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【中國科學(xué)報】把沙漠戈壁裝進(jìn)實驗室
把沙漠戈壁裝進(jìn)實驗室
■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(xué)院西北生態(tài)環(huán)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(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)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(xiāng)”運來的沙土。
近日，在中國科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò)重點科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目支持下，沙坡頭站建成了我國規(guī)模最大的水量平衡自動模擬監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了北方沙區(qū)水量平衡的監(jiān)測—模擬—集成研究，將回答不同沙區(qū)土壤水分的植被承載力、生態(tài)水文閾值等防沙治沙的核心科學(xué)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(xué)報》說，我國北方風(fēng)沙區(qū)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(qū)域差異明顯。由于自然環(huán)境嚴(yán)酷，且易受氣候變化和不合理的人類活動影響，北方風(fēng)沙區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的區(qū)域。
自上世紀(jì)70年代相繼實施的“三北”防護(hù)林工程、“退耕還林（草）”工程、“京津風(fēng)沙源治理工程”等重大生態(tài)建設(shè)工程，取得了顯著的成效，有效緩解了風(fēng)沙危害等生態(tài)退化問題。然而在一些地區(qū)，植被建設(shè)中還存在許多問題，主要表現(xiàn)為人工植被大面積退化甚至死亡，地下水資源消耗嚴(yán)重，破壞了局地生態(tài)系統(tǒng)的水平衡，致使風(fēng)蝕沒有得到有效遏制、土壤難以恢復(fù)。
與此同時，相關(guān)理論研究，尤其是對沙區(qū)人工植被與土壤系統(tǒng)的水量平衡相關(guān)理論研究滯后，對防沙治沙實踐的有效指導(dǎo)不足。因此，科學(xué)、全面認(rèn)知沙區(qū)植被—土壤系統(tǒng)生態(tài)水文機(jī)制，并探索合理的沙漠化治理對策是沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)的國家重大科技需求。
集中北方沙區(qū)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(tǒng)等儀器，在不同沙區(qū)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(qū)植被恢復(fù)和生長及生態(tài)重建最重要的限制因子。水量平衡與水循環(huán)始終是干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)植被建設(shè)所面臨的核心科學(xué)問題，并決定著植被的可持續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？茖W(xué)的水資源管理必須準(zhǔn)確地估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被蒸散量及其水分平衡。
注視著沙坡頭站20世紀(jì)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(qū)的土壤和典型固沙灌木搬到沙坡頭，建一個可以“呼風(fēng)喚雨”、自動控制地下水的蒸滲儀群，自動監(jiān)測關(guān)鍵物種水文過程。
三年后，李新榮這一想法變成了現(xiàn)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(shè)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(fā)以及深層滲漏量。本次建設(shè)的中國北方沙區(qū)水量平衡自動模擬監(jiān)測系統(tǒng)Lysimeter群由三大部分組成：36+6臺（其中6臺建設(shè)于20世紀(jì)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(tǒng)，配置了中國北方不同沙區(qū)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(fēng)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?！懊總€筒里都裝了20噸風(fēng)沙土。”趙洋說，筒里種植的檸條、油蒿、駝絨藜都是當(dāng)?shù)刂紊承Ч浅：玫闹参?。再向北走，筒里土壤顏色和質(zhì)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(xù)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(nèi)埋設(shè)12層三參數(shù)探頭，可以自動長期監(jiān)測筒體內(nèi)不同土層的溫度、濕度、電導(dǎo)率三個參數(shù)?！?不僅如此，根系測量系統(tǒng)可以監(jiān)測筒體內(nèi)植物根系每一天、每一小時的生長動態(tài)。土壤溶液采集系統(tǒng)可以提取筒體內(nèi)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?！熬瓤梢赃_(dá)到200克，即使0.05毫米的毛毛雨，都可以準(zhǔn)確稱重?！壁w洋說。走進(jìn)地下控制室，大屏幕實時監(jiān)測各項數(shù)據(jù)。通過模擬不同氣候帶降水和地下水位，連續(xù)精確監(jiān)測植被—土壤系統(tǒng)中降水入滲、地下水補(bǔ)給、土壤水動態(tài)、蒸散發(fā)、植物生長等過程，實現(xiàn)北方沙區(qū)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(xué)問題
張志山告訴記者，世界上第一臺蒸滲儀由法國數(shù)學(xué)家、氣象學(xué)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(huán)”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(yīng)用于區(qū)域蒸散量、植被耗水量、生態(tài)需水量等陸地水文學(xué)與水資源管理方面研究的序幕。我國利用蒸滲儀進(jìn)行水量平衡的研究始于20世紀(jì)80年代中期。
近年來，電子學(xué)、工程學(xué)、灌溉科學(xué)、土壤物理學(xué)和微氣象學(xué)的不斷發(fā)展，推動了蒸滲儀研究及其在世界范圍的廣泛應(yīng)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(xiàn)跨學(xué)科研究，是現(xiàn)今發(fā)展趨勢?！睆堉旧秸f。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(nóng)田水量平衡的研究；瑞士Rechenholz蒸滲儀監(jiān)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(guān)系。
與傳統(tǒng)的蒸滲儀相比，沙坡頭站本次建設(shè)的蒸滲儀群增加了自動模擬降雨系統(tǒng)、植物蒸騰觀測系統(tǒng)、根系生長動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、自動地下水補(bǔ)給系統(tǒng)。通過氫氧穩(wěn)定性同位素添加試驗，系統(tǒng)可全面、自動化地精確監(jiān)測沙區(qū)SPAC（土壤、植物、大氣連續(xù)體）系統(tǒng)各水文過程，區(qū)分水分來源。這將為沙區(qū)水資源管理及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論范式和數(shù)據(jù)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(qū)生態(tài)和水文過程的認(rèn)知，提升植被重建的生態(tài)水文學(xué)和植物生理生態(tài)學(xué)機(jī)理等相關(guān)領(lǐng)域的研究能力，回答不同沙區(qū)土壤水分的植被承載力和人工植被穩(wěn)定性維持的生態(tài)水文閾值等防沙治沙的核心科學(xué)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(fēng)輕輕擺動。那是上世紀(jì)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(jì)80年代李新榮和同事們種下的。不遠(yuǎn)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。
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