在深層沙漠開辟“生命區(qū)”——長沙理工大學(xué)固廢基“水核能芯”生態(tài)治理見成效
【技術(shù)破題 綠見未來】
科技日報(bào)記者 俞慧友
盛夏時(shí)節(jié)，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗毛烏素沙漠，灼熱的日光將一望無際的沙面炙烤得熱辣滾燙。沙漠中一塊占地200畝的固廢基“水核能芯”沙漠生態(tài)治理實(shí)驗(yàn)地里，一群來自長沙理工大學(xué)的年輕人正忙著將種植了檸條苗的特制竹簍“埋”入沙中。
竹簍里裝著的生態(tài)改良基質(zhì)，是長沙理工大學(xué)水利與海洋工程學(xué)院副院長、教授孫士權(quán)團(tuán)隊(duì)針對(duì)沙漠環(huán)境特征，利用當(dāng)?shù)毓虖U自主研制的沙地持水性生態(tài)改良營養(yǎng)土。
“相比傳統(tǒng)種植方式，這種‘盆栽’式檸條的成活率有大幅提高。經(jīng)過一個(gè)旱季后，植株的成活率還能達(dá)到傳統(tǒng)種植方式的3倍以上。”內(nèi)蒙古鄂托克前旗城市建設(shè)投資有限責(zé)任公司總經(jīng)理薛瑞說。
解決水資源難題
近年來，孫士權(quán)團(tuán)隊(duì)主要開展黑臭水體淤泥、市政污泥等固廢資源化處理研究。一次團(tuán)隊(duì)的小組討論會(huì)上，一名來自內(nèi)蒙古的博士生提出了利用固廢資源化技術(shù)開展沙漠綠色生態(tài)化治理的建議，得到了孫士權(quán)的關(guān)注。
為將這一建議落實(shí)，團(tuán)隊(duì)很快來到內(nèi)蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗毛烏素沙漠開展實(shí)地調(diào)研。他們發(fā)現(xiàn)，利用固廢資源化技術(shù)開展沙漠綠色生態(tài)化治理，無法“繞開”的核心難題是水資源。根據(jù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門規(guī)定，沙漠治理不允許使用地下水源澆灌。一是因?yàn)楫?dāng)?shù)厮Y源短缺，二是因?yàn)楣喔纫讕硗寥腊褰Y(jié)、土地鹽堿化等新的生態(tài)環(huán)境問題。
“剛到沙漠地區(qū)時(shí)候，我們都以為沙漠是沒有水的。”孫士權(quán)說。但當(dāng)團(tuán)隊(duì)扒拉開沙子的表面，卻發(fā)現(xiàn)二三十公分深度的沙子竟然是濕的。這讓他們既驚訝又興奮，可以利用這些“水資源”種植物！
深層沙子中“儲(chǔ)藏”了水，緣何平時(shí)種植物成活率卻不高？團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，沙漠中的沙子有較高的致密性，這些細(xì)密的沙子將蘊(yùn)含其中的水分緊緊“鎖住”，弱小的植株苗根系很難汲取利用水分。
這意味著，即便團(tuán)隊(duì)能利用當(dāng)?shù)毓虖U制造出適合植物生長的營養(yǎng)土，但土壤周邊致密性高的沙子也會(huì)很快將營養(yǎng)土壓實(shí)，再度形成大的靜壓，阻礙植株對(duì)水的汲取利用。
要想發(fā)揮營養(yǎng)土的作用，他們就需要在深層沙子中打開一片“生命空間”。團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)一年實(shí)驗(yàn)，最終利用竹子，設(shè)計(jì)和制造了一款特制的“能芯”竹簍。將竹簍埋于沙中，可將營養(yǎng)土和周邊沙子進(jìn)行彈性“隔離”，一定程度減載營養(yǎng)土間隙水、毛細(xì)水的壓力，在沙中形成適宜植株苗生長的水分和能量利用環(huán)境。此外，竹子經(jīng)三五年時(shí)間就可實(shí)現(xiàn)生物降解，既不污染環(huán)境又能為植物提供營養(yǎng)。而三五年后，植株已在沙中站穩(wěn)“腳跟”，無需竹簍的“保護(hù)”，也有了汲取沙中水分的能力。
團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室模擬沙漠植株種植實(shí)驗(yàn)，在竹簍的“保護(hù)”下，沙柳等沙漠固沙防沙植物的發(fā)芽率超過了95%，成活率達(dá)90%以上。
營養(yǎng)土構(gòu)建“微水庫”
要實(shí)現(xiàn)沙漠植株的高成活率，在不使用灌溉水的條件下，團(tuán)隊(duì)需要解決的核心技術(shù)難題是：研制出既能吸收沙漠中深層沙子間毛細(xì)水，又能抵抗高溫蒸發(fā)與風(fēng)蝕的“水核”式營養(yǎng)土。
孫士權(quán)介紹，花圃、農(nóng)田使用的營養(yǎng)土，其保水性和吸水性無法滿足沙漠特殊環(huán)境對(duì)水的特殊需求。為了讓沙漠用營養(yǎng)土在不使用保水劑的前提下具有更好的保水性，團(tuán)隊(duì)開發(fā)“水核”式營養(yǎng)土的制備工藝。
團(tuán)隊(duì)篩選馴化培育了一類革蘭氏陰性、桿狀好氧發(fā)酵高溫復(fù)合EMs菌，通過這一菌種將有機(jī)固廢中有機(jī)物分解為具有更多酰胺和羧基親水基團(tuán)的物質(zhì)，攻克了固廢資源化產(chǎn)品的保水與吸水性關(guān)鍵技術(shù)難題。之后，團(tuán)隊(duì)以當(dāng)?shù)厥姓勰�、羊糞和煤矸石等有機(jī)固廢為原料，利用EMs菌進(jìn)行序批式連續(xù)進(jìn)料高溫好氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，通過大量實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化原料配比、碳氮比、含水率、曝氣量、腐熟周期等，最終探索出一套親水基團(tuán)豐富、吸水性佳、蒸發(fā)性低、持水性優(yōu)的營養(yǎng)土制備工藝。通過這一工藝研制出的營養(yǎng)土保水率超過150%，打破了一般沙漠改良劑無法集取沙子間毛細(xì)水的技術(shù)瓶頸。
2025年初，團(tuán)隊(duì)在毛烏素沙漠腹地的鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)嘎查克仁格圖試驗(yàn)田中，應(yīng)用“水核”式沙漠高持水性生態(tài)改良劑種植沙柳。雖然歷經(jīng)春季歷史性大旱，試驗(yàn)田里沙柳成活率依然達(dá)到了90%，高出傳統(tǒng)種植成活率近1倍，而檸條成活率更是傳統(tǒng)種植方式的3倍。
田里墑情站實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，“能芯”竹簍內(nèi)沙土的水分含量不隨干旱氣候變化而變化，“水核”營養(yǎng)土成功構(gòu)建起了沙漠里的“微水庫”，為沙柳等沙漠植物生長供給了珍貴的水資源。孫士權(quán)解釋，當(dāng)營養(yǎng)土的濕度保持在略低于沙子中水分濕度的狀態(tài)下，它就會(huì)像一個(gè)埋在沙漠中的“微泵”，成為盆栽式竹簍中苗木的“微水庫”。
孫士權(quán)透露，下一步，團(tuán)隊(duì)擬與鄂托克前旗城市建設(shè)投資有限責(zé)任公司進(jìn)一步合作，利用這一成果開展2000畝沙漠治理的推廣。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也與新疆、甘肅等省份治沙單位開展了前期合作，著力將“水核能芯”生態(tài)治沙技術(shù)逐步推廣至全國，為我國沙漠生態(tài)治理以及沙地生態(tài)恢復(fù)提供新方案。
