【科学强国】解锁沙漠变良田的力学密码

　　8月的阳光分外刺眼，从乌海市区出发，驶过黄河浮桥，一路向西，穿越破败的村庄、起伏连绵的沙丘，行至穿沙公路尽头，眼前豁然开朗，漫天黄沙中忽现一片绿洲。

沙漠中的一片绿洲 图片来源：重庆交通大学

　　金灿灿的向日葵，丰茂的绿色牧草，累累硕果挂满枝头的茄子、辣椒，犹如钢铁长龙的大型平移式喷灌机……一座望不到边的现代化农场映入眼帘，令人惊喜。

　　北纬39°36′32′′、东经106°39′02′′，乌兰布和“沙漠土壤化”中试科研基地，这里在百度地图上没有名字，但它短短几年时间沙漠变良田的生态奇迹却惊艳了整个世界。

　　科技改变世界，沙漠中盎然的生机正是这个绿色神话缔造者、“2021最美科技工作者”重庆交通大学副校长易志坚和其科研团队最美的勋章。

　　另辟蹊径，开启跨界治沙冒险之旅

　　土地沙漠化治理，一直是世界级难题。有数据显示，目前，遭受全球沙漠化威胁的沙漠面积和其他干旱地区的土地面积已达地球陆地面积的41.3%。并且它正在以每年50000～70000 平方公里的速度扩张。我国辛苦治沙几十年，效果同样有限，沙漠化土地的面积已达1.73×106 平方公里，占国土总面积的18.03 %，并且另有3.1×105平方公里的土地呈现出明显沙漠化的趋势。

　　现行的沙漠治理方法主要有三类：工程治沙、化学治沙和植物治沙。工程治沙是通过建立草方格沙障和沙栅栏等障碍物来阻止沙子的移动；化学治沙是通过向沙漠表面喷洒乳化沥青或聚合物乳胶等来固化沙子表层；植物治沙是通过种植沙生植物来修复沙漠。

　　这些治沙方法，有利有弊，对沙化治理有一定效果，但很难大规模推广。

　　易志坚，我国著名的力学专家，长期从事力学基础理论和应用研究，2009年，在研究颗粒物质力学的过程中偶然发现，颗粒物质从离散状态向流变状态、固体状态转换，依靠的是一种万向约束关系。

　　“土壤在湿时为流变状态，在干时为固体状态，并且可以在这两种状态之间稳定转换。土壤的这种力学特性赋予了其自修复和自调节这两大生态力学属性，使其能够保持生生不息的生态循环以及成为植物理想载体。而沙子和土壤的区别在于，沙子通常处于离散状态，其颗粒之间的约束为接触约束。”通过进一步研究，易志坚发现，当在沙子颗粒中加入适当黏度的水溶性物质并均匀混合后，沙子颗粒间将形成具有“万向性”和“可恢复性”的全方位综合（ODI）约束，沙子也将从离散状态转变为流变状态，即类似湿土。当添加的水溶性物质中的水分蒸发后，ODI约束将转化为固结约束，沙子将转变成固体状态，也就是类似干土。“土壤化”后的沙子具有自然土壤的力学性能，可以在流变状态和固体状态之间稳定转换，从而也获得了与土壤一样的存储水分、养分和空气的能力，成为植物生长的理想载体。

　　在此理论基础上，首创提出沙漠“土壤化”的技术路径，通过在土壤的力学特性与生态属性之间建立起联系，易志坚从力学角度解释了土壤能够“生生不息”之谜。

　　“土壤的功能是作为植物生长的载体，沙子‘土壤化’的性质可以通过种植植物来进行实验验证。”紧接着，为验证自己的研究，易志坚团队在重庆交通大学实验室开启了为期3年的种植试验，阳台、屋顶、户外种植地到处都可以看到他们的身影。为了模拟沙漠沙层渗透条件，他们在实验地面依次铺设了20-30厘米厚的碎石层、15-25厘米厚的未作任何处理的普通河沙以及经过10-20厘米厚的“土壤化”改性土。

　　玉米、红薯、土豆、萝卜各种植物轮作，长势喜人。易志坚信心倍增，“种植试验充分验证了‘土壤化’的沙子是植物生长的理想载体，且其生态一力学属性能够长期保持。”

　　不懈奋战，站上产业化新起点

　　“沙漠‘土壤化’就是使沙漠表层的沙子‘土壤化’，其科学实质是使沙漠表层的沙子获得土壤的力学特性和生态属性。从原理上讲，沙漠‘土壤化’是沙漠化的逆过程，具有实现人类沙漠变绿洲梦想、改善沙漠地区生态环境、最终造福人类的潜力。”作为一个科学命题，沙漠“土壤化”可行性必须经过沙漠实地实践检验。

　　2016年，易志坚带领团队走出实验室，在苍茫大漠里开启了新一轮的战斗。

　　易志坚一开始就将目标定在最难治理的沙漠上，在选址时便提出了三条要求：要寸草不生；要有适当的水资源；不要有人干扰。

　　于是，“沙深三尺、马不能行”的乌兰布和沙漠成为了他们的试验场。

　　2016年，25亩沙漠“土壤化”改造并试种成功。2017年2月，“一万亩”实验地前期勘测；3月，大型机械开进沙漠，蓄水池、公路等基础设施建好；4月，进入万亩实验地“土壤化”施工阶段，研究团队在数千亩的沙漠上铺设混合材料；6月，第四次试种并取得成功；2018年，科研团队在内蒙古、新疆、四川若尔盖、厦门海岛等地同时开展试验示范；2019年，在塔克拉玛干沙漠的种植面积扩大到2万亩……

　　“现在的情况就是，团队已在乌兰布和沙漠等多地试验成功，种植出萝卜、高粱、狼尾草、番茄、茄子等70多种作物。其中，乌兰布和沙漠种植的萝卜亩产达到1.3万多公斤，高粱亩产789公斤，均高出全国平均水平。”

　　作为一项“从0到1”的原创性突破性成果，力学治沙从理论提出到实践验证，一路走来，质疑声不断。不过，易志坚和其团队从未动摇，一心用实际效果证明自己。也正是这份强大的精神力量和科学理念，引导着他们在科研领域上取得巨大突破。据易志坚介绍，与常规沙漠治理方法相比，沙漠“土壤化”技术具有成本低廉、节水明显、环保安全、推广快的特点，离水源较近或有充足地下水的沙漠都可以实现“沙变土”。“土壤化”成本每亩不高于5000元，远低于内地土壤复垦动辄数万元的成本。而且，一次添加长久有效，长出的植物根系腐烂了之后，又会成为新的约束，形成生态的良性循环。

　　事实胜于雄辩，试验结果有力地打破了质疑声。

　　2021年9月18日，中国产学研合作促进会组织评价委员会在内蒙古乌海市召开“沙漠土壤化关键技术与生态治理示范工程”成果评价会。经过3个多小时的质询和讨论，最后，评价委员会的专家们一致认为：“‘沙漠土壤化’是一项原创性、突破性成果，其经济、社会、生态效益明显，对国家生态安全、粮食安全等具有重要意义，为全球沙漠治理提供了借鉴，成果达到国际领先水平。”

　　同年，易志坚也因此被中央宣传部、中国科协、科技部、中国科学院、中国工程院、国防科工局6部门共同授予了2021年“最美科技工作者”荣誉称号。

　　支持与肯定随之而来。华大集团明确表达了欲与重庆交大合力共建“沙漠生态重建”联合实验室，设立大型公共研究平台支撑研究院，建设新的沙漠生态力学研究学院和学科的强烈意愿。国际农业教育科学院院士、联合国粮食及农业组织国际黑土联盟首任主席韩贵清也表示，作为一名农业专家，要鼎力支持这个项目。

　　产业化应用是科研发展的落脚点。2022年，易志坚和其团队站上了新的起点——走向产业化。“经过6年中试实验，技术已经较为成熟。在前期打造‘沙之约’产业化探索的基础上，今年我们项目将正式进入产业化，不仅防沙治沙恢复生态，而且要为当地带来经济效益。”易志坚介绍称，目前新签项目覆盖内蒙古和新疆等地的沙漠和戈壁共计13万亩。今年团队拟在内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗库布其沙漠、新疆若羌等地的沙漠和戈壁先改造约3000亩，进行产业示范基地建设。

　　作者：刘彦华

　　编辑：于靖园

　　审核：龚子陌