化学固沙关键技术研究与应用

化学固沙关键技术研究与应用

温学飞，男，1972年生，宁夏盐池人，中国共产党党员，副研究员，农业推广硕士，从事干旱区草地生态、牧草利用、沙漠化防治及沙产业开发等领域的研究工作。主持项目15项，参与项目50项。发表科研论文60余篇；参与专著编写3部；参与制定地方标准5项；获实用新型专利4项。获国家科技进步奖二等奖1项，宁夏回族自治区科技进步一等奖1项，宁夏回族自治区进步二等奖2项，宁夏回族自治区三等奖2项；宁夏青年科技奖励(2010年)1项。

1文献综述

11沙漠化形成的过程

12我国沙漠和沙地现状

13土地沙化的危害

14沙漠化的综合治理

2化学固沙剂性质及固结层的基本特征研究

21宁夏风成沙的性质

22化学固沙剂材料与方法

23结果与分析

24固沙剂流体动力学研究

25结论

3固化沙体的基本特征研究

31材料与方法

32结果与分析

33结论

4固沙剂对土壤内部温度的影响

41材料与方法

42不同固沙剂之间对沙堆内部温度的影响

43讨论与分析

5化学固沙剂对小叶锦鸡儿出苗的影响

51材料与方法

52结果与分析

53结论

6化学固沙机理研究

61材料与方法

62谱图分析

63固沙机理

64显微镜观测

65结论

7化学固沙剂引进应用评价

71材料

72评价指标体系构建与方法

73化学固沙剂引进筛选评价

74结论

8化学综合固沙技术研究

81研究区概况及调查方法

82化学综合固沙探索试验

83化学-植物固沙技术研究

84化学-植物固沙技术多样性研究

85化学-草方格复合固沙技术试验

86结论

9结论与讨论

91结论

92存在问题

93讨论

参考文献

前言
化学治沙始于20世纪30年代，初是由沙漠中的钻井工人和勘探人员为了保证生产的正常进行和保护设备与人员的安全而把原油喷洒到沙丘表面产生的。化学治沙技术是指在风沙环境下，利用化学材料及工艺，在易发生沙害的沙丘或沙质地表建造一层具有一定结构和强度的能够防止风力吹扬同时又可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、提高沙地生产力的目的。由此可见，化学固沙技术，包含了沙地固结技术和保水增肥两大内容，它和植物固沙相结合可大大提高植物的成活率。化学固沙可机械化施工，简单快速，固沙效果立竿见影。尤为适宜于缺乏工程固沙材料和环境恶劣、降雨量稀少、不易使用植物固沙技术环境恶劣的地区。
针对目前国内众多的化学固沙剂种类，通过对众多化学固沙剂固沙性能和效果进行检测，分析化学固沙剂基本性质，了解化学-生物固沙对退化沙地综合治理效果，筛选出比较适宜的固沙剂品种，以期制定科学的化学-生物固沙技术，为工程治沙提供技术依据。本书是课题组成员集体努力的结果，也是多年辛勤工作的成果。本书内容集成了自治区科技支撑项目“化学固沙剂对退化沙地治理技术研究”、宁夏农林科学院自主研发项目“化学固沙剂对植物生长及土壤环境影响” 和自治区自然基金项目“化学固沙剂的固结层固化性质的研究”三个项目的主要成果。就化学固沙剂的基本特性、固沙技术、固沙工程实践及固沙机理等进行全面系统的总结。
在整个试验研究过程中，特别感谢科技厅社发处田建文处长大力支持并给予指导，感谢宁夏大学农学院许冬梅教授给予诸多的帮助与建议，以及修改；感谢荒漠化所全体同事以及项目组成员等给予的热心帮助，从野外数据的采集、室内样品的分析到数据处理，都付出了艰辛的劳动和努力。感谢陶莲编辑对于本书的悉心审稿、编辑。后，感谢我的父母、爱人和儿子，在我人生的道路上始终默默支持我，鼓励我，感谢他们这些年为我付出的一切，亲人的激励使我在今后工作、生活中继续努力!本书成书时间仓促，不妥之处和疏漏，敬请各位同仁批评指正。

著者2018年12月

1文献综述
11沙漠化形成的过程
沙漠主要是指干旱缺水，植物稀少的地区，土地表面完全被沙所覆盖，该区域大多是沙滩或沙丘，沙丘之间有面积不等的丘间低地相互连接，构成了连绵起伏的浩瀚沙海。沙漠对人类造成极大的危害，首先包括风本身对风沙区的农作物、牧草，道路、工程以及人类居住环境等造成很大的损害和经济损失；其次，是指风力作用对干旱区域的特别是疏松沙质的侵蚀，细小沙土的搬移、输送以及沉积，沙丘的形成、发育和移动。沙漠的形成、发展与变化，可以说是由于多种因素共同作用的结果。
图1-1沙漠成因示意（赵正华，2006年）
沙漠的形成（图1-1）：主要是由于自然与社会两方面的作用。自然因素主要由当地特定的地质地貌、独特的气候以及地球运动等作用；社会因素主要是人类在从事生产过程中，追求经济效益，过度的生产活动，破坏了当地的生态系统，造成脆弱的生态系统严重失衡。自然因素与社会因素对沙漠的形成作用各有不同：其中，自然因素是起主要的作用，也是沙漠形成的基本因素；社会因素是起到次要作用，对沙漠的形成是次要因素。但是，在一定时空内，往往人类的社会生产活动所造成的后果远比自然变化过程中作用更直接与更剧烈的多。沙漠化主要是发生在脆弱的生态系统下（半干旱及干旱生态系统），由于人为过度的农牧业生产活动，破坏其平衡。过度的人为活动作用下，流沙开始出现，并呈斑点状扩大分布，在风力的作用下沙丘不断前移，并且入侵草地、农田以及道路。土地沙漠化的成因尽管是以人为农牧业生产活动作为诱导因素，但也有潜在的气象和地质等多种自然因素作为其发生的动力基础，只有两方面的结合才能造成干旱地区沙漠化向前的发生与发展。人与自然的关系是人类生存与发展的基础的关系，干旱风沙区生态系统具有脆弱而易破坏的特性，人类生产活动对沙漠的形成以及演变产生了重要的作用，因此，在改造治理沙漠、开发利用沙漠过程中，必须尊重自然规律，利用自然规律，通过科学方法与技术手段来恢复和建立沙漠复合生态系统，掌握适度利用原则，从而实现人与自然的和谐共处可持续发展。
12我国沙漠和沙地现状
我国荒漠化面积占全球荒漠化总面积的75%，约占国土面积的273%。我国大规模的沙漠考察研究工作是从1957年开始。根据王国强资料，中国现有荒漠化土地267×106km2，占国土面积的279％，其中风蚀荒漠化1873×106km2；土壤盐渍化173×105km2；冻融荒漠化363×105km2。荒漠化土地分布范围很广，从干旱地带到湿润地带，分布于18个省区471个县（旗）。另据朱震达资料表明：沙漠及沙漠化土地总面积为153×106km2，其中沙漠总面积809×105km2，其中流动沙丘约441×105km2，约占总面积的546％。据原国家局1994年5月至1996年3月组织的全国沙漠化普查结果表明：沙漠、沙漠化土地及风沙化土地总面积为1 714 17903km2，占国土总面积的1785％，其中沙漠面积为483 217755km2；戈壁为710 730473km2；风蚀残丘为31 976636km2；沙漠化土地面积为434 221262km2，占2533％；风沙化土地面积为54 032913km2，占315％。沙漠和沙漠化给我国农业、工业等生产活动、人民生存、生产、生活带来了严重的影响，目前我国约有3亿多人口遭受沙漠化的危害。同时目前我国沙漠化土地每年仍以3436km2的速度在继续扩展（图1-2）。
图1-220世纪我国沙漠化土地发展动态
13土地沙化的危害
土地沙漠化不仅导致了土地的严重退化，而且也直接给农牧民造成了巨大的经济损失，它不仅是一个环境问题，还是一个社会、经济问题。沙漠化的危害及其产生的灾害将是持久和深远的，土地沙漠的危害主要体现在几个方面，一是直接造成农牧业的生产受到危害，衰退了土地肥力，土地生产力也在不断下降。我国耕地因沙漠化退化面积达到7733hm2,占整个沙区耕地面积的40%。由于风蚀现象,造成土壤有机质和养分损失严重，导致了土地生产力的严重衰退，个别地方亩产只有几十斤。另外，沙漠化还对牧业生产造成直接损害，同时，草地植被生物多样性受到损害，优质牧草减少，劣质牧草数量增加。二是给当地民众经济上带来的巨大损失，加剧贫困人口数量，是当地经济越来越落后。我国沙漠化地区社会经济主要以农牧业生产为主，沙漠化所造成的农田减产，畜产品质量下降，造成经济上的损失。三是缩小了民众生活的空间，我国北方干旱地区生态环境脆弱，在巨大的人口压力下，土地沙漠化问题较为突出。土地沙化缩小了我们原本就不充裕的生存空间，使数万农牧民被迫沦为生态难民。四是生态上的恶化，沙漠化形成破碎化和隔离化；同时也造成物种种群以及群落结构受到破坏甚至消失，结果就是物种生产能力降低，加剧了生态环境的恶化，从而造成对环境的进一步破坏。
14沙漠化的综合治理
土地沙化是影响人类实现可持续发展的十大环境问题之一。人类只有采取包括社会、经济、法律、技术措施在内的综合措施体系，才能有效地预防和防治土地沙化。国内外学者将治沙措施分为生物固沙、工程固沙（机械）措施和化学固沙措施三大类。按照使用材料的不同，固沙技术分为三大类，即通常所说的物理固沙、化学固沙和植物固沙。目前，固沙常用技术主要有工程(或物理、机械)固沙、植物固沙、化学固沙及综合固沙。
固沙主要技术有以下几类：
141工程固沙
工程固沙通常采用机械材料在沙丘或沙地表面设置各种形式的障碍物，俗称机械沙障。通常采用农业秸秆、卵石、塑料板等材料在沙面根据需要设置各种类型的障碍物。沙漠中沙丘的前移以及流沙的运动，都是风力作用的结果。各种沙障设置能够使沙地表面粗糙度增加，直接影响近地表气流，从而控制了风沙流动的方向、速度以及结构，改变风蚀、沙埋的状况，阻滞了流沙移动的速度，从而防止风沙危害。
1411铺设草方格，建立立体栅栏
材料是风沙危害治理工程的基础，由于沙漠地区的特殊环境条件，工程固沙所需要的机械沙障，由于运输、成本、经济等问题，难以快速解决，给工程固沙带来一定的困难。因此，设置沙障主要是以就地取材较为普遍。在宁夏，沙漠地区距离农业区较近，农业副产品的麦草、稻草以及树枝等可以直接用来制作沙障。通过在沙丘表面设立不同的沙障的方法来改变下垫面风沙运行方向，并增加沙地表面的粗糙度，均能起到固定流沙移动，减轻风沙侵蚀的危害。这些技术既可以单独应用又可以组合运用，主要依据沙漠中沙丘形成规律以及危害程度加以选择应用。草方格沙障是应用当地的麦草、稻草等农作物秸秆材料直接用铁锹将其一半插入沙层内，一半外露在沙丘表面上，呈方格状的半隐蔽式沙障。
1412引水拉沙
该技术主要依靠沙区水源地比较近的地方，通过人工引水或机械提水冲拉沙丘，把沙丘推平等措施改造沙丘为田地，就叫引水拉沙造田。造田一般应选择水源充足的地区，拉沙造田的田块应规划在低于水源地下游和渠道附近地形开阔之处。需要改造成田的地方，首先要对水渠的布置科学合理，好以先远后近，先高后低的原则，并做到与地形地势结合，以便保证整块田地的平整，便于作业生产。总之，拉沙造田应根据沙区具体情况，因地制宜，灵活布局。
142植物固沙
植物治沙主要是在沙漠地区进行天然植被的管护抚育和更新利用，以及人工种固沙植物，有效巩固和扩大沙漠地区植被覆盖度，减少风沙的危害，同时也提高了土地的生产力水平，达到除害与兴利相结合的目的。植物治沙措施主要包括飞播植物固沙、防风固沙林带固沙、封沙育林育草固沙和荒漠藻类固沙等。
1421飞播植物固沙
飞播是利用飞机将预先处理好的固沙植物种子撒播在地表，使植物种子在自然条件发芽、成活、生长。飞播造林主要是在视野开阔，水分条件较好的大面积荒山、荒沙之上、广泛采用的固沙措施。飞播造林区域范围由年降水量300～400mm的半干旱扩展到年降水量100～200mm的干旱区。飞播固沙可以有效改善沙区生存、生活和生产环境，也促进了沙区农业的发展。飞播2～3年后，播区已成为优质灌丛牧场和固沙植物采种基地。目前在半干旱区，飞播是固定流沙的一种有效手段。我国飞播治沙始于1958年7—8月，先后在陕西、甘肃、青海、新疆维吾尔自治区（全书简称新疆）、内蒙古自治区（全书简称“内蒙古”）、宁夏6省区的沙区进行飞播造林种草试验。1974年，国家组织科技人员重新在毛乌素沙地东部榆林开展流动沙地飞播试验并取得了成功。通过多年试验实践积累，目前，我国已经形成了一套较成熟的飞播固沙技术。
1422防风固沙林带固沙
农田防护林是防护林的一种主要类型。凡是以一定的树种组成和结构，呈带状或网状配置在遭受不同自然灾害（风沙、干旱、干热风、霜冻等）侵蚀的农田上的人工林，称为农田防护林。在农田防护林的作用范围内，由于风速的减弱可以有效减少风沙的侵害。其次，能够减少近地表层的气温和土壤温度的变化，为农作物生长提供良好的生长环境。根据农田、水路、树林和道路总体规划，将农田防护林的主要林地配置成纵横交错的网状，即农田林网化。以农田林网为骨架，结合“四旁”植树、小片丰产林、果园、林农混作等形成完整的人工平原森林植物群体，即农田防护林体系。农田防护林是防护林的主要林种之一，是生态农业建设的重要内容。从20世纪50年代初开始，我国在西北、内蒙古等沙化地区大量营造农田防护林，40余年来农田防护林在防止风沙危害等方面发挥了重要作用，取得了显著的生态效益、经济效益和社会效益。
1423封沙育林育草固沙
封沙育林育草就是在生态脆弱沙地原有植被遭到破坏或有条件生长植被的地段，设置围栏将退化沙地围封起来，并根据植被生长状况合理利用，达到可持续发展，以促进天然植被的更新和恢复。在我国干旱风沙区，封育是常用的措施，通过封育后几年内即可使流沙地达到固定、半固定状态。沙化地区生态环境脆弱，人口普遍超过生态环境容量，加之生产经营方式落后，滥开垦农田、滥过度放牧、滥采伐薪柴现象普遍，不合理的人类活动往往对天然植被造成很大破坏，对沙化的发生与发展起了极大的推动作用。20世纪50年代以来，我国西北地区把“封沙育草，保护天然植被”作为防沙治沙的重要内容之一，并取得了显著成效。但后来由于种种原因，放松了对荒漠林和天然沙生植被的管护工作，使其屡遭破坏，其中以60—70年代破坏为严重，以至于出现了“边治理，边破坏，治理赶不上破坏”的状况。80年代以来，随着“三北”防护林体系建设工程的开展，封沙育林育草被放到应有的地位，给予植物以繁衍生息的时间，滥开垦农田、滥过度放牧和滥采伐薪柴现象在一定程度上得到了控制，使很多地区天然植被逐渐恢复，部分地区沙化扩展速度开始减缓。
1424荒漠藻类固沙
植物群丛的固沙作用，使得流沙表面大量地出现微生物及藻类形成的沙结皮，这些沙结皮呈紧密、层状结构，厚1cm左右，有黏性，抗风力很强。沙结皮固定沙表的面积超过了灌木群丛，占据了植物体之间的空地，起着十分重要的生态作用，藻类是植物群落演替时初阶段的先锋植物。研究认为，目前较适合沙漠地区条件的藻类有小球藻、蓝藻及螺旋藻等。这些藻类既有形成沙结皮固沙的生态作用，又有作为食品等获得的经济效益，而且便于人工培养，是今后沙漠地区发展的重要产业。沙表土样中的蓝藻具有较厚的胶鞘保护壳，从而保证它能在干旱地区生长发育，这也是它耐高温的基本因素。当前，国内外专家们正致力于利用藻类结皮与草、灌、乔木相配合，来营造结构优良的防风固沙生态系统，探索建立荒漠化生物综合治理的新模式。
1425农业生产中的防沙治沙技术
除上述四种技术措施外，在生产实践中已经探索总结出许多农业生产的防沙治沙成功经验，包括播种技术措施、耕作技术措施、田间管理措施以及种植方式等。这里以耕作技术措施为例，在开垦分布面积较大的覆沙地时，首先通过深翻耕，使土地上层沙与下层黏土掺和，既可提高土壤的通透性，起到为土壤透水、透气、保水、保肥的作用，同时又可以控制新垦沙荒地的土壤风蚀现象，减少土壤肥力的损失。乌兰布和沙漠北部垦区未采取翻沙改土措施前由于风蚀强烈，毁种毁苗达80%～90%以上；翻沙改土后，土壤风蚀量降低了50%左右，土壤物理黏粒含量增加，小麦产量增长近6倍。又比如灌区夏秋作物比重较大，收获后如何防止裸露耕地风蚀、保持肥沃表土和墒情，是沙土耕作的重要问题。横对主风向翻耕，可以增加地表粗糙度，对防止土壤风蚀有一定作用。实行秋灌或伏灌的沙土耕地，耕后耙碎大土块，使地面保持大量小土块，既解决了土块过大容易跑墒的问题，又可避免因土块过于粉碎而造成土壤风蚀。
143化学固沙
化学固沙始于20世纪30年代。化学固沙就是利用化学材料与工艺，对风沙危害地区易产生沙害的沙丘或沙地进行喷施化学固沙剂，使化学固沙剂与沙粒之间相互作用形成一层固结层。固结层具有以下功能:一是防风蚀、沙埋，固定了流沙的移动；二是减少土壤水分蒸发，保持土壤水分；三是改良沙地土壤，提高土地生产力；四是有利于促进化学固沙与植物固沙的结合。
1431国外化学固沙情况
化学固沙从20世纪30年代中期产生到现在,已有80年的历史，但真正取得较大进展和较多的应用，还是从60年代开始的，迄今也不过将近50年的时间。世界上已经有46个国家研制出100多种化学固沙试剂。化学固沙是随着干旱、半干旱地区工业、农业、牧业、交通、居民点以及军事基地的发展与建设的需要和石油工业、化学工业的发展而产生发展起来的，而且今后它将随着石油工业、化工工业和交通运输业的继续发展而得以迅速发展，并在沙漠治理工作中发挥其更大威力。
前苏联首先开展化学固沙试验研究，采用的试验材料为沥青乳剂，研究工作开始于1934年，1935—1940年在前苏联作物栽培研究所威海试验站共进行13次试验；1951—1952年再次在土库曼的法烈里林管区、阿什哈巴德铁路沿线、第聂伯河下游的丘鲁平斯克保护区和大库斑林管局的铁路和耕地附近进行试验。两次累计喷洒面积达6218hm2。1959年采用聚丙烯酰胺在库尔斯克沙地进行化学固沙试验。1969—1972年采用页岩炼油副产物涅罗森分别在卡拉库姆沙漠和克齐尔库姆沙漠进行固化学沙试验。
美国是在20世纪40年代末期开展化学固沙研究。1950年首次在美国加州的科思郡应用石油副产品乳剂开展化学固沙试验，随后又进行了几次防尘和固沙试验。近年来还将此乳剂作为防尘材料运在露天煤矿和汽车运输便道。后又有一些土壤学家对30多种有机和无机材料进行防尘试验中取得了大量研究成果。
英国于1960年以配合植树造林采用沥青乳剂进行化学固沙试验，1963年，在英格兰东部应用石油和橡胶乳复合固沙试验，成功地防止海岸沙丘的风蚀和水蚀。20世纪70年代以来，一种化学固沙方法——AS流沙固定技术因可以固定大面积因修筑公路等形成的流沙和两侧斜坡受到美国、日本、澳大利亚、以色列、苏联等国家得到青睐。AS固沙剂溶液喷洒在流沙上，可以形成稳定性和抗风性比较理想的凝聚型结构，使流沙固结成片，有效增加土壤保温性能，提高土壤水分，减少蒸发，为沙漠沙生植物的生存和生长创造了良好的生存环境，从而显著提高沙生植物的发芽率和成活率。
20世纪60年代以后，由于一些石油资源丰富的沙漠国家对化学固沙技术的重视。这项技术得到了进一步的发展和应用。例如：伊朗采用石油产品覆盖流沙技术，自1968年开始大规模的进行石油固沙，并建立了林业草场局的石油固沙队，专门实施此项工作，已在全国11个省建立了60多个固沙基地，加速流沙的固定；沙特阿拉伯也开展了石油产品固定流沙的工作，并在阿黑巴建立了专门的公司，自1977—1987年已经固定流沙600多公顷；利比亚利用化学固沙配合栽植阿拉伯桉树和胶树，树木生长良好，已营造起一条50余千米长的林带。
埃及利用化工废料中提取的聚合物固沙保湿剂，应用于当地农作物种植，起到良好的保护作用。比利时研制的油状沥青乳化保湿剂，促使沙土长时间蓄水保墒，达到固沙防风的目的，促使固沙植物的生长。卡拉库姆东南的列彼捷克沙漠试验站喷洒沥青乳液和页岩、焦油以固定流沙在布哈拉、乌拉尔和中亚天然气管道线两侧，有效地防止了铁路沙害。突尼斯结合培育饲林，在流沙固定后栽植松、柏、柳、桉树等试验了各种化学固沙方法。
1432国内化学固沙研究概况
我国开展化学固沙试验研究是从1956年开始进行了一系列综合性化学固沙研究工作，并取得了一定的研究成果。比如在包兰铁路的沙害地段及塔里木沙漠石油公路的试验路段，都进行过较大面积的化学固沙扩大试验和中间试验。1966年，原中国科学院兰州沙漠研究所在兰新铁路大风地段和新疆觉罗塔格山北坡等地进行了流动沙丘的化学固沙试验，试验材料主要是乳化沥青、造纸废液和水玻璃。20世纪80年代初，他们又在包兰铁路沙坡头试验站开展了乳化沥青(改性)、聚乙烯醇和聚酯乙烯乳液等多种化学固沙液的流沙固定试验。并于1982—1992年间在包兰铁路沿线进行了大面积的喷洒乳化沥青同时结合栽种固沙植物的“化学-生物固沙”试验研究。这一系列的试验都取得了成功：在经受了多年的风沙流侵蚀的考验后，固结层基本完好，沙面风蚀并不显著，也未被外来流沙所掩埋，起到了防治沙害的作用。在固沙液所加固的沙丘上，栽种的沙生植物的成活率可达70%。
1968—1970年，原铁道部铁道科学研究院西北研究所与呼和浩特铁路局合作，在位于乌兰布和沙漠边缘的包兰铁路k375和k369地段进行了化学固沙试验：在13万平方米的沙漠上喷洒木质素磺酸盐乳化沥青，并同时结合沙生植物的种植。经过3～5年后，固结层开始破碎，但固沙植物在化学固结层的保护下，存活率达80％，取得良好固沙效果。1982—1986年，他们又在包兰铁路线的k381～k386地段，进行了乳化渣油结合沙生植物的固沙试验，同样取得了很好的效果，固沙植物存活率在60％以上。
化学固沙新材料的开发研制工作在进入20世纪90年代后更是取得了显著的成绩，当然也暴露出一些问题有待解决。如90年代初在克拉玛依油田利用类似水泥的水硬性胶结材料进行公路固沙，虽然取得了一定效果，但难以恢复植被。另外，1995—1997年，中国农业科学院土壤肥料研究所与石油大学重质油研究所以及燕山石化公司研究院合作应用乳化沥青固沙效果，与其他类似固沙材料相比降低了50％左右，而且无毒害、无污染。
1433化学固沙材料的分类
化学固沙材料种类很多，按其化学组成来分，主要有无机固沙材料、有机固沙材料及有机-无机复合固沙材料3类。无机固沙剂包括了水泥和水玻璃两大类；有机固沙剂主要是由石油类产品、高分子化合物和一些生物、造纸废弃物再利用等。由于科技的发展，以及技术的进步，必然会有更多实用的新型固沙剂产品出现，来满足土地沙漠化治理的需求。