学年论文：   沙漠治理综述

 

化学与生命科学学院  09材料化学  091002001 李文行

 

指导老师：陈楷翰 高级实验师

 

【摘要】  在综述并分析了目前国内外沙漠治理模式及固沙材料的优缺点基础上，课题组导师提出了生物岛治沙模式。生物岛治沙模式是通过特殊结构设计对沙漠特定点区域进行水汽资源重新分布，借以建立亚稳定的生态点，在促进生物岛生态演替同时，避免了传统浇灌或滴灌造成土地盐碱化的问题，生物岛的单位面积生物量上限应低于该地区自然状况下最大的单位面积生物量；固沙环境材料则是综合考虑了土壤生成及生态健康因子、调节地表蒸发速度、生物结皮理化结构等诸多因素基础上提出的一类全新的固沙材料和结构。

【关键词】  沙漠治理  生物岛治沙模式 固沙材料和结构

 

1. 固沙物质的种类和组成

化学固沙的原理是利用稀释了具有一定胶结性的化学物质喷洒于松散的流沙沙地表面，化学胶结物质滞留在一定厚度（1-5mm）的沙层间隙中，将沙粒胶结在一起形成隔离保护壳，以此来隔开气流于松散沙面直接接触，从而起到防止风蚀的作用^[1] 。在化学固沙中应用的高分子材料，根据来源不同大致分为石油产品类、合成高分子类、天然高分子类、高吸水性树脂等。

1.1 石油产品类固沙剂

a. 沥青乳液

沥青乳液是沥青在乳化剂作用下通过乳化设备制成的。可分为阳离子型、阴离子型和非离子型等几类。沥青乳液作为土壤改良剂可起到防止水土流失、改善土壤水土状况、增温保墒等作用；作为固沙材料，沥青乳液单独用于固沙，也可与植物和机械沙障结合固沙^[1]。

沥青乳液喷洒后在其薄壳边缘易形成曲卷现象而破裂或被强风撕破吹走，因此，在用水稀释沥青乳液时，沥青乳液含量不宜过多，一般不要超过10%—15%。

b. 沥青化合物

沥青化合物是一种汗有沥青或粘油、水和矿物粉末的粘性物质。如苏联道路研究所研制的一种固沙剂组成成分如下：沥青MG—70/30或粘油30%—50%、矿物粉30%—40%、水30%—35%；石油大学（华东）研制出了以重油（渣油、沥青）、膨润土、水玻璃等为主要原料的多功能液膜固沙剂，该固沙剂具有较好的渗透性和胶结性，有明显的集水和保墒增温、抑制盐渍土表层集盐等作用^[2]。

1.2合成类高分子固沙剂 

a. 脲醛树脂类

脲醛树脂是木材工业用胶黏剂，国外曾将其改性材料作为土壤稳定剂中的分散剂组分。脲醛树脂本身并不是实用的固沙剂，通常是先制备粘度较低的脲醛预聚合物，然后在施工前与含固化剂的组分掺混在一起施工^[3]。脲醛树脂作为固沙剂的主要问题：① 固化速度太快，施工不方便；② 粘性大，水溶性差，难以均匀的施用在沙土中；③ 游离的甲醛对施工人员造成健康威胁，采用糠醛改性可以降低甲醛用量^[2]。

李建法^[4] 制备的磺化脲醛树脂和磺化三聚氰胺脲醛树脂，杨明等^[5] 制备的复合磺化尿素-三聚氰胺-甲醛树脂固沙剂，均能得到较好的固沙效果，同时也避免了脲醛树脂的缺点。

b. 聚丙烯酰胺类

聚丙烯酰胺可以提高土壤的聚集度和渗水性能，防止水土流失。单独使用聚丙烯酰胺不但成本较高而且易失效。华水波等^[6] ，以丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、腐殖酸钠（SH）和膨胀蛭石（EVMT）为原料，合成了P(AA-AM)/EVMT/SH复合固沙剂，该固沙剂是兼固沙与吸水两重性能，并且还具有缓释腐殖酸钠的功能。

鉴于聚丙烯酰胺的固沙效果，科研工作者相继开发出了PVA、PAA、PVAC等高分子聚合物类固沙剂，并且认为PVA、PVAC乳液是较优良的化学固沙材料^[2]。

c. SH固沙剂

SH为水溶性高分子材料，分子量20 000左右，透明无色，粘度低，凝胶时间易于控制，遇水可以无限稀释。SH固沙性能优良、成本低，与环境相容性好，属环保性修复材料^[7]。

d. 其他合成固沙剂

LD系列高分子岩土胶结材料具有粘度低、凝胶时间易控、无毒等优点，便于工程实施^[8]；液化玉米秸秆基聚氨酯^[9]  是利用生物质基合成材料的固沙材料，该固沙剂具有生物降解性的特点，降解后的产物可以改善沙地理化性质^[9]；有机硅氧烷预聚体固沙剂^[10]以甲基三乙氧基硅烷为反应物，在盐酸催化下水解缩合产物，该预聚体与其他固沙剂混合使用具有协同效应，但其生态相容性有待提高。

合成材料类固沙剂是固然是高效的固沙材料，但一系列问题如较高的成本，生物难降解，生态相容性差等限制了其应用范围。因此低成本的生态环保固沙材料应是今后的研究方向。

1.3天然高分子类固沙剂

1.3.1 木质素磺酸盐类固沙剂

木质素是造纸工业中制浆废液中主要成分之一，将其进行改性可制成一种环保型固沙材料，可同时缓解造纸废液污染和固沙两大难题。

作为原料使用主要有粗碱木质素、纯化碱木质素、木质素磺酸钠，且木质素磺酸钠被认为较为理想的材料^[14]。木质素磺酸盐分子结构中有磺酸基、羟基等活性基团，可与表层的沙土颗粒通过静电引力、络合等作用，促使沙土颗粒团聚，从而达到固沙的目的。由于木质素磺酸盐易被降解，且单独使用无法满足固沙工程的耐候性，因此研究人员开发了丙烯酸、丙烯酰胺等木质素磺酸盐改性产品。

1.3.2 液化玉米秸秆基聚氨酯类固沙剂

    液化是一种高效的生物质综合利用方法，液化产物既可作为燃料也可用于制造胶黏剂、聚氨酯泡沫等高分子材料^[11]。此类固沙剂尚在开发完善中，由于其原材料来源广、成本低，属可降解类材料，符合社会对生态可持续材料的要求。

1.3.3 聚乳酸纤维材料固沙剂

    PLA纤维是一种生物可降解纤维,使用后借助于土壤中微生物的作用会分解成二氧化碳和水。PLA纤维材料在高温高湿条件作用下能够迅速降解,温度越高,降解速度越快,且沙内快于沙表，土壤水分含量对材料降解也有显著影响,且水分含量越高,降解速度越快,且沙表快于沙内。土壤基质对材料降解也有影响^[12]。PLA经常作为沙障材料出现在治沙工程中。

1.3.4 栲胶类固沙剂

    栲胶是从含单宁的落叶松、栎类等树皮、果壳、树叶、树根和木材中提取的膏状或固体类物质。葛学贵等^[13]研制的植物栲胶高分子固沙浆材，初始粘度低，渗透能力强，对沙的润湿胶凝性好。

1.4 高分子吸水树脂

高吸水性树脂（SAP）是适度交联的含强亲水性基团的功能高分子材料，其网络结构和带电基团具有很好的吸水保水性能和缓/控释功能^[15]。高吸水性树脂主要有合成系、淀粉系、纤维素类、生物可降解类等4类，而在土壤应用时主要采用淀粉类和纤维素类高吸水性树脂，因为天然高分子改性产品易生物降解、无毒副作用，属环境友好型材料^[2]。高分子吸水树脂同时也可起到一定的固沙作用，因此在治沙固沙工程中有着重要的作用。

1.4.1淀粉类

    淀粉-聚丙烯酸是目前高吸水性树脂的主导产品，淀粉-聚丙烯酸避免了了淀粉-聚丙烯腈的环境不友好的弊端^[16]。SAP是淀粉与亲水性烯类单体接枝共聚的产物，常见的乙烯类单体有：丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺，其他如2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸酯和丙烯酸钠等^[17]，为改善SAP的吸水保水能力、机械性能等性能可以考虑在淀粉分子上接枝不同功能的单体，赋予其多功能性。张丽丹^[27]等采用氧化淀粉和尿素合成了改性磺化三聚氰胺脲醛树脂，在固沙和保水性能都较没改性前有所提高。

1.4.2 纤维素类

    纤维素类SAP是在纤维素骨架上接枝共聚其他单体的高分子聚合物，与其他类SAP相比，纤维素类SAP具有耐盐性好、抗生物降解和环境友好的优点。

    羟甲基纤维素CMC是通过醚化、交联的纤维素阴离子醚^[18]；纤维素接枝丙烯酸、丙烯酰胺也是目前纤维素类SAP的重要产品，丙烯酸纤维素吸水能力强，丙烯酰胺纤维素为非离子型吸水树脂，耐盐性好也有生物降解性^[17]。

1.4.3 合成树脂类

    合成类高吸水性树脂主要有聚丙烯腈类、聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺类、聚丙烯盐（酸）类、聚氧化乙烯类等。合成类SAP具有不易降解、强度高和吸水性能好等优点。

丙烯酸-腐殖酸钠SAP、丙烯酸-脲SAP等吸水性树脂具有高吸水、高保水，抗压性好，耐盐性好，缓/控释性高等优点，成为目前重要的合成类SAP^[17]。采用丙烯酸（盐）为主要单体，开发生物可降解SAP有可能是未来几年的研究热点。

    改性聚乙烯醇是使聚乙烯醇的羟酯化引入羧基，再经碱处理得到的高吸水性的改性聚乙烯醇树脂，这样克服了纯聚乙烯醇吸水慢、强度低等缺点^[19];醋酸乙烯—丙烯酸酯共聚物的碱化树脂在吸水后对光热稳定较好；聚环氧乙烯交联的SAP属非离子SAP，但吸水能力较低^[17]。   

1.4.4 新型生物可降解性高吸水性树脂

聚乳酸类高吸水树脂是由生物可降解的聚乳酸和高吸水材料两部分共同组成。聚乳酸等生物相容性好、降解产物污染，因此聚乳酸类高吸水树脂属环保类材料。Qian Zhiyong^[20]用乳酸和氨基十一烷酸合成了聚酰胺酯，其中酯基和氨基随即的分布在大分子主链上，而酯基、氨基易水解，所以聚酯具有生物降解性。

海藻酸盐是多羟基、羧酸根的天然高分子，但并不是理想的吸水材料。海藻酸钠与聚丙烯酸聚合，形成半互穿网络结构的高吸水材料。海藻酸钠可被生物降解，而提供溶胀能力的聚丙烯酸则不能完全被生物降解^[21]。醚化的海藻酸钠可以丙烯酸钠、聚乙烯醇、丙烯酰胺制备复合吸水树脂^[22]。林健^[23]等以丙烯酸为单体，海藻酸钠为接枝物，添加高岭土和丙烯酰胺，通过溶液合成法制备了复合型耐盐高吸水性树脂，对生理盐水吸水倍率大85g/g。

聚氨基酸类SAP主要有聚谷氨酸类、聚天冬氨酸类和聚赖氨酸类。谭天伟等^[24]采用冷冻/熔融技术制得的聚天冬氨酸吸水凝胶，在不同的反应条件和干燥方式下其吸水倍率在100～1120倍，并且极易降解。聚谷氨酸类SAP主要有两种交联方法，化学交联和物理交联（辐射交联）。朱红军等^[25]和刘静等^[26]分别以化学交联和物理交联制得了吸水性能优异的聚谷氨酸类SAP。

其他的生物可降解性的SAP如甲壳素及其衍生物类、蛋白质类、改性丙烯酸类，但目前关于此类高吸水性树脂存在着诸多问题，如一次吸水倍率高，反复使用性差；原材料来源有限，成本高且功能单一等问题，限制实用性和推广价值。

1.4.5 有机—无机复合高吸水性树脂

     单独使用高吸水性树脂存在着凝胶强度低、保水性能差和生物降解性差等缺陷，而有机—无机复合高吸水性树脂可以缓解这些问题。目前关于高岭土、云母、凹凸棒土和膨润土的复合材料研究较多，其他如氧化铝、氧化硅和水玻璃的符合高吸水材料也有研究，但相对较少。

盛沛^[38]  以水溶液法制备了绢云母型高吸水性复合材料、膨润土型高吸水性复合材料和膨润土／绢云母1∶1型高吸水性复合材料三种高吸水性树脂。

1.5 生物结皮固沙材料

生物结皮在荒漠土壤中的保水、改良、防风固沙有着重要的生态功能，已成为我国荒漠地区生态研究的热点。魏江春^[31]从生态景观、环境气候等角度说明了在200mm/年以下的荒漠，采取 “生物地毯工程”是比较合理的固沙治沙模式。生物结皮的治沙固沙作用主要表现在：① 藻类的丝状体网络和其所分泌的有机酸可将松散的沙粒形成一层复合固沙材料；② 藻类/细菌共生体可促进沙壤理化性质的改变，加速土壤的演化；③ 结皮很大程度上改变地下水汽循环途径和养分的分布，可加速生态群落的演替^[28]。

在沙漠地区有着不同的生物结皮组成^[29]，如藻结皮、地衣结皮、藻—地衣结皮、蓝藻—藻结皮、蓝藻—地衣结皮、地衣—苔藓结皮。生物结皮生态系统是一个很脆弱的系统，一旦遭到感染破坏很难在短时间内恢复，特别是地衣、苔藓类的高级生物结皮系统。在恶劣的沙漠环境中，藻类是生物结皮植被最初的优势群落，随后会形成地衣结皮生物群落，但苔藓结皮系统最终会替代地衣结皮系统，演替成优势的生态群落^[30]。

目前人工荒漠藻固沙在研究上取得了较大的突破，但多数形成的藻类结皮物种比较单一，固沙材料生态功能单一，且人为因素较重^[32]。因此在今后的研究中要注重健康自然生态系统的演替，避免盲目种树治沙的悲剧重演。

 

2. 固沙工程措施

2.1 机械沙工程障

机械沙障是采用秸秆、树枝、黏土、卵石、板条等材料，在沙面上设置各种形式的障碍物，以此控制风沙流动的方向、速度、结构，改变蚀积状况．达到防风阻沙，改变风的作用力及地貌状况等目的，统称机械沙障。
      在自然条件恶劣地区，机械沙障是治沙的主要措施．在自然条件较好的地区，机械沙障是植物治沙的前提和必要条件。机械固沙具有见效快、有效期短的特点,作为生物措施得以有效治理沙地的必需前提辅助措施 ^[33]。

机械沙障按防沙原理和设置方式方法的不同划分为两大类：平铺式沙障和直立式沙障。平铺式沙障按设置方法不同又分为带状铺设式和全面铺设式。直立式沙障按高矮不同又分为：高立式沙障，高出沙面50～100厘米；低立式沙障，高出沙面20～50厘米；直立式沙障按透风度不同分为：透风式、紧密式、不透风式3种结构型^[34]。  
     高立式沙障 把材料（芨芨草、芦苇、板条和高秆作物等）做成70～130厘米的高度，在沙丘上划好线，沿线开沟20～30厘米深。将材料基部插人沟底，下部加一些比较短的梢头，两侧培沙，扶正踏实，培沙要高出沙面10厘米。

防沙效果较好，适合于沙源距被保护区较远，沙丘高大，沙量较多的地段使用。但易造成流沙堆积，使被保护对象仍有受沙害威胁的现象存在，因此，在被保护对象附近不宜采用此类沙障；而且设置后需要经常维修，耗料多，费工多。

半隐蔽式草沙障   在沙丘上画线，将材料（麦秆、稻草）均匀横铺在线道上，用平头锹沿划线方向压在平铺草条的中段用力下；踩至沙层 10～15厘米，然后从两侧培沙踩实。

格状草沙障其特点是取材方便，施工方法简便易行；成本相对较低；显著增大地表粗糙度，削减沙表面风速；固沙效果较好。
     低立式动土沙障   根据风沙流情况设计沙障规格，划线，然后沿按程序设计堆放黏土，形成高15～20厘米土埂，断面呈三角形。切忌出现缺口现象，以防掏蚀。
      平铺式沙障 将黏土或、砾石块均匀地覆盖在沙丘表面，厚度可灵活掌握，一般5～10厘米，黏土不要打碎；砾石平铺沙障各块间要紧密地排均，不可留较大的空洞，以免掏蚀。设带状平铺时要按要求留出空带。

林廷勇^[35]发明的固沙保水绿化沙漠的专利是以人工草坪为固沙材料，人工草坪之间有渗水带兼作植物生长带，并且有直达地下水层的装有吸水材料的吸水固定钉。人工草坪有效地减少了地下水汽的蒸发量，同时也固定了流沙，但有可能造成土地盐碱化和二次污染且成本太高。

生态垫是新型的植物纤维固沙材料,它不仅能改善沙丘水分状况，而且分解后可以增加沙壤有机质，改变其理化性质。李禄军^[36]研究表明：生态垫在北方干旱地区特别是荒漠地区分解是个缓慢的过程。在未分解期间生物垫在防止风蚀沙面、改善沙壤水分和温度分布状况等方面已经起到了明显的作用。覆盖生态垫后,沙壤水分受到物理阻隔,切断了与大气的交换,从而造成了内部水分的循环,改变了沙壤含水量分布和变化特征,土壤水分较多地保留在土壤中,为固沙植物的生长发育创造良好的条件。

2.2 化学工程固沙
　  化学固沙是指在风沙危害地区，利用化学材料与工艺，对易产生沙害的沙丘或沙质地表建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层，以达到控制和改善沙害环境，提高沙地生产力的技术措施。

化学固沙的原理是利用被稀释的具有一定胶结性的化学物质，喷洒于松散的流动沙地表面，化学胶结物质滞留一定厚度（(1～5cm）的沙层间隙中，将单粒的沙子胶结成一层保护壳，从而阻隔松散沙面的直接风蚀，起到固沙的作用。

沥青乳液固沙 沥青乳液的喷洒：沥青乳液用量各地不一，以每平方米几克到每平方米几百克都有，主要取决于当地的水文条件和风速。喷洒时，喷头不要距地表过低或过高，不宜迎风和顺风喷洒，以侧向略迎风喷洒为好。喷洒方式可采用全面喷洒法和带状喷洒法。如果喷洒沥青与植物固沙同时进行时，应在栽上植株后立即喷洒在降水或喷水后喷洒沥青效果更好。

沥青化合物固沙 沥青化合物是一种含有沥青或粘油、水和矿物粉末（黄土、壤土、水泥或石灰）的暗棕色粘性混合物质。将制成的化合物进行稀释，其稀释比根据当地情况采用1:1～1:10，用泥浆泵喷洒在沙面上即可。一次用量不易太大，可分多次喷洒，间隔半月到两月再喷。否则容易造成渗透不及或淌到低注处积聚，形成沙面沥青沉淀不均匀。

高分子聚合物固沙使用高分子聚合物固定流沙，处理手续和施工简便，可改善劳动条件和缩短工期。在水源条件好的地区，可先用水或乳化剂的稀榕液湿润沙面，以增加喷洒液的渗透深度；保持合适的喷洒速度，使喷出的溶液能均匀渗入沙层；一般在较热季节进行喷洒，使化学药液有较好的渗透速度和渗透深度。喷后注意保持沙面稳定，严禁人畜践踏破坏。

高吸水性树脂固沙 高吸水性树脂主要是间接固沙，当沙壤中加入高吸水性树脂后，一方面促使沙粒团聚，形成较大的颗粒；另一方面则提高了沙壤的有效水分含量，保证了固沙植物的成活率和生长量。因此高吸水性树脂长于植物固沙工程一同使用，增加固沙植物初期的成活率。

2.3 生物工程固沙

三北防护林防沙治沙工程是我国最大的生态治理工程，在工程初期确实取得了令人瞩目的生态治理效果，然而最近几年却出现了人工林恶化的现象：30-40年树龄的树木，胸径仅10-20cm，而且顶部己经枯萎，严重的区域乔、灌木大面积死亡；再者，和三北防护林一样，我国很多人工林都以单一的乔木树种为主，这种模式不仅不利于土壤营养元素的循环和土壤微生物群的均衡，也无法面对突发性的病虫害灾难^[41]。土壤微生物的多样性以及稳定性对植物的生长发育和群落结构的演替作用有着极其重要作用^[47]，而根际微生物的作用尤为突出，可以溶解和固定矿物质元素，植物激素的产生，抑制植物病原生物^[48]，特别对于沙漠植物，其根基植物更有助于植物抵抗不良的非生物胁迫^[49]。

“三北”中的西北地区以干旱、半干旱区为主，在生态承载量方面不适宜大面积森林分布。树木消耗的水分远大于草本植物和耐旱的灌木，降雨量、土壤厚度等原因决定了西北地区不能依赖大面积的大型乔木治沙固沙。现行治理措施严重脱离背离了生态演替的规则，盲目追求高的覆盖度。用大量资金、人力、物力营造所谓的 “生态工程林”，若没有全方位的考虑，只会加重生态恶化的程度。因此以何种方式固沙应以该地域的植物承载量为重要参考依据。

刘荣^[39]报道了鄂尔多斯草原植被覆盖度从30％提高到75％以上，草群高度由平均不足15cm提高到35cm左右，梁地草场和沙地草场的产草量平均提高30％以上；王爱军等^[40]，研究得出乔灌草造林模式的固沙效果要好于其他造林模式；杨文斌等^[42]研究得出在低覆盖度时灌木群丛不同种植格局固沙的效果，其中以行式格局的固沙效果最好。

生物结皮在防风固沙、防止土壤侵蚀、改变水分分布状况等方面,扮演着重要的角色,近年来,国内外有关的科技人员对此进行了很多深入的研究。

胡春香^[42]等研究发现在宁夏沙坡头半荒漠藻结皮的理化特性，结皮在生物组成和显微结构上都成“片层”分布规律。最表层的是无机保护层，下层蓝藻分泌物把无机颗粒有机胶结形成保护层，该保护层可以减少水分蒸发，防止下层藻类因高辐射而氧化受伤；第二层是抗性很强的丝状固氮蓝藻，一方面固氮增肥，另一方面光谱光合作用；在其下面依次是绿藻层、M.vaginatus个体层、P.tenus 及其他藻类，其中M.vaginatus个体层主要负责报整个藻结皮粘结网络在一起，而P.tenus及其他藻类同时加强了胶结作用，使藻结皮层更加坚实；最下层是菌类活动层，光强减弱、氧气适宜和部分营养物的下渗给细菌创造了良好的生存环境，另一方面细菌可以分解无机矿物质为藻类提供无机营养。结论证明整个藻类结皮可以完成自我循环成长。

 饶本强^[28]等把筛选出的优势藻种成功的接种于沙漠土壤，在接种2-3年的实验区内，藻类结皮厚度达3-5mm左右，增加了地表的抗风蚀能力，改善了沙壤的理化组成和水循环。实验同时还发现藻-草-灌-乔模式固沙效果比较理想。杜宇^[43]实验结果表明荒漠藻在流沙表面生长,随着结皮层的逐渐增厚,先锋沙生植物依次出现,且覆盖度逐渐增加,流动沙丘经半固定沙丘向固定沙丘演替, 土壤含水量随藻结皮的增厚而增加，有机质、总氮、总磷含量增加。

付华龙^[44]的沙漠治理模式发明以重建沙漠微生物生态系统入手，将土著微生物群培养且分离出优势种，而后进行人工大规模培养、接种优势藻种和菌种，最后种植耐旱植物；张国林^[45]同样以构建微生物生态系统入手，该发明的成功之处在于考虑到了非均相收集降雨、大气水分和减少地表水分的蒸发，但在工程设计上没有可行性——以青石、麻石等作为压制风沙的措施，在成本和物质循环上行不通；李禄军^[36]研究了生物垫在不同的沙漠景观对水分循环作用的结果以及在生态系统重建中的作用，用生物质材料作为固沙、重建生态系统是该研究的成功之处，但单单采用生物垫是难以建立完整的土壤微生物系统，一方面是因为生物质很容易在雨季被微生物分解，而在风季很可能把刚建立起的不稳定微生物系统破坏；另一方面在集水方面，由于是均相组成无法短时间内收集足够的雨水，再者生物垫没有生物结皮的减缓土壤水分蒸发的作用机制，因此生物垫作为固沙材料仍有待改进。

任何生态景观都有其演替阶段，研究表明荒漠地区的生物结皮同样有着阶段性演替^[30]，早期阶段是土壤酶和土壤微生物阶段，此时的结皮不论在厚度和强度上都比较弱；初级阶段是藻结皮阶段，此时各种荒漠藻将替代上阶段结皮生物，演替高一级的生态景观，此时也是固沙的首要标志；高级阶段是地衣结皮与苔藓结皮阶段，当地衣和苔藓定居后可以加速矿物质的风化以及积累风尘物质，从而提高了土壤的形成速度。该阶段的结皮发育最完善，在蓄水、抗机械干扰和固沙能力最强，此时便可进入更为高级的生态演替—草本、木本植物的入侵。

当然荒漠地区的生物结皮演替并不一定严格遵循上诉阶段，可以不经历其中某一阶段而直接发育到更高级的阶段^[46]，张元明^[30]研究发现如果条件适宜地衣和苔藓结皮可以在很短的时间内建立理想结皮厚度，这在生物结皮实际应用的方面具有很重要的指导意义。

简而言之，治理沙漠的终极目的是使得沙漠产生原生演替，而这种演替在物种组成、出现时间和空间分布上都以非均相形式完成，而不是均一得均相完成的，土壤的形成亦如此，因此在治理沙漠时应考虑物种的多样性以及等级演替的循序。

3.存在的问题与研究前景

综上所述，固沙治沙材料和固沙治沙工程都从开始的表面化治理已逐步的深入到根本问题的解决。治理沙漠不是简单的就某一方面问题而治理，其治理过程是一个非常复杂关系处理过程，不仅涉及到生态学、土壤学、材料学、农学甚至涉及到管理学、经济学和法学等学科。基于目前研究现状和水平，以下几方面的研究亟待加强：

（1）不同荒漠、沙漠地区的水土承载量，即环境生物承载量有着不同的标准，应根据该区域的水土承载量确定该地区采用何种固沙治沙模式，不能盲目的追求高覆盖率，重演越制越荒悲剧。从自然生态景观的演替规律可知，每种生态景观的生物量都是有一定的上限，在沙漠景观中更为突出，在东部水土承载量较高的沙地区域可以考虑片状源的治理模式，中西部水土承载量较差的沙漠区域则应以非均相的生物井作为生物扩散点源的治理模式，而在环境恶劣的沙漠区域生物结皮应作为主要固沙措施。所以沙漠治理，必须建立在系统的土壤、气候环境统计基础上，采用相应的治理模式。

再者，纵观目前国内外的治沙模式，没有一种模式能较好的利用水资源，以色列的滴灌技术成功的实现了水资源的高利用率，但伴随的是地下水的枯竭和土壤的盐碱化。陈楷翰课题组提出不直接使用液体水源，重点着眼于如何富集和利用土壤水汽资源，形成沙漠中局部的水资源富集点，这样可避免土壤盐碱化的过早发生和合理的运用水资源；

（2）生物固沙已成为沙漠治理的主力军。草、灌、乔治沙应优先考虑土著物种，从生物适应角度和生态安全角度选择，土著植物都要优于外来引进植物。工程设计时应考虑生物的多样性以及生物间的相互作用，这对该系统能否自然循环有着重要的影响；生物结皮仍处于试验阶段，但已取得了较好的效果。就目前而言，很多研究人员仍人为的选择几种优势种，而这恰恰是“三北”防护林的失败之处。自然结皮，不论哪类结皮都是一个复杂的共生体，每种物种都有其自身的优势和作用，共同完成结皮，所以生物结皮固沙研究应以结皮共生体为主要研究对象以及如何快速的建立地衣苔藓高等结皮；

（3）生物固沙材料的设计应在遵循自然循环的规律上满足固沙工程的需求。鉴于土壤形成过程、生物结皮的理化结构和戈壁荒漠植物生长分布特点，采用生物可控降解材料，设计出仿生非均质/相固沙生物材料。该固沙生物材料在兼具固沙的同时，也是高等结皮物种共生体的营养基，目的在于加速土壤形成的速度，在初期就形成健康的土壤环境，以确保固沙先锋植物的正常生长。该材料应打破目前人工藻类结皮技术的使用局限，在运用中可实际的调节组成和分布结构，增强抗机械干扰能力，并且形成特定的非均相结构，使较高一级植物更容易入侵。关于共生体种源是一次接种，还是模拟自然过程在每一阶段接种该阶段出现的物种，仍有待研究确定；

（4）沙漠治理是一项耗时耗力耗财的工程，如果工程本身无法产生良性的经济循环，可以预见工程是无法长时间持续的，因此科研工作者在研究沙漠治理工程措施的同时，应考虑经济效益的产生模式，如治沙工程与土著经济作物相结合、治沙景观与旅游业相结合等。沙漠治理是多学科交叉的综合学科，如何将各学科更加系统的相互渗透，指导实际应用，将是一项任重道远的使命。

【参考文献】

[1] 李建法，宋湛谦.荒漠化治理中应用的有机高分子材料[J]，林业科学研究，2002，15（4）：479-483.

[2] 王丹，宋湛谦等.高分子材料在化学固沙中的应用[J]，生物质化学工程，2006，40（3）：44-47.

[3]S AKATA T, NAKABAYASH I M, YDSHNAR I H. Plastic material for stabilizing soils: U S 3 495 412[P].1970.

[4] 李建法.新型高分子沙土稳定材料的研制与应用[D]，中国林科院产化工研究所博士学位论文.2003：18-123

[5] 杨明，张丽丹，离洪奠猷等.固沙剂的合成与水溶性研究[J]，北京化工大学学报：自然科学版.2003，30（4）：81-84.

[6] 华水波，杨逵，王爱勤.聚（丙烯酸—co—丙烯酰胺）/膨胀蛭石/腐殖酸钠复合吸水性树脂的溶胀和缓释性能研究[J]，中国农学通报，2008，24（5）：443-447.

[7] 王银梅.新型高分子固化材料在治沙工程中的应用研究[博士论文D].兰州：兰州大学，2004.

[8] 王银梅，韩文峰，谌文武.化学固沙材料在旱地沙漠地区的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15（2）：78-81.

[9] 王体朋，毛志怀.液化玉米秸秆基固沙剂控制土壤风蚀实验[J].农业机械学报，2010，41（4）：36-40.

[10] 赵水侠，王来来.有机硅氧烷预聚体的合成及其在化学固沙中的应用[J].应用化学，2011，28（7）：753-758.

[11] 梁凌云，毛志怀，王体朋，等.基于天然高分子的环境友好材料研究¹（Ⅰ）玉米秸液化条件的筛选[J].中国科技轮在线：http://www.paper.edu.cn.

[12] 周丹丹.生物可降解聚乳酸（PLA）材料在防沙治沙中的应用研究[博士论文D].内蒙古农业大学，2009.

[13] 葛学贵，黄少云，马广伟，等.环境矿物、SAP、化学固沙浆材综合治理荒漠初探[J].岩石矿物学杂志，2004，20（4）：511-514.

[14] 汪骏.木质素固沙高分子材料交联反应的研究[硕士论文D].南京林业大学，2011.

[15] 谢建军，陶国华，罗迎社.我国高吸水树脂发展中存在的问题与趋势[J].精细化工中间体，2008，38（4）：7-11.

[16] 张明杰，李和平.吸水性淀粉接枝共聚树脂的研究进展及应用[J].辽宁化工，2006，35（1）：652-655.

[17] 田巍，白福臣，李天一，等.吸水树脂的发展与应用[J].辽宁化工，2009，38（1）：38-42.

[18] 吴文娟.纤维素系高吸水性树脂的研究进展[J].纤维素科学与技术，2006，14（4）：57-61.

[19] 张留成，闫卫东，王家喜.高分子材料进展[M].北京：化学工业出版社，2005.379-384.

[20] Qian Zhiyong et al Synthesis characterization and in vitro degradation of biodegradable polyesteramide based on lactic acid[J].Colloid poly Sej2003，281：869-875.

[21] 童旭卿，张小红.生物降解高吸水性树脂的研究进展[J].广东化工，2005，5：1-3.

 [22] 林海琳，崔英德，杜林，陈建平.海藻酸钠复合吸水树脂的生物降解[J].化工进展，2006，25（6）700-703.

[23] 林健，牟国栋，李伟. 海藻酸钠—高岭土/聚丙烯酸—丙烯酰胺高吸水性树脂的制备及其性能[J].科学导报，2010，28（3）：55-58.

[24] Zhao Y，Tan T W. Poly (aspartic acid) super-absorbent rein produced by chemical crosslinking and physical freeze/thawing[J].Macromol Chem Phys，2006，207：1297-1305.

[25] 李贺敏，朱红军.聚谷氨酸高吸水树脂的表征[J].化工时刊，2006，20（9）：26-28.

[26] 刘静，金映红，杨超，等.利用60Co想、射线制备微生物聚谷氨酸类吸水剂及其吸水性能研究[J].离子吸附与交换，2007，23（2）：129-136.

[27] 张丹丽，邓雄飞，冯秀玲，等.氧化淀粉接枝水溶性固沙抑尘剂的性能研究[J].化工新型材料，2009，35（9）：8-10.

[28] 饶本强，刘永定，胡春香，等.人工藻结皮技术及其在沙漠治理中的应用[J].水生生物学报，2009，33（4）：756-759.

[29] 闫德仁，薛莹莹，韩凤杰，等.沙漠生物土壤结皮国外研究概况[J].内蒙古林业科技，2007，33（1）：39-42.

[30] 张元明，王雪芹.荒漠地表生物土壤结皮形成与演替特称概述[J].生态学报，2010，30（16）：4484-4492.

[31] 魏江春.沙漠生物地毯工程—干旱沙漠治理的新途径[J].干旱区研究，2005，22（3）：287-288.

[32] 饶本强，王伟波，兰书斌，等.库布齐沙地三年生人工藻结皮发育特征及微生物分布[J].水生生物学报，2009，33（5）：937-944.

[33] 唐进年，张盹明，徐先英，等.不同人工措施对沙质荒漠生态恢复与重建初期效应的影响[J].生态环境，2007，16（6）：1748-1753

[34] 刘虎俊，王继和，李毅，等.我国工程治沙技术研究及应用[J].防护林科技，2011，1：55-59.

[35] 林廷勇.一种固沙保水养植物绿化沙漠的方法[P].CN200510037065.4，2005.09.03.

[36] 李禄军.绿洲—荒漠交错带生物垫覆盖下沙丘土壤水分动态及预测[D].甘肃农业大学，2007.

[38] 盛沛.粘土型高吸水性复合材料的制备及其性能研究[D].武汉理工大学，2007.

[39] 刘荣. 依托退牧还草项目鄂尔多斯实施禁牧、休牧、划区轮牧快速恢复草原生态[J].内蒙古草业，2010，4：14-17.

[40] 王爱军，杨福贵，翟金玲.沙地不同造林模式固沙效果研究[J].河北林业科技，2010，4：18-19.

[41] 马占琼，郭海荣，等.古浪县腾格里沙漠林分衰败与可持续经营对策研究[J].农业科技与信息，2008，10：16-17.

[42] 胡春香，刘永定，宋立波，等.半荒漠藻结皮中藻类的种类组成和分布[J].应用生态学报，2000，11（1）：61-65.

[43] 杜宇.人工藻类生物结皮固沙效果的研究[D].内蒙古农业大学，2008.

[44] 付华龙.对沙化、沙漠化土地治理方法[P].CN03117131.12004.07.28.

[45] 张国林.微生物治理沙漠的方法[P]. CN02115873.8,2002.11.13.

[46] Zhang Y W，Wang X Q. Study on biological soil crusts in Junggar Basin. Beijing：Science Press，2008.

[47] 毕江涛，贺达汉.植物对土壤微生物多样性的影响研究进展[J].中国农学通报，2009，25（9）：244-250.

[48] 陆雅海，张福锁.根际微生物研究进展[J].土壤，2006，38：113-121.

     [49] Yang J, Kloepper J W, Ryu C M. Rhizoshpere bacteria help plants tolerate abiotic stress [J]. Trends in Plant Science,2010,14:1-4.