全 文 ：应 用 生 态 学 报
  年
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沙 面 结 皮 形 成 与 微 环 境 变 化 ‘
凌裕泉 屈建军 胡 玫 冲国科学院兰州沙漠研究所己州 : ! ! !9
【摘要】 研究结果表明沙坡头地区的大气年降尘 8< = 。7 4 > ? ? 9厚度平均为 ! 7
∀ ? ? 7 降尘 中的悬
浮盐粒 、 碳酸钙 、微量元素以及 低等植物 、微生物和植物残体所提供的有机质可促进微环境的物理 、
化学和生物的综合作用 , 降两量及 其频率对结皮形成与成 土过程影响较大 · 在粒径为 !7 ≅Α! 一
。7
≅Α ? ? 的沙丘中 , 降雨渗透率为 Β , Χ一 Β :
! 7 结皮形成可改变近地层的水热状况 , 以致沙层含水
量下降到 ≅写以下 , 在一定程度上抑制了植物固沙的功能 7
关键词 沙面结皮 微环境 大气降尘
# Δ Ε Φ 6 Γ 4 Δ ? Η 6Ι4 ϑ 4 ϑ Φ Η ϑ < ΦΕ ΔΓΗ 5 5 Η ϑ < ? ΙΚ Δ 4 5 ϑ Λ ΙΔ 4 ϑ ? 5 ϑ 6Η Β 5 ΜΗ ϑ Ν 5 . Ιϑ Ν 3 Ε Ο Ε Η ϑ , Π Ε )ΙΗ ϑ ΘΕ ϑ Η ϑ < ∃ Ε
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Α ! 7
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Ξ
5 Η Β 5 ΜΗ ϑ Ν 5 Φ 4 Γ ? Ι5 Δ 4 5 ϑ Λ ΙΔ 4 ϑ ? 5 ϑ 长· Ζ Μ 4 Η ? 4 4 ϑ 6 Η ϑ < ΓΔ 5 Ο Ε 5 ϑ 5 Ψ 4 Γ Τ Δ 5 5 ΙΤ Ι6 Η 6Ι4 ϑ Φ 6 Δ 4 ϑ Ν ΒΨ Η ΓΓ5 5 6 6Μ5 5 Δ Ε Φ6
Γ4 Δ ? Η 6Ι4 ϑ 4 ϑ Φ Η ϑ < Φ Ε Δ ΓΗ 55 Η ϑ < Α !

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Α
, Χ 一 Β , Β! 7 # Δ Ε Φ 6 Γ4 Δ? Η 6Ι4 ϑ 4 ϑ ΦΗ ϑ < Φ Ε ΔΓΗ 5 5 5 Η ϑ Ιϑ < Ε 5 5
6Μ 5 5 Μ Η ϑ Ν 5 4 Γ ? 4 ΙΦ6 Ε Δ 5 Η ϑ < Μ 5 Η 6 Φ 6Η 6 Ε Φ ϑ 5Η Δ 5 Η Δ 6Μ Φ Ε ΔΓΗ 55 , Η ϑ < Μ5 ϑ 55 , < 5 5 Δ 5 Η Φ 5 6Μ 5 ? 4 ΙΦ 6 Ε Δ 5 5 4 ϑ 6 5 ϑ 6
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⊥ 5 Ψ Υ 4 Δ < Φ #Δ Ε Φ6 Γ4 Δ? Η 6Ι4 ϑ 4 ϑ Φ Η ϑ Η ΦΕ Δ ΓΗ 5 5 , Ρ Ι5 Δ 4 5 ϑ Λ ΙΔ 4 ϑ ? 5 ϑ 6 , /Η ΒΒ5 ϑ < Ε Φ 6 7
引 言
在干旱和荒漠地区 , 在流沙上采取人工防
护措施之后 , 由于沙面得以稳定 , 随着大气降尘
的积累与微环境因素的作用 ,致使流沙表面层
出现微弱的成土过程 , 其初期阶段是以沙尚结
皮形成为特征的 7 沙面结皮的形成是以大气降
尘的积 累为物质基础 7 于是人们试图用大气降
尘量的多少去衡量结皮的作用 7 实践证明 , 伴随
结皮的加厚将会引起微环境的相应变化 , 并在
一定程度上直接或间接地抑制了植物固沙的功
能和成土作用 , 致使人们对结皮的作用产生了
不 同见解与争议 7 鉴于此 , 于
 ; ; 年 Α 月至

 ;  年
≅ 月间几在腾格里沙漠东南缘宁夏中
卫沙坡头地区 , 对结皮的微环境进行了综合对
比观测研究 7 这对防治沙漠化与土壤风蚀 , 加速
7 国家自然科学基金资助项 目 7
本文于 ≅  ≅ 年 ∀ 月 ≅ ∀ 日收到 , ; 月 ≅ ∀ 日改回 7
流沙的成土过程具有重要理论和现实意义 7
≅ 沙面结皮形成与演变
≅ 7
大气降尘在沙面结皮形成中的作用
沙漠沙丘沙的主体粒径为 ! 7 ≅Α 一 。7
4 ? ? , 当气象
站测风高度风速达到 Φ? · Φ 一 , 时 , 流沙表面沙粒开始起
动 , 随风速继续增大而形成风沙流 7 风沙流的主要危害
形式为强烈风蚀与严重积沙 7 防沙多半是采取大面积
固定流沙表面的办法 , 而固定流沙表面的前期防护措
施 , 通常以工程措施为主 7 当沙面得 以稳定 , 在自然条
件可能的情况下 , 可同时进行植物固沙 7 在工程措施保
护下 , 原沙面基本不再起沙 , 外部流沙难以大量进入固
沙 区 7 实测资料表明汇 」, 固沙区的输沙量与相同风速条
件下的流沙相比 , 前者仅占后者的 。7 Α ∴左右 7 在此情
况 下 , 能够进入 固沙区 的物质来源主要是粒径小于
。7 !> ? ? 的大气降尘 7 粉尘具有较大的内聚力和附着
力 , 其起动风速随粒径减小而增大7 大气降尘的初期积
累只 能在固沙区形成一个很薄的保护层 , 构成沙面物
理结皮的物质基础 7
 ∀ 应 用 生 态 学 报 ∀ 卷
≅ 7 ≅ 沙面结皮的形成过程
≅ 7 ≅ 7
结皮的形成条件 沙淇地区大气降尘是沙面结
皮形成的先决条件 , 其物质组成主要来自粉细沙和土
壤的表土 以及浮游的盐类微粒 7 沙坡头地区年降尘厚
度为 ! 7
∀ ∀ ? ? 8距地面 一
∀ ? 高度设置的 Α 个降尘
取样器的平均值9 , 而在结皮 上直接收集 到的降尘量 ,
年平均厚度为 。7
! ? ? , 略小于取样器测值 , 其原因可
能是一部分极细粘粒随降雨而流失 , 或直接粘于结皮
表面 7 由于固沙区局部受风蚀 , 往往在结皮表面降尘中
混有一定数量的沙丘沙7 如果把结皮表面的沙尘量全
部计为其物质积累 , 每年积尘厚度可达 ! 7 ∀> Α ? ? , 不过
此值在空间分布上具有明显的非均一性 7 如果仅有降
尘的积累 , 其结果只能对流沙表面起到暂时的稳定作
用 7 因为 , 此时在沙面形成极薄的保护层为干而松脆的
粉末状薄层 , 呈浅灰白色 , 极易破碎 7 由于沙面暂时得
以稳定 , 低等植物 8如藻类9 、微生物和植物残体所提供
的有机质的参与和积累 , 促进了微环境中的物理 、化学
和生物的综合作用 , 构成结皮形成与流沙成土过程的
转化条件 7 必要降雨 量与足够的降雨频率是保证细颗
粒物向流沙深层迁移和转化 , 加速结皮形成与成土过
程得以发展的动力条件 7
影响结皮形成和成土作用的因家还有气温和土壤
温度等 , 不过就其作用程度来说 , 主要还是 以上 个条
件7
≅ 7 ≅ 7 ≅ 结皮的形成过程 在 固沙 区 , 随着大气降 尘的
积累 , 沙面 日趋稳定 , 可能使地 衣 、真菌和纤维素分解
菌依次迁入沙面层 , 经过微环境中的物理 、化学和生物
等作用 , 最后导致沙面完全稳定 7
沉降到沙面的一部分细颗粒物是通过降雨而进一
步渗透到沙丘中川 7 在以色列内盖夫北部地 区 , 一些线
形沙丘表层的粉沙和粘粒含量大于
! 环 , 而在 ∀ !Κ ?
深处 , 其含量减至 Α一 > ∴ 7 在美国加利福尼亚州的赖斯
谷地 , 有植被的线形沙丘细颗粒物含量为 ∀一 > 7 > ∴ 7 澳
大利亚中部 , 其含量为 Α纬7 在沙坡头地 区 , 流动沙丘表
层小于。7 4 > ? ? 的细颗粒含量仅有 ! 7 ∴ 7 在塔克拉
玛干沙漠流沙表层 , 细颗粒含量为 ≅ 7
∴ 7 细颗粒物在
沙层中的渗透深度依赖于降雨量 、降雨频率 、沙粒以及
细颗粒物的粒 度7 在沙坡头地 区 , 当一次降雨 量小于
Φ? ? 时 , 降雨量与渗透深度之比为
: Χ _ 当一 次降雨
量大于 Φ? ? 时 _其比例关系为
:
! : ’沙坡头地 区沙
丘沙的平均粒径为 ! 7
? ? 7 1Ι ϑΚ 5 Δ 等报道.Φ) , 平均粒
径为 。7
Α ? ? 的沙丘上 , Β? ? 降雨量可渗深 Χ ? ? , 而
在平均粒径为 。7 ∗? ? 的沙丘上 , 可渗深 ≅! ? ? 7 细颗
粒物就是借助于降雨这种渗透性向流沙深层迁移或改
变位置 , 并且在迁移过程中引起矿物成分的变化7 研究
表明 , 在沙丘
!Κ ? 深处收集到渗透尘的较粗颗粒是由
大量石英 、长石和含有少量白云石的方解石组成 , 而较
细颗粒则逐渐 向方解石和 粘土矿物富集 7 粒径小于
! 7 !> ? ? 的矿物成分与未风化的黄土相类似 7 扫描电
子显微镜分析结果进一步证实了方解石颗粒平均小于
石英和长石颗粒 7
降尘到达沙面之后 , 碳酸盐和粘土矿物比石英和
长石更容易改变位置 , 进一步渗透到沙丘中7 其中浮游
盐微粒具有不同的溶解度 , 氯化物最容易位移到更深
处 , 硫酸盐次之 , 碳酸氢盐最差 7 在潮湿期之后 , 溶解盐
因沙面强烈蒸发作用而移向表层 , 形成 一个硬化了的
石英颗粒薄层 , 这就是沙面结皮的雏形 , 或称之为结皮
的初期阶段 7 这样硬化层在降雨潮解之后 , 多呈轻微的
翻耕状态 , 并呈灰黑色 7 实地调查嗤:现 , 在此薄层与下
层流沙之间存在 ≅一 Κ ? 厚的特殊隔层 , 其容重为
7 ∀!
左右 , 明显地改变了近地表层的导热和导水性能 7 干旱
时期 , 表面的潮湿薄层 或沙层的盐度与碱度都会变得
很高 7 在此种情况下 , 有助于二氧化硅的榕解和重新沉
淀 , 其结果导致沙粒表面结构的变化 , 即表面被一层含
有盐类和渗透粘粒与非结晶硅凝胶体混合物所包围7
在沙面 !Κ ? 以下 , 沙子从没有千透过 , 潮湿薄层的浓
缩盐继续溶解 , 并与颗粒表面相互作用 7 当溶液变成过
饱和状态时 , 石英颗粒表面的二氧化硅被溶解和部分
再沉淀 , 沉淀物为非结晶的二氧化硅 7 通常 , 在相对稳
定的沙丘边 缘或背风处的石英沙粒 , 往往难于显示处
于运动状态颗粒的表面结构特征 7 例如 , 颗粒表面 “结
霜 ”或具有 “向上反翘的薄片 ” 7 在沙坡头地 区 , 降尘样
品和沙面细颖粒的电子探针扫描分析中就发现了这种
现象 7
] 一射线的衍射分析表明 , 在以色列内盖夫北部地
区 , 沙丘石英颗粒含硅胶膜中 , 同时含有大量的 −
、
/5 、 ⊥ 和 # Η 7 颗粒愈红 , 胶膜中−Β 、/5 含量愈高 7
经过上述的物理 、化学和微生物等作用之后 , 沙面
结皮逐渐形成 , 其厚度也不断增大 , 颜色由浅灰白色变
成灰黑色 7 在
 Α > 年开始人工固沙的地段上 , 结皮厚
度大约为
Α 一 ≅! ? ? , 变化范围较大 , 呈灰黑色 , 块状分
布 7 发育较好的结皮具有较强的抗风蚀能力 , 经风洞吹
沙打磨实验表明 , 当含沙气流速度高达 4? · Φ 一 , , 连续
吹风 巧 分钟之后 , 结皮表面仍然完好无损 7 据 # Ε 06 Η
报道川 , 结皮强度可达 一∀ς Ν · Κ ? 一, 7 可见 , 结皮的抗
蚀性很强 7 伴随结皮的形成而在流沙表层发育了原始
Β9 资料由陈文瑞同志提供 7
∀ 期 凌裕泉等 : 沙面结皮形成与微环境变化
风沙土的成土过程 , 并为天然一年生植物的繁衍提供
了微环境条件 7
沙面结皮形成的微环境及其变化
7
沙面结皮的粒度组成
结皮下伏物质原为流动沙丘沙 8表
9 , 其
表层 。一 %Κ ? 粒度组成以细沙和极细沙为主 ,
占  7 ∀ ∴ , 含有 少量中沙和 粉沙 _ Β一 ΦΚ ? 层
中 , 中沙含量增大 , 无粉沙 7 随着结皮形成周期
的延长 , 细颗粒含量明显增加 7 流沙表面粉沙含
量只占
7 Α ∴ , 其多点平均值只有 ! 7 ∴ , 而
经过 ≅ 年 8
 Α >一
 ; ;9 降尘积累的结皮表层
中 , 细颗粒含量却增至 ∀ 7 >; ∴ _ 在
一 ΦΚ ? 层
中其增加速度不如表层迅速 , 只有
Χ 7 !Α ∴ 7
表 Β 沙坡头地区不同时期形成结皮的粒度组成 8∴ 9
知Ω 7
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表 : 沙坡头地区地表通度季节变化
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应 用 生 态 学 报 ∀ 卷
7 ≅ 沙面结皮的热状况
温度的高低及其变化程度与变化速度都直
接影响结皮形成的物理 、化学过程以及微生物
的作用 7 所采用的温度要 素包括气温 、地面温
度 、土壤温度 日均值 8每天观测
≅ 次 9旧 较差
以及不同高度气温梯度值等 8表 ≅9 7 所有观测
项 目都是在不同季节的典型天气条件下 , 在流
沙区和固沙区两个地段上 , 同时进行对比观测 7
7 ≅ 7
日平均温度
Α! 和 ≅ !Κ ? 高度的 日平
均温度 , 在
月和
! 月 , 固沙区的结皮上均比
流沙低 %∗# 左右 , 而在 Χ 月则比流沙高 ! 7 >4 # ,
∀ 月两个地段无明显差异 7 其原因是
月固沙
区的结皮表面白夭积雪融化耗热以及夜间地面
结冰而影响了地气之间的热交换 , 而
! 月由于
植被生长较多或降水的积累等原因 , 故气温偏
低 7 Χ 月太阳辐射强度较大 , 结皮表面反射率较
小以及结皮层导热率较小等原因 , 致使结皮表
面气温高于流沙 7 ∀ 月正值春旱与风沙活动频
繁季节 , 加强了下层与上层气流交换和混 合作
用 , 减弱了两地的差异 7
7 ≅ 7 ≅ 温度 日较差 日平均温度只能表示冷与
热的空间分布特征 , 而温度日较差则可反映冷
与热随时间变化的速度与强度 , 它直接影响结
皮形成与成土过程的物理 、化学和微生物的作
用甄度 7 在一年中的不同季节 , 固沙区结皮面上
的温度 日较差均大于流沙区 ,特别是冬季 , 在贴
近地表层这种差异更加明显 7 例如 , 固沙区结皮
面上 ,
月间 ≅!Κ ? 高度气温 日较差为
∀ 7 ∀ 4# ,
比流沙区的日较差 Χ 7 4 # 高出一倍多 7 这种冷
热急剧变化 又在一定程度上直接影响植物生
长 7 两地的温度日较差在 Χ 月间均达到最大值 ,
但两地温度 日较差的差值却是全年之中的最小
者 7 因为在此期间太阳辐射强度已达到最大值 ,
同时与此期间降雨增多和植物生长旺盛关系极
为密切 7
土壤温度的变化过程基本上是与气温咬化
相对应的 , 不过在 Β 月和 ∀ 月间两地差异较为
明显 , 而 Χ 月和
! 月间差异不大 7 这种变化影
响深度在 Β 月和 ∀ 月可达 ≅ !Κ ? , 而在 Χ 月和
!
月Β可, 大约为
!Κ ? ·
7 沙面结皮的水分状况
研究表明 ,从干草原到荒漠地区 , 流沙表层
!Κ ? 以 下深度 , 沙子从 没有 干透 过 , 而 ∗一
∀ ! 。? 范围内的沙子含水量却是影响植物生长
的极其重要的微环境因素 7 沙坡头地区研究证
实 , 当沙层 。一∀! 。? 内含水量稳定在 ≅ ∴左右 ,
即具备植物固沙的可能性 7 由表 可见 , 在沙坡
头地 区 , 一年之中 , 不 同季节流沙 区 !一∀ !Κ ?
沙层含水量 , 冬 、春 、秋季均大于 ≅写 , 而夏季却
小于 ≅ ∴ , 这主要是夏季高温加速了地表蒸发
过程 7 同时 , 由于原湿沙层中在观测期间出现一
个新的干沙层 8固沙区也出现了相同的情况 9 ,
致使沙层平均含水量像低 7 这种现象在历年沙地水分测定中尚属晕见 7 不过在 ∀ !Κ ? 以下沙
层含水量仍大于 ≅ ∴ 7 可见在固沙 区的结皮以
下各层直到 ? 深处 8甚至到 Φ? 深9含水量均
低于流沙区 ,而且小于 ≅∴ 8表 ∀9 7 结皮愈厚 ,这
种差异愈明显 7 造成这种差别的原因 , 一方面是
沙面结皮自身的结构特征所形成的高温与较大
的温度垂直梯度增强了地表蒸发 , 另一方面是
植被密度增大与强烈蒸腾作用所致 7 这就是沙
面结皮形成对微环境的反作用 7
表 沙坡头地区沙层 8! 一 ∀ !Κ ? 〕含水6 8写9
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· 中间出现千沙层而平均含水量偏低7
7 ∀ 风况与风沙活动
沙漠地区风的日变化具有明显的风向多变
性和风速的阵发性特征 7 因此 , 风沙活动也同样
具有阵发性变化特征 7 风沙活动的季节变化 8表
Α9 通常与大型天气过程有关 7 由表 Α 可见 , 由于
流沙表面得以固定而增大了地表粗糙度 , 减弱
了贴地层的风速 , 有效地控制了输沙强度 7
∀ 期 凌裕泉等 : 沙面结皮形成与微环境变化  Χ
农 刁 沙坡头地区沙层 84一 ! ! 5 ? 9平均含水6 8∴ 9 8 Ι , Φ , 一
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∃ 该资料由石庆辉提供 ∃
表 9 沙坡头地 区风沙活动强度对比 ; 67 8 ∃ 9一”87 ∃ 6&<
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· 括号 内数值为输沙量测定时的平均风速 ∃ : 。为粗糙度 ∃
= ∃ 9 化学性质与微生物分析
= ∃ 9 ∃ 6 化学性质 在沙面结皮形成过程中 , ∴ β
值 有 所 增 大 , 盐 分 含 量 由 & ∃ & %? χ增 至
& ∃ &> =χ δΦ 二, 有 机 质 含 量 可 从 & ∃ & 68 增 至
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果 , 结皮层中 96 & Δ 含量随着结皮的发育而逐渐
减少 ,三氧化物则有相应的增大 ∃ 常量和微量元
素以及碳酸钙均有增大的趋势 , 其中碳酸钙的
积累相当明显 ;表 > < , 并且表层或结皮层的化
学元素和碳酸钙的积累均大于下层 ∃ 与流沙相
比 ,化学元素的绝对含量有减少的趋势 , 表明在
结皮形成和发育的过程中 , 由于植物生长的消
耗 , 致使化学元素的分布具有增减交替或增中
有减的变化特征 ∃ 这种变化将随植被盖度和植
物种的不同而出现较大的差异 , 并将对流沙的
成土过程产生重要影响 ∃
 ; 应 用 生 态 学 报 ∀ 卷
7 Α 7 ≅ 微生物状况 微生物的数量 , 在结皮的 ! 7 Α ∴ 7
下层多于结皮层 _在人工植被的根系上 , 各类微 微生物生理群中 , 以纤维素分解菌数量最
生物的数量一般 比根际土壤和根外土壤大得 多7 固氮菌只是在结皮形成的中 、后期出现 7
多7 在微生物总数中 , 以细菌占优势 ,’ 7 多年 人 微生物生化活动强度 , 无论是土壤呼吸强
工植被固沙区的细菌约占微生物总数的 Α ∴ 度 、氨化作用 、固氮作用 , 或是纤维分解作用都
以上 , 放线菌次 之 , 约占 Α ∴ _真菌最少 , 约占 随着结皮的发育程度而显著增强 7 由此可见 ,在
衰 ‘ 不同时期形成沙面结皮的常6 和橄Β 元紊及 # Η #∗ , 含6 变化
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沙面结皮形成和流沙成土过程中 , 微生物起到
极其重要的作用 ∃ 另外 , 在沙坡头地区 , 沙丘中
的藻类主要是蓝藻比 ‘ , 其次是硅藻 ∃ 结皮形成
愈早 ,发育时间愈长 ,其中藻类就愈多 ∃
% 结 论
% ∃ 6 大气降尘中的细颗粒物积 累是流沙表面
结皮形成的物质基础和必要条件 ∃ 沙面结皮与
最低限度的降雨量和足够的降雨频率以及原始
沙土和粉尘的物理化学性质 、微生物作用有关 ∃
% ∃ : 沙面结皮是细颗粒和盐类以及非结晶硅
凝胶体混合物 , 在特定的微环境中形成具有抗
风蚀功能的产物 ∃
% ∃ = 沙面结皮一旦形成即将对微环境产生重
要影响 ∃ 微环境的变化又在一定程度上抑制了
固沙植物的生长条件 ∃ 因此 , 研究并改善沙面结
皮形成的微环境 , 使之向有利于植物生长方向
发展 , 不仅必要而且可行 ∃ 不过要在物理 、化学
和微生物等方面采取综合有效的措施 ∃
% ∃ % 沙面结皮形成是流沙成土过程的初期阶
段 ∃ 进一步探讨风沙土的成土机制 ,对于改造和
利用沙漠 , 防治沙漠化 , 将是一项具有非常重要
意义的研究课题 ∃
参考文献
6 张继贤 、杨达 明 ∃ 6 78 & ∃ 沙面结皮的自然形成过程及人工 促
进 措施的 探讨 ∃ 流 沙治理研 究 ∃ 宁 夏人 民出版 社 , 银 川 ,
:& 9一 :: & ∃
: 陈祝春 、李定淑 ∃ 67 76 ∃ 沙坡头地区 土壤微生物研 究∃ 流 沙
治理研究 ; :< ∃ 宁夏人民出版社 , 银川 , 8> 一 6 &&∃
= 凌裕泉 ∃ 67 , 6 ∃ 铁路沙害治理体 系的风沙物理学原理 ∃ 流沙
治理研究 ; :〕∃ 宁夏人民出版社 , 银川 , : 7? 一 =& 8∃
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