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我力學(xué)家“跨界”治沙,沙漠有望變“土壤”
來源： 轉(zhuǎn)載 類別：行業(yè)動態(tài) 更新時間：2016-12-02 閱讀次
今年4月,一個科研團(tuán)隊(duì)來到內(nèi)蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠,他們選取了一處風(fēng)口,進(jìn)行固沙和種植試驗(yàn)。
8月,兩個足球場大的試驗(yàn)地郁郁蔥蔥,玉米、小麥、糜子、土豆、葵花、瓜果蔬菜等70多種植物長勢旺盛,開花結(jié)果,吸引來很多蛙類、鳥類和昆蟲,狐貍、獾、野貓等動物也時常出沒其間,給這片綠洲帶來更多生機(jī),與四周浩瀚的黃沙形成鮮明對比。
很難想到,造出這片“沙漠良田”的科研人員全是沙漠治理的“門外漢”,他們是重慶交通大學(xué)副校長易志堅(jiān)率領(lǐng)的一個力學(xué)家團(tuán)隊(duì)。他們用一項(xiàng)原創(chuàng)力學(xué)理論,讓沙具備了土壤的生態(tài)-力學(xué)屬性,從而使之像土壤一樣能夠承載植物生長。目前,科研團(tuán)隊(duì)把這項(xiàng)利用力學(xué)原理治沙的技術(shù)稱為“沙漠土壤化”生態(tài)恢復(fù)技術(shù)。該技術(shù)在沙漠實(shí)地試驗(yàn)取得成功,引起治沙領(lǐng)域熱議。專家認(rèn)為,力學(xué)原理治沙如能進(jìn)一步通過實(shí)踐檢驗(yàn),對人類治理沙漠將產(chǎn)生巨大價值。
大逆轉(zhuǎn)!“沙漠有望土壤化”
“沙漠土壤化”生態(tài)恢復(fù)技術(shù)源自于易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)力學(xué)理論——土壤顆粒間存在一種萬向約束關(guān)系(Omni-directional Integrative,簡稱ODI)。萬向約束既有一定的柔性,又有一定的剛性,柔性特征使土壤保水、保肥和透氣,并為植物根系生長提供彈性空間,剛性特征則使之能夠“抱住”植物根系,維持植物穩(wěn)定。易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)首次在土壤的力學(xué)特性與生態(tài)屬性之間建立起聯(lián)系,從力學(xué)角度解釋了土壤能夠“生生不息”之謎。易志堅(jiān)說:“沙粒間不具備萬象約束,找到了萬象約束,就找到了沙子向土壤轉(zhuǎn)換的密碼�！�
通過技術(shù)實(shí)驗(yàn),科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出有效的萬象約束引入方式——向沙中添加一種改性植物纖維素黏合劑。經(jīng)過改造,“一盤散沙”就能獲得與自然土壤一樣的生態(tài)-力學(xué)屬性,在濕潤時呈現(xiàn)稀泥般的流變狀態(tài),水分蒸發(fā)后結(jié)成固體狀態(tài),兩種狀態(tài)之間可自由轉(zhuǎn)換,并具有較強(qiáng)的存儲水分、養(yǎng)分和空氣的能力,成為適宜植物生長的載體。
易志堅(jiān)說:“這項(xiàng)技術(shù)可以改良甚至人造土壤,實(shí)現(xiàn)土壤沙漠化的逆過程,有望將沙漠‘土壤化’。”該技術(shù)現(xiàn)已獲得15項(xiàng)專利。
經(jīng)過7年理論研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn)后,科研團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行沙漠實(shí)地試驗(yàn)�？蒲袌F(tuán)隊(duì)在當(dāng)?shù)厝苏J(rèn)為最難治理的移動沙漠中開辟出25畝試驗(yàn)地。經(jīng)施工改造的試驗(yàn)地沙體當(dāng)即固定,并表現(xiàn)出持久的抗風(fēng)蝕能力。世世代代與沙漠抗?fàn)幍漠?dāng)?shù)剞r(nóng)民薛飛斌告訴記者,具有固沙和護(hù)種作用的藻類結(jié)皮是判斷治沙成效的一項(xiàng)重要參照�！霸谖覀冞@兒的自然條件下,要辛辛苦苦種十年的草才能形成藻類結(jié)皮,用他們帶來的技術(shù),幾個月就實(shí)現(xiàn)了我們干十年活兒的目標(biāo)!”薛飛斌激動地說。
在固沙效果顯著的同時,農(nóng)作物也獲得豐收,谷類作物糜子畝產(chǎn)量比當(dāng)?shù)仄骄�產(chǎn)量高出約一倍。據(jù)測算,試驗(yàn)地作物種植與當(dāng)?shù)赝寥婪N植相比,澆水量相當(dāng),施肥量更少,產(chǎn)量更高。
易志堅(jiān)說,該技術(shù)的核心材料易生產(chǎn),施工工藝簡單,改造成本約為每畝沙地1500元至2700元。因此,如果進(jìn)行推廣,將產(chǎn)生很大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值。
有潛力!“是重要的新思路”
王慧是烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,在治沙一線看到過很多試驗(yàn)項(xiàng)目推進(jìn)得舉步維艱,王慧感嘆說:“‘沙漠土壤化’技術(shù)完全刷新了幾十年來的治沙思路�！�
傳統(tǒng)的治沙方法通常是先用草方格之類的方法固沙,再種植沙生植物,兩三年才能起到減緩沙丘移動速度的效果,變成固定沙丘周期更長,且后續(xù)沙子保水能力的形成還需要更為漫長的過程。
今年8月,易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)的力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)和“沙漠土壤化”試驗(yàn)成果在中國科學(xué)院權(quán)威刊物《中國科學(xué)》和中國工程院院刊《工程》(英文)發(fā)表,引起力學(xué)、土壤學(xué)、巖土工程和沙漠生態(tài)保護(hù)等多領(lǐng)域?qū)＜覐V泛討論。
新疆生態(tài)與地理研究所研究員李小玉認(rèn)為,把沙漠快速變成種植植物的“土壤”,同步實(shí)現(xiàn)固沙和植被恢復(fù)雙重目標(biāo),是該技術(shù)與傳統(tǒng)治沙方法的最大區(qū)別。
國務(wù)院參事室特約研究員、世界自然保護(hù)聯(lián)盟主席章新勝與十多名國務(wù)院參事室專家前往試驗(yàn)地考察后,認(rèn)為當(dāng)前試驗(yàn)成功。章新勝說,從力學(xué)角度出發(fā)研究解決沙漠植物種植問題是一個重要的新思路,我國科學(xué)家邁出了了不起的一步,應(yīng)當(dāng)積極支持。
中國工程院院士鄭穎人說,土壤力學(xué)特性是被驗(yàn)證過的已知科學(xué),將其用于治沙這一創(chuàng)新既有理論依據(jù),又有試驗(yàn)成果,需得到重視和進(jìn)一步投入扶持。
待深入!關(guān)鍵問題需謹(jǐn)慎論證
與此同時,也有部分專家認(rèn)為,理論研究和實(shí)地試驗(yàn)?zāi)壳岸歼�處于初級階段,存在一些不確定因素,科研團(tuán)隊(duì)下一步需重點(diǎn)論證幾個關(guān)鍵問題。
首先是謹(jǐn)慎論證其安全性。所添加的改性植物纖維素黏合劑從當(dāng)前成分上看雖無毒副作用,但經(jīng)長期使用會否產(chǎn)生新物質(zhì),會否對地下水、動植物和人類產(chǎn)生污染毒害,還需相當(dāng)長一段時間的觀察。
第二是核算經(jīng)濟(jì)成本。需要明確該技術(shù)耗水量大小,能夠多大程度保存和利用大氣降水,施肥量多少,以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本等。
第三是探明技術(shù)適用邊界。部分沙漠生態(tài)治理專家認(rèn)為,初期試驗(yàn)選址阿拉善盟,屬于沙漠邊緣地帶,因此試驗(yàn)成果不具備十足的說服力。需要論證在沙漠腹地等更為嚴(yán)苛的自然環(huán)境下,材料性能是否穩(wěn)定,能否支持包括微生物在內(nèi)的完整土壤生態(tài)系統(tǒng)。
8月,兩個足球場大的試驗(yàn)地郁郁蔥蔥,玉米、小麥、糜子、土豆、葵花、瓜果蔬菜等70多種植物長勢旺盛,開花結(jié)果,吸引來很多蛙類、鳥類和昆蟲,狐貍、獾、野貓等動物也時常出沒其間,給這片綠洲帶來更多生機(jī),與四周浩瀚的黃沙形成鮮明對比。
很難想到,造出這片“沙漠良田”的科研人員全是沙漠治理的“門外漢”,他們是重慶交通大學(xué)副校長易志堅(jiān)率領(lǐng)的一個力學(xué)家團(tuán)隊(duì)。他們用一項(xiàng)原創(chuàng)力學(xué)理論,讓沙具備了土壤的生態(tài)-力學(xué)屬性,從而使之像土壤一樣能夠承載植物生長。目前,科研團(tuán)隊(duì)把這項(xiàng)利用力學(xué)原理治沙的技術(shù)稱為“沙漠土壤化”生態(tài)恢復(fù)技術(shù)。該技術(shù)在沙漠實(shí)地試驗(yàn)取得成功,引起治沙領(lǐng)域熱議。專家認(rèn)為,力學(xué)原理治沙如能進(jìn)一步通過實(shí)踐檢驗(yàn),對人類治理沙漠將產(chǎn)生巨大價值。
大逆轉(zhuǎn)!“沙漠有望土壤化”
“沙漠土壤化”生態(tài)恢復(fù)技術(shù)源自于易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)力學(xué)理論——土壤顆粒間存在一種萬向約束關(guān)系(Omni-directional Integrative,簡稱ODI)。萬向約束既有一定的柔性,又有一定的剛性,柔性特征使土壤保水、保肥和透氣,并為植物根系生長提供彈性空間,剛性特征則使之能夠“抱住”植物根系,維持植物穩(wěn)定。易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)首次在土壤的力學(xué)特性與生態(tài)屬性之間建立起聯(lián)系,從力學(xué)角度解釋了土壤能夠“生生不息”之謎。易志堅(jiān)說:“沙粒間不具備萬象約束,找到了萬象約束,就找到了沙子向土壤轉(zhuǎn)換的密碼�！�
通過技術(shù)實(shí)驗(yàn),科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出有效的萬象約束引入方式——向沙中添加一種改性植物纖維素黏合劑。經(jīng)過改造,“一盤散沙”就能獲得與自然土壤一樣的生態(tài)-力學(xué)屬性,在濕潤時呈現(xiàn)稀泥般的流變狀態(tài),水分蒸發(fā)后結(jié)成固體狀態(tài),兩種狀態(tài)之間可自由轉(zhuǎn)換,并具有較強(qiáng)的存儲水分、養(yǎng)分和空氣的能力,成為適宜植物生長的載體。
易志堅(jiān)說:“這項(xiàng)技術(shù)可以改良甚至人造土壤,實(shí)現(xiàn)土壤沙漠化的逆過程,有望將沙漠‘土壤化’。”該技術(shù)現(xiàn)已獲得15項(xiàng)專利。
經(jīng)過7年理論研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn)后,科研團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行沙漠實(shí)地試驗(yàn)�？蒲袌F(tuán)隊(duì)在當(dāng)?shù)厝苏J(rèn)為最難治理的移動沙漠中開辟出25畝試驗(yàn)地。經(jīng)施工改造的試驗(yàn)地沙體當(dāng)即固定,并表現(xiàn)出持久的抗風(fēng)蝕能力。世世代代與沙漠抗?fàn)幍漠?dāng)?shù)剞r(nóng)民薛飛斌告訴記者,具有固沙和護(hù)種作用的藻類結(jié)皮是判斷治沙成效的一項(xiàng)重要參照�！霸谖覀冞@兒的自然條件下,要辛辛苦苦種十年的草才能形成藻類結(jié)皮,用他們帶來的技術(shù),幾個月就實(shí)現(xiàn)了我們干十年活兒的目標(biāo)!”薛飛斌激動地說。
在固沙效果顯著的同時,農(nóng)作物也獲得豐收,谷類作物糜子畝產(chǎn)量比當(dāng)?shù)仄骄�產(chǎn)量高出約一倍。據(jù)測算,試驗(yàn)地作物種植與當(dāng)?shù)赝寥婪N植相比,澆水量相當(dāng),施肥量更少,產(chǎn)量更高。
易志堅(jiān)說,該技術(shù)的核心材料易生產(chǎn),施工工藝簡單,改造成本約為每畝沙地1500元至2700元。因此,如果進(jìn)行推廣,將產(chǎn)生很大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值。
有潛力!“是重要的新思路”
王慧是烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,在治沙一線看到過很多試驗(yàn)項(xiàng)目推進(jìn)得舉步維艱,王慧感嘆說:“‘沙漠土壤化’技術(shù)完全刷新了幾十年來的治沙思路�！�
傳統(tǒng)的治沙方法通常是先用草方格之類的方法固沙,再種植沙生植物,兩三年才能起到減緩沙丘移動速度的效果,變成固定沙丘周期更長,且后續(xù)沙子保水能力的形成還需要更為漫長的過程。
今年8月,易志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)的力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)和“沙漠土壤化”試驗(yàn)成果在中國科學(xué)院權(quán)威刊物《中國科學(xué)》和中國工程院院刊《工程》(英文)發(fā)表,引起力學(xué)、土壤學(xué)、巖土工程和沙漠生態(tài)保護(hù)等多領(lǐng)域?qū)＜覐V泛討論。
新疆生態(tài)與地理研究所研究員李小玉認(rèn)為,把沙漠快速變成種植植物的“土壤”,同步實(shí)現(xiàn)固沙和植被恢復(fù)雙重目標(biāo),是該技術(shù)與傳統(tǒng)治沙方法的最大區(qū)別。
國務(wù)院參事室特約研究員、世界自然保護(hù)聯(lián)盟主席章新勝與十多名國務(wù)院參事室專家前往試驗(yàn)地考察后,認(rèn)為當(dāng)前試驗(yàn)成功。章新勝說,從力學(xué)角度出發(fā)研究解決沙漠植物種植問題是一個重要的新思路,我國科學(xué)家邁出了了不起的一步,應(yīng)當(dāng)積極支持。
中國工程院院士鄭穎人說,土壤力學(xué)特性是被驗(yàn)證過的已知科學(xué),將其用于治沙這一創(chuàng)新既有理論依據(jù),又有試驗(yàn)成果,需得到重視和進(jìn)一步投入扶持。
待深入!關(guān)鍵問題需謹(jǐn)慎論證
與此同時,也有部分專家認(rèn)為,理論研究和實(shí)地試驗(yàn)?zāi)壳岸歼�處于初級階段,存在一些不確定因素,科研團(tuán)隊(duì)下一步需重點(diǎn)論證幾個關(guān)鍵問題。
首先是謹(jǐn)慎論證其安全性。所添加的改性植物纖維素黏合劑從當(dāng)前成分上看雖無毒副作用,但經(jīng)長期使用會否產(chǎn)生新物質(zhì),會否對地下水、動植物和人類產(chǎn)生污染毒害,還需相當(dāng)長一段時間的觀察。
第二是核算經(jīng)濟(jì)成本。需要明確該技術(shù)耗水量大小,能夠多大程度保存和利用大氣降水,施肥量多少,以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本等。
第三是探明技術(shù)適用邊界。部分沙漠生態(tài)治理專家認(rèn)為,初期試驗(yàn)選址阿拉善盟,屬于沙漠邊緣地帶,因此試驗(yàn)成果不具備十足的說服力。需要論證在沙漠腹地等更為嚴(yán)苛的自然環(huán)境下,材料性能是否穩(wěn)定,能否支持包括微生物在內(nèi)的完整土壤生態(tài)系統(tǒng)。
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