生物基可降解沙袋網(wǎng)格沙障治沙效應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：S775 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.13601/j.issn.1005—5215.2025.04.008

Analysis of Sand Control Effect of Bio-based Degradable Sandbag Grid Sand Barrier

Ren Yuyan1 ，He Jinjun1，Wu Le1，Han Yiliang1，Liu Kun2，Wang Faming1，Lu Lina2 （1.Ordos Forestry and Grassland Science Institute，Ordos O17ooo，China; 2.Ordos Forestry and Grassland Development Center，Ordos O17o1o，China）

AbstractInorder tounderstandthecomprehensive sand control benefitsof thenewsandcontrol materialbio-based de gradable fibersandbag sand barier，the underlying surface changes afterthe sand barrer was laid，the near-surface windproof effect，the vegetation restoration in the barier area and the layingcost were comprehensivelyanalyzed.The results showedas thefollowing four aspects.1）Thelayingofbio-based degradable fiber sandbag sand barriercould increase the roughness of the underlying surface. In the barrier areas with specifications of 1. 0m× 1. 0m，1. 5m× 1. 5m and 2 .0m×2.0m ，respectively，the surface roughness was negatively correlated with the size of the sand barrier，that was，with the increaseof thesizeof thesand barrer，thesurface roughness showedadownward trend.2）The layingof biobased degradable fibersandbag sandbarriercould efectivelyreducethenear-surface wind sped.Withtheincreaseof thesand barier specifications，the efectof reducing thesurface wind speed was weakened.The sandbarrier specifications with decreasing values from large to small were 1.0m×1.0m，1.5m×1.5m，2.0m×2.0m ，There was no significant difference between 1.0m×1.0m and 1.5m×1.5m ，while the difference between 2.0m×2.0m and 1. 0m× 1. 0m ， 1.5m×1.5m was significant.3） The laying of bio-based degradable fiber sandbag sand barier hada good role in promoting vegetation restoration.4）Thecostof bio-based degradablefibersandbag material was 2-3 times higher than thatof traditional Salix cheilophila，wheat straw，rice straw and other sand control materials，but the laying eficiency was 2-4 （20 times that of other materials，which could save labor costs by 40%-75% .Under the trend of decreasing material cost in the future andthe advantages oflight weight，nvironmental protectionand simple laying process，thenewsand controlma

terial hashighpromotionvalue.

Key wordsbio-based degradable fiber;sandbags;sand barrier;sand control effect;cost analysis

土地沙漠化是影響人類生存和發(fā)展的重大生態(tài)問(wèn)題，荒漠化防治成為全球攻克的共同課題。我國(guó)是世界上荒漠化最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，境內(nèi)有八大沙漠四大沙地，據(jù)第六次全國(guó)荒漠化和沙化調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)荒漠化土地面積257.37萬(wàn) km² ，占國(guó)土面積的 26.81% ；沙化土地面積168.78萬(wàn) km² ，占國(guó)土面積的 17.58% ，重度荒漠化和極重度荒漠化縮減，荒漠化和沙化土地面積整體持續(xù)減少，但仍然存在輕度荒漠化增加、部分區(qū)域沙化土地?cái)U(kuò)展的現(xiàn)象，甚至有局部反彈的趨勢(shì)，荒漠化防治任務(wù)仍然艱巨。沙障在荒漠化防治中一直占有重要的地位和作用，在流動(dòng)沙地，既是固定流沙的主要措施，又是植物治沙的前提和條件[1-2]。傳統(tǒng)的沙障材料多為沙柳（Salix cheilophila）、沙蒿（Artemisia deserto-rum）和麥草等。對(duì)于遠(yuǎn)沙大沙的治理，存在著運(yùn)輸困難、材料短缺等問(wèn)題，為此，農(nóng)業(yè)大學(xué)防沙治沙科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制出了新型沙障材料一—生物基可降解纖維沙袋，該材料采用木薯、淀粉等生物質(zhì)原料，經(jīng)微生物發(fā)酵生成小分子乳酸后，再經(jīng)縮聚、熔融紡成長(zhǎng)絲，機(jī)織制成的一種新型高分子圓筒管狀織物（類似于袖筒的形狀），將加工好的圓筒織物制卷及分割包裝形成成品——生物基可降解纖維沙袋。該新型材料對(duì)紫外線耐受性強(qiáng)，但在微生物的作用下可以完全分解為水和二氧化碳，杜絕了化學(xué)治沙材料帶來(lái)的二次污染，其降解性優(yōu)于合成纖維和纖維素纖維。其降解過(guò)程必須首先進(jìn)行簡(jiǎn)單水解降解，待水解進(jìn)行到一定程度后，方可進(jìn)一步在酶的催化作用下完成整個(gè)降解過(guò)程[3-5]，這與天然聚合物纖維直接酶促降解的方式完全不同，是很有開(kāi)發(fā)前途的新型綠色環(huán)保材料。對(duì)此材料的研究和報(bào)道多集中在材料便捷環(huán)保的優(yōu)勢(shì)、降解老化性能及其可降解性和對(duì)水分的影響等方面，對(duì)其全面治沙效應(yīng)報(bào)道較少。本研究從沙障鋪設(shè)后的下墊面變化情況、近地表防風(fēng)效果、設(shè)障區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)情況以及鋪設(shè)成本對(duì)比情況進(jìn)行了全面的分析總結(jié)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫(kù)布其沙漠銀肯塔拉沙區(qū)，氣候特征為春季風(fēng)大沙多，夏季炎熱短暫，冬季寒冷干燥，降水量為 240～360mm ，主要集中在7—9月，占全年降水量的 61% 左右，多年平均日照時(shí)數(shù)為3159.4h ，無(wú)霜期為 130～140 d，全年大風(fēng)日數(shù)25～35d 。設(shè)障區(qū)域全部為流動(dòng)沙地，天然植被以籽蒿（Artemisiasphaerocephala）、沙米（Agrio-phyllumsquarrosum）、沙鞭（Psammochloavillosa）為主，植被蓋度 1‰ 。

2研究方法

2.1 沙障鋪設(shè)

在沙丘底部、迎風(fēng)坡下部、迎風(fēng)坡中部分別鋪設(shè)規(guī)格為 1.0m×1.0m.1.5m×1.5m 和 2.0m× 2.0m 的沙障，選擇與設(shè)障沙丘走向、高度、坡度類似的沙丘作為對(duì)照。沙障鋪設(shè)當(dāng)年雨季撒播先鋒植物種子。

2.2 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算

2.2.1風(fēng)速測(cè)定測(cè)定不同規(guī)格沙障內(nèi)和對(duì)照沙丘相應(yīng)部位的風(fēng)速。風(fēng)速測(cè)定采用NK5500風(fēng)速儀，每一規(guī)格與對(duì)照同時(shí)分別測(cè)定距地面 15cm 和160cm 高度處的風(fēng)速，共測(cè)定6個(gè)時(shí)段，上午、中午、下午分別2個(gè)時(shí)段，每時(shí)段測(cè)定時(shí)間 5min ，間隔 10s 。計(jì)算每時(shí)段內(nèi)平均風(fēng)速，作為該時(shí)段風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.2粗糙度計(jì)算以風(fēng)速按對(duì)數(shù)規(guī)律分布為依據(jù)，測(cè)定某一下墊面的任意兩高度 及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速 V₁，V₂ ，采用風(fēng)沙物理學(xué)中的公式計(jì)算粗糙度

其中

式中： Z_?0 為粗糙度 （cm）;Z₁，Z₂ 分別為下墊面的任 意2個(gè)高度（ （cm） ： V₁，V₂ 分別為高度 對(duì)應(yīng)的 風(fēng)速 （m?s^-1） °

2.2.3植被指標(biāo)調(diào)查設(shè)障區(qū)不同規(guī)格沙障內(nèi)與對(duì)照區(qū) 1m×1m 樣方內(nèi)撒播植物株數(shù)、株高，3次重復(fù)。

2.2.4效益指標(biāo)計(jì)算每 667m² 試驗(yàn)地沙障的材料費(fèi)、人工鋪設(shè)費(fèi)、機(jī)械鋪設(shè)費(fèi)。

3結(jié)果與分析

3.1 沙障鋪設(shè)效果分析

3.1.1下墊面粗糙度情況下墊面粗糙度是衡量治沙防護(hù)效益重要的指標(biāo)之一，在防沙治沙中采取的各種技術(shù)措施都是想通過(guò)改變下墊面粗糙度，控制風(fēng)沙流向有利于環(huán)境的方向轉(zhuǎn)化[。本研究采用距地面 15cm 高度處和 160cm 高度處的風(fēng)速計(jì)算不同規(guī)格沙障內(nèi)和對(duì)照區(qū)的粗糙度，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可看出， 1.0m×1.0m，1.5m×1.5m， 2. 0m×2. 0m 規(guī)格的沙障區(qū)地表粗糙度均明顯高于對(duì)照區(qū)，隨著沙障規(guī)格的增大，地表粗糙度呈下降趨勢(shì)。

圖1不同規(guī)格設(shè)障區(qū)與對(duì)照地表粗糙度

3.1.2 近地表風(fēng)速情況 圖2—圖4是不同規(guī)格

圖2同時(shí)段 沙障與對(duì)照近地表 15cm 處風(fēng)速

圖4同時(shí)段 沙障與對(duì)照近地表 15cm 處風(fēng)速

3.1.3植被恢復(fù)情況生物基可降解纖維沙袋沙障鋪設(shè)前，項(xiàng)目區(qū)屬于流動(dòng)沙丘，沙面上幾乎沒(méi)有植被，鋪設(shè)當(dāng)年雨季以 1：1 的比例撒播沙米、籽蒿種子，當(dāng)年調(diào)查種子萌發(fā)出苗情況，結(jié)果見(jiàn)表1。在1. 0m×1. 0m，1. 5m×1. 5m，2. 0m×2. 0m 規(guī)格的沙障區(qū)內(nèi)，沙米出苗情況優(yōu)于籽蒿。第2年調(diào)查，3 種規(guī)格沙障內(nèi)平均有沙米均為2株 ?m^-2 ，平均高度分別為 8、7、4cm ；有籽蒿分別為12、7、4株，平均高度分別為 24，46，36cm ，籽蒿保存情況較好，植被蓋度有所增加，促進(jìn)植被恢復(fù)作用較為明顯。

表1沙米、籽蒿出苗生長(zhǎng)情況

沙障內(nèi)與對(duì)照區(qū)內(nèi)近地表 15cm 高度處的風(fēng)速。由此可知，在同時(shí)段內(nèi)， 1. 0m×1. 0m，1. 5m× 1.5m?2.0m×2.0m 設(shè)障區(qū)域內(nèi)與近似裸沙丘對(duì)比，近地表風(fēng)速均有不同程度的降低，通過(guò)防風(fēng)效能的計(jì)算， 1.0m×1.0m 沙障內(nèi)地表風(fēng)速降低值最大，其次是 1.5m×1.5m 的沙障， 2.0m×2.0m 沙障地表風(fēng)速值降得最小，且與前2種規(guī)格沙障相比，有顯著的差異性（圖5）。從趨勢(shì)上看，隨著設(shè)障規(guī)格的增大，地表風(fēng)速降低作用在減弱，到了一定的規(guī)格后，可能就沒(méi)有削弱風(fēng)速的作用了，地表一部分沙物質(zhì)會(huì)隨風(fēng)帶走。說(shuō)明，生物基可降解纖維沙袋沙障有降低近地表風(fēng)速的作用，但在設(shè)障時(shí)根據(jù)蝕積需要，應(yīng)選擇適宜的沙障規(guī)格。

圖3同時(shí)段 沙障與對(duì)照近地表 15cm 處風(fēng)速

圖5不同沙障規(guī)格近地表風(fēng)速降低情況

3.2 經(jīng)濟(jì)成本分析

對(duì)庫(kù)布其沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地鋪設(shè)的生物基可降解纖維沙袋沙障成本與其他常用沙障類型鋪設(shè)成本進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表2。從材料費(fèi)上來(lái)看，生物基可降解纖維沙袋沙障最高，與傳統(tǒng)的沙柳、麥草、稻草等相比，是其 2～3 倍，隨著材料運(yùn)輸距離的遠(yuǎn)近會(huì)有輕微的波動(dòng)；從人工費(fèi)用看，生物基可降解纖維沙袋沙障較為占優(yōu)勢(shì)，費(fèi)用最低，與沙柳沙障相比，節(jié)約人工成本 75% ，與紗網(wǎng)沙障相比，節(jié)約人工成本 40% ，草方格沙障人工成本介于中間。近年來(lái)，防沙治沙走向機(jī)械化，隨之各種類型的沙障鋪設(shè)機(jī)械被研制應(yīng)用，與人工鋪設(shè)相比，鋪設(shè)效率大有提高，雖然機(jī)械治沙還處于起步階段，但其鋪設(shè)效率已是人工鋪設(shè)效率的 3～10 倍。從鋪設(shè)成本上看，機(jī)械鋪設(shè)成本低于人工鋪設(shè)成本。

表2常用沙障類型每 鋪設(shè)成本

4討論

沙障設(shè)置旨在根據(jù)蝕積需要，在流動(dòng)沙丘地表設(shè)置障蔽物改變下墊面粗糙度，進(jìn)而控制風(fēng)沙流方向、速度和結(jié)構(gòu)等，達(dá)到防止風(fēng)沙危害的目的，從而為植物成活和生長(zhǎng)創(chuàng)造相對(duì)較好的環(huán)境。下墊面粗糙度不同，對(duì)氣流的阻力也不同，一般情況下，下墊面越粗糙，零風(fēng)速出現(xiàn)的高度也就越高[2.6]。本研究設(shè)置了3種規(guī)格的沙障，通過(guò)測(cè)定，3種規(guī)格沙障內(nèi)地表粗糙度與沙障規(guī)格呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即地表粗糙度隨著沙障規(guī)格的增加而減小，這與袁立敏等[7]、朱泊年等[8的研究結(jié)果一致。沙障規(guī)格不同，其防風(fēng)效果也不同。通過(guò)對(duì)近地表風(fēng)速的測(cè)定，與裸沙丘相比，3種規(guī)格沙障均有降低風(fēng)速的作用，這與王雨浩[9對(duì)麥草、聚乳酸（PLA）及其混合沙障防風(fēng)固沙效益的研究結(jié)果相似。沙障設(shè)置改變了地表狀況，為植被在流沙上定植創(chuàng)造了相對(duì)有利的環(huán)境，雨季撒播沙生先鋒植物種子，通過(guò)當(dāng)年和第2年的測(cè)定，沙米、籽蒿定居，且生長(zhǎng)良好，與對(duì)照相比，植被蓋度明顯增加。設(shè)置沙障后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的蝕積變化，設(shè)障區(qū)形成穩(wěn)定的凹曲面。同時(shí)，雨季設(shè)障區(qū)內(nèi)沙丘迎風(fēng)坡上層土壤含水量?jī)?yōu)于裸沙丘，為植被的成活生長(zhǎng)創(chuàng)造了較優(yōu)環(huán)境條件[7.10]，因此，沙障的設(shè)置對(duì)植被恢復(fù)有著積極的促進(jìn)作用。

生物基可降解纖維沙袋是一種新型的治沙材料，技術(shù)處于起步階段，相較于沙柳、麥草等材料應(yīng)用量較小，使得加工材料成本費(fèi)較高，但障體材料輕便，單人負(fù)重可滿足全天作業(yè)，又因鋪設(shè)工藝簡(jiǎn)單，就地取材，以沙治沙，提高了鋪設(shè)效率，降低了運(yùn)輸成本和人工成本。同時(shí)，該材料環(huán)保，經(jīng)過(guò)一定年限后可降解，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

機(jī)械化、智能化是未來(lái)治沙的一種趨勢(shì)，由于治沙環(huán)境復(fù)雜，立地條件差，受地形影響，防沙治沙現(xiàn)階段機(jī)械化程度相對(duì)較低，技術(shù)研發(fā)也處于起步階段，但相較于人工鋪設(shè)效率還是大有提高。進(jìn)一步攻克惡劣環(huán)境下治沙裝備的靈活性、智能性等技術(shù)難題，治沙裝備必然會(huì)大面積廣泛應(yīng)用。

5結(jié)論

1）生物基可降解纖維沙袋沙障鋪設(shè)可增加下墊面粗糙度，在 1.0m×1.0m，1.5m×1.5m. 2.0m×2.0m 規(guī)格的設(shè)障區(qū)，地表粗糙度與沙障規(guī)格呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即隨著沙障規(guī)格的增大，地表粗糙度呈下降的趨勢(shì)。

2）生物基可降解纖維沙袋沙障鋪設(shè)可有效降低近地表風(fēng)速，隨著設(shè)障規(guī)格的增大，地表風(fēng)速降低作用在減弱，即地表風(fēng)速降低值由大到小的沙障規(guī)格依次為 1. 0m×1. 0m 一 1.5m×1.5m，2.0m× 2.0m，1.0m×1.0m 和 1.5m×1.5m 之間無(wú)顯著差異， 2.0m×2.0m 與 1. 0m×1. 0m， 1. 5m× 1.5m 之間差異顯著。在設(shè)障時(shí)應(yīng)根據(jù)蝕積需要，選擇適宜的沙障規(guī)格。

3）生物基可降解纖維沙袋沙障的鋪設(shè)，對(duì)植被恢復(fù)具有良好的促進(jìn)作用。

4）生物基可降解纖維沙袋材料費(fèi)相較于傳統(tǒng)的沙柳、麥草、稻草等材料高 2～3 倍，但鋪設(shè)效率是其2～4 倍，可節(jié)約人工成本 40%～75% ，在未來(lái)材料成本費(fèi)下降趨勢(shì)下和自身質(zhì)地輕便、環(huán)保、鋪設(shè)工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)下，該新型材料具有較高的推廣價(jià)值。

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