The Innovation | “沙变土”有待商榷

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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