农林废弃物在防风固沙中的应用研究

2023-04-05张子阳姚利宏贾洪磊郝祎帆

林产工业 2023年2期

张子阳姚利宏* 贾洪磊郝祎帆玉霞

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古呼和浩特 010018;2.内蒙古自治区俄蒙进口木材加工利用工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特 010018）

农林废弃物属于天然生物质资源的一种，环境友好、可降解、可再生，主要包括麦秆、棉秆、锯末、木屑等。农林废弃物主要由C、H、O、N等元素组成，有机质含量高，添加至土壤中可改良土壤结构性质，调整土壤微生态环境，减少地表径流，并能在微生物作用下保持有机肥料的特性。

农林废弃物数量巨大，秸秆资源年产量以亿吨计[1]，每年约有1 400 万t的废旧木材被浪费[2]，由于农林废弃物转化利用技术不够完善，大量农林废弃物被丢弃甚至焚烧处理，利用率低，造成资源浪费的同时增加了环境负荷。研究表明，秸秆还田有助于改善土壤理化性质，提高土壤肥力，调整土壤孔隙度和土壤容重，能实现农业废弃物的再利用[3-7]。由此可见，将农林废弃物用于沙化土地改良和治理具有一定的可行性。

1 沙漠化治理现状

沙漠化作为全球主要的生态环境问题之一，其分布广泛，破坏了植被和地表形态，增加了生态负荷，还会侵袭周边村庄城镇，影响人们的生产生活，甚至引发沙尘暴等灾害天气。截止至2014 年，我国荒漠化土地总面积261.16 万 km2，占国土面积的27.2%；沙化土地172.12 万 km2，占国土面积的17.9%[8]。土地沙漠化严重影响了社会经济的稳定和发展，是全球密切关注的热点问题。

常用沙化防治技术有工程固沙、化学固沙和生物固沙。工程固沙治理成效显著，但因其造价较高，人工资源消耗大，防护年限有限，一般作临时辅助用或在沙化严重区域应用。植物生态固沙由于沙化区域环境恶劣，植物生长周期较长，适生植物种类较少，多在沙化程度较轻的区域应用，如在沙漠沿边处设置植物体防护带。化学固沙利用化学粘结作用或粘附作用等，使沙子与化学试剂共同形成具有一定保护作用的固结层，实现表层土壤的固化，在阻止风沙移动的同时，还可在一定程度上提升沙地保水性，其固沙效果显著，见效快，是目前最具发展潜力的固沙技术。沙化土地面积较大，生态条件较恶劣，农林废弃物作为生物质材料符合成本低廉、成效显著、环境友好等沙化治理材料的基本特点。因此，将农林废弃物用于沙化土地治理，可以实现农林废弃物的再利用，具有重要的经济意义和生态意义。

2 工程固沙

工程固沙的原理是通过设置物理屏障改变沙化区域风的流动方向或降低地表风速，从而减弱风对沙丘的侵蚀，达到沙化治理的目的，如麦草方格、网袋沙障等。工程措施的基本途径在于制止沙粒起动、抑制地表风蚀、加速风沙流运动、强制风沙流沉积、转变风沙流运动方向、变沙丘的整体运动为风沙流的分散运动等[9]。

Lü等[10]针对流沙、稻草方格和砾石三种不同边界层设置试验区，研究相同风蚀条件下的输沙率，发现不同边界条件对沙粒输运速率的影响较大。其中，稻草方格表面沙粒运输速率最小，输沙率与地表高度成负相关关系，稻草方格可以有效减少风蚀影响。卢立强[11]通过野外调查和室内分析，研究了横/纵向式葵花秸秆和玉米秸秆四种沙障的防风固沙效能。结果表明，两种形式的沙障均能有效降低地表风速，秸秆残体积聚分解还可促进土壤内部形成丰富营养层，起到土壤调理剂的作用。此外，与其他三种形式的沙障相比，纵向式葵花秸秆沙障对沙化土地理化性质的改善作用最为明显。高云昌等[12]对河北省沙化土地由重度向中度、轻度逐级减轻的有效沙化治理措施分析发现，在沙化严重的流动沙地，主要采用以农林废弃物材料，如柴、草、树枝、黏土、卵石、板条等为主设置的沙障来抵御风蚀，达到防风固沙的目的。金红喜等[13]对高寒草甸地区防沙治沙综合治理措施分析总结，得出农林废弃物铺设草方格配合扦插山生柳+种草措施是当地高寒草甸恢复治理的最优模式，主要用于对流动沙地、半固定沙地沙化程度严重区域的治理。在草方格保护下，植物成活率提高，覆盖率达到52%。鄢武先等[14]对川西北地区防沙治沙试点示范工程的治理措施及成效分析总结，得出农林废弃物，如稻草、麦草等秸秆资源编制的草帘沙障及柳条、竹帘沙障、生态袋沙障是适宜川西北地区流动沙地和半固定沙地的4种主要沙障，将其按不同规格用于不同沙化区域流动程度，能产生较好的沙化固定效果。欧平贵等[15]以阿坝州为例，针对不同沙化类型、沙化程度总结出适宜南方地区的有效沙化治理方法，提出了采用高山柳灌木枝条编制沙障配植高山柳苗和草种，并撒施牛羊粪的配套治沙措施，以实现一年把沙固定，两年沙地变绿，三年柳树成行，五年成为稀疏林与草结合的治理效果。肖冰雪等[16]以农林废弃物燕麦茎秆为原料在若尔盖辖曼牧场沙丘的重度、中度沙化区域分别设置高立式沙障和半隐式沙障，用于防风固沙，同时拦储水分，该方法治理成效明显，沙化速度得到有效遏制。靳敏生[17]对宁夏红寺堡灌区沙化防治主要措施分析总结，得出在流沙地、地表浮沙严重又没有灌水条件区域，采用人工扎规格50 cm× 50 cm的麦草草方格的方法，在草方格内配植柠条等耐旱植物，可进一步强化抑制沙粒滚动的作用，经济成本较低、效果较好。熊晓红等[18]对黑龙江垦区三江地区的沙化治理成果分析总结，发现实行秸秆还田，可增加沙地腐殖质含量，能有效控制沙化。

农林废弃物在工程固沙技术中多用于沙化程度严重的流动沙地和半固定沙地，主要采用编制沙障的形式，配植耐旱灌木和草种喷播措施，在自然降雨和人工养护作用下，通过提高植物成活率，改善沙化土地土壤理化性质，增加土壤含水量、有机质含量和氮磷钾等元素的含量达到防风固沙的目的，其治理成效显著，能有效遏制沙粒滚动。

3 化学固沙

化学固沙是将有胶结或吸附等特性的物质喷施在沙土表面，渗流进入沙土孔隙，以化学键合或吸附作用等的形式使沙土表层形成固化层。在下渗过程中，部分胶结粒子被沙粒吸附，随后经过水分蒸发干燥，胶结粒子间自由空间减小且相互挤压融合，在沙土的孔隙中相互连结形成网络状的胶体，宏观上表现为整体形成具有稳定机械强度的固结层[19-20]。固结层的形成极大减少了土壤表面松散小颗粒的数量，从而达到防止沙化土地表层土壤流动，抑制沙化土地扩展的目的。

化学固沙材料依据化学成分主要划分为有机、无机、有机-无机复合固沙材料[21]。其中，有机类与有机-无机复合类材料生态相容性较好，成为固沙材料的研究热点。有机类固沙材料主要分为石油类、高分子类、高分子聚合物类等[22]。由于多糖类高分子材料具有无毒、对环境友好、易降解的性能，常被用做土壤调理剂[23-24]。

鲁小珍等[25]以麦草烧碱法和麦草亚硫酸钠-甲醛法得到的两种制浆黑液为原料，经化学改性制备了两种木质素固沙材料，以材料浓度、剂量对沙结皮厚度及植物生长的影响开展试验。结果表明：所制备的两种固沙材料在沙土表层形成结皮的时间为1 d，成本较草方格可节约57%～78%，当年植被即得到恢复，防风固沙的同时起到了改良沙化土壤的作用。吴雅睿等[26]采用羟甲基纤维素钠和丙烯酸进行聚合，制备得到了一种高分子聚合物，其吸水、保水特性优良，可适应弱酸弱碱环境，降解性好。野外试验表明，该材料能提高沙漠中植物的存活率，有效改善区域内生态环境，同时兼具便捷经济的特点。金永灿等[27]以麦草烧碱-蒽醌制浆废液为主要原料，分离纯化得到麦草碱木质素和麦草半纤维素。试验表明：木质素纯化后制备的固沙材料较制浆废液直接制备，其抗压强度得到了改善，材料表现出良好的固结性能和吸水保水功能，无毒无害。以纯化后的半纤维素为原料，采用相同的方法制备固沙材料，发现麦草半纤维素具有优良的固沙特性，同时利用制浆废液制备固沙材料时，半纤维素对木质素与尿素的反应存在一定牵制作用。杨明坤等[28]将羧甲基纤维素钠与丙烯酰胺进行接枝共聚，制备得到了一种纤维素基固沙剂，该材料喷施于沙样后形成的固化层表现出优良的强度和保水性，7次水蚀试验后仍可恢复。研究表明：丙烯酰胺添加量过多时，所得材料的水溶性较差，固化层厚度过薄；而丙烯酰胺添加量过少时，则所得材料的黏度较高，固化层强度不够，耐水性较差。纤维素链中引入丙烯酰胺中的强亲水性基团氨基，可使材料获得优异的保水耐水性。何秀院[29]以麦秸为原料，经亚铵＋亚钾＋亚硫酸镁蒸煮得到制浆废液，通过抗风蚀测试、抗压强度测试及植物生长测试，发现该制浆废液是一种良好的固沙保土有机肥，其无毒、无色、无味，环境友好。野外应用试验表明：其固沙效果明显，固沙层耐高温、耐寒，固沙时间可达5～8 a，自然降水时沙结皮逐渐下渗软化增厚，可供植物种子或根部吸收利用。

Wang等[30]将液化玉米秸秆用于防治风蚀，分别在风洞中对沙化土和耕作土做对比试验，结果表明：使用液化玉米秸秆后，土壤表面形成固结层，风蚀率下降，具有良好的风蚀防治作用。王宣等[31]将棉秆粉碎后作为有机填料添加至胶凝材料水泥中，通过测试复合材料的保水、耐水性能探究棉秆颗粒在复合材料内的水分迁移情况及其抗冻机理，进而评价棉秆用于固沙材料制备的可行性。孔维青[32]以玉米秸秆为原料，经碱处理后，与丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺聚合合成玉米秸秆基新型固沙抑尘剂。热重分析表明：该材料热稳定性良好；性能测试表明：该材料具有良好的亲水保水性，风蚀、水蚀、冻融、降解性优良，可满足实际应用需求。Wang等[33]采用酸碱处理法从玉米秸秆中提取得到纤维素，与聚乙烯醇进行水溶液聚合合成了一种纤维素基抑尘剂，通过测试发现，该抑尘剂表现出良好的热稳定性和抗风蚀性，且成本较低，具有广阔的应用前景。冯航航[34]以柚子皮粉末和高岭土为填料，聚乙烯醇为基材，草酸为交联剂，利用一锅法共混制备了一种有机-无机复合化学固沙材料，并模拟自然环境分别测试其进行紫外老化、冻融老化、热老化后的抗压强度。结果表明：该材料固沙效果优良，并能应对各类复杂的自然环境。尹应武[35]以葵花秸秆为原料，制成的生物基磺酸盐为固沙剂，喷施在沙化土表面可形成较好的固结层，沙化治理效果显著，且施工便捷经济。同时，该材料也可作为一种微生物营养基，在保留土壤原有菌群前提下，增加有益菌群，施用于沙化土壤中，能促进微生物生长，改善土壤生态。

农林废弃物在化学固沙技术中的应用主要是以主成分木质素和纤维素为基础进行化学改性，或以有机填料的形式使用，通过接枝共聚、缩合等反应改善木质素耐久性较差、水蚀性较差等缺点。选择农林废弃物为原料，可避免成本较高、不适用于大面积防沙治沙应用等问题。

4 生物固沙

传统生物固沙主要指借助植物体构建生物体屏障以降低地表风速，抵抗风蚀，防止沙化面积扩展进一步恶化，同时保持沙化土地生物多样性以实现防风固沙。王健等[36]基于稻麦秸秆化学组分分析，分析了传统应用模式中秸秆资源利用方式，秸秆等农业废弃物富含利于植物生长与土壤增肥的营养元素，能提升土壤微生物活性，有效改善土壤理化性质和微环境系统，抵抗水蚀、风蚀等。随着生物技术的引入，现在生物固沙也包括利用微生物、菌类等对土壤的板结作用，将其添加至沙化土壤或固沙的载体中以促进沙化土地板结，实现生态固沙。微生物土体改性是基于微生物可以在多孔介质中生长、运移和繁殖的特点，通过微生物代谢活动诱发或控制土体中一系列化学反应以改良土体性质[37]。本文主要介绍以农林废弃物为载体接种微生物、菌类等的治沙方法。

沈淞涛[38]以若尔盖高寒沙化土地为研究对象，分析了农牧废弃物的添加对土壤理化性质、土壤团聚体结构和沙粒孔隙等的变化，指出秸秆和菌渣的添加能改善土壤微环境，提升土壤保水力和保肥力，并且这种改善作用会随着时间增加而增加。秸秆、生物炭、菌类等的改良效果对比发现，由于秸秆富含有机质，施用效果最佳。刘阳等[39]利用植物脲酶诱导碳酸钙沉积的原理，从大豆中提取脲酶，与盐溶液混合后制成胶溶液，喷洒在沙样表面后对表面强度、风蚀强度、保水性等产品性质与性能进行测试。结果表明：大豆脲酶中的蛋白质等物质提供的黏结作用实现了表层土壤固化的目的，同时诱导形成的碳酸钙进一步强化了固沙效果，但存在耐久性差的缺点。王爱平等[40]以木质纤维辅以羊粪、素土和水等按一定比例组成堆肥系统，接种有效生物菌剂，并加入一定活性剂，经熟化处理制成生物堆肥，喷播在沙丘上，在自然降水和人工养护条件下观察植物的生长状态。结果表明：该方法可明显改善土壤理化性质和沙丘的沙粒结构，若配植沙生植物，对沙漠化治理更加有效。张哲超等[41]通过对比施用秸秆生物炭、接种AM真菌和联合改良三种处理方法对沙化土壤改良的作用效果，发现生物炭接种真菌的方法改良效果更好。同时，研究表明，秸秆生物炭施用能够改善土壤基质环境，提高土壤有机质含量，真菌在单独施用的时候会与原有微生物群落存在营养物质争夺，玉米秸秆生物炭的添加减缓竞争的同时为土壤提供了一定的营养基础。薛花[21]将农林废弃物玉米芯、阔叶树枝等与有机肥、腐殖酸混合后在体系中加入菌种，室温下培养制备得到固沙原料，再在表面喷洒聚合物固沙材料，将其添加到沙土中混合均匀后，分别进行土壤理化性质、应用性能、固沙稳定性测试。结果表明：该材料可改良沙土土壤结构，改善沙土团聚体结构和沙土孔隙度等，能有效抵抗风蚀，固沙效果明显。

近年来，不少学者引入微生物菌群用于防风固沙，主要是针对将单一菌种、苔藓结皮等提取培养用于板结流动沙丘固沙的研究[42-46]。虽然微生物固沙是一种新的有效的沙化治理途径，但农林废弃物与菌类结合用于防风固沙的研究相对较少。理论上，将农林废弃物处理后接种可板结沙化土地的菌种能够实现固沙的效果，有望能够起到实现“化学+生物”的双重固结作用。