重庆交大课题组实现“沙子土壤化”

    由重庆交通大学副校长易志坚教授领衔的课题组经过7年研究，运用力学原理成功实现“沙子土壤化”。在位于内蒙古自治区阿拉善盟乌兰布和沙漠的试验基地，课题组继2016年在小试中成功“变”出一片25亩左右的绿洲后，今年又完成了中试基地内约4000亩沙漠的土壤化和绿化。

    易志坚是一位力学专家。他介绍，土壤湿润时为流变状态、干结时为固体状态，土壤总是能够在这两种力学状态之间稳定转换。易志坚带领课题组研究土壤实现这种稳定转换的原理，发现土壤呈现流变状态还是固体状态是由土壤颗粒之间的约束决定。湿润土壤颗粒之间存在ODI约束，这种约束既能够产生压力和剪力，又能够产生拉力和力矩，还能够产生随动自由度，而ODI约束具有万向性和可恢复性。当土壤颗粒之间存在这种约束的时候，任意两个颗粒之间能够在任何方向接触而结合（万向性），分离后任意两个颗粒之间还能够再结合（可恢复性），所以湿润土壤处于流变状态。当土壤中的水分蒸发后，土壤便由流变状态转为固体状态。“土壤湿润时的流变状态和干结时的固体状态，本质上是ODI约束和固结约束在其颗粒之间的转换。”易志坚说，“正是这一力学特性赋予了土壤生态—力学两大属性，也就是‘自修复’和‘自调节’的属性。”这一属性的丧失将导致土壤退化，土壤退化的两种极端形式就是土壤板结和土壤沙化。

    课题组在室内实验中找到了一种从植物中提出的纤维合剂，利用这种纤维合剂给沙子引入ODI约束，能够使沙子不再处于分散状态，从而实现“沙子土壤化”。课题组还通过调节ODI约束的强度获得不同性质的“土壤”，从而证明沙子一旦获得了土壤的上述力学性能，就将具有与土壤相同的生态—力学属性，同样拥有很强的存储水分、养分和空气的能力，成为植物生长的理想载体。

    课题组从2013年起进行了长达5年的“沙子土壤化”及野外种植试验，模拟沙漠沙层渗透条件，通过“沙子土壤化”得到“沙变土”，再在上面种植稻谷、玉米、红薯和其他多种植物。2014年和2015年，课题组将试验地种植的玉米、红薯、土豆、萝卜、油菜与附近自然土壤里的同种庄家进行比较，结果试验地的产量均明显高于附近自然土壤种植的庄稼。其中，土豆、红薯和萝卜等土中生长块茎或块根植物的个头和产量，均比自然土壤提高50%以上。而且随着反复的种植和收割，“土壤化”后沙子的团粒结构越来越接近自然土壤，具有越来越稳定的生态-力学属性。中国科学院主办的《中国科学》杂志和中国工程院主办的《工程》杂志，都发布了这一研究成果。

    内蒙古自治区境内的乌兰布和沙漠年均降雨量只有102毫米左右而且风蚀严重，是我国最难治理的沙漠之一。2016年年初，课题组将阿拉善盟一片处于风口的约25亩沙漠作为试验地，经过“沙子土壤化”后种植了大约50种植物，最后实际长出了70多种植物，绝大多数植物长势都很好。“土壤化”后的沙层中还结出了藻类结皮，并吸引来了大量蝴蝶、蚊子、蚂蚁、鸟、老鼠、青蛙和蟾蜍等动物，偶尔还有狐狸和獾等光顾。在试验地附近3块未经“沙子土壤化”的沙漠中进行对比种植试验，结果表明尽管采用完全相同的播种、浇水和施肥方法，也因无法抵抗风蚀而导致植物十分稀少。

    2017年，课题组在距离乌海市区10公里的乌兰布和沙漠东侧建立东西长12公里、南北宽800米的中试基地。经过“沙子土壤化”后，种植了约4000亩玉米和瓜果蔬菜、中草药、草、乔木灌木等约80种植物。对比研究发现，基地生长的植物，根系比其他区域的同类植物更发达。牧草中的狼尾草和苜蓿长得尤其好，狼尾草最高超过3米，估计每亩产量不低于10吨，按目前价格每亩产值超过4000元。

    中试基地内长势良好的牧草和西瓜、玉米、高粱、向日葵等农作物，引起了附近村民的极大兴趣。乌兰苏海嘎查村村主任张国富说：“他们今年正月十四过来开工，说要搞‘沙子土壤化’。当时这片沙漠和外面完全一样，谁能相信这个事？我在这儿三四十年，沙子什么时候能变成土了？不是瞎吹牛吗？我就盯着他们做。这才几个月啊，真把沙漠变成绿洲了！”

    乌兰布和沙产业示范区管委会产业发展局局长张虎生说，重庆交通大学课题组成功将昔日的漫漫黄沙变成了今天的满眼绿洲，送样检测结果也表明，“沙子土壤化”后的土地，各项指标都完全符合绿色生态标准。张虎生认为，“沙子土壤化”应该是一项对沙漠生态治理具有里程碑意义的技术。

    易志坚介绍，今年在乌兰布和沙漠的中试遭遇了3次沙尘暴。5月底的第一次播种和6月中旬的第二次播种，均因沙尘暴导致幼苗全部死亡而失败。6月底第三次播种时，课题组采用草帘平面防护和立面防护等防风沙措施，保证了播种和植物生长。课题组还通过种植沙蒿、草木犀等荒漠草，杨树、沙枣、山桃、枸杞、梭梭等乔灌木，甘草、沙葱、小茴香等中草药，构造了几块荒漠草原。9月上旬，荒漠草原已经发芽变绿，预计明年可以在极低灌溉量下恢复生态。

    （本报记者 张国圣 高平）