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【新华网】“点沙成土”:重庆科技造就乌兰布和深处“人工绿洲”

日期:2017年09月13日 18:31 作者:新华网 来源:新华网 点击率:

新华网“点沙成土:重庆科技造就乌兰布和深处人工绿洲

乌兰布和沙漠生态不容乐观

新华网重庆9月13日电(邵以南)从银川河东机场到内蒙古自治区阿拉善盟,大约2个半小时车程。越接近目的地,荒漠戈壁,满眼黄沙。

进入乌兰布和沙漠,第一个说上话的是薛飞斌。“沙就是沙,怎么可能变成土呢?”置身一片葵花田,茎秆足有一人多高,他用手贴着头顶来回比划。不远处,绿草丛生,鲜花盛开,阳光下,结满穗子的高粱杆迎风摆荡。

目前播种面积4200亩,种植各类作物近百种,杂草全部存活,青蛙、蝴蝶、麻雀等鸟虫也在此落脚,深吸一口气,泥土清香窜入鼻孔——这是一片名副其实的“人工绿洲”。

一路走,一路嚼,西瓜、番茄、大葱、苜蓿、红薯、荞麦、玉米……寸草不生的沙漠,一旦开长,便植被葳蕤,生机盎然。

“现在正刮着5级风,但站在田地里,风小了,沙子也进不来。”他告诉新华网,“要不是亲眼见着这些苗子长大,说什么我也不会相信。”

治沙,大漠人受够了失望。

乌兰布和沙漠位于内蒙古西部,总面积约1万平方公里,地处自治区巴彦淖尔市和阿拉善盟境内,是我国西北荒漠和半荒漠的前沿地带,也是京津冀地区风沙源头之一。黄河阿拉善段85公里西岸紧靠乌兰布和沙漠,水漠相连,水土流失严重,水蚀面积近1210平方公里。据统计,乌兰布和沙漠每年直接输入黄河的泥沙约有1亿吨,且近年每年以8-10米的速度东侵。薛飞斌居住的乌海市乌达区乌兰乡就深受其害。

有效治理荒漠化一直是世界性难题。有鉴于沙的流动性,应对风害成为难中之难。在目前主要的固沙技术中,工程固沙采用人工设置沙障等工程手段,如草方格、石方格来阻止沙子移动;化学固沙通过喷洒化学固沙剂,如乳化沥青、聚合物树脂等;植物固沙则是透过种植沙生植物的手段来稳定和阻绝沙体,以达到固沙目的。

2010年以来,黄河海勃湾水利枢纽及科布尔防汛分洪两大工程相继实施,让阿拉善盟嗅到了新一轮契机。2013年,该盟在黄河西岸巴彦木仁苏木(苏木:内蒙古自治区乡级行政单位)区域规划了1000平方公里生态沙产业示范区,占乌兰布和沙漠总面积十分之一,现已入驻各类企业及科研机构31家,在不同地段,依托自有技术推进沙漠生态治理。

“我今年56岁,在这边住了20多年,传统的法子都见过,也用过。都没有改变沙子本身的属性,实施起来要么难度大,成本高,要么难以确保后续效果。”如此科学的判断出自一位农民之口,的确令人颇感讶异。薛飞斌如今每天都要驱车半小时来到田地,查看作物生长情况,防虫、防鼠、锄草、守田、提点子。事实上,他的身份,既是重庆交通大学乌兰布和“沙漠土壤化”生态修复项目中试基地工人,也是这里的“农业顾问”。

万向结合约束:“点沙成土”的秘密

“把项目落在这里也算机缘巧合。当初其实比较倾向腾格里沙漠,但几经考量,我们发现乌兰布和更加‘典型’:终年盛行西南风,主要风害是西北风,年均风速达4.1米每秒,沙丘漂移活跃。盟政府和示范区询问需要哪些方面支持,我说我什么都不要,只要一片地和水源,他们也半信半疑。”

易志坚,54岁,重庆人,重庆交通大学副校长、博士生导师,长期从事力学、道路、桥梁、材料等学科的教学科研工作。“所以,如果能把这片‘典型’的沙漠治理下来,其它地方也就找到突破口,相对容易了。”易志坚告诉新华网,相较于公职,他更喜欢被人称呼“易教授”。

从力学、桥隧工程,到荒漠化治理乃至生态农业,研究领域跨度之大,犹如沙漠变良田般难以逾越。

土壤,是砸落易志坚头上的那颗“苹果”。

在对断裂与损伤力学进行研究时,易志坚发现了“物质的颗粒约束决定物质的状态”这一原理,而对此最神奇的体现就是土壤。

“在研究材料的过程中,我发现土壤是一种很特别的材料。”易志坚说,土壤在含水时处于流变状态,而干燥的时候处于固体状态,这两种力学状态之间能够相互稳定转换。无论是在流变状态还是固体状态下,土壤颗粒之间都存在约束,能够结合成团,与离散沙子形成鲜明对比。

土壤的力学特性,赋予了土壤两大生态力学属性:“自修复”和“自调节”。“自修复”是指土壤在固体状态下发生破坏后,能够转换到流变状态下修复;“自调节”则指土壤颗粒排列无论怎么改变,土壤颗粒之间结合力始终存在。

“我们都说大地像母亲,其实就是因为土壤拥有这两种特性。”易志坚进一步解释说,因为自修复性,土壤在固体状态下发生破坏、断裂等任何破坏,均能在流变状态下得到修复,才能生生不息、年复一年的长植物;因为有了自调节属性,才能让植物根系进入自身让其生长。如果土壤自修复属性丧失,往往就出现两个极端的退化形式——土壤板结和土壤沙化。如果没有自调节属性,土壤就不能成为植物载体。

在易志坚看来,土壤能够在流变和固体两种状态之间转换的“密秘”就是:土壤颗粒之间存在万向结合约束(简称“ODI约束”)并能够转换为团结约束。土壤沙化,根本原因就是失去了ODI约束,处于一种离散状态,丧失了自修复和自调节的能力,若要将沙子变成土壤,就需要重新赋予其ODI约束。易志坚团队就是从这个原理上来研究并实现“沙变土”的。

攻关从2009年开始。团队从植物中提取了一种纤维粘合剂,只要把这种粘合剂放到沙里,再添加适量的水,沙子就可以变成拥有生态力学属性、具有“万向结合约束”的土壤。而约束属性和孔隙结构,则保证了“沙变土”具有存储水分、养分和空气的功能,同时能滋生微生物。

“沙漠的沙其实也是土壤的一种,只是因为颗粒粗糙,渗水快,流动性大,保水性能差,所以不容易种植植物,如果能够解决沙的固水问题,确实可以让植物生长。”团队技术骨干、重庆交通大学桥梁与隧道工程博士谷建义告诉新华网,“不过这种粘合剂持久性如何,能否永久的改变沙的特性,是这项技术的关键点。”

对此,团队最初1年多的时间就研究出了粘合剂,不过为了能让效力达到持续性、耐久性,实际种植势在必行。“我们也就此变成‘农民’了。”谷建义笑道。2013年起,团队在重庆交通大学校园内辟出2亩地,栽种玉米、茄子等作物,为了模拟沙漠不保水的特点,他们又在10-20厘米厚、由沙改良成的土上,垫了20厘米石子和20厘米沙。

“雨水一下来就渗走,看看还能否保水保肥。最初时效比较短,但随着持续研究改良,已经能够实现一次性加入粘合剂,后续不用再添加。”谷建义说,“2年下来,作物长势都很不错!青苔,虫鸟也开始生存繁衍,越来越接近普通耕地。但重庆相对湿润,雨水较多,也没有大风,针对沙漠生态条件,可行性还有待验证。是时候走出去了。”

从春耕“噩梦”到4200亩良田

近年往来穿梭于示范区帮工的薛飞斌,结识易志坚团队是在2016年5月。项目选择距离中试基地10公里开外的25亩沙地率先开展初试,完成平场及管网铺设等前期工作已是月末。

谈起这群远道而来的重庆人的治沙手段,薛飞斌第一印象是“伪科学、造典型”。

经土壤化作业的沙地,摸上去又湿又粘。“开始播种时,我就发现他们种得不对,土层太浅,风一打就完蛋,苗子活不了。”

对人生地不熟的易志坚团队来说,这是极其宝贵的意见。5-8月的乌兰布和沙漠风沙漫天,但较之其它月份,已是不可多得的“好时节”,9月一便过气温骤降,直至次年开春,熬不过严寒的作物都得冻死。这块25亩的初试沙地正处风口。“播三次种,三次都被沙埋了。”为了阻挡狂沙入侵,薛飞斌提议先在外围栽种长势快、近一人高的狼尾草。6月中旬,地里种子顽强发芽、生长,进入8月,40余种作物郁郁葱葱。

而到今年春天,团队高兴地发现,那些多年生的植物又发芽生长了,植物腐烂在土地里变为了腐殖质,极好地改良了沙质土的成分,使其更具有肥力。照此反复,经过年年的生生不息,沙就能变成适合长期种植的熟土。

早上7点上班,下午3点复工,晚上7点回家。薛飞斌想,跟着这帮人走,如果整个乌兰布和1万平方公里都铺开来,那可不得了!

扩展试验面积,验证大规模机械化播种和管理可行性,的确是易志坚团队的下一个目标。2016年底,他们找到示范区管委会,一口气拿下了14500亩沙地作为项目中试基地。

“沙漠土壤化生态修复,工程是基础。要抢在4、5月春耕时节播下种,动作就得快!”项目工程总指挥严官成也是地道重庆人。在同新华网交谈中,他承认,团队曾把一切都想得太过简单。

2017年2月5日,乌兰布和沙漠天寒地冻,气温最低时降至零下25度。工程人员依照测量规划展开平场。“从阿拉善和乌海调来机器,机油、冷却液全都结成了冰。我们也冻坏了。”大家把机器开进厂房加温,再重新注油。有鉴于沙的外运成本,推沙丘必须考虑到填方、挖方平衡,最多时有80多台推土机开足马力同时作业。大漠袅袅,热火朝天。短短2个月,6000亩沙丘平整完成。

4月20日,沙漠土壤化改造和旋耕作业启动,工程部门借由当地政府提供的6口深水井,一边蓄水、铺设管网和灌溉设备,一边向沙里加入土壤化粘合剂。事实上,粘合剂加入的量并不大,与土壤重量比只有不到千分之三,充分混合后加入水就行。今年,25亩初试地未再加入粘合剂,土壤已经实现了自然生长。据测算,运用这种技术对沙漠进行大规模沙改土的一次性成本约为每亩2000元至5000元,加上基础设施建设费用不到1万元一亩。如果经过水资源评估,在离水源比较近或有充足地下水的沙漠,都可以通过沙漠土壤化方法恢复生态,改善气候、环境,优化土地利用条件。

5月22日,团队抢抓时间,开始小范围试播300亩。“最大的问题就是风和沙。刚来时考虑过,但没料到恶劣程度远超过想象。”严官成回忆说,初试基地小,外围种植狼尾草还能挡一挡,但换在如此大面积的空旷土地周围栽种防风乔灌木,根本来不及。“只需一夜,田地就被沙掩埋,最厚处有10厘米,苗苗全被打死,试验田又变回了沙地。团队里有好几个研究生娃儿,见这一幕他们着了急,跪在地上双手不停刨沙,弄得满嘴都是。”

“这可是刚刚出芽的嫩绿啊!”大家都流了泪,心气也没当初那么高了。

易志坚几晚都没合眼。一天夜里风沙大作,吹得板房宿舍哗哗作响。易志坚穿上冲锋衣,带着手电筒,决定独自前往试验田一探究竟。1米68的个头还算结实,行走在风里却也摇摇欲倒。

“我发现风向是不定的,裹着从远处沙丘袭来的沙子并非四处飘扬,而是贴地席卷,劲道特别大。”他右掌垂直贴地,左手横放在右肘处,“吹沙大概有这么高,风吹过后,不远处堆起2、3米高的小沙丘。”

基于这个判断,团队想到把稻草垫铺在幼苗上,并在试验田周围逐步搭建草垫围挡的做法,风沙越过围挡,不再于耕地堆积。一招制胜。6月29日,播种重新开始,草垫不仅阻绝了风沙对幼苗的打击,也起到了很好的保水保湿作用。如今,4200亩试验地纵深6.8公里,3200亩各类作物长势良好,另有1000亩沙地前不久完成改造,本月初秋播种下苜蓿,顺利完成年内目标。

“30年,40年都要持续研究下去”

这种成就感,在内地耕作是找不到的。”在沙漠深处呆了大半年,易志坚嘴唇发干,皮肤黝黑。他告诉新华网,灌溉中,团队在不同区域,分别采用了卷盘式、平移式灌溉机,还有滴灌和小型喷灌,管网连接各灌溉区和灌溉设备。

差异化作业,旨在验证了“沙变土”栽培农作物可行性后,对土壤力学性能展开持续研究。“不同作物,不同土壤厚度,用水量都不一样;‘沙变土’粘合剂在不同土壤厚度下的抗压性、流变性、保水性也有区别。”易志坚说,“我们把每一根水管都装上水表,以测定浇灌周期变化规律,最终总结出不同的水土生态不同的植物生长特点。特别是耗水量较少的植物,在明年、后年还能否在少水条件下生长,构筑起荒漠生态值得关注。”

植物生长研究方面,透过观察发芽、出穗、结果全周期指标,研究“沙变土”和普通耕地的性能差异。

种植作物亦为验证土壤安全性。易志坚说,种植成功的蔬果虽然没有上市,却已成了大家的盘中餐。“不知是不是心理作用,在沙漠中种出来的蔬果特别好吃。”他笑道。易志坚最不喜欢生吃番茄,但在乌兰布和沙漠中种出的番茄,他摘下直接当水果生吃,“说不上特别甜,但就是觉得美味。”

据了解,团队还请来了第三方机构对粘合剂及“沙变土”土壤进行检测。易志坚拿出西安国联质量检测技术有限公司对粘合剂的检测报告。土壤检测显示,微生物从零到出现微生物,还有氮、磷、钾等微量元素,且11项检测指标全部达标,没有重金属污染。

“沙变土”的科学新发现让易志坚深深着迷,他放弃了其它项目,专注研究于此。目前他的团队30多人,由重庆交通大学土木学院、河海学院的教授、博士、研究生组成,涵盖力学、环境生态、农业等多个学科。

据悉,这项技术现已获得了16项发明专利授权,研究成果分别在中国科学院《中国科学》和中国工程院院刊《工程》发表。

对于未来的研究,易志坚说,他们的目标是依托政府出让的14500亩沙地,打造万亩基地。“不能再沙进人退,我们要转守为攻!实验要做30年、40年。沙漠土壤化并不是说就要把沙漠全都变成田,该项技术只是目前众多治沙方法中的一种,重点在于遏制沙漠化的趋势,改善沙漠化的土壤,它的推广应用还要在经济条件、水资源状况、生态平衡等多方面进行实验,我们将继续研究下去,尽全力修复荒漠生态,让沙区群众的生产生活条件不断得到改善。”

薛飞斌之于项目的贡献,除了时间、体力和经验,还有从家里带来的一只猫。“放进田里抓老鼠特别有用。”他告诉新华网,短短半年多,这里的变化非常大,重庆交通大学科研团队的新技术,在示范区周边许多嘎查(嘎查:内蒙古自治区村级行政单位)传得家喻户晓,沙漠变良田是件大好事,男女老幼都特别欢迎,巴不得速度更快一点,绿色更多一点。

据不完全统计,在重庆交通大学乌兰布和“沙漠土壤化”生态修复项目中试基地务工的周边农牧民,高峰时有近80人。

“你以为咱们只是为了这每月的工钱?”薛飞斌放开手里的麻布口袋,一只奶牛色的猫探出头来,片刻后飞快窜了出去。

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编辑:徐洁

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