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The Innovation | “沙变土”有待商榷

B Wu & Y Zheng TheInnovation创新 2022-04-25

导 读


2022年1月,The Innovation发表了关于“沙漠土壤化”(又称“沙变土”)的文章(第3卷第1期,100200),介绍了利用“沙变土”技术在乌兰布和沙漠种植农作物的工作。我们对该文存有诸多疑问,为此撰写评论文章,期待与该文作者商榷。


沙漠是自然生态系统的重要组成部分,是自然环境长期演变的产物,“山水林田湖草沙冰”是生命共同体。沙漠虽然干旱少雨、植被稀疏,地表被流沙覆盖,但同样孕育了独特的动植物类型,且拥有丰富的文化旅游资源。由于沙漠生态系统非常脆弱,一旦被破坏将难以恢复,因此需要因地制宜、科学保护和合理利用。

钱学森先生在上世纪80年代就提出了“沙产业”的概念,希望充分利用沙漠戈壁上的日照、温差等有利条件和丰富的土地资源,推广使用节水生产技术,发展知识密集型的现代农业,以达到同时获得经济效益、社会效益和生态效益的目的。由于沙漠地区昼夜温差大,地表沙层升温效果好,所以植物糖分更容易积累,只要灌溉水源有保证,很适合种植瓜果等农作物。例如,我国西北某些干旱地区的农民在农田地表铺上一层沙子或砾石,构建“砂田”来调节地温、促进降水入渗,可提高农产品产量和品质。

很多人认为沙漠是人类的敌人,希望把沙漠改造成森林或农田,把沙漠变成绿洲,甚至想要消灭沙漠,这违反了自然规律,也是不科学的。事实上真正需要治理的,是人类不合理开发活动产生的沙漠化土地,而不是天然存在的沙漠。作者提出了“万向约束力”和“沙变土”的概念,通过在沙土中添加改性植物纤维素类“约束材料”(以下简称“纤维素类材料”,类似生产实践中的保水剂、土壤保墒剂或固沙剂),在乌兰布和沙漠进行了开垦沙漠和种植农作物的试验,被一些媒体认为是“点沙成土”和“消灭沙漠”的重大科研成果,使用了诸如“中国科学家发大招,沙漠即将全部变成良田”和“研发出一种可以让沙漠变成土壤的粘合剂,点沙成土”等标题加以宣传。

针对这一现象,许多专业人士从沙漠化防治、土地利用和生态修复等多个角度,指出其中存在的问题。地理学家孙鸿烈院士曾指出,“最近,有些人主张‘点沙成土’‘那曲种树’和‘藏水入疆’。对此,我实在不敢苟同”(重大资源开发工程必须遵循自然规律,自然资源学报,2018年第33卷第6期)。地理学家汪久文先生撰文加以剖析,并强调,“我国荒漠(沙漠)的出现是长期地质环境演变的结果”、“‘点沙成土’只是研究者的一厢情愿”、“‘沙漠土壤化’是一个错误的命题”、“‘沙漠土壤化’是不切实际的幻想”;文章最后指出,“要对千万年来形成的稳定沙丘,进行大范围的破坏,造成大范围的生态危机,使稳定的沙地失去平衡,这样的后果,谁来承担责任?” (尊重并敬畏大自然的基本规律是人类赖以生存的基本法则,干旱区资源与环境,2018年第32卷第5期)。

沙漠地表的风沙土本身就是一种土壤类型,只要水分有保证就可以生长植物。沙漠并非寸草不生、毫无生机,沙生植物具有发达的根系,可从几米甚至十几米深处的土层中吸收水分,茎叶发育成适应干旱环境的特殊结构以减少蒸发,因而具有极强的耐旱性,可以高效利用有限的水分。该文涉及的乌兰布和沙漠,多年平均降水量约为150毫米,年潜在蒸散量却高达3000毫米,但天然生长的沙生植物种类仍然超过了300种(马全林等,乌兰布和沙漠植被,2018,甘肃科技出版社)。沙漠中有些地区局部地下水位较高或出露,会形成泉眼、湿地或湖泊,著名的甘肃敦煌鸣沙山月牙泉,以及巴丹吉林沙漠中的上百个湖泊,皆是如此。该文中试验地所在的黄河西岸低地,生长有芦苇等天然植物,说明局部地下水位较高(图1)。

图1 试验地附近生长的芦苇等天然植物

作者所用的“沙变土”材料,实际上是一种常见的可溶性纤维素类工业原料,广泛应用在食品卫生、石油化工等领域,其特征是含有大量亲水基团,可吸附相当于自身重量上百倍的水。上世纪30年代,类似材料作为土壤保墒剂或抗旱剂在农业领域得到使用;上世纪60年代,各国学者已广泛将其用作固沙剂开展研究(程道远,国外化学固沙简介,世界沙漠研究,1980年第1期)。但是,纤维素类材料用于农业和固沙的成本很高,性价比低,因此未得到大规模推广。而且,由于这种材料一般都是钠盐(羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素钠等),在土壤中会累积钠离子导致碱污染,存在环境风险。近年来,已经有多种新型高分子材料问世,其固沙和保水保肥的性能均优于纤维素类材料,成本较低且不会造成土壤污染。

作者在风沙土中添加的纤维素类材料,在干燥状态下不具有粘结能力,只是在水分的作用下把沙粒粘结起来,看起来形似土壤,但沙粒本身并没有任何改变,沙土的肥力没有任何增加,其物质组成和理化性质与农田土壤有本质区别。自然界的土壤含有适宜比例的沙粒、粉粒和粘粒,具有不易破碎的团粒稳定结构,含有有机质、微生物、孔隙和水分,为作物提供养分。该试验地中农作物消耗的水肥依然需要由外部供应,添加粘结剂不会使松散沙粒瞬间变为土壤,只是作物生长的基质,改用木屑、秸秆、有机肥、生物炭、煤灰和粘土等其它基质,或采用无土栽培技术,也能起到类似效果。 

在干旱沙漠中采用传统灌溉方式种植作物,不仅不能节水,还会因为大量使用地下水,导致地下水位下降,造成水资源浪费和生态退化。沙漠表层的风沙土毛管作用弱,地下水或深层土壤水不易传输到地表被蒸发,从而有效保护了沙层中的水分和地下水资源。虽然沙土中添加的纤维素类材料起到了保水剂作用,可以延缓和减少一部分灌溉水的下渗,但与沙丘上天然生长的沙生植物相比,农作物消耗的水量并没有减少反而显著增加,作物根系就像一台台抽水机,使得大量土壤水和地下水被蒸腾掉。同时,添加了保水剂后,沙土原有的隔水性能消失,地表蒸发也源源不断,加剧了土壤水的流失。由于试验地块周边水体较多,紧邻一个大型人工湖,距离黄河河道、乌海湖均不足5 km,试验地内还人工开挖了3个水池(图2),进一步提升了地下水位,农作物在生长期可无限制地消耗地下水,其正常生长是以大量消耗地下水为代价。由于作者没有说明试验设计方案,也没有提供实际用水量、地下水消耗量等基础数据,因而不能证明该技术的节水性和可持续性。

图2 试验地周边水体分布及植被生长情况


作者证明其节水效果的依据,是试验地灌溉用水比周边地区的灌溉定额少,但采用的是已废止的内蒙古自治区《行业用水定额》(DB15/T 385-2015)中水稻种植的灌溉定额(8250吨/公顷),是各种作物中最高的。该试验地平均灌溉量(6000吨/公顷)虽然低于水稻灌溉定额,但大大超过其它作物(如现行标准DB15/T 385-2020中规定的萝卜:1210-2570吨/公顷;玉米:2170-5120吨/公顷;向日葵:3140-3660吨/公顷),因此,该技术不但不节水,反而比正常农田更耗水。实际上,灌溉定额是农作物需水量减去可利用水资源供应量后,需要外部补充的差额,根据作物的需水特性和区域降水量等情况而发生变化。该试验地所处的黄河西岸低地,地下水位较高,因而需要外部补充的水量较少,所需灌溉定额应当更低。而在地下水位较低的沙漠中,即便灌溉同样多的水,这类试验依然无法成功,例如,作者于2020年在腾格里沙漠大井湾地区的试验就属于这种情况(图3),但文中没有提及这些失败案例。

图3 作者在腾格里沙漠的试验地

(103°18′21″ E, 38°25′17″ N)


总结与展望

综合以上分析,我们认为:

(1)沙漠是自然生态系统的重要组成部分,天然的沙漠不应该被消灭,也无法被消灭。需要加以防治的是人类不合理开发活动导致的沙漠化。

(2)沙漠有丰富的土地、风、光和热等资源,在具备条件的部分沙漠地区可发展现代农业,但应当坚持节水、节能、节肥、环保和高效的原则。消耗大量水资源,把沙漠开发成农田,不仅不可持续,还会导致地下水位下降,造成沙漠生态环境恶化。

(3)在沙土中添加纤维素类材料种植农作物,成本高,收益低,不具有经济价值。这种做法没有改变沙粒的本质,也起不到节水效果,反而耗费了更多的水资源,且存在土壤污染风险。

(4)在作者没有提供实际用水量、地下水消耗量等基础数据,没有开展对照试验的情况下,无法证明“沙变土”技术具有节水和高产的效果。







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原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00033-9




本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Commentary发表的“A misleading way to transform the natural desert into farmland (投稿: 2022-02-09;接收: 2022-03-20;在线刊出: 2022-04-04)。


DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100237


引用格式:Liu B., Wu B., Lei Z., et al. (2022). A misleading way to transform the natural desert into farmland. The Innovation. 3(3),100237.




作者简介

吴 波,研究员,博士生导师,中国林业科学研究院荒漠化研究所常务副所长,荒漠生态学首席专家,国家林业和草原局荒漠生态系统与全球变化重点实验室主任,一直从事荒漠生态学与荒漠化防治研究。中国治沙暨沙业学会理事,中国地理学会沙漠分会理事,《联合国防治荒漠化公约》(UNCCD)科学技术委员会独立咨询专家。

郑永春,研究员,中国科学院国家天文台交叉科学研究团组,主要从事月球与行星科学研究。2000年毕业于西南农业大学环境保护专业,2005年获地球化学专业博士学位。本文通讯作者。




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