沙漠“土壤化”：沙漠化的生態(tài)力學解決方法

易志堅，趙朝華

沙漠“土壤化”：沙漠化的生態(tài)力學解決方法

易志堅，趙朝華

Department of Mechanics, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China

沙漠化是指土地的退化[1–4]。作為一個嚴重的全球性環(huán)境問題，沙漠化已經(jīng)引起了國際社會的廣泛關(guān)注。1994年，聯(lián)合國通過了《聯(lián)合國防治荒漠化公約》[4]。從那時起，世界各國在防治沙漠化方面做出了不懈的努力[5–12]。然而，沙漠化的蔓延并沒有得到有效的控制，情況甚至變得更糟：它正在以每年50 000～70 000 km2的速度擴張[13,14]。目前，遭受全球沙漠化威脅的沙漠面積和其他干旱地區(qū)的土地面積已達地球陸地面積的41.3 % [2,15–17]。在中國，沙漠化土地的面積已達1.73×106km2，占國土總面積的18.03 %，并且另有3.1×105km2的土地有明顯沙漠化的趨勢[18]。

沙漠治理是一個全球性的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)行的沙漠治理方法可分為三類：工程治沙、化學治沙和植物治沙[1,9–12,19]。這些方法在沙漠治理中發(fā)揮著積極的作用。工程治沙是通過建立草方格沙障和沙柵欄等障礙物來阻止沙子的移動；化學治沙是通過向沙漠表面噴灑乳化瀝青或聚合物乳膠等來固化沙子表層；植物治沙是通過種植沙生植物來修復沙漠。然而，以上這些方法均不能改變沙子的材料特性，使其獲得土壤特性。

沙漠“土壤化”是筆者在沙子“土壤化”的基礎上提出的一個科學命題，是沙漠治理普遍方法的一個有潛力的替代方法。沙子“土壤化”，即沙變土，是筆者在土壤生態(tài)力學屬性的基礎上發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)的一個奇妙轉(zhuǎn)化。Yi等首次發(fā)現(xiàn)土壤的力學特性和生態(tài)屬性密切相關(guān)[20]。土壤在濕時為流變狀態(tài)，在干時為固體狀態(tài)，并且可以在這兩種狀態(tài)之間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。土壤的這種力學特性賦予了其自修復和自調(diào)節(jié)這兩大生態(tài)力學屬性。Yi等的分析表明[20]，土壤的自修復和自調(diào)節(jié)這兩大生態(tài)力學屬性是使其保持生生不息的生態(tài)循環(huán)及成為植物理想載體的前提條件，一旦喪失，土壤就會退化，并出現(xiàn)兩種極端情形——土壤板結(jié)或土壤沙漠化?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，Yi等通過在沙子顆粒之間施加適當?shù)募s束，實現(xiàn)了沙子“土壤化”。

按地質(zhì)學或工程學的定義[19,21]，沙子通常處于離散狀態(tài)，其顆粒之間的約束為接觸約束。當在沙子顆粒中加入適當黏度的水溶性物質(zhì)并均勻混合后，沙子顆粒間將形成具有“萬向性”和“可恢復性”的全方位綜合(ODI)約束，沙子將從離散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯儬顟B(tài)(濕土) [20]。當添加的水溶性物質(zhì)中的水分蒸發(fā)后，ODI約束將轉(zhuǎn)化為固結(jié)約束，沙子將轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)(干土)?！巴寥阑焙蟮纳匙泳哂凶匀煌寥赖牧W性能，可以在流變狀態(tài)和固體狀態(tài)之間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。因此，“土壤化”的沙子具有與土壤相同的生態(tài)力學屬性。由于沙子顆粒間的ODI約束通過加入水溶性物質(zhì)形成，“土壤化”的沙子對水分、養(yǎng)分和空氣具有很強的存儲能力?？梢?由沙子變成的“土”與自然土壤在力學特性和生態(tài)屬性上沒有區(qū)別。Yi發(fā)現(xiàn)，沙子一旦被“土壤化”，就會變得適合植物生長，成為植物的理想載體[22]。

從2013年開始，筆者在中國重慶市南岸區(qū)兩處戶外試驗地(面積分別為550 m2和420 m2)進行了種植試驗。試驗模擬了沙漠沙層的滲透條件——先在地面上鋪設20～30 cm厚的碎石層，再在碎石層上鋪設15～25 cm厚的未作任何處理的普通河沙(購買的無含泥量的建筑河沙)，然后，將細度模數(shù)分別為1.22、2.97和3.71的三種類型的潔凈河沙與由植物提取的一種改性羧甲基纖維鈉(CMC)溶液(溶液中包含2 %的改性CMC和5 %的復合肥料)以1:0.15的重量比混合，得到沙變土，并按10～20 cm的厚度分別鋪設在純沙層上。除了河沙，其他幾種顆粒材料(包括由石料制成的機制沙、混有機制沙的河沙以及混有鋸末的河沙)在“土壤化”后也被用于種植試驗。筆者在“土壤化”的沙子中種植了多種多樣的植物[圖1(a)]，如稻谷[圖1(b)]、玉米[圖1(c)]和紅薯[圖1(d)]等。種植至今，這些植物每年都經(jīng)受住了當?shù)仡l繁暴雨和連晴高溫的考驗。在連晴高溫期間，按不同時間間隔為植物適當補水。這些植物每年兩熟，在不同“土壤”中的生長均十分繁茂。試驗地中的約束材料僅在2013年春天首次對沙子“土壤化”時使用，之后，除了從2014年開始每年添加適量的復合肥外，未再繼續(xù)添加約束材料。2014年和2015年，筆者將試驗地中產(chǎn)出的玉米、紅薯、土豆、蘿卜和油菜與附近自然土壤里產(chǎn)出的同種莊稼進行了比較。結(jié)果表明，試驗地中莊稼的產(chǎn)量均明顯更高，其中，土豆、紅薯和蘿卜等土中生長的塊莖或塊根植物的個頭和產(chǎn)量均提高50 %以上(其機理將在筆者后續(xù)土壤生態(tài)力學的論文中論述)。種植試驗表明，沙變土并沒有因為暴雨的沖刷而變回到原始的離散顆粒，相反地，需水量大的沙變土的表層(如種植水稻的地塊)還結(jié)出了較厚的藻類結(jié)皮[圖1(e)]，對其下土壤顆粒之間的約束起到了保護作用。隨著反復的種植和收割，“土壤化”的沙子的團粒結(jié)構(gòu)越來越接近自然土壤，生態(tài)力學屬性也越來越穩(wěn)定。在第一次收割三個月后，“土壤”中就發(fā)現(xiàn)了很多動物，如螞蟻、蚯蚓、蜈蚣和昆蟲幼蟲等[圖1(f)]。

上述種植試驗驗證了“土壤化”的沙子是植物生長的理想載體，且其生態(tài)力學屬性能夠長期保持。

基于沙子“土壤化”，筆者提出了沙漠“土壤化”的命題。沙漠“土壤化”就是使沙漠表層的沙子“土壤化”，其科學實質(zhì)是使沙漠表層的沙子獲得土壤的力學特性和生態(tài)屬性。從原理上講，沙漠“土壤化”是沙漠化的逆過程，具有實現(xiàn)人類沙漠變綠洲夢想、改善沙漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境、最終造福人類的潛力。

圖1.“土壤化”的沙子：植物生長的理想載體。(a)“土壤化”的沙子中生長的各種植物；(b)“土壤化”的細粒徑沙子中生長的稻谷；(c)“土壤化”的粗粒徑沙子中生長的玉米；(d)“土壤化”的中粒徑沙子中生長的紅薯；(e)稻谷收割后，在“土壤”表面形成的藻類結(jié)皮；(f)“土壤化”的沙子中的昆蟲幼蟲。

為驗證沙漠“土壤化”的可行性，2016年4月，筆者在中國內(nèi)蒙古的烏蘭布和沙漠進行了大規(guī)模的種植試驗。烏蘭布和沙漠占地面積約10 000 km2，海拔約1100 m，降雨量少(年均降雨量僅102.9 mm)且風蝕嚴重，是中國沙漠化最嚴重的地區(qū)和最難治理的沙漠之一。試驗地位于北緯39°36′32′、東經(jīng)106°39′02′，平均海拔為1110 m (圖2)。由于烏蘭布和沙漠的地下水資源十分豐富(儲備容量約為5.7×109m3)，試驗中用于沙子“土壤化”和植物灌溉的水均來自地下水。沙變土過程中，約束材料(如改性CMC)的添加量僅占沙子質(zhì)量的0.1 %～0.4 %，同時添加約占沙子質(zhì)量0.3 %的氮磷鉀復合肥，將這些用攪拌機混合后，以平均10 cm的厚度鋪設在沙漠表面[圖2(a)]?！巴寥阑钡纳匙泳哂泻軓姷膬λ芰圖2(b)]。試驗地采用了霧化噴灌系統(tǒng)[圖2(c)]。為了探索沙漠“土壤化”的大規(guī)模機械化施工，筆者使用了旋耕機施工[圖2(d)]，施工面積達2000 m。結(jié)果表明，該施工方法切實可行。從2016年5月20日開始，筆者在試驗地中種植了大約50種不同植物的種子或種苗，包括高羊茅、波斯菊、小麥、玉米、向日葵、沙棗樹和楊樹等[圖2(e)]。目前，70多種植物(其中20多種可能是由風或鳥類帶來)在試驗地中健康且旺盛地生長[圖3(a)～(e)]。除此之外，“土壤化”的沙子中還形成了藻類結(jié)皮，這就表明，一個新的不同于沙漠的生態(tài)系統(tǒng)正在形成。各種動物，如蝴蝶、蚊子、螞蟻、鳥、老鼠和青蛙等也生活在試驗地中，狐貍和獾等動物還會不時光顧其中。

圖2.烏蘭布和沙漠沙子“土壤化”。(a) 將“土壤化”的沙子鋪筑到沙漠表面；(b) 在“土壤化”的沙子形成的20 cm深坑中加滿水24 h后，深坑中保留的水；(c) 霧化灌溉系統(tǒng)；(d) 沙漠表層沙子“土壤化”的旋耕機械施工；(e) “土壤化”的沙子中的植物種植；(f) “土壤化”的沙子中修筑的水田(水田四周用裝滿“土壤化”的沙子的袋子堆砌田坎)。

圖3.“土壤化”的沙漠中生長出各種各樣的植物。(a) “土壤化”的沙漠中生長著超過70種植物；(b) 沙棗樹和草；(c) 玉米和糜子；(d) 向日葵和草；(e) 草叢中的青蛙；(f) 相同播種、澆水和施肥情況下，未經(jīng)處理的沙漠沙子中長出的植物稀少。

為與所得試驗結(jié)果進行比較，筆者在試驗地附近的3塊未經(jīng)任何處理的沙漠地塊開展了種植試驗。試驗結(jié)果表明，盡管采用了相同的播種、澆水和施肥方法，由于沙子不具有土壤的生態(tài)力學屬性及其無法抵抗風蝕，這3個地塊上長出的植物十分稀少[圖3(f)]。

當約束材料(如改性CMC)的添加量達到沙子質(zhì)量的1.0 %時，“土壤化”的沙子具有更強的儲水能力，甚至具有類似泥漿的防滲能力。為充分利用約束材料的這種特性，筆者利用“土壤化”的沙子修筑了兩塊水田[圖2(f)]，以便在其中種植水生植物。

沙漠實地種植試驗證實，“土壤化”的沙子非常適宜植物生長，并且具有很強的防止風蝕的能力。眾所周知，烏蘭布和沙漠移動嚴重，而我們的試驗地恰恰位于兩個沙丘中間風力較大的風口地帶。在周圍未改造區(qū)域的沙子發(fā)生了明顯移動的同時，“土壤化”的沙子成功地抵御住了風蝕沙害?！巴寥阑钡纳匙幽軌虻钟L蝕的原因在于，無論是在濕時的流變狀態(tài)下，還是在干時的固體狀態(tài)下，其顆粒之間如自然土壤一樣被約束成團，不存在散狀顆粒。

實現(xiàn)沙子“土壤化”的方法是基于顆粒的約束原則。使用的約束材料為由植物提取的改性CMC溶液，該溶液可被用作食品添加劑，無毒、無害、成本低、摻量低(1 %～5 %的水溶液就非常黏稠)且適合大規(guī)模生產(chǎn)。如果采用旋耕等機械化施工方法，在沙變土中耕種與普通土地中耕種的工作量相差無幾。從經(jīng)濟性的角度來看，沙漠“土壤化”的材料費用和機械化施工的成本約為每公頃4500～6500美元。

土壤的自然形成通常需要成千上萬年時間。然而，基于沙子“土壤化”，沙子可以迅速轉(zhuǎn)化為“土壤”并成為植物生長的理想載體。沙漠“土壤化”是力學、生態(tài)學、土壤學和植物學等學科的交叉研究成果，能夠從根本上解決沙漠治理中沙子易移動、保水性差和不適宜植物生長等難題。筆者相信，沙漠“土壤化”的實施將促進跨學科的研究，催生新的學科和產(chǎn)業(yè)。土壤退化已經(jīng)引發(fā)了一系列的全球性環(huán)境問題[23–25]。沙漠“土壤化”種植的大規(guī)模實施，有望重構(gòu)一個全新、繁榮、穩(wěn)定的沙漠生態(tài)系統(tǒng)，為解決森林退化、生物多樣性喪失和氣候變化等全球性環(huán)境問題提供新的方案[16,26–28]。但是，大規(guī)模的沙漠治理必須考慮由地下水開采過度或地下水開采不當帶來的相關(guān)風險，同時，采取適當措施應對大量沙漠“土壤化”帶來的區(qū)域性氣候改變及生物多樣性變化等潛在影響。因此，大規(guī)模的沙漠治理必須建立在科學且嚴格的生態(tài)評估基礎上，可優(yōu)先選擇水資源豐富地區(qū)進行逐步推廣[29–32]。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 270—273

Zhijian Yi, Chaohua Zhao. Desert “Soilization”: An Eco-Mechanical Solution to Desertification. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.002