钟 帅，韩致文，李爱敏,4



GS-3生态固沙剂性能及其浓度对植物生长的影响

钟 帅1,2,3，韩致文1,2※，李爱敏1,2,3,4

（1. 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；2. 中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室，兰州 730000；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 菏泽学院资源与环境部，菏泽 274015）

该文研究试验一种高效、环保、较低廉的生态固沙剂，为沙漠化防治和生态修复提供新材料与技术储备。该文对GS-3生态固沙剂理化性能及其对植物生长影响进行试验，结果表明：GS-3生态固沙剂固结层渗透性良好，抗压强度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，质量变化较为小，抗风蚀性能良好；GS-3生态固沙剂对夏季地表高温有显著的抑制作用，并有效保持土壤水分，4.0%浓度乳液的固结层7月份0～5 cm土壤温度比对照组降低8.1 ℃，降幅达31%，8月份0～5 cm土壤含水量比对照组高2.8倍；GS-3生态固沙剂的保温、透气、保湿及隔离地表风沙流等特点，对提高植物出苗和促进植物生长作用显著；4.0% GS-3乳液试验区固沙效果最好，但3.0%浓度区植被盖度和生物量最大（是对照组的2.4倍和4.1倍）。综合成本和实际效果，3.0%浓度GS-3生态固沙剂具有较好的环境适应性，是库布齐沙漠及周边地区沙漠化防治如沙漠公路两侧防护、沙漠中基础设施周边沙害防护等的可选固沙材料之一。

固沙；植物；GS-3生态固沙剂；固沙剂理化性质；固结层强度；土壤环境

0 引 言

当前，沙漠化已成为影响人类社会发展的重要环境问题，人类的频繁活动导致生态环境破坏，沙漠化面积不断扩大。中国是世界上沙漠化严重的国家之一，截止2014年底，中国沙漠化总面积1.72×108hm2，涉及30个省（区）和920个县，约占国土面积的17.93%[1]。近年来，中国日益重视沙漠化防治，沙漠化防治技术发展较快，但仍有许多问题值亟待解决，如治沙技术与材料的标准化滞后，新技术新材料研发进展缓慢等，难以适应沙漠化防治和生态建设的需求。

防风固沙是沙漠化防治和沙漠治理的关键，根据技术手段划分主要有3类：工程固沙技术（又称机械固沙技术）、生物固沙技术和化学固沙技术。近年来，国内外学者对工程固沙开展了大量的研究并取得了众多重要成果[2-6]，工程固沙技术主要是利用枝条、秸秆、砾石等材料设置障碍物，增大地表粗糙度，以起到防风固沙的作用。近年来玻璃纤维网、尼纶网，HDPE网和植物纤维网等新材料沙障在防风阻沙领域应用研究已取得重要进展[7-11]。生物固沙技术的关键是根据适地适树原则选择合适的植物或微生物并建立有效的防护体系，但在荒漠化治理初期植被建设难度巨大[4]。

化学固沙是应用化学材料与施用工艺，在沙丘或沙质地表形成喷施形成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的技术措施。化学固沙在国外已经有80多年的历史，前苏联、美国、英国、沙特阿拉伯、利比亚及澳大利亚等国家开展了化学固沙的试验，均取得了一定的效果[12-13]。国内化学固沙始于20世纪60年代，对沥青乳液固沙剂的配方、喷施工艺、器械等进行了系统的试验研究，取得了一定成效。如在兰新铁路沙害地段及塔里木沙漠石油公路沿线进行过一定规模的化学固沙试验[14-19]。迄今国内已有几十种乳化沥青、高分子聚合物、无机材料等化学固沙材料，但是多数固沙剂对植物生长影响较大，材料成本相对较高，无法大规模推广应用[20-23]。

聚醋酸乙烯酯乳液俗称白乳胶[24]，简称PVAc，可应用作生态固沙剂。1937年聚醋酸乙烯酯乳液在德国首次投产，1945年美国为了弥补动物胶的不足开始大规模发展应用聚醋酸乙烯酯乳液，主要应用于木质品加工、胶粘剂以及涂料等方面[25]，2000年全球醋酸乙烯醋总产量已经达到4.98×106t[26]，聚醋酸乙烯酯由于分子量高、粘接强度大、无毒无味、安全环保且价格低廉，属于环境友好型胶粘剂，近年来广泛应用于卷烟、建筑、家具、皮革、胶粘剂、造纸以及涂料等行业[27-28]。为提高聚醋酸乙烯酯的耐水性、耐热性、耐寒性以及机械稳定性，有研究者对其进行改性研究。具有代表性的包括：Naghash等[29]用丙烯酸-2-乙基己酯（2-EHA）、三乙氧基乙烯基硅（TEVS）与醋酸乙烯酯共聚，得到了抗紫外线、耐溶剂的共聚物乳液。何中为等[30]，鲁琴等[31]分别用含氢聚硅氧烷与醋酸乙烯酯、羟甲基丙烯酰胺进行共聚，制得有机硅一醋酸乙烯酯复合乳液，提高胶膜拉伸强度。张心亚等[32]采用种子乳液聚合，在醋-丙乳液中引入乙烯基三甲氧基硅烷（A-171）单体，合成了A-171改性醋-丙乳液，得到了耐水性和耐寒性优异、机械和贮存稳定性优良的硅氧烷改性醋-丙乳液。目前国内外对聚醋酸乙烯酯或改性聚醋酸乙烯酯的制备及改性研究较多，应用于水土保持和沙漠化防治领域的研究较少，段立哲等[33]制备可溶性淀粉接枝丙烯酸（AA）/醋酸乙烯酯（VAc）乳液并进行实验室固沙试验，但未对其野外植被生长影响进行试验与研究。

GS-3生态固沙剂是一种改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（阳离子P（VAc-BA-DMC）乳液），无毒无味、安全环保、结合性和凝聚性较好，凝胶体的降解周期可控制，常温下能与水按任何配比互溶。该文对GS-3生态固沙剂理化性能进行测试分析，并在库布齐沙漠沙丘地表开展固沙及其对植物生长影响的试验，以期找到适合库布齐沙漠地区的、环保并且价格相对低廉的固沙新材料，从而为该地区沙漠化防治提供新思路和新方法。

1 材料和方法

1.1 供试材料

GS-3生态固沙剂：由中科院成都有机化学研究所提供，属于改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（阳离子P(VAc-BA-DMC)乳液），乳白色黏稠液体。

1.2 固沙剂实验室测试

固沙剂乳液颗粒粒径和黏度测定。黏度代表固沙剂的粘结能力，粘度越大，表示材料粘结力越好，但是粘度过大，也会影响固沙剂的喷施、下渗以及植物出苗等，粘度过小，又会影响固结层强度，因此，选择合适乳液的粘度是非常重要的。将乳液稀释至0.1%浓度，取1～2滴稀释后的乳液，滴加到铜网上，乳液晾干后，用2%的磷钨酸负染色，待铜网充分晾干后在TecnaiG220投射电子显微镜（由FEI香港有限公司生产）下测定样品中乳胶粒子的大小及分布情况。乳液粘度用涂-4粘度计进行测定。

固沙剂稳定性测试。取少量固沙剂乳液滴入装水的烧杯当中，再将烧杯放入10～70 ℃不同温度的恒温水浴中12 h，观察试样的沉淀现象。

固沙剂渗透性和耐水性测试。固沙剂良好的渗透性能有利于机械化快速作业，施工时乳液能迅速深入沙层，能形成一定厚度的固化层。较好的固沙剂透水性有利于雨水的下渗与储存。耐水性则可以保证固化层在降雨时不被侵蚀破坏。固沙剂浸水干燥后，固结层的可恢复性也是固沙剂能否持久保存的重要因素。在50 cm×50 cm×5 cm木框内填满过20目筛的细沙，用手持式小型喷雾器对沙床喷洒浓度分别为2.0%、3.0%、4.0%的固沙剂，观察溶液的渗透性能。在沙床完全固化干燥后，进行模拟降雨喷水试验，观察沙床的透水性能和结构稳定性。

1.3 固沙剂野外试验

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原脊线的北部（39°30′～40°41′N，107°18′～111°30′E），总面积约1.86×104km2，流动沙丘约占61%，沙丘高10～60 m，形态以沙丘链和格状沙丘为主，是京津冀三大风沙源区之一，直线距离仅约800km。库布齐沙漠南北分布有10条季节性河流，被称为“十大孔兑”，每年约有2.37 × 107t泥沙流入黄河。该区属典型温带大陆性半干旱季风气候，冬季漫长而寒冷，夏季温和而短促，春季干旱少雨多风，秋季凉爽，四季温差较大。年平均气温6～7.5 ℃，1月最冷，极端最低温度−32.1 ℃；7月最热，极端最高温度38.7 ℃。年日照时数3 000～3 200 h，≥10 ℃有效积温2 613.2～3 221.1 ℃，无霜期122～144 d，年降水量150～400 mm，年蒸发量2 100～2 700 mm，干燥度1.5～4。年平均风速3～4 m/s，最大风速16.6 m/s，大风日数25～35 d，其中偏东风（ENE和E；输沙势116.22VU）与偏西风（SW，WSW，W，WNW和NW；输沙势104.71VU）为主要起沙风风向[34]。试验地选择在库布齐沙漠腹地的流动沙丘区（40°29′49.70″N，108°42′26.01″E）（图1）。试验区沙丘地表无植被覆盖，试验区地表沙物质理化性质分析结果表明，沙粒粒径0.2～0.4 mm，pH值平均7.62，电导率0.05 mS/cm，全盐量0.65 g/kg，有机质含量0.43 g/kg。该区域降水主要集中在每年的7～8月。因此，固沙剂野外试验时间选择在2016年6月份到2017年6月，试验期1年。

1.3.1 固沙试验设计

试验区布置于流动沙丘上。选取库布齐沙漠生态建设中先锋植物种，对沙米（(.) Moq.）、沙蒿（）、杨柴（Turcz Var.）、花棒（）种子，以沟播方式播种，行距为1.0 m，沟播深度为2.0 cm。播种量0.53 g/m2（通常情况下库布齐沙漠的飞播种子用量）。种子按沙米∶沙蒿∶杨柴∶花棒=1∶1∶2∶2重量比例混合后进行播种。每个播种区规格20.0 m×4.0 m，播区之间预留1.0 m的观察通道（图2）。播种后，使用机械设备在沙地表面分别喷洒浓度为2.0%、3.0%和4.0%的GS-3生态固沙剂，对照组CK喷洒清水，3种处理使用固沙剂量分别是20、30、40 g/m2，3种处理和对照组使用相同水量1 000 g/m2。

1.3.2 固沙剂力学性能现场测试

在每种不同浓度固沙剂试验区，随机选择面积100 cm2的10个测点并标记固定，从2016年6月份开始至2017年6月份，每月15日定期观测。

固结层厚度采用电子游标卡尺（Mitutoyo公司生产）测量。固结层抗压强度以1185型万能材料试验机（Instron公司生产）测量固结层破碎时的最大承受压力，测试速度为2mm/min，最大压力5000 N。固结层硬度用硬度计（Fujiwara Seisakusho公司生产）测定，单位为mm。固结层质量用EJ-610天平（A&D公司生产）测定。固结层保温保水性采用TRM-ZS3自动气象站（锦州阳光气象科技有限公司生产）连续观测土壤温度和湿度变化。

图1 试验区位置与地表状况

图2 试验区布置示意图

1.4 固沙剂对植物生长的影响

固沙剂的实用性与效应，很大程度上取决于其对植被恢复的影响，通过出苗率、植物保存、植被覆盖度以及生物量4个指标，分析固沙剂对植物生长的影响。在不同浓度固沙剂喷施区域，均随机选取3个样方（1.0 m× 1.0 m）并标记固定，对植物发育生长情况进行持续观测。出苗率统计，每天记录不同播区种子出苗情况，等种子不再出苗，再统计种子萌发数，计算出苗率。试验期每个月对样方植物数量进行统计，计算植物苗保存率。每3个月进行拍照，用Adobe Photoshop选择植被色彩范围像素，计算在照片总像素中占比得出植被覆盖度。在试验期末，按区域将所有植物全株采回，恒温烘干称质量，获得植物生物量数据。

2 结果与分析

2.1 固沙剂理化性质

2.1.1 固沙剂粘度和稳定性

固沙剂乳液外观整体呈乳白色，颗粒分散均匀，在显微镜下测定结果（表1），乳液颗粒粒径不超过0.5m，具有良好的渗透性。

用涂-4粘度计测定结果为14.0 Pa·s，说明GS-3具有良好的粘性。

表1 GS-3固沙剂理化性状

固沙剂的稳定性在一定程度上能够反映其环境适应性。在实验室10～70 ℃不同温度下观察GS-3固沙剂乳液，试样无沉淀现象，说明GS-3固沙剂乳液具有良好的稳定性。

2.1.2 固沙剂的渗透性、透水性及耐水性

选择3种不同浓度的GS-3固沙剂，按设计用量喷洒试验，观察测试乳液的渗透性、固结层透水性、遇水稳定性及浸水干燥后的固结层强度（表2）。结果表明，3种试验浓度的GS-3固沙剂乳液都具有良好的渗透性能，透水性良好，但随试验浓度增大有所下降，固结层遇水稳定，有一定韧性和弹性，干燥后结构稳定，可站人而不易破碎。

表2 GS-3固沙剂渗透性和耐水性

2.2 固结层物理性质

野外试验结果显示，浓度为3.0%和4.0%的GS-3固沙剂乳液固沙区域固结层没有破损，而2.0%浓度乳液区域发生轻微破损，破损面积占总面积的3.5%。不同浓度的GS-3乳液固沙区，固结层厚度变化观测表明（图3a），2.0%浓度乳液的固结层厚度为2.51～2.78 mm，3.0%浓度乳液的固结层厚度为3.55～3.84 mm，4.0%浓度乳液的固结层厚度为5.25～5.56 mm。由于风沙流携带的沙粒不断附着于新喷施的固结层表面，固结层厚度有所增加，随着固沙剂中水分不断蒸发，厚度有所下降。至次年6月前，随着气温回升，固结层不断吸收水分，厚度有所增加。总体来看，固结层厚度变化不显著，稳定性良好。

抗压强度和硬度是衡量固沙剂力学性能的重要指标。试验观测结果显示（图3b和3c），GS-3固沙剂乳液的固结层抗压强度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，表面均可站人，其中4.0%浓度强度最大。喷施后前4个月，随着固结层厚度增加及强化稳定，抗压强度和硬度有所增大，变化幅度在10%左右。随时间推移，固结层抗压强度有所下降，但下降程度均不超过10%。

由于沙粒不断黏结到固结层表面，固沙剂喷施后30 d固结层质量有所增加。进入冬季，随着固结层含水量降低，固结层质量也有所下降。至次年春季，随气温回升固结层吸收水分，质量有所增大，但变化幅度均小于10%（图3d）。

注：不同大写字母表示同一月份的不同浓度间差异显著（P<0.01）。

2.3 固结层对土壤温度的影响

固结层对土壤温度的影响，间接影响植物的成活率和生长。0～5、>5～10、>10～15、>15～20 cm深度土壤温度变化表明（图4），固结层对0～5 cm深度土壤温度影响最大，深度越大影响越小，具有夏季降温冬季保温的作用，夏季降温作用尤其明显。固沙剂浓度越大，降温作用越显著。7月份，浓度为2%、3%、4%的固沙剂0～5 cm层土壤温度比对照组分别低3.2、5.5和8.1 ℃，最大降温幅度达31%；11月份，0～5 cm土壤温度比对照组分别高0.5、0.9和1.6 ℃。固结层夏季显著降低沙面温度，可以有效防止植物幼苗被地表高温伤害，增加植物成活率。固结层对冬季土壤温度也有一定提升作用。

图4 不同浓度GS-3乳液固沙区土壤温度变化

2.4 固结层对土壤湿度的影响

固结层的土壤保湿作用对植物生长最为重要。10、20、30 cm深度土壤湿度变化监测结果表明（图5），固结层对10 cm深度土壤湿度影响最大，层位越深影响越小。这说明固结层对抑制蒸发、提高土壤含水量具有显著作用，并且高浓度固沙剂固结层对提高土壤湿度的作用越显著。8月份2.0%、3.0%、4.0%浓度的固沙区10 cm深土壤含水量是对照组的2倍、2.4倍和2.8倍。可见，固结层可以显著提高沙地含水量。

2.5 固沙剂对植物生长的影响

选用库布齐沙漠生态建设中适宜的先锋植物种沙米、沙蒿、杨柴、花棒种子，进行各项指标测定（表3）。通过对种子出苗率、植物存活数、植被覆盖度以及生物量等4项指标测试，综合分析固沙剂对植物生长的影响。野外对比试验结果显示，固沙剂浓度过低，固结层隔热效果一般，影响植物出苗率；固沙剂浓度过高，固结层厚度大，透气性较差，同样影响出苗率。所以适度的固沙剂浓度对于先锋植物种子出苗率影响显著。浓度为2.0%、3.0%、4.0%的固沙剂喷施区与对照区出苗率分别为65.3%、76.2%、50.7%和32.4%，3.0%浓度固沙区出苗率最高（图6a）。

固结层起到降低沙面温度和保持土壤水分的作用，对植物生长有重要作用，尤其对多年生植物的保存影响显著（图6b）。7月份3%浓度固沙剂样方区植物出苗数量达每150株/m2，其次为2.0%和4.0%浓度样方区，植物保存数量分别为132株/m2和101株/m2，均显著高于对照组的73株/m2。受高温、寒冷、缺水及地表侵蚀堆积过程等因素影响，试验区植物保存数有所减少，至次年6月份，3.0%浓度固沙剂样方区植物保存数量36株/m2，其次为4.0%浓度和2.0%浓度样方区分别为26株/m2和19株/m2，但均显著高于对照组的7株/m2。其中，3.0%浓度固沙剂对植物生长最为有利，4.0%浓度样方区比2.0%浓度样方区出苗少，但次年保存数高于后者，体现了4.0%浓度样方区固结层较好的保水性和抗风蚀性。

图5 不同浓度GS-3乳液固沙区土壤湿度变化

表3 种子指标测定

植被覆盖度和生物量是衡量植被建设有效性的重要依据。多年生植物保存数量3.0%浓度样方区最高，其次为4.0%和2.0%浓度样方区（图6c，图6d）。3.0%浓度样方区植被盖度和生物量最大，分别为23%和12.3 g/m2，是对照组的2.4倍和4.1倍；其次为4.0%浓度和2.0%浓度样方区。

注：不同大写字母表示同一月份的不同浓度间差异显著（P<0.01）。

3 讨 论

使用高分子聚合物固定流沙，处理过程和施工简便，可改善劳动条件和缩短工期，其效果较其他化学材料更显著和稳定，因而引起了人们普遍重视[12]。聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯乳液和腈纶废胶（聚丙烯腈）是目前常见的4种高分子聚合物固沙剂，其中聚醋酸乙烯酯乳液的固沙效果较好[13]。段立哲等[33]用可溶性淀粉接枝丙烯酸(AA)/醋酸乙烯酯(VAc)合成一种水溶性固沙剂乳液，喷施沙表面失水干燥后形成一层固结层外壳，测试结果2%、3%和4%浓度区域的沙面固结层抗压强度分别为2.1、3.1和3.4 MPa，而本试验采用的改性醋酸乙烯酯高分子聚合物（阳离子P(VAc-BA-DMC)乳液）测试结果2%、3%和4%浓度区域的沙面固结层抗压强度分别为2.4、3.5和4.9 MPa。改性醋酸乙烯酯聚合物固沙剂的固结层性能相比较可溶性淀粉接枝丙烯酸（AA）/醋酸乙烯酯（VAc）固沙剂具有相对的优越性。

沙粒表面固结层的形成对于沙丘固定至关重要，抗压强度和硬度是固结层力学性能的重要体现。相关研究表明[35]，抗压强度与固沙剂浓度成正比，固沙剂浓度小，形成的固结层薄而散，抗压强度小，易破碎；固沙剂浓度大，形成的固结层厚而紧致，抗压强度大，不易破碎，但是会影响植物出苗，所以适宜的固沙剂浓度是必要的。本研究也同样证明了这一观点，随着固沙剂浓度的增大，固结层抗压强度逐渐增大，出苗率先增后减，综合固沙效果和出苗情况，3%固沙剂浓度最为适宜。

韩致文等[15]认为化学固沙就是利用化学材料与工艺，在易发生沙害的沙丘或沙质地表建造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，提高沙地生产力的目的，它包含沙地固结和保水增肥两方面，与植物固沙相结合可大大提高植物成活率。固结层割断了土壤通向大气的毛细管，毛管作用被破坏，抑制土壤蒸发；沙地表层减少了毛管上升水，蒸发方式主要为蒸汽扩散以及植物蒸腾。试验结果表明4.0%浓度固沙剂固结层下7月份0～5 cm土壤温度比对照组降低8.1 ℃，降幅达31%；8月份0～5 cm土壤含水量比对照组高2.8倍，说明固结层的保温、透气、保湿及固沙作用显著。

GS-3生态固沙剂的成本为3万元/t，综合考虑固结层的抗风蚀性能、结构稳定性以及植物种子萌发和幼苗生长等因素，野外最适喷洒浓度为3%，按照1 kg/m2的量喷洒，材料费用0.9元/m2，加上施工费用，成本约合2元/m2，低于柳条立式沙障约3元/m2价格。目前施工效率是制约固沙剂应用的重要因素之一，所以高效率的作业机械亟待后续研发。

考虑到沙漠地区环境恶劣以及GS-3生态固沙剂的特性，今后还需要对GS-3结构和性能的稳定性、崩解周期、对植物生长的影响进行长期的野外观测和研究。目前，多种固沙措施综合使用是固沙工程中常见的方法，所以GS-3生态固沙剂与不同固沙措施结合使用效果有待后续研究。

4 结 论

结合库布齐沙漠自然环境条件，通过对GS-3生态固沙剂理化性状、野外环境下固结层抗性以及对沙地土壤环境的影响和植被生长影响的试验结果分析，主要结论如下：

1）GS-3生态固沙剂固结层渗透性和透水性良好，固结层强度抗压强度均高于2.0 MPa，硬度大于40.0 mm，固结层较为稳定，质量无损失，抗风蚀性能良好。

2）固结层对夏季地表高温有显著的抑制作用和保持土壤水分作用。4.0%浓度固沙剂固结层下7月份0～5 cm土壤温度比对照组降低8.1℃，降幅达31%；8月份0～5 cm土壤含水量比对照组高2.8倍。固结层的保温、透气、保湿及固沙作用，对提高植物出苗以及促进植物生长有显著作用。

3）4.0%浓度的GS-3试验区固沙效果最好，但3.0%浓度试验区植被盖度和生物量最大，是对照组的2.4倍和4.1倍。综合成本和实际效果，3.0%是GS-3生态固沙剂野外喷洒的适宜浓度，可应用于库布齐沙漠及周边地区沙漠化防治如沙漠公路两侧防护、沙漠中基础设施周边沙害防护等。

[1] 国家林业局. 中国第五次全国荒漠化和沙化状况公报[EB/OL]. （2015-12-29）[2016-04-03]. http://www.forestry.gov.cn/main/69/content-831684.html

[2] Akhtar-Schuster M, Thomas RJ, Stringer LC,et al. Improving the enabling environment to combat land degradation: Institutional, financial, legal and science-policy challenges and solutions[J]. Land Degradation & Development, 2011, 22: 299－312.

[3] 吴汪洋，张登山，田丽慧，等. 青海湖克土沙地沙棘林的防风固沙机制与效益[J]. 干旱区地理，2014,37(4)：777－785.

Wu Wangyang, Zhang Dengshan, Tian Lihui, et al. Mechanism and benefit of wind-prevention and sand-fixation of Hippophae rhamnoides forestation in Ketu Sandy Land around Qinghai Lake [J]. Arid Land Geography, 2014, 37(4): 777－785. (in Chinese with English abstract)

[4] 王翔宇，丁国栋，高函，等. 带状沙柳沙障的防风固沙效益研究[J]. 水土保持学报，2008，22(2)：42－46.

Wang Xiangyu, Ding Guodong, Gao Han, et al. Effect of zonal willow salix psammophila checkerboard on reducing wind and stabilizing sand[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(2): 42－46. (in Chinese with English abstract)

[5] 徐满厚，刘彤，孙秦明. 绿洲－荒漠过渡带防风固沙林疏透度的数字化测定及应用[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2011，29(2)：230－235.

Xu Manhou, Liu Tong, Sun Qinming. Digitized measurement of and application to shelterbelt porosity of windbreaks and sand-fixation forests at an oasis-desert ecotone [J]. Journal of Shihezi University: Natural Science, 2011, 29(2): 230－235. (in Chinese with English abstract)

[6] 孙浩，刘晋浩，黄青青. 沙障风荷载作用下嵌固端受力分析[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：148－154.

Sun Hao, Liu Jinhao, Huang Qingqing. Numerical analysis for force at embedded end of sand barrier under wind loads[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 148－154. (in Chinese with English abstract)

[7] 屈建军，喻文波，秦晓波. HDPE功能性固沙障防风效应试验[J]. 中国沙漠，2014，34(5)：1185－1193.

Qu Jianjun, Yu Wenbo, Qin Xiaobo. Wind-protecting efficiency of HDPE functional sand-fixing barriers[J]. Journal of Desert Research, 2014, 34(5): 1185－1193. (in Chinese with English abstract)

[8] 郭彩贇，韩致文，钟帅，等. 库布齐沙漠新材料沙障的风速廓线特征[J]. 水土保持通报，2017，37(5)：260－265.

Guo Caiyun, Han Zhiwen, Zhong Shuai, et al. Wind profile characteristics of new materials sand- barriers in Hobq Desert[J] . Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(5): 260－265. (in Chinese with English abstract)

[9] 王银梅，谌文武，韩文峰. 新型高分子材料固沙抗风蚀的风洞模拟实验[J]. 水土保持学报，2005，19(6)：12－14.

Wang Yinmei, Chen Wenwu, Han Wenfeng. Simulation study on resistances to wind erosion of new polymer material in sand fixation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(6): 12－14. (in Chinese with English abstract)

[10] Liu Benli, Zhang Weimin, Qu Jianjun, et al. Controlling windblown sand problems by an artificial gravel surface: A case study over the gobi surface of the Mogao Grottoes[J]. Geomorphology, 2011, 134(3): 461－469.

[11] 周明吉，周玉生，孙加亮，等. 我国固沙材料研究及应用现状[J]. 材料导报，2012，26(增刊1)：332－334.

Zhou Mingji, Zhou Yusheng, Sun Jialiang, et al. Research and application status of sand-fixing materials in China [J]. Materials Review, 2012, 26(Supp.1): 332－334. (in Chinese with English abstract)

[12] 铁生年，姜雄，汪长安. 化学固沙材料研究进展[J]. 材料导报，2013，27(5)：71－75.

Tie Shengnian, Jinag Xiong, Wang Changan. Advances in chemical sand-fixing materials[J]. Materials Review, 2013, 27(5): 71－75. (in Chinese with English abstract)

[13] 赖俊华，张凯，王唯树，等. 化学固沙材料研究进展及展望[J]. 中国沙漠，2017，23(4)：644－658.

Lai Junhua, Zhang Kai, Wang Weishu, et al. Research advances and prospect in chemical sand-fixing materials[J]. Journal of Desert Research, 2017, 23(4): 644－658. (in Chinese with English abstract)

[14] 中国石油天然气总公司塔里木石油勘探开发指挥部.塔里木沙漠石油公路[M]. 北京：石油工业出版社，1996.

[15] 韩致文，胡英娣，陈广庭，等. 化学工程固沙在塔里木沙漠公路沙害防治中的适宜性[J]. 环境科学，2000，21(5)：86－88.

Han Zhiwen, Hu Yingdi, Chen Guangting, et al. The suitability of chemical engineering stabilization in controlling aeolian hazard along the highway in tarim basin[J]. Environmental Science, 2000, 21(5): 86－88. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐先英，唐进年，金红喜，等. 3种新型化学固沙剂的固沙效益实验研究[J]. 水土保持学报，2005，19(3)：62－65.

Xu Xianying, Tang Jinnian, Jin Hongxi, et al. Study on sand-fixing benefits of three new-type chemical sand-fixing materials[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(3): 62－65 . (in Chinese with English abstract)

[17] Yang Jun, Wang Fang, Fang Li, et al. Synthesis, characterization and application of a novel chemical sand- fixing agent-poly (aspartic acid) and its composites[J]. Environmental Pollution, 2007, 149(1): 125－130. (in Chinese with English abstract)

[18] 张松林，田侠，赵首彩，等. 多功能高分子固沙剂流动沙丘固定试验研究[J]. 中国沙漠，2005，25(3)：450－452.

Zhang Songlin, Tian Xia, Zhao Shoucai, et al. Fixation of moving dune by multi-functional high polymer reagent[J].Journal of Desert Research, 2005, 25(3): 450－452. (in Chinese with English abstract)

[19] 姚正毅，韩致文，赵爱国，等. 化学固沙结层的力学强度与抗风蚀能力关系[J]. 干旱区资源与环境，2009，23(2)：191－195.

Yao Zhengyi, Han Zhiwen, Zhao Aiguo, et al. Study on crusts shear strength and erodibility of three chemical sand stabilizers[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2009, 23(2): 191－195. (in Chinese with English abstract)

[20] Xu Meng. Synthesis and sand-fixing property of cationic poly (Vinyl Acetate-Butyl Acrylate-DMC) copolymer emulsions[J]. Journal of Macromolecular Science: Part D, Review in Polymer Procesing, 2013, 52(9): 931－939.

[21] 李元元，王占礼. 高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验[J]. 农业工程学报，2017，33(5)：149－155.

Li Yuanyuan, Wang Zhanli. Wind tunnel experiment on polypeptide derivatives in controlling wind erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 149－155. (in Chinese with English abstract)

[22] 杨柳. 新型化学固沙材料的研制和应用[D]. 兰州：兰州大学，2011.

Yang Liu. The Development and Application Studies of Novel Chemical Sand Fixing Material[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[23] 刘军，张宇清，秦树高，等. 不同喷洒浓度沙蒿胶固沙效果试验[J]. 农业工程学报，2016，32(5)：149－155.

Liu Jun, Zhang Yuqing, Qin Shugao, et al. Sand fixation experiment of Artemisia sphaerocephala Krasch. gum with different concentrations[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 149－155. (in Chinese with English abstract)

[24] 袁红萍. 环保型聚醋酸乙烯酯乳液的改性研究[J]. 中国胶黏剂，2006，15(2)：11－14.

Yuan Hongping. Study on the modified environmental protection of polyvinyl acetate (PVAc) emulsion[J]. China Adhesives, 2006, 15(2): 11－14. (in Chinese with English abstract)

[25] Roger T. A review of adhesives for furniture[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2000, 20(4): 269－272.

[26] 张在新. 胶粘剂世界市场概述[J]. 中国胶粘剂，1996(5)：26－30.

Zhang Zaixin. Overview of worldwide adhesives market[J]. China Adhesives, 1996(5): 26－30. (in Chinese with English abstract)

[27] Gustin J L. Understanding vinyl acetate polymerization accidents[J]. Organic Process Research & Development, 2005, 9(6): 962－975.

[28] 王安民，孙道兴，张宜恒. 耐水性白乳胶的制备研究[J]. 现代涂料与涂装，2009，12(5)：11－12.

Wang Anmin, Sun Daoxing, Zhang Yiheng. Study on preparation of waterproof emulsion[J]. Modern Paint & Finishing, 2009, 12(5): 11－12. (in Chinese with English abstract)

[29] Naghash H J, Mallakpour S, Mokhtarian N. Synthesis and characterization of silicone-modified vinyl acetate a-crylic emulsion copolymers[J]. Progress in Organic Coatings, 2006, 55: 375－381.

[30] 何中为，孙争光，李盛彪，等. 有机硅-醋酸乙烯酯复舍乳液的合成[J]. 有机硅材料，2001，15(5)：5－7.

He Zhongwei, Sun Zhengguang, Li Shengbiao, et al. Synthesis of PHMS/VAc/NMA composite emulsion[J]. Silicone Material, 2001, 15(5): 5－7. (in Chinese with English abstract)

[31] 鲁琴，黄世强. PHMS/VAc/NMA复合乳液的动力学研究[J]. 有机硅材料，2002，16(4)：5—8.

Lu Qin, Huang Shiqiang. Study on kinetic characters of hydrogen-containing siloxane/vinylacetate/n-hydroxymethylacrylamide composite emulsion[J]. Silicone Material, 2002, 16(4): 5－8. (in Chinese with English abstract)

[32] 张心亚，孙志娟，黄洪，等. 有机硅氧烷改性醋酸乙烯酯一丙烯酸酯乳液的合成与性能[J]. 精细化工，2005，22(8)：634－637. Zhang Xinya, Sun Zhijuan, Huang Hong, et al. Synthesis and properties of organosiloxane modified vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion[J].Fine Chemicals. 2005, 22(8): 634－637. (in Chinese with English abstract)

[33] 段立哲，张丽丹，韩春英，等. 淀粉接枝丙烯酸/醋酸乙烯酯环保固沙剂的合成及固沙应用[J]. 北京化工大学学报：自然科学版，2013，40(3)：56－60.

Duan Lizhe, Zhang Lidan, Han Chunying, et al. Synthesis and characterization of soluble starch graft polymer as a new sand fixing agent[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology: Nature Science, 2013, 40(3): 56－60. (in Chinese with English abstract)

[34] 谭立海，张伟民，边凯，等. 砾石覆盖固沙措施水土保持作用研究：以库布齐沙漠北缘为例[J]. 水土保持研究， 2017，24(6)：172－178.

Tan Lihai, Zhang Weimin, Bian Kai, et al. Effect of gravel mulch on soil and water conversation－a case study in the northern edge of Hobq Desert [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 24(6): 172－178. (in Chinese with English abstract)

[35] Wu Zhiren, Gao Weiming, Wu Zhishen, et al. Synthesis and characterization of a novel chemical sand-fixing material of hydrophilic polyurethane[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2011, 60(7): 674－679.

Effects of performance and concentration of GS-3 sand-fixing agent on plant growth

Zhong Shuai1,2,3, Han Zhiwen1,2※, Li Aimin1,2,3,4

(1.-,,730000,; 2.,,730000,; 3.,100049,; 4.,,274015,)

China is one of the most serious desertification countries in the world, the desertification area covered 1.72×108km2, involving 30 provinces (regions), which accounted for about 17.93% of the territory area by the end of 2014. Hobq Desert covering about 1.86×104km2is the seventh largest desert in China, which locates in the north of Ordos Plateau, and it is one of the important sandstorm source threatening the Beijing, Tianjin and Hebei urban regions where the linear distance from the Hobq Desert is about 800 km. Moreover, in the eastern part of the Hobq Desert, ten tributaries of the Yellow River cross the desert, and these are called the Ten Tributaries. According to the research results, the annual sediment by floods through the Ten Tributaries could reach as high as 2.37 × 108t. The sediment causes serious silting in the Yellow River. Therefore, it very urgently needs to control the sandy desertification of Hobq Desert. Generally speaking, there are three kinds of sand-fixation techniques, engineering sand-fixation technique, biological sand-fixation technique and chemical sand-fixation technique. Chemical sand fixing technique sprays chemically bonded materials on the sand dunes to form a consolidation layer to prevent the wind erosion. In this research, we aimed to develop efficient, environmental and low-cost sand-fixing agent in order to provide new material and technical reserve for sandy desertification control and ecological restoration in Hobq Desert. GS-3 ecological sand-fixing agent is modified vinyl acetate polymer (cationic P (VAc-BA-DMC) emulsion), which is non-toxic, tasteless, safe, environment-friendly, good combination and cohesiveness. After spraying, it can form hard, water holding and breathable consolidation layer on the surface of sand. It is suitable for mechanized operation and can be combined with biological sand-fixation measures. Through studying the physical and chemical properties of GS-3 ecological sand-fixing agent, the results showed that: 1) The consolidation layer of GS-3 had great permeability, the compressive strength was over 2 MPa, the hardness reached more than 40 mm, the quality varied slightly, and the resistance to wind erosion was excellent. 2) The GS-3 had great inhibited effect on the high temperature surface in the summer, the soil moisture was maintained effectively. The soil temperature at 0-5 cm depth was decreased by 8.1 ℃ in July. The soil moisture at 0-5 cm depth was 2.8 times higher than the control group in August. 3) The thermal insulation, air permeability, moisture retention and resistance to wind erosion of the GS-3 was of great significance to the plant growth. 4) The 4% GS-3 was the best for sand fixation, but the vegetation coverage and biomass of the 3% GS-3 were the maximum (2.4 times and 4.1 times than the control group). The price of the 3% GS-3 ecological sand-fixing agent is about 2 RMB per square meter in the Hobq Desert, but the high-bandedsand-barriers costs about 3 RMB per square meter. With the progress of production technology, the price of the GS-3 ecological sand-fixing agent will continue to decline, which is conducive to popularization and application in large areas. Considering the cost and the effect, the 3% GS-3 was the ideal sand fixation material.

sand consolidation; plants; GS-3 ecological sand-fixing agent; physical and chemical properties of sand-fixing agent; consolidation layer strength; soil environment

钟 帅，韩致文，李爱敏. GS-3生态固沙剂性能及其浓度对植物生长的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(24)：107－114. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.013 http://www.tcsae.org

Zhong Shuai, Han Zhiwen, Li Aimin. Effects of performance and concentration of GS-3 sand-fixing agent on plant growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 107－114. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.013 http://www.tcsae.org

2018-06-25

2018-10-16

国家“十二五”科技支撑计划项目（2015BAC06B01-01）和国家自然科学基金项目（41371025）资助

钟 帅，博士生，从事沙漠化防治研究。Email：841481010@qq.com

韩致文，博士，研究员，博士生导师，主要从事风沙地貌与防沙工程研究。Email：hzwen@lab.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.013

X169

A

1002-6819(2018)-24-0107-08