——学习钱学森沙产业理论的思考
屈建军
1984年，科技泰斗钱学森提出了一个惊世预言——西部中国16亿亩的沙漠戈壁将会为国人每年生长出几千个亿！而这绝不是神话，它只需要走一条途径：沙产业。钱学森构想的沙产业与农产业、林产业、草产业和海产业五个产业构成的现代化大农业，成为人类第六次产业革命的突出特点。钱学森第六次产业革命理论的基本要义是在沙区利用生物机能，采用高新技术，提高太阳能转化率，经过人工培育和科学管理，使其不断发展和再生，通过合理利用资源，形成以产品生产、加工和经销为主要内容，具有一定规模效益和持续发展的产业体系，为人类提供生活产品。其精髓是用系统思想、整体观念、科技成果、产业链条、市场运作、文化对接来经营管理沙漠资源，实现“沙漠增绿、农牧民增收、企业增效”良性循环的新型产业。坚持走技术创新、成果集群、系统耦合、利用综合、文化衔接、效益迭加的知识经济之路。实施这一理论的技术路线是“多采光、少用水、新技术、高效益”，因此又被称为“阳光产业”。钱学森说：“沙产业就是在‘不毛之地’的戈壁沙漠上搞农业生产，充分利用戈壁滩上的日照和温差等有利条件，推广使用节水技术，搞知识密集型的现代化农产业。这是完全可能的。国际上以色列比我国西北地区的自然条件更恶劣，但他们在沙漠上开发了现代化的农业，且经济效益十分可观。”
1991年3月11日，钱学森在北京香山沙产业研讨会上发表《沙产业大有可为》的讲话中说到：“我讲的沙产业还不够全面，还有另一个事业。即在沙漠、戈壁的边缘地区治沙、防沙、制止沙漠化这件事情是极其重要的。所以治沙、防沙、制止沙漠化工程也是沙产业的一部分。”“一个重要方面就是要把系统工程的理论继续发扬光大，探索在市场经济条件下进一步发展的路子，并把它介绍到其他行业中去。”学习钱学森系统工程理论指导风沙防治体系将是我们未来防沙治沙的方向和手段，通过对莫高窟风沙防治案例的剖析，我们更加体会到系统工程理论对治理风沙危害的重大意义，风沙治理必须建立综合防护体系。
敦煌莫高窟的风沙灾害严重，早在五代，风沙就已危及洞窟的安全，有清沙功德碑为证。20世纪40年代，敦煌石窟最低层大部分埋在沙中。1949年，虽然成立了敦煌艺术研究所，但经费短缺，没有治沙能力。1950年，敦煌文物研究所成立，就把防沙、清沙列为保护石窟的重点工作，并在制定《1956～1966年敦煌文物研究所全面工作规划草案》中，把防沙工作列入石窟的保护、修缮工程项目中，先后在窟顶设立多种防沙工程。但限于当时的条件，对风沙运动规律、风沙危害方式等还没有来得及深入研究，虽然在短期内起到了一定的防沙效果，但随后因积沙量的增大，防沙工程很快失效。近几十年来，一直采用人工清沙办法，清除窟前积沙，沙害并未得到有效的防治。
本文旨在通过对莫高窟风沙运动规律、风沙危害方式的讨论，评价窟顶各种防护措施失效的原因，并提出敦煌莫高窟顶治沙、防沙的途径与对策。
研究表明：风沙对洞窟和壁画的危害主要表现在积沙、风蚀及风沙尘等方面。
（一）积沙危害
自鸣沙山东移的风沙流造成窟区大量积沙，据敦煌研究院统计，每年窟前清沙约3000立方米，大量积沙造成栈道堵塞，窟檐被压塌。研究还发现，对洞窟造成振动的主要振源来自清沙的翻斗车，其频率可达到60Hz以上，远远大于附近敦煌机场Tu146飞机起落的振动。
（二）风蚀危害
风蚀是一种破坏性极强的地质作用，因其作用缓慢，不易引起人们的注意。莫高窟石窟群开凿在沙砾岩上，下部为中更新统千佛洞组沙砾岩，成岩较好；上部为上更新统酒泉组沙砾岩，并有沙质透镜体大量分布于整个崖体，沙层厚度10厘米～50厘米，水平层理发育，纹层厚1毫米～2毫米，极易风蚀。风洞实验表明：沙砾岩与沙质透镜体的风蚀差异相当大，在挟沙风条件下，沙岩（层）风蚀强度是砾岩的四倍之多，致使不少地方岩体上部形成危岩，唐代早期203窟就是因此而遭到坍塌毁坏。同时，风蚀不仅使露天壁画褪色，而且因风沙流的磨蚀使不少洞窟顶部被剥蚀，使窟顶变薄，甚至有些上层窟顶已露天，风蚀已成为岩体坍塌、壁画褪色的主要病害。
（三）风沙尘危害
风沙流所携带的粉尘物质，在崖体临空面产生气流反转并形成大量的降尘。据观测结果：年降尘量可达365.4t/km2，粉尘粒级主要集中在0.05毫米～0.005毫米之间，矿物成分以石英、长石为主，用扫描电镜统计500个粉尘表面形态，棱角状、次棱角状占83%，这种棱角状高硬度的石英颗粒随湍流的运动对壁画、塑像磨蚀严重。同时，极细的粉尘颗粒侵入壁画、塑像颜料空隙，严重地影响了艺术效果，且很难在不损坏壁画的前提下将其清除掉。研究还发现，这种细粉尘物质不断地在壁画开裂处乘虚而入，使壁画产生龟裂，并随着粉尘的不断沉积，逐渐产生一种把壁画向外挤压而脱离岩体的力，从而导致壁画大面积脱落。
综上所述，不仅积沙、风蚀对莫高窟的危害相当严重，风沙尘造成窟区环境污染，对壁画的破坏性更大。因此，仅仅通过消极的人工清沙，并不能真正地防治莫高窟的沙害。
图1 1990年窟门前积沙
图2 岩体风蚀严重
图3 沙尘钻入壁画空隙
图4 沙尘在壁画裂隙沉积
防沙墙。20世纪50年代，人们曾采用防沙墙防治窟区积沙，在洞窟崖顶修筑了1088米的土坯墙，目的在于把流沙聚积起来，然后利用输沙口将积沙集中输清。在防沙墙建起的初始阶段防沙效果显著，但后因沙物质不断沉积，崖体坡面积沙厚度增大，并有自重压实作用，输沙口被堵塞，墙体受积沙挤压，向外倒塌，危及游人及洞窟安全，后被迫拆除。
防沙沟。防沙墙被拆除后，人们又在崖顶开挖了100多米长的防沙沟，试图将流沙堵截于沟中，后因窟顶风沙流十分强烈，防沙沟很快被填平而失效，并因挖沟时破坏沙砾质地表保护层，使地下的沙物质暴露于地表，而形成新的沙源。
崖顶部防沙栅栏。1960年初，人们在崖顶紧靠崖面处，设置了局部阻沙栅栏，结果把沙物质聚集在崖面附近，造成潜在的隐患。
沙山前沿草方格与栅栏。1962年，人们曾在沙丘前沿设立了部分草方格和栅栏，栅栏处于草方格的后方，草方格处于无保护的流沙之中，并未起到固沙作用，有时还被沙埋，栅栏也没有起到应有的作用。
碎石压沙。在进行草方格、栅栏等机械沙障试验的同时，还在沙山前沿平沙地上进行了碎石压沙实验，但因实验区前无栅栏的防护，碎石很快被沙埋没而失效。
戈壁区尼纶网栅栏。1990年，敦煌研究院与中科院兰州沙漠研究所合作，在美国盖蒂文物保护研究所的直接协助下，开展了在窟顶戈壁上利用尼纶网栅栏防沙实验研究，设立了“A”字型防沙体系。目的在于既能在主风向上阻沙，又能在次风向上导沙，经过两个风季的效应观测，栅栏建成后，洞窟积沙减少了70%，但栅栏前后积沙严重。戈壁因积沙形成沙垄，沙垄高约0.5米～1.6米，这种“A”字型防护体系虽然有一定的导沙功能，但远远小于积沙的速度，而且在栅栏积沙体上生长了大量的一年生沙米，高30厘米～50厘米，从而使栅栏的导沙功能急剧降低。因此，戈壁积沙日趋严重。
图5 藏经洞壁画被沙埋的沙线
图6 20世纪40年代清理窟前积沙
图7 20世纪60年代设立的防沙工程
（左上：拦沙沟；右上：阻沙墙；左下：窟顶崖顶上的阻沙栅栏；右下：沙山前沿芦苇固沙方格）
（一）地貌特征
莫高窟地处敦煌盆地东南缘，距敦煌市25公里。东邻三危山，西接鸣沙山，洞窟开凿在大泉河西岸陡壁之中，窟顶地貌形态可划分为砾质戈壁、沙砾质戈壁、平坦沙地和沙山。窟顶沙山系鸣沙山的东段，相对高度170米，为覆盖在基岩低山上的高大复合型沙山，沙丘类型以沙垄、金字塔沙丘、复合型沙山为主。
（二）风况
对莫高窟顶1962年～1965年、1989年～1990年的气象资料进行统计分析结果表明，该区不仅多风，年平均风速为3.5m/s，而且是一个具有三组风向的多向风地区。以东北风、西北风和西南风为主，从而在窟顶分布有相对稳定的金字塔沙丘。研究发现：窟顶偏西风年输沙量达320公斤/米-1，偏东风年输沙量达500公斤/米-1；其中，偏西风可将260公斤/米-1的沙量输送到窟区，而偏东风可将410公斤/米-1的沙量吹回到鸣沙山。因此，莫高窟顶戈壁是一个良好的输沙场。
图8 敦煌莫高窟顶戈壁示意图
图9 窟顶戈壁上灌丛沙堆三个方向的积沙体，反映三组风向
图10 1990年莫高窟月风向极点图，反映三组风向
根据窟顶鸣沙山1972年6月和1985年6月同一季节不同年代的两期航摄资料在OPTONC130解析测图仪上绘制窟顶鸣沙山的1：10000动态图及1：1000典型沙丘动态图，结果发现鸣沙山及其小沙丘移动的总趋势为SW→NE向。证据是沙山和沙丘作为沙源地因风蚀20世纪80年代等高线较之70年代后移（远离窟区）；沙山纵断面AB基本趋于亏损变薄状态，即80年代高程较之70年代降低；沙山上部风蚀坑也因风蚀而降低，其风蚀方向亦为SW→NE，即80年代等高线较之70年代向SW方向位移，但沙脊线在摆动状态中，有SW→NE位移的趋势。为了解对石窟群影响较大的沙山前缘小沙丘的移动速度，经过加密测量发现，沙山前缘小沙丘由SW向NE方向的年移动速度为1.08米～-0.77米，年平均速度为0.34米，向窟区方向年移动速度为0.84米～-0.60米。遥感监测表明，沙山和小沙丘的移动方向为SW→NE，移动速度都很小，属慢速—稳定型。
图11 莫高窟顶鸣沙山动态
图12 鸣沙山高程变化纵断面
沙砾质戈壁及平坦沙地蚀积变幅略有增大，基本表现为微风蚀区。影响莫高窟的沙物质主要来源于风沙流，沙丘移动对莫高窟威胁不大。
综述各种防护措施，在当时都有一定的短期效果，并为莫高窟的沙害防治提供了经验。究其各种措施失败的原因，主要是对风沙运动规律认识不足，设计上难免出差错。主要表现在防护措施单一，没有建立一个完整的防护体系，而是在崖顶崖面上大做文章，而真正的沙源并未得到控制。20世纪60年代，虽然在沙丘前缘做了部分栅栏实验，但因缺乏综合意识，效果不佳。根据莫高窟风沙运动规律和危害方式，借鉴条件类似的包兰铁路沙坡头段、兰新铁路玉门段已有的防沙成功经验，我们建议在窟顶建立一个在空间上由阻沙区、固沙区和输沙区组成，以机械、生物、化学三种措施构成的“六带一体”的防护体系。只有采取综合的防护体系，莫高窟的风沙灾害才可能得到有效治理。
图13 莫高窟防护体系功能图
图14 “六带一体”配置图式
图15 莫高窟风沙防治规划图
图16 莫高窟地貌
（作者系中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室主任、研究员）
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