The applicability of ecological restoration technologies and sand industries to the deserted land in northwest arid region of China

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00096

Journal of Desert Research ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (5): 155-165.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00096

The applicability of ecological restoration technologies and sand industries to the deserted land in northwest arid region of China

Changxiang Pan¹^,²(), Qianru Ouyang¹^,², Mengyu Liao¹^,², Yu Fan¹^,², Qun Guo¹^,³^,⁴(), Zhishan Zhang⁵, Genan Wu⁷, Yang Zhao⁵, Lichao Liu⁵, Yanxia Pan⁵, Xinrong Li⁵, Jianjun Qu⁶, Songlin Mu⁸, Shenggong Li¹^,³^,⁴

^1.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China
^2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China
^3.College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^4.National Ecosystem Science Data Center，Beijing 100101，China
^5.Shapotou Desert Research and Experiment Station /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^6.Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^7.Department of Satellite Application，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China
^8.Institute of Urban Studies，Beijing Academy of Social Sciences，Beijing 100101，China

Received:2023-03-28 Revised:2023-06-17 Online:2023-09-20 Published:2023-09-27
Contact: Qun Guo

Abstract

Abstract:

Desertification is one of serious environmental issues in northern China， and decades of the desertification prevention and control have obtained abundant experiences and various models for restoration and utilization of desertified land. With the in-depth enhancement of ecological civilization construction， especially green development， it is urgent to integrate previous ecological restoration technologies and sand industry models of desertified land and evaluate their applicability in the current context. In this paper， firstly 9 models in total are integrated， including engineering and biological desertification control technologies and sand industry models. Secondly their application criteria are formulated in terms of both natural and anthropogenic factors such as meteorological conditions， treatment urgency， transportation convenience， and desertification degree. Finally， taking desertified land and desert fringe areas in the northwest arid region as the study area， the implementation applicability of each ecological restoration and sand industry model in different natural units （natural sandy land and degraded sandy land） and administrative counties is assessed with multi-source data such as remote sensing products， meteorological observations and ground surveys. This study provides technical models， assessment criteria and suitable range for the ecological restoration techniques and sand industries in desertified land， and at the same time provides scientific support for decision makers in formulating restoration and utilization measures for desertified land.

Key words: northwest arid region, desertified land, ecological restoration technology, sand industry, applicability

CLC Number:

Changxiang Pan, Qianru Ouyang, Mengyu Liao, Yu Fan, Qun Guo, Zhishan Zhang, Genan Wu, Yang Zhao, Lichao Liu, Yanxia Pan, Xinrong Li, Jianjun Qu, Songlin Mu, Shenggong Li. The applicability of ecological restoration technologies and sand industries to the deserted land in northwest arid region of China[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(5): 155-165.

Figures/Tables 7

References 28

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类别	名称	特点	简介
工程治沙	半隐蔽式草方格沙障	传统加速	半隐蔽式草方格沙障（简称草方格）技术是将麦草、稻草、芦苇等直接插入沙层中，直立于沙面成方格状的半隐蔽式沙障。具有“中国魔方”的美誉，是20世纪50年代中后期，随着包兰铁路腾格里沙漠段的建造和运营，实施铁路防沙工程基础上逐步发展起来的固沙技术，到目前为止，仍然是最为经济实用的传统固沙技术，但也受到材料不足、寿命短等限制^[17-18]
	高立式阻沙栅栏	传统加速	高立式阻沙栅栏技术是流沙固定中使用历史最悠久的技术之一。一般而言，风沙防治最先设置物理措施，阻沙栅栏更是所有防沙设施中应最先设置的，营造稳定的床面以阻断沙源对其他防沙设施和防护对象的侵害。目前各种类型的高立式阻沙栅栏仍在广泛使用，在快速阻断沙源方面具有其他技术无可比拟的效果，是构建流沙固定体系中不可或缺的一项技术
	刷状绳形草方格沙障	新材料加速	目前国家规模化防沙治沙和加快沙区生态环境治理的需求重大，而现有传统草方格治沙技术存在施工效率低、机械化水平低和使用寿命短等问题，刷状绳形草方格沙障技术的高机械化程度、长寿命材料、高施工效率等优点可很好地解决这些问题^[19]。该技术由草帘切割机、草绳草帘输入导向板、转筒装置等将干的麦草或稻草制作成的草帘，通过切割装置切割、挤压、旋转等过程合成为刷状网绳，进一步将刷状网绳交叉叠压捆扎在沙面上
	可降解聚乳酸网沙障	提质加速	为解决聚乙烯、聚丙烯等现代化工原料在自然条件下难降解，存在环境污染等风险问题，以木薯淀粉等生物质原料，经现代生物发酵工程生成小分子乳酸后，再将聚乳酸颗粒通过溶解、拉丝和编制等现代加工工艺生产成可降解聚乳酸网沙障应用于沙漠化防治。该技术可自然降解、零污染且具有抗老化性强、可工业流水线批量化生产等特点，是一种环境友好型生态修复技术
生物治沙	高效固沙植物栽植	提质	该技术基于植被演替理论和生态系统水分承载力理论，依托中国不同类型干旱沙区配置固沙植被和土壤水分长期定位监测提出的一种适应于干旱沙区的固沙植物栽植技术，在维持水量平衡的前提下增强防风固沙效果^[15]。为了解决植物生理缺水导致成活率低及生长缓慢等问题，可配合使用透气防渗水技术，该技术既可以有效截留植物栽植后的定根水和大气降水，同时不影响后期植物根系利用下层土壤水
	生物结皮沙化土地治理技术	提质加速	该技术主要解决干旱、半干旱区大规模固沙植被建设初期地表稳定速度缓慢、苗木成活率低的问题。该技术首先从天然生物土壤结皮中筛选微生物、地衣苔藓菌株，通过规模化快速扩繁技术或直接采集生物结皮碎片，量产微生物或地衣苔藓菌剂，喷洒到沙化土地上，喷洒前可配合使用蓝藻复配纳米材料（基于天然凹凸棒构建）固沙技术增加沙化土地表面沙粒的比表面积、吸水能力和持水能力，使其表层沙砾具备菌剂适宜的定植条件，喷洒后可配合使用遮阳网、无纺布等营造有利于菌剂的生长环境，加速固定土壤表面，形成有益于植被定植的土壤环境。根据菌剂的种类，可分为：①以微生物组合物为主的高产多聚糖芽孢杆菌固沙技术，主要为枯草芽孢杆菌、莫海威芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌。②地衣苔藓为主的人工结皮沙化土地治理技术，主要包括蓝藻以及蓝藻-地衣混合物。根据喷洒物的形态，可分为液态型和固态型人工结皮，前者适用于运输便利的区域，后者对交通要求相对较低
	环保复合型生物活体模块固沙技术	提质加速	传统植被固沙无法有效解决沙漠化治理初期固沙幼苗供水、定植等问题。环保复合型生物活体模块固沙技术是一种可直接覆盖在沙地上，内部包含植物种子的新型复合型生物覆盖材料。采用棕榈树果壳纤维制“生态垫”，内部含可降解无纺布包裹的草籽层，主要为沙区广泛分布的沙米、刺蓬、砂蓝刺头、雾冰藜等植物种子^[20]。本技术可降低夏季地表温度，有效储存雨水并供植物利用，起到保水、固沙、育苗的三重作用。一定时间后材料自然降解，绿色植物成功定植。该技术是沙漠化治理的一种理想的新型环保功能性材料
沙产业	新型枸杞苗圃栽培模式	增效	西北沙漠边缘地区或沙化土地经济林果业多为“深根疏植”型作物，针对“深根疏植”型经济林果枸杞的种植，以支架型地下灌溉技术为核心集成枸杞篱架栽培技术、悬挂式地下滴灌系统和绿色病虫害防控技术，形成了一套新型节水节肥、省工省力、绿色环保、规范高效的枸杞种植模式——新型枸杞苗圃栽培模式，具有稳定树形、地下灌溉、水肥一体、标准化苗圃建设等优点
沙产业	固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	增效	固沙灌木不仅有重要的防风固沙生态功能，还可产生良好的经济效益，以素有“沙漠人参”美誉的肉苁蓉为例，可寄生于梭梭、红柳等荒漠灌木，具有极高的药用价值。目前存在肉苁蓉供不应求及野生肉苁蓉过度采挖的问题，通过浅坑侧灌接种技术，提高肉苁蓉接种率是一种有效解决途径

类别	名称	特点	简介
工程治沙	半隐蔽式草方格沙障	传统加速	半隐蔽式草方格沙障（简称草方格）技术是将麦草、稻草、芦苇等直接插入沙层中，直立于沙面成方格状的半隐蔽式沙障。具有“中国魔方”的美誉，是20世纪50年代中后期，随着包兰铁路腾格里沙漠段的建造和运营，实施铁路防沙工程基础上逐步发展起来的固沙技术，到目前为止，仍然是最为经济实用的传统固沙技术，但也受到材料不足、寿命短等限制^[17-18]
	高立式阻沙栅栏	传统加速	高立式阻沙栅栏技术是流沙固定中使用历史最悠久的技术之一。一般而言，风沙防治最先设置物理措施，阻沙栅栏更是所有防沙设施中应最先设置的，营造稳定的床面以阻断沙源对其他防沙设施和防护对象的侵害。目前各种类型的高立式阻沙栅栏仍在广泛使用，在快速阻断沙源方面具有其他技术无可比拟的效果，是构建流沙固定体系中不可或缺的一项技术
	刷状绳形草方格沙障	新材料加速	目前国家规模化防沙治沙和加快沙区生态环境治理的需求重大，而现有传统草方格治沙技术存在施工效率低、机械化水平低和使用寿命短等问题，刷状绳形草方格沙障技术的高机械化程度、长寿命材料、高施工效率等优点可很好地解决这些问题^[19]。该技术由草帘切割机、草绳草帘输入导向板、转筒装置等将干的麦草或稻草制作成的草帘，通过切割装置切割、挤压、旋转等过程合成为刷状网绳，进一步将刷状网绳交叉叠压捆扎在沙面上
	可降解聚乳酸网沙障	提质加速	为解决聚乙烯、聚丙烯等现代化工原料在自然条件下难降解，存在环境污染等风险问题，以木薯淀粉等生物质原料，经现代生物发酵工程生成小分子乳酸后，再将聚乳酸颗粒通过溶解、拉丝和编制等现代加工工艺生产成可降解聚乳酸网沙障应用于沙漠化防治。该技术可自然降解、零污染且具有抗老化性强、可工业流水线批量化生产等特点，是一种环境友好型生态修复技术
生物治沙	高效固沙植物栽植	提质	该技术基于植被演替理论和生态系统水分承载力理论，依托中国不同类型干旱沙区配置固沙植被和土壤水分长期定位监测提出的一种适应于干旱沙区的固沙植物栽植技术，在维持水量平衡的前提下增强防风固沙效果^[15]。为了解决植物生理缺水导致成活率低及生长缓慢等问题，可配合使用透气防渗水技术，该技术既可以有效截留植物栽植后的定根水和大气降水，同时不影响后期植物根系利用下层土壤水
	生物结皮沙化土地治理技术	提质加速	该技术主要解决干旱、半干旱区大规模固沙植被建设初期地表稳定速度缓慢、苗木成活率低的问题。该技术首先从天然生物土壤结皮中筛选微生物、地衣苔藓菌株，通过规模化快速扩繁技术或直接采集生物结皮碎片，量产微生物或地衣苔藓菌剂，喷洒到沙化土地上，喷洒前可配合使用蓝藻复配纳米材料（基于天然凹凸棒构建）固沙技术增加沙化土地表面沙粒的比表面积、吸水能力和持水能力，使其表层沙砾具备菌剂适宜的定植条件，喷洒后可配合使用遮阳网、无纺布等营造有利于菌剂的生长环境，加速固定土壤表面，形成有益于植被定植的土壤环境。根据菌剂的种类，可分为：①以微生物组合物为主的高产多聚糖芽孢杆菌固沙技术，主要为枯草芽孢杆菌、莫海威芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌。②地衣苔藓为主的人工结皮沙化土地治理技术，主要包括蓝藻以及蓝藻-地衣混合物。根据喷洒物的形态，可分为液态型和固态型人工结皮，前者适用于运输便利的区域，后者对交通要求相对较低
	环保复合型生物活体模块固沙技术	提质加速	传统植被固沙无法有效解决沙漠化治理初期固沙幼苗供水、定植等问题。环保复合型生物活体模块固沙技术是一种可直接覆盖在沙地上，内部包含植物种子的新型复合型生物覆盖材料。采用棕榈树果壳纤维制“生态垫”，内部含可降解无纺布包裹的草籽层，主要为沙区广泛分布的沙米、刺蓬、砂蓝刺头、雾冰藜等植物种子^[20]。本技术可降低夏季地表温度，有效储存雨水并供植物利用，起到保水、固沙、育苗的三重作用。一定时间后材料自然降解，绿色植物成功定植。该技术是沙漠化治理的一种理想的新型环保功能性材料
沙产业	新型枸杞苗圃栽培模式	增效	西北沙漠边缘地区或沙化土地经济林果业多为“深根疏植”型作物，针对“深根疏植”型经济林果枸杞的种植，以支架型地下灌溉技术为核心集成枸杞篱架栽培技术、悬挂式地下滴灌系统和绿色病虫害防控技术，形成了一套新型节水节肥、省工省力、绿色环保、规范高效的枸杞种植模式——新型枸杞苗圃栽培模式，具有稳定树形、地下灌溉、水肥一体、标准化苗圃建设等优点
沙产业	固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	增效	固沙灌木不仅有重要的防风固沙生态功能，还可产生良好的经济效益，以素有“沙漠人参”美誉的肉苁蓉为例，可寄生于梭梭、红柳等荒漠灌木，具有极高的药用价值。目前存在肉苁蓉供不应求及野生肉苁蓉过度采挖的问题，通过浅坑侧灌接种技术，提高肉苁蓉接种率是一种有效解决途径

类别	名称	气象条件	与人类聚集区距离/km	与道路距离/m	沙漠化等级	缩写名称
工程治沙	半隐蔽式草方格沙障技术	中高风速	—	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	CFG1
	高立式阻沙栅栏技术	中高风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	ZSZL
	刷状绳形草方格沙障技术	中低风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	CFG2
	可降解聚乳酸网沙障技术	中高风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	RSW
生物治沙	高效固沙植物栽植技术	年降水量100~250 mm	—	—	中度、重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	GSZW
	生物结皮沙化土地治理技术	中低风速	<10	<500	所有沙漠化和沙漠边缘带	SWGS
	环保复合型生物活体模块固沙技术	年降水量100~250 mm	<10	<500	中度、重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	SWMK
沙产业	新型枸杞苗圃栽培模式	年降水量≤300 mm、中低风速	<20	—	所有沙漠化区域	GQ
沙产业	固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	年降水量30~200 mm、温度2~11 ℃、中低风速	<20	—	准噶尔盆地、塔里木盆地、河西走廊、阿拉善高原和柴达木盆地的所有沙漠化区域	GM

类别	名称	气象条件	与人类聚集区距离/km	与道路距离/m	沙漠化等级	缩写名称
工程治沙	半隐蔽式草方格沙障技术	中高风速	—	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	CFG1
	高立式阻沙栅栏技术	中高风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	ZSZL
	刷状绳形草方格沙障技术	中低风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	CFG2
	可降解聚乳酸网沙障技术	中高风速	<10	<500	重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	RSW
生物治沙	高效固沙植物栽植技术	年降水量100~250 mm	—	—	中度、重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	GSZW
	生物结皮沙化土地治理技术	中低风速	<10	<500	所有沙漠化和沙漠边缘带	SWGS
	环保复合型生物活体模块固沙技术	年降水量100~250 mm	<10	<500	中度、重度和严重沙漠化以及沙漠边缘带	SWMK
沙产业	新型枸杞苗圃栽培模式	年降水量≤300 mm、中低风速	<20	—	所有沙漠化区域	GQ
沙产业	固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	年降水量30~200 mm、温度2~11 ℃、中低风速	<20	—	准噶尔盆地、塔里木盆地、河西走廊、阿拉善高原和柴达木盆地的所有沙漠化区域	GM

名称	半隐蔽式草方格沙障技术	刷状绳形草方格沙障技术	可降解聚乳酸网沙障技术	高立式阻沙栅栏技术	高效固沙植物栽植技术	环保复合型生物活体模块固沙技术	生物结皮沙化土地治理技术	新型枸杞苗圃栽培模式	固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	沙化面积
准噶尔盆地及天山	6.94	19.67	3.78	3.78	43.88	23.56	21.63	12.50	28.43	405.11
新疆南部	8.67	27.97	0.25	0.25	11.46	2.58	31.27	20.96	9.00	961.77
锡林郭勒草原	13.51	1.48	8.24	8.24	1.90	0.70	1.83	7.21	0.00	68.80
乌兰布和沙漠	15.02	1.64	3.44	3.44	16.48	5.27	1.74	0.00	9.42	41.76
腾格里沙漠	8.34	5.65	1.99	1.99	19.51	8.24	6.37	6.83	11.65	88.75
内蒙古中部	37.88	0.41	22.90	22.90	36.05	21.35	0.44	18.02	20.93	89.33
毛乌素沙地	0.81	26.64	0.45	0.45	9.78	6.56	39.08	20.97	1.95	91.68
库姆塔格沙漠	4.17	1.13	0.13	0.13	0.01	0.00	1.17	0.75	2.99	106.40
库布齐沙漠	0.25	12.30	0.17	0.17	9.92	4.70	17.34	13.10	4.13	30.48
科尔沁沙地	44.73	10.50	43.16	43.16	0.00	0.00	12.74	0.00	0.00	216.81
浑善达克沙地	59.02	0.05	22.89	22.89	32.27	7.17	0.05	15.84	8.26	227.15
呼伦贝尔草地	6.99	5.02	1.69	1.69	1.08	0.11	7.56	2.52	0.00	82.85
河套平原	3.08	6.36	2.86	2.86	6.22	5.97	9.13	5.60	5.01	48.27
柴达木盆地	44.38	10.87	3.56	3.56	17.31	1.95	12.73	2.70	16.82	348.25
巴丹吉林沙漠	20.07	0.65	2.47	2.47	4.42	0.87	0.67	2.23	7.47	113.41

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名称	总适用面积/km²	面积排名前五的县/km²	面积占比排名前五的县
半隐蔽式草方格沙障技术	390 716.21	额济纳旗、阿拉善左旗、茫崖市、格尔木市、苏尼特左旗（17 687.34、15 456.69、14 643.82、14 538.68、14 531.06）	正蓝旗、玛多县、正镶白旗、茫崖市、镶黄旗（35.56%、31.31%、27.6%、26.24%、19.14%）
刷状绳形草方格沙障技术	149 935.50	杭锦旗、达拉特旗、乌审旗、鄂托克旗、巴林右旗（5 408.615、4 620.12、4 385.18、4 261.02、3 765.69）	康巴什区、东胜区、伊金霍洛旗、达拉特旗、盐池县（80.85%、65.68%、56.01%、56%、54.09%）
可降解聚乳酸网沙障技术	130 162.48	乌拉特中旗、达尔罕茂明安联合旗、科尔沁左翼后旗、西乌珠穆沁旗、扎鲁特旗（10 279.10、6 996.87、6 675.31、6 083.31、4 787.20）	白云鄂博矿区、科尔沁左翼后旗、多伦县、奈曼旗、科尔沁左翼中旗（61.85%、57.96%、47.9%、46.86%、45.6%）
高立式阻沙栅栏技术	130 162.48	乌拉特中旗、达尔罕茂明安联合旗、科尔沁左翼后旗、西乌珠穆沁旗、扎鲁特旗（10 279.10、6 996.87、6 675.31、6 083.31、4 787.20）	白云鄂博矿区、科尔沁左翼后旗、多伦县、奈曼旗、科尔沁左翼中旗（61.85%、57.96%、47.9%、46.86%、45.6%）
高效固沙植物栽植技术	278 635.30	阿拉善左旗、改则县、苏尼特左旗、乌拉特中旗、日土县（21 220.65、18 132.27、14 882.25、12 785.58、11 080.44）	磴口县、乌拉特中旗、杭锦旗、海南区、奎屯市（56.32%、56.04%、52.01%、46.46%、45.11%）
环保复合型生物活体模块固沙技术	96 477.67	乌拉特中旗、达尔罕茂明安联合旗、阿拉善左旗、鄂托克旗、杭锦旗（10 465.86、5 963.70、5 489.59、4 829.15、4 551.60）	磴口县、乌拉特中旗、奎屯市、海南区、北屯市（49.92%、45.87%、44.64%、41.39%、38.96%）
生物结皮沙化土地治理技术	185 997.50	杭锦旗、鄂托克旗、乌审旗、达拉特旗、鄂托克前旗（8 287.97、8 121.01、7 253.31、6 302.58、5 526.68）	康巴什区、达拉特旗、伊金霍洛旗、东胜区、乌审旗（92.06%、76.4%、75.24%、74.9%、62.25%）
新型枸杞苗圃栽培模式	149 851.50	鄂托克旗、杭锦旗、阿拉善左旗、乌拉特中旗、鄂托克前旗（13 449.30、10 992.30、7 628.94、7 140.16、7 075.23）	鄂托克旗、白云鄂博矿区、杭锦旗、鄂托克前旗、磴口县（66.03%、63.93%、58.5%、57.9%、49.03%）
固沙灌木生态产业提升绿色发展模式	149 163.51	阿拉善左旗、乌拉特中旗、民勤县、额济纳旗、乌拉特后旗（11 294.05、10 130.42、5 859.13、5 070.56、4 761.08）	磴口县、五原县、奎屯市、乌拉特中旗、北屯市（58.77%、48.04%、46.03%、44.4%、43.58%）

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