李 彥 鄭新軍 王玉剛 徐貴青 劉 冉
中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 烏魯木齊 830011
我國西北干旱區(qū)地處歐亞大陸腹地,遠離海洋,降水稀缺,荒漠廣布,是北半球溫帶干旱區(qū)的中心區(qū)域。山盆結(jié)構(gòu)是西北干旱區(qū)的最大特點,發(fā)源于盆地四周的高大山地的內(nèi)陸河,流出山口后,在其兩岸或沖洪積扇區(qū)域直至尾閭地區(qū)補給淺層地下水,造就了以潛水為主要水源的河岸林及其林下或外圍荒漠灌叢群落。這些分布于盆地四周和河流兩岸的天然綠洲生態(tài)系統(tǒng)是該區(qū)域內(nèi)人類最早的定居點和灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)起點。
由于潛在蒸發(fā)量巨大、降水稀少,綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開灌溉。而灌溉水從來不是蒸餾水,鹽分聚集不可避免,灌溉農(nóng)業(yè)從來都伴隨著鹽漬化的威脅。去除鹽漬化危害的途徑是在綠洲內(nèi)部構(gòu)建通暢的排堿溝渠系統(tǒng),將鹽分隨水輸送到綠洲外圍。這些排鹽產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)尾水能夠被各種耐鹽堿的荒漠灌木所利用[1,2],作為生態(tài)用水維持了外圍荒漠的生存與綠洲系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此,只要農(nóng)業(yè)灌溉用水/生態(tài)用水(洗鹽排出的水量)比例在一定合理范圍內(nèi),干旱區(qū)綠洲-荒漠系統(tǒng)就能可持續(xù)發(fā)展。
然而,隨著人口的增加和科學(xué)技術(shù)的進步,人類對于自然資源的需求急劇增加,人口、資源和環(huán)境之間的矛盾越來越難以調(diào)和。這種矛盾在干旱地區(qū)更加突出:伴隨著膜下滴灌等節(jié)水灌溉方式的普及,灌溉水利用效率快速提高,不再產(chǎn)生農(nóng)業(yè)尾水;許多聯(lián)通綠洲內(nèi)、外的排堿溝渠系統(tǒng)已經(jīng)被廢棄,綠洲外圍荒漠灌木生存所需的淺層地下水資源逐漸枯竭。伴隨著生態(tài)用水的急劇消減,作為天然防護林的外圍灌叢大量消失,即使仍然存在的一些灌木群落,水分狀況的惡化也使其幼苗更新困難,種群不可持續(xù)。
以西北干旱區(qū)荒漠植被的主要建群種梭梭為例:研究顯示,在每年5—9月生長旺季,地下水為梭梭貢獻了近 100% 的水源[1]。顯然,綠洲農(nóng)業(yè)灌溉方式的轉(zhuǎn)變對地下水埋深的影響,很可能會對自然梭梭灌叢地的存續(xù)產(chǎn)生嚴(yán)重不良后果,進而危及綠洲生態(tài)安全乃至綠洲的存續(xù)。此外,在準(zhǔn)噶爾盆地綠洲外圍還分布著其他重要灌叢林地,這些灌叢林地的主要維持水源是否以地下水為主,還不得而知。這些灌叢地生物種類豐富,灌叢類型和組合多樣,雖然從表面來看,地表植被稀疏,灌叢之間存在較大的空間,不可能存在為了光照而產(chǎn)生地上競爭。但水是干旱區(qū)植物生長的最主要限制因子,植物地下根系對水的競爭不可避免。當(dāng)冠層閉合植被群落如森林中的樹木在為爭奪陽光,努力向上生長進行“軍備競賽”時[3,4],荒漠灌木也在為了獲得穩(wěn)定的水源而悄無聲息地加速向下延伸。對于植物來說,在冠層閉合環(huán)境中,擁有比鄰居更高的樹冠意味著獲得更多的光線,同時遮擋了鄰居獲得陽光的可能[5,6]。同樣,在干旱開放環(huán)境中,擁有比鄰居更深的主根意味著吸收更多水分支持自身生長,同時降低了鄰居吸收水分的可能。正如森林中的樹木,并非樹干最高就是最經(jīng)濟[7,8];同樣地,荒漠區(qū)中的灌叢也不是主根延伸最深就最經(jīng)濟。擁有高大的樹冠和龐大的根系,都需要大量的光合產(chǎn)物投入來維持;其實,只要達到合適的投入產(chǎn)出比例,量入為出地合理構(gòu)建根冠比,達到資源最優(yōu)配置就可以在競爭中勝出[9]。構(gòu)建不同的根冠比,意味著在競爭中采取不同的競爭策略[10]。各種不同根冠比物種出現(xiàn)在同一群落中,形成帶譜,也許是荒漠灌叢生態(tài)系統(tǒng)維持生物多樣性的機制。毫無疑問,在干旱區(qū),地下資源格局和豐度從根本上決定著荒漠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,但在這一領(lǐng)域我們依然有太多的未知尚待探索,因而難以準(zhǔn)確認(rèn)知和預(yù)測生態(tài)危機。
綠洲外圍大量灌叢地面臨的生存危機,關(guān)乎我國西北干旱區(qū)乃至中亞地區(qū)生態(tài)安全、經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展與人民的福祉?;哪鄥仓参锼株P(guān)系及荒漠灌叢維持機制,不僅是當(dāng)今世界荒漠生態(tài)學(xué)研究前沿,同時對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展具有緊迫的現(xiàn)實意義。以綠洲-荒漠區(qū)水鹽運移-植被動態(tài)的相互關(guān)系為核心,建立綠洲-荒漠系統(tǒng)長期實驗研究平臺;在綠洲區(qū)監(jiān)測研究水鹽動態(tài)、量化鹽分累積速率,以預(yù)測不同灌溉情景下鹽分災(zāi)變發(fā)生的時限;在邊緣荒漠監(jiān)測研究植被動態(tài)-地下水位關(guān)系,以量化地下水位下降時植被退化速率,預(yù)測植被退化的下限及其發(fā)生時限。經(jīng)過幾年、幾十年的積累,定量揭示綠洲-荒漠系統(tǒng)實現(xiàn)共生共存的最低農(nóng)田排水需求,以確定當(dāng)?shù)叵滤┙o消失后荒漠植被是否能繼續(xù)履行綠洲生態(tài)屏障的功能,可為干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展作出實實在在的重要貢獻。
利用成熟的土壤水分/鹽分傳感器、地下水位/水質(zhì)傳感器、雨量傳感器等生態(tài)環(huán)境參數(shù)測量傳感器,以及數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù),結(jié)合蒸滲儀(Lysimeter)、地下水位觀測井、遮雨棚等普遍使用的野外實驗設(shè)施,設(shè)計不同規(guī)格和功能的 Lysimeter 群、地下水觀測井群、遮雨棚群,可有效滿足長期試驗需求。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,新疆阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(以下簡稱“阜康站”)建設(shè)了“綠洲-荒漠共生關(guān)系實驗?zāi)M平臺”(Experiment and Simulation Platform for Oasis-Desert Symbiotic Relationship)(以下簡稱“綠洲-荒漠平臺”,ODP),形成針對各部位核心問題的完整綠洲-荒漠系統(tǒng)共生關(guān)系長期定位實驗研究平臺。綠洲-荒漠平臺為解決區(qū)域重大需求中的科學(xué)問題而自行設(shè)計建設(shè),是一個具有獨創(chuàng)性的集成科研基礎(chǔ)設(shè)施平臺。
綠洲-荒漠平臺是我國首個以荒漠-綠洲共生關(guān)系為研究對象的科研平臺,不僅能增強阜康站對溫帶干旱地區(qū)陸地表層過程、荒漠植被(荒漠灌叢群落)維持機制、區(qū)域水鹽運移及其他生物地球化學(xué)循環(huán)過程的研究能力,還將吸引優(yōu)秀科學(xué)家到阜康站開展聯(lián)合研究,為開發(fā)荒漠生態(tài)系統(tǒng)模型、發(fā)展荒漠生態(tài)理論、提升荒漠生態(tài)系統(tǒng)管理和保護能力奠定基礎(chǔ)。
綠洲-荒漠共生關(guān)系實驗研究體系是阜康站能力提升建設(shè)的關(guān)鍵性、創(chuàng)新性工作,特別是綠洲-荒漠平臺將綠洲-荒漠作為一個相關(guān)聯(lián)的復(fù)合體,與宏觀生態(tài)系統(tǒng)、以水分和鹽分等關(guān)鍵要素的傳輸運移作為 2 個生態(tài)系統(tǒng)連接紐帶,開展關(guān)聯(lián)性試驗和研究,是一種新的嘗試。
(1)綠洲土壤累積的隱蔽性及其監(jiān)測問題?,F(xiàn)代灌溉技術(shù)的優(yōu)點是按需灌溉,而植物根系又具有自適應(yīng)功能——只在濕度大、鹽度低的區(qū)域生長。因此,在相當(dāng)長的時間內(nèi),綠洲區(qū)的土壤鹽分聚積并不妨礙作物生長,因而難以被認(rèn)知。事實上,在水分能夠入滲的最大深度處,鹽分在悄然聚積,逐漸形成鹽盤。鹽盤一旦形成,幾乎無法去除,綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將面臨滅頂之災(zāi)。因此,綠洲區(qū)的研究重點是監(jiān)測鹽盤的形成。但鹽盤的形成速度、位置因灌溉水的質(zhì)和量而異,且因土壤類型、分層結(jié)構(gòu)差異而不同,無法真正實現(xiàn)野外實時監(jiān)測,即便是個別監(jiān)測點能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測,也不代表全局。因此,硬件裝置模擬是當(dāng)前解決該問題的唯一出路。
(2)綠洲外圍荒漠區(qū)地下水位下降的時空異質(zhì)性問題。在我國西北干旱區(qū),綠洲形成于山前沖洪積扇與河流兩岸。該區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,地下水流場不定,地下水位變化時空異質(zhì)性巨大,因而大范圍定位監(jiān)測代價高昂,無法實際實施。
(3)荒漠灌叢抗逆性強、衰退響應(yīng)滯后問題。地下水位下降后,依賴地下水生存的荒漠灌叢并不會立即衰退、死亡,而是以其極大的抗逆能力,通過生理調(diào)節(jié)、個體形態(tài)調(diào)整,并充分利用水位下降后的土層殘存水頑強生存。這一過程可能持續(xù)幾年乃至幾十年,因而荒漠植被的衰退也具有隱蔽性,初期很難被發(fā)現(xiàn)。
面對以上問題,為了實現(xiàn)平臺建設(shè)目標(biāo),平臺研究人員采取了實驗?zāi)M裝置與野外定位監(jiān)測相結(jié)合的方法,以解決技術(shù)困難,實現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測。
(1)Lysimeter 鹽分監(jiān)測。綠洲區(qū)鹽分聚積過程簡單,以 Lysimeter 配置不同灌溉量,對鹽盤產(chǎn)生及形成過程進行監(jiān)測。
(2)模擬裝置和野外定位實驗相結(jié)合,實現(xiàn)荒漠地下水位與植被關(guān)系監(jiān)測與模擬?;哪畢^(qū)的水循環(huán)過程復(fù)雜,但阜康站所在區(qū)域位于綠洲-荒漠銜接處,土層中有深達幾十米的黏土隔離,地下水交換基本斷絕。因此,阜康站從綠洲邊緣到荒漠腹地的地下水位梯度在過去幾十年保持穩(wěn)定,可以利用空間換時間的方法進行地下水位-荒漠灌叢的關(guān)系監(jiān)測和研究。模擬裝置可調(diào)節(jié)地下水位,定量監(jiān)測研究地下水位變化時、荒漠灌叢的響應(yīng)。
綠洲-荒漠共生關(guān)系研究平臺包含 3 個子平臺:綠洲土壤鹽分累積與荒漠地下水位模擬子平臺、地下水位與荒漠植被關(guān)系子平臺、沙漠內(nèi)部降水與荒漠植被關(guān)系子平臺。這 3 個子平臺的監(jiān)測范圍涵蓋了綠洲、沙漠邊緣、沙漠內(nèi)部,包括了定位硬件裝置模擬與野外定位實驗觀測 2 種研究手段,形成了針對綠洲和荒漠各部位核心科學(xué)問題的完整綠洲-荒漠系統(tǒng)共生關(guān)系長期定位實驗研究平臺。
(1)模擬裝置的基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)完成由 30 個Lysimeter 組成的 Lysimeter 群(圖 1),每個 Lysimeter面積 4 m2;其中,深度為 5 m 的 Lysimeter 10 個,用于模擬荒漠地下水位變化;深度為 3 m 的 Lysimeter 20個,用于模擬綠洲鹽分積累。綠洲 Lysimeter 土柱以當(dāng)?shù)赝练謱踊靥钪猎既葜??;哪?Lysimeter 土柱是從原始荒漠生境中異地取土,分層回填。
圖1 綠洲土壤鹽分累積與荒漠地下水位模擬子平臺Figure 1 The sub-set of the platform for simulation of salt accumulation in oasis and desert
(2)土壤溶液提取系統(tǒng)。農(nóng)田 Lysimeter 土柱分別在深度 20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、290 cm 處安裝土壤溶液提取裝置,每個 Lysimeter 1 套,共安裝 20 套。共配備 660 只陶土頭(用 1 備 2),220 個取樣瓶及配套高壓氣管、20 套提取器、20 套不銹鋼支架、1 套電動吸引器(圖 2)等。
圖2 土壤溶液提取系統(tǒng)Figure 2 Soil solution collecting system
(3)農(nóng)田土柱土壤滲漏量自動監(jiān)測系統(tǒng)。為農(nóng)田土柱配備滲漏量自動監(jiān)測系統(tǒng)共 20 套。包含 20 套有機玻璃滲漏桶、40 個電動閥門、控制及采集系統(tǒng)、配套氣管接頭配件等(圖 3)。
圖3 農(nóng)田土柱土壤滲漏量自動監(jiān)測系統(tǒng)Figure 3 Automatic system for collecting drainage from agricultural soil column
(4)觀測地下室及其配套設(shè)備。整個模擬系統(tǒng)以地上種植、地下觀測形式配置。工程地下層數(shù) 1 層,凈寬度為 11.8 m,凈長度 43.3 m;工程現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),完全防水,抗震級別達到 11 級。
(5)自動監(jiān)測系統(tǒng)。Lysimeter 土體剖面配置土壤水分、溫度、電導(dǎo)率原位測定系統(tǒng)。采用一體化數(shù)據(jù)控制軟件,對 Lysimeter 數(shù)據(jù)文件進行管理和運行維護(圖 4)。
圖4 Lysimeter土體監(jiān)測系統(tǒng)布置Figure 4 Arrangement of monitoring sensors in Lysimeter
該子平臺初始設(shè)計為由抽水井群、地下水位監(jiān)測網(wǎng)、土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)、植被生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等單元組成,但該區(qū)域砂質(zhì)土層厚達 100 m,工程開挖面跨度大、土體松散、穩(wěn)定性差,工程存在較大危險性,甚至無法實施。因此,對原方案進行了修改:在模擬系統(tǒng)中增加 5 m 荒漠土柱,在不同深度布置溫度、濕度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的探頭,在土柱底部聯(lián)通自動補水裝置,模擬不同地下水位。通過種植梭梭模擬荒漠植被與地下水位關(guān)系。通過調(diào)節(jié)地下水埋深和地下水位變化速率,監(jiān)測梭梭生長和生活狀況。另外,利用在綠洲邊緣原有的 10 口觀測井,向沙漠腹地沿地下水位梯度新布設(shè) 16 口地下水位觀測井,形成地下水長期觀測樣帶,同步在 8 個點測定建立植物動態(tài)監(jiān)測樣地,監(jiān)測跟蹤研究地下水與植被的關(guān)系(圖 5)。
圖5 地下水與植被關(guān)系監(jiān)測樣帶Figure 5 Monitoring belt for relationship between groundwater and vegetation
該子平臺設(shè)置有長期遮雨和地下水交互控制試驗平臺、梭梭-白梭梭群落大樣方監(jiān)測試驗平臺,包含有透光遮雨棚、植被生長動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、定量遙感觀測塔、雨量計、供水系統(tǒng)等。在沙漠腹地、非地下利用區(qū)的梭梭-白梭梭灌叢群落設(shè)置 5 個 25 m×20 m 透光遮雨棚,用于驗證長期干旱對梭梭-白梭梭灌叢群落生長及生理的影響。長期遮雨和地下水交互樣地,沿典型地下水位梯度,分別在地下水位 3 m、8 m、12 m 處設(shè)置 9 個降水遮除樣方,每個遮除樣方由 2 個 20 m×20 m 的透光遮陽棚組成,在樣地內(nèi)安裝 1 套土壤溫、濕度自動測定儀,并在樣方內(nèi)設(shè)定 5 株監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)木,以及 5 個 1 m×1 m 固定樣方用于草本層監(jiān)測,在每年生長峰值期用無人機監(jiān)測各固定樣方內(nèi)植被生長狀況(圖 6)。大樣方,用優(yōu)質(zhì)塑鋼網(wǎng)圍封 100 hm2樣地,其中 25 hm2系統(tǒng)布設(shè)成 5 m×5 m 樣方,精確調(diào)查樣方內(nèi)每株植物的空間位置(圖 7)、地形情況,以及微地形水分、溫度、光照等條件的改變,用以分析資源可利用性的空間異質(zhì)性與群落動態(tài)的關(guān)系、長期植物種群變化與群落空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
圖6 梭梭-白梭梭群落大樣方灌叢分布密度及儀器布置Figure 6 Shrub distribution and corresponding monitoring instruments in sample plot
圖7 梭梭-白梭梭群落大樣方內(nèi)植物空間分布Figure 7 Detailed distribution map of shrubs in sample plot
綠洲-荒漠平臺是荒漠植被長期演替、干旱區(qū)水文循環(huán)過程、綠洲農(nóng)田土壤地力形成及其培育,以及溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)健康等多學(xué)科基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和示范的合作共享平臺。該平臺將成為我國溫帶荒漠區(qū)最重要的長期、復(fù)合及自動化監(jiān)測的綜合試驗平臺之一,為揭示荒漠區(qū)植被生存與維持機制、發(fā)展荒漠植被維持與恢復(fù)理論、構(gòu)建荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)模型、形成溫帶干旱區(qū)生態(tài)保護的技術(shù)范式等奠定相關(guān)基礎(chǔ)。
依托綠洲土壤鹽分累積與淋洗效果子平臺和沙漠邊緣區(qū)地下水與植被關(guān)系子平臺,初步在灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展對綠洲-荒漠系統(tǒng)水文情勢、土壤鹽堿化和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響方面取得了進展。相關(guān)研究已發(fā)表在國際水文學(xué)領(lǐng)域期刊Journal of Hydrology和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域期刊Science of the Total Environment上[11-13]。該系列研究進展可為旱區(qū)荒漠保育、綠洲節(jié)灌及水資源安全提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。
利用綠洲土壤鹽分累積與淋洗效果子平臺和沙漠邊緣區(qū)地下水與植被關(guān)系子平臺,以荒漠主要優(yōu)勢灌木為研究對象,通過開展灌叢植物地上和地下功能性狀對地下水環(huán)境變化的響應(yīng)特征和適應(yīng)機制研究,闡明了該區(qū)灌叢植物適應(yīng)地下水位變化的水分利用調(diào)節(jié)機制,為準(zhǔn)噶爾盆地退化荒漠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建過程中的地下水管理和調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Environmental and Experimental Botany、Plant and Soil等期刊[14,15]。平臺還支撐了國家自然科學(xué)基金“古爾班通古特沙漠南緣荒漠植被對綠洲排水的依賴性研究”“兩種梭梭屬植物在極端干旱時的存活與死亡及其對相應(yīng)群落的影響”,中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目“荒漠灌叢生存機制與綠洲-荒漠共生關(guān)系研究”等項目的研究工作。預(yù)期在該平臺支撐下,在不久的將來,可在荒漠灌叢植物幼苗更新定居機制、成年植物生存時限和死亡發(fā)生風(fēng)險等方面取得更具突破性、創(chuàng)新性的研究進展。
以該平臺為支撐,重點將開展 6 個方面的研究:
(1)溫帶原生荒漠生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和穩(wěn)定性對氣候變化的響應(yīng)機理;
(2)綠洲荒漠區(qū)碳、氮循環(huán)過程及其生物與非生物驅(qū)動機理;
(3)荒漠區(qū)植物根系功能及荒漠植物地上、地下生物過程的協(xié)調(diào);
(4)荒漠植物/綠洲作物耐鹽的生理生態(tài)基礎(chǔ)與生存極限;
(5)綠洲-荒漠水分分配及區(qū)域鹽分運移;(6)荒漠區(qū)土壤水分變異與植被格局關(guān)系。
(1)運行機制。阜康站成立了荒漠-綠洲共生關(guān)系研究平臺監(jiān)管委員會,指導(dǎo)和管理平臺的維護、運行與共享。該委員會由中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所和阜康站的主要領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)專家組成;其主要職責(zé)是監(jiān)督研究平臺的正常運轉(zhuǎn),制訂平臺內(nèi)各子平臺觀測項目標(biāo)準(zhǔn),以及審核討論利用平臺開展非破壞性試驗的項目和人員。平臺的常規(guī)監(jiān)測納入阜康站日常監(jiān)測項目。
(2)共享機制。研究平臺實行開放共享制度,包括試驗監(jiān)測儀器設(shè)施及積累的觀測數(shù)據(jù)。在平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)使用上,擬搭建荒漠-綠洲共生關(guān)系研究平臺的數(shù)據(jù)庫,為廣大研究人員提供數(shù)據(jù)服務(wù),以達到對外開放、共享的目標(biāo)。研究平臺使用執(zhí)行申請制度,申請人需向監(jiān)管委員會提交研究申請,簽署協(xié)議,承諾非破壞性使用、數(shù)據(jù)共享與保密、成果標(biāo)注等。