化学固沙材料对风蚀和土壤环境恢复的研究进展

黄海广　张胜男　闫德仁　袁立敏　杨制国　高海燕

摘要 在我国西北干旱、半干旱地区，风蚀是造成土地沙化的重要因素之一。而化学固沙由于能够迅速固定流沙表面、减少风蚀而受到人们的广泛关注。虽然化学固沙在治理沙化土地方面效果显著，但同时也存在一定的局限性。文章综述了化学固沙材料对土壤抗风蚀性、水分、植被及土壤性质方面的影响，分析了未来发展趋势，以期为我国流沙的生态治理与工程建设提供参考。

关键词化学固沙;固沙剂;风蚀控制;土壤环境

中图分类号：S288文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.023

土地风蚀这一自然过程主要发生在植物稀少、刮风天气频繁的干旱、半干旱地区[1]，而我国受风蚀影响的国土面积占国土总面积的50%以上[2]。风蚀不仅降低土壤有机质含量、土壤水分吸收能力和离子交换能力[3]，而且进一步影响区域植物生产力及土壤的生物化学循环过程[4]，严重制约区域生态安全和社会经济的可持续发展[5]。目前，常规的固沙措施主要包括工程固沙、植物治沙和化学固沙等三大类：工程固沙又称机械固沙，是指根据风沙移动规律，采用设置沙障工程技术阻挡沙丘移动，从而达到固沙的目的[6];植物治沙主要是通过封育、飞播、栽种植物等技术措施，建立人工植被或恢复天然植被，从而形成大面积防风固沙植被，促进沙漠生态环境的恢复和改善[7];化学固沙通常是指使用化学材料喷洒于沙层表面，形成固结层，防止风力直接吹蚀流动沙地表面，从而达到固沙的目的。随着科学技术的快速发展，化学固沙材料也随之得到发展。所以，本文对现阶段使用的固沙材料进行固沙实践后，其对风沙土风蚀和土壤环境的恢复状况进行介绍，从而加强人们对化学固沙的科学认识，并促进环保型固沙材料的推广应用。

1化学固沙材料简介

化学固沙材料种类繁多，通常分为无机类、有机类、有机-无机复合类和生物类[5， 8]。无机类化学固沙材料主要包括水玻璃类、水泥类和石膏类;有机类化学固沙材料包括石油类、改性木质素类、合成高分子类和改性废塑料类;有机-无机复合类固沙材料是鉴于无机固沙材料的力学性能差、保水性差等缺点，适当添加有机成分后形成的一类新型固沙材料[8]。如杨中喜等[9]在丙烯酸乳液、明胶、水玻璃、六偏磷酸钠、羧甲基纤维素钠、苯磺酸钠中添加硫酸镁、硫酸亚铁和硫酸铝合成的新型固沙剂，增加了固结层的强度;纪蓓等[10]在聚丙烯酸盐中添加粉煤灰、膨润土和水玻璃等，增强了固结层抗压强度和吸水率，降低了失水率和经济成本。

生物类固沙材料由于其绿色环保、利于土壤环境修复也逐渐走进人们的视野。生物类固沙材料主要包括生态垫、沙蒿胶[11]、胡麻饼粕籽胶[12]、生物土壤结皮类[13]等。生态垫是目前应用较广的一种材料，主要由棕榈树残渣制成的疏松多孔、较易分解的网状草垫物[14]。在流动沙丘覆盖生态垫不仅能抑制土壤水分蒸发，促进梭梭和花棒的生长[15]，还能显著提高土壤氮、钾及活性有机碳含量[16]。沙蒿胶和胡麻饼粕籽胶是由植物提取的天然胶类，能够黏结土壤颗粒形成稳定的固结层，从而达到固沙的目的。杨利云[17]以微鞘藻为试验材料，分析了藻结皮对土壤、种子萌发及风蚀的影响，结果表明，接种微鞘藻的处理较未接种流沙明显降低了土壤容重和pH，显著提高了土壤最大持水量、土壤总孔隙度、有机质、全氮、全磷及速效氮磷钾含量;接种处理还明显促进了沙米、籽蒿和红砂种子的萌发，有效提高了土壤颗粒的起动风速，并降低土壤的风蚀强度。说明生物土壤结皮在维持荒漠生态系统结构和功能稳定性，以及物质和能量循环方面具有十分重要的意义[18， 19]。

2化学固沙材料的抗风蚀性能

2.1对侵蚀风速的影响

在风蚀研究过程中，起沙风速对土壤风蚀程度产生直接影响。韩致文等[20]对4种固沙剂（LVA、LVP、WBS和STB）进行了抗风蚀的测试，结果表明，风速≤5 m·s-1时，固结层未发生风蚀;风速≤15 m·s时，固结层发生少量风蚀;当风速≥15 m·s时，固结层风蚀量增大。这一结论与胡英娣[21]的研究结论基本一致。姚正毅等[22]选用改性聚醋酸乙烯、改性纤维素和DST等化学固沙材料，研究了固结层的力学强度和临界侵蚀风速之间的关系，结果表明，固结层临界侵蚀风速与固沙剂用量呈线性关系。刘军等[23]采用沙蒿胶作为固沙剂进行了应用研究，结果表明，质量分数大于0.1%的沙蒿胶，其起沙风速均在20 m·s以上。木质素磺酸盐也是目前应用较广的一类固沙材料，具有原料来源丰富、绿色环保、生产成本低等优点。王丹等[24]制备2种改性木质素磺酸盐固沙剂PALS和PMLS，并对其进行初始侵蚀风速的测定，结果表明，2种固沙剂施加量为15 g·m时，固结层的初始侵蚀风速都大于强沙尘暴风速70 km·h。尹应武等[25]研究了葵花秆生物基磺酸盐对起沙风速的影响，结果表明，当生物基磺酸盐的添加量分别为40、60和80 g·m时，其起沙风速分别为12、20和30 m·s，说明生物基磺酸盐具有较好的抗风蚀性能，可作为沙漠生态修复的绿色产品开发和利用。

2.2对风蚀率的影响

风蚀率受固沙材料、风沙流速度、吹蚀坡度和固沙剂用量等多种因素的影响。徐先英等[26]研究认为，固沙剂用量是影响风蚀临界风速的决定性因素，并且固沙剂用量和发生风蚀的临界风速呈现正相关性。王体朋等[27]分析了聚氨酯固沙剂用量对风蚀量的影响，结果表明：聚氨酯喷施量为46.30 g·m，且起沙风速为10 m·s时，风蚀量为7.41 g·mmin;喷施量为101.85 g·m，起沙风速为16 m·s时，风蚀量增至70.37 g·m·min;而当喷施量为120.37 g·m，起沙风速>20.0 m·s时，未发生风蚀过程，进一步证明固沙剂用量对风蚀过程起决定性作用。冯筱等[28]将3种醋酸乙烯酯类固沙剂WGS-3、WGS-4和CS-204按浓度1.5%喷洒沙面，经历15 m·s风速吹蚀5 min后，均无风蚀发生，再經历20 m·s风速吹蚀5 min后，仅有及轻微风蚀发生，并表现出较好的抗风蚀性;而对照组沙盘在15 m·s风速下吹蚀5 min后，风蚀量高达10 837 g·m。此外，王艺霏[29]以羟丙基甲基纤维素为原料合成固沙剂并应用于风洞实验，结果表明，1%浓度的固沙剂喷洒于沙面，当风速分别为12、14、16、18和20 m·s时，风蚀率分别为1.57%、1.69%、1.81%、1.85%和14.8%，说明此种合成的固沙剂抵御大风的能力能够满足实际应用条件。

3化学固沙材料对土壤水分的影响

3.1对土壤保水效果的影响

沙漠土壤水分状况是沙生植物生长最重要的制约因子。有研究表明，喷洒固沙剂形成的固结层，在失水逐渐变干后，其保水能力会大大增强[26]。尹应武等[25]将2种不同比例的生物基磺酸盐与沙子均匀混合后，放置室外及室内，采用称质量法测得生物基磺酸盐保水能力，结果表明，当生物基磺酸盐添加量为1%时，在室外放置7 d后其保水率仍然在20%以上，而对照沙盘在3 d时保水率已经下降至20%;当添加量为4%时，室外放置8 d后，生物基磺酸钙盐的保水率为35%～40%，生物基磺酸氨保水率仍可达到50%左右。此外，尹应武等[25]还对比分析了聚丙烯酰胺与生物基磺酸盐的保水能力差异，结果表明，聚丙烯酰胺的保水率是生物基磺酸钙的2倍，是生物基磺酸氨的4倍。刘辉等[30]采用木质素磺酸钠、尿素、甲醛和三聚氰胺等材料合成了新型环保固沙剂，并以不同浓度（0%、1%、2%、3%、4%、5%）配比测试其保水能力，结果表明，随固沙剂含量的增加，保水率呈现逐渐上升趋势，此种固沙剂的亲水性能够高效黏结沙粒，形成稳定的固结层，从而有效防止水分蒸发。

3.2对土壤水入渗的影响

沙漠土壤水分的补给与散失主要取决于降水量和蒸发量的变化，而土壤水分蒸发和降雨入渗过程是沙漠土壤水分循环的最基本的两个过程[31]。渗水性较好的固沙剂可以保证大部分降雨渗入土壤表层以下，从而保证沙生植被的存活。苏鹏等[32]研究发现，当丙烯酸和甲基丙烯酸十三氟共聚物按质量配比8∶2和9∶1时，水分入渗时间大大缩短，且不会导致固沙剂随入渗流失，有利于固沙的长久性。杨中喜等[9]以丙烯酸乳液、明胶、水玻璃、六偏磷酸钠、羧甲基纤维素、苯磺酸钠为主要原料，按照一定比例合成6种固沙剂，对比分析6种固沙剂在石墨尾矿砂和河沙中形成固结层后的渗水率，结果表明，6种固沙剂喷洒后形成的固结层渗透性都较为理想，且河沙固结层较石墨尾矿砂的渗透率更高，说明强度大的固结层中沙粒的黏结性更好，沙粒间的孔隙度较小，渗透性较差。此外，对固沙材料渗水率也有不同观点，例如，尹应武等[25]研究认为，生物基磺酸盐浓度越高，固沙剂固结层的渗水速率越慢，可使雨水截流在土壤浅层，利于浅根系植物生长。

4化学固沙材料对植物生长发育的影响

4.1对植物生长的影响

恢复植被是固定流沙和防治土地沙化的基本措施之一，一定密度的植被覆盖沙面后，可大幅削弱风速，减少风蚀危害[14]。温学飞[33]研究表明，喷施不同浓度的旱宝贝液体固沙剂后，明显提高了植被高度、盖度和生物量，但影响出苗率而降低了植物密度。例如，喷施600 kg·hm固沙剂处理区，明显提高了植被高度、盖度和生物量，其次为450和750 kg·hm，而植物密度则以对照为最高，依次是600、450和750 kg·hm，说明高浓度的固沙剂喷施后，受到固结层硬度的影响，导致植物出苗状况不良。王鹏[34]分析了钻井液固沙剂对小麦、荞麦和绿豆生长的影响，结果表明，喷施钻井液后，小麦长势最佳，其次是绿豆，荞麦长势最差，甚至部分种子未能成功发芽;他还测量了植物根茎长，进一步说明钻井液固沙剂的喷施更适合小麦生长，不适合荞麦生长。钟帅等[35]在库布齐沙漠施用改性醋酸乙烯酯高分子聚合物GS-3生态固沙剂，结果表明，2.0%～40%浓度的固沙剂显著提高了植被覆盖度、生物量及沙米、沙蒿、杨柴和花棒的发芽率。渠永平等[36]分析了十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）改性黏土固沙剂对草籽发芽率的影响，结果表明，改性样品处理的草籽发芽率较未改性的样品组明显提高，改性后黏土固沙剂处理的草籽发芽率最高可达47%，未改性组仅为7%;随着CTAC使用浓度逐渐增高，草籽发芽率呈现先升高后降低的趋势，说明CTAC的加入能够将松散的黏土结合起来，降低黏土间的空隙，从而提高黏土层的保水能力，促進草籽发芽，但过量的CTAC会导致黏土空隙过度降低，黏土层透气性下降，降低草籽发芽率。

4.2对植物多样性的影响

植物多样性是评价土壤健康的重要生物指标，近年来，研究者逐渐将研究焦点转向固沙材料对植物多样性的影响方面。温学飞[33]在退化沙地按450、600和750 kg·hm用量喷洒旱宝贝固沙剂，结果表明，与对照相比，喷洒不同用量的固沙剂均降低了猪毛菜和雾冰藜的优势度，提高了油蒿、虫实、沙米、柠条和杨柴的优势度;物种丰富度、物种多样性和均匀度指数均随固沙剂施用量增加而降低，均匀度指数变化幅度相对平缓。张锦春等[37]在人工植被破坏区域喷施西北师范大学高分子研究所研制的固沙种草剂，经过1个生长季后，虽然植被的平均高度有所降低，但植被平均盖度和单位生长高度有明显的增加趋势，植被生长状况较好，说明此种固沙种草剂不仅能促进植物正常生长，提高植被盖度，还间接发挥防风固沙作用。袁进科等[38]采用改性纤维素固沙材料和沙土按照固液质量比配制成1∶2和1∶3的试验沙盘，分析不同固沙剂配比对植物出苗率的影响，结果表明，喷施固沙剂后灯笼草和唐松草均有出苗，金线草、茜草和夏枯草均未出苗，且1∶2处理较1∶3处理的灯笼草和唐松草出苗率更高。此外，Lan等[39]研究发现，在库布齐沙漠种植沙柳（Salix cheilophila）3年仍然没能形成结皮，而喷施蓝藻的区域快速形成结皮，并为维管植物提供生长所必需的养分，经过调查发现，共有27种维管植物出现，主要为菊科、禾本科、藜科和豆科植物。

5化学固沙材料对土壤性质的影响

5.1对土壤理化性质的影响

沙漠土壤颗粒较粗，孔隙度大，黏结性差，营养贫瘠，保肥保水能力差，对植物生长极为不利。张建峰[40]制备了纳米-亚微米级腐植酸-塑料混聚物、纳米-亚微米级塑料-淀粉混聚物和多功能固沙保水剂等3种固沙保水剂，其材料具有颗粒细、比表面积大、胶体性能等特点，可有效吸附土壤中的养分，同时材料中还富含腐植酸等物质，增加了功能材料的活性官能团，使用后，3种固沙保水剂均能有效提高沙化土壤中有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量，其中多功能固沙保水剂效果最好，纳米-亚微米级腐植酸-塑料混聚物次之;而对土壤容重测定结果表明，3种固沙保水剂均能有效改善沙化土壤的孔隙度，降低土壤容重，提高土壤的保肥持水能力。此外，微生物固沙材料由于其结皮层具有较高的生物学活性，使得土壤表面在物理、化学和生物学特性方面明显不同于流沙土，其具有较强的抗风蚀能力和重要的生态学地位，逐渐成为防沙治沙领域的研究热点[41]。邱东等[41]将寡营养细菌菌剂喷洒于古尔班通古特沙漠，结果表明，土壤0～2 cm土层的有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷含量、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性均大于2～5 cm土层，说明喷洒寡营养细菌菌剂后使得表层养分含量得到了积累。生物土壤结皮（Biological Soil Crus，BSCs）是干旱荒漠地表形成的由真菌、细菌等微生物与藻类、地衣、苔藓形成的一层相对稳定的地表覆盖物[42]。BSCs固沙是基于菌株在生长过程中能够分泌大量的黏多糖等，将菌液喷洒于沙面，微生物通过分泌物黏结沙粒，促进土壤中物质的转化，形成具有生物活性的固结层[43]。

5.2对土壤微生物的影响

关于固沙材料对土壤微生物的影响集中于微生物固沙材料的相关研究。2006年，张雪梅[44]在新疆戈壁、火焰山、艾丁湖和古尔班通古特沙漠等地分离获得5株具有明显寡营养性的细菌，其中1株具有固氮功能，且能够分泌大量黏性物质，经鉴定该菌为Azotobacteria sp.，将该菌液喷洒于流沙表面，可形成2～8 mm厚的生物结皮。之后，潘惠霞等[43]在古尔班通古特沙漠生物结皮下层土壤分离获得一株革兰氏阳性寡营养细菌，该菌能够在生长过程中分泌大量的黏多糖，将沙粒黏连成6 mm厚的结皮层;邱东等[41]将该菌株进行发酵，将发酵液喷洒于古尔班通古特沙漠，结果表明，细菌和放线菌的数量显著高于对照，真菌数量也有所增加，说明该寡营养细菌喷洒于沙漠土壤中，促进了其他微生物的生长和繁殖。温学飞等[33]分析了化学固沙剂对土壤微生物的影响，结果表明，喷洒固沙剂的土壤微生物碳代谢明显增强，其微生物物种丰富度和多样性均比对照明显提高。此外，还有部分研究者关注结皮固沙对土壤微生物的影响。邵玉琴等[45]研究认为，微生物生物量和数量与沙丘固定程度、结皮厚度及苔藓种类呈正相关。刘艳梅等[46]研究发现，54年、46年、29年和23年的固沙植被区苔藓结皮和藻结皮均能显著提高其结皮下层土壤微生物量碳，且形成结皮年限与结皮下层土壤微生物量碳存在正相关关系，而苔藓结皮和藻结皮对其下层土壤微生物量碳的影响仅限于0～20 cm土层，随土层深度增加而减弱。

6展望

目前对固沙剂应用方面的研究主要集中于抗风蚀、保水性、耐水性、渗水率、抗剪切、抗压性能、稳定性、抗冻融性、抗老化及植物出苗率等方面，而对微生物多样性方面的研究相对薄弱。然而，土壤中物质的循环和养分积累与微生物的固氮、硝化、反硝化、氨化、氧化等一系列功能密切相关，他们能通过多种途径改善土壤肥力状况。因此，土壤微生物是土壤生态系统评价的重要指标。

我国化学固沙材料大部分都是有机高分子产品，高分子产品会发生热氧老化和光氧老化，链断裂和交裂联反应，使已形成的固结层开裂甚至沙化。除此之外，高分子产品大多难以在自然界中降解，会对沙漠地区造成污染。尽管化学固沙材料能够快速固定流沙，提高植物成活率和生长量，但他们对土壤养分和微生物功能恢复的贡献极小[5]。

时代的发展已经证明，资源开发和社会经济发展都必须尊重自然发展规律，重视生态环境的同步建设。生物基固沙剂绿色环保，具有给土壤增肥的效果，不仅符合可持续发展要求，还符合干旱、半干旱地区流动沙地退化生态系统恢复的要求。未来理想的固沙材料应该具备成本低廉、性能佳、天然可降解、适宜植物生长、提高土壤肥力和生物活性等特性。促进土壤自我修复能力，实现生态固沙，才能够真正在我国的流沙治理与工程建设中发挥应有的作用。而研发低黏度、强固化的水溶性天然绿色固沙剂，将从根本上解决高分子化学合成固沙剂产生过程的环保问题及固沙剂使用的高成本问题，对迫切需要解决的高分子聚合物类固沙剂存在的无法回避的不利问题具有开创性影响，其研发产品具有广泛的应用前景。

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