由重慶交通大學(xué)副校長易志堅教授領(lǐng)銜的課題組經(jīng)過7年研究，運用力學(xué)原理成功實現(xiàn)“沙子土壤化”。在位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟烏蘭布和沙漠的試驗基地，課題組繼2016年在小試中成功“變”出一片25畝左右的綠洲后，今年又完成了中試基地內(nèi)約4000畝沙漠的土壤化和綠化。
易志堅是一位力學(xué)專家。他介紹，土壤濕潤時為流變狀態(tài)、干結(jié)時為固體狀態(tài)，土壤總是能夠在這兩種力學(xué)狀態(tài)之間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。易志堅帶領(lǐng)課題組研究土壤實現(xiàn)這種穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的原理，發(fā)現(xiàn)土壤呈現(xiàn)流變狀態(tài)還是固體狀態(tài)是由土壤顆粒之間的約束決定。濕潤土壤顆粒之間存在ODI約束，這種約束既能夠產(chǎn)生壓力和剪力，又能夠產(chǎn)生拉力和力矩，還能夠產(chǎn)生隨動自由度，而ODI約束具有萬向性和可恢復(fù)性。當土壤顆粒之間存在這種約束的時候，任意兩個顆粒之間能夠在任何方向接觸而結(jié)合(萬向性)，分離后任意兩個顆粒之間還能夠再結(jié)合(可恢復(fù)性)，所以濕潤土壤處于流變狀態(tài)。當土壤中的水分蒸發(fā)后，土壤便由流變狀態(tài)轉(zhuǎn)為固體狀態(tài)。“土壤濕潤時的流變狀態(tài)和干結(jié)時的固體狀態(tài)，本質(zhì)上是ODI約束和固結(jié)約束在其顆粒之間的轉(zhuǎn)換?！币字緢哉f，“正是這一力學(xué)特性賦予了土壤生態(tài)—力學(xué)兩大屬性，也就是‘自修復(fù)’和‘自調(diào)節(jié)’的屬性?！边@一屬性的喪失將導(dǎo)致土壤退化，土壤退化的兩種極端形式就是土壤板結(jié)和土壤沙化。
采取立體和平面防沙措施后第三次播種。
課題組在室內(nèi)實驗中找到了一種從植物中提出的纖維合劑，利用這種纖維合劑給沙子引入ODI約束，能夠使沙子不再處于分散狀態(tài)，從而實現(xiàn)“沙子土壤化”。課題組還通過調(diào)節(jié)ODI約束的強度獲得不同性質(zhì)的“土壤”，從而證明沙子一旦獲得了土壤的上述力學(xué)性能，就將具有與土壤相同的生態(tài)—力學(xué)屬性，同樣擁有很強的存儲水分、養(yǎng)分和空氣的能力，成為植物生長的理想載體。
課題組從2013年起進行了長達5年的“沙子土壤化”及野外種植試驗，模擬沙漠沙層滲透條件，通過“沙子土壤化”得到“沙變土”，再在上面種植稻谷、玉米、紅薯和其他多種植物。2014年和2015年，課題組將試驗地種植的玉米、紅薯、土豆、蘿卜、油菜與附近自然土壤里的同種莊家進行比較，結(jié)果試驗地的產(chǎn)量均明顯高于附近自然土壤種植的莊稼。其中，土豆、紅薯和蘿卜等土中生長塊莖或塊根植物的個頭和產(chǎn)量，均比自然土壤提高50%以上。而且隨著反復(fù)的種植和收割，“土壤化”后沙子的團粒結(jié)構(gòu)越來越接近自然土壤，具有越來越穩(wěn)定的生態(tài)-力學(xué)屬性。中國科學(xué)院主辦的《中國科學(xué)》雜志和中國工程院主辦的《工程》雜志，都發(fā)布了這一研究成果。
內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的烏蘭布和沙漠年均降雨量只有102毫米左右而且風(fēng)蝕嚴重，是我國最難治理的沙漠之一。2016年年初，課題組將阿拉善盟一片處于風(fēng)口的約25畝沙漠作為試驗地，經(jīng)過“沙子土壤化”后種植了大約50種植物，最后實際長出了70多種植物，絕大多數(shù)植物長勢都很好?！巴寥阑焙蟮纳硨又羞€結(jié)出了藻類結(jié)皮，并吸引來了大量蝴蝶、蚊子、螞蟻、鳥、老鼠、青蛙和蟾蜍等動物，偶爾還有狐貍和獾等光顧。在試驗地附近3塊未經(jīng)“沙子土壤化”的沙漠中進行對比種植試驗，結(jié)果表明盡管采用完全相同的播種、澆水和施肥方法，也因無法抵抗風(fēng)蝕而導(dǎo)致植物十分稀少。
2017年，課題組在距離烏海市區(qū)10公里的烏蘭布和沙漠東側(cè)建立東西長12公里、南北寬800米的中試基地。經(jīng)過“沙子土壤化”后，種植了約4000畝玉米和瓜果蔬菜、中草藥、草、喬木灌木等約80種植物。對比研究發(fā)現(xiàn)，基地生長的植物，根系比其他區(qū)域的同類植物更發(fā)達。牧草中的狼尾草和苜蓿長得尤其好，狼尾草最高超過3米，估計每畝產(chǎn)量不低于10噸，按目前價格每畝產(chǎn)值超過4000元。
中試基地內(nèi)長勢良好的牧草和西瓜、玉米、高粱、向日葵等農(nóng)作物，引起了附近村民的極大興趣。烏蘭蘇海嘎查村村主任張國富說：“他們今年正月十四過來開工，說要搞‘沙子土壤化’。當時這片沙漠和外面完全一樣，誰能相信這個事?我在這兒三四十年，沙子什么時候能變成土了?不是瞎吹牛嗎?我就盯著他們做。這才幾個月啊，真把沙漠變成綠洲了!”
烏蘭布和沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)管委會產(chǎn)業(yè)發(fā)展局局長張虎生說，重慶交通大學(xué)課題組成功將昔日的漫漫黃沙變成了今天的滿眼綠洲，送樣檢測結(jié)果也表明，“沙子土壤化”后的土地，各項指標都完全符合綠色生態(tài)標準。張虎生認為，“沙子土壤化”應(yīng)該是一項對沙漠生態(tài)治理具有里程碑意義的技術(shù)。
易志堅介紹，今年在烏蘭布和沙漠的中試遭遇了3次沙塵暴。5月底的第一次播種和6月中旬的第二次播種，均因沙塵暴導(dǎo)致幼苗全部死亡而失敗。6月底第三次播種時，課題組采用草簾平面防護和立面防護等防風(fēng)沙措施，保證了播種和植物生長。課題組還通過種植沙蒿、草木犀等荒漠草，楊樹、沙棗、山桃、枸杞、梭梭等喬灌木，甘草、沙蔥、小茴香等中草藥，構(gòu)造了幾塊荒漠草原。9月上旬，荒漠草原已經(jīng)發(fā)芽變綠，預(yù)計明年可以在極低灌溉量下恢復(fù)生態(tài)。
來源:光明日報 作者:張國圣 高平
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