點沙成土！力學家勇闖「無人之地」跨界治沙創奇蹟
2022-01-06 08:46 作者：谷訓 來源：新華社 閱覽：
2021年底，58歲的力學家易志堅獲得了一個新的榮譽——「2021最美科技工作者」。一向看淡榮譽的他十分看重這個獎項，他說，這是對他和科研團隊勇闖「無人之地」13年難得的一次公開肯定，是對這一路走來所有質疑和否定的回應，更是對科學家們敢于跨界、勇于創新的鼓勵。
一切，要從2016年悄然誕生的一片沙漠綠洲說起。
「門外漢」跨界治沙創奇蹟
「烏蘭布和」，在蒙語裡是「紅色公牛」的意思。這裡在西漢還是沃野千里，唐宋時期明顯沙化，「沙深三尺、馬不能行」，而今已是一片寸草不生的流動沙漠。2016年4月，重慶交通大學教授易志堅帶領科研團隊走進內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠，8月，浩瀚黃沙中出現了一個有兩個足球場大的綠洲，分外耀眼。在一片郁郁蔥蔥、瓜果飄香中，千年來桀驁的「紅色公牛」第一次在人類面前表現出馴服。
然而沒有人想得到，讓沙漠在短時間內變綠洲的，是一群與生態、植物、土壤、治沙等專業毫不沾邊的力學家。
2009年，易志堅在研究顆粒物質力學的過程中發現，顆粒物質從離散狀態向流變狀態、固體狀態轉換，依靠的是一種萬向約束關係。「當時我就聯想到，土壤和沙子之間的區別就是有沒有這種約束關係。」易志堅說，「當我想到這個發現可以把沙改造成土，就激動得睡不著覺！」
在進一步的研究中，易志堅團隊提出了一項原創力學原理，土壤顆粒間存在一種萬向結合約束關係(Omni-directional Integrative約束，簡稱ODI約束)。萬向結合約束下的土壤顆粒體，既有一定的柔性，保水、保肥和透氣，並為植物根系生長提供彈性空間，又有一定的剛性，使之能夠「抱住」植物根系，維持植物穩定。易志堅團隊首次在土壤的力學特性與生態屬性之間建立起聯繫，從力學角度解釋了土壤能夠「生生不息」之謎。
手握「點沙成土」的科學理論「密碼」，易志堅放下了他所有的力學研究，一心撲到「沙漠土壤化」試驗上。2013年，科研團隊研發出一種植物纖維素黏合劑。在沙子中混合適量的黏合劑和水，「一盤散沙」就能獲得與自然土壤一樣的生態-力學屬性：在濕潤時呈現稀泥般的流變狀態，水分蒸發後結成固體狀態，兩種狀態之間可自由轉換，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。該技術現已獲得7項國際發明專利和18項國內發明專利。
從2016年起至今，「沙漠土壤化」技術在多種嚴酷自然條件下進行實地試驗。內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠、新疆和田塔克拉瑪幹沙漠、四川若爾蓋修復沙化草原、西沙島礁、西藏拉薩市郊沙化帶、撒哈拉沙漠中石油尼日爾油田基地，在總面積達17000畝的沙漠沙地上，「沙漠土壤化」技術生態恢復和農業種植試驗都取得了成功。
受質疑，堅持用事實說話
沙漠是無人之地，而易志堅團隊跨界創立的理論和技術也是沒有前人研究過的「無人區」。「一個原創科學成果誕生時，受到人們關注甚至質疑是正常的。」獲得「最美科技工作者」榮譽後，易志堅對媒體記者表示他只堅持用事實說話。
2016年，易志堅團隊向學術界公開了他們的理論創新和初試成果，引發一些爭議。少數來自沙漠治理、土壤領域的專家表示並不看好該技術。此後兩年，團隊在內蒙古烏蘭布和沙漠和新疆塔克拉瑪幹沙漠擴大試驗面積，中試成功。少數專家仍然質疑該技術的真偽、存在價值，甚至懷疑這項技術可能帶來「危害」。
新技術在現行理論中找不到支撐，會不會是「偽科學」？沙漠常年乾旱，是不是不需要黏合劑，只要澆夠水就能長植物？「沙漠土壤化」改造後的土地種植作物仍然需要澆水，是否不適用於本就缺水的沙漠？添加的材料有沒有汙染？改造成本會不會很高，是否具備推廣價值？沙漠是地球自然生態的組成部分之一，把沙漠全部變成綠洲會不會是一種破壞生態的行為？
面對相關質疑乃至否定，易志堅始終堅信他們的科研方向是正確的。實地試驗6年來，科研團隊收集了很多數據，用以回應種種質疑。
用水方面，內蒙古和新疆試驗數據表明，「沙漠土壤化」試驗地農作物耗水量低于當地農田節水灌溉定額。若是在沙漠地區種植耐旱植物，或在若爾蓋草原沙化區和拉薩市郊沙化帶等降雨量正常的地區，則只需在改造後播種時澆水，後期無須灌溉。
環保方面，經權威機構多次檢測表明，添加材料不含任何有毒有害物質；「土體」、水體和大氣環境全部符合國家綠色食品產地認證標準；農產品安全無汙染。
成本方面，若用於農業種植，改造成本約為1500元至3000元／畝，若只是生態恢復成本則更低，且一次改造長久有效。傳統的草方格治沙成本雖為1000餘元／畝，但4到5年後就會風蝕腐爛，甚至腐爛前就被流沙覆蓋，因此需重複投入固沙成本，且無經濟效益。
不僅如此，「沙漠土壤化」技術還具有易施工、作物產量高、固碳效益好、生物多樣性恢復效果顯現等特點。從早期就開始專注該技術的新疆生態與地理研究所研究員李小玉認為，把沙漠快速變成種植植物的「土壤」，同步實現固沙和植被恢復雙重目標，是該技術與草方格固沙、化學固沙、工程固沙、培育沙生植物等傳統治沙方法的最大區別。因此綜合考慮成本和收益，「沙漠土壤化」技術的性價比高于傳統治沙方法。
關於沒有現行理論支撐的問題，2021年9月18日，中國產學研合作促進會組織評價委員會，在內蒙古烏海市召開「沙漠土壤化關鍵技術與生態治理示範工程」成果評價會，肯定了這是一項原創性、突破性成果。與會專家認為，找不到現行理論支撐正是其原創性、突破性的表現，而不應該成為對其的限制。
關於沙漠寸草不生的「癥結」是缺水還是難儲水，曾經在林業部門治沙站工作20多年的內蒙古阿拉善左旗人張國富說：「沙漠就像一個大篩子，你往上面澆水，很快就滲下去了，種些耐旱的植物還行，種莊稼根本不可能。」易志堅認為，人們對沙漠缺水的問題存在一些片面解讀。其實，沙漠地區的自然土壤，如河套平原，也同樣乾旱少雨，當地種植農作物同樣需要灌溉。「那麼為什麼在『沙漠土壤化』地裡用更少的灌溉量、產出更多的植物，卻要受到苛責？」易志堅說，「沙漠土壤化」技術解決的是沙子難儲水的問題，換個角度看，也是在探索一種土地與水資源的合理利用方式。
關於改造沙漠是不是破壞自然生態，易志堅介紹，荒漠化被稱為地球癌症，是人類面臨的重大生態環境問題，聯合國荒漠化公約一直致力於荒漠化防治和生態恢復，我國一直十分重視荒漠化防治工作。易志堅說，這項技術的研發目的並不是為了改造所有沙漠，技術成熟後將如何應用當由政府層面統籌規畫。
新技術打開一扇新窗
隨著近年來實地試驗連續開展，易志堅團隊聽到的質疑聲音逐漸減少，肯定和支持越來越多。這一跨界創新的科技成果吸引了各領域專家前來考察，他們認為該理論技術達到了國際領先水準，對我國生態安全、糧食安全等具有重大的戰略意義，為全球沙漠治理提供借鑑。
「看到沙漠里種出了高產的糧食，我感到震撼和感動。」在「沙漠土壤化關鍵技術與生態治理示範工程」成果評價會上，聯合國糧農組織黑土聯盟首任主席、國際農業教育科學院院士韓貴清動情地說，他在黑龍江研究黑土幾十年，對土地充滿感情，如今看到沙漠也能作「良田」，「不管別的專家怎麼說，作為農學專家，我對這個顛覆性創新是大力支持的。」
深圳國家基因庫主任王韌曾任國際糧農組織（FAO）助理總幹事，多年從事國際農業科技管理工作。他說，「沙漠土壤化」技術如同打開了一扇嶄新的窗戶，為科學家們提出了全新的科學命題和研究方向，即沙漠區域農牧體系建設，沿著這個方向深入研究下去，將在治理沙漠生態、開發後備農業資源、增強生態系統韌性、實現「碳中和」目標等方面發揮重要價值。
「專家談理論，我們看效果。」感觸最深的是一線工作者和基層幹部。正在建設國家戰略儲備林項目的林業工作者劉成說，基於現實、展望未來，希望在現有的大面積農作物種植試驗中增加林業板塊，讓「沙漠土壤化」技術早日接入成熟的林業產業體系，創造更大的生態和經濟價值。
最先引進該技術落地的內蒙古阿拉善盟發改委主任羅志鐵說：「我認為這項技術可以作為『統籌山水林田湖草沙系統治理』中治沙的抓手。」可以應用到「烏賀原生態屏障工程」和黃河流域生態保護和高質量發展上，守衛黃河和廣闊的中原大地免受風沙侵擾。
易志堅生活在山清水秀的重慶，長期從事著力學基礎理論和應用研究，或許沿著老路走下去，他永遠與沙漠無關。他說：「力學遇見沙漠，是我一生的榮幸。」我國國土沙化面積達25.95億畝，占整個國土面積的18%。易志堅這位「半路出家」的治沙人有一個小小的設想，那就是利用自己的技術成果改造我國1%的沙化地，換來2600萬畝可利用土地。等那一天來臨，力學遇見沙漠或是一個時代的榮幸。
一切，要從2016年悄然誕生的一片沙漠綠洲說起。
「門外漢」跨界治沙創奇蹟
「烏蘭布和」，在蒙語裡是「紅色公牛」的意思。這裡在西漢還是沃野千里，唐宋時期明顯沙化，「沙深三尺、馬不能行」，而今已是一片寸草不生的流動沙漠。2016年4月，重慶交通大學教授易志堅帶領科研團隊走進內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠，8月，浩瀚黃沙中出現了一個有兩個足球場大的綠洲，分外耀眼。在一片郁郁蔥蔥、瓜果飄香中，千年來桀驁的「紅色公牛」第一次在人類面前表現出馴服。
然而沒有人想得到，讓沙漠在短時間內變綠洲的，是一群與生態、植物、土壤、治沙等專業毫不沾邊的力學家。
2009年，易志堅在研究顆粒物質力學的過程中發現，顆粒物質從離散狀態向流變狀態、固體狀態轉換，依靠的是一種萬向約束關係。「當時我就聯想到，土壤和沙子之間的區別就是有沒有這種約束關係。」易志堅說，「當我想到這個發現可以把沙改造成土，就激動得睡不著覺！」
在進一步的研究中，易志堅團隊提出了一項原創力學原理，土壤顆粒間存在一種萬向結合約束關係(Omni-directional Integrative約束，簡稱ODI約束)。萬向結合約束下的土壤顆粒體，既有一定的柔性，保水、保肥和透氣，並為植物根系生長提供彈性空間，又有一定的剛性，使之能夠「抱住」植物根系，維持植物穩定。易志堅團隊首次在土壤的力學特性與生態屬性之間建立起聯繫，從力學角度解釋了土壤能夠「生生不息」之謎。
手握「點沙成土」的科學理論「密碼」，易志堅放下了他所有的力學研究，一心撲到「沙漠土壤化」試驗上。2013年，科研團隊研發出一種植物纖維素黏合劑。在沙子中混合適量的黏合劑和水，「一盤散沙」就能獲得與自然土壤一樣的生態-力學屬性：在濕潤時呈現稀泥般的流變狀態，水分蒸發後結成固體狀態，兩種狀態之間可自由轉換，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。該技術現已獲得7項國際發明專利和18項國內發明專利。
從2016年起至今，「沙漠土壤化」技術在多種嚴酷自然條件下進行實地試驗。內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠、新疆和田塔克拉瑪幹沙漠、四川若爾蓋修復沙化草原、西沙島礁、西藏拉薩市郊沙化帶、撒哈拉沙漠中石油尼日爾油田基地，在總面積達17000畝的沙漠沙地上，「沙漠土壤化」技術生態恢復和農業種植試驗都取得了成功。
受質疑，堅持用事實說話
沙漠是無人之地，而易志堅團隊跨界創立的理論和技術也是沒有前人研究過的「無人區」。「一個原創科學成果誕生時，受到人們關注甚至質疑是正常的。」獲得「最美科技工作者」榮譽後，易志堅對媒體記者表示他只堅持用事實說話。
2016年，易志堅團隊向學術界公開了他們的理論創新和初試成果，引發一些爭議。少數來自沙漠治理、土壤領域的專家表示並不看好該技術。此後兩年，團隊在內蒙古烏蘭布和沙漠和新疆塔克拉瑪幹沙漠擴大試驗面積，中試成功。少數專家仍然質疑該技術的真偽、存在價值，甚至懷疑這項技術可能帶來「危害」。
新技術在現行理論中找不到支撐，會不會是「偽科學」？沙漠常年乾旱，是不是不需要黏合劑，只要澆夠水就能長植物？「沙漠土壤化」改造後的土地種植作物仍然需要澆水，是否不適用於本就缺水的沙漠？添加的材料有沒有汙染？改造成本會不會很高，是否具備推廣價值？沙漠是地球自然生態的組成部分之一，把沙漠全部變成綠洲會不會是一種破壞生態的行為？
面對相關質疑乃至否定，易志堅始終堅信他們的科研方向是正確的。實地試驗6年來，科研團隊收集了很多數據，用以回應種種質疑。
用水方面，內蒙古和新疆試驗數據表明，「沙漠土壤化」試驗地農作物耗水量低于當地農田節水灌溉定額。若是在沙漠地區種植耐旱植物，或在若爾蓋草原沙化區和拉薩市郊沙化帶等降雨量正常的地區，則只需在改造後播種時澆水，後期無須灌溉。
環保方面，經權威機構多次檢測表明，添加材料不含任何有毒有害物質；「土體」、水體和大氣環境全部符合國家綠色食品產地認證標準；農產品安全無汙染。
成本方面，若用於農業種植，改造成本約為1500元至3000元／畝，若只是生態恢復成本則更低，且一次改造長久有效。傳統的草方格治沙成本雖為1000餘元／畝，但4到5年後就會風蝕腐爛，甚至腐爛前就被流沙覆蓋，因此需重複投入固沙成本，且無經濟效益。
不僅如此，「沙漠土壤化」技術還具有易施工、作物產量高、固碳效益好、生物多樣性恢復效果顯現等特點。從早期就開始專注該技術的新疆生態與地理研究所研究員李小玉認為，把沙漠快速變成種植植物的「土壤」，同步實現固沙和植被恢復雙重目標，是該技術與草方格固沙、化學固沙、工程固沙、培育沙生植物等傳統治沙方法的最大區別。因此綜合考慮成本和收益，「沙漠土壤化」技術的性價比高于傳統治沙方法。
關於沒有現行理論支撐的問題，2021年9月18日，中國產學研合作促進會組織評價委員會，在內蒙古烏海市召開「沙漠土壤化關鍵技術與生態治理示範工程」成果評價會，肯定了這是一項原創性、突破性成果。與會專家認為，找不到現行理論支撐正是其原創性、突破性的表現，而不應該成為對其的限制。
關於沙漠寸草不生的「癥結」是缺水還是難儲水，曾經在林業部門治沙站工作20多年的內蒙古阿拉善左旗人張國富說：「沙漠就像一個大篩子，你往上面澆水，很快就滲下去了，種些耐旱的植物還行，種莊稼根本不可能。」易志堅認為，人們對沙漠缺水的問題存在一些片面解讀。其實，沙漠地區的自然土壤，如河套平原，也同樣乾旱少雨，當地種植農作物同樣需要灌溉。「那麼為什麼在『沙漠土壤化』地裡用更少的灌溉量、產出更多的植物，卻要受到苛責？」易志堅說，「沙漠土壤化」技術解決的是沙子難儲水的問題，換個角度看，也是在探索一種土地與水資源的合理利用方式。
關於改造沙漠是不是破壞自然生態，易志堅介紹，荒漠化被稱為地球癌症，是人類面臨的重大生態環境問題，聯合國荒漠化公約一直致力於荒漠化防治和生態恢復，我國一直十分重視荒漠化防治工作。易志堅說，這項技術的研發目的並不是為了改造所有沙漠，技術成熟後將如何應用當由政府層面統籌規畫。
新技術打開一扇新窗
隨著近年來實地試驗連續開展，易志堅團隊聽到的質疑聲音逐漸減少，肯定和支持越來越多。這一跨界創新的科技成果吸引了各領域專家前來考察，他們認為該理論技術達到了國際領先水準，對我國生態安全、糧食安全等具有重大的戰略意義，為全球沙漠治理提供借鑑。
「看到沙漠里種出了高產的糧食，我感到震撼和感動。」在「沙漠土壤化關鍵技術與生態治理示範工程」成果評價會上，聯合國糧農組織黑土聯盟首任主席、國際農業教育科學院院士韓貴清動情地說，他在黑龍江研究黑土幾十年，對土地充滿感情，如今看到沙漠也能作「良田」，「不管別的專家怎麼說，作為農學專家，我對這個顛覆性創新是大力支持的。」
深圳國家基因庫主任王韌曾任國際糧農組織（FAO）助理總幹事，多年從事國際農業科技管理工作。他說，「沙漠土壤化」技術如同打開了一扇嶄新的窗戶，為科學家們提出了全新的科學命題和研究方向，即沙漠區域農牧體系建設，沿著這個方向深入研究下去，將在治理沙漠生態、開發後備農業資源、增強生態系統韌性、實現「碳中和」目標等方面發揮重要價值。
「專家談理論，我們看效果。」感觸最深的是一線工作者和基層幹部。正在建設國家戰略儲備林項目的林業工作者劉成說，基於現實、展望未來，希望在現有的大面積農作物種植試驗中增加林業板塊，讓「沙漠土壤化」技術早日接入成熟的林業產業體系，創造更大的生態和經濟價值。
最先引進該技術落地的內蒙古阿拉善盟發改委主任羅志鐵說：「我認為這項技術可以作為『統籌山水林田湖草沙系統治理』中治沙的抓手。」可以應用到「烏賀原生態屏障工程」和黃河流域生態保護和高質量發展上，守衛黃河和廣闊的中原大地免受風沙侵擾。
易志堅生活在山清水秀的重慶，長期從事著力學基礎理論和應用研究，或許沿著老路走下去，他永遠與沙漠無關。他說：「力學遇見沙漠，是我一生的榮幸。」我國國土沙化面積達25.95億畝，占整個國土面積的18%。易志堅這位「半路出家」的治沙人有一個小小的設想，那就是利用自己的技術成果改造我國1%的沙化地，換來2600萬畝可利用土地。等那一天來臨，力學遇見沙漠或是一個時代的榮幸。
