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                    作者:劉曉倩 來源: 中國科學報 發布時間:2019/7/25 9:33:13
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                    把沙漠戈壁裝進實驗室
                    ——我國規模最大水量平衡自動模擬監測系統建成


                    中國北方沙區水量平衡自動模擬監測系統Lysimeter群

                     

                    ■本報記者 劉曉倩

                    “你看,他們長得多好。這是來自兩千公里以外,古爾班通古特沙漠的梭梭。” 中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠研究試驗站(以下簡稱沙坡頭站)站長李新榮說。此時,在沙坡頭站的蒸滲儀群中,來自中國干旱區、半干旱區、半濕潤區的11種典型固沙植物正歡快地生長著。它們腳下,是千里迢迢從各自“故鄉”運來的沙土。

                    近日,在中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目支持下,沙坡頭站建成了我國規模最大的水量平衡自動模擬監測系統。該系統實現了北方沙區水量平衡的監測—模擬—集成研究,將回答不同沙區土壤水分的植被承載力、生態水文閾值等防沙治沙的核心科學問題。

                    沙漠治理,科技先行

                    31年前,李新榮讀研究生,來到沙坡頭站。在院子里,他親手種下了一棵和他差不多高的樹苗。李新榮對《中國科學報》說,我國北方風沙區面積約 170 萬 平方公里,包括八大沙漠和四大沙地,橫跨極端干旱、干旱、半干旱和半濕潤氣候帶,年降水量在50~ 500 毫米之間,區域差異明顯。由于自然環境嚴酷,且易受氣候變化和不合理的人類活動影響,北方風沙區是我國生態環境最為脆弱的區域。

                    自上世紀70年代相繼實施的“三北”防護林工程、“退耕還林(草)”工程、“京津風沙源治理工程”等重大生態建設工程,取得了顯著的成效,有效緩解了風沙危害等生態退化問題。然而在一些地區,植被建設中還存在許多問題,主要表現為人工植被大面積退化甚至死亡,地下水資源消耗嚴重,破壞了局地生態系統的水平衡,致使風蝕沒有得到有效遏制、土壤難以恢復。

                    與此同時,相關理論研究,尤其是對沙區人工植被與土壤系統的水量平衡相關理論研究滯后,對防沙治沙實踐的有效指導不足。因此,科學、全面認知沙區植被—土壤系統生態水文機制,并探索合理的沙漠化治理對策是沙區生態恢復和保護的國家重大科技需求。

                    集中北方沙區三種氣候類型

                    為滿足這一需求,李新榮和同伴們一起,每年行程一萬公里,背著土鉆、土壤水分儀、根系測量系統等儀器,在不同沙區采樣,再拿回實驗室研究。

                    能否把野外實驗室搬到家門口呢?2016年,李新榮有了這個大膽的想法。

                    水分,是沙區植被恢復和生長及生態重建最重要的限制因子。水量平衡與水循環始終是干旱、半干旱、半濕潤地區植被建設所面臨的核心科學問題,并決定著植被的可持續發展和系統的穩定性??茖W的水資源管理必須準確地估算陸地生態系統的植被蒸散量及其水分平衡。

                    注視著沙坡頭站20世紀80年代建成的六個蒸滲儀,李新榮有了好主意——把我國北方不同沙區的土壤和典型固沙灌木搬到沙坡頭,建一個可以“呼風喚雨”、自動控制地下水的蒸滲儀群,自動監測關鍵物種水文過程。

                    三年后,李新榮這一想法變成了現實。在沙坡頭站的試驗地上,圓形的蒸滲儀(Lysimeter)一行6個,共6排,36個整齊排列。兩邊設有軌道,可供移動大棚人工降雨。

                    沙坡頭沙漠研究試驗站副站長張志山說,蒸滲儀是水量平衡研究最重要的工具,可有效測量蒸散發以及深層滲漏量。本次建設的中國北方沙區水量平衡自動模擬監測系統Lysimeter群由三大部分組成:36+6臺(其中6臺建設于20世紀80年代)大型稱重式蒸滲儀為主體,集成了移動大棚和智能降水模擬及地下水控制系統,配置了中國北方不同沙區的土壤和典型固沙灌木。

                    沙坡頭站趙洋博士介紹,由南向北的12個筒體,裝的是從騰格里沙漠運來的風沙土。別看地面部分只有四平方米,整個鋼筒在地下有3米深。“每個筒里都裝了20噸風沙土。”趙洋說,筒里種植的檸條、油蒿、駝絨藜都是當地治沙效果非常好的植物。再向北走,筒里土壤顏色和質感明顯變白變粗,那是典型荒漠草原的栗鈣土,里面種植著蒙古莜、沙冬青和霸王。繼續向北,是兩千公里外,新疆古爾班通古特沙漠運來的沙土和梭梭、白梭梭。最后八個筒來自科爾沁沙地,里面種植著差巴嘎蒿、小葉錦雞兒、差蒿。

                    在植物旁邊,記者看到兩根灰色的管子。李新榮解釋說:“就像給沙土做胃鏡,每個筒體內埋設12層三參數探頭,可以自動長期監測筒體內不同土層的溫度、濕度、電導率三個參數。” 不僅如此,根系測量系統可以監測筒體內植物根系每一天、每一小時的生長動態。土壤溶液采集系統可以提取筒體內不同土層的土壤溶液。

                    在每個筒體下方,有三個高精度重量傳感器。“精度可以達到200克,即使0.05毫米的毛毛雨,都可以準確稱重。”趙洋說。走進地下控制室,大屏幕實時監測各項數據。通過模擬不同氣候帶降水和地下水位,連續精確監測植被—土壤系統中降水入滲、地下水補給、土壤水動態、蒸散發、植物生長等過程,實現北方沙區水量平衡的模擬集成研究。

                    提升研究能力,回答防沙治沙核心科學問題

                    張志山告訴記者,世界上第一臺蒸滲儀由法國數學家、氣象學家De la Hire于1688年研制。1906年,德國人Von Seelhorst制成第一臺稱重式蒸滲儀。1937年,著名的整體式自動記錄“水分循環”的蒸滲儀在美國俄亥俄州的Coshocton投入運行,揭開了將蒸滲儀廣泛應用于區域蒸散量、植被耗水量、生態需水量等陸地水文學與水資源管理方面研究的序幕。我國利用蒸滲儀進行水量平衡的研究始于20世紀80年代中期。

                    近年來,電子學、工程學、灌溉科學、土壤物理學和微氣象學的不斷發展,推動了蒸滲儀研究及其在世界范圍的廣泛應用。截至2006年,僅歐洲就擁有2452臺蒸滲儀。

                    “建立大型智能稱重式蒸滲儀組群實現跨學科研究,是現今發展趨勢。”張志山說。例如,德國Braunschweig-Volkenrode研究站安裝了8臺大型稱重式蒸滲儀用于農田水量平衡的研究;瑞士Rechenholz蒸滲儀監測站安裝了12臺大型稱重式蒸滲儀用于研究不同作物種類、不同耕作條件、不同土壤類型條件下的水分平衡與氮平衡關系。

                    與傳統的蒸滲儀相比,沙坡頭站本次建設的蒸滲儀群增加了自動模擬降雨系統、植物蒸騰觀測系統、根系生長動態監測系統、自動地下水補給系統。通過氫氧穩定性同位素添加試驗,系統可全面、自動化地精確監測沙區SPAC(土壤、植物、大氣連續體)系統各水文過程,區分水分來源。這將為沙區水資源管理及生態系統可持續發展提供理論范式和數據共享與研究平臺。

                    李新榮告訴記者,利用蒸滲儀群開展長期定位研究,將提高在多尺度上對我國沙區生態和水文過程的認知,提升植被重建的生態水文學和植物生理生態學機理等相關領域的研究能力,回答不同沙區土壤水分的植被承載力和人工植被穩定性維持的生態水文閾值等防沙治沙的核心科學問題。

                    試驗站觀測場里,一條紅磚小路邊上,兩米高的梭梭隨微風輕輕擺動。那是上世紀70年代,李新榮的老師們種下的。小路另一邊,一人高的梭梭、沙蒿是上世紀80年代李新榮和同事們種下的。不遠處包蘭鐵路上,一列火車鳴笛而過,暮色和沙地上的幽幽綠意相映成趣。

                    《中國科學報》 (2019-07-25 第8版 裝備制造)
                     
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