土地沙漠化在全世界都是一个不容忽视的难题。目前全世界陆地总面积大约有1.49亿平方千米,而沙漠面积就占了20%,大约有3000万平方千米。沙漠不断地与人类抢夺生存空间,它不停地吞噬周围的绿洲,并且以每年几万平方千米的速度扩大。如果任其蔓延,地球只会仅存海洋与沙漠,不再有绿洲。如何有效治理沙漠化,如何将沙漠变成绿洲,一直是全球性的难题。
传统的沙漠改造主要有3种方法:第一种是工程方法,最著名和常用的是“草方格沙障”,也就是用正方形的麦草墙来固定沙土,通常用于沙漠公路两旁,缺点是在风沙过大的地方收效甚微;第二种是化学方法,即在沙表面喷洒固沙剂,将沙体表面固化来防止沙子流动;第三种则是大家熟知的植物方法,例如种植沙生植物,并采用滴灌技术来保持土地水分,这对沙化治理有一定的效果,但由于沙体中植物难以生长,其成本极高,难以大规模推广。
于是,人们想如果能够“点沙成土”就好了。现在,这种幻想被重庆交通大学易志坚教授带领的科研团队实现了,他们找到了破解土壤的“力学密码”。他们仔细地分析了土壤的力学特性,发现土壤具有两种力学状态:干时是固体状态,湿时是流变状态,并且这两种状态能够相互转化。
由于土壤的这两种特性,使得土壤有自修复和自调节两种功能:自修复就是土壤在干时的固体状态下开裂破坏,吸收水分后能够变为流变状态,从而可以修复破坏的土壤。它是稳定、持久的,是使土壤生生不息的前提。自调节即土壤颗粒排列的改变不会破坏土壤的性质,也就是土壤随便怎么捏合,其性质不变,只有这样,土壤才能让植物生长在其中,并以“温柔”的力保住植物,成为植物的理想载体。
易志坚科研团队探讨了土壤出现这种形式的原因。他们认为这是因为土壤有“万象结合约束”的特性,即土壤中任何两个颗粒从任何方向都能够结合,从而使得土壤拥有自修复和自调节的生态力学特性。正是这种约束使土壤施以温和的力“抱住”植物根系,维持植物稳定,并且能够保水、保肥和透气。但是,沙粒间不具备这种约束,所以表现为一盘散沙。于是,他们想如果让沙粒间有了这种“万象结合约束”,沙漠土壤化就有可能实现。
在此理论基础上,2009年易教授首次提出沙变土的原理。要想将沙变成土壤,就需要给沙子“万象结合约束”。于是易志坚团队集中力量寻找可以产生“万象结合约束”的黏合剂。最终,经过反复实验,他们从植物中提取了一种植物纤维黏合剂。将一桶水浇到普通沙地上后,水会迅速下渗;而将这种黏合剂混合到沙子中,再加入同样规模的水,2分钟左右,原先金黄色的沙子就变成了深褐色,摸上去很有黏性,手握住并不会散掉。
混合好的“土”围成一个凹坑倒入水后,水也不流失。
2010年,易志坚团队初步实现“沙变土”。随后在重庆交通大学实验室开展为期3年的种植试验。首先他们在阳台、屋顶进行了小范围的试验。初见成效后,在交大校园附近开始了更大规模的试验:找来一块地,先在地面上铺30厘米厚的碎石,再在碎石上铺30厘米左右的建筑沙,然后覆盖10~20厘米、加入不同黏合剂形成的土壤化沙子,在上面种植了玉米、红薯、萝卜、油菜。结果是成效显著,植物长势喜人。
经过几年试验,易志坚团队觉得技术已经基本成熟,决定进行实地沙漠土壤化生态恢复试验。2016年4月,他们在内蒙古阿拉善盟乌兰布和沙漠进行了25亩田的试验。这里因年均降雨量很少,而且风蚀严重,是我国最难治理的沙漠之一。易教授一开始就将目标定在最难治理的沙漠上。当他们将植物纤维黏合剂加入沙体中后,沙子当即固定,并表现出持久的抗风蚀能力。
试验地种植了玉米、小麦、向日葵、观赏草等70多种植物,结果长势旺盛,并开花结果。蛙类、鸟类和许多昆虫在两个足球场大的沙漠绿洲中安了家,狐狸、獾、野猫也不时光顾其中,沙漠实地试验取得成功。
2017年开始,研究团队在乌兰布和沙漠开展4000亩的种植试验。4月,当易志坚教授带领他的科研团队来到这里的时候,四周荒凉得连一株枯死的植物也没有,除了沙还是沙。
科研团队在这里采用了大规模机械化的种植方法,将约束材料撒布在沙漠表面,加入适量的水,用旋耕机进行旋耕,多旋耕几遍,使其均匀,几天后就开始种植。一个旋耕机一天大概可以耕作几十亩。但是,工作不是一帆风顺的。4~6月,他们进行了3次播种试验,都以失败告终,不是大风将刚出生的幼苗连腰吹断,就是沙子把幼苗全部淹没。
后来,科研人员发明了一床“小被子”,用薄薄的一层谷草盖在小苗上,既透气又防风沙,小苗们才得以成长。8月下旬,试验基地长成一片宽约800米、绵延近4千米的绿洲,约70多种植物长势良好,高粱、苜蓿等作物丰收,西瓜、茄子、西红柿等瓜果蔬菜产量高、口感好。由于植物长势太好,结出很多瓜果,吸引了狐狸、兔子、老鼠来基地觅食,工作人员不得不想尽办法灭鼠。更厉害的是,科研团队专门留下了一块无灌溉的试验地。
2017年8月种植的沙蒿、沙打旺,2018年都顺利发芽存活,生长出来了。这意味着基地的生态得到了有效恢复,在没有人工灌溉的条件下,耐旱的植物仍然能够存活。如今的内蒙古乌兰布和沙漠试验地已绿意盎然,沙漠已变为绿色牧场,向日葵竞相绽放、自由生长,这片美不胜收的花海,已成荒凉沙漠里最美的风景线。
内蒙古乌兰布和沙漠试验基地成功后,治沙团队又将目光瞄准了塔克拉玛干沙漠,这个被称为“死亡之海”的地方。科研团队来到塔克拉玛干沙漠,进行200亩沙田的试验。短短两个月,200亩寸草不生的沙漠变成了一片绿地,农作物和牧草茁壮生长,试验成功了!
2018年,科研团队在内蒙古、新疆、四川若尔盖、厦门海岛等地同时开展试验示范。
内蒙古试验基地进行了产业探索,种植面积近3000亩,其中2000亩种植高粱,1000亩种植了西红柿、西瓜、萝卜、辣椒、土豆、茄子等果蔬。现在,采集的果蔬产品进入超市,开始销售。2018年,科研团队在新疆和田塔克拉玛干沙漠种出了3000亩高粱和牧草,喜获丰收。种植的成功,也为当地带来经济效益。2019年,科研团队在塔克拉玛干沙漠将种植面积扩大到2万亩。
团队计划在前期试验基础上,再通过两三年的扩大试验和产业探索,为项目的产业化推广打好坚实基础。
通过试验,试验区的经济性得到验证,与常规沙漠治理方法相比,该技术具有成本低廉、节水明显、环保安全、推广快的特点,离水源较近或有充足地下水的沙漠都可以实现“沙变土”。土壤化成本在2000~5000元/亩,低于内地土壤复垦动辄数万元的成本。而且,一次添加长久有效,这是因为黏合剂本身就有耐久性,且长出的植物根系腐烂了之后,又成为新的约束,形成生态的良性循环。
有了沙漠土壤化原理和方法,是不是就可以把所有的沙漠变成绿地?并不是这样。要在改良的沙土上种植植物,还有两个问题要解决。第一个问题是这项技术改变沙土的物理黏合力,无法改变土壤本身的肥力,所以在第一次耕作时需人工施加水肥。第二个问题是缺水。沙漠土壤化改造一定要用水,因为沙漠存不住水。不少沙漠本身也有水资源,就可以利用那里的水资源。试验地点是否有水,的确已经成为其扩大种植面积的制约条件。
易志坚也说:沙漠土壤化是一项复杂的社会经济系统工程,需要充分的科学论证和满足必要的条件,如满足灌溉要求的水等。他还表示,该项技术的重点在于遏制沙漠化的趋势,改善沙漠化的土壤,如果效果好,可以在经济条件、水资源状况、生态平衡等多方面考虑的基础上进行推广。但是,无论如何,此项技术是治沙思路的重大创新,有望成为沙漠变绿洲的一种重要手段。