The Innovation | 沙漠土壤化：用力学密码点绿沙漠

Video 1 Desert Soilization

视频1 沙漠土壤化

导 读

沙漠化被称为地球癌症，人们一直在寻找其有效治理方法。力学家提出了一种新的解决之道，在沙漠沙粒之间施加约束，离散沙体便获得土壤的生态力学特性和保水保肥功能，成为植物生长的乐土，简称沙漠土壤化。该技术已在国内外多个沙漠、沙地、岛礁和戈壁试验成功，让17000亩不毛之地变为绿洲。沙漠化这一全球重大生态环境问题遇到克星。

沙漠土壤化的本质是沙漠沙粒的“土壤化”，也就是通过力学手段，给沙粒之间施加约束，让沙粒改变离散状态，获得自然土壤特有的两种循环力学状态：在湿时为流变状态（像稀泥，图1E），颗粒之间为万向结合约束（ODI约束，图1G）；在干时为固体状态（像干土块，图1F），颗粒之间为固结约束。此时，由沙变为的“土壤”在获得土壤力学状态的同时，还获得了存储水分（图1E）、养分、空气和滋生微生物的功能。所以，土壤化后的沙漠，能够成为植物载体，具有稳固沙漠与生态恢复一体功能。

图1 沙漠土壤化的力学原理、实施地和效果。背景是2018年乌兰布和沙漠土壤化基地。地图上标示了土壤化实施的各个地点，包括（A）塔克拉玛干沙漠、（B）乌兰布和沙漠、（C）若尔盖沙化草地；（D-G）沙漠土壤化的力学原理；（H, I）土壤化改造后沙漠里植物发达的根系；（J, K）土壤化沙粒和纯沙地植物生长对比；（L）无人工灌溉的荒漠生态区。

沙漠土壤化的理论建立在两个科学发现基础上，一个发现是颗粒之间的约束决定颗粒物质的力学状态，“土壤化”的本质就是颗粒物质力学状态的改变；另一个发现是土壤力学特性与土壤生态属性的关系，土壤干时为固体、湿时为流变体的这种力学特性，赋予了土壤自修复和自调节的两个生态力学属性。自修复是指土壤在固体状态下的开裂和破碎，可以在流变状态下实现修复，所以土壤能够生生不息。自调节是指土壤颗粒排列的改变不影响土壤的力学性能，所以，土壤能够调节自身的颗粒排列，稳定植物根系的同时并为其提供生长空间。

颗粒之间的约束是通过加入一种自主研发的特殊改性纤维素材料，使沙粒之间产生相互作用力而实现的。加入这种约束材料，水能够变成粘稠溶液粘附在颗粒表面，且沙粒之间天然就具有孔隙，所以，“一盘散沙”就能获得与自然土壤一样的生态－力学属性，并具有较强的存储水分、养分和空气的能力，成为适宜植物生长的载体。

沙漠“土壤化”广义上讲是颗粒物质的“土壤化”，适用于普通沙漠沙子（主要成分为二氧化硅）、岛礁珊瑚沙（钙质含量达90%）、戈壁沙石（粒径级配范围大）等不同的地表环境。施工简单高效，在沙漠表面洒水，再将约束材料撒布于沙漠表面（重量比少于3‰），然后再采用旋耕施工方法将水、约束材料、沙粒拌合均匀，即在沙漠表面15-25cm深度范围形成土壤化层。

图2 内蒙古乌兰布和沙漠种植的萝卜

沙粒土壤化后即可立即种植，通常3个月即可实现植被全覆盖。土壤化后的沙漠，适宜乔木、灌木、草类、各种农作物的生长，绝大多数植物产量或生物量超过当地对比农用地。比如，我国高粱平均亩产为324公斤、萝卜平均亩产不超过5000公斤，但我们在内蒙古乌兰布和沙漠种植的高粱（图2）亩产达到789公斤、萝卜（图3）亩产达到13699公斤。由于土壤化后的沙层是一个上紧下松的剖面结构，各种植物根系生物量可高达附近农地的2-7倍（图1H&I）。土壤化沙粒和纯沙地在同等水肥条件下进行植物长势对比显示，生物量呈数量级差异（图1J&K）。值得一提的是，植物出现后，如青蛙、狐狸、獾、野兔等沙漠中很少出现的动物也安家其中（图4）。

图3 内蒙古乌兰布和沙漠种植的高粱

图4 内蒙古乌兰布和沙漠出现的动物

土壤化后的沙漠环保安全，约束材料仅需加入一次，后续随着植物的种植，土壤力学特性持续保持，腐烂的根系又会成为新的约束材料。研究发现，土壤化后微生物种群和数量增长迅速，种植一年后，便超过当地农地样品，产品达到中国绿色食品标准。

土壤化后的沙漠，保水保肥，节水效果显著。2017年，研究团队在乌兰布和沙漠（降水量约100mm）种植的沙蒿、沙打旺等耐旱植物仅在播种发芽出苗阶段适量浇水，5年间不再人工浇灌，植物在自然环境下生长，覆盖了曾经寸草不生的沙漠（图1L）。此外，降水充沛的四川若尔盖沙化草地在改造和种植期间仅凭自然降雨，也实现了植被全覆盖。一般植物仍需灌溉，但灌溉量比当地耕地的节水灌溉定额低30%以上，而植物的生物量更高。

总结与展望

从全球角度看，人类土地利用活动占用了大量优质土地资源，比如森林、草原和湿地等。但是，沙漠不仅没有得到利用而且还在疯狂扩张。地球上并非所有沙漠均为自然生态，比如，本文提到的乌兰布和沙漠在汉代还是水草丰美之地。人类土地利用、粮食安全、固碳增汇需要合理治理和利用沙漠。经生态评估、水资源评估、有条件改造或对人类生活带来重大影响的沙漠，也应该得到合理治理和利用。沙漠土壤化技术，为点绿人类需要治理和利用的沙漠提供了新思路和新理念。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00125-9

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Editorial发表的“Desert Soilization: The Concept and Practice of Making Deserts Bloom” (投稿: 2021-11-24；接收: 2021-12-19；在线刊出: 2021-12-22)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100200

引用格式：Yi Z., Wang M., Zhao C. (2022). Desert Soilization: The Concept and Practice of Making Deserts Bloom. The Innovation. 3(1),100200.

作者简介

易志坚，二级教授、博士、博导，重庆交通大学副校长，国家“百千万人才工程”第一、二层次人选，国家有突出贡献的中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。长期从事力学及其相关领域的研究，在断裂力学、钢筋混凝土结构、路面结构、生态力学和沙漠化防治方面取得了系列成果，发表论文100余篇，授权发明专利40多项。

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