工程師們正在使用粘土，水和土壤的混合物在沙漠中種水果

納米粘土：液體將沙漠變成農田

今年3月，就在世界各國陷入Covid-19鎖定之時，一項引人注目的變革即將在阿拉伯聯合大公國的一個角落完成。在短短40天之內，這個內陸沙漠國家曾經貧瘠的土地上散布著成熟甜甜的西瓜，在阿拉伯的陽光下膨脹了。

對於一個必須進口其90％新鮮農產品的國家來說，這是一個非凡的裡程碑。只需添加粘土和水，乾燥，荒涼的阿拉伯沙漠就變成了鬱鬱蔥蔥的水果農場。除非如此簡單，否則只有在液態「納米粘土」的幫助下才能實現這些瓜類，這種土壤修復技術的故事始於西面1,500英裡（2,400公裡）和二十年前。在1980年代，埃及的尼羅河三角洲部分地區不再繁榮。儘管它靠近乾旱的沙漠，但它以肥沃而著稱，數千年來一直是可靠的耕種之地。它的生產力使古埃及人將精力從自給自足的耕作轉移到發展強大的文明，這種文明產生了如此的文化壯舉，使他們在數千年後聞名世界。然而，儘管在過去的幾千年中支持了該地區的社區，但在短短的十年左右的時間裡，生育力就消失了。

每年夏末，尼羅河將泛濫成災，擴展到埃及三角洲平原，然後再退縮。當科學家開始調查造成土地肥力下降的原因時，他們發現這些洪水攜帶了礦物質，營養物質，以及至關重要的是，來自東非流域的土壤顆粒為尼羅河提供了營養，並將它們沉積在整個三角洲地區。粘土賦予了土壤彈性和肥力。但是它去哪了？在1960年代，回顧10年，穿越埃及南部尼羅河的亞斯文大壩。這個非凡的2.5英裡（4公裡）寬的結構旨在產生水力發電和調節洪水，使耕種變得更易於管理和預測。但這也阻止了所有好的東西向下遊流動。十年沒有這樣的年度補給，三角洲土壤的所有肥力都被耗盡了。

一旦土壤科學家和工程師找出了問題所在，他們也將有解決方案的開始。「就像您在花園中看到的一樣，」總部位於挪威，開發出納米粘土方法的企業「沙漠控制」執行長Ole Sivertsen解釋說。「幾乎沒有什麼稀薄的土壤很難保持水分或使植物繁盛。正確比例的粘土的存在可以徹底改變所有這些。」

用他們的話說，沙漠控制計劃使用納米粘土來「把無產的沙漠土地從沙子變成希望」。用粘土改良土壤已經不是什麼新鮮事了-農民已經這樣做了數千年。然而，從歷史上看，將厚重的黏土運入土壤一直是勞動密集型的，並且破壞了地下生態系統。耕作，開挖和翻土也要付出環境代價，因為螯合的碳會暴露於氧氣中，因此會以二氧化碳的形式損失到大氣中。如愛丁堡大學土壤科學家Saran Sohi所解釋的，與此同時，種植帶來的難以置信的複雜土壤生物群系遭到破壞。

他說：「土壤生物學的關鍵部分是以菌根，真菌細絲的形式在植物和真菌之間建立共生關係，真菌細絲實質上是植物根系的延伸，」 「它們被稱為菌絲的微觀毛狀結構所覆蓋，該結構比植物的根部細得多，可以獲取原本不會遇到的營養。在該過程中，真菌細絲還連接土壤中的礦物質顆粒，從而保持土壤結構並減輕侵蝕。

「通過挖掘或耕種破壞土壤，破壞了這些真菌結構，這些真菌結構需要一些時間才能長成，同時土壤變得容易受到破壞，營養物質容易逃逸。」黏土可以是善變的野獸。太少了，幾乎沒有影響。太多的話，粘土可能會在沙子表面形成防水硬皮或使壓實更有可能。經過多年的試驗，挪威流體動力學工程師Kristian P Olesen尋找一種製作粘土配方的方法，該配方可以輕鬆地與沙子混合以使其成為賦予生命的土壤。

他說：「並不是一個大小都能適合所有情況。」 「在中國，埃及，阿聯和巴基斯坦進行的十年試驗告訴我們，每種土壤都需要測試，因此我們可以混合正確的納米粘土配方。」納米粘土溶液的許多研究和開發都致力於找到一種精心平衡的稀薄液體配方，該配方可以輕鬆地滲透到局部土壤的細小顆粒中（因此形成納米部分），但排水速度不快，無法自由滲出。並完全失去了 目的是處理位於標準作物根部區域內和下方的神奇的10-20釐米（4-8英寸）土壤。幸運的是，當涉及到混合沙子和粘土時，一些土壤化學作用也開始發揮作用，即陽離子交換容量。

「由於它們的化學組成，粘土顆粒帶負電荷，而沙粒則帶正電荷，」 Sivertsen解釋說。「這種自然極性意味著，當他們身體相遇時，它們就會束縛。」結果是在每個沙粒周圍形成了200-300納米的粘土層，形成了雪花狀的地層。表面積的增加使水和養分附著在沙子上並與沙子化學結合，而不是因為流失而流失。

Sivertsen說：「粘土在功能上模仿有機物質，幫助土壤保持水分，並使土壤動植物站穩腳跟。」 「一旦有了穩定粘土顆粒的條件並幫助養分被生物利用，就可以在七個小時內種植農作物。」儘管該技術已經開發了將近15年，但在經過杜拜國際生物鹽水農業中心（ICBA）的獨立測試後，才在過去的12個月中才踏上商業規模的道路。

「現在，我們已經有了有效的科學證據，我們的目標是在40英尺（1300萬）運輸貨櫃中建立許多微型移動工廠，其最終目標是創造儘可能多的變化，」 Sivertsen說。「這些移動部門將使用同一國家的粘土，並在當地進行招聘，在需要的地方創建液態納米粘土。」這些工廠中的第一家工廠將每小時能夠生產40,000升液態納米粘土，並將在阿聯的城市公園中使用，因為該技術最多可以減少47％的用水量。

當前的啟動成本約為每平方米2美元（1.50英鎊），這對於富裕的阿聯的小農場來說是可以接受的。但是要在真正重要的方面產生影響-在撒哈拉以南非洲-Sivertsen需要研究如何降低成本。大多數非洲農民沒有這種治療的資金。處理也持續約五年，此後粘土需要補足。Sivertsen說，有了規模，他們可以降低成本，最終目標是每平方米約0.20美元（0.15英鎊）。相比之下，在世界其他地方購買生產性農業用地的成本為每平方米0.50至3.50美元（0.38至2.65英鎊）。將來，轉換非生產性土地可能比尋找成熟農場便宜得多。

「除了我們正在與《聯合國防治荒漠化公約》合作，以支持長城綠牆項目外，該倡議還旨在建立一堵樹木和農林業牆，以阻止北非沙漠的擴張，」西弗特森說。（了解有關阻擋沙漠的牆的更多信息。）因此，當將粘土注入北非和中東等地區的沙質土壤中時，世界其他地區又如何呢？在全球範圍內，土壤已損失了20％至60％的有機碳，而納米粘土僅能使沙質土壤擺脫退化。例如，如果您的土壤鹽漬而不鹹，該怎麼辦？在這裡，生物炭可能是您的朋友。

這種穩定形式的碳是通過熱解燃燒有機物而產生的，該過程幾乎不會產生任何汙染物，例如二氧化碳，因為氧氣不會進入燃燒過程。產生的木炭狀物質是高度多孔的，輕質的並且具有大的表面積。Sohi說，這正是貧瘠的土壤所需要的。

她說：「土壤中的有機物含量一直在變化，但是健康土壤中存在穩定的基礎碳。」 「與微生物活動如何不斷快速地轉換有機物不同，生物炭是穩定的碳，可以幫助土壤保持對植物生長至關重要的養分。它提供了引入穩定碳元素的快速途徑，否則將需要數十年的時間才能開發出來。

「生物炭可以通過恢復土壤結構，特別是與其他有機物質（包括添加堆肥）結合，促進植物生長。」她說，這可以幫助恢復因過度耕種或受到採礦或汙染影響而缺乏有機物質的土地，前提是要首先解決毒性問題。

其他土壤恢復技術包括使用ver石，,石是一種從巖石中開採出來的頁矽酸鹽礦物，經過熱處理後會膨脹。所得材料的海綿狀性質使其可以吸收三倍於水的重量，並可以長時間保留。同時，可將高吸收性聚合物珠粒放置在單個植物的根部區域，從而在短時間內吸收超過自身重量的水分。然而，兩者都需要土壤栽培以進行安置，這具有缺點。

回到阿聯，居住在附近的社區已經從將周圍的沙漠變成肥沃土地的能力中受益。事實證明，由於Covid-19鎖定限制的出現，使用納米粘土種植的農產品是偶然出現的。在0.2英畝（1,000平方米）的試驗田中生產了約200公斤（440磅）的西瓜，西葫蘆和珍珠穀類作物。食物需要一個家。

「在阿聯，封鎖非常嚴格，進口量直線下降，這意味著許多人無法獲得新鮮農產品，」 Sivertsen說。「我們與ICBA和Red Crescent團隊合作，為附近的個人和家庭提供了新鮮的西瓜和西葫蘆。我們的目的是測試所有這些食物，以便我們懷疑在這種條件下種植的農作物可能提供更高的營養水平，但這必須等待下一個試驗田。」