中國網/中國發展門戶網訊 我國西北干旱區地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，降水稀缺，荒漠廣布，是北半球溫帶干旱區的中心區域。山盆結構是西北干旱區的最大特點，發源于盆地四周的高大山地的內陸河，流出山口后，在其兩岸或沖洪積扇區域直至尾閭地區補給淺層地下水，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系統是該區域內人類最早的定居點和灌溉農業發起點。
由于潛在蒸發量巨大、降水稀少，綠洲農業生產離不開灌溉。而灌溉水從來不是蒸餾水，鹽分聚集不可避免，灌溉農業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部構建通暢的排堿溝渠系統，將鹽分隨水輸送到綠洲外圍。這些排鹽產生的農業尾水能夠被各種耐鹽堿的荒漠灌木所利用，作為生態用水維持了外圍荒漠的生存與綠洲系統的穩定。因此，只要農業灌溉用水/生態用水（洗鹽排出的水量）比例在一定合理范圍內，干旱區綠洲-荒漠系統就能可持續發展。
然而，隨著人口的增加和科學技術的進步，人類對于自然資源的需求急劇增加，人口、資源和環境之間的矛盾越來越難以調和。這種矛盾在干旱地區更加突出：伴隨著膜下滴灌等節水灌溉方式的普及，灌溉水利用效率快速提高，不再產生農業尾水；許多聯通綠洲內、外的排堿溝渠系統已經被廢棄，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。
以西北干旱區荒漠植被的主要建群種梭梭為例：研究顯模型示，在每年 5—9 月生長旺季，地下水為梭梭貢獻了近 100% 的水源。顯然，綠洲農業灌溉方式的轉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產生嚴重不良后果，進而危及綠洲生態安全乃至綠洲的存續。此外，在準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。這些啟動儀式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生地上競爭。但水是干旱區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，荒漠灌木也在為了獲得穩定的水源而悄無聲息地加速向下延伸。對于植物來說，在冠層閉合環境中，擁有比經典大圖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。同樣，在干旱開放環境中，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濟；同樣地，荒漠區中的灌叢也不是主根延伸最深就最經濟。擁有高大的樹冠和龐大的根系，都需要大量的光合產物投入來維持；其實，只要達到合適的投入產出比例，量入為出地合理構建根冠比，達到資源最優配置就可以在競爭中勝出。構建不同的根冠比，意味著在競爭中采取不同的競爭策略。各種不同根冠比物種出現在同一群落中，形成帶譜，也許是荒漠灌叢生態系統維持生物多樣性的機制。毫無疑問，在干旱區，地下資源格局和豐度從根本上決定著荒漠生態系統的結構和功能，但在這一領域我們依然有太多的未知尚待探索，因而難以準確認知和預測生態危機。
綠洲外圍大量灌叢地面臨的生存危機，關乎我國西北干旱區乃至中亞地區生態安全、經濟社會的可持續發展與人民的福祉。荒漠灌叢植物水分關系及荒漠灌叢維持機制，不僅是當今世界荒漠生態學研究前沿，同時對當地生態環境建設和社會可持續發展具有緊迫的現實意義。以綠洲-荒漠區水鹽運移-植被動態的相互關系為核心，建立綠洲-荒漠系統長期實驗研究平臺；在綠洲區監測研究水鹽動態、量化鹽分累積速率，以預測不同灌溉情景下鹽分災變發生的時限；在邊緣荒漠監測研究植被動態-地下水位關系，以量化地下水位下降展覽策劃時植被退化開幕活動速率，預測植被退化的下限及其發生時限。經過幾年、幾十年的積累，定量揭示綠洲-荒漠系統實現共生共存的最低農田排水需求，以確定當地下水供給消失后荒漠植被是否能繼續履行綠洲生態屏障的功能，可為干旱區可持續發展作出實實在在的道具製作重要貢獻。
利用成熟的土壤水分/鹽分傳感器、地下水位/水質傳感器、雨量傳感器等生態環境參數測量傳感器，以及數據采集傳輸技術，結合蒸滲儀（Lysimeter）、地下水位觀測井、遮雨棚等普遍使用的野外實驗設施，設計不同規格和功能的 Lysimeter 群、地下水觀測井群、遮雨棚群，可有效滿足長期試驗需求。在中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目支持下，新疆阜康荒漠生態系統廣告設計國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“阜康站”）建設了“綠洲場地佈置-荒漠共生關系實驗模擬平臺”（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-荒漠系統共生關系長期定位實驗研究平臺。綠洲展覽策劃-荒漠平臺為解決區域重大需求中的科學問題而自行設計建設，是一個具有獨創性的集成科研基礎設施平臺。
綠洲-荒漠平臺是我國首個以荒漠-綠洲共生關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陸地表層過程、荒漠植被（荒漠灌叢群落）維持機制、區域水鹽運移及其他生物地球化學循環過程的研究能力，還將吸引優秀科學家到阜康站開展聯合研究，為開發荒漠生態系統模型、發展荒漠生態理論、提升荒漠生態系統管理和保護能力奠定基礎。
綠洲-荒漠平臺建設的難點及技術創新
綠洲-荒漠共生關系實驗研究體系是阜康站能力提升建設的關鍵性、創新性工作，特別是綠洲-荒漠平臺將綠洲-荒漠作為一個相關聯的復合體，與宏觀生態系統、以水分和鹽分等關鍵要素的傳輸運移作為 2 個生態系統連接紐帶，開展關聯性試驗和研究，是一種新的嘗試。
平臺建設過程中的關鍵問題
綠洲土壤累積的隱蔽性及其監測問題。現代灌溉技術的優點是按需灌溉，而植物根系又具有自適應功能——只在濕度大、鹽度低的區域生長。因此，在相當長的時間內，綠洲區的土壤鹽分聚積并不妨礙作物生長，因而難以被認知。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，綠洲農業生產將面臨滅頂之災。因此，綠洲區的研究重點是監測鹽盤的形成。但鹽盤的形成速度、位置因灌溉水的質和量而異，且因土壤類型、分層結構差異而不同，無法真正實現野外實時監測，即便是個別監測點能夠實現實時監測，也不代表全局。因此，硬件裝置模擬是當前解決該問題的唯一出路。
綠洲外圍荒漠區地下水位下降的時空異質性問題。在我國西北干旱區，綠洲形成于山前沖洪積扇與河流兩岸。該區水文地質結構復雜多變，地下水流場不定，地下水位變化時空異質性巨大，因而大范圍定位監測代價高昂，無法實際實施。
荒漠灌叢抗逆性強、衰退響應滯后問題。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，通過生理調節、個體形態調整，策展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，初期很難被發現。
解決方法和創新思路
面對以上問題，為了實現平臺建設目標，平臺研究人員采取了實驗模擬裝置與野外定位監測相結合的方法，以解決技術困難，實現準確監測。
Lysimeter 鹽分監測。綠洲區鹽分聚積過程簡單，以 Lysimeter 配置不同灌溉量，對鹽盤產生及形成過程進行監測。
模擬裝置和野外定位實驗相結合，實現荒漠地下水位與植被關系監測與模擬。荒漠區的水循環過程復雜，但阜康站所在區域位于綠洲-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-荒漠灌叢的關系監測和研究。模擬裝置可調節地下水位，定量監測研究地下水位變化時、荒漠灌叢的響應。
綠洲-荒漠平臺組成與功能
綠洲-荒漠共生關系研究平臺包含 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系子平臺、沙漠內部降水與荒漠植被關系子平臺。這 3 個子平臺的監測范圍涵蓋了綠洲、沙漠邊緣、沙漠內部，包括了定位硬件裝置模擬與野外定位廣告設計實驗觀測 2 種研究手段，形成了針對綠洲和荒漠各部位核心科學問題的完整綠洲-荒漠系統共生關系長期定位實驗研究平臺。
綠洲土壤鹽分累積與荒漠地下水位模擬子平臺
模擬裝置的基礎設施。建奇藝果影像設完成由 30 個Lysimeter 組成的 L記者會ysimeter 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 土柱以當地土分層回填至原始容重。荒漠 Lysimeter 土柱是從原始荒漠生境中異地取土，分層回填。
土壤溶液提取系統。農田 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 6攤位設計60 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。
農田土柱土壤滲漏量自動監測系統。為農田土柱配備滲漏量自動監測系統共 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、配套氣管接頭配件等（圖 3）。
觀測地下室及其配套設備。整個模擬系統以地上種植、地下觀測形式配置。工程地下層數 1 層，凈寬度為 11.8 m，凈長度 43.3 m；工程現場澆筑鋼筋混凝土結構，完全防水，抗震級別達到 11 級。
自動監測系統。Lysimeter 土體剖面配置VR虛擬實境土壤水分、溫度、電導率原位測定系統。采用一體化數據控制軟件，對 Lysimeter 數據文件進行管理和運行維護（圖 4）。
地下水位與荒漠植被關系子平臺
該子平臺初始設計為由抽水井群、地下水位監測網、土壤水分監測系統、植被生理生態監測系統等單元組成，但該區域砂質土層厚達 100 m，工程開挖面跨度大、土體松散、穩定性差，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：在模擬系統中增加 5 m 荒漠土柱，在不同深度布置溫度、濕度和電導率數據的探頭，在土柱底部聯通自動補水裝置，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系。通過調節地下水埋深和地下水位變化速率，監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 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監大型公仔測樣地，監測跟蹤研究地下水與植被的關系（圖 5）。
沙漠內部降水與荒漠植被關系子平臺
該子平臺設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測試驗平臺，包含有透光遮雨棚、植被生長動態監測系統、定量遙感觀測塔、雨量計、供水系統等。在沙漠腹地、非地下利用區的梭梭-白梭梭灌叢群落攤位設計設置 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 處設置 9 個降水遮除樣方，每個互動裝置遮除樣方由 2 個 20 m×20 m的透光遮陽棚組成，在樣地內安裝 1 套土壤溫、濕度自動測定儀，并在樣方內設定 5 株監測標準木，以及 5 個 1 m×1 m 固定樣方用于草本層監測，在每年生長峰記者會值期用無人機監測各固定樣方內植被生長狀況（圖 6）。大樣方，用優質塑鋼網圍封 100 hm2 樣地，其中 25 hm2 系統布設成 5 m×5 m 樣方，精確調查樣方內每株植物的空間位置（圖 7）、地形情況，以及微地形水分、溫度、光道具製作照等條件的改變，用以分析資源可利用性的空間異質性與群落動態的關系、長期植物種群變化與群落空間結構的關系。
科學研究成效和對綠洲-荒漠生態開幕活動系統研究的支撐
綠洲-荒漠平臺是荒漠植被長期演替、干旱區水文循環過程、綠洲農田土壤地力形成及其培育，以及溫帶荒漠生態系統健康等多學科基礎研究、技術研發和示范的合作共享平臺。該平臺將成為我國溫帶荒漠區最重要的長期、復合及自動化監測的綜合試驗平臺之一，為揭示荒漠區植被生存與維持機制、發展荒漠植被維持與恢復理論、構建荒漠生態系統碳氮循環模型、形成溫帶干旱區生態保護的技術范式等奠定相關基礎。
科學研究成效
依托綠洲土壤鹽分累積與淋洗效果子平臺和沙漠邊緣區地下水與植被關系子平臺，初步在灌溉農業發展對綠洲-荒漠系統水文情勢、土壤鹽堿化和生態系統穩定性的影響方面取得了進展。相關研究已發表在國際水文學領域期刊 Journal of Hydrology 和生態環境領域期刊 Science of the Total Environment 上。該系列研究進展可為旱區荒漠保育、綠洲節灌及水資源安全提供理論和應用基礎。
利用綠洲土壤鹽分累積與淋洗效果子平臺和沙漠邊緣區地下水與植被關系子平臺，以荒漠主要優勢灌木為研究對象，通過開展灌叢植物地上和地下功能性狀對地下水環境變化的響應特征和適應機制研究，闡明了該區灌叢植物適應地下水位變化的水分利用調節機制，為準噶爾盆地退化荒漠生態系統的恢復和重建過程中的地下水管理和調控提供了理論基礎。相關研究成果發表在 Enviro舞臺背板nmental and全息投影 Experimental Botany、Plant and Soil 等期刊。平臺還支撐了國家自然科學基金“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群落的影響”，中國科學院前沿科學重點研究項目“荒漠灌叢生存機制與綠洲-荒漠共生關系研究”等項目的研究工作。預期在該平臺支撐下，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生風險等方面取得更具突破性、創新性的研究進展。
未來研究計劃
以該平臺為支撐，重點將開展 6 個方面的研究：溫帶原生荒漠生態系統包裝設計植物多樣性和穩定性對氣候變化的響應機理；綠洲荒漠區碳、氮循環過程及其生物與非生物驅動道具製作機理；荒漠區植物根系功能及荒漠植物地上、地下生物過程的協調；荒漠植物/綠洲作物耐鹽的生理生態基礎與生存極限；綠洲-荒漠水分分配及區域鹽分運移；荒漠區土壤水分變異與植被格平面設計局關系。展覽策劃
運行與管理辦法
運行機制。阜康站成立品牌活動了荒漠-綠洲共生關系研究平臺監管委員會，指導和管理平臺的維護、運行與共享。該委員會由中國科學院新疆生態與地理研究所和阜康站的主要領導和相關專家組成；其主要職責是監督研究平臺的正常運轉，制訂平臺內各子平臺觀測項目標準，以及審核討論利用平臺開展非破壞性試驗的項目和人員。活動佈置平展場設計臺的常規監測納入阜康站日常監測項目。
共享機制。研究平臺實行開放共享制度，包括試驗監測儀器設施及積累的觀測數據。在平臺產生的數據使用上，擬搭建荒漠-綠洲共生關系研究平臺的數據庫，為廣大研究人員提供數據服務，以達到對外開放、共享的目標。研究平臺使用執行申請制度，申請人需向監管委員會提交研究申請，簽署協議，承諾非破壞性使用、數據共享與保密、成果標注等。
（作者：李彥、鄭新軍、王玉剛、徐貴青、劉冉，中國科學院新疆生態與地理研究所；《中國科學院院刊》供稿）
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