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4000畝沙漠變綠洲!大學教授在力學研究中發現「點沙成土」的秘密

4000畝沙漠變綠洲!大學教授在力學研究中發現「點沙成土」的秘密

「變沙為土」,讓沙擁有固水能力讓植物生長,重慶交通大學教授易志堅團隊的「沙漠土壤化生態恢復技術」,已讓內蒙古阿拉善沙漠4000畝沙漠變為了綠洲。

今年7月27日,在內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠試驗地拍攝的視頻,試驗地里綠植生長繁茂,向日葵花盛開。

這是怎樣的一種技術,是否為沙漠治理打開了新世界的大門?近日,易志堅教授接受了科技日報記者的專訪,揭秘這一治沙技術。

「點沙成土」是因為給了這個「力」

今年54歲的易志堅是重慶交通大學教授、博士生導師、副校長,長期從事力學、道路、橋樑、材料等教學科研。說起「變沙為土」的本事,他說這其實是源於對斷裂力學研究,在研究力學的時候他發現了「物質的顆粒約束決定物質的狀態」這一原理,而對這一原理展示最神奇的就是土壤。

萬畝試驗地-沙漠中的綠洲

「在研究材料的過程中,我發現土壤就是一種很神奇的材料。」易志堅說,土壤在含水時處於流變狀態,而乾燥的時候處於固體狀態,這兩種力學狀態之間能夠相互、穩定轉換。無論是在流變狀態還是固體狀態下,土壤顆粒之間都存在約束,能夠結合成團,與離散沙子形成鮮明對比。

土壤的力學特性和生態屬性之間實際上具有內在聯繫,只不過過去人們沒有發現。土壤的力學特性賦予了土壤兩大生態力學屬性「自修復」和「自調節」。「自修復」是指土壤在固體狀態下發生破壞后能夠轉換到流變狀態下修復;「自調節」是指土壤顆粒排列無論怎麼改變,土壤的力學特性不改變,土壤顆粒之間能夠失重存在結合力。

「我們都說大地像母親,其實就是因為土壤擁有這兩種特性。」易志堅解釋,因為自修復性土壤在固體狀態下發生破壞、斷裂等任何破壞,均能在流變狀態下得到修復,才能生生不息、年復一年的長植物;因為有了自調節屬性,才能讓植物根系進入自身讓其生長。如果土壤自修復屬性喪失,往往就出現兩個極端的退化形式——土壤板結和土壤沙化。如果沒有自調節屬性,土壤就不能成為植物載體。

易志堅說,土壤能夠在兩種狀態之間轉換的密碼就是——土壤顆粒之間存在萬象結合約束(簡稱ODI約束)並能夠轉換為團結約束。土壤沙化,根本原因就是失去了ODI約束,處於一種離散狀態,喪失了自修復和自調節的能力,若要將沙子變成土壤,就需要重新賦予它ODI約束。他們團隊就是從這個原理上來研究並實現「沙變土」的。

「沙變土」的有效期或將是永久

如何去實現這一想法?2009年開始易志堅團隊就開始進行研究實驗,並從植物中提取了一種纖維黏合劑,只要把這種粘合劑放到沙里,再添加適量的水,沙子就可以變成擁有生態—力學屬性、具有「萬向結合約束」的土壤。而沙變土中的約束和孔隙結構,保證「沙變土」具有能夠存儲水分、養分和空氣的屬性,同時能滋生微生物。

給萬畝試驗地平整沙地

「沙漠的沙其實也是土壤的一種,只是因為顆粒粗糙,滲水快,保水性能差,所以不容易種植植物,如果能夠解決沙的固水問題,確實可以讓植物生長。」重慶市農業技術推廣總站博士董鵬說,不過這種粘合劑持久性如何,能否永久的改變沙的特性,這是這項技術的關鍵點。

對此,易志堅解釋,他們團隊最開始1年多的時間就研究出了粘合劑,不過為了能讓效力達到持續性、耐久性,他們一直在進行持續的研究實驗。最開始效力時間比較短,但隨著他們的研究持續性越來越長,現在已經能夠實現一次性加入,後續不用再添加。

給萬畝試驗地噴灌澆水

萬畝試驗地里的種子發芽了

萬畝試驗地茁壯成長

2016年他們在內蒙古阿拉善沙漠開展25畝的試驗,成功的將試驗地變成了「綠洲」,今年這25畝試驗地沒有再加入粘合劑,土壤已經實現了自然生長。易志堅說,因為阿拉善沙漠風沙很大,冬天要積雪,留給他們的種植時間實際只有5、6、7、8四個月,到了冬天種植的所有植物都被凍死,但是他們高興地發現,今年春天那些多年生的植物又發芽生長了,而植物腐爛在土地里變為了腐殖質,極好的改良了沙質土的成分,使其更具有肥力。照此反覆,經過年年的生生不息,沙漠沙就能變成適合種植的壤土。

粘合劑加入的量並不需要很多,與土壤的重量比只有不到千分之三,充分混合后加入水就行。據測算,運用這種技術對沙漠進行大規模沙改土的一次性成本約為每畝2000元至5000元,加上其他基礎設施,如場地平整、道路、管網等建設費用不到1萬元一畝,如果經過水資源評估,在離水源比較近或有充足地下水的沙漠,都可以通過沙漠土壤化方法恢復生態,改善氣候、環境,優化土地利用條件。

「沙變土」的土壤檢測都達標

在易志堅播放的今年8月拍攝的記錄視頻中,遠在內蒙古阿拉善沙漠的實驗基地綠草叢生、鮮花盛開,結滿高粱穗的高粱桿迎風搖擺,沙地里的西瓜切開紅瓤多汁……如果不是鏡頭拉遠展示出旁邊連綿不斷的沙漠,很難想象這片綠洲是在27萬平方公里的阿拉善沙漠中。

25畝試驗田裡的青蛙

「今年我們在阿拉善的烏蘭布和沙漠中新開了4000畝試驗地,種植的植物達到了70多種,不僅種植的灌木、雜草全部存活,而且高粱、麻子、番茄、土豆、西瓜等蔬菜水果也長勢良好,青蛙、蝴蝶等動物和昆蟲也開始駐紮於此。」易志堅說,當初種植植物就是為了驗證土壤的安全性,種植成功的蔬果雖然沒有上市但早已成為了研究人員的盤中餐,而且他們發現在沙漠中種出來的蔬果特別好吃。如他最不喜歡生吃番茄,但在烏蘭布和沙漠中種出的番茄他可以直接當水果生吃,「不是說特別甜,但就是覺得好吃。」

25畝試驗田中種植的灌木已經比人高

同時,團隊還請來了第三方機構對粘合劑及「沙變土」土壤進行檢測。易志堅拿出了西安國聯質量檢測技術有限公司對粘合劑的檢測報告,上面多項指標遠遠低於國家標準。「甲醛等有害物的指標幾乎是監測不出的,因為是植物提取的,我們都相信它的是安全的,我曾經還喝過。」易志堅說,對於土壤的檢測顯示,土壤里從微生物為零到現在出現了微生物,還有氮、磷、鉀等微量元素,而且土壤里13種物質都達標,還沒有重金屬污染。

將建萬畝試驗地持續研究30年

從研究力學到治理沙化土壤,這一跨界步子很大,但對於這一科學新發現卻讓易志堅團隊著迷,為此放棄了其他項目,專註研究於此。目前該團隊30多人,由重慶交通大學土木學院、河海學院的教授、博士、研究所組成,涵蓋了力學、環境生態等多個學科。

目前,這項技術現已獲得了16項發明專利授權,研究成果已分別以英文在科學院《科學》和工程院院刊《工程》發表。今年3月,國家自然科學基金委員會數理科學部前來進行了考察,充分肯定了易志堅團隊現有研究成果。

萬畝試驗地中的西瓜

萬畝試驗地上成熟的南瓜

對於未來的研究,易志堅說,他們的目標是烏蘭布和建造萬畝基地,實驗要做30年,會從植物種植、土壤改良、實際應用等多個方面進行實驗。如在交通建設上,對於在沙漠中建造公路、鐵路時兩旁的固沙問題,用該技術就將比現有的技術方便快捷。接下來,他們還將和種植、農業等方面專家合作,對如何通過植物種植治理沙漠、灌溉用水等方面進行研究。

易志堅表示,沙漠土壤化並不是說就要把沙漠全都變成田,該項技術只是目前眾多治沙方法中的一種,重點在於遏制沙漠化的趨勢,改善沙漠化的土壤,對於它的推廣應用還將在經濟條件、水資源狀況、生態平衡等多方面進行實驗,他們目前正在優選一批耗水量不大,適合在「沙變土」中生長的植物。沙變土到底會給我們帶來哪些變化,他們將繼續研究下去。

註:文中圖片除註明外均來自網路

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