Video 1 Desert Soilization
視頻1 沙漠土壤化
沙漠化被稱為地球癌症，人們一直在尋找其有效治理方法。力學家提出了一種新的解決之道，在沙漠沙粒之間施加約束，離散沙體便獲得土壤的生態力學特性和保水保肥功能，成為植物生長的樂土，簡稱沙漠土壤化。該技術已在國內外多個沙漠、沙地、島礁和戈壁試驗成功，讓17000畝不毛之地變為綠洲。沙漠化這一全球重大生態環境問題遇到克星。
沙漠土壤化的本質是沙漠沙粒的「土壤化」，也就是通過力學手段，給沙粒之間施加約束，讓沙粒改變離散狀態，獲得自然土壤特有的兩種循環力學狀態：在濕時為流變狀態（像稀泥，圖1E），顆粒之間為萬向結合約束（ODI約束，圖1G）；在干時為固體狀態（像干土塊，圖1F），顆粒之間為固結約束。此時，由沙變為的「土壤」在獲得土壤力學狀態的同時，還獲得了存儲水分（圖1E）、養分、空氣和滋生微生物的功能。所以，土壤化後的沙漠，能夠成為植物載體，具有穩固沙漠與生態恢復一體功能。
圖1 沙漠土壤化的力學原理、實施地和效果。背景是2018年烏蘭布和沙漠土壤化基地。地圖上標示了土壤化實施的各個地點，包括（A）塔克拉瑪干沙漠、（B）烏蘭布和沙漠、（C）若爾蓋沙化草地；（D-G）沙漠土壤化的力學原理；（H, I）土壤化改造後沙漠裡植物發達的根系；（J, K）土壤化沙粒和純沙地植物生長對比；（L）無人工灌溉的荒漠生態區。
沙漠土壤化的理論建立在兩個科學發現基礎上，一個發現是顆粒之間的約束決定顆粒物質的力學狀態，「土壤化」的本質就是顆粒物質力學狀態的改變；另一個發現是土壤力學特性與土壤生態屬性的關係，土壤干時為固體、濕時為流變體的這種力學特性，賦予了土壤自修復和自調節的兩個生態力學屬性。自修復是指土壤在固體狀態下的開裂和破碎，可以在流變狀態下實現修復，所以土壤能夠生生不息。自調節是指土壤顆粒排列的改變不影響土壤的力學性能，所以，土壤能夠調節自身的顆粒排列，穩定植物根系的同時並為其提供生長空間。
顆粒之間的約束是通過加入一種自主研發的特殊改性纖維素材料，使沙粒之間產生相互作用力而實現的。加入這種約束材料，水能夠變成粘稠溶液粘附在顆粒表面，且沙粒之間天然就具有孔隙，所以，「一盤散沙」就能獲得與自然土壤一樣的生態－力學屬性，並具有較強的存儲水分、養分和空氣的能力，成為適宜植物生長的載體。
沙漠「土壤化」廣義上講是顆粒物質的「土壤化」，適用於普通沙漠沙子（主要成分為二氧化硅）、島礁珊瑚沙（鈣質含量達90%）、戈壁沙石（粒徑級配範圍大）等不同的地表環境。施工簡單高效，在沙漠表面灑水，再將約束材料撒布於沙漠表面（重量比少於3‰），然後再採用旋耕施工方法將水、約束材料、沙粒拌合均勻，即在沙漠表面15-25cm深度範圍形成土壤化層。
沙粒土壤化後即可立即種植，通常3個月即可實現植被全覆蓋。土壤化後的沙漠，適宜喬木、灌木、草類、各種農作物的生長，絕大多數植物產量或生物量超過當地對比農用地。比如，我國高粱平均畝產為324公斤、蘿蔔平均畝產不超過5000公斤，但我們在內蒙古烏蘭布和沙漠種植的高粱（圖2）畝產達到789公斤、蘿蔔（圖3）畝產達到13699公斤。由於土壤化後的沙層是一個上緊下松的剖面結構，各種植物根系生物量可高達附近農地的2-7倍（圖1H&I）。土壤化沙粒和純沙地在同等水肥條件下進行植物長勢對比顯示，生物量呈數量級差異（圖1J&K）。值得一提的是，植物出現後，如青蛙、狐狸、獾、野兔等沙漠中很少出現的動物也安家其中（圖4）。
土壤化後的沙漠環保安全，約束材料僅需加入一次，後續隨着植物的種植，土壤力學特性持續保持，腐爛的根系又會成為新的約束材料。研究發現，土壤化後微生物種群和數量增長迅速，種植一年後，便超過當地農地樣品，產品達到中國綠色食品標準。
土壤化後的沙漠，保水保肥，節水效果顯著。2017年，研究團隊在烏蘭布和沙漠（降水量約100mm）種植的沙蒿、沙打旺等耐旱植物僅在播種發芽出苗階段適量澆水，5年間不再人工澆灌，植物在自然環境下生長，覆蓋了曾經寸草不生的沙漠（圖1L）。此外，降水充沛的四川若爾蓋沙化草地在改造和種植期間僅憑自然降雨，也實現了植被全覆蓋。一般植物仍需灌溉，但灌溉量比當地耕地的節水灌溉定額低30%以上，而植物的生物量更高。
從全球角度看，人類土地利用活動占用了大量優質土地資源，比如森林、草原和濕地等。但是，沙漠不僅沒有得到利用而且還在瘋狂擴張。地球上並非所有沙漠均為自然生態，比如，本文提到的烏蘭布和沙漠在漢代還是水草豐美之地。
人類土地利用、糧食安全、固碳增匯需要合理治理和利用沙漠。經生態評估、水資源評估、有條件改造或對人類生活帶來重大影響的沙漠，也應該得到合理治理和利用。沙漠土壤化技術，為點綠人類需要治理和利用的沙漠提供了新思路和新理念。參考文獻:
本文內容來自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Editorial發表的「Desert Soilization: The Concept and Practice of Making Deserts Bloom」 (投稿: 2021-11-24；接收: 2021-12-19；在線刊出: 2021-12-22)。
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100200
原文鏈接：
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00125-9
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.
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