易志堅(jiān)，趙朝華

沙漠“土壤化”：沙漠化的生態(tài)力學(xué)解決方法

易志堅(jiān)，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(gè)嚴(yán)重的全球性環(huán)境問(wèn)題，沙漠化已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。1994年，聯(lián)合國(guó)通過(guò)了《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》[4]。從那時(shí)起，世界各國(guó)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(méi)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(kuò)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(dá)地球陸地面積的41.3 % [2,15–17]。在中國(guó)，沙漠化土地的面積已達(dá)1.73×106km2，占國(guó)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(shì)[18]。

沙漠治理是一個(gè)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(xué)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(guò)建立草方格沙障和沙柵欄等障礙物來(lái)阻止沙子的移動(dòng)；化學(xué)治沙是通過(guò)向沙漠表面噴灑乳化瀝青或聚合物乳膠等來(lái)固化沙子表層；植物治沙是通過(guò)種植沙生植物來(lái)修復(fù)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(chǔ)上提出的一個(gè)科學(xué)命題，是沙漠治理普遍方法的一個(gè)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(xué)屬性的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)的一個(gè)奇妙轉(zhuǎn)化。Yi等首次發(fā)現(xiàn)土壤的力學(xué)特性和生態(tài)屬性密切相關(guān)[20]。土壤在濕時(shí)為流變狀態(tài)，在干時(shí)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(xué)特性賦予了其自修復(fù)和自調(diào)節(jié)這兩大生態(tài)力學(xué)屬性。Yi等的分析表明[20]，土壤的自修復(fù)和自調(diào)節(jié)這兩大生態(tài)力學(xué)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(huì)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(guò)在沙子顆粒之間施加適當(dāng)?shù)募s束，實(shí)現(xiàn)了沙子“土壤化”。

按地質(zhì)學(xué)或工程學(xué)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(dāng)在沙子顆粒中加入適當(dāng)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(wàn)向性”和“可恢復(fù)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(dāng)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(xué)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(xué)屬性。由于沙子顆粒間的ODI約束通過(guò)加入水溶性物質(zhì)形成，“土壤化”的沙子對(duì)水分、養(yǎng)分和空氣具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力?？梢?jiàn),由沙子變成的“土”與自然土壤在力學(xué)特性和生態(tài)屬性上沒(méi)有區(qū)別。Yi發(fā)現(xiàn)，沙子一旦被“土壤化”，就會(huì)變得適合植物生長(zhǎng)，成為植物的理想載體[22]。

從2013年開(kāi)始，筆者在中國(guó)重慶市南岸區(qū)兩處戶外試驗(yàn)地(面積分別為550 m2和420 m2)進(jìn)行了種植試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M了沙漠沙層的滲透條件——先在地面上鋪設(shè)20～30 cm厚的碎石層，再在碎石層上鋪設(shè)15～25 cm厚的未作任何處理的普通河沙(購(gòu)買的無(wú)含泥量的建筑河沙)，然后，將細(xì)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(fù)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(shè)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(jī)制沙、混有機(jī)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(yàn)。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(dāng)?shù)仡l繁暴雨和連晴高溫的考驗(yàn)。在連晴高溫期間，按不同時(shí)間間隔為植物適當(dāng)補(bǔ)水。這些植物每年兩熟，在不同“土壤”中的生長(zhǎng)均十分繁茂。試驗(yàn)地中的約束材料僅在2013年春天首次對(duì)沙子“土壤化”時(shí)使用，之后，除了從2014年開(kāi)始每年添加適量的復(fù)合肥外，未再繼續(xù)添加約束材料。2014年和2015年，筆者將試驗(yàn)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(jìn)行了比較。結(jié)果表明，試驗(yàn)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(zhǎng)的塊莖或塊根植物的個(gè)頭和產(chǎn)量均提高50 %以上(其機(jī)理將在筆者后續(xù)土壤生態(tài)力學(xué)的論文中論述)。種植試驗(yàn)表明，沙變土并沒(méi)有因?yàn)楸┯甑臎_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(duì)其下土壤顆粒之間的約束起到了保護(hù)作用。隨著反復(fù)的種植和收割，“土壤化”的沙子的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越來(lái)越接近自然土壤，生態(tài)力學(xué)屬性也越來(lái)越穩(wěn)定。在第一次收割三個(gè)月后，“土壤”中就發(fā)現(xiàn)了很多動(dòng)物，如螞蟻、蚯蚓、蜈蚣和昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)等[圖1(f)]。

上述種植試驗(yàn)驗(yàn)證了“土壤化”的沙子是植物生長(zhǎng)的理想載體，且其生態(tài)力學(xué)屬性能夠長(zhǎng)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(xué)實(shí)質(zhì)是使沙漠表層的沙子獲得土壤的力學(xué)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(guò)程，具有實(shí)現(xiàn)人類沙漠變綠洲夢(mèng)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(zhǎng)的理想載體。(a)“土壤化”的沙子中生長(zhǎng)的各種植物；(b)“土壤化”的細(xì)粒徑沙子中生長(zhǎng)的稻谷；(c)“土壤化”的粗粒徑沙子中生長(zhǎng)的玉米；(d)“土壤化”的中粒徑沙子中生長(zhǎng)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(chóng)幼蟲(chóng)。

為驗(yàn)證沙漠“土壤化”的可行性，2016年4月，筆者在中國(guó)內(nèi)蒙古的烏蘭布和沙漠進(jìn)行了大規(guī)模的種植試驗(yàn)。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?jī)H102.9 mm)且風(fēng)蝕嚴(yán)重，是中國(guó)沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)和最難治理的沙漠之一。試驗(yàn)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(chǔ)備容量約為5.7×109m3)，試驗(yàn)中用于沙子“土壤化”和植物灌溉的水均來(lái)自地下水。沙變土過(guò)程中，約束材料(如改性CMC)的添加量?jī)H占沙子質(zhì)量的0.1 %～0.4 %，同時(shí)添加約占沙子質(zhì)量0.3 %的氮磷鉀復(fù)合肥，將這些用攪拌機(jī)混合后，以平均10 cm的厚度鋪設(shè)在沙漠表面[圖2(a)]?！巴寥阑钡纳匙泳哂泻軓?qiáng)的儲(chǔ)水能力[圖2(b)]。試驗(yàn)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(jī)械化施工，筆者使用了旋耕機(jī)施工[圖2(d)]，施工面積達(dá)2000 m。結(jié)果表明，該施工方法切實(shí)可行。從2016年5月20日開(kāi)始，筆者在試驗(yàn)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(shù)和楊樹(shù)等[圖2(e)]。目前，70多種植物(其中20多種可能是由風(fēng)或鳥(niǎo)類帶來(lái))在試驗(yàn)地中健康且旺盛地生長(zhǎng)[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(gè)新的不同于沙漠的生態(tài)系統(tǒng)正在形成。各種動(dòng)物，如蝴蝶、蚊子、螞蟻、鳥(niǎo)、老鼠和青蛙等也生活在試驗(yàn)地中，狐貍和獾等動(dòng)物還會(huì)不時(shí)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(jī)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(zhǎng)出各種各樣的植物。(a) “土壤化”的沙漠中生長(zhǎng)著超過(guò)70種植物；(b) 沙棗樹(shù)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(zhǎng)出的植物稀少。

為與所得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，筆者在試驗(yàn)地附近的3塊未經(jīng)任何處理的沙漠地塊開(kāi)展了種植試驗(yàn)。試驗(yàn)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(xué)屬性及其無(wú)法抵抗風(fēng)蝕，這3個(gè)地塊上長(zhǎng)出的植物十分稀少[圖3(f)]。

當(dāng)約束材料(如改性CMC)的添加量達(dá)到沙子質(zhì)量的1.0 %時(shí)，“土壤化”的沙子具有更強(qiáng)的儲(chǔ)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(shí)地種植試驗(yàn)證實(shí)，“土壤化”的沙子非常適宜植物生長(zhǎng)，并且具有很強(qiáng)的防止風(fēng)蝕的能力。眾所周知，烏蘭布和沙漠移動(dòng)嚴(yán)重，而我們的試驗(yàn)地恰恰位于兩個(gè)沙丘中間風(fēng)力較大的風(fēng)口地帶。在周圍未改造區(qū)域的沙子發(fā)生了明顯移動(dòng)的同時(shí)，“土壤化”的沙子成功地抵御住了風(fēng)蝕沙害?！巴寥阑钡纳匙幽軌虻钟L(fēng)蝕的原因在于，無(wú)論是在濕時(shí)的流變狀態(tài)下，還是在干時(shí)的固體狀態(tài)下，其顆粒之間如自然土壤一樣被約束成團(tuán)，不存在散狀顆粒。

實(shí)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(wú)毒、無(wú)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(jī)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(wú)幾。從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，沙漠“土壤化”的材料費(fèi)用和機(jī)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(wàn)年時(shí)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(zhǎng)的理想載體。沙漠“土壤化”是力學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)和植物學(xué)等學(xué)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(dòng)、保水性差和不適宜植物生長(zhǎng)等難題。筆者相信，沙漠“土壤化”的實(shí)施將促進(jìn)跨學(xué)科的研究，催生新的學(xué)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(wèn)題[23–25]。沙漠“土壤化”種植的大規(guī)模實(shí)施，有望重構(gòu)一個(gè)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(wèn)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(kāi)采過(guò)度或地下水開(kāi)采不當(dāng)帶來(lái)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，采取適當(dāng)措施應(yīng)對(duì)大量沙漠“土壤化”帶來(lái)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(xué)且嚴(yán)格的生態(tài)評(píng)估基礎(chǔ)上，可優(yōu)先選擇水資源豐富地區(qū)進(jìn)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