埋嵌式塑料網帶狀沙障的固沙效應及其應用前景

王強強，唐進年，楊自輝，張劍揮，郭樹江

(1.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300；2.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京100091)

埋嵌式塑料網帶狀沙障的固沙效應及其應用前景

王強強1,2，唐進年3，楊自輝1,2，張劍揮1,2，郭樹江1,2

(1.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300；2.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京100091)

埋嵌式塑料網帶狀沙障；固沙效益；應用前景

土地沙化是我國當前最為嚴重的生態問題，沙障作為防沙治沙的主要措施之一，在我國干旱沙區發揮了重要作用。在流動沙丘上布設埋嵌式塑料網帶狀沙障，能阻截近地面風沙流和增加植被覆蓋度，具有良好的固沙效益。和黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網方格沙障相比，埋嵌式塑料網帶狀沙障具有材料運輸方便、操作技術簡單、投入成本低、防護時效長、便于機械化操作、省時省力等優點，推廣應用前景廣闊。

土地沙化是我國當前最為嚴重的生態問題，第五次全國荒漠化和沙化土地監測結果顯示，全國沙化土地面積為172.12萬km2，占國土總面積的17.93%。植樹造林和設置沙障是防沙治沙的兩大基本措施[1]，對于風沙災害嚴重或水資源短缺等立地條件較差的干旱沙區，通過大面積植樹造林來防沙治沙已不可取，沙障成為主要的固沙措施[2]。目前主要有黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網方格沙障等，這幾種沙障的推廣應用對我國干旱沙區防沙治沙發揮了重要作用[3-7]，但是也存在諸多問題，如：黏土沙障取土困難，用工量大，同時設置黏土沙障容易造成土壤板結，形成地表徑流，阻止水分的入滲[8]；麥草方格沙障材料緊缺，沙區運輸材料難度大，操作復雜且防護的時效性差[9]；塑料網方格沙障施工相對容易，防護時效性長，但是投入成本高[9-10]；沙障作為植物固沙措施的輔助措施，經常被設置在半固定沙丘和稀疏固沙植被區，在流動沙丘上設置容易被風掏蝕和沙埋，很難在流動沙丘治理中應用[10-11]。這些因素使黏土沙障、麥草方格沙障、塑料網方格沙障在推廣應用中受到限制[12]。因此，探索經濟、高效、實用的治沙材料和方法顯得尤為重要。筆者詳細敘述了埋嵌式塑料網帶狀沙障的施工方法，對其固沙效果進行了試驗研究，并對其應用前景進行了分析，以期為我國干旱沙區防沙治沙工程的實施和流動沙丘的治理提供新材料、新技術。

1 研究區概況

研究區選擇在民勤干旱沙區，地處河西走廊東端，石羊河流域尾閭，地理位置101°59′～104°12′E、38°08′～39°26′N。區內沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占土地面積的94.2%，綠洲占5.8%，綠洲夾在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間。區內氣候屬于典型大陸性氣候，降水稀少，氣候干燥，大風天氣多。年平均降水量l16.5 mm，年平均蒸發量2 359.7 mm；多西北風，多年平均大風日數26.3 d、沙塵暴日數25 d、揚沙日數37.5 d、浮塵日數29.7 d，年平均風速2.3 m/s，起沙風速大于5.0 m/s。根據民勤治沙綜合試驗站長期監測，試驗區地下水位從1961年的2.24 m下降到2014年的23.25 m，民勤綠洲邊緣生態地下水位臨界范圍在7～11 m[13]，超過此范圍所有植物都無法利用地下水；民勤綠洲多年平均降水量為116.5 mm，主要集中在7—9 月，且降雨強度小，植物利用的有效性差[14-15]。因此，地下水位的迅速下降和降水的低利用率，導致民勤綠洲邊緣固沙植被大面積衰退死亡，沙塵暴頻繁，生態環境嚴重惡化[16]。

2 研究方法

2.1 試驗地選擇

試驗地選擇在民勤治沙綜合試驗站西北約8 km零星分布的帶狀流動沙丘上，沙丘寬60～80 m，迎風坡長70～100 m，背風坡長8～15 m，沙丘頂部高3～4 m，流動沙丘上只有少量零星分布的1年生草本植物沙米(Agriophyllumsquarrosum)，流動沙丘上風向約1 km為3～8 m高的流動沙丘，其間為相間分布的丘間覆沙地、粗礫質覆沙地、少量的半固定白刺沙包(蓋度約3%～5%)、河灘地，地表粗糙度低，沙源豐富。

2.2 沙障材料及布設方法

埋嵌式塑料網帶狀沙障材料選用網寬為30 cm、孔隙度為30%的塑料網，塑料網的主要原料是高密度聚乙烯(HDPE)，添加抗UV添加劑，抗紫外線能力強，可在沙漠地區惡劣的自然環境下使用10 a以上。

沙障布設前首先要根據當地的氣象資料和沙丘、沙紋的形態特征，確定布設地主風向，然后按沙障行帶的走向同主風向垂直的原則進行布設。沙障一般設置在流動沙丘迎風坡。首先，在沙面上開一條15 cm左右深的溝，溝的走向與主風向垂直，然后把塑料網拉直繃緊鋪在溝內，塑料網迎風面一邊露出沙面6～8 cm，回填沙子(圖1)，沙障行帶間距為1 m。

圖1 埋嵌式塑料網帶狀沙障設置示意

2.3 植被調查

分別在沙障布設區和對照流動沙丘(CK)上選擇植被樣地，于2014年10月底(植物生長末期)進行植被調查。樣地設置方法是沿沙丘中線，分別在沙丘底部、中部、頂部設置2 m×2 m的觀測樣方，平行設置3個重復。分別調查樣方內每一種植物，調查內容為：植物名、高度、冠幅、冠內蓋度、株數。

2.4 風沙流結構及流量觀測

在2014年4月，分別在沙障布設區和對照流動沙丘上沿沙丘中線在沙丘底部、中部、頂部分別設置風沙流結構監測儀，采用風向跟蹤濾袋式積沙儀分層收集和測定近地面0～30 cm高度氣流層內(每層2 cm×2 cm，共15 層)的輸沙量及風沙流結構。在達到起沙風速以上風速時，將積沙儀埋設于待測的樣地(下口底部與地面平齊)，觀測開始時記錄時間并同時打開積沙儀的各個進沙口，觀測結束時記錄時間并同時關閉各個進沙口，將積沙儀帶回實驗室，用1/1 000 g感量的電子天平稱量每個積沙儀各個高度層內的沙樣質量。

3 固沙效應分析

長期以來，風沙災害防治技術一直是沙漠化及其治理研究的主要內容，通過設置沙障等工程措施不僅能防止風沙流造成的危害，而且是生態治理和退化生態系統恢復的重要組成部分[17-18]。

3.1 風沙流結構變化特征

在對照流動沙丘上，隨著高度的增加，近地面0～30 cm高度內輸沙率逐漸減少，在0～16 cm高度內，沙丘中部輸沙率最高，沙丘底部和頂部輸沙率基本接近，在16～30 cm高度內，沙丘底部、中部、頂部輸沙率基本接近(見圖2)。而在沙障區，隨著高度的增加，近地面0～30 cm高度內輸沙率呈現先增加后減少的趨勢，輸沙率在4～6 cm高度達到最大，總的輸沙率沙丘底部>沙丘頂部>沙丘中部(見圖2)。

圖2 流動沙丘(CK)和沙障布設區不同

3.2 阻沙效益分析

監測表明，流動沙丘底部、中部、頂部0～30 cm高度輸沙率分別為1.66、3.54、1.62 g/(cm2·min)，平均輸沙率為2.27 g/(cm2·min)；而沙障布設區沙丘底部、中部、頂部三個部位0～30 cm高度輸沙率分別為1.18、0.97、1.44 g/(cm2·min)，平均輸沙率為1.20 g/(cm2·min)(見圖3)。設置沙障后，沙丘中部輸沙率變化最大。

圖3 流動沙丘和沙障布設區不同部位輸沙率對比

在流動沙丘上，風沙流主要集中在0～4 cm高度，這與王自龍等[19]的研究結論基本相符。和0～30 cm高度內總輸沙量相比，對照流動沙丘不同位置0～4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為：沙丘底部59.14%、沙丘中部61.66%、沙丘頂部60.52%，平均60.78%；而沙障布設區不同位置0～4 cm高度輸沙量占總輸沙量百分比依次為：沙丘底部24.72%、沙丘中部24.06%、沙丘頂部24.31%，平均24.37%(見圖4)。

圖4 流動沙丘和沙障布設區0～4 cm輸沙量

與對照流動沙丘相比，沙障布設區沙丘底部、中部、頂部三個部位阻沙率不同。在0～30 cm高度內，阻沙率沙丘中部(72.52%)>沙丘底部(28.86%)>沙丘頂部(10.98%)，平均阻沙率為47.27%；在0～4 cm高度內，阻沙率沙丘中部(89.28%)>沙丘底部(70.27%)>沙丘頂部(64.25%)，平均阻沙率為78.86%(見圖5)。埋嵌式塑料網帶狀沙障對0～4 cm高度流沙的阻截作用明顯。

圖5 沙障布設區0～4 cm和0～30 cm高度的阻沙率對比

3.3 植被變化特征

在對照流動沙丘上，植被平均蓋度為11.07%，而在沙障布設區，植被平均蓋度為37.90%，沙障區較對照區植被蓋度顯著增加，增加了26.83百分點。沙障區和對照區沙丘不同部位植被蓋度差異顯著(見表1)：在對照區，植被蓋度依次為沙丘頂部(16.54%)>沙丘底部(14.89%)>沙丘中部(1.79%)，而在沙障區，植被蓋度依次為沙丘中部(62.88%)>沙丘底部(30.34%)>沙丘頂部(20.48%)。隨著沙障的布設，植物種增加：在對照區，植被主要以一年生草本植物沙米為主(平均蓋度11.06%)，僅有少量的一年生草本植物鹽生草(平均蓋度0.01%)；而在沙障區，沙米平均蓋度為28.63%，鹽生草平均蓋度為7.83%，多年生草本植物蘆葦平均蓋度為1.44%。沙障的設置，固定了流沙，使沙面穩定，同時減少了因風蝕引起的土壤水分和養分的流失，促進了一年生草本植物沙米和鹽生草的種子萌發和幼苗定居，為多年生草本植物蘆葦等的定居提供了有利的生境條件。

表1 沙障布設區和對照流動沙丘迎風坡不同位置植被特征

4 應用前景分析

近年來我國防沙治沙工作取得顯著成效，但土地沙化仍是我國最嚴重的生態問題，也是重大的民生問題。2013年3月頒布的《全國防沙治沙規劃(2011—2020年)》，規劃到2020年使全國一半以上可治理沙化土地得到治理。這一規劃的實施，為埋嵌式塑料網帶狀沙障推廣應用提供了廣闊的市場。

控制防沙治沙工程投入的成本是優先考慮的因素。埋嵌式塑料網帶狀沙障投入成本和年均成本均低于塑料網方格沙障、麥草方格沙障、黏土沙障(見表2)。

表2 不同類型沙障投入成本估算

節省時間和勞動力投入是防沙治沙工程實施需要考慮的另一重要因素。由于干旱沙區在夏、秋季節天氣炎熱，同時正值農忙時節，存在雇工難的問題，所以沙障設置時間必須選擇在天氣較涼爽和農閑的冬、春季節，再加上冬季凍土層和春季風沙天氣的影響，適合設置沙障的時間很短，不論麥草沙障、黏土沙障，還是塑料網方格沙障，都需要耗費大量人力和時間，給工程的實施帶來困難，而埋嵌式塑料網帶狀沙障便于機械化操作(已發明了鋪設機械，專利名稱：一種雙工位網膜沙障鋪設機；專利號：ZL 201410476816.1)。在用工費用逐年增加的背景下，埋嵌式塑料網帶狀沙障便于機械化操作，不僅省時省力，還會大大減少投入成本。

綜上所述，埋嵌式塑料網帶狀沙障不僅具有削減近地面風沙流、穩定沙面、促進植被生長的生態作用，而且設置成本低、防護時效長、便于機械化操作、省時省力，具備了在沙漠治理中大面積推廣應用的基本條件。

5 討論與結論

(1)和對照流動沙丘相比，埋嵌式塑料網帶狀沙障具有阻沙作用，0～30 cm高度阻沙率為47.27%，流動沙丘風沙流主要集中在0～4 cm高度內，而埋嵌式塑料網帶狀沙障對0～4 cm高度流沙的阻截作用明顯，阻沙率為78.86%。

(2)埋嵌式塑料網帶狀沙障有效固定了流沙，使沙面穩定，減少了因風蝕引起的土壤水分和養分的流失，促進了一年生草本植物種子萌發和幼苗定居，為多年生草本植物的定居提供了有利的生境條件，和對照流動沙丘相比，沙障區植被蓋度增加了26.83百分點。

(3)埋嵌式塑料網帶狀沙障具有材料運輸方便、操作技術簡單、投入成本低、防護時效長、便于機械化操作、省時省力等優點，可為風沙災害區流沙治理發揮作用。

(4)埋嵌式塑料網帶狀沙障適合在單一主風向地區流動沙丘上布設，多風向條件下容易被風掏蝕，需要對材料和設置方式進行進一步改進和完善。首先，對沙障材料進行改進，將沙障襯于沙面以下的塑料網加塑料薄膜，防止大風天氣沙障抖動引起漏沙，導致沙障被風吹損，同時，對沙障露出沙面的塑料網進行加筋處理(已獲得實用新型專利，專利名稱：尼龍網沙障；專利號：ZL 201420473440.4)，在風力作用下使露出沙面的塑料網豎立起來，達到阻沙的目的；其次，對沙障設置方式進行優化，在沙丘底部沙障前設置高立式攔沙網，解決沙丘底部沙障被沙埋的問題，同時，在沙障區左右兩側進行加固，防止其他風向條件下沙障邊緣被風掏蝕，在沙丘中部坡度較大區域和沙丘頂部增加塑料網行帶的密度，從而解決被風掏蝕的問題。

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(責任編輯 徐素霞)

林業公益性行業科研專項(201404306)；國家自然科學基金項目(41262008)；甘肅省基礎研究創新群體計劃項目(1506RJIA155)；甘肅省科技支撐計劃項目(1204FKCA125)

S157

A

1000-0941(2017)04-0035-04

王強強(1981—)，男，甘肅天水市人，副研究員，碩士，主要從事荒漠生態和荒漠化防治研究；通信作者唐進年(1970—)，男，甘肅古浪縣人，研究員，博士研究生，主要從事荒漠化防治研究。

2016-05-19