易志堅的研究團(tuán)隊在內(nèi)蒙古的實驗基地。(受訪者供圖)

人物簡介

易志堅，男，1963年生，重慶交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任副校長職務(wù)。長期從事力學(xué)、道路、橋梁、材料等領(lǐng)域科研，在彈塑性斷裂力學(xué)線場分析方法、應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋線方法、鋼筋混凝土裂紋控制與新結(jié)構(gòu)等研究中取得系列創(chuàng)新成果。發(fā)表論文80多篇，被SCI、EI收錄40多篇次，出版專著和規(guī)范3部，授權(quán)國家發(fā)明專利30多項。國家“百千萬人才工程”第一、二層次人選，國家有突出貢獻(xiàn)中青年專家，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。

近年來，土地沙漠化已成為我國嚴(yán)重的生態(tài)問題之一。根據(jù)國家林業(yè)局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2014年，我國沙化土地面積達(dá)172.12萬平方公里，占國土面積的17.93%;另有明顯沙化趨勢的土地面積30.03萬平方公里，占國土面積的3.12%。

目前，傳統(tǒng)方法對于沙害治理收效不大。重慶交通大學(xué)副校長、力學(xué)教授易志堅的科研團(tuán)隊經(jīng)過多年研究，利用土壤顆粒間存在一種特定的力學(xué)約束，嘗試進(jìn)行沙漠土壤化生態(tài)恢復(fù)，讓沙子獲得土壤性質(zhì)。該項研究在內(nèi)蒙古實地試驗并取得成功，其成果也以英文分別在中國科學(xué)院《中國科學(xué)》和中國工程院院刊《工程》發(fā)表。近日，重慶日報記者專訪了易志堅教授，讓他帶我們一起了解“點沙成土”的神奇過程。

找到“點沙成土”力學(xué)密碼

重慶日報：據(jù)我們了解，您的科研團(tuán)隊成員主要從事的是在斷裂力學(xué)、材料學(xué)以及道路、橋梁方面的研究，與沙漠治理看起來相去甚遠(yuǎn)，是什么讓你將力學(xué)研究成果應(yīng)用到治理沙害當(dāng)中?

易志堅：我在研究材料的過程中發(fā)現(xiàn)，土壤是一種很神奇的材料。它在含水時處于流變狀態(tài)(可揉捏成不同形狀)，而干燥的時候處于固體狀態(tài)(形狀難以改變)。通常固體損壞之后難以修復(fù)，但土壤可以從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)換到流變狀態(tài)，這就賦予了它自修復(fù)能力。

同時，土壤還有一種自調(diào)節(jié)屬性，通過改變內(nèi)部顆粒排列順序進(jìn)行自我形態(tài)的調(diào)節(jié)，從而讓植物得以進(jìn)入自身并不斷生長。正是土壤的自修復(fù)和自調(diào)節(jié)特性，給予了它生生不息的能力，所以我們認(rèn)為土壤的力學(xué)特性賦予了土壤獨特的生態(tài)-力學(xué)屬性。

而這種自修復(fù)和自調(diào)節(jié)的生態(tài)若遭到破壞，往往就出現(xiàn)兩個極端的退化形式，一種是土壤板結(jié)，另一種就是土壤沙化。

經(jīng)過研究我們發(fā)現(xiàn)，正常土壤無論是流變狀態(tài)還是固體狀態(tài)，土壤顆粒之間都存在約束，能夠成形、成團(tuán)，原因在于正常土壤中任何兩個顆粒從任何方向都能夠結(jié)合，我們稱之為萬象結(jié)合約束(簡稱ODI約束)，也就是這種約束是保證土壤自修復(fù)和自調(diào)節(jié)的條件。而土壤沙化，根本原因就是失去了ODI約束，處于一種離散狀態(tài)，喪失了自修復(fù)和自調(diào)節(jié)的能力，若要將沙子變成土壤，就需要重新賦予它ODI約束，我們的研究從原理上講就是實現(xiàn)這個過程。

重慶日報：“點沙成土”聽起來十分美好，但利用改變其物理特性創(chuàng)造出來的“土壤”與自然界實實在在的土壤是否會有所區(qū)別，能否真正具備土壤的特性，比如適合耕種?

易志堅：賦予沙子ODI約束，沙子就具有了土壤的力學(xué)特性和生態(tài)屬性，這一過程并不復(fù)雜。2009年我的團(tuán)隊提出了沙變土的原理，經(jīng)過一年多時間的研究實驗，已經(jīng)能成功地改變土壤力學(xué)特性和生態(tài)屬性，實現(xiàn)“沙變土”。

通過給沙子顆粒之間加入植物粘合劑，課題組在房前開展了3年的種植實驗，2013年，又開辟了兩塊試驗地進(jìn)行實驗。通過長時間的植物種植實驗和技術(shù)改進(jìn)，目前已經(jīng)能夠一次性“沙變土”，并讓其長久地保持土壤的生態(tài)-力學(xué)特性。同時，這些土壤能夠相當(dāng)好地培育出植物，并形成和自然界十分接近的生態(tài)環(huán)境。這項技術(shù)現(xiàn)已獲得了15項發(fā)明專利授權(quán)。

在內(nèi)蒙古的實驗取得成功

重慶日報：土地沙漠化已成為嚴(yán)重的生態(tài)問題，其引發(fā)的沙塵暴讓我國多個城市深受其害。雖然政府投入大量人力物力治理沙害，包括建設(shè)防風(fēng)固沙林帶、人工降雨等多種措施，但目前看來還未有實質(zhì)性的成效。據(jù)了解，你帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊已在沙漠地區(qū)進(jìn)行了實地實驗，實際效果如何?

易志堅：因為沙漠的沙子、沙丘是可移動的，所以治理沙害首先要做的就是將流沙固定，防止其移動。據(jù)我們了解，目前傳統(tǒng)的方法主要有三種：第一種是工程方法，最為著名和常用的是“草方格沙障”，也就是用正方形的麥草墻來固定沙土，通常在沙漠公路兩旁使用較多，但缺點是在風(fēng)沙過大的地方收效甚微;第二種是化學(xué)方法，即通過在沙表面噴灑固沙劑，將沙體表面固化來防止沙子流動;第三種則是大家熟知的植物方法，例如種植沙生植物，并采用滴灌技術(shù)保持土地水分，這對沙化治理有一定的效果。但由于沙體中植物難以生長，其成本極高，難以大規(guī)模推廣。

總的來說，現(xiàn)有的技術(shù)大多從外在條件上對沙害進(jìn)行干預(yù)，而我們則采用了和傳統(tǒng)方法不同的思路，從內(nèi)在改變沙漠的特性以讓其獲得土壤的性質(zhì)。這樣做不僅能固定沙土，有效地抑制沙害，還能在土壤上種植植物，改變當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

幾個月前，我們在內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)進(jìn)行了面積為25畝的種植實驗。試驗地選擇了風(fēng)沙較大、氣候比較極端的區(qū)域，目前效果非常好，已成功培育了70多種植物，且植物生長情況良好，長勢甚至超過了沙漠周邊區(qū)域的自然植物。同時，試驗地所在區(qū)域已逐漸形成了有植物、昆蟲、動物在內(nèi)的小型生態(tài)圈。

每畝整治成本不足3000元，有望大規(guī)模推廣

重慶日報：治理沙害，除了技術(shù)本身，整治成本的高低往往成為決定其能否推廣的關(guān)鍵因素。“沙變土”技術(shù)實現(xiàn)成本如何?是否具備大規(guī)模推廣和應(yīng)用的價值?

易志堅：我們的科研團(tuán)隊提出了沙漠土壤化的命題，并通過實踐得到了驗證。而大規(guī)模推廣和應(yīng)用該項技術(shù)來治理沙漠，受到自然條件、社會條件、經(jīng)濟(jì)條件等多種因素影響，需要一個整體的規(guī)劃和論證。目前，我們還沒有看到國內(nèi)外有類似的技術(shù)，我們的技術(shù)可以為沙漠化治理提供更多的可能性。該研究方向也為其他土壤退化形式(如鹽堿地)的治理提供了一定的啟發(fā)。

從成本上說，“沙變土”技術(shù)實現(xiàn)成本并不高。我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模施工，用類似“旋耕機(jī)”的設(shè)備進(jìn)行機(jī)械操作。1畝地的改造材料和旋耕施工成本(不包括種植植物的肥料以及改造地形的費用)，大約在1500元到2700元之間，這樣的成本并不算高。

另外，實現(xiàn)該技術(shù)需要一定的水源支持，所以在經(jīng)濟(jì)條件和水源條件充足的地帶進(jìn)行推廣是必要條件。沙漠水資源大致有幾個來源，一是河流，在我國，黃河流經(jīng)的沙漠地區(qū)具備治理所需水源條件。同時，沙漠有大量地下水，例如在烏蘭布和沙漠中，地下水儲量足有57億立方米之多，同樣可以作為沙漠治理的水源。此外，沙漠中還存在大量的沙漠湖泊，也可以作為治理所需水源。

在內(nèi)蒙古的實驗得到了當(dāng)?shù)卣臉O大支持，這讓我們切實地感受到了當(dāng)?shù)厝藢τ诟淖兩衬疇顩r的迫切需求。我認(rèn)為，有政府以及社會的支持，通過治理沙害，逐漸“要回”近幾十年來沙漠化的土壤，這是完全可能的。