特稿|沙漠花开

21世纪经济报道 21财经APP 白杨 北京报道
2020-11-30 09:49

每亩2000-5000元的改造成本,可以种植各类植物,用水量低于每亩400方。

11月上旬,在初冬寒意的笼罩下,内蒙古阿拉善盟的沙漠更显荒凉,而与之形成鲜明对比的,是“沙改土”试验基地内残留的生机。

“如果你们夏天来,这里一大片都是绿油油的,对比会更加明显。”重庆交通大学副校长易志坚向记者介绍。尽管少了颜色的映衬,但当记者站在试验基地内,脚下沙土与远处浩瀚沙漠的对比,仍然十分明显。

穿梭在试验基地中,记者看到了成片的、尚未收割的西瓜、番茄、辣椒、白萝卜、花生,工作人员表示,10月份的一场霜降后,这些果实已经不适宜采摘,而之所以没有趁早收割,一方面是为了保留果实供人参观,另一方面是这些果实烂在地里,更有助于改善沙土肥力。

种植这些农作物,也是“沙改土”试验的一个重要环节。有观点认为只要有水,沙漠就能生长植物,并不需要对沙漠进行改造,但易志坚告诉记者,沙漠有水确实可以让沙生植物生长,但非沙生植物即便有水,它长到一定程度也不会继续生长。

而在试验基地内,经过土壤化改造后的沙地,可以种植各类植物。在用水量方面,易志坚介绍,因为沙漠土壤化后的保水保肥效果明显,所以平均灌溉量低于每亩400方,远低于当地每亩550方的节水灌溉定额。如果是种植耐旱植物,则仅在播种发芽阶段需要灌溉,后续生长则无需灌溉。

在种植农作物的过程中,还有了一个惊喜的发现,即土壤化的沙地上种出的植物根系更加发达,产量更高,果实也更加好吃。“我们本身只想着能够生长植物就可以了,但没想到植物的生长会比普通田地还要好”,易志坚说。

导致这一现象出现的,是沙漠土壤化产生的独特土壤结构。一般而言,“沙改土”会对沙漠表面20-30公分的沙子进行土壤化改造,这使得这些地块的剖面结构分为了上下两层,上面是可保水保肥、相对紧密的土壤化层,下面则是原有的离散沙子。

这种结构下,植物的根系会非常发达,从而使其吸收水、肥的能力更强。去年,阿拉善盟农牧局曾组织过一次高粱测产,试验基地的最高亩产是932公斤,平均亩产是789公斤,远高于全国2017年的最高平均亩产324公斤。

2019年,试验基地将收获的果实以“沙漠有约”品牌拿到超市售卖很受欢迎。这也让易志坚对“沙改土”更有信心,因为这证明了沙漠土壤化的实施,可以让当地致富。

对于食品安全问题,易志坚称,约束材料都是植物提取,无毒无害,也都通过了检测,而且内蒙古的试验基地已经通过绿色食品产地环境检测,今年种植的农产品也通过了绿色食品认证。

至于“沙改土”的成本,易志坚告诉记者,由于采用了机械化、规模化的施工,再加上需要加入的约束材料数量很少,整个改造过程只需加入一次材料,所以改造成本一般是在每亩2000-5000元。

神奇的“沙改土”

在2008年之前,易志坚对沙漠几乎一无所知,一次偶然的想法,让他与沙漠结下了不解之缘。

易志坚从2003年起担任重庆交通大学副校长,长期从事力学、道路、桥梁、材料等学科的教学、科研工作。2008年,其在进行韧性聚合物骨架孔隙混凝土路面的研究时,忽然发现从颗粒物质到混凝土实际上是一个状态的改变,而改变的机理是约束(物理学名词)决定了颗粒物质的状态。

当时,易志坚脑海中第一时间想到的就是沙漠,如果能通过约束把离散的沙体团聚在一起,那沙漠也就实现了向土壤状态的改变。

一直以来,沙漠化的治理都是世界级难题,如今,全球荒漠化正以每年五万到七万平方公里的速度扩张,中国的沙漠化土地面积也达到173万平方公里,每年造成的经济损失上千亿元,近4亿人直接或者间接受到沙漠化的影响。

作为土生土长的重庆人,易志坚此前从未见过真正的沙漠,但他觉得,如果沙漠土壤化的研究能成功,那对遏制沙漠化和增加土地利用,都有着重大意义。

从2008年提出沙漠土壤化设想,到后面的材料研究,以及沙漠模拟实验、规模化实验,易志坚在这个项目上一做就是12年。

对于这个项目,易志坚并不愿意将它简单概括为“沙变土”,因为本质上,沙子的化学成分没有被改变,改变的是沙子之间的物理形态,所以称其为“沙改土”更合适。

易志坚告诉21世纪经济报道记者,土壤天然具备两个力学状态,一个是干燥时的固体状态,另外一个是含水时的流变体状态,而这,也让土壤拥有了自修复能力和自调节属性。

所谓自修复能力,是指一般的固体在损坏之后,很难修复,但土壤在固体状态干裂后,通过吸收水分可以变为流变体,裂纹也随之消失。同时,土壤的自调节属性,保证了土壤颗粒排列的改变不会影响土壤的性质,这也是植物根系能在土壤中生长的原因。

而易志坚要做的,就像利用水泥制作混凝土一样,通过在沙漠中加入约束材料,使沙漠具有土壤的力学状态。实际上,整个土壤化过程非常简单,记者看到的演示过程,其实就是在沙子中加入粉末状的约束材料,然后再加水搅拌,当沙子呈现出流变体状态时,土壤化工作便已经完成。

治沙11年

在这个过程中,最核心的环节就是约束材料。从2008年提出想法、2009年开始做实验,易志坚带领团队在研究约束材料以及验证沙漠土壤化可行性上就花了4年时间。期间,整个研究团队不断完善约束材料,并在院坝、阳台、屋顶等地方试种,到了2012年,“沙改土”的思路得到了初步验证。

2013年,研究团队开始在重庆进行模拟沙漠试验,具体方法是在模拟地块上垫30—50公分的碎石,然后在碎石上再垫20-30公分的沙子,最后在这层沙子上,垫上一层经土壤化改造的沙子。在这层改造后的沙子上,研究团队种出了果实。

这个沙漠模拟试验,易志坚连续做了三年,他告诉记者,从2009年到2015年,整个团队主要是通过小块试验研究验证沙漠土壤化原理和实际效果,同时研发植物纤维粘合材料(即约束材料),正是在沙漠模拟试验中,团队逐渐克服了材料的稳定性、安全性和耐久性问题。

在沙漠模拟试验也得到验证后,易志坚开始了规模化试验。2016年,研究团队首次走进真正的沙漠,他们在内蒙古乌兰布和沙漠开辟了一块25亩的试验基地,经过沙漠平整、土壤化改造等一系列操作后,5月份播下种子,两个多月后,70多种植物便已经郁郁葱葱。

“这给了我们非常大的鼓励”,易志坚说。随后2018年,研究团队将乌兰布和的沙漠试验面积进一步扩大到6000亩,与此同时,“沙改土”项目也走出乌兰布和沙漠,在新疆塔克拉玛干沙漠、四川阿坝州若尔盖沙化草地等地开展了试验,试验面积增至10000亩。

易志坚说,“2016年时,我们的试验还仅仅是验证植物在土壤化后的沙漠是否能能够生长,到了2018年,我们在规模化试验中,便已经开始进行优势植物的选择和研究”。2019年,“沙改土”试验版图进一步扩大,新增了西藏、撒哈拉沙漠、中东沙漠、西沙岛礁等地,试验面积也达到了17000亩。

拒绝靠天吃饭

 实际上,随着整个项目的推进,易志坚团队也遇到过一些棘手的难题。重庆交通大学沙漠生态研究院副院长赵朝华告诉记者,一开始,整个团队没有人懂农业,所以刚到沙漠的时候,就是找专业种植的人跟他们学习。

但随着试验开始进入规模化,研究团队发现,传统的农业是靠天吃饭,一些决策都是靠经验积累,而这会带来很多风险和不可控因素。比如传统的土地耕种,需要每年进行翻地使土壤变得松软,但在试验改造的沙漠中,30公分的土层下面都是离散的沙子,不需要翻土根系也可以自由舒展。

而沙改土本身就是一个试验中的科研项目,如果还要对传统农业种植经验进行逐一验证,耗时长不说,对项目本身可能也会带来影响。所以,为了更科学高效的对沙漠农业和生态进行研究,研究团队就需要采集分析农业生产数据。

2018年加入团队的蒋学皎,主要负责数据分析相关工作。她告诉记者,研究过程中,需要采集非常多类型的数据,比如温度、光照、水分等环境因素,还需要对果实进行识别、病虫害监测,以及测量株高、计算出苗率、产量等等。

复杂的数据类型也带来了数据处理工作的激增,比如仅在作物产量方面,团队就需要使用环境采集系统、田间植物表型征采集系统、高光谱采集系统、全时视频监控系统等采集大量数据,每天至少会产生1T的数据量。

“数据采集回来后,如何分析成为了一个巨大挑战”,蒋学皎说,“项目组的一位老师,曾在个人电脑上用深度学习框架做目标检测,800多兆的数据集跑了三天也没算出结果,如果要处理1T的图片,可能需要计算数月乃至一年”。

而处理这类大量数据,恰好是腾讯云所擅长的。实际上,早在2018年,腾讯云副总裁、腾讯IDC平台部总经理钟远河就注意到了易志坚的“沙改土”项目,并主动派人去联系希望能提供一些技术支持。

腾讯云“入局”

经过一年的接触沟通,2019年10月,腾讯与重庆交通大学合作成立了沙漠生态研究联合实验室。在这个实验室中,腾讯扮演的是科技助手的角色,为学校科研工作提供云计算、边缘计算、大数据、AI、IoT等方面的先进技术。

目前,一个由物联网传感器、边缘网关以及一体柜组成的边缘数据中心——腾讯云Nano T-block,已经在内蒙古乌兰布和沙漠试验基地中部署完成。据腾讯云数据中心高级架构师刘灵丰介绍,借助Nano T-block,科研团队所需的数据通过物联网传感设备采集后,会经由边缘网关传输至柜内服务器,经过对数据的清洗和初筛,再把有效数据上传到云端的智维平台进行分类和鉴别。同时,云端训练出来的AI模型也能下沉至Nano T-block边缘数据中心,进一步推动数据的就近处理。

刘灵丰告诉记者,这样一个柜子,算力最大可支持5120个虚拟核同时计算,这也意味着,原先科研团队用普通电脑需要计算4个月的数据,Nano T-block只需要一个小时就可以完成。

实际上,为了让Nano T-block可以在沙漠地区使用,腾讯团队还为它做了定制化处理。比如让Nano T-block能适应零下45度到55度的恶劣天气,还拥有防风沙组件,此外,运维人员也能够借助腾讯云数据中心智维平台对Nano T-block实现远程调控和运维。

易志坚告诉记者,一个科研项目想实现真正产业化,必须要做三年甚至更长时间的试验,在试验过程中,犯错可以接受,但一旦产业化之后,犯错的成本就会非常高。所以,“沙改土”项目在未来至少三年,还都会处于试验推广的阶段,在这个阶段,团队也会做进一步的研究和数据积累。

实际上,对于“沙改土”项目,易志坚团队也在研究它对整个气候是否会带来改变。如果通过沙漠土壤化带来的生态恢复,对气候有正向的改变,哪怕是只增加了一点降水,那对整个沙漠地区都有着重要意义。而生态方面的研究,又涉及到气象数据等,紧靠易志坚的团队是无法实现的,需要与腾讯合作完成。

1963年出生的易志坚已经接近花甲之年,他告诉记者,很多和他同龄的人都已经开始思考如何养生了,而他还在不断往沙漠跑。对他而言,沙改土项目已经不仅仅是个科研项目,而是一个十分有意义的事业,他也乐在其中。

前年,易志坚把试验基地种植的高粱酿了酒,并取名为“沙之约”。他说,这个名字有两层含义,一个是约束,因为“沙改土”原理就是在沙子里加入约束材料,另外一个是约定,当年他在研究力学的时候突然想到改造沙漠,这似乎是他与沙漠之间的一种约定。

(作者:白杨 编辑:李清宇)

白杨

IT版记者

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