膨润土在沙漠化防治和生态恢复中的应用前景

马迪乃·阿布力米提，张勇娟，李从娟，刘国军，陆学良，陆 明

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所 国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011; 2.中国科学院新疆生态与地理研究所 莫索湾沙漠研究站，新疆 石河子 832000； 3.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049；4.乌鲁木齐市园林绿化工程质量监督站，新疆 乌鲁木齐 830000； 5.奇台县国平膨润土矿，新疆 奇台 831800;6.内蒙古量蕴农业发展有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010399)

干旱和沙漠化已经成为一个世界性的生态和环境问题，不仅严重影响着沙漠化地区农林业生产和经济发展，还影响着周围区域的环境质量和人们的生活水平[1-2]。我国是受沙漠化危害最为严重的国家之一，截至2014年，全国沙化地总面积占国土面积的17.93%，土地沙漠化状况较2009年有明显好转。但是，我国重度及以上沙化地面积超过了沙化地总面积的70%，防沙治沙形势依然严峻[3]。因此，加大沙漠化防治和沙化地生态恢复刻不容缓。

多年来研究者们在防沙治沙实践中摸索出了许多有效的防沙治沙方法。工程固沙、生物固沙、化学固沙是经典的三大固沙技术。其中，工程固沙由于防护高度和防护年限有限、工程量和投入量大，因此只能作为一种临时性、辅助性的固沙手段，应用于公路铁路等工程体系防沙[4-5]。生物固沙目前已被广泛应用，特别是在我国西北部沙区，但是沙漠地区气候干旱、水资源短缺，如果没有水资源的供应，植被很难成活，易造成资源的浪费，单一的生物固沙方法难以实现防沙治沙的目的[6-7]。化学固沙通过喷洒化学材料，在沙地面形成能够防止风力吹扬且具有保水和改良沙地性质的固结层，达到控制和改善沙害环境、提高沙地生产力的目的[8]。化学固沙技术虽然比工程固沙和生物固沙高效、迅速，但目前大部分化学固沙材料不能兼具效果佳、经济效应好、实用性强、环保等特性，不适于大面积推广[9-10]。由此，开发出一种既能为固沙植物提供良好生长环境，又能永久性地改善生态环境，形成一个良好的自然生态圈的环保固沙材料，使其兼备生态、经济、环保、易推广、可持续等特性，才能具有良好的发展前景。膨润土作为一种储量丰富的天然矿物，具备应用于沙漠化防治和生态恢复的潜质[11-12]。

膨润土又名白泥，素有“万能黏土”的称号，是国内外开发较早、应用较为广泛的矿物性黏土，属于硅酸盐类非金属矿物[11]。由于膨润土的主要成分是蒙脱石，因此它的很多特性是由蒙脱石决定的。[Ex+(Al2-xMgx)(Al,Si)4O10(OH)2·nH2O] 为蒙脱石的一般晶体化学式，其中E为层间可交换阳离子，通常是Ca2+、Na+等，也可以是K+、Li+等阳离子或有机分子[13-14]。根据蒙脱石层间可交换阳离子的种类、含量和层间电荷大小等，膨润土可分为钠基膨润土、钙基膨润土等多种[15]。另外，膨润土因其特殊的结构特征，以及蒙脱石的种类和含量的不同而具有亲水性[16]、膨胀性[17]、吸附性[18]、离子交换性[19]、分散性[20]、悬浮性[21]、粘结性[22]、触变性[21]、可塑性[23]、稳定性[24]、无毒性[25]等优良的特性，已被广泛应用于冶金工业、石油工业、环境治理、农业、土木工程等多个领域[26-27]，尤其是在沙漠化防治和生态恢复中将有很好的应用前景。众多的研究表明，膨润土不仅具有良好的保水、保肥特性，而且可以显著地改善植物的生长状况及产量[11,28]，有利于沙漠化地区的生态恢复[29]；然而，这些研究多集中于膨润土作为土壤改良剂[12]、高吸水性树脂的添加剂及生态恢复等方面[30]，对于膨润土的沙面及坡面固化作用几乎没有涉及；更为重要的是，这些研究多集中于小范围的试验研究，没有得到广泛的推广应用，导致膨润土在沙漠化防治和生态恢复中的潜力没有充分发挥。事实上，膨润土特殊的结构特征使其还可以作为防风固沙材料、重大工程边坡防护材料、复合保墒保肥材料、复合种子包衣材料及生态包等，在沙漠化防治和生态恢复领域发挥作用。基于以上背景，为了进一步研发膨润土固沙材料，使膨润土在沙漠化治理中发挥更大的作用，本文中综述了目前膨润土在沙漠化防治中的应用，提出膨润土复合产品在沙漠化防治和生态恢复中的新发展思路，为膨润土在沙漠化防治和生态恢复中的应用提供参考。

1 膨润土的特性

1.1 膨胀性和亲水性

蒙脱石晶层与晶层之间以范德华力结合，层间相互作用力很弱[13]。水分子和阳离子在单位晶层之间的吸附通常会引起晶层键断裂、层间距增大，从而引起膨润土晶格定向膨胀，同时晶胞带有许多金属阳离子和羟基亲水基，因此膨润土表现出强烈的亲水性[16]和膨胀性[17]。

1.2 吸附性

由于蒙脱石两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体(简称为2∶1型)的层状结构，因此膨润土具有很大的内外表面积和孔融，伴随产生巨大的表面能，从而对气体、水分子以及溶液中的某些色素、有机化合物、某些阳离子和极性分子具有很强的吸附性[18]。

1.3 离子交换性

蒙脱石晶体结构中高价的硅离子和铝离子能与其他低价的阳离子发生不等价的阳离子置换，产生永久性负电荷，这些负电荷有吸附某些阳离子的能力，以静电引力的形式将K+、Na+、Ca2+、Mg2+等水合阳离子吸附于层间结构中，并保持交换状态[31]，因此可以利用离子交换法，引入有机或者无机离子进入层间结构，使蒙脱石形成复杂的蒙脱石矿物有机或无机复合体，使之具有吸附某些阳离子和有机分子的能力[19]。

1.4 粘结性和触变性

由于膨润土颗粒细小且不规则，具有亲水性，表面的羟基与水能够形成氢键，并且表面具有多种电荷，因此膨润土具有粘结性。此外，膨润土还有触变性[21]，在静止时，蒙脱石晶体内部的羟基会形成氢键，从而可以增加溶液的黏稠性，促进其生成凝胶；在搅拌的情况下，氢键被破坏，黏性降低，溶液恢复原来的流动性；停止搅拌时，溶液再次停止流动，晶体内部自动形成有序的立体网状凝胶，不会产生悬浊液分层或者沉淀。

1.5 可塑性、稳定性和无毒性

除上述特性以外，膨润土还具有可塑性[23]、无毒性[25]和稳定性[24]。能承受300 ℃的高温，表现出优良的热稳定性。微溶于酸碱，基本不溶于水和有机溶剂，常温下不能被还原或氧化，表现出较好的化学稳定性。

2 膨润土在沙漠化治理当中的应用

2.1 膨润土资源分布

中国膨润土资源丰富,储量居世界首位，种类繁多，分布广泛，遍布26个省(自治区)，已发现的膨润土矿点有400多处，其主要分布在广西、新疆、内蒙古、河北、吉林、浙江、河南、甘肃等地区[32]。面对广阔的沙化治理面积，试图用农用化肥和价格高昂的吸水性材料治理沙化土壤不切实际，而利用储量丰富、价格低廉、分布广泛的膨润土资源是一个较好的选择。对比我国沙化地区分布和膨润土资源分布状况，存在沙化环境问题的多个地区或其邻近地区有膨润土资源，因此在沙漠化防治中研究、开发、使用膨润土及其制品，可以实现沙漠化防治材料的因地制宜、自然资源的合理利用以及节省沙化治理材料的购置和运输成本。

2.2 膨润土在高吸水性树脂中的应用

高吸水性树脂材料是带有许多亲水性基团、适度交联或部分结晶的一种三维交联网状结构的功能高分子材料[33]。它能吸收质量为自身质量几百至几千倍的水，具有高吸水、高供水、高效等性质，与土壤结合可改善土壤的保水保温性能、土壤团粒结构，从而提高作物的产量，又可节约灌溉用水[34-35]；然而，传统的高吸水性树脂材料有价格昂贵[36]、耐盐性差、凝胶强度低、热稳定性差等不足[37]，需要在其中加入一些特殊的材料增强改性后，才能在沙漠化治理中发挥作用。膨润土加入到高吸水性树脂中，一方面能提高和改善高吸水性树脂的凝胶强度、保水能力、耐盐性、热稳定性等。另一方面，还能降低高吸水性材料成本。

表1列举了加入膨润土增强改性后的聚丙烯酸类、纤维素类、壳聚糖类、植物胶类、淀粉类、生物质类高吸水性树脂材料，它们均可以应用于沙漠化治理与生态恢复。遗憾的是，膨润土与高吸水性树脂复合，很难使膨润土含量达到较高水平，一般质量分数不超过15%[37]。这意味着，即便是改性增强后，此类高吸水性复合材料的价格也较高，在沙漠化治理与生态恢复中不可能大量使用。

表1 含膨润土的无机、有机固沙材料Tab..1 Inorganic and organic sand-fixing materials containing bentonite

2.3 膨润土在沙化土改良中的应用

由于膨润土具有多种良好的特性，因此膨润土还是一种较好的沙化土改良剂。相较于传统的土壤改良剂农用肥料和高吸水性树脂材料，膨润土价格低廉[15]、资源丰富[32]、耐候性好[24]，最重要的是对环境没有危害，但是，膨润土涵盖的养分有限，不如农用化肥的丰富，保水和持水能力弱于高吸水性树脂材料的[33]。膨润土对沙化土壤改良作用可以大致分为4点。

2.3.1 沙土水分状况的改善

水分是限制作物生长和土地生产力的关键因素。膨润土作为黏土的一种，能吸收质量数倍于自身质量的水分，且其独特的2∶1型结构能够较好地储存水分，减少土壤水分的无效蒸发[28]。马斌等[46]在燕麦播种前一次性施入不同量的膨润土的研究结果表明，施用膨润土可以增加降雨渗入，提高土壤持水力，最终实现燕麦的增产。王瑛等[12]研究膨润土复合材料对提高沙土保水保肥效应的影响，研究结果表明，用膨润土处理沙土可以明显降低沙土水分的累积渗漏量。

2.3.2 土壤物理性质的改善

土壤容重影响作物根系对养分和水分的吸收及作物生长。膨润土作为土壤改良剂，施用后可以调节土壤固、液、气三相比例，从而对土壤理化性质起改善效果[45]。Heijnen等[47]在培养实验中发现施用膨润土可以显著降低土壤容重。邵玉翠等[48]研究发现，膨润土能降低土壤容重，增加孔隙度，有效改善土壤物理和化学环境。此外，膨润土可以将土壤中的微团粒体聚集成大团粒，改善土壤结构，间接地提高沙化土壤的蓄水保水能力，改善沙化土壤水分条件，缓解干旱对作物的伤害程度。周磊[49]研究改性膨润土对沙地土壤改良效应的影响，结果发现，施用膨润土能够增加粒径大于0.25 mm的土壤团聚体含量。郝国成等[50]研发了一种膨润土沙地改良剂，通过机器操作将改良剂与沙土在耕层内均匀混合，通过浇水使改良剂吸水发挥其胶黏性，使其更好地与沙质土壤结合成土壤团粒，从而达到节水、保肥、防风固沙的目的。

2.3.3 土壤肥力状况的改善

土壤肥力是植物生长和土地生产力的基础。李吉进等[51]研究膨润土施用量及有机物对沙土的影响，结果表明，膨润土可显著提高沙土的有机质含量。崔立莉等[52]的研究结果表明，膨润土可以提高腐殖化系数，降低有机质的分解速度，提高土壤酶活力，改善土壤肥力状况。此外，膨润土自身携带的S、Al、Fe、Mg、Ca等多种植物所需的常量或微量的营养元素也可以促进作物生长，改善植物的光合特性[45]。

2.3.4 土壤保水保肥能力的提高

2.4 膨润土在防沙治沙方面的应用

除了作为土壤改良剂，膨润土还可以与其他材料复合形成无机复合固沙材料，起到流沙固结和保水增肥的作用，将膨润土复合产品和生物固沙相结合，可以大幅改善沙漠化治理和生态恢复的效果。

2.4.1 黏土土基固沙材料

土基固沙材料[56]是以天然黏土及其他各类土为主要组分，与吸水性高分子材料、生物高分子材料等复配使用的一种复合材料，其中黏土和沙占复合材料的质量分数为98%以上。土基固沙材料通过增加黏土比例，改善沙地的团聚体性能；通过集水和防止水分无效蒸发的方式，改善沙地持水和保水性能；通过使用黏土沙障，降低风速并减少风蚀；通过利用黏土与沙形成结皮，降低沙地温度骤变，为植物提供保护[57]，实现防沙固沙和生态恢复。

杨恒贵等[58]在综合治理吉兰泰盐湖沙害时，修筑网状黏土沙障，该沙障配合生物固沙措施改善了防风沙的效果。王爱娣[59]利用储量丰富、分布广泛的天然矿物黏土为主要成分，与高分子材料和秸秆进行复配，制备了天然黏土基固沙材料，该材料能使沙粒牢固地粘结在一起，抗压强度值大于1 MPa，耐水性和耐老化性强，固沙效果持久。在沙丘上铺设黏土结皮、黏土障进行防沙固沙试验，结果表明，该沙障能很好地对流沙进行固定和分流；能够保护沙生植物，使其根系免受风沙的侵蚀，同时为其生长提供营养，对沙漠地区植被的恢复起到促进作用。雷自强等[60]将研发的黏土基复合固沙材料喷洒在沙面上，能够形成结皮，该结皮具有较好的抗压性、渗水性和固沙效果。膨润土作为常见黏土的一种，除了具备土基材料中黏土所需具有的结合性、持水性及其矿物营养等特性外[61]，还具有膨胀性、亲水性、吸附性、离子交换性、分散性和悬浮性、触变性、可塑性、稳定性、无毒等优良的特性，是一种理想的土基固沙材料的原料。

2.4.2 膨润土固沙材料

除了与高吸水性树脂和黏土复合形成固沙材料以外，膨润土还可以与其他物质复合，形成固沙材料。以沥青或渣油、膨润土、水玻璃、水溶性聚合物、乳化剂等为原料，可以调和配制一种多功能液膜固沙剂[62]，能够应用于土地沙漠化治理、防风固沙，沙漠公路、沙漠铁路进行防沙治沙及护坡。该固沙剂有显著的集水保墒作用，从而能促进植物生长、稳定植被。此外，该固沙剂与工程固沙、植物固沙相结合，不但可以改善综合固沙效果，还可以解决干旱地区(年降水量为100～200 mm)沙丘无灌溉固沙绿化的问题。王伟华等[63]采用高吸水剂、生物有机质、膨润土、营养元素混合物及有机肥等，研发出一种可降解型沙漠固沙剂，可以解决现有沙漠固沙剂的耐风蚀能力差、不容易降解等问题，可用于沙漠绿化生态恢复中。

2.4.3 沙化土地生态恢复材料

沙化土地进行植被恢复，不仅需要植物生存所需的营养物质，而且特别需要一定的水分。以膨润土为原料，添加腐殖酸、有机肥等植物所需的营养物质所形成的复合材料，可以同时满足植物生存对水分和养分的需求。

翟永功[64]发明了一种用于沙漠植树种草的营养型沙漠、土壤添加剂。该添加剂以膨润土为材料，添加到沙漠和土壤中能够起到吸水、贮水、固沙、缓慢释放所吸附的水分及其所携带的植物营养成分的作用。李畅[65]发明了一种由秸秆粉末、黏土、膨润土、种子、腐殖酸钠、黏合剂以及聚丙烯纤维网合成的速生草毡，可以应用于沙区公路、铁路、水利等工程的边坡防护，不仅起到防风固沙的作用，还可以防止尘土飞扬、防止水土流失，促进生态恢复。刘永萍等[29]利用膨润土研发了一种干旱区无灌溉造林植被重建修复剂，使植苗的成活率达80%以上，保存率达到75%以上，并提高苗木生长量，对干旱区年降水量在50 mm以上区域的无灌溉造林具有促进作用。苏雪萍[66]研究利用膨润土、生物素、碳酸钠和植物纤维为成分的沙质改良剂，结果发现，该材料可以改善土壤理化性质、土壤生物学性状，提高沙质土壤的质量，以及改善土壤生态环境的稳定性，且效果随着施用年限的增加而改善。米俊珍[67]利用膨润土连续进行了5 a的大田试验和室内试验，研究结果表明，膨润土可以显著地提高土壤的含水量、储水量、团聚体含量，降低土壤容重，提高有机质含量，增加土壤酶活性、土壤细菌群落丰度和多样性，并明确了膨润土的蓄水保墒增产的生态机制，为膨润土在干旱地区的应用提供了重要的理论依据和技术支撑。

3 存在问题

膨润土虽然在各行各业已得到广泛应用，但关于其在沙漠化治理中的应用较少，主要作为土壤改良剂和有机、无机固沙材料。目前，绝大部分关于膨润土材料的报道结果是通过短期模拟培育和实验获得的，且以制备和测定膨润土材料的吸水性、保水性等性能为主要内容，长期定点观测研究很少，也很少有报道涉及膨润土材料持久性和二次污染等问题。未来需要将实验室制备的膨润土材料进行长期野外固沙试验，研究其抗风蚀性、固沙性能、持久性性、二次污染等，为今后膨润土的发展提供更好的参考。

膨润土属于无机黏土，与有机高分子相容性差，添加到有机高分子中容易团聚，并与有机高分子之间形成微界面；如果不事先将膨润土有机化，会引起高分子性能恶化[67]，这无意间又增加了制备高分子吸水材料的经济支出和环境风险；因此，在进行膨润土有机化前，需要先衡量该有机化膨润土的加入为高分子吸水材料带来的经济效应和有机化试剂的环境友好性。

在已研发的高吸水性树脂材料中，膨润土只能作为添加剂，用来改善复合材料的性能，而不能够作为主要成分起主要作用。膨润土在改善高吸水性材料性能的同时，只能在一定含量范围内提高复合材料吸水率和吸水速度，添加量超过一定范围后，膨润土中官能团与有机单体聚合引起的交联作用过大，造成吸水能力的下降。这正是高吸水性树脂中膨润土含量较少的原因，也是目前进一步提高膨润土含量、降低高分子有机物含量、降低材料成本的限制因素，是未来膨润土有机、无机固沙材料研究需要解决的关键瓶颈问题。

除上述问题以外，虽然膨润土是环境友好型的无机矿物，但是添加膨润土后，合成的有些高分子有机固沙材料具有潜在的环境风险。如聚丙烯酰胺是常见的合成高分子固沙剂的材料，但在使用过程中可能会降解产生剧毒物丙烯酰胺。未来还需要寻找环境友好的材料替代这类具有潜在环境风险的材料，降低化学固沙材料对本就脆弱的荒漠化土壤的二次伤害。虽然膨润土改良土壤、保水保肥、防水防渗等性质早已被研究者们证实过，但土壤类型、气候条件和膨润土本身差异等的不同，膨润土及其产品在特定地区的效果还需要通过长时间的定点观测来确定。

4 研究展望

迄今为止，膨润土尚未在沙漠化治理中得到广泛应用。诸多研究表明，无论在资源储量与分布，还是性能作用方面，膨润土在沙漠化治理中具有巨大的应用潜力。如果予以合理的研发应用，膨润土有望成为价格低廉、功能高效、可大规模推广的新型防沙治沙材料，在沙漠化治理中发挥不可估量的作用。

为了发挥膨润土在沙漠化防治及生态恢复中的巨大作用，实现膨润土在沙漠化治理中的应用价值，在沙漠化治理和生态恢复中，一方面应充分利用膨润土的膨胀性、亲水性、吸附性等特性，不断探索在高吸水性材料中提高膨润土含量的方法。同时结合农家肥、秸秆、腐殖质、生物胶、淀粉、纤维素、石灰、生物藻等资源改善复合材料保水保肥的效果，配合植物固沙，有效提高沙漠区植被的存活率，促进植被根系在沙漠土中的穿插、缠绕、网络、固结，增强沙土抵抗风化吹蚀能力。另一方面，应利用膨润土等黏土和其他生物质资源，制备抗风蚀能力强和能够形成结皮的固沙材料，使用机械铺设或者修筑沙障等工程固沙方式，在流沙表面形成一层具有防风力侵蚀、保水和改良沙地理化性质的固结层，最终形成化学固沙、生物固沙和工程固沙有机结合的沙漠化治理与生态恢复的体系，达到防风固沙和生态恢复的目的。

秉持环保、低成本、因地制宜、变废为宝的原则，充分利用当地的工业、农业及畜牧业副产品作为添加材料，研发出适用于沙漠化防治、生态恢复、沙产业健康发展的复合保墒保肥材料、复合种子包衣、生态包、防沙固沙材料等多种复合产品，改善沙漠化地区植物生长的土壤环境条件，提高种子发芽率和苗木成活率，从而达到沙漠化防治和生态恢复的目的。技术思路模式如图1所示。

图1 膨润土复合产品在沙漠化防治、生态恢复、沙产业健康发展中的技术思路模式Fig.1 Technical idea model of bentonite composite products in desertification control,ecological restoration,and healthy development of sand industry

首先，在沙漠退化林地的恢复中，充分利用复合产品的保墒、保肥特性，通过将复合保墒保水材料旋耕与耕作层混匀用于荒漠苗木的培养或者运用树苗蘸根种植等方式，在无灌溉造林区，提高冬季融雪的水分利用率，提高树木苗木的存活率，促进树木根系的生长，在节水灌溉造林区达到节约水资源的目的。其次，在沙化草地、牧地的恢复中，利用吸水保肥材料制作复合种子包衣、生态包等，通过改善牧地的水分、养分条件以及理化性质，提高种子的发芽率、牧草的生产率，达到草地恢复、牧草稳产节水的效果。第三，在流沙地的固化和工程防沙中，利用高吸水性材料和土基固沙材料原理，一方面通过改善沙地团聚体性能、增加下垫面粗糙度、减少流沙的移动，起到沙面固化的作用，将其充分应用于公路、铁路、渠道等工程的边坡防沙及流沙地的固化；另一方面，结合膨润土的持水保水性能，通过添加农家肥、秸秆、凋落物等有机物质，促进土壤结皮的形成，同时结合植物的种植实现沙化土地的生态恢复。

总之，根据各复合材料的实际功效、经济投入、环保特性及其可持续性等，筛选并优化材料，推出价格低廉、功能高效、可以大规模生产及推广应用的膨润土复合产品，将其分别应用到沙漠-绿洲过渡带、人工林沙产业、林草退化区、戈壁、公路铁路渠道工程等领域，综合改善沙区的生态环境，确保膨润土复合产品健康应用于沙漠化防治、生态恢复及沙产业健康发展，进而为实现碳中和、美丽中国建设以及联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的荒漠土地退化零增长的目标服务。