从传统到创新：利用刷草棋盘状屏障提升土壤功能和微生物活性

《Journal of Arid Environments》：From tradition to innovation: enhancing soil function and microbial activity with brush straw checkerboard barriers

　　

杜倩倩|朱志豪|曲建军|陈萌

中国宁夏大学西北土地退化与生态系统恢复国家重点实验室培训基地，银川，750021

摘要

与传统的人工稻草棋盘格屏障（ASCB）相比，这种机械制造且结构优化的刷状稻草棋盘格屏障（BSCB）的使用寿命显著延长至5-6年。然而，在相同使用时间内，两种屏障类型在改善土壤能力方面的差异以及BSCB的长期生态恢复潜力仍不甚明了。本研究比较了使用2年、4年和5年的BSCB、使用2年的ASCB以及裸露沙地的土壤物理化学特性和微生物群落结构。研究目的是明确这两种固沙措施在相同时间内的效果差异，并阐明BSCB在不同使用年份中的恢复性能变化。结果表明，在相同的固沙期间，BSCB在提高土壤有机质、总氮、电导率和土壤含水量方面表现优于ASCB，同时增强了微生物多样性并重组了微生物群落组成。结构方程模型验证表明，长期使用BSCB能够逐步改善土壤物理化学条件，这进一步促进了土壤微生物多样性的增加。在相同的2年恢复期内，BSCB在改善土壤和微生物效应方面也优于ASCB。此外，随着BSCB使用年限从2年增加到5年，土壤性质和微生物多样性持续得到改善，表明BSCB是一种更有前景的大规模荒漠化治理技术。这些发现为干旱沙地生态系统的长期生态恢复和可持续荒漠化控制提供了有力的科学依据。

引言

中国面临着严重的荒漠化问题。截至2019年，全国荒漠化土地面积已达1.69亿公顷，占总国土面积的17.58%（Zan等人，2023年；Lu等人，2020年）。沙障可以阻碍风沙移动、稳定流动的沙面（Wu，2003年），减少土壤蒸发损失并提高土壤持水能力（Wang等人，2017年）。因此，这些措施被认为是基于植被的固沙的基础前提（Sun，2000年）。机械沙障能够显著改善土壤物理化学性质、优化水分状况（Ge等人，2019年）、调节土壤机械组成（Dai等人，2019年）并丰富土壤养分库（Zhang等人，2020年；Jin等人，2021年）。同时，这些设施还能增加土壤微生物的数量和多样性，并重构微生物群落结构（He等人，2024年）。然而，传统机械沙障存在固有局限性，包括耐久性不足、潜在的生态干扰风险以及高昂的后期维护成本。

稻草棋盘格屏障，被誉为“中国魔方”，是一种具有显著实际效果的荒漠化治理核心技术（Yan等人，2025年）。该方法已在全球干旱和半干旱地区得到广泛应用，并在栖息地恢复中发挥了关键作用（Xu等人，2018年）。稻草棋盘格结构可以提高土壤中粉砂和粘土的比例，促进粗沙转化为细颗粒，从而改善局部微生境条件（Li等人，2006年）。此外，它们具有较低的原材料成本和良好的环境适应性，有助于干旱和半干旱地区的植被恢复和生态重建（Wang和Wang，2019年）。然而，沙漠地区的极端环境压力，如剧烈的昼夜温差、强烈的风蚀和强烈的太阳辐射，严重削弱了传统人工稻草棋盘格屏障（ASCB）的结构稳定性（Liu等人，2026年）。传统沙障通常在1-2年内就会发生结构退化和老化，导致固沙能力逐渐丧失（Bo等人，2015年）。此外，近几十年来机械化收割的广泛采用导致ASCB建设所需原材料供应不足，进一步加剧了屏障基材的短缺（Li等人，2020年）。

在这种背景下，刷状稻草棋盘格屏障（BSCB）作为一种创新替代技术应运而生，具有多种优于传统沙障的优势。这种新型设施适合机械化施工，其整体运营效率比手工铺设的ASCB提高了60%（Qu等人，2019年）。其集成的刷网和绳索配置可将使用寿命延长至5-6年（Qu等人，2019年）。风洞模拟和现场监测证据表明，BSCB的防风和固沙效果与传统ASCB基本相当（Qu等人，2024年）。目前关于BSCB的研究主要集中在其工程性能和施工适用性上，而针对BSCB与ASCB在生态恢复能力方面的系统比较评估仍然较少。BSCB较长的使用寿命是否能够转化为相对于使用2年的ASCB更高的生态效益仍不清楚。此外，两种屏障类型在相同使用时间内调节土壤性质和调控微生物群落方面的差异也尚未得到充分探讨（见图1）。

本研究的核心目的是在相同使用时间内，比较BSCB和ASCB的土壤物理化学性质和微生物群落组成的差异，并探讨长期使用的BSCB是否能够随着恢复年限的增加而产生渐进的土壤改善和微生物调节效果。根据上述研究目标，提出了两个假设：（1）在相同的固沙期间，BSCB对土壤物理化学性质和微生物群落结构的改善效果更为显著；（2）得益于其较长的使用寿命，BSCB能够持续积累生态效益。随着使用时间的延长，其优化土壤条件和重构微生物群落的能力可以进一步增强。

章节摘录

研究区域

研究区域位于中国宁夏回族自治区中卫市腾格里沙漠东南边缘的世界银行贷款项目区（北纬37.26° - 37.32°，东经104.40° - 105.03°）和国家自然保护区（北纬37.43° - 37.62°，东经104.82° - 105.16°）内。该地区气候具有温带大陆性特征，表现为干旱条件、显著的昼夜温差、频繁的气象灾害。

不同固沙期限的稻草棋盘格屏障对土壤物理化学性质的影响

以下是关于相同固沙期限内BSCB和ASCB处理区的分析结果（图3和表2）。在2年的固沙期间，BSCB在0-20厘米土层中对土壤物理化学特性的改善效果更为明显。在0-10厘米土层中，BSCB处理下的土壤容重（MC）、有机质（OM）、总氮（TN）和电导率（EC）分别比ASCB增加了38.2%、7.9%、20.5%和12.6%。在10-20厘米土层中，相应的四个指标也有所改善。

在相同的固沙期限内，BSCB在改善土壤物理化学条件和微生物多样性方面表现更优

作为一种创新的固沙措施，BSCB在相同的2年恢复期内对土壤容重（MC）、有机质（OM）、总氮（TN）和电导率（EC）的改善效果更为显著（表2）。同时，BSCB还能在一定程度上提高土壤微生物多样性并优化群落组成（表4、表5）。这种差异主要源于两种屏障类型在结构设计和施工方式上的本质区别。

结论

在相同的2年使用期内，刷状稻草棋盘格屏障在提高土壤含水量、有机质、总氮和电导率方面优于人工稻草棋盘格屏障。此外，刷状稻草棋盘格屏障还能更好地调节土壤酸碱度，有效提高土壤微生物多样性并重塑微生物群落组成。由于其更长的使用寿命，

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（42407086）、宁夏回族自治区高等教育科学研究项目（NYG2024005）、宁夏重点研发项目（2022BEG02003）和内蒙古自治区科技重大项目“展示领导者”项目（2024JBGS00130203）的支持。本研究基于刷状稻草棋盘格屏障的专利（C.N. Patent 210766711U），第一发明人为

CRediT作者贡献声明

杜倩倩：软件编写——初稿撰写。朱志豪：数据整理、软件处理。曲建军：概念构思、正式分析、方法论设计、项目管理。陈萌：概念构思、方法论设计、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

本研究基于刷状稻草棋盘格屏障的专利技术（C.N. Patent 210766711U），第一发明人为曲建军。除此之外，作者没有其他需要披露的相关财务或非财务利益。