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【中國科學(xué)報】把沙漠戈壁裝進(jìn)實(shí)驗室
把沙漠戈壁裝進(jìn)實(shí)驗室
■本報記者 劉曉倩
“你看，他們長(cháng)得多好。這是來(lái)自?xún)汕Ч镆酝?，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(jiǎn)稱(chēng)沙坡頭站）站長(cháng)李新榮說(shuō)。此時(shí)，在沙坡頭站的蒸滲儀群中，來(lái)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(cháng)著(zhù)。它們腳下，是千里迢迢從各自“故鄉”運來(lái)的沙土。
近日，在中國科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò )重點(diǎn)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(dòng)模擬監測系統。該系統實(shí)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(tài)水文閾值等防沙治沙的核心科學(xué)問(wèn)題。
沙漠治理，科技先行
31年前，李新榮讀研究生，來(lái)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(shù)苗。李新榮對《中國科學(xué)報》說(shuō)，我國北方風(fēng)沙區面積約 170 萬(wàn) 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(huán)境嚴酷，且易受氣候變化和不合理的人類(lèi)活動(dòng)影響，北方風(fēng)沙區是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的區域。
自上世紀70年代相繼實(shí)施的“三北”防護林工程、“退耕還林（草）”工程、“京津風(fēng)沙源治理工程”等重大生態(tài)建設工程，取得了顯著(zhù)的成效，有效緩解了風(fēng)沙危害等生態(tài)退化問(wèn)題。然而在一些地區，植被建設中還存在許多問(wèn)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(tài)系統的水平衡，致使風(fēng)蝕沒(méi)有得到有效遏制、土壤難以恢復。
與此同時(shí)，相關(guān)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(guān)理論研究滯后，對防沙治沙實(shí)踐的有效指導不足。因此，科學(xué)、全面認知沙區植被—土壤系統生態(tài)水文機制，并探索合理的沙漠化治理對策是沙區生態(tài)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(lèi)型
為滿(mǎn)足這一需求，李新榮和同伴們一起，每年行程一萬(wàn)公里，背著(zhù)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(shí)驗室研究。
能否把野外實(shí)驗室搬到家門(mén)口呢？2016年，李新榮有了這個(gè)大膽的想法。
水分，是沙區植被恢復和生長(cháng)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、半濕潤地區植被建設所面臨的核心科學(xué)問(wèn)題，并決定著(zhù)植被的可持續發(fā)展和系統的穩定性?？茖W(xué)的水資源管理必須準確地估算陸地生態(tài)系統的植被蒸散量及其水分平衡。
注視著(zhù)沙坡頭站20世紀80年代建成的六個(gè)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(gè)可以“呼風(fēng)喚雨”、自動(dòng)控制地下水的蒸滲儀群，自動(dòng)監測關(guān)鍵物種水文過(guò)程。
三年后，李新榮這一想法變成了現實(shí)。在沙坡頭站的試驗地上，圓形的蒸滲儀（Lysimeter）一行6個(gè)，共6排，36個(gè)整齊排列。兩邊設有軌道，可供移動(dòng)大棚人工降雨。
沙坡頭沙漠研究試驗站副站長(cháng)張志山說(shuō)，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。本次建設的中國北方沙區水量平衡自動(dòng)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(chēng)重式蒸滲儀為主體，集成了移動(dòng)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(gè)筒體，裝的是從騰格里沙漠運來(lái)的風(fēng)沙土。別看地面部分只有四平方米，整個(gè)鋼筒在地下有3米深?！懊總€(gè)筒里都裝了20噸風(fēng)沙土?！壁w洋說(shuō)，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(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(zhù)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(lái)的沙土和梭梭、白梭梭。最后八個(gè)筒來(lái)自科爾沁沙地，里面種植著(zhù)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(shuō)：“就像給沙土做胃鏡，每個(gè)筒體內埋設12層三參數探頭，可以自動(dòng)長(cháng)期監測筒體內不同土層的溫度、濕度、電導率三個(gè)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(shí)的生長(cháng)動(dòng)態(tài)。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(gè)筒體下方，有三個(gè)高精度重量傳感器?！熬瓤梢赃_到200克，即使0.05毫米的毛毛雨，都可以準確稱(chēng)重?！壁w洋說(shuō)。走進(jìn)地下控制室，大屏幕實(shí)時(shí)監測各項數據。通過(guò)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(dòng)態(tài)、蒸散發(fā)、植物生長(cháng)等過(guò)程，實(shí)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(xué)問(wèn)題
張志山告訴記者，世界上第一臺蒸滲儀由法國數學(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(chēng)重式蒸滲儀。1937年，著(zhù)名的整體式自動(dòng)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(kāi)了將蒸滲儀廣泛應用于區域蒸散量、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80年代中期。
近年來(lái)，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(dòng)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(chēng)重式蒸滲儀組群實(shí)現跨學(xué)科研究，是現今發(fā)展趨勢?！睆堉旧秸f(shuō)。例如，德國B(niǎo)raunschweig-Volkenrode研究站安裝了8臺大型稱(chēng)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(chēng)重式蒸滲儀用于研究不同作物種類(lèi)、不同耕作條件、不同土壤類(lèi)型條件下的水分平衡與氮平衡關(guān)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(dòng)模擬降雨系統、植物蒸騰觀(guān)測系統、根系生長(cháng)動(dòng)態(tài)監測系統、自動(dòng)地下水補給系統。通過(guò)氫氧穩定性同位素添加試驗，系統可全面、自動(dòng)化地精確監測沙區SPAC（土壤、植物、大氣連續體）系統各水文過(guò)程，區分水分來(lái)源。這將為沙區水資源管理及生態(tài)系統可持續發(fā)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(kāi)展長(cháng)期定位研究，將提高在多尺度上對我國沙區生態(tài)和水文過(guò)程的認知，提升植被重建的生態(tài)水文學(xué)和植物生理生態(tài)學(xué)機理等相關(guān)領(lǐng)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(tài)水文閾值等防沙治沙的核心科學(xué)問(wèn)題。
試驗站觀(guān)測場(chǎng)里，一條紅磚小路邊上，兩米高的梭梭隨微風(fēng)輕輕擺動(dòng)。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(chē)鳴笛而過(guò)，暮色和沙地上的幽幽綠意相映成趣。
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