基于有机质循环理念的沙漠治理模式探讨——以武威市为例

李忠国，罗国立，纪肇烨，贾普琦，聂和平

（1. 兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2. 甘肃腾格里绿土地科技有限公司，甘肃 武威 733000）

沙漠对人类生存的生态环境有一定的危害和威胁，对气候、环境均有着重大影响[1-3]。中国是世界上受荒漠化威胁最为严重的国家之一，众多治沙工作者历经60余年的艰苦努力，荒漠化土地面积持续缩减，为全球荒漠化防治作出了典范[4-5]。沙漠土质组成与沙漠物源相关[6]，巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠位于中国西北干旱荒漠区，由“冲积-湖积”而成，沙土矿物组成以石英和长石（斜长石和钾长石）为主[7]，沙漠成因为“就地起沙”[8-9]， 是我国所有沙漠中距离最为接近的两个沙漠。武威市民勤县位于腾格里和巴丹吉林沙漠中间，是河西走廊东段石羊河流域的尾闾绿洲区，也是阻挡两大沙漠合并的重要廊道，巴丹吉林和腾格里两大沙漠在北部青土湖呈合围之势[10-12]。武威市地处甘肃省中部、河西走廊东端，位于北纬36°29′～39°27′，东经101°49′～104°16′之间，南北长326 千米，东西宽204 千米，属我国重要生态屏障区和生态脆弱区域，全市大部被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠以及大片戈壁覆盖[13-14]，其治沙意义极其重大且任务艰巨[15]。

随着沙漠治理理论研究和实践工作的不断推进，我国沙漠治理工作逐渐由“防沙治沙”向“沙产业”发展[16-18]， 其中以库布奇沙漠的“生态经济效益最优化的沙漠化治理模式”“基于水土资源承载力的沙漠化治理模式”和“治沙与产业相结合的沙漠化治理模式”三种可持续沙漠治理模式最为典型[19-21]。其中，“治沙与产业相结合的沙漠化治理模式”利用了沙漠化区光热及其他资源优势，发展集约型产业，实现了产业脱贫的愿景，为沙漠经济提供了发展模式；“基于水土资源承载力的沙漠化治理模式”体现了沙漠农业发展内涵，为以农业和草业为主体的西部沙产业发展做出了示范，是“治沙与产业相结合的沙漠化治理模式”的实施条件；“生态经济效益最优化的沙漠化治理模式”主要以防风固沙和植被恢复为目标，涵养培育沙漠脆弱的生态环境，是“基于水土资源承载力的沙漠化治理模式”的实施基础[22-23]。

沙漠治理的措施一般有生物措施、沙障措施和其他措施，主要通过种植人工植物、设置机械沙障以及其他方式（如固沙剂固沙）等方式实现“固沙”和“阻沙”，达到沙漠治理的目的[24-28]。“固沙”“阻沙”效果最好的当属人工植物的种植，特别是能积沙成丘植物的种植，可以固沙，也可以改善沙土土质，该技术已在治沙领域得到普遍应用[29-33]。沙漠植物的种植与生长受土壤含水量、土壤有机质、土壤pH 等土壤驱动力的影响，而沙漠环境中土壤驱动力却显微弱[34-35]。为削弱沙子贫瘠、水分不足、风沙运动等不利因素对沙漠植物种植的不利影响，周祥等[36]利用条带状治沙植生模袋技术将充填植生基质的植生袋囊连同定沙锚固在沙土边坡上，植生基质由适合植物生长的良质土、腐殖土、肥料和保水剂等混合而成，为植物生长提供了生长基质和营养基础。

有机碳是沙漠环境演变研究的重要指标之一，也是沙漠植物群落分布及荒漠沙化程度的特征因子[37-45]。沙漠土质中有机质及水分比较贫乏，不利于沙漠植物的栽培和生长，向沙漠土质中输入有机质以便培育沙漠微生态环境[46-50]，可为人工植物的沙漠种植奠定基础。

1 武威市治沙工作成效及沙漠治理存在的问题

1.1 武威市治沙成效

武威市荒漠化面积217.52 万公顷，占全市国土面积的65.5%，其中沙漠152.60 万公顷，占全市国土面积的45.9%,有明显沙化趋势的土地18.07 万公顷，风沙线长达654 千米[51]。民勤县是武威沙漠化最严重的区域，总面积1.59 万平方千米，沙漠和荒漠化面积占89.8%，绿洲风沙线长达408 千米，被国家列入“两屏三带”重点生态功能区，属全国防沙治沙重点县[52]。武威治沙工作始于20 世纪50 年代末60 年代初，由初期河西走廊沙源调查和民勤治沙综合试验站成立，历经60 余年几代人的艰苦努力[53]，取得了卓越成效，于2013 年被原国家林业局确定为全国防沙治沙综合示范区[54]。

武威市推广“麦草沙障+沙生苗木”“固身削顶、前挡后拉”等治沙技术和“母亲抱娃娃”的民勤治沙模式，开展了多功能立体固沙车机械压沙技术试验示范，在老虎口、青土湖等区域建成了不同类型的防沙治沙示范区，研发了棉花秆、砂砾石、尼龙网、土工编织袋、黏土沙障、化学固沙等治沙新技术、新材料20 多项，实现了工程与生物治沙体系的有效结合，建成了民勤老虎口、青土湖，古浪民调渠沿线、八步沙，凉州区头墩营等治沙典型样板[55-56]。

1.2 沙漠治理存在的问题

水分作为植物生存的主要限制因子，在荒漠生态系统中起着非常关键的作用，对荒漠植物群落和沙漠绿洲空间分布有着重要影响，是干旱区生态的主要制约因 素[57-61]，而土壤有机质含量则对沙漠植物的生长和多样性有重要影响[62-64]。武威市是我国内陆河流域人口密度最大，人均水资源占有量最少的地区之一，沙漠治理与绿洲的建设受水资源制约严重[65-67]。

2 有机质治沙机理及应用

土壤有机质具有络合作用，能够改善土壤的结构和物理化学性质，是衡量土壤肥力的重要指标之一[68-69]，对土壤保水也起一定作用[70]。巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠矿物组成以石英和长石（斜长石和钾长石）为主，含有Na、K、Ca 等常量元素，并且有SiO2的富集[71]。

土壤中有机质与矿物质一般通过配体交换、络合、氢键、阳离子桥接、缩合及范德华力等方式发生作用，接近矿物表面的有机质与土壤矿物的结合相对紧密[72-73]。 土壤中溶解性有机质在土壤中的迁移以及土壤/矿物对重金属、有机污染物的作用受有机质与矿物表面吸附情况的影响[74]。有机质与矿物间的作用以化学键合吸附的方式较稳定，其次为以电子“供体-受体”方式直接与矿物表面作用的方式，而以范德华力和静电作用的方式稳定性则较差[75-77]。

2.1 有机质治沙基本机理

有机配体可以与三价金属离子如铁（Fe）和铝（Al）结合或通过金属氧化物脱水键合[78-79]，当土质颗粒数量多或比表面积较大时，有机配体被吸附到土壤纳米晶铝硅酸盐、金属（含氧）氧化物基质中[80-82]，或结晶硅酸盐黏土矿物中[83-84]。高电荷密度和高表面积的黏土蒙脱石等区域对C有较高的亲和力[85-86]，而低表面积的硅酸盐黏土，如高岭石和埃洛石，吸附容量较低[87-88]。在沙质中加入有机质，利用有机质中活性基团与硅酸盐等土壤母质中的Na、K、Ca、Mg、Al 等常量元素进行反应，使其与有机质络合成可供植物吸收的营养物质（图1），改变植物生长环境，为植物根系周边微生态环境的培育提供条件[89-91]。

图1 有机质沙土改良基本机理示意图

2.2 有机质治沙应用

土壤有机质含量对沙漠短命植物的生长有一定影响[92]， 而短命植物的生长对沙漠土质中N 元素的积累、沙漠生物量的增加以及沙漠微生态的培育起着重要作用[93-97]。短命植物生长过程中根系生命活动可以通过对沙漠微生物的影响对沙漠土质进行改良[98-99]，为沙漠植物的生长创造条件。然而，短命植物与沙生植物存在水肥生存竞争，其快速生长繁衍会影响沙生植物的生存[100]，在沙生植物生长区需要通过人为干预的方式对沙漠短命植物的生长进行控制，以达到培育沙生植物和固沙的目的[101]。

为提升沙漠土质的理化性质，使之更有利于沙漠植物的生长，研究人员分别对用于沙漠土质改良的无机改良剂、有机改良剂、人工合成改良剂和生物改良剂进行了大量研究[102-105]，研究结果表明，腐殖酸因含有羧基、醇羟基、酚羟基等含氧活性官能团，具有较强的亲水、阳离子交换以及吸附络合等能力，可用于制备保水续肥沙土改良剂应用于沙漠地区的植被恢复[106-108]。腐殖酸获得的途径一般有自然资源提取和有机质人工发酵[109-110]， 通过控制发酵参数的有机质人工发酵可得到适用于沙漠土质改良的腐殖酸[111]。

3 武威市有机质治沙综合利用模式构建

3.1 武威市有机质治沙模式构建基础

武威市属甘肃省农业生物质能丰富区，全年农业播种面积约26 余万公顷[112]，秸秆、畜禽粪便以及果木薪柴可能源化量2016 年分别位居甘肃全省第4 位、第3位和第5 位，生物质折标后的能源量分别为32.83 万吨标煤、177.71 万吨标煤、2.29 万吨标煤[113]。

武威市利用生物质治沙的方法有制作草方格沙障、棉秆沙障等[114-115]。草方格法是将麦草横铺在划好的设障沟上，将麦草从中间压入沙内，使麦草两端折露于地表并用沙使草直立稳固，达到隔断固沙的目的[116]。通常，秸秆需要进行微生物降解才能使其中的营养物质得到转化并被植物所利用[117-118]。然而，沙土中很少有微生物存在[119-120]，秸秆在沙漠环境中较难降解，因此需要对沙漠土质进行改良和培育微生物环境，使其在微生物的降解作用下向沙生植物供给养分。

3.2 武威市有机质治沙技术模式

武威市有机质产生源主要集中在农牧活动、居民生活以及工业生产，而农业有机废物、工业有机废物和城市有机生活垃圾等有机固体废物均可以用作发酵原料[121]， 发酵过程中的有机物水解、产氢、产乙酸和产甲烷阶段的生化反应条件差异较大[122]，可以通过人工干预控制的方式，控制发酵生化反应条件，使发酵反应的产乙酸阶段得到持续和强化[123]，以便获得用于沙漠土质改良的目标腐殖质产品，目标腐殖质产品经处理后可用于沙漠土质改良。武威市地处巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠边缘，土质中有机物匮乏，将有机质发酵得到的腐殖质产品应用于荒漠土质改良，既可以有效解决有机物环境污染问题，又可以辅助沙漠治理。结合地域社会经济发展特征，在武威市可建设如图2 所示的利用废弃有机物治沙的技术模式。

图2 武威市有机质治沙技术模式示意图

沙漠植物的生长除需要必需的营养物质和肥料外，更需要水分供给，有机质发酵得到的腐殖质产品在应用于沙漠土质改良的同时，需与保水材料一起施用。目前保水剂主要有合成型（聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚丙烯腈）、半合成型（淀粉-聚丙烯腈、淀粉-聚丙烯酰胺和淀粉-聚丙烯酸）和天然型（纤维素型和瓜尔胶型）三种类型[124]，武威地区生产的秸秆可作为天然保水剂的材料，经加工处理后制成保水剂，与发酵得到的腐殖质混合加工成持水续肥基质，将基质团块置于草方格内，以基质团块为营养源栽种沙生植物，用于沙漠土质改良和沙漠微生态环境的营建。

沙漠蒸发量大，沙漠保水是沙漠治理的一项重要举措。将目标腐殖质产品及秸秆保水材料与沙土混合施用后，将在沙丘形成松散的不影响沙漠降水下渗的沙固结层，沙固结层对其下部5 ～20 厘米沙丘的恒温及保湿均起着重要作用[125]。沙漠植物根系一般在沙漠表层0 ～30 厘米处[126-127]，腐殖质产品及秸秆保水材料施用于沙漠表层以下10 厘米处对沙丘既可以起到恒温保湿作用，又可以减少风蚀对沙固结层的影响[128]，还可以为沙漠植物提供生长发育所需要的水分和养分，沙固结层保水示意图如图3 所示。

武威地区年平均蒸发量2 163.6 毫米，年平均降水量212.2 毫米，极端年最大雨量273.5 毫米（2011 年），极端年最少雨量125.8 毫米（1962 年）[129]，由腐殖质产品及秸秆保水材料形成的沙固结层铺设在沙漠表层10厘米处，沙漠降水通过沙固结层下渗，少部分降水被吸附在持水续肥基质内，其余下渗进入沙丘。当阳光照射沙丘，沙丘温度升高，蒸发作用加强时，沙固结层对沙丘吸热和水分散失起阻隔作用，使沙丘内部温度和湿度基本恒定，从而为沙丘内微生态环境的营建创造条件。

3.3 武威市有机质治沙产业模式

3.3.1 武威市有机质治沙产业模式的必要性分析

西北地区生物质匮乏，土壤有机质含量普遍较低，持水保肥能力差，植物生长的生态环境脆弱。武威市地处祁连山生态脆弱区，腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠边缘，沙漠土质中有机质尤为贫瘠，沙漠生态环境的重塑需要采用人工辅助手段进行干预。

随着循环经济发展进程的推进，武威市农作物种植、畜禽养殖、高原夏菜等产业实现产业化、规模化发展，已建成粤港澳大湾区“菜篮子”生产基地和牛羊鸡菜果菌薯药“八大产业”，并形成沿山、沿川、沿沙“三大特色产业带”，所辖区县分别誉名为“中国高原藜麦之都”“中国高原食用菌之乡”和“中国高原夏菜之乡”，有机质生产产业得到快速发展[130]。然而，快速发展的种植业、养殖业也带来了严重的环境问题，如畜禽粪便违规排放、生活垃圾处理能力不足、污水处理水平低等[131-132]。

图3 沙固结层（“腐殖质产品+秸秆保水材料+基沙”层）保水示意图

从生态角度上考虑，有机质合理利用是解决西北生态脆弱区有机质分布不平衡的重要手段之一，一方面西北生态脆弱区土地因缺乏有机质积累，养分极度匮乏；另一方面有机质却因得不到合理利用而成为废物污染环境。因此，以武威市为例构建有机质循环利用的沙漠治理模式对生态重塑和祁连山生态安全屏障的建设均具有极其重要的意义。

3.3.2 武威市有机质治沙产业模式

武威市域城镇空间已形成“三区三带、一核四心”结构[133]，甘肃武威工业园区、甘肃武威黄羊工业园区、武威新能源及装备制造产业园、武威民勤红沙岗能源化工产业园、武威民勤工业园、武威古浪工业集中区、武威天祝金强工业园、武威天祝炭山岭工业园以及武威保税物流中心8 个工业园区和1 个物流中心均已建成[134]，生活垃圾及农业废弃物管理受到政府高度重视[135]，废弃有机质回收体系构建条件已完备，有机质回收利用已成为武威市循环经济发展的必然。

碳在土壤和生物圈中起着重要作用，可以作为能量携带载体在土壤和生物圈中循环[136-137]，为生物提供生命活动所必需的能量。

武威市可利用集约经济发展和城乡一体化建设的契机，对各经济园区和生活服务区进行统一管理，集中收集生产生活过程中产生的有机固体废物，建成有机固体废物分类利用和有机质发酵产业，将发酵得到的腐殖质用于沙漠土质改良和沙漠经济作物的栽培种植，发展沙漠种植产业。再将沙漠作物产品进行加工利用，形成“有机质→沙漠→有机质”循环产业链，实现区域碳循环（图4），既可以解决沙漠灾害问题，也可以缓解我国土地紧张、耕地面积不足的问题。

图4 武威市有机质治沙产业模式示意图

式中：CQT为生物炭施加量，吨；i 为第i 种有机物；αi为第i 种有机物含水率，%；ki为第i 种有机物发酵过程生物炭损失率，%；为第i 种有机物干基碳平均含量，；Cij为i 种有机物中第j 种物质含碳量（干基），吨。

根据计算公式以及已有文献资料，采用控制发酵法（抑制产甲烷阶段）进行有机质发酵，拟粗略对秸秆、生活垃圾以及粪便可施用有机碳进行粗略估算。其中，秸秆有机碳按60%计（秸秆可用量按15%计，其余85%被综合利用[141-142]），生活垃圾有机碳按20%计[143]，粪便有机质按30%计[144]，则每年施加入沙漠的有机碳约120 万吨，可改良约1 500 平方千米的风沙土质[145]，用于种植马铃薯等耐旱经济作物[146]。

4 结论

3.3.3 武威市有机质治沙产业模式下沙漠的生物炭积累

生物炭表面布有多种有机官能团，可改良土壤的理化性质，提升土壤肥力和作物产量，对植物的生长有着重要作用[138]，可为沙漠植物生长繁育营造良好的土壤环境。

武威市沙漠生物炭的增量可通过两种方式实现，一种是目前的草方格布设和沙生植物的人工种植栽培，另一种则需要通过持水续肥基质的人工施加来实现生物质的增量。武威市生物质主要来源于种植、养殖、服务、交通物流、工业生产以及居民生活等生产生活过程中产生的废物，其中秸秆每年产生量200 余万吨，主要来源于种植业；牲畜粪便猪粪当量600 余万吨，主要来源于牲畜养殖业；生活垃圾1 800余吨/日，其中餐厨垃圾200余吨/日，主要来源于居民生活及餐饮服务业[139-140]。采用有机质人工施加方式进行沙漠生物炭人工干预，可加快沙漠生物炭积累，如图5 所示，为沙漠植物的生长提供保障。

沙漠生物炭积累可按以下公式进行计算：

生态文明建设是国家事业发展全局中的重要方略，是建设美丽中国、为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全做出贡献的必由之路。像对待生命一样对待生态环境，坚持人与自然和谐共生，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式，统筹推进“五位一体”总体布局是生态环境和谐发展的重要举措。

西北地区沙漠土质有机质贫瘠，土壤有机质含量普遍比南方低。由于有机质生产“过剩”，我国南方水土富营养化问题普遍存在，而北方却土壤有机质缺乏，土壤保水续肥供养植物的能力微弱，南北有机质严重失衡是自然生态很难解决的瓶颈问题。

解决生物质过剩问题虽然可以通过厌氧发酵生产甲烷气等方式来实现，但却损失了宝贵的有机质资源，使本已被植物固定的碳又重新排放至大气中，人为干扰了大气中的碳平衡。

图5 沙漠生物炭积累路线图

将“过剩”有机质产品用于沙漠治理不但可以减少人类活动向大气中排放碳的总量，还能稳定增加沙漠中有机碳的积累，改良沙漠土质理化指标，提升沙漠生态功能。因此，基于有机质循环理念的沙漠治理模式无论对生态环境质量还是对国民经济的可持续发展均具有重大意义。