沙漠治理方法与土壤生态力学属性的关系

工程2（2016）270新闻焦点沙漠易志坚，赵重庆交通大学力学系，重庆400074荒漠化是指土地退化[1作为一个严重的全球性环境问题，它已引起国际社会的高度重视。联合国于1994年通过了《联合国防治荒漠化公约》[4]，自那时以来，世界各国为防治荒漠化做出了越来越多的努力[5然而，荒漠化的蔓延并没有得到控制。相反，它变得更糟;它正在以每年50 000-70 000平方公里的速度扩张目前，受全球荒漠化威胁的沙漠和其他旱地地区占地球陆地面积的41.3%我国荒漠化土地约为1.73 ×106 km2，占国土面积的18.03%，荒漠化土地约为3.1 ×105km2[18]。沙漠治理是一项全球性挑战。目前，存在治理沙漠的三种主要方法[1，9-12，19]：工程方法、化学方法和植被方法。这些措施都对防沙治沙起到了积极作用。工程方法的原理是通过建造障碍物，如草方格障碍物和沙栅栏来防止沙子的漂移。化学方法包括将油、沥青或乳胶喷洒到沙子表面，使表层固化。在植被方法中，通常通过种植沙生植物来修复沙子然而，上述方法都不能将沙子的材料特性改变为土壤的材料特性。沙漠“土壤化”的命题沙“土壤化”，即，沙变“土”，是在揭示土壤生态力学属性基础上的一种Yi等人[20]发现，土壤的力学性质与生态属性密切相关。土壤在潮湿时处于流变状态，在干燥时处于固体状态，并且它可以很容易地在这两种状态之间转换。土壤的这些力学性质赋予了它自我修复和自我调节两种生态力学特性。Yi等人的分析。[20]这两个属性是土壤维持其无休止的生态循环和作为植物理想栖息地的先决条件。如果失去这两个属性，那么土壤就会退化，可能出现两种情况之一：土壤硬化或土壤荒漠化。基于上述发现，Yi等人已经实现了砂的通过实施适当的欺诈，夹在沙粒中正如地质学或工程学[19，21]中所定义的那样，砂以离散状态存在，并且在其颗粒之间起作用的约束是接触约束。当将合适的水基膏体添加到砂粒中并与之混合时，则在颗粒之间形成全方向一体化（ODI）约束（具有全方向性和可恢复性），并且砂将转化为流变状态（湿在糊状物中的水含量蒸发之后，ODI约束将转变为固定约束，并且沙子将转变为固态（干“Soilized” sandpossesses the me- chanical properties of natural soil, which cancontinuously 因此，这种由于通过水溶性糊状物对砂粒施加了必要的约束，因此这种“土壤化”的砂也具有很强的保持水、养分和空气的能力。显然，就其力学性质和生态属性而言，“土壤化”砂与天然土之间没有显著差异易[22]发现，一旦沙子被自2013年以来，我们一直在进行户外种植，在中国重庆市南岸区的两个场地（面积分别约为550平方米和420平方米）进行了在实验中模拟沙漠地形条件，在地面上建立一个15厘米至25厘米厚的平原砂层，下面是20厘米至30厘米厚的砾石层。然后，将三种类型的对三种市售建筑用砂（干净河砂）进行“土壤化”试验，其细度模数分别为1.22、2.97和3.71，不含任何土壤成分除了这些河沙外，其他三种颗粒材料（石制机制砂、石制机制砂混合砂和锯木屑混合砂）也用于“土壤化”后的种植实验许多类型的植物（图1（a）），如水稻（图1（b）），玉米（图1（c））和甘薯（图1（d）），种植在在实验的每一年，http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.0022095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engZ. Yi，C.赵/工程2（2016）270-273271图1.一、“土壤化”沙：植物的理想栖息地。（a）种植在“土壤化”沙中的各种植物植物在大雨和连续的高温和连续的晴天中存活下来，这是中国重庆气候在这些持续高温期间，在不同的时间间隔对植物进行适当的仅在2013年春季向“土壤”中添加了一次约束材料，此后除自2014年起每年添加适量肥料外，未再向“土壤”中添加约束材料一年有两次收成，植物在不同的“土壤”中总是生长茂盛，硕果累累。在2014年和2015年，将玉米、土豆、甘薯、萝卜和油菜等植物结果表明，试验田的产量均较高，特别是3种块茎或块根作物（马铃薯、甘薯和萝卜）的产量提高了50%（其原因和机理将在我们的土壤生态力学论文中详细阐述）。种植试验证明，“土壤化”的沙并没有因暴雨侵蚀而恢复到原来的离散状态。相反，浇水更频繁的地块（例如，种植水稻的地块）被发现被藻类严重覆盖（图1）。1（e））。我们的种植实验进一步表明，“土壤化”砂的生态力学属性在整个种植和耕作周期中得到了进一步改善，“土壤化”砂的第一次收获后三个月，蚂蚁、蚯蚓、蜈蚣和昆虫幼虫等生物已经出现在“土壤”中（图10）。1（f））。上述种植实验证实了“化沙漠“土壤化”，即沙漠沙表层的“土壤化”，是一个前所未有的科学命题。沙漠“土壤化”的实质原则上，沙漠是的。沙漠为了验证沙漠“土壤化”的可行性乌兰布和沙漠面积约10000平方公里，海拔约1100米。该沙漠降雨量少，年平均降水量仅102.9毫米，风蚀严重。它是中国沙漠化最严重的地区之一，也是最难治理的地区之一。我们的试验场位于海拔1110 m的乌兰布和沙漠中，位于39°36′ 32″ N，106°39′ 02″ E（图2）。由于乌兰布和沙漠地下水资源十分丰富（储量约5.7 ×109m3），使沙漠化沙为“土”和植物灌溉用水试验中，在砂中加入改性CMC等约束材料的含量为0.1%~ 0.4%。首先使用混合器将沙漠砂和约束材料混合，然后铺在沙漠表面上，平均厚度为10 cm（图2（a））。氮-磷-钾复合肥料也以相对于砂0.3%的重量比加入“土壤化”的沙子具有很强的保水能力（图）。2（b））。试验采用喷雾雾化灌溉系统。2（c））。 在大规模机械化准备的尝试中，我们甚至使用了一台旋耕机来混合“土壤化”的沙子，并将其施加在2000平方米的面积上，结果表明，这种机械化准备方法对于大规模的沙漠“土壤化”是可行的（图1）。2（d））。从2016年5月20日开始，将大约50种不同的植物种子或幼苗，包括高羊茅、金鸡菊、小麦、玉米、向日葵、沙枣树和杨树播种在实验田中（图2（e））。目前，超过70种植物（其中20多种可能是由风或鸟类引入的）在田间健康茁壮地生长（图1）。3（a）-（e）），272Z. Yi，C.赵/工程2（2016）270而一些藻类在“土壤”上的生长，则蝴蝶、蚊子、蚂蚁等昆虫，还有鸟、老鼠甚至青蛙等动物，都在试验田里停留和有时，狐狸和獾也出现在田野里。为了与上述实验结果进行比较，我们还在实验田附近的三块沙漠土地上种植了玉米。与试验田形成鲜明对比的是，虽然采用了同样的播种、浇水、施肥方法，但这三块地的植物却长得很少（图3（f）），因为沙子不具备土壤的生态力学属性，不能抵抗风的侵蚀。当约束材料的含量，即，改性羧甲基纤维素钠（CMC），即加入到砂中达到1.0%，“土壤化”的砂具有更强的为了充分利用这种材料的特殊性质，我们建造了两个稻田（图1）。2（f）），并试图在其中种植水生植物。沙漠中的户外实验进一步证实了“土壤化”的实验还证实了“土壤化”砂的图二. 乌兰布和沙漠中的“土壤化”沙漠沙。(a)将“土壤化”的沙漠沙铺在沙漠表面;（b）在“土壤化”的沙中20厘米深的洞在填满24小时后仍然保留的水;（c）喷雾雾化灌溉系统;（d）用旋耕机机械化准备“土壤化”的沙;（e）在“土壤化”的沙中种植;（f）在“土壤化”沙中建造的稻田（在田边用装满“土壤化”沙的袋子建造围墙）。图三. 在“土壤化”的沙漠中生长的各种植物。(a)在“土壤化”沙漠中生长的70多种植物Z. Yi，C.赵/工程2（2016）270-273273抗风蚀能力强乌兰布和沙漠是一个流动的沙漠，更糟糕的是，我们的实验场位于两个沙丘之间，强风吹过。然而，在我们的实验场，“土壤化”的“土化”砂之所以具有很强的抗风蚀能力，是因为“土化”砂体无论是湿时的流变状态，还是干时的固态，都是通过约束结合在一起的，表现得像天然土壤一样，不存在离散的基于颗粒约束原理，实现砂土“固化”的方法添加的约束材料是改性CMC（一种植物纤维素），可用作食品添加剂，无毒、环保、成本低廉，适合大规模生产。少量（例如，低至1%如果采用旋耕等机械化整地方法，在“土化”沙地种植所涉及的工作量从经济的角度来看，由于约束材料的含量相当低并且制备方法简单，因此沙漠“土壤化”的总成本天然土壤通常需要数千年的时间才能形成。然而，通过沙的沙漠我们相信，在不久的将来，为治理沙漠而广泛实施沙漠土壤退化导致了各种全球性环境问题[23大规模应用沙“土壤化”种植有可能建立一个生机勃勃的沙漠生态系统，这可能为几个但是，大规模的沙漠治理必须考虑地下水资源过度或不当开采的风险[29-因此，在大规模应用沙漠“土壤化”之前引用[1] 格兰杰河威胁的沙漠：控制荒漠化。伦敦：Earthscan出版有限公司; 2013年。[2] Adeel Z，Safriel U，Niemeijer D，White R，de Kalbermarten G，GlantzM ， et al. Ecosystems and human well-being ： desertification synthesis ： areport of the millennium ecosystem assessment. 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