我國沙障的研究進展與應用綜述

邴丹琿　談嫣蓉　陳文業(yè)　朱麗　馬超　王斌杰　張洋東　肖云飛　呂斌燕

［關鍵詞］ 沙障；新材料；防護效益；評價指標體系

［摘 要］ 在總結我國沙障材料、沙障布設技術、沙障防沙治沙技術模式及其效益評價的研究進展基礎上，指出目前沙障研究與應用存在沙障新材料較缺乏、防風固沙技術模式需進一步優(yōu)化、沙障防護效益評價指標較單一等問題。隨著人工智能技術與新材料的興起，今后我國沙障領域的研究方向為：開發(fā)與研制長效、環(huán)保、經(jīng)濟的沙障新材料，發(fā)展智能化的沙障鋪設機械，對沙障防護效益和沙障新材料降解過程進行長期連續(xù)性觀測研究。

［中圖分類號］ S157［文獻標識碼］ C［文章編號］ 1000－0941（2023）07－0037－04

土地沙化是我國國土安全和生態(tài)安全面臨的主要威脅之一，第六次全國荒漠化和沙化調(diào)查結果顯示，截至2019年，我國沙化土地面積168.78萬km2，占國土面積的17.58%。我國每年因土地沙漠化導致的生態(tài)和經(jīng)濟損失超過560億元，1/4以上的人口直接或間接地受到沙漠化問題的困擾，土地沙化嚴重制約我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［1］。針對嚴峻的土地沙化問題，我國在防沙治沙政策和經(jīng)費上加大了支持力度，從而激發(fā)了大批新生防沙治沙力量。近70 a來，我國土地沙化治理技術的研究和應用在探索中不斷前進，積累和總結了大量技術模式，并取得了不菲的成就。美國航天局最新研究表明，2000—2017年全球新增綠化面積的1/4來自中國，中國貢獻率的42%來自植樹造林?！?020年中國國土綠化狀況公報》顯示，2020年我國完成防沙治沙面積209.6萬hm2，全國沙化土地封禁保護區(qū)擴大到177.71萬hm2。近年來沙塵天氣問題引起國際社會的普遍關注，我國在與之相關的防沙治沙方面取得的成就受到各國的重視。

利用沙障固定流沙是當前國際上公認的防沙治沙最有效的手段。沙障的原理是依據(jù)風沙移動規(guī)律在沙面上采用各種材料布設物理障礙，以增加下墊面的粗糙度，從而降低近地表的風速、風蝕量和控制地表蝕積狀態(tài)，阻滯消能，達到風過不起沙的目的。20世紀60年代起，沙障成為我國防沙治沙的主要工程措施之一。自2000年以來，我國有關沙障的研究迅猛發(fā)展，尤其是近10 a，沙障的研究工作高速平穩(wěn)發(fā)展，呈現(xiàn)出多學科交叉的特點，從過去簡單的治沙工程措施觀測性實驗研究向更高層次的理論模型研究發(fā)展。韓雪瑩等[2]借助信息可視化軟件對我國1980—2020年的沙障研究文獻進行了統(tǒng)計和梳理，通過對關鍵詞的統(tǒng)計分析表明：①21世紀前10 a，中國沙障研究文獻年均發(fā)表數(shù)為63～65篇，且關鍵詞數(shù)量呈現(xiàn)快速增加的趨勢，熱點關鍵詞涉及的領域多元化，由此可見該時間段有關沙障的研究迅猛發(fā)展；②1980—2020年，庫布齊沙漠、渾善達克沙地和毛烏素沙地作為研究載體出現(xiàn)的次數(shù)最多，說明這三地對有關沙障的研究貢獻程度較大；③隨著時間的推移，雖然我國沙障研究領域科研工作者新老更替，但研究成果延續(xù)較好，沙障研究已經(jīng)形成了7個主要的科研團隊，這些團隊是我國現(xiàn)在和未來沙障研究的主要科研力量。當前我國對沙障的研究處于國際領先水平，然而在利用沙障對沙區(qū)進行植被恢復重建的過程中仍然遇到許多問題，如沙障材料多樣性的限制、沙障材料經(jīng)濟成本和防風固沙效應的權衡，以及沙障材料的耐用性和環(huán)保性的矛盾等。

為此，筆者在闡述我國沙障研究概況和沙障在防沙治沙領域的應用基礎上，簡要分析當前存在的問題和今后重點研究的方向，以期為中國的防沙治沙工作提供參考與依據(jù)。

1 沙障的研究內(nèi)容

1.1 沙障材料

沙障分為機械沙障和生物沙障。機械沙障主要是通過設置物理障礙來控制流沙[3]，從而達到快速固定流沙的目的[4]，為植被的生長營造適宜的生存環(huán)境。生物沙障又稱活體沙障，是在沙丘上栽植生物活體材料，形成固沙林帶，植物枝葉與風沙流產(chǎn)生摩擦，可阻擋和分割風沙流并消耗風沙流能量，同時使部分風沙流抬升至林帶上空。通俗來講，機械沙障治標，生物沙障治本[5]，機械沙障是生物治沙的前提和必要條件。防沙治沙工程中最常見的是將機械措施和生物措施相結合，這樣才能達到標本兼治的目的[6]。

生物沙障材料的選取遵循因地制宜的原則，采用當?shù)剜l(xiāng)土固沙植物種，如內(nèi)蒙古地區(qū)沙地宜種植白檸條（Caragana korshinskii）、白榆（Ulmus pumila）和山竹子（Garcinia mangostana）等植物[4]，甘肅河西走廊宜選用沙拐棗（Calligonum mongolicum）和梭梭（Haloxylon ammodendron）等[7]，青藏高原的高寒沙區(qū)宜選用高山柳（Salix paraqplesia）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌木以及混合草本[8]。機械沙障材料最早是以作物秸稈、卵石和黏土等為主[9]，這些傳統(tǒng)的沙障材料在我國防沙治沙初期被廣泛應用。傳統(tǒng)機械沙障材料的獲取遵循方便易得的原則就地取材[10]，距農(nóng)耕地區(qū)較近的區(qū)域通常采用作物秸稈和柴草等，遠離農(nóng)耕區(qū)的區(qū)域采用灌木枝條等，牧區(qū)可用腐熟牛糞，在距離城市較近的地區(qū)還可采用生活脫水污泥等[11]。然而，近年來我國作物收割方式機械化程度加大，使得作物秸稈的長度不能滿足制作沙障的需要[12]，同時農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程的加快也導致柴草、黏土和卵石等材料短缺，再加上我國治沙面積的擴大、治沙進程的加快，傳統(tǒng)的沙障材料已經(jīng)不能滿足當前防沙治沙工程對治沙成本、防護效益和節(jié)能環(huán)保的需求。因此，近年來各種新型材料沙障如巨菌草留茬沙障[13]、聚乳酸（PLA）纖維材料沙障、高密度聚乙烯（HDPE）材料沙障和羽翼袋沙障[14]等應運而生。不同種類的沙障材料其優(yōu)缺點各不相同：秸稈和黏土等傳統(tǒng)材料具有天然無污染、價格低的優(yōu)勢，但其時效性差。對秸稈、黏土和塑料沙障的時效性研究表明[15]，沙障鋪設多年后傳統(tǒng)材料沙障的地下部分會腐爛分解，逐漸喪失阻沙功能，鋪設6 a后的麥草沙障破損率最大，超過50%，而塑料沙障破損率最小，僅為11%[16]。HDPE材料具有抗紫外線輻射、耐極端氣溫、不易腐壞和施工方便簡潔的優(yōu)點[17]，但其破損后難以降解且不適合在高低起伏的沙丘布設[18]。PLA材料是目前最具前景的沙障材料，它以含淀粉的作物為原料，具有質(zhì)量輕、布設方便、不易破損、可降解杜絕化學殘留二次污染的優(yōu)點[19]，然而目前價格較高。綜上，傳統(tǒng)沙障材料和新型沙障材料的優(yōu)缺點分別是前者價格較低廉但易破損，后者價格較高但時效長。隨著我國種植業(yè)結構的調(diào)整和勞動力價格的逐年上漲，傳統(tǒng)材料的價格優(yōu)勢正在減弱[20]，而新型材料雖價格高，但其經(jīng)久耐用，只需一次性投入，加之新型材料沙障布設工藝簡單、可一人操作，所以新型材料沙障替代傳統(tǒng)材料沙障是一個必然的趨勢。

1.2 沙障布設技術

布設機械沙障時，沙障的規(guī)格、沙障格尺寸、沙障結構、沙障地下埋深和沙障地上高度等參數(shù)是必不可少的設計指標[21]。風沙流在經(jīng)過不同規(guī)格機械沙障時，沙障近地表防風效能不同。有研究表明，同一材料的沙障格尺寸越小，越能降低近地表風速，而王睿等[3]對比分析了庫布齊沙漠機械防沙措施的防護效益，得出小規(guī)格低立式沙障防風效益低于相同材料較大規(guī)格高立式沙障的結論。布設生物沙障時，固沙林的株行距、高度、蓋度及樹種的選擇（冠形）等參數(shù)是必不可少的設計指標[6]。胡小龍等[22]關于不同行距的黃柳（Salix gordejevii）活沙障對風速影響的研究表明，行距5 m的黃柳林在障后第3排風速降低最顯著，而行距8 m的黃柳林在障后第1排風速降低最顯著。植物的冠形與其阻沙能力關系密切，活沙障植物種應盡量選擇冠形呈球形的樹種，有研究表明冠形呈球形的植物比錐形和梭形的植物能截留更多的沙物質(zhì)，因為球體的表面積最大，與沙物質(zhì)的接觸面也最大。由于不同坡位和坡向上光、熱、水、風條件不同[23]，因而沙障布設的位置（坡位和坡向）對其防護效果有很大影響。黃柳活沙障在沙丘不同坡位的地上生物量表現(xiàn)為背風坡＞迎風坡上部＞迎風坡下部[24]。沙障的防護效益與其布設規(guī)格和布設位置的微環(huán)境有很強的相關性，在選擇沙障規(guī)格時要綜合考慮防護效益和布設成本來調(diào)整沙障的各項技術參數(shù)，找到最佳的參數(shù)配置。

1.3 沙障防沙治沙技術模式

我國沙障防沙治沙技術模式絕大多數(shù)是采用復合沙障并輔以人工施肥措施。復合沙障技術模式是在結合機械和生物沙障阻沙原理的基礎上，先布設機械沙障為植物營造良好的生長環(huán)境，再種植具有克隆繁殖特性的固沙灌木。根據(jù)遼西北地區(qū)多年治理流動沙丘的實踐，我國總結出了圍封+灌木+喬木模式，即先機械或生物圍封，在迎風坡中部至底部栽植耐沙壓的黃柳、錦雞兒（Caragana sinica）和胡枝子（Lespedeza bicolor）等灌木固沙，平緩處直接種植胡枝子和錦雞兒，待灌木定植并達到一定蓋度后選用樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、油松（Pinus tabuliformis）和小葉楊（Populus simonii）等喬木進行造林。徐先英等[25]總結出了“前沿阻沙林帶+固沙林帶+植物活體沙障阻沙帶+封沙育林育草帶”的“四帶一體”防沙治沙技術模式，該模式實施1 a后將示范區(qū)農(nóng)作物受沙害面積從37.7%減少到14.2%，并且有很好的可持續(xù)性。在植被極少、風蝕沙埋嚴重的陡坡沙地可采用先鋪設2 m×2 m的與等高線平行的網(wǎng)格沙障固沙，后在網(wǎng)格內(nèi)種植沙柳、沙棘等灌木的技術模式[26]。綜上，當前我國防沙治沙工程中應用的沙障防沙治沙技術模式多樣，沙障的選用綜合考慮了工程所在地的水、熱、風及地形地貌等大環(huán)境，但忽略了技術模式的成本計算?？茖W的防沙治沙技術模式中沙障的配置既要植物種類生態(tài)互補又要合理經(jīng)濟，才能起到良好的防護效益和經(jīng)濟效益。

1.4 沙障防沙治沙技術模式效益評價

防沙治沙工程效益的評價是風沙防治研究的主要內(nèi)容之一[27]。目前我國絕大多數(shù)文獻用比較分析法來評價防沙治沙工程的效益，即通過布設沙障試驗，從不同角度對比分析不同材料和不同規(guī)格沙障的防護效益。郭彩赟等[28]通過對幾種不同規(guī)格和高度的HDPE網(wǎng)和PLA網(wǎng)沙障的研究發(fā)現(xiàn)，兩者都能顯著降低近地表風速，具有良好的防護效益；屈建軍等[17]通過風洞模擬試驗，以風速為指標對比得出HDPE功能型沙障間的有效防護距離遠大于HDPE均一型沙障，HDPE均一型沙障適合高立式布設，HDPE功能型沙障適合半隱蔽式布設，兩者均可替代傳統(tǒng)沙障材料；盧立強等[29]對葵花秸稈和玉米秸稈不同布設技術下近地表風速進行的測定表明，橫向式沙障的防護效益大于縱向式沙障；王逸敏等[30]關于HDPE沙障和麥草沙障對植被和土壤養(yǎng)分的影響研究表明，HDPE沙障內(nèi)生物多樣性高于麥草沙障，兩種沙障內(nèi)表層土壤的養(yǎng)分均高于裸沙地；閆德仁等[31]從土壤微生物角度出發(fā)，得出模塊沙障可提高沙障正下方及周邊70 cm范圍以內(nèi)的土壤微生物含量和土壤酶活性，產(chǎn)生“肥島效應”；薛博等[32]以不同類型沙障內(nèi)土壤種子庫種類和數(shù)量為參考指標，得出透風型沙障內(nèi)土壤種子庫數(shù)量明顯高于裸沙地的結論，建議在治理區(qū)外部種子資源豐富的情況下可采用透風型沙障。從以上研究可看出，沙障防護效益的評價多是選取幾個指標進行單因素評價，但有些指標是正向作用，有些是負向作用[33]，因此評價時對影響指標的選取需綜合考慮指標間相互促進相互制約的關系。針對這個問題，有部分學者開始嘗試構建沙障防沙治沙工程防護效益的評價指標體系。張雷等[34]以層次分析法為基礎，參照《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》構建了沙障防沙治沙工程防護效益評價體系，該體系由1個總目標層、5個準則層和11個指標層組成，并利用該評價體系對毛烏素沙地3種沙障進行了綜合評價，結果表明，沙柳（Salix psammophila）沙障的防護效益最佳，紫穗槐（Amorpha fruticosa）人工林次之，樟子松人工林的防護效益較差。雖然防沙治沙工程的共同目標是防風固沙，但因防護重點的不同，評價指標體系也會有所差別。肖利勇等[35]運用層次分析法構建沙漠公路邊坡防沙治沙工程評價指標體系，結構為1個目標層、5個準則層、11個子準則層和28個指標層，最終對2個沙漠公路邊坡防風固沙方案進行了綜合評價，認為方案一柴草沙障+撒播灌草優(yōu)于方案二六邊形水泥框+種植灌木。初步看來基于層次分析法的評價指標體系可以科學地評價沙障防沙治沙工程的防護效益，但目前相關研究為數(shù)不多，今后該方向還有很大的研究空間。

2 展 望

沙障治沙技術自20世紀50年代由蘇聯(lián)引入我國以來，我國治沙科技工作者在治沙原理、治沙技術和工程治沙模式配套組合的研究與應用中做了大量的工作，經(jīng)過近70 a的探索研究，我國的沙障治沙技術已居于世界領先地位。隨著國家“一帶一路”倡議的實施和黨的十九大提出關于“加快生態(tài)文明體制改革，建設美麗中國”的要求，進一步加快沙化土地治理是當務之急。因此，沙障研究領域仍有很多工作要做，未來主要集中在以下幾方面：①沙障新材料的開發(fā)與研制。目前傳統(tǒng)沙障材料短缺、使用時間短、施工程序煩瑣，因此研發(fā)新的沙障材料迫在眉睫。由于我國絕大多數(shù)沙化區(qū)處于半干旱、干旱和極干旱氣候帶，這些地區(qū)立地條件差、植被恢復所需時間長，因此需要沙障的防護作用能夠維持10 a以上甚至20 a，以便為與之配套的生物措施提供長時間的防護作用。目前雖然已有PLA、HDPE等新材料被廣泛應用，但仍期待在技術成熟度、技術體系和技術措施上有更大的突破，以進一步豐富我國沙障新材料。②沙障鋪設機械的智能化發(fā)展。我國沙化土地面積大、地點偏遠、環(huán)境嚴酷，沙障鋪設機的出現(xiàn)可降低勞動力投入和治沙成本，使得高效高質(zhì)量的大面積治沙成為可能。我國已研制成功并投入使用的固沙機是將草沙障固沙技術和現(xiàn)代裝備技術相結合[36]，利用固沙裝備將作物秸稈在沙表面鋪設成不同規(guī)格和不同形狀的草沙障。下一步，固沙機的研究應突破地域局限性、地形局限性和原材料局限性，向智能化發(fā)展。③沙障固沙的長期定位觀測研究。雖然我國的沙障研究時間較長，但仍然缺少對沙障防護效益的長期定位觀測研究，今后應開展較長時間序列的沙障治沙防護效益研究，尤其是對新材料沙障的降解過程進行追蹤。

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收稿日期： 2022-12-31

基金項目： 2020年省級財政林業(yè)項目“瑪曲高寒沙化草地生態(tài)治理技術研究與示范”；甘肅省科技計劃重大項目（21ZD4FA020）；甘肅省重點研發(fā)計劃項目（18YF1FA016）

第一作者： 邴丹琿（1985—），女，甘肅蘭州人，高級工程師，碩士，常年從事濕地及沙化土地防治及恢復方面的研究。

通信作者： 談嫣蓉（1978—），女，甘肅蘭州人，研究員，博士，多年從事濕地生態(tài)系統(tǒng)修復等方面的研究。

E-mail： 993979183@qq.com

（責任編輯 徐素霞）