我国沙障的研究进展与应用综述

邴丹珲　谈嫣蓉　陈文业　朱丽　马超　王斌杰　张洋东　肖云飞　吕斌燕

［关键词］ 沙障；新材料；防护效益；评价指标体系

［摘 要］ 在总结我国沙障材料、沙障布设技术、沙障防沙治沙技术模式及其效益评价的研究进展基础上，指出目前沙障研究与应用存在沙障新材料较缺乏、防风固沙技术模式需进一步优化、沙障防护效益评价指标较单一等问题。随着人工智能技术与新材料的兴起，今后我国沙障领域的研究方向为：开发与研制长效、环保、经济的沙障新材料，发展智能化的沙障铺设机械，对沙障防护效益和沙障新材料降解过程进行长期连续性观测研究。

［中图分类号］ S157［文献标识码］ C［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0037－04

土地沙化是我国国土安全和生态安全面临的主要威胁之一，第六次全国荒漠化和沙化调查结果显示，截至2019年，我国沙化土地面积168.78万km2，占国土面积的17.58%。我国每年因土地沙漠化导致的生态和经济损失超过560亿元，1/4以上的人口直接或间接地受到沙漠化问题的困扰，土地沙化严重制约我国社会经济的可持续发展［1］。针对严峻的土地沙化问题，我国在防沙治沙政策和经费上加大了支持力度，从而激发了大批新生防沙治沙力量。近70 a来，我国土地沙化治理技术的研究和应用在探索中不断前进，积累和总结了大量技术模式，并取得了不菲的成就。美国航天局最新研究表明，2000—2017年全球新增绿化面积的1/4来自中国，中国贡献率的42%来自植树造林。《2020年中国国土绿化状况公报》显示，2020年我国完成防沙治沙面积209.6万hm2，全国沙化土地封禁保护区扩大到177.71万hm2。近年来沙尘天气问题引起国际社会的普遍关注，我国在与之相关的防沙治沙方面取得的成就受到各国的重视。

利用沙障固定流沙是当前国际上公认的防沙治沙最有效的手段。沙障的原理是依据风沙移动规律在沙面上采用各种材料布设物理障碍，以增加下垫面的粗糙度，从而降低近地表的风速、风蚀量和控制地表蚀积状态，阻滞消能，达到风过不起沙的目的。20世纪60年代起，沙障成为我国防沙治沙的主要工程措施之一。自2000年以来，我国有关沙障的研究迅猛发展，尤其是近10 a，沙障的研究工作高速平稳发展，呈现出多学科交叉的特点，从过去简单的治沙工程措施观测性实验研究向更高层次的理论模型研究发展。韩雪莹等[2]借助信息可视化软件对我国1980—2020年的沙障研究文献进行了统计和梳理，通过对关键词的统计分析表明：①21世纪前10 a，中国沙障研究文献年均发表数为63～65篇，且关键词数量呈现快速增加的趋势，热点关键词涉及的领域多元化，由此可见该时间段有关沙障的研究迅猛发展；②1980—2020年，库布齐沙漠、浑善达克沙地和毛乌素沙地作为研究载体出现的次数最多，说明这三地对有关沙障的研究贡献程度较大；③随着时间的推移，虽然我国沙障研究领域科研工作者新老更替，但研究成果延续较好，沙障研究已经形成了7个主要的科研团队，这些团队是我国现在和未来沙障研究的主要科研力量。当前我国对沙障的研究处于国际领先水平，然而在利用沙障对沙区进行植被恢复重建的过程中仍然遇到许多问题，如沙障材料多样性的限制、沙障材料经济成本和防风固沙效應的权衡，以及沙障材料的耐用性和环保性的矛盾等。

为此，笔者在阐述我国沙障研究概况和沙障在防沙治沙领域的应用基础上，简要分析当前存在的问题和今后重点研究的方向，以期为中国的防沙治沙工作提供参考与依据。

1 沙障的研究内容

1.1 沙障材料

沙障分为机械沙障和生物沙障。机械沙障主要是通过设置物理障碍来控制流沙[3]，从而达到快速固定流沙的目的[4]，为植被的生长营造适宜的生存环境。生物沙障又称活体沙障，是在沙丘上栽植生物活体材料，形成固沙林带，植物枝叶与风沙流产生摩擦，可阻挡和分割风沙流并消耗风沙流能量，同时使部分风沙流抬升至林带上空。通俗来讲，机械沙障治标，生物沙障治本[5]，机械沙障是生物治沙的前提和必要条件。防沙治沙工程中最常见的是将机械措施和生物措施相结合，这样才能达到标本兼治的目的[6]。

生物沙障材料的选取遵循因地制宜的原则，采用当地乡土固沙植物种，如内蒙古地区沙地宜种植白柠条（Caragana korshinskii）、白榆（Ulmus pumila）和山竹子（Garcinia mangostana）等植物[4]，甘肃河西走廊宜选用沙拐枣（Calligonum mongolicum）和梭梭（Haloxylon ammodendron）等[7]，青藏高原的高寒沙区宜选用高山柳（Salix paraqplesia）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌木以及混合草本[8]。机械沙障材料最早是以作物秸秆、卵石和黏土等为主[9]，这些传统的沙障材料在我国防沙治沙初期被广泛应用。传统机械沙障材料的获取遵循方便易得的原则就地取材[10]，距农耕地区较近的区域通常采用作物秸秆和柴草等，远离农耕区的区域采用灌木枝条等，牧区可用腐熟牛粪，在距离城市较近的地区还可采用生活脱水污泥等[11]。然而，近年来我国作物收割方式机械化程度加大，使得作物秸秆的长度不能满足制作沙障的需要[12]，同时农村城镇化进程的加快也导致柴草、黏土和卵石等材料短缺，再加上我国治沙面积的扩大、治沙进程的加快，传统的沙障材料已经不能满足当前防沙治沙工程对治沙成本、防护效益和节能环保的需求。因此，近年来各种新型材料沙障如巨菌草留茬沙障[13]、聚乳酸（PLA）纤维材料沙障、高密度聚乙烯（HDPE）材料沙障和羽翼袋沙障[14]等应运而生。不同种类的沙障材料其优缺点各不相同：秸秆和黏土等传统材料具有天然无污染、价格低的优势，但其时效性差。对秸秆、黏土和塑料沙障的时效性研究表明[15]，沙障铺设多年后传统材料沙障的地下部分会腐烂分解，逐渐丧失阻沙功能，铺设6 a后的麦草沙障破损率最大，超过50%，而塑料沙障破损率最小，仅为11%[16]。HDPE材料具有抗紫外线辐射、耐极端气温、不易腐坏和施工方便简洁的优点[17]，但其破损后难以降解且不适合在高低起伏的沙丘布设[18]。PLA材料是目前最具前景的沙障材料，它以含淀粉的作物为原料，具有质量轻、布设方便、不易破损、可降解杜绝化学残留二次污染的优点[19]，然而目前价格较高。综上，传统沙障材料和新型沙障材料的优缺点分别是前者价格较低廉但易破损，后者价格较高但时效长。随着我国种植业结构的调整和劳动力价格的逐年上涨，传统材料的价格优势正在减弱[20]，而新型材料虽价格高，但其经久耐用，只需一次性投入，加之新型材料沙障布设工艺简单、可一人操作，所以新型材料沙障替代传统材料沙障是一个必然的趋势。

1.2 沙障布设技术

布设机械沙障时，沙障的规格、沙障格尺寸、沙障结构、沙障地下埋深和沙障地上高度等参数是必不可少的设计指标[21]。风沙流在经过不同规格机械沙障时，沙障近地表防风效能不同。有研究表明，同一材料的沙障格尺寸越小，越能降低近地表风速，而王睿等[3]对比分析了库布齐沙漠机械防沙措施的防护效益，得出小规格低立式沙障防风效益低于相同材料较大规格高立式沙障的结论。布设生物沙障时，固沙林的株行距、高度、盖度及树种的选择（冠形）等参数是必不可少的设计指标[6]。胡小龙等[22]关于不同行距的黄柳（Salix gordejevii）活沙障对风速影响的研究表明，行距5 m的黄柳林在障后第3排风速降低最显著，而行距8 m的黄柳林在障后第1排风速降低最显著。植物的冠形与其阻沙能力关系密切，活沙障植物种应尽量选择冠形呈球形的树种，有研究表明冠形呈球形的植物比锥形和梭形的植物能截留更多的沙物质，因为球体的表面积最大，与沙物质的接触面也最大。由于不同坡位和坡向上光、热、水、风条件不同[23]，因而沙障布设的位置（坡位和坡向）对其防护效果有很大影响。黄柳活沙障在沙丘不同坡位的地上生物量表现为背风坡＞迎风坡上部＞迎风坡下部[24]。沙障的防护效益与其布设规格和布设位置的微环境有很强的相关性，在选择沙障规格时要综合考虑防护效益和布设成本来调整沙障的各项技术参数，找到最佳的参数配置。

1.3 沙障防沙治沙技术模式

我国沙障防沙治沙技术模式绝大多数是采用复合沙障并辅以人工施肥措施。复合沙障技术模式是在结合机械和生物沙障阻沙原理的基础上，先布设机械沙障为植物营造良好的生长环境，再种植具有克隆繁殖特性的固沙灌木。根据辽西北地区多年治理流动沙丘的实践，我国总结出了围封+灌木+乔木模式，即先机械或生物围封，在迎风坡中部至底部栽植耐沙压的黄柳、锦鸡儿（Caragana sinica）和胡枝子（Lespedeza bicolor）等灌木固沙，平缓处直接种植胡枝子和锦鸡儿，待灌木定植并达到一定盖度后选用樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、油松（Pinus tabuliformis）和小叶杨（Populus simonii）等乔木进行造林。徐先英等[25]总结出了“前沿阻沙林带+固沙林带+植物活体沙障阻沙带+封沙育林育草带”的“四带一体”防沙治沙技术模式，该模式实施1 a后将示范区农作物受沙害面积从37.7%减少到14.2%，并且有很好的可持续性。在植被极少、风蚀沙埋严重的陡坡沙地可采用先铺设2 m×2 m的与等高线平行的网格沙障固沙，后在网格内种植沙柳、沙棘等灌木的技术模式[26]。综上，当前我国防沙治沙工程中应用的沙障防沙治沙技术模式多样，沙障的选用综合考虑了工程所在地的水、热、风及地形地貌等大环境，但忽略了技术模式的成本计算。科学的防沙治沙技术模式中沙障的配置既要植物种类生态互补又要合理经济，才能起到良好的防护效益和经济效益。

1.4 沙障防沙治沙技术模式效益评价

防沙治沙工程效益的评价是风沙防治研究的主要内容之一[27]。目前我国绝大多数文献用比较分析法来评价防沙治沙工程的效益，即通过布设沙障试验，从不同角度对比分析不同材料和不同规格沙障的防护效益。郭彩赟等[28]通过对几种不同规格和高度的HDPE网和PLA网沙障的研究发现，两者都能显著降低近地表风速，具有良好的防护效益；屈建军等[17]通过风洞模拟试验，以风速为指标对比得出HDPE功能型沙障间的有效防护距离远大于HDPE均一型沙障，HDPE均一型沙障适合高立式布设，HDPE功能型沙障适合半隐蔽式布设，两者均可替代传统沙障材料；卢立强等[29]对葵花秸秆和玉米秸秆不同布设技术下近地表风速进行的测定表明，横向式沙障的防护效益大于纵向式沙障；王逸敏等[30]关于HDPE沙障和麦草沙障对植被和土壤养分的影响研究表明，HDPE沙障内生物多样性高于麦草沙障，两种沙障内表层土壤的养分均高于裸沙地；闫德仁等[31]从土壤微生物角度出发，得出模块沙障可提高沙障正下方及周边70 cm范围以内的土壤微生物含量和土壤酶活性，产生“肥岛效应”；薛博等[32]以不同类型沙障内土壤种子库种类和数量为参考指标，得出透风型沙障内土壤种子库数量明显高于裸沙地的结论，建议在治理区外部种子资源丰富的情况下可采用透风型沙障。从以上研究可看出，沙障防护效益的评价多是选取几个指标进行单因素评价，但有些指标是正向作用，有些是负向作用[33]，因此评价时对影响指标的选取需综合考虑指标间相互促进相互制约的关系。针对这个问题，有部分学者开始尝试构建沙障防沙治沙工程防护效益的评价指标体系。张雷等[34]以层次分析法为基础，参照《森林生態系统服务功能评估规范》构建了沙障防沙治沙工程防护效益评价体系，该体系由1个总目标层、5个准则层和11个指标层组成，并利用该评价体系对毛乌素沙地3种沙障进行了综合评价，结果表明，沙柳（Salix psammophila）沙障的防护效益最佳，紫穗槐（Amorpha fruticosa）人工林次之，樟子松人工林的防护效益较差。虽然防沙治沙工程的共同目标是防风固沙，但因防护重点的不同，评价指标体系也会有所差别。肖利勇等[35]运用层次分析法构建沙漠公路边坡防沙治沙工程评价指标体系，结构为1个目标层、5个准则层、11个子准则层和28个指标层，最终对2个沙漠公路边坡防风固沙方案进行了综合评价，认为方案一柴草沙障+撒播灌草优于方案二六边形水泥框+种植灌木。初步看来基于层次分析法的评价指标体系可以科学地评价沙障防沙治沙工程的防护效益，但目前相关研究为数不多，今后该方向还有很大的研究空间。

2 展 望

沙障治沙技术自20世纪50年代由苏联引入我国以来，我国治沙科技工作者在治沙原理、治沙技术和工程治沙模式配套组合的研究与应用中做了大量的工作，经过近70 a的探索研究，我国的沙障治沙技术已居于世界领先地位。随着国家“一带一路”倡议的实施和党的十九大提出关于“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”的要求，进一步加快沙化土地治理是当务之急。因此，沙障研究领域仍有很多工作要做，未来主要集中在以下几方面：①沙障新材料的开发与研制。目前传统沙障材料短缺、使用时间短、施工程序烦琐，因此研发新的沙障材料迫在眉睫。由于我国绝大多数沙化区处于半干旱、干旱和极干旱气候带，这些地区立地条件差、植被恢复所需时间长，因此需要沙障的防护作用能够维持10 a以上甚至20 a，以便为与之配套的生物措施提供长时间的防护作用。目前虽然已有PLA、HDPE等新材料被广泛应用，但仍期待在技术成熟度、技术体系和技术措施上有更大的突破，以进一步丰富我国沙障新材料。②沙障铺设机械的智能化发展。我国沙化土地面积大、地点偏远、环境严酷，沙障铺设机的出现可降低劳动力投入和治沙成本，使得高效高质量的大面积治沙成为可能。我国已研制成功并投入使用的固沙机是将草沙障固沙技术和现代装备技术相结合[36]，利用固沙装备将作物秸秆在沙表面铺设成不同规格和不同形状的草沙障。下一步，固沙机的研究应突破地域局限性、地形局限性和原材料局限性，向智能化发展。③沙障固沙的长期定位观测研究。虽然我国的沙障研究时间较长，但仍然缺少对沙障防护效益的长期定位观测研究，今后应开展较长时间序列的沙障治沙防护效益研究，尤其是对新材料沙障的降解过程进行追踪。

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收稿日期： 2022-12-31

基金项目： 2020年省级财政林业项目“玛曲高寒沙化草地生态治理技术研究与示范”；甘肃省科技计划重大项目（21ZD4FA020）；甘肃省重点研发计划项目（18YF1FA016）

第一作者： 邴丹珲（1985—），女，甘肃兰州人，高级工程师，硕士，常年从事湿地及沙化土地防治及恢复方面的研究。

通信作者： 谈嫣蓉（1978—），女，甘肃兰州人，研究员，博士，多年从事湿地生态系统修复等方面的研究。

E-mail： 993979183@qq.com

（责任编辑 徐素霞）