué)材料更顯著和穩(wěn)定，因而引起了人們普遍重視[12]。聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯乳液和腈綸廢膠（聚丙烯腈）是目前常見的4種高分子聚合物固沙劑，其中聚醋酸乙烯酯乳液的固沙效果較好[13]。段立哲等[33]用可溶性淀粉接枝丙烯酸(AA)/醋酸乙烯酯(VAc)合成一種水溶性固沙劑乳液，噴施沙表面失水干燥后形成一層固結(jié)層外殼，測試結(jié)果2%、3%和4%濃度區(qū)域的沙面固結(jié)層抗壓強(qiáng)度分別為2.1、3.1和3.4 MPa，而本試驗(yàn)采用的改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（陽離子P(VAc-BA-DMC)乳液）測試結(jié)果2%、3%和4%濃度區(qū)域的沙面固結(jié)層抗壓強(qiáng)度分別為2.4、3.5和4.9 MPa。改性醋酸乙烯酯聚合物固沙劑的固結(jié)層性能相比較可溶性淀粉接枝丙烯酸（AA）/醋酸乙烯酯（VAc）固沙劑具有相對的優(yōu)越性。

沙粒表面固結(jié)層的形成對于沙丘固定至關(guān)重要，抗壓強(qiáng)度和硬度是固結(jié)層力學(xué)性能的重要體現(xiàn)。相關(guān)研究表明[35]，抗壓強(qiáng)度與固沙劑濃度成正比，固沙劑濃度小，形成的固結(jié)層薄而散，抗壓強(qiáng)度小，易破碎；固沙劑濃度大，形成的固結(jié)層厚而緊致，抗壓強(qiáng)度大，不易破碎，但是會(huì)影響植物出苗，所以適宜的固沙劑濃度是必要的。本研究也同樣證明了這一觀點(diǎn)，隨著固沙劑濃度的增大，固結(jié)層抗壓強(qiáng)度逐漸增大，出苗率先增后減，綜合固沙效果和出苗情況，3%固沙劑濃度最為適宜。

韓致文等[15]認(rèn)為化學(xué)固沙就是利用化學(xué)材料與工藝，在易發(fā)生沙害的沙丘或沙質(zhì)地表建造能夠防止風(fēng)力吹揚(yáng)又具有保持水分和改良沙地性質(zhì)的固結(jié)層，以達(dá)到控制和改善沙害環(huán)境，提高沙地生產(chǎn)力的目的，它包含沙地固結(jié)和保水增肥兩方面，與植物固沙相結(jié)合可大大提高植物成活率。固結(jié)層割斷了土壤通向大氣的毛細(xì)管，毛管作用被破壞，抑制土壤蒸發(fā)；沙地表層減少了毛管上升水，蒸發(fā)方式主要為蒸汽擴(kuò)散以及植物蒸騰。試驗(yàn)結(jié)果表明4.0%濃度固沙劑固結(jié)層下7月份0～5 cm土壤溫度比對照組降低8.1 ℃，降幅達(dá)31%；8月份0～5 cm土壤含水量比對照組高2.8倍，說明固結(jié)層的保溫、透氣、保濕及固沙作用顯著。

GS-3生態(tài)固沙劑的成本為3萬元/t，綜合考慮固結(jié)層的抗風(fēng)蝕性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及植物種子萌發(fā)和幼苗生長等因素，野外最適噴灑濃度為3%，按照1 kg/m2的量噴灑，材料費(fèi)用0.9元/m2，加上施工費(fèi)用，成本約合2元/m2，低于柳條立式沙障約3元/m2價(jià)格。目前施工效率是制約固沙劑應(yīng)用的重要因素之一，所以高效率的作業(yè)機(jī)械亟待后續(xù)研發(fā)。

考慮到沙漠地區(qū)環(huán)境惡劣以及GS-3生態(tài)固沙劑的特性，今后還需要對GS-3結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性、崩解周期、對植物生長的影響進(jìn)行長期的野外觀測和研究。目前，多種固沙措施綜合使用是固沙工程中常見的方法，所以GS-3生態(tài)固沙劑與不同固沙措施結(jié)合使用效果有待后續(xù)研究。

4 結(jié) 論

結(jié)合庫布齊沙漠自然環(huán)境條件，通過對GS-3生態(tài)固沙劑理化性狀、野外環(huán)境下固結(jié)層抗性以及對沙地土壤環(huán)境的影響和植被生長影響的試驗(yàn)結(jié)果分析，主要結(jié)論如下：

1）GS-3生態(tài)固沙劑固結(jié)層滲透性和透水性良好，固結(jié)層強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，固結(jié)層較為穩(wěn)定，質(zhì)量無損失，抗風(fēng)蝕性能良好。

2）固結(jié)層對夏季地表高溫有顯著的抑制作用和保持土壤水分作用。4.0%濃度固沙劑固結(jié)層下7月份0～5 cm土壤溫度比對照組降低8.1℃，降幅達(dá)31%；8月份0～5 cm土壤含水量比對照組高2.8倍。固結(jié)層的保溫、透氣、保濕及固沙作用，對提高植物出苗以及促進(jìn)植物生長有顯著作用。

3）4.0%濃度的GS-3試驗(yàn)區(qū)固沙效果最好，但3.0%濃度試驗(yàn)區(qū)植被蓋度和生物量最大，是對照組的2.4倍和4.1倍。綜合成本和實(shí)際效果，3.0%是GS-3生態(tài)固沙劑野外噴灑的適宜濃度，可應(yīng)用于庫布齊沙漠及周邊地區(qū)沙漠化防治如沙漠公路兩側(cè)防護(hù)、沙漠中基礎(chǔ)設(shè)施周邊沙害防護(hù)等。

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Effects of performance and concentration of GS-3 sand-fixing agent on plant growth

Zhong Shuai1,2,3, Han Zhiwen1,2※, Li Aimin1,2,3,4

(1.-,,730000,; 2.,,730000,; 3.,100049,; 4.,,274015,)

China is one of the most serious desertification countries in the world, the desertification area covered 1.72×108km2, involving 30 provinces (regions), which accounted for about 17.93% of the territory area by the end of 2014. Hobq Desert covering about 1.86×104km2is the seventh largest desert in China, which locates in the north of Ordos Plateau, and it is one of the important sandstorm source threatening the Beijing, Tianjin and Hebei urban regions where the linear distance from the Hobq Desert is about 800 km. Moreover, in the eastern part of the Hobq Desert, ten tributaries of the Yellow River cross the desert, and these are called the Ten Tributaries. According to the research results, the annual sediment by floods through the Ten Tributaries could reach as high as 2.37 × 108t. The sediment causes serious silting in the Yellow River. Therefore, it very urgently needs to control the sandy desertification of Hobq Desert. Generally speaking, there are three kinds of sand-fixation techniques, engineering sand-fixation technique, biological sand-fixation technique and chemical sand-fixation technique. Chemical sand fixing technique sprays chemically bonded materials on the sand dunes to form a consolidation layer to prevent the wind erosion. In this research, we aimed to develop efficient, environmental and low-cost sand-fixing agent in order to provide new material and technical reserve for sandy desertification control and ecological restoration in Hobq Desert. GS-3 ecological sand-fixing agent is modified vinyl acetate polymer (cationic P (VAc-BA-DMC) emulsion), which is non-toxic, tasteless, safe, environment-friendly, good combination and cohesiveness. After spraying, it can form hard, water holding and breathable consolidation layer on the surface of sand. It is suitable for mechanized operation and can be combined with biological sand-fixation measures. Through studying the physical and chemical properties of GS-3 ecological sand-fixing agent, the results showed that: 1) The consolidation layer of GS-3 had great permeability, the compressive strength was over 2 MPa, the hardness reached more than 40 mm, the quality varied slightly, and the resistance to wind erosion was excellent. 2) The GS-3 had great inhibited effect on the high temperature surface in the summer, the soil moisture was maintained effectively. The soil temperature at 0-5 cm depth was decreased by 8.1 ℃ in July. The soil moisture at 0-5 cm depth was 2.8 times higher than the control group in August. 3) The thermal insulation, air permeability, moisture retention and resistance to wind erosion of the GS-3 was of great significance to the plant growth. 4) The 4% GS-3 was the best for sand fixation, but the vegetation coverage and biomass of the 3% GS-3 were the maximum (2.4 times and 4.1 times than the control group). The price of the 3% GS-3 ecological sand-fixing agent is about 2 RMB per square meter in the Hobq Desert, but the high-bandedsand-barriers costs about 3 RMB per square meter. With the progress of production technology, the price of the GS-3 ecological sand-fixing agent will continue to decline, which is conducive to popularization and application in large areas. Considering the cost and the effect, the 3% GS-3 was the ideal sand fixation material.

sand consolidation; plants; GS-3 ecological sand-fixing agent; physical and chemical properties of sand-fixing agent; consolidation layer strength; soil environment

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2018-06-25

2018-10-16

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAC06B01-01）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371025）資助

鐘 帥，博士生，從事沙漠化防治研究。Email：841481010@qq.com

韓致文，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事風(fēng)沙地貌與防沙工程研究。Email：hzwen@lab.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.013

X169

A

1002-6819(2018)-24-0107-08