由重慶交通大學(xué)副校長(zhǎng)易志堅(jiān)教授領(lǐng)銜的課題組經(jīng)過(guò)7年研究，運(yùn)用力學(xué)原理成功實(shí)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(yàn)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(jiān)是一位力學(xué)專家。他介紹，土壤濕潤(rùn)時(shí)為流變狀態(tài)、干結(jié)時(shí)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(jiān)帶領(lǐng)課題組研究土壤實(shí)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(rùn)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(dòng)自由度，而ODI約束具有萬(wàn)向性和可恢復(fù)性。當(dāng)土壤顆粒之間存在這種約束的時(shí)候，任意兩個(gè)顆粒之間能夠在任何方向接觸而結(jié)合(萬(wàn)向性)，分離后任意兩個(gè)顆粒之間還能夠再結(jié)合(可恢復(fù)性)，所以濕潤(rùn)土壤處于流變狀態(tài)。當(dāng)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(rùn)時(shí)的流變狀態(tài)和干結(jié)時(shí)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?jiān)說(shuō)，“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。”這一屬性的喪失將導(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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)“沙子土壤化”。課題組還通過(guò)調(diào)節(jié)ODI約束的強(qiáng)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(qiáng)的存儲(chǔ)水分、養(yǎng)分和空氣的能力，成為植物生長(zhǎng)的理想載體。
課題組從2013年起進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5年的“沙子土壤化”及野外種植試驗(yàn)，模擬沙漠沙層滲透條件，通過(guò)“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(yàn)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(jìn)行比較，結(jié)果試驗(yàn)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(zhǎng)塊莖或塊根植物的個(gè)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)越來(lái)越接近自然土壤，具有越來(lái)越穩(wěn)定的生態(tài)-力學(xué)屬性。中國(guó)科學(xué)院主辦的《中國(guó)科學(xué)》雜志和中國(guó)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(yán)重，是我國(guó)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(yàn)地，經(jīng)過(guò)“沙子土壤化”后種植了大約50種植物，最后實(shí)際長(zhǎng)出了70多種植物，絕大多數(shù)植物長(zhǎng)勢(shì)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(lái)了大量蝴蝶、蚊子、螞蟻、鳥(niǎo)、老鼠、青蛙和蟾蜍等動(dòng)物，偶爾還有狐貍和獾等光顧。在試驗(yàn)地附近3塊未經(jīng)“沙子土壤化”的沙漠中進(jìn)行對(duì)比種植試驗(yàn)，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(wú)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(zhǎng)12公里、南北寬800米的中試基地。經(jīng)過(guò)“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(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，基地生長(zhǎng)的植物，根系比其他區(qū)域的同類植物更發(fā)達(dá)。牧草中的狼尾草和苜蓿長(zhǎng)得尤其好，狼尾草最高超過(guò)3米，估計(jì)每畝產(chǎn)量不低于10噸，按目前價(jià)格每畝產(chǎn)值超過(guò)4000元。
中試基地內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)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(guó)富說(shuō)：“他們今年正月十四過(guò)來(lái)開(kāi)工，說(shuō)要搞‘沙子土壤化’。當(dāng)時(shí)這片沙漠和外面完全一樣，誰(shuí)能相信這個(gè)事?我在這兒三四十年，沙子什么時(shí)候能變成土了?不是瞎吹牛嗎?我就盯著他們做。這才幾個(gè)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(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展局局長(zhǎng)張虎生說(shuō)，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(cè)結(jié)果也表明，“沙子土壤化”后的土地，各項(xiàng)指標(biāo)都完全符合綠色生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。張虎生認(rèn)為，“沙子土壤化”應(yīng)該是一項(xiàng)對(duì)沙漠生態(tài)治理具有里程碑意義的技術(shù)。
易志堅(jiān)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(shí)，課題組采用草簾平面防護(hù)和立面防護(hù)等防風(fēng)沙措施，保證了播種和植物生長(zhǎng)。課題組還通過(guò)種植沙蒿、草木犀等荒漠草，楊樹(shù)、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(jì)明年可以在極低灌溉量下恢復(fù)生態(tài)。
來(lái)源:光明日?qǐng)?bào) 作者:張國(guó)圣 高平
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