張子陽 姚利宏* 賈洪磊 郝祎帆 玉 霞

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)俄蒙進(jìn)口木材加工利用工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

農(nóng)林廢棄物屬于天然生物質(zhì)資源的一種，環(huán)境友好、可降解、可再生，主要包括麥稈、棉稈、鋸末、木屑等。農(nóng)林廢棄物主要由C、H、O、N等元素組成，有機(jī)質(zhì)含量高，添加至土壤中可改良土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)，調(diào)整土壤微生態(tài)環(huán)境，減少地表徑流，并能在微生物作用下保持有機(jī)肥料的特性。

農(nóng)林廢棄物數(shù)量巨大，秸稈資源年產(chǎn)量以億噸計(jì)[1]，每年約有1 400 萬t的廢舊木材被浪費(fèi)[2]，由于農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化利用技術(shù)不夠完善，大量農(nóng)林廢棄物被丟棄甚至焚燒處理，利用率低，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)增加了環(huán)境負(fù)荷。研究表明，秸稈還田有助于改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，調(diào)整土壤孔隙度和土壤容重，能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用[3-7]。由此可見，將農(nóng)林廢棄物用于沙化土地改良和治理具有一定的可行性。

1 沙漠化治理現(xiàn)狀

沙漠化作為全球主要的生態(tài)環(huán)境問題之一，其分布廣泛，破壞了植被和地表形態(tài)，增加了生態(tài)負(fù)荷，還會(huì)侵襲周邊村莊城鎮(zhèn)，影響人們的生產(chǎn)生活，甚至引發(fā)沙塵暴等災(zāi)害天氣。截止至2014 年，我國荒漠化土地總面積261.16 萬 km2，占國土面積的27.2%；沙化土地172.12 萬 km2，占國土面積的17.9%[8]。土地沙漠化嚴(yán)重影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和發(fā)展，是全球密切關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

常用沙化防治技術(shù)有工程固沙、化學(xué)固沙和生物固沙。工程固沙治理成效顯著，但因其造價(jià)較高，人工資源消耗大，防護(hù)年限有限，一般作臨時(shí)輔助用或在沙化嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)用。植物生態(tài)固沙由于沙化區(qū)域環(huán)境惡劣，植物生長周期較長，適生植物種類較少，多在沙化程度較輕的區(qū)域應(yīng)用，如在沙漠沿邊處設(shè)置植物體防護(hù)帶。化學(xué)固沙利用化學(xué)粘結(jié)作用或粘附作用等，使沙子與化學(xué)試劑共同形成具有一定保護(hù)作用的固結(jié)層，實(shí)現(xiàn)表層土壤的固化，在阻止風(fēng)沙移動(dòng)的同時(shí)，還可在一定程度上提升沙地保水性，其固沙效果顯著，見效快，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ墓躺臣夹g(shù)。沙化土地面積較大，生態(tài)條件較惡劣，農(nóng)林廢棄物作為生物質(zhì)材料符合成本低廉、成效顯著、環(huán)境友好等沙化治理材料的基本特點(diǎn)。因此，將農(nóng)林廢棄物用于沙化土地治理，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的再利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和生態(tài)意義。

2 工程固沙

工程固沙的原理是通過設(shè)置物理屏障改變沙化區(qū)域風(fēng)的流動(dòng)方向或降低地表風(fēng)速，從而減弱風(fēng)對沙丘的侵蝕，達(dá)到沙化治理的目的，如麥草方格、網(wǎng)袋沙障等。工程措施的基本途徑在于制止沙粒起動(dòng)、抑制地表風(fēng)蝕、加速風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)制風(fēng)沙流沉積、轉(zhuǎn)變風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)方向、變沙丘的整體運(yùn)動(dòng)為風(fēng)沙流的分散運(yùn)動(dòng)等[9]。

Lü等[10]針對流沙、稻草方格和礫石三種不同邊界層設(shè)置試驗(yàn)區(qū)，研究相同風(fēng)蝕條件下的輸沙率，發(fā)現(xiàn)不同邊界條件對沙粒輸運(yùn)速率的影響較大。其中，稻草方格表面沙粒運(yùn)輸速率最小，輸沙率與地表高度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，稻草方格可以有效減少風(fēng)蝕影響。盧立強(qiáng)[11]通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，研究了橫/縱向式葵花秸稈和玉米秸稈四種沙障的防風(fēng)固沙效能。結(jié)果表明，兩種形式的沙障均能有效降低地表風(fēng)速，秸稈殘?bào)w積聚分解還可促進(jìn)土壤內(nèi)部形成豐富營養(yǎng)層，起到土壤調(diào)理劑的作用。此外，與其他三種形式的沙障相比，縱向式葵花秸稈沙障對沙化土地理化性質(zhì)的改善作用最為明顯。高云昌等[12]對河北省沙化土地由重度向中度、輕度逐級減輕的有效沙化治理措施分析發(fā)現(xiàn)，在沙化嚴(yán)重的流動(dòng)沙地，主要采用以農(nóng)林廢棄物材料，如柴、草、樹枝、黏土、卵石、板條等為主設(shè)置的沙障來抵御風(fēng)蝕，達(dá)到防風(fēng)固沙的目的。金紅喜等[13]對高寒草甸地區(qū)防沙治沙綜合治理措施分析總結(jié)，得出農(nóng)林廢棄物鋪設(shè)草方格配合扦插山生柳+種草措施是當(dāng)?shù)馗吆莸榛謴?fù)治理的最優(yōu)模式，主要用于對流動(dòng)沙地、半固定沙地沙化程度嚴(yán)重區(qū)域的治理。在草方格保護(hù)下，植物成活率提高，覆蓋率達(dá)到52%。鄢武先等[14]對川西北地區(qū)防沙治沙試點(diǎn)示范工程的治理措施及成效分析總結(jié)，得出農(nóng)林廢棄物，如稻草、麥草等秸稈資源編制的草簾沙障及柳條、竹簾沙障、生態(tài)袋沙障是適宜川西北地區(qū)流動(dòng)沙地和半固定沙地的4種主要沙障，將其按不同規(guī)格用于不同沙化區(qū)域流動(dòng)程度，能產(chǎn)生較好的沙化固定效果。歐平貴等[15]以阿壩州為例，針對不同沙化類型、沙化程度總結(jié)出適宜南方地區(qū)的有效沙化治理方法，提出了采用高山柳灌木枝條編制沙障配植高山柳苗和草種，并撒施牛羊糞的配套治沙措施，以實(shí)現(xiàn)一年把沙固定，兩年沙地變綠，三年柳樹成行，五年成為稀疏林與草結(jié)合的治理效果。肖冰雪等[16]以農(nóng)林廢棄物燕麥莖稈為原料在若爾蓋轄曼牧場沙丘的重度、中度沙化區(qū)域分別設(shè)置高立式沙障和半隱式沙障，用于防風(fēng)固沙，同時(shí)攔儲水分，該方法治理成效明顯，沙化速度得到有效遏制。靳敏生[17]對寧夏紅寺堡灌區(qū)沙化防治主要措施分析總結(jié)，得出在流沙地、地表浮沙嚴(yán)重又沒有灌水條件區(qū)域，采用人工扎規(guī)格50 cm× 50 cm的麥草草方格的方法，在草方格內(nèi)配植檸條等耐旱植物，可進(jìn)一步強(qiáng)化抑制沙粒滾動(dòng)的作用，經(jīng)濟(jì)成本較低、效果較好。熊曉紅等[18]對黑龍江墾區(qū)三江地區(qū)的沙化治理成果分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)實(shí)行秸稈還田，可增加沙地腐殖質(zhì)含量，能有效控制沙化。

農(nóng)林廢棄物在工程固沙技術(shù)中多用于沙化程度嚴(yán)重的流動(dòng)沙地和半固定沙地，主要采用編制沙障的形式，配植耐旱灌木和草種噴播措施，在自然降雨和人工養(yǎng)護(hù)作用下，通過提高植物成活率，改善沙化土地土壤理化性質(zhì)，增加土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀等元素的含量達(dá)到防風(fēng)固沙的目的，其治理成效顯著，能有效遏制沙粒滾動(dòng)。

3 化學(xué)固沙

化學(xué)固沙是將有膠結(jié)或吸附等特性的物質(zhì)噴施在沙土表面，滲流進(jìn)入沙土孔隙，以化學(xué)鍵合或吸附作用等的形式使沙土表層形成固化層。在下滲過程中，部分膠結(jié)粒子被沙粒吸附，隨后經(jīng)過水分蒸發(fā)干燥，膠結(jié)粒子間自由空間減小且相互擠壓融合，在沙土的孔隙中相互連結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)狀的膠體，宏觀上表現(xiàn)為整體形成具有穩(wěn)定機(jī)械強(qiáng)度的固結(jié)層[19-20]。固結(jié)層的形成極大減少了土壤表面松散小顆粒的數(shù)量，從而達(dá)到防止沙化土地表層土壤流動(dòng)，抑制沙化土地?cái)U(kuò)展的目的。

化學(xué)固沙材料依據(jù)化學(xué)成分主要?jiǎng)澐譃橛袡C(jī)、無機(jī)、有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固沙材料[21]。其中，有機(jī)類與有機(jī)-無機(jī)復(fù)合類材料生態(tài)相容性較好，成為固沙材料的研究熱點(diǎn)。有機(jī)類固沙材料主要分為石油類、高分子類、高分子聚合物類等[22]。由于多糖類高分子材料具有無毒、對環(huán)境友好、易降解的性能，常被用做土壤調(diào)理劑[23-24]。

魯小珍等[25]以麥草燒堿法和麥草亞硫酸鈉-甲醛法得到的兩種制漿黑液為原料，經(jīng)化學(xué)改性制備了兩種木質(zhì)素固沙材料，以材料濃度、劑量對沙結(jié)皮厚度及植物生長的影響開展試驗(yàn)。結(jié)果表明：所制備的兩種固沙材料在沙土表層形成結(jié)皮的時(shí)間為1 d，成本較草方格可節(jié)約57%～78%，當(dāng)年植被即得到恢復(fù)，防風(fēng)固沙的同時(shí)起到了改良沙化土壤的作用。吳雅睿等[26]采用羥甲基纖維素鈉和丙烯酸進(jìn)行聚合，制備得到了一種高分子聚合物，其吸水、保水特性優(yōu)良，可適應(yīng)弱酸弱堿環(huán)境，降解性好。野外試驗(yàn)表明，該材料能提高沙漠中植物的存活率，有效改善區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)兼具便捷經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。金永燦等[27]以麥草燒堿-蒽醌制漿廢液為主要原料，分離純化得到麥草堿木質(zhì)素和麥草半纖維素。試驗(yàn)表明：木質(zhì)素純化后制備的固沙材料較制漿廢液直接制備，其抗壓強(qiáng)度得到了改善，材料表現(xiàn)出良好的固結(jié)性能和吸水保水功能，無毒無害。以純化后的半纖維素為原料，采用相同的方法制備固沙材料，發(fā)現(xiàn)麥草半纖維素具有優(yōu)良的固沙特性，同時(shí)利用制漿廢液制備固沙材料時(shí)，半纖維素對木質(zhì)素與尿素的反應(yīng)存在一定牽制作用。楊明坤等[28]將羧甲基纖維素鈉與丙烯酰胺進(jìn)行接枝共聚，制備得到了一種纖維素基固沙劑，該材料噴施于沙樣后形成的固化層表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)度和保水性，7次水蝕試驗(yàn)后仍可恢復(fù)。研究表明：丙烯酰胺添加量過多時(shí)，所得材料的水溶性較差，固化層厚度過?。欢０诽砑恿窟^少時(shí)，則所得材料的黏度較高，固化層強(qiáng)度不夠，耐水性較差。纖維素鏈中引入丙烯酰胺中的強(qiáng)親水性基團(tuán)氨基，可使材料獲得優(yōu)異的保水耐水性。何秀院[29]以麥秸為原料，經(jīng)亞銨＋亞鉀＋亞硫酸鎂蒸煮得到制漿廢液，通過抗風(fēng)蝕測試、抗壓強(qiáng)度測試及植物生長測試，發(fā)現(xiàn)該制漿廢液是一種良好的固沙保土有機(jī)肥，其無毒、無色、無味，環(huán)境友好。野外應(yīng)用試驗(yàn)表明：其固沙效果明顯，固沙層耐高溫、耐寒，固沙時(shí)間可達(dá)5～8 a，自然降水時(shí)沙結(jié)皮逐漸下滲軟化增厚，可供植物種子或根部吸收利用。

Wang等[30]將液化玉米秸稈用于防治風(fēng)蝕，分別在風(fēng)洞中對沙化土和耕作土做對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：使用液化玉米秸稈后，土壤表面形成固結(jié)層，風(fēng)蝕率下降，具有良好的風(fēng)蝕防治作用。王宣等[31]將棉稈粉碎后作為有機(jī)填料添加至膠凝材料水泥中，通過測試復(fù)合材料的保水、耐水性能探究棉稈顆粒在復(fù)合材料內(nèi)的水分遷移情況及其抗凍機(jī)理，進(jìn)而評價(jià)棉稈用于固沙材料制備的可行性?？拙S青[32]以玉米秸稈為原料，經(jīng)堿處理后，與丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺聚合合成玉米秸稈基新型固沙抑塵劑。熱重分析表明：該材料熱穩(wěn)定性良好；性能測試表明：該材料具有良好的親水保水性，風(fēng)蝕、水蝕、凍融、降解性優(yōu)良，可滿足實(shí)際應(yīng)用需求。Wang等[33]采用酸堿處理法從玉米秸稈中提取得到纖維素，與聚乙烯醇進(jìn)行水溶液聚合合成了一種纖維素基抑塵劑，通過測試發(fā)現(xiàn)，該抑塵劑表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和抗風(fēng)蝕性，且成本較低，具有廣闊的應(yīng)用前景。馮航航[34]以柚子皮粉末和高嶺土為填料，聚乙烯醇為基材，草酸為交聯(lián)劑，利用一鍋法共混制備了一種有機(jī)-無機(jī)復(fù)合化學(xué)固沙材料，并模擬自然環(huán)境分別測試其進(jìn)行紫外老化、凍融老化、熱老化后的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明：該材料固沙效果優(yōu)良，并能應(yīng)對各類復(fù)雜的自然環(huán)境。尹應(yīng)武[35]以葵花秸稈為原料，制成的生物基磺酸鹽為固沙劑，噴施在沙化土表面可形成較好的固結(jié)層，沙化治理效果顯著，且施工便捷經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，該材料也可作為一種微生物營養(yǎng)基，在保留土壤原有菌群前提下，增加有益菌群，施用于沙化土壤中，能促進(jìn)微生物生長，改善土壤生態(tài)。

農(nóng)林廢棄物在化學(xué)固沙技術(shù)中的應(yīng)用主要是以主成分木質(zhì)素和纖維素為基礎(chǔ)進(jìn)行化學(xué)改性，或以有機(jī)填料的形式使用，通過接枝共聚、縮合等反應(yīng)改善木質(zhì)素耐久性較差、水蝕性較差等缺點(diǎn)。選擇農(nóng)林廢棄物為原料，可避免成本較高、不適用于大面積防沙治沙應(yīng)用等問題。

4 生物固沙

傳統(tǒng)生物固沙主要指借助植物體構(gòu)建生物體屏障以降低地表風(fēng)速，抵抗風(fēng)蝕，防止沙化面積擴(kuò)展進(jìn)一步惡化，同時(shí)保持沙化土地生物多樣性以實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙。王健等[36]基于稻麥秸稈化學(xué)組分分析，分析了傳統(tǒng)應(yīng)用模式中秸稈資源利用方式，秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物富含利于植物生長與土壤增肥的營養(yǎng)元素，能提升土壤微生物活性，有效改善土壤理化性質(zhì)和微環(huán)境系統(tǒng)，抵抗水蝕、風(fēng)蝕等。隨著生物技術(shù)的引入，現(xiàn)在生物固沙也包括利用微生物、菌類等對土壤的板結(jié)作用，將其添加至沙化土壤或固沙的載體中以促進(jìn)沙化土地板結(jié)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)固沙。微生物土體改性是基于微生物可以在多孔介質(zhì)中生長、運(yùn)移和繁殖的特點(diǎn)，通過微生物代謝活動(dòng)誘發(fā)或控制土體中一系列化學(xué)反應(yīng)以改良土體性質(zhì)[37]。本文主要介紹以農(nóng)林廢棄物為載體接種微生物、菌類等的治沙方法。

沈淞濤[38]以若爾蓋高寒沙化土地為研究對象，分析了農(nóng)牧廢棄物的添加對土壤理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和沙粒孔隙等的變化，指出秸稈和菌渣的添加能改善土壤微環(huán)境，提升土壤保水力和保肥力，并且這種改善作用會(huì)隨著時(shí)間增加而增加。秸稈、生物炭、菌類等的改良效果對比發(fā)現(xiàn)，由于秸稈富含有機(jī)質(zhì)，施用效果最佳。劉陽等[39]利用植物脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的原理，從大豆中提取脲酶，與鹽溶液混合后制成膠溶液，噴灑在沙樣表面后對表面強(qiáng)度、風(fēng)蝕強(qiáng)度、保水性等產(chǎn)品性質(zhì)與性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明：大豆脲酶中的蛋白質(zhì)等物質(zhì)提供的黏結(jié)作用實(shí)現(xiàn)了表層土壤固化的目的，同時(shí)誘導(dǎo)形成的碳酸鈣進(jìn)一步強(qiáng)化了固沙效果，但存在耐久性差的缺點(diǎn)。王愛平等[40]以木質(zhì)纖維輔以羊糞、素土和水等按一定比例組成堆肥系統(tǒng)，接種有效生物菌劑，并加入一定活性劑，經(jīng)熟化處理制成生物堆肥，噴播在沙丘上，在自然降水和人工養(yǎng)護(hù)條件下觀察植物的生長狀態(tài)。結(jié)果表明：該方法可明顯改善土壤理化性質(zhì)和沙丘的沙粒結(jié)構(gòu)，若配植沙生植物，對沙漠化治理更加有效。張哲超等[41]通過對比施用秸稈生物炭、接種AM真菌和聯(lián)合改良三種處理方法對沙化土壤改良的作用效果，發(fā)現(xiàn)生物炭接種真菌的方法改良效果更好。同時(shí)，研究表明，秸稈生物炭施用能夠改善土壤基質(zhì)環(huán)境，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，真菌在單獨(dú)施用的時(shí)候會(huì)與原有微生物群落存在營養(yǎng)物質(zhì)爭奪，玉米秸稈生物炭的添加減緩競爭的同時(shí)為土壤提供了一定的營養(yǎng)基礎(chǔ)。薛花[21]將農(nóng)林廢棄物玉米芯、闊葉樹枝等與有機(jī)肥、腐殖酸混合后在體系中加入菌種，室溫下培養(yǎng)制備得到固沙原料，再在表面噴灑聚合物固沙材料，將其添加到沙土中混合均勻后，分別進(jìn)行土壤理化性質(zhì)、應(yīng)用性能、固沙穩(wěn)定性測試。結(jié)果表明：該材料可改良沙土土壤結(jié)構(gòu)，改善沙土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和沙土孔隙度等，能有效抵抗風(fēng)蝕，固沙效果明顯。

近年來，不少學(xué)者引入微生物菌群用于防風(fēng)固沙，主要是針對將單一菌種、苔蘚結(jié)皮等提取培養(yǎng)用于板結(jié)流動(dòng)沙丘固沙的研究[42-46]。雖然微生物固沙是一種新的有效的沙化治理途徑，但農(nóng)林廢棄物與菌類結(jié)合用于防風(fēng)固沙的研究相對較少。理論上，將農(nóng)林廢棄物處理后接種可板結(jié)沙化土地的菌種能夠?qū)崿F(xiàn)固沙的效果，有望能夠起到實(shí)現(xiàn)“化學(xué)+生物”的雙重固結(jié)作用。

5 結(jié)論

目前農(nóng)林廢棄物在防風(fēng)固沙領(lǐng)域的應(yīng)用形式主要為農(nóng)林廢棄物編制沙障、提取纖維素做改性處理等。農(nóng)林廢棄物在防風(fēng)固沙方面的利用技術(shù)可從以下三個(gè)方面進(jìn)一步拓展：

1） 農(nóng)林廢棄物編制沙障對風(fēng)蝕沙化可起到有效遏制作用，具有原料成本低廉且生態(tài)可降解特性，但不利于機(jī)械化技術(shù)的引入，人工成本較高，應(yīng)建立農(nóng)林廢棄物形態(tài)、力學(xué)特性和編制沙障的規(guī)格、尺寸與流動(dòng)沙丘抗風(fēng)蝕率三者之間的模型關(guān)系以優(yōu)化編制工藝；

2） 農(nóng)林廢棄物以主成分纖維素、木質(zhì)素等改性后的產(chǎn)物來防風(fēng)固沙，應(yīng)對將農(nóng)林廢棄物直接改性用于沙化治理的可行性、成效性進(jìn)行研究評價(jià)，綜合對比其主成分提取工藝耗損及治理成效，分析農(nóng)林廢棄物直接改性用于防風(fēng)固沙的可行性；

3） 農(nóng)林廢棄物自身降解能改善土壤結(jié)構(gòu)，接種菌種、配施有機(jī)肥后改良效果更佳，應(yīng)探究農(nóng)林廢棄物單獨(dú)施用后對沙化土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、土壤菌落及沙土孔隙的影響，以便創(chuàng)新農(nóng)林廢棄物用于防風(fēng)固沙的途徑。