一位力学教授的脑洞:到沙漠去,把沙变成土

人间像素 2020-11-23 10:04

作者 | 马力

编辑 | 路遥

版式 | 沉铃





年轻时候的易志坚,一眼就能分辨,他是在大学里工作或生活的人,要不然就是学生,要不然就是老师。


那时候的他,一定穿着带有精致外翻领的T恤。他的衣服颜色很有可能是深蓝色,正好印出红色和黄色交错的格子暗花纹。头发黑亮,斜分,很传统的发型式样,不过度修剪,但整整齐齐。


一眼看过去,首先会被他的表情和眉头吸引——他的表情是微笑的,但眉头是微皱的。因为他总有问题在想,但这种生活带给他的不是愁苦,而是快乐和信心。


相比下来,现在的易志坚倒不像那种典型的学者了。他一身黑色的保暖穿着,戴着一顶牛仔式样的草帽。风很大,草帽的帽绳挂在下巴上打了个结,用来固定帽子。


△易志坚


在沙漠的一片田地里,他就这么站在一处,给大家讲眼前的土地里,作物几时种下,几时收起,还有这些作物背后的故事。故事都与这里的人和环境有关,都是些在乡野里发生的很落地的故事。


他眉头紧皱的时候少了,微笑的时候更多。紧皱的眉头被热情替换,眼前的田地已经被分成好多区域,种着不同的作物,每一块地在他的口中都有几天几夜的故事好讲。


从植物的种子到植物的根,从来到地里的青蛙、野兔、狐狸、獾到干旱的时候停在农田上面的云彩。


太阳在半空悬着,田地的四周是一望无际的沙丘。此时已是深秋,田地还有一些未收尽的果实。虽然色调已由夏天的一片绿色变成与沙地融为一体的灰黄,但眼前这由绿叶彩花变成硕果累累的田地还是给人一种置于异象之中的感觉。



这片田地占地一万四千多亩,已改造六千亩,从头到尾走一遍,要沿着公路开上十几公里。


田地里散布着两个气象站、数千个传感器,造型像火星无人车一样的植物表型采集车在田间跑来跑去。板房搭建起来的简陋宿舍里,放置着一台腾讯 Nano T-Block 一体柜。作为边缘数据中心,它可以高效处理由气象站、传感器、无人车采集的海量生态数据。


这么一片地方出现沙漠里,像是一块飞来之地。





01

朝向飞来之地


易志坚出生于 1963 年,1988 年 4 月到重庆交通大学任教之后,他有过很多重要的学术成就。


早在二十几年前,易志坚有一个在学界颇有名气的研究成果——弹塑性断裂力学线场分析方法。这是一种全新意义下的线场分析方法。后来研究材料,他发现颗粒物质到混凝土的改变实际上是一种状态改变。


改变的机理是约束。这是一个力学的概念:约束决定了颗粒物质状态的改变。


真正改变了易志坚研究生涯的研究成果,是一种韧性聚合物骨架孔隙混凝土路面。



这种路面的应用价值很高,这项成果曾被中央电视台新闻联播报道,交通部将其列入部长行动计划。


但意料之外的是,这一系列的研究把易志坚的研究视野带向了沙漠中的那片飞地。易志坚想,既然是约束决定了颗粒物质状态的改变,那沙子应该也可以变成“土壤”?


 从此,他一头扎进“沙变土”的研究项目里,别人都在规划如何颐养休憩,他却一次次地往荒芜的沙漠里跑。


看看他身上的头衔——重庆交通大学副校长,教授,博士生导师,国家“百千万人才工程”第一、二层次人选、国家级有突出贡献的中青年专家、国务院政府特殊津贴获得者、重庆市首批学术和技术带头人、交通部“十百千人才工程”第一层次人选。如果不是 2008 年起把研究方向转到沙漠,此时的易志坚很可能已有更高头衔。






02

 从混凝土到“沙变土”


2008 年提出设想,2009 年开始研究。在别人看来这是水变油的天马行空。但易志坚从一开始就知道这件事情肯定能成。


沙子为什么能够土壤化?首先要先回到土壤来看。易志坚站在乌兰布和沙漠里演示这个已经成为现实过程。他手里握着一把已经改变形状的沙子。还是沙子的模样,但可以像土壤一样聚合。


易志坚选择用一种逆向的思维过程解释眼前的一切。


“土壤天然有两个力学状态,它在干的时候是干土团,是一个固体,它在湿的时候是稀泥巴,是流变体。”


“土壤的力学特征赋予了土壤自修复和自调节生态力学属性。土壤干了变为固体后会开裂,但是吸收水分后土壤变为流变体,可以将裂纹修复得无影无踪。”


还有一点,土壤具有自调节生态力学属性,“就是说土壤颗粒排列的改变不影响土壤的性质,土壤可以通过颗粒排列的改变而改变自己的体积和形状。”这样一来,“土壤的颗粒物质之间可以存储水分、养分、空气并滋生微生物。植物的根系能在其中生长。土壤温和地抱住植物,就像母亲的一双手。”有了这些属性,土壤才可以成为植物的载体。


 易志坚要做的是让沙成为植物的载体,而不是让它真的变成土壤。其实就是通过颗粒约束改变颗粒物质力学状态,简单来说,就是把离散状态的沙子,通过约束,转化为固体(干土团)和流变体(稀泥巴),从而成为能够种植植物的“土壤”。


△试验田里种出的青椒


易志坚的团队自行研发了一种以自然生物作为原料的植物性纤维黏合材料。一盘散沙加上这种约束材料,加水拌合,就得到了“沙漠土壤”。


在现场演示过程时,这个改变只花了一分钟的时间,但易志坚的团队致力于此的研究已经延续了十二年。


其间连他自己学校的老师们都纳闷,易教授怎么眼见着几年都没有科研成果出来,他们猜测他的科研能力是不是已经丧失殆尽。






03

黄河里的一亿吨泥沙


乌兰布和沙漠位于内蒙古自治区西部,东近流经此处的黄河,西至一处名为察汗布鲁克的盐池。这片总面积约 1 万平方公里的沙漠是挨着水的。而它的恼人之处也恰恰在此。


在遥远的过去,乌兰布和沙漠是黄河冲积平原上的一片草原。而现在,乌兰布和沙漠每年要向黄河流域中直接输入一亿吨泥沙。乌兰布和沙漠是单位长度内使黄河水含沙量增幅最大的地区之一


并且,它还在扩张当中,每年平均东侵 8.7 米,向黄河直接输入的泥沙也还在逐年增加。


沙漠变绿洲根本不是一件一两年就能出成果的事情,为了将乌兰布和沙漠每年输入黄何的一亿吨泥沙留在原地,易志坚和团队积累了无数实验数据,克服了无数困难。


△实验田里产的农产品

有个品牌叫“沙漠有约”,约束材料的“约”


2008 年有了“沙变土”的构想,2009 年,易志坚的团队就开始做起了实验。


也是在这一年里,团队在约束材料的研究上有了思路。植物的种植需要周期的,材料的研发和完善也需要过程,2009 到 2011 这三年里,易志坚的团队起先是在自家的院坝、阳台和屋顶上试种,之后再逐步在更大一点的区域里进行小块试验。


这三年的试验基本确定了研究思路。等到 2012 年,他们基本就把约束材料研发出来了。这已经是提出构想后的第五年。


2013 年,团队开始在模拟沙漠试验。重庆没有现成的沙漠,他们就在模拟地块垫上 30 到 50 公分厚的碎石,在碎石上再垫上 20 到 30 公分厚的沙,再在沙上垫上土壤化的沙子,在模拟沙漠地块里,他们不断改进材料,以克服材料的稳定性、安全性和耐久性等问题。


这一试验过程又持续了三年。


等真正开始在沙漠做试验已经是 2016 年。从最初的 25 亩初试田,到数千亩的规模化实验。从乌兰布和沙漠到塔克拉玛干沙漠,再到若尔盖沙化草地,又是四年过去。


易志坚在乌兰布和沙漠进行实验的这4年,试验田成为了沙漠里的奇异风景。在距离乌兰布和沙漠几十公里外的城市里,站在高楼上的人可以看见沙漠里那一道明显的分割。乔木、灌木、各种草类、还有向日葵、番茄、花生、萝卜、玉米、辣椒、茄子……田地里曾经出产过 100 多种作物。


△“沙变土”种出的农产品


在这些改善过后的一块块“田地”里,最让易志坚感到开心的是一片布满荒草的改善田地。


那片田地距离试验田的入口有两公里,布满了质感粗粝的耐旱植被。试验田经常有很多当地人来观光,但没人会对这片荒草感兴趣。


更多的人会被成片的向日葵花吸引,会被沙地萝卜的清香口感吸引,也许有的人会注意到田地旁边一串串的小鸟脚印吸引。但很少有人意识到这片荒草地意味着什么。


△当地人来这块田地观光,最关注的是这片向日葵


经过“沙变土”的力学改造后,易志坚的团队在这片土地里种上了耐寒的“野草”。第一年给它浇水,第二年则将其放任。易志坚没想到,这些田地里的野草能够一年一年持续地在这片土地里自由生长。


土壤化的沙地保水保肥的效果很明显,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。这一片荒漠生态恢复区只需在播种发芽阶段灌溉,后续生长时期则无需灌溉。


改良后的沙地既能够存储养分、水分和空气,还能让植物的根系更容易地延展。它们的根系格外强壮和发达。


拿这种沙地里的野草来说,即使到了秋冬之际,植物较为衰败的时期,一个成年男子也要手脚并用卯足了劲才能把这样一株野草连根拔起。这意味着这些野草在改良沙地上展现出来的生命力可以在极小的成本下行使它们固沙的使命。





04

“沙变土”可以帮上更多的忙


“沙变土”的项目行进到第 12 年,它的意义和价值还在延展。


如今阿拉善盟和易志坚的团队正在想办法把沙变土的试验延展到矿山的修复上,沙变土的逻辑还可以有更多延展,包括工业弃渣的改造、偏远军人驻地的生存条件改造……“沙变土”的应用场景可以更广。



这项科研成果延展的可能性也随着腾讯的加入变得更广阔。


2018 年,腾讯云副总裁、腾讯 IDC 平台部总经理钟远河在网上浏览到了易志坚的“沙漠土壤”项目,想要为这个项目做点什么。


腾讯云数据中心高级工程师刘灵丰接手了这个项目,在和易志坚团队接触之初,刘灵丰也有疑问:“查资料过程中,关于这个课题的论文其实都不多,加上坊间对这个项目抱有是不是水变油的闹剧的怀疑。这么重大的科研项目,从 2008 年就开始做的话,快十年了,都没有论文成果出来,这是当时让我有点怀疑的点。”


为了验证心里面的疑问。刘灵丰去到重庆,与研究团队当面接触。她才知道易志坚其实已经有了很多关于这项技术的数据积累。


“这么多年一直在默默做事,没有过度消费数据,他们选择憋一个大招,一鸣惊人。 ”


刘灵丰在重庆参观了团队的试验田,还带了一部分约束材料(植物性纤维黏合材料)回深圳。她把这种约束材料放入沙中,对比没有改造过的沙,她种出了生长情况明显更好的大蒜。刘灵丰的怀疑彻底打消了。


△刘灵丰用大蒜做了对比试验


2019 年,腾讯和重庆交通大学一起成立了沙漠生态研究联合实验室。


在“沙变土”技术进一步扩大规模推广的过程中,腾讯想要帮点忙。


“我们是数据中心,借助自己的技术优势为沙漠研究项目提供智慧农业解决方案,我们希望借助 5G 大数据和智慧农业方面,可以帮上更多的忙,这是真正的科技向善。


在联合实验室的科研工作中,腾讯的任务是化身技术小助手,为团队的科研工作提供云边协同数据计算中心、物联网、大数据、人工智能等技术支持。


为了更好、更科学地进行科学技术的研究,腾讯建议团队引入智慧农业的方案。把采集到的环境数据、视觉数据组建成一个强大的数据网。


现在,在乌兰布和的试验田地里,腾讯为科研团队提供的边缘数据中心已经派上了用场。专门为沙漠场景研发的腾讯云 Nano T-Block 边缘数据中心每天都会收集、处理海量数据。



在农业 AI 模型的输入部分,数据中心每天要监测气象环境(风速、气压、温湿度)、土壤环境(温湿度、电导率)、水质(浊度、PH 值)环境以及用水量等,在视觉部分则主要是生物量(产量),植物表征(植物表面形态)等方面的监测。


每天,农业模型部分,数据中心会收集 2.5 万个环境数据包和 1T 多的视觉数据。


“所有的这些数据采集上来,汇聚到 Nano T-Block 边缘数据中心内置的 T-box 里面,数据由 T-box 传输至柜内服务器经过数据的清洗和初筛以后,有效数据会上传到部署在腾讯云端的智维平台,智维平台会对数据进行分类和鉴别,智慧农业的相关数据,会分发一份到我们的算力平台进行 AI 大数据模型训练,还会同时传一份到老师们开发的科研创新平台,去对数据进行深度的挖掘和二次开发。”


刘灵丰介绍道,“基于这样的性能和功能的设计,我们可以帮助科研团队极大的提升他们的科研效率,缩短科研的用时。”


如今我们看到的沙漠农业图景,在数据的地图上实际上是一个个的数据点。把这些数据结合起来分析,就可以对整个沙漠生态的恢复进行科学的、有据可依的指导。数据技术的加入,让沙漠农业走上了与靠经验积累、靠天吃饭的传统农业完全不同的路径。




技术支持之外,腾讯的加入还为整个团队提供了一种视野上的扩展。


养分和水分是怎么贮藏在改造过的沙中的?改造过沙怎么滋生微生物,怎么去形成生态群落,怎么再去影响农业?随着研究的深入,必然有更多的学科和专业领域的知识汇聚进来。沙漠生态研究联合实验室成立之后,整个科研团队又加入了生态学、人工智能领域的学者。



现在,腾讯和重庆交大团队正在着手开发全球性的沙漠区域环境数据公共平台,目标是为全球科研人员提供公共数据集,为研究沙漠对全球生态系统的影响提供有价值的研究资料。在合作中,腾讯为项目提供了包括数据接口、开源组件在内的技术支持服务。


在双方的合作里,数据公共平台是一个自然而然的前进方向。


2019年,数据公共平台的设想由沙变土的项目团队提出,马上就与腾讯达成一致。


“当时听到这个提议,第一个反应就是这个就对了,不光是把这些数据采集上来,建一个模型,再把产量提上来,我们希望有更持续的,更科学的东西,把整个沙漠生态改善的事儿继续下去,”刘灵丰回忆道:“我们需要更多的力量,更多学科专业的声音,去了解和理解沙漠农业与生态之间的关联关系,从而进一步影响生态。”


会有更多的可能性在更多的地方发生。


易志坚说在沙漠里进行科研试验的日子里,夏天是最有绿意的时候,秋天是丰收的时候。



 每个季节有每个季节的好,但他最喜欢的是春天。


那时候沙漠刚刚开始变绿,这种生机意味着新的可能性。这么多年一次又一次地往沙漠里跑,为的就是这些新的、焕发生机的可能性。




End.