开发基于天然材料的可生物降解沙障，以减缓风成沙的移动

《Journal of Environmental Management》：Developing natural based biodegradable sand barriers for mitigation of aeolian sands

风蚀防治在伊朗中部干旱区开展，评估了亚麻网、PLA网和芦苇茎三种屏障的防沙效率（亚麻网0.612最高）、沙通量（PLA网185.5%增幅最显著）及凹面沉积效果，发现亚麻网兼具环保性与成本优势，推荐为资源受限地区的可持续治理方案。

　　在干旱和半干旱地区，风蚀沉积物对环境构成了重大挑战。近年来，许多方法被开发用于稳定沙丘，研究重点逐渐转向风剖面评估，以更有效地控制风蚀现象。本文探讨了生物降解材料在伊朗中部干旱环境中的应用效果，通过评估沙尘防治效率、沙尘通量、凹面发育以及侵蚀-沉积速率等指标，对几种不同的沙障材料进行了比较。研究结果表明，亚麻网沙障在沙尘防治效率方面表现优于其他处理方式，显示出其作为可持续、本地可用替代材料的潜力。尽管与PLA网沙障没有显著差异，但亚麻网沙障的效率比芦苇茎沙障高出约31.33%。在沙尘通量方面，PLA网沙障表现最佳，其通量比对照组增加了185.5%，不过与亚麻网沙障相比并没有显著差异。沉积模式分析显示，PLA和亚麻网沙障均有效促进了凹面地形的形成，并实现了均匀的沉积效果。平均沉积高度分别为PLA 14.17厘米，亚麻网 8.96厘米，芦苇茎 3.09厘米。芦苇茎沙障的沉积物主要集中于0-4厘米高度范围内，占比高达71.90%。基于这些数据，研究建议在资源有限的干旱地区，采用亚麻网沙障作为经济实惠、环保的解决方案，利用本地材料提高实用性、可持续性并降低生产成本。

土地退化和沙漠化是全球范围内广泛存在的经济、社会和环境问题，对土地平衡和社会经济造成严重影响。这些现象的后果包括生物多样性丧失、气候变化、粮食安全问题、生计丧失以及健康风险。在干旱和半干旱地区，风蚀是沙漠化过程中最重要的因素之一。风蚀不仅对自然生态系统有害，也对人类活动构成威胁。因此，控制风蚀和沙尘暴对于改善环境、保障人类健康、降低经济损失、应对气候变化和促进农业发展至关重要。为了应对这些问题，全球范围内已经开发出多种方法和技术，包括增加植被覆盖、使用沙障以及实施可持续的土地管理措施。这些方法有助于稳定土壤、降低风速并拦截沙粒，从而减轻风蚀和沙尘暴的不利影响。

植被覆盖在防止风蚀方面起着关键作用。植物种类和分布方式显著影响风流的湍流程度以及土壤颗粒的整体运输过程。然而，在某些地区，特别是沙丘和沙漠平原，由于水分缺乏，风蚀现象非常严重，短期内建立植被覆盖变得困难或不可能。因此，工程措施成为这些地区的常用解决方案。在干旱地区，工程措施（EMs）通常被用来控制沙尘，因为种植树木（如多年生草类、灌木和半灌木）在某些情况下并不总是可行。而在半干旱和亚湿润地区，工程措施有时会与生物方法结合使用，以实现即时的治理效果。工程措施的关键功能在于防止沙粒移动、减少沉积物堆积以及减缓沙丘的推进速度，通过改变风沙流动模式达到这一目的。其中，一种常见的方法是使用“棋盘式”沙障，由稻草或砾石等材料制成。这种方法实施迅速，不需要复杂的或专门的技术。

在20世纪80年代之前，沙障主要由黏土垄和稻草构成。近年来，随着技术的发展，塑料和尼龙网等新型材料在中国逐渐被应用。其中，聚乳酸（PLA）网沙障是最新的一种类型。这种材料具有快速施工和无需复杂技术的优点。更重要的是，PLA网沙障在使用寿命结束后会在现场分解为水和二氧化碳，避免了化学残留或二次污染的产生。亚洲的研究人员长期致力于沙尘治理方法的探索和评估，中国研究人员特别关注棋盘式沙障的形成和侵蚀-沉积动态。例如，通过计算流体动力学（CFD）模拟和风洞测试，他们研究了棋盘式沙障的凹面形成以及沉积物颗粒大小特性对沉积过程的影响。此外，他们还探讨了土壤结皮的形成和沙障的退化特征。这些研究为不同地区的沙尘治理提供了重要的理论支持和实践经验。

尽管PLA网沙障在中国的应用取得了成功，但在伊朗尚未得到广泛实施。伊朗的沙丘和沙漠环境与中国的寒冷干燥沙漠在生态、气候和环境方面存在显著差异。因此，PLA网沙障在伊朗的适用性和效果仍需进一步研究。本文的主要目标是评估进口PLA网沙障在伊朗环境条件下的表现。然而，由于进口材料的成本较高，使用PLA网沙障在经济上具有挑战性，因此有必要寻找成本效益更高的替代材料，这些材料应能提供与PLA网沙障相当甚至更好的防护效果。

为了应对这一挑战，本研究聚焦于寻找本地可用的材料，以显著降低生产和建设成本。其中，亚麻网沙障被认为是一个有前景的解决方案。亚麻网沙障采用伊朗本地可获得的亚麻纤维制成，这种材料天然且可生物降解。与传统的PLA沙障不同，亚麻网沙障尚未在伊朗的棋盘式配置中进行测试。因此，本研究旨在探索亚麻网沙障在伊朗的应用潜力，作为应对风蚀和稳定沙丘的一种创新、环保的解决方案。通过将生物降解材料与优化的沙障结构相结合，研究评估了将进口PLA沙障替换为本地开发的亚麻网沙障的可行性，特别是在多方向风条件下提高沙丘稳定性的效果。亚麻网沙障的使用不仅有助于应对环境挑战，还显著降低了生产成本，使其成为伊朗可持续土地管理的一种可行选择。

研究区域的选择基于其在风蚀防治方面的关键地位和活跃的沙丘活动。因此，伊朗库姆省中部霍塞因阿巴德米斯塔特村周围的沙丘被选为研究地点。该地区受到风蚀的影响，根据邻近的卡哈克气象站记录，该地区的年平均降水量仅为111毫米，且昼夜温差较大。这种极端的气候条件使得研究结果更具代表性，能够反映伊朗干旱环境下的实际应用效果。

在沙尘防治效率的评估中，研究采用周期性测量方法，对每个沙丘上风向和下风向区域的沙尘沉积情况进行监测，并计算出不同沙障材料的防治效率和沙尘通量的变化百分比。结果显示，沙障材料类型（p值=0.001）和时间（p值=0.016）对防治效率的影响均在1%的显著水平上。然而，沙障材料类型与时间之间的交互作用（p值=0.686）并未达到显著水平。这表明，随着时间的推移，不同材料的防治效果变化趋势较为一致，没有出现显著的相互影响。这一发现对于长期风蚀防治策略的制定具有重要意义，意味着在不同时间点，材料的选择对防治效果的影响相对稳定。

研究结果还强调了沙障材料在控制风蚀中的关键作用。与Xin等人（2021）的研究一致，本研究发现沙尘防治效率与沙障的孔隙度之间存在负相关关系。孔隙度越高，沙障的防治效果越差。具体而言，芦苇茎沙障的防治效率分别比PLA网沙障和亚麻网沙障低27%和33.62%。这表明，选择低孔隙度的材料对于提高沙尘防治效率至关重要。此外，PLA网沙障在防治效率方面表现出更强的性能，但与亚麻网沙障相比并没有显著差异。这一结果进一步验证了亚麻网沙障作为可替代材料的可行性，特别是在资源有限的地区。

在沙尘通量的评估中，PLA网沙障表现最佳，其通量比对照组增加了185.5%。尽管这一数值较高，但与亚麻网沙障相比并没有显著差异。这表明，两种材料在减少沙尘流动方面均具有一定的效果。然而，沙尘通量的增加可能意味着在某些情况下，PLA网沙障的使用会导致更多的沙尘沉积，这需要在实际应用中进行权衡。同时，研究还发现，芦苇茎沙障的沙尘通量最低，这可能与其较低的防治效率有关。

沉积模式分析进一步揭示了不同沙障材料对沉积物分布的影响。PLA和亚麻网沙障均有效促进了凹面地形的形成，并实现了较为均匀的沉积效果。这表明，这两种材料在控制风蚀和稳定沙丘方面具有相似的性能。然而，芦苇茎沙障的沉积物主要集中于0-4厘米高度范围内，这可能与其较低的防护能力有关。沉积物的分布特征对于评估沙障的长期效果具有重要意义，因为均匀的沉积有助于减少局部的侵蚀风险，提高沙丘的稳定性。

研究还指出，沙障材料的性能不仅受到其物理特性的制约，还受到环境条件的影响。例如，在风速较高的情况下，某些材料可能表现出更好的防护效果，而在风速较低的环境中，其他材料可能更适用。因此，在选择沙障材料时，需要综合考虑当地的气候条件、风速分布以及土壤特性。此外，沙障的结构设计也对防治效果产生重要影响。例如，不同网格尺寸的沙障在风蚀防治中的表现存在差异，较小的网格尺寸可能在风速较高的区域提供更好的防护效果，而较大的网格尺寸则可能在风速较低的区域表现出更优的性能。

在实际应用中，沙障的经济性和可持续性也是重要的考量因素。尽管PLA网沙障在防治效果方面表现优异，但其高昂的进口成本限制了其在伊朗的广泛应用。相比之下，亚麻网沙障由于采用本地材料制成，生产成本较低，且具有良好的生物降解性，这使其在资源有限的地区更具优势。此外，亚麻网沙障的本地可用性也提高了其在伊朗的适应性和实用性，使其成为一种可持续的土地管理方案。

本研究的结论表明，PLA和亚麻网沙障在减少风蚀、稳定沙丘表面以及限制沙粒移动方面均表现出良好的效果。其中，亚麻网沙障在防治效率方面尤为突出，特别是在植被覆盖受限的地区，其本地可用性和环保特性使其成为一种理想的选择。研究还指出，亚麻网沙障的使用可以显著降低生产成本，提高沙丘治理的经济可行性，同时减少对环境的长期影响。这些发现为伊朗的风蚀防治提供了新的思路和方法，特别是在资源有限的干旱地区，亚麻网沙障的推广和应用具有重要的现实意义。

在可持续土地管理的背景下，生物降解材料的应用前景广阔。与传统的人造材料相比，生物降解材料不仅能够提供有效的防护，还能在使用寿命结束后自然降解，避免环境污染。此外，生物降解材料的使用还可以促进生态恢复，提高土壤的稳定性。例如，一些研究表明，沙障的实施可以改善土壤的物理和化学特性，提高土壤的持水能力，减少风蚀的发生。因此，在风蚀防治中，采用生物降解材料不仅可以实现短期的防护效果，还能为长期的生态恢复提供支持。

然而，生物降解材料的应用仍面临一些挑战。首先，其生产成本可能较高，尤其是在大规模应用的情况下。其次，生物降解材料的性能可能受到环境条件的影响，例如温度、湿度和风速等。因此，在实际应用中，需要根据具体的环境条件优化材料的选择和结构设计。此外，生物降解材料的降解速度和方式也需要进一步研究，以确保其在使用期间能够提供足够的防护效果，并在使用寿命结束后不会对环境造成负面影响。

总的来说，本研究为伊朗的风蚀防治提供了重要的科学依据和技术支持。通过评估不同沙障材料的性能，研究揭示了亚麻网沙障在防治风蚀方面的潜力，特别是在资源有限的干旱地区。亚麻网沙障的本地可用性和环保特性使其成为一种可行的替代方案，能够有效降低生产成本并提高沙丘治理的可持续性。未来的研究可以进一步探讨不同生物降解材料在不同环境条件下的表现，以及如何优化其结构设计以提高防护效果。此外，还需要考虑沙障的长期维护和管理，以确保其在使用期间能够持续发挥作用，并在使用寿命结束后实现环境友好型的降解。这些研究将为伊朗及其他干旱地区的风蚀防治提供更加全面和有效的解决方案。