我國沙障固沙技術(shù)研究進展及展望

丁新輝，劉孝盈，劉廣全

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038； 2.國際泥沙研究培訓中心，北京 100048)

沙障是我國荒漠化防治的主要措施之一。隨著對荒漠化研究的不斷深入，一些防風固沙的新技術(shù)、新方法越來越得到群眾的認可，新材料、新工藝的運用使得治沙體系更為完善。系統(tǒng)梳理我國有關(guān)沙障技術(shù)研究的內(nèi)容，比選出效益突出的沙障并推廣應用，是加快荒漠化防治的必要途徑。

1 沙障固沙技術(shù)研究進展

我國早期工程治沙的方法除利用自然風力、水力拉沙造田外，還常采用植物活沙障和黏土沙障[1-2]。后來，又從國外引進了瀝青沙障[3]，但由于環(huán)境污染等問題，因此并未推廣使用。近年來，有學者研究使用脫水污泥制作方格沙障[4]，但也未形成規(guī)模。沙障的材料多種多樣，生態(tài)效益也不盡相同。各種材料都有其劣勢，如黏土、礫石成本高且運輸不便，麥草需求量大、耐腐性差等。

植物沙障可以通過多種途徑保護和改善土壤狀況，因此，設置各種植物沙障被認為是防風固沙、減少風蝕的一種有效途徑。中國科學院蘭州沙漠研究所玉門防沙組在戈壁區(qū)蘭新鐵路沿線采取“以林養(yǎng)障(沙障)”“林外截沙源，路內(nèi)消積沙”的防護措施，成效顯著[5]。許林書等[6]利用活體楊樹枝條扦插形成沙障，沙障成林后生態(tài)效益明顯。李樹蘋[7]采用黃柳沙障、檸條網(wǎng)格配置防沙效果明顯，能提高檸條成活率和保存率，促進天然植被恢復。目前，我國應用生物措施防風治沙，主要是利用不同植物構(gòu)成活沙障、各種秸稈組成死沙障，以及二者的結(jié)合。在干旱半干旱區(qū)荒漠化治理實踐中，影響沙障防護效果的直接因素包括沙障的高度、大小和形狀等，間接因素則包括地形地貌、風速、風向、風沙活動方式和活動強度及沙障維護方式等。研究影響生物沙障防護效果的因素，一方面關(guān)系到沙障防護效益的評估，另一方面關(guān)系到沙障配置參數(shù)的選擇，即設置沙障的成本。值得注意的是有些因素具有雙向性，比如設置沙障年限，對活沙障來說，設障年限越長，防護效果越好；而對于死沙障，防護效果會隨著設障年限的增加而降低。

2 沙障比選

荒漠化治理首先要面對的問題，是植物沙障選取哪種類型植物、工程沙障選擇哪種規(guī)格、化學材料沙障如何布設，才能獲得最大的防風效應。問題的關(guān)鍵在于，如何科學評估不同類型沙障的防風效應。實際上影響沙障防風效應的因素很多，沙障的材料、規(guī)格及抗腐性能都是重要的因素，此外沙障的組合、主風方向、地貌形態(tài)等也會產(chǎn)生一定影響，因此要準確評估不同類型沙障防風效應的差異困難較大，但這卻是合理布設沙障的必要工作。

2.1 不同規(guī)格的沙障比選

袁立敏等[8]在庫布齊沙漠的裸沙丘上分別布設了1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m規(guī)格的布袋沙障，研究其防風效能、粗糙度、輸沙量和土壤濕度差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1 m×1 m的布袋沙障防風效果最好，但0～20 cm土層土壤含水率較低；經(jīng)過連續(xù)3年對沙障內(nèi)植物種數(shù)、植株密度、平均高度和平均蓋度的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沙袋沙障對植被的促進作用是3 m×3 m方格沙障最大，2 m×2 m方格沙障次之，1 m×1 m方格沙障最小。張登山等[9]對青海湖克土沙地6種不同規(guī)格麥草方格沙障的全年插釬蝕積監(jiān)測和風季后凹曲面形態(tài)測量結(jié)果進行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，1.5 m×1.5 m 規(guī)格的綜合防護指數(shù)最大(0.64)，為高寒沙區(qū)最為適宜的規(guī)格。翟慶虎等[10]通過對流動沙地草方格沙障固沙效果進行研究，發(fā)現(xiàn)2 m×2 m與3 m×3 m這兩個規(guī)格防護效果好且省工省料，是最理想的規(guī)格。蒙仲舉等[11]研究了毛烏素沙地5種規(guī)格(1 m×0.5 m、1 m×1 m、1 m×2 m、2 m×2 m、2 m×3 m)的半隱蔽格狀沙柳沙障的防風阻沙效益，綜合自然條件和經(jīng)濟狀況，認為毛烏素沙地適宜的沙柳沙障規(guī)格為2 m×2 m。

綜上可知，從有利于植被恢復的角度考慮，1 m×1 m方格沙障并不是最優(yōu)的。因此，在實際應用中，需要綜合考慮，靈活配置，才能取得良好的防治效果。

2.2 不同工程材料的沙障比選

70年代初，甘肅省民勤治沙綜合試驗站科研人員通過比較干沙層厚度、雨水下滲深度和防風效應，發(fā)現(xiàn)黏土沙障的效能優(yōu)于柴草沙障和對照[12]。鐘衛(wèi)等[13]通過風洞實驗發(fā)現(xiàn)植被沙障的防護效果遠優(yōu)于土工格室和石方格沙障，石方格沙障的防護效果又稍好于土工格室。王訓明等[14]研究了塔里木沙漠公路沿線沙障的防沙效果，結(jié)果表明，3種高立式沙障防沙效益為蘆葦柵欄>抗紫外線尼龍網(wǎng)欄>白尼龍網(wǎng)欄。馬學喜等[15]在塔克拉瑪干沙漠油田公路機械防沙展示區(qū)對比尼龍網(wǎng)方格沙障和蘆葦方格沙障的固沙效益及其地形適應性，結(jié)果表明，蘆葦方格沙障在不同地形條件下均有顯著的固沙效果，而尼龍網(wǎng)方格沙障更適宜布設在較平坦的地貌區(qū)。馬述宏等[16]通過比較不同材料的沙障在不同風力條件下的固沙效果和保存年限等，認為麥草網(wǎng)格沙障綜合利用價值最高，高分子固沙劑沙障、瀝青沙障、生態(tài)墊沙障、尼龍網(wǎng)沙障實用價值較高但價格昂貴，是地形復雜、條件嚴酷的風沙區(qū)理想的治理措施。而孫濤等[17]綜合考慮設置成本和防護效益，認為塑料沙障較其他沙障優(yōu)越，具有長期、穩(wěn)定的生態(tài)和經(jīng)濟效益。綜合前人成果，考慮的側(cè)重點不同，對設障材料的優(yōu)劣會得出不同的結(jié)果。從保護環(huán)境的角度出發(fā)，大部分研究認為植被活沙障固沙效果不僅優(yōu)于土石材料的沙障和秸稈材料死沙障，而且好于化學材料的網(wǎng)欄。需要指出的是在一些水分制約嚴重的地區(qū)植被活沙障并不是首選，此時應當先以其他沙障措施固沙，然后再考慮恢復植被。如果水分和風力條件允許，應考慮植物沙障等多種沙障構(gòu)成的綜合防風固沙體系。

2.3 不同類型的沙障比選

李凱崇等[18]對不同風速條件下板式擋沙墻、軌枕擋沙墻、高立式PE網(wǎng)沙障的研究表明，高度一致時，板式擋沙墻與軌枕擋沙墻的削減氣流能力和阻沙效果均優(yōu)于高立式PE網(wǎng)沙障。何志輝等[19]在塔克拉瑪干沙漠腹地的壟間平地布設大條帶上疏下密式(A)、大條帶上密下疏式(B)、小條帶疏密相間式(C)3種非均勻分布的尼龍阻沙網(wǎng)，以均勻結(jié)構(gòu)阻沙網(wǎng)為對照(CK)，研究阻沙網(wǎng)前后的風速變化、防風效能、積沙形態(tài)、積沙量等，結(jié)果表明，綜合考慮防風和阻沙效益，C阻沙網(wǎng)提供了一個較好的結(jié)構(gòu)模式，防護效益最好，B阻沙網(wǎng)最差，A和CK阻沙網(wǎng)效益相差不大。王翔宇等[20]測定了9種不同規(guī)格的帶狀沙柳沙障對風速、地表粗糙度和近地表輸沙率的影響，結(jié)果表明，在沙障高度一定的情況下，帶狀沙柳沙障的行數(shù)越多、帶距越小，防護效果越好，即防護效益三行一帶>兩行一帶>一行一帶。馬瑞等[21]對比了植入式、柵欄式、集束式3種結(jié)構(gòu)類型的棉稈沙障對近地表風速的影響，以及沙障內(nèi)的沙粒運動和沙面形態(tài)變化，防風固沙的效果為帶枝葉植入式行列沙障>柵欄式格狀沙障>集束式格狀沙障。薛智德等[22]對高立式沙障、石方格沙障、碎石壓沙措施相結(jié)合的綜合防風固沙體系降低風速和輸沙量的特征進行的研究表明，多排高立式沙障具有顯著的降低輸沙率和風速的功效。目前對不同類型沙障的效益研究較為充分，總體來說，具有仿生性能的化學材料沙障的防護性能優(yōu)于均勻材質(zhì)的沙障，多行一帶的高立式沙障具有優(yōu)良的防護性能。尚沒有對不同材料的多行一帶沙障防護性能進行對比研究。

3 存在的問題及研究趨勢

1949年以來，我國根據(jù)以固為主、固阻結(jié)合的治沙策略，在實踐中探索出多種防治風沙危害的措施，主要有植物治沙、機械沙障固沙、封沙育草、機械沙障與栽植灌木相結(jié)合等。然而，受基礎(chǔ)理論研究和社會經(jīng)濟發(fā)展的制約，我國對防風治沙技術(shù)的研究和應用還存在一定不足，需要進一步完善和加強。

3.1 存在的問題

(1)重大工程中的沙障效益很難準確評價。由于影響沙障防護效果的因素眾多，有些因素既可能是正向作用也可能是負向作用，因此評價時對影響因子的選取存在爭議。目前尚沒有建立沙障效益評價指標體系，對于重大工程中使用的關(guān)鍵技術(shù)還不能作出較理想的科學評價。

(2)設置沙障對沙地生態(tài)系統(tǒng)的影響還有待進一步研究?，F(xiàn)有研究對設置沙障后的土壤水分、養(yǎng)分及植被的動態(tài)變化研究較為充分，也有一些研究分析了沙障與微生物之間的相互影響，但沙障設置后對植物和微生物即沙地生態(tài)系統(tǒng)的影響還需進一步研究，從而為沙地生態(tài)系統(tǒng)的恢復和演替研究提供幫助。

(3)沙障固沙體系布局不合理。已有大量的關(guān)于沙障規(guī)格與材料篩選的研究，但是目的性不強?，F(xiàn)有的研究大多是先布設措施然后觀測效果，未充分考慮研究區(qū)的自然條件，導致防護措施效果不顯著。

3.2 研究趨勢

(1)重大工程沙障效益評價指標體系研究。在沙漠化防治工作中，我國已實施了許多重大工程，各種類型的沙障發(fā)揮了非常重要的作用。因此，必須研究沙漠化地區(qū)布設沙障措施所引起的環(huán)境問題，對工程建設中的沙障防護效益作出科學評價，以提出有效合理的防治對策。

(2)沙障措施對沙地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究。在現(xiàn)有沙障設施內(nèi)，開展沙障—沙生植物—微生物相互作用的研究。在研究沙生植物生理生態(tài)、長期動態(tài)監(jiān)測等的基礎(chǔ)上，研究沙地生態(tài)系統(tǒng)演變過程及沙生植物對微生物和沙障設施的影響。

(3)防風固沙體系模式的優(yōu)化研究。在研究風沙流特征和氣候條件的基礎(chǔ)上，有選擇地在不同位置布設不同的沙障，完成防風固沙體系的優(yōu)化。針對不同地方的自然條件，因地制宜地引入新的環(huán)保防風固沙材料布設在風沙區(qū)。隨著植物凝結(jié)劑、生物結(jié)皮等技術(shù)的研發(fā)利用，以植被建設為主體，生物、工程與化學措施相結(jié)合的綜合模式正成為發(fā)展趨勢。