塔克拉瑪干沙漠公路防護林棵間土壤蒸發(fā)及蒸發(fā)量估算

在多年調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)塔克拉瑪干沙漠公路的機械防沙工程體系雖能基本上保證道路暢通,卻也存在著一些問題,即該防沙工程體系沒有能夠依據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙活動的強弱,在不同地貌單元與部位上選用不同規(guī)格的固沙蘆葦方格;沒有能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用可大量減少材料用量且施工省力、質(zhì)量易于控制的單層固沙蘆葦方格;在固沙蘆葦方格的維護上更偏重于大面積破壞后的重新栽植,而不是小面積破壞后的及時補栽;在新型固沙措施的研究與應(yīng)用方面也滯后于生產(chǎn)需要。在分析問題的同時,也提出了相應(yīng)的改進措施。這些問題的共同影響,明顯地提高了機械防沙工程體系的建設(shè)與養(yǎng)護成本,導(dǎo)致其防護功效大幅度降低,并最終出現(xiàn)了有被人工防護林生態(tài)工程取代的趨勢。

陽光灼曬下的塔克拉瑪干沙漠酷熱無比，我們奔跑在沙漠腹地的公路上，汽車空調(diào)不停地吹出強勁的冷氣，讓人感覺不到窗外的炎熱。因為有貫穿塔克拉瑪干的沙漠公路存在，使我們有機會成為沙漠腹地來往穿梭的過客。新修的道路平坦舒適，坐在車里。時速達到120公里，沒感覺太大的顛簸。道路兩旁隨處可見成片的胡楊，這是塔克拉瑪干沙漠的一處奇跡，因為有河流的存在，這里生機盎然。

塔克拉瑪干沙漠公路447km路段穿越新月形沙丘與沙丘鏈、復(fù)合橫向沙壟以及高大復(fù)合縱向沙壟區(qū),風(fēng)沙危害極為嚴重,被譽為“世界公路建筑的奇跡”。為解決沙漠公路風(fēng)沙防護體系構(gòu)建的一系列科學(xué)與技術(shù)問題,沙漠學(xué)界隨之開展了風(fēng)沙運動規(guī)律,風(fēng)沙危害的成因、強度、時空分異及其機械、化學(xué)、生物防治的理論與應(yīng)用研究。本文對風(fēng)沙危害及其防治研究的主要內(nèi)容及研究進展進行了全面總結(jié),認為塔克拉瑪干沙漠公路風(fēng)沙危害與防治的理論研究成果與實踐應(yīng)用水平取得突破性進展。

以塔克拉瑪干沙漠公路防護林的喬木狀沙拐棗(calligonumarborescens)、多枝檉柳(tamarixramosis-sima)和梭梭(haloxylonammodendron)2年生苗木為材料,采用盆栽試驗,設(shè)置10d(處理ⅰ)、20d(處理ⅱ)和40d(處理ⅲ)的自然干旱脅迫周期,探討其不同干旱處理下的水分生理特征及其耐旱性。結(jié)果表明:(1)3種苗木的水勢均隨著干旱脅迫程度增強而降低,水勢最大降幅均在第2個干旱處理周期內(nèi),在第3個干旱處理周期內(nèi)水勢有較大回升,且以喬木狀沙拐棗水勢最高,梭梭水勢最低。(2)喬木狀沙拐棗的pv水分參數(shù)均隨著干旱脅迫強度的增強而降低,其滲透勢在第3個干旱周期內(nèi)開始回升,而初始質(zhì)壁分離的相對含水量(rwctlp)一直呈降低趨勢,質(zhì)外體水分含量(awc)呈現(xiàn)出"降-升-降"的波動狀態(tài)。喬木狀沙拐棗的耐旱能力隨著干旱脅迫程度的增強變化不明顯,它主要通過減少水分散失適應(yīng)干旱環(huán)境。(3)多枝檉柳的pv水分參數(shù)在處理ⅰ和處理ⅱ之間差別很小,處理ⅲ第60天就枯亡;其ψsat和ψtlp在第1個干旱周期降低,第2個干旱周期開始回升,而其awc隨脅迫時間在不斷增大;多枝檉柳的耐旱能力隨著干旱的增強急劇降低,耐旱性最差,它主要通過增加水分散失適應(yīng)干旱環(huán)境。(4)梭梭的ψsat和ψtlp在處理ⅱ、ⅲ之間非常接近,且都低于處理ⅰ,rwctlp與awc隨著干旱強度增強而增大,同期處理ⅱ和ⅲ的awc都高于處理ⅰ。梭梭的耐旱能力隨著干旱的增強不斷增強,它通過增加體內(nèi)水分含量,減少水分散失應(yīng)對干旱脅迫。(5)3種植物的耐旱能力強弱為:梭梭>喬木狀沙拐棗>多枝檉柳,所以梭梭最適合做沙漠防護林樹種。

利用塔克拉瑪干沙漠公路沿線的肖塘、滿參和塔中3個定位觀測站1個自然年的監(jiān)測資料,對以起沙風(fēng)和輸沙強度為表征的風(fēng)沙活動進行了分析。選取氣象站標(biāo)準(zhǔn)高度10min風(fēng)速中大于臨界起沙風(fēng)速(≥6.0m/s)的風(fēng),按16方位分別統(tǒng)計不同級別風(fēng)的次數(shù)及其方位,計算輸沙量。結(jié)果表明,風(fēng)沙危害的主風(fēng)向為偏東風(fēng),頻率范圍48%~76%。風(fēng)沙活動集中在4~9月;從沙漠邊緣向腹地風(fēng)沙活動加強。向沙漠腹地深入,應(yīng)加大公路風(fēng)沙危害防護力度。

塔克拉瑪干沙漠公路沿線氣候惡劣、土壤和淺層地下水的含鹽量高,沿線天然植被稀少,沙漠腹地僅發(fā)現(xiàn)12種能忍耐干旱和抗鹽的植物種。經(jīng)過科學(xué)試驗,已經(jīng)解決了沙漠腹地灌溉條件下固沙植物引種、選育和咸水灌溉等一系列人工綠地建設(shè)的技術(shù)難題,并且已經(jīng)引種固沙植物50多種,建成沙漠公路固沙、基地綠化人工綠地43.3hm2。沙漠人工植物栽培離不開灌溉。因此,主要從沿線土壤鹽分狀況,可利用水資源分布來評價植物固沙的立地條件。評價結(jié)果,在塔里木河近現(xiàn)代沖積平原有古河道淡水可以利用,昆侖山山前沖洪積扇普遍賦存可以利用的咸水。但全線可利用水資源的量不足以維持常規(guī)灌溉方式,必須采取節(jié)水灌溉,盡量節(jié)省資源,一些地方生物防沙要結(jié)合工程固沙,形成工程生物防沙體系,保證公路的暢通。

在塔克拉瑪干沙漠公路運營多年后,野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),根據(jù)\"填挖平衡\"等原則及風(fēng)洞試驗成果而設(shè)計的路基斷面形式,存在著一定的問題。主要表現(xiàn)為:未能考慮更大范圍的地形起伏及固沙帶積沙導(dǎo)致的地面上升等因素,致使路基高度設(shè)計過低,造成風(fēng)沙害越來越重,防治難度及成本也越來越高;此外,路基邊坡均為1∶3也不太合適,尤其是當(dāng)路塹較長較深時。在此認知基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H,探討更為合理的路基斷面形式,如路基高度應(yīng)提高45~80cm,平均60cm左右,有些路基邊坡可為落沙坡等,以期能更好地指導(dǎo)流動沙丘分布區(qū)的沙漠公路建設(shè)。

應(yīng)用塔克拉瑪干沙漠干線公路建成通車以來的交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù),在分析交通事故主要指標(biāo)發(fā)展變化特征和分布特征的基礎(chǔ)上,建立了適用于沙漠公路交通事故特點的gm(1,1)預(yù)測模型,對未來幾年內(nèi)交通事故發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明,未來幾年沙漠公路交通事故次數(shù)、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)以及直接經(jīng)濟損失等4項指數(shù)將分別以15.9%,10%,4.5%和5%的年平均增長率快速增長。同時針對預(yù)測結(jié)果提出了相應(yīng)的對策。

為了揭示塔里木沙漠公路防護林內(nèi)覆蓋物對土壤水分蒸發(fā)的影響,在塔克拉瑪干沙漠腹地進行人工模擬蒸發(fā)實驗,為其防護林水資源高效利用和灌溉制度優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).研究結(jié)果表明:(1)積沙層、鹽結(jié)皮層、枯落物和積沙-枯落物混合層等覆蓋物阻隔土壤蒸發(fā),對土壤水分蒸發(fā)作用影響明顯;日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率都較無覆蓋物沙地大幅降低,而且覆蓋物越厚,降低幅度越大;覆蓋條件下蒸發(fā)受其他因素影響較小,日蒸發(fā)量變幅降低,累積蒸發(fā)呈線性分布,累計蒸發(fā)曲線近似直線,而裸沙地累積蒸發(fā)則呈正對數(shù)分布,累計蒸發(fā)曲線近似折線,蒸發(fā)受其他因素影響較大,日蒸發(fā)量變幅大,蒸發(fā)過程具有階段性;(2)覆蓋物的蒸發(fā)抑制效率明顯,而且隨覆蓋物厚度增加而成對數(shù)函數(shù)增加,當(dāng)覆蓋物厚度增加到一定程度時,蒸發(fā)抑制效率增幅逐漸降低;各覆蓋物在2cm厚度的蒸發(fā)抑制效率差別不大,最大蒸發(fā)抑制效率(根據(jù)灌溉第1天日蒸發(fā)量計算)則為:積沙-枯落物混合層(79.92%)>枯落物(78.96%)>鹽結(jié)皮層(75.58%)>積沙層(74.11%),現(xiàn)實蒸發(fā)抑制效率(根據(jù)灌溉周期末(14天)的土壤累積蒸發(fā)量計算)則為:鹽結(jié)皮層(67.78%)>積沙-枯落物混合層層(66.72%)>積沙層(63.28%)>枯落物層(61.74%).

為了探明塔里木沙漠公路防護林帶咸水灌溉土壤入滲特性,在塔里木沙漠公路防護林帶內(nèi)選取5種不同種植年限的土壤,并取3種不同礦化度水,應(yīng)用guelph入滲儀測定土壤水分入滲過程,并進行模型擬合與分析。結(jié)果表明:不同種植年限對土壤初始入滲速率、飽和導(dǎo)水率有顯著影響,尤其是0-10cm,10-15cm層土壤,隨著種植年限增加土壤初始入滲速率、飽和導(dǎo)水率呈減小趨勢。咸水灌溉條件下,土壤飽和導(dǎo)水率較淡水大。不同深度土壤入滲特性有差異,表現(xiàn)為25-40cm,40-60cm層土壤飽和導(dǎo)水率較其他層大。用常用的入滲模型對入滲過程進行模擬,可以發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ρ芯吭搮^(qū)域土壤入滲有最好的適用性,kostiakov模型也較適用,horton模型在該區(qū)域土壤入滲研究中適用性相對較差。

在極端的塔克瑪干沙漠腹地，利用咸水（礦化度４～５ｇ．ｌ＾－１）灌溉建立人工綠工后，受植被和各種人為措施的影響，風(fēng)沙土內(nèi)部性質(zhì)發(fā)生了一系列的變化，土壤酶活性也發(fā)生了變化。１９９８年對沒種植時間、不同植被類型的樣地布點采樣，采樣深度０～１０ｃｍ和１０～５０ｃｍ。分析測定了轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、ｈ２ｏ２酶、脲酶、中性磷酸酶、堿性磷酸酶活性，結(jié)果表明：①分析測定的６種酶活性隨著植被建立時間的增長而明顯增強；②表

以塔克拉瑪干沙漠東南部若羌、且末氣象站43a(1961～2003年)大風(fēng)資料為依據(jù),結(jié)合2004年的野外風(fēng)沙監(jiān)測資料,采用天氣學(xué)、氣候?qū)W和統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合方法,分析了塔克拉瑪干東南部大風(fēng)特征及變化趨勢,為塔克拉瑪干沙漠東南部國道g315線若羌—且末段的選線、未來養(yǎng)護和防沙治沙提供科學(xué)依據(jù)。

利用微型蒸滲儀(mls)對不同粒級和不同厚度大氣降塵沉積條件下塔克拉瑪干沙漠腹地土壤水分蒸發(fā)和鹽分運移進行了模擬試驗.結(jié)果表明:不同粒級和不同厚度大氣降塵沉積均對研究區(qū)土壤水分蒸發(fā)和鹽分運移有顯著影響;在相同的沉積厚度和相同的初始含水量條件下,細粒物質(zhì)(粒徑0.20mm時,蒸發(fā)抑制效率則隨粒徑增大而減小.在相同粒級和相同的初始含水量條件下,不同厚度大氣降塵沉積對土壤水分蒸發(fā)具有抑制作用,且土壤水分蒸發(fā)抑制效率隨著沉積厚度的增大而增大,蒸發(fā)抑制效率與沉積厚度呈對數(shù)關(guān)系;沉積厚度越大,鹽分向表層積聚越困難.降塵的加入可能導(dǎo)致干旱荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定.

科研人員和塔里木石油工人在被稱為“死亡之海”的塔克拉瑪干大沙漠中修建的，世界上最長的流動沙漠公路兩側(cè)建起了一道綠色長廊。1994年，科技人員開始在沙漠油田基地開展防沙綠化先導(dǎo)試驗，成功地尋找到就地利用高礦化度地下水進行造林綠化的途徑，并篩選出一批適應(yīng)沙漠環(huán)境的造林樹種。1999年完成6．3公里生物防沙試驗工程，2001年又建成30．8公里防護林生態(tài)示范工程，為最終實現(xiàn)沙漠公路的全線綠化奠定了基礎(chǔ)。

鹽結(jié)皮是廣泛分布于塔里木沙漠公路防護林土壤表層的一個特殊層次,目前對其化學(xué)特征及其對土壤蒸發(fā)的影響尚無系統(tǒng)研究。文中對塔克拉瑪干沙漠腹地不同定植年限防護林土壤鹽結(jié)皮有機質(zhì)含量、全鹽量、八大離子含量和ph值進行了分析,并進行了鹽結(jié)皮抑制土壤蒸發(fā)試驗,結(jié)果表明:土壤鹽結(jié)皮有機質(zhì)含量隨著防護林定植年限的增加而增加;全鹽量、各離子含量、ph值均隨著防護林定植年限的增加而逐漸降低。其中,全鹽量均遠高于流沙地;各離子含量與流沙地相比有不同程度的增加,cl-、na+和so24-增加量最為明顯,mg2+、k+、ca2+和hco-3次之,co23-含量極微且基本沒有變化,ph值均呈堿性,定植11年防護林鹽結(jié)皮ph值甚至低于流沙地;鹽結(jié)皮可以有效的抑制土壤水分的蒸發(fā)。

塔克拉瑪干沙漠是中國第一大沙漠,世界第二大流動沙漠,環(huán)境極為嚴酷,交通十分困難。但據(jù)文獻記載,古代曾有以下5條路線,即絲綢之路的南道、姑墨—于闐道、坎城—神山堡—疏勒道、焉耆—于闐道及抒彌—龜茲道,卻不乏我國古代人民的足跡。根據(jù)現(xiàn)存歷史文獻反映,晉代高僧法顯是我國第一個從東北向西南穿越塔克拉瑪干沙漠的人,玄奘是第一個把塔克拉瑪干沙漠比作\"死亡之海\"的人。

針對沙漠地區(qū)的特殊地質(zhì)條件和沙漠公路的結(jié)構(gòu)形式,在塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙工程特性試驗分析的基礎(chǔ)上,確定了沙漠地區(qū)路基、路面的設(shè)計特點和結(jié)構(gòu)類型,并結(jié)合中石化西北油田分公司玉北區(qū)塊玉北8井鉆前道路的修建的工程實踐,提出了風(fēng)積沙路基的干壓機械施工工藝和沙漠道路防風(fēng)固沙工藝。

受新疆交通廳和新疆交通科學(xué)研究院的委托,新疆氣象局科技服務(wù)中心和防雷減災(zāi)中心承擔(dān)了塔克拉瑪干沙漠第二條沙漠公路——阿拉爾至和田沙漠公路防風(fēng)阻沙效益野外風(fēng)沙監(jiān)測及研究工作。在新疆交通廳和區(qū)氣象局領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下,氣象科技人員奮戰(zhàn)3晝夜,安裝完成的阿拉爾至和田沙漠公路防風(fēng)阻沙效益5層梯度風(fēng)自動氣象站,已向區(qū)氣象局傳回每秒瞬間風(fēng)向和風(fēng)速及每分鐘溫濕度等資料。

為揭示塔里木沙漠公路防護林地土壤肥力質(zhì)量變化規(guī)律,分層采集不同定植年限林地土壤,在分析了林地土壤肥力因子差異的基礎(chǔ)上,選擇土壤肥力綜合指數(shù)(ifi)評價法,對塔里木沙漠公路防護林地土壤肥力質(zhì)量作了定量評價.結(jié)果表明:塔里木沙漠公路防護林建設(shè)后土壤物理結(jié)構(gòu)變好,孔隙增多、持水能力增強,隨防護林年限的增加,土壤微生物量增大、酶活性增強,促進了養(yǎng)分的積累和轉(zhuǎn)化,定植12年的防護林地土壤養(yǎng)分含量明顯高于定植不久的防護林地和流沙地.受咸水滴灌影響,定植年限較長的防護林地土壤含鹽量較大;林地土壤肥力指數(shù)隨林齡增大在提高,且與林木生長指標(biāo)密切相關(guān).說明塔里木沙漠公路防護林的建設(shè)有利于風(fēng)沙土的發(fā)育,土壤肥力質(zhì)量逐年變好,在現(xiàn)有滴灌下能夠滿足林木正常生長的需要.

選取塔里木沙漠公路防護林不同定植年限下3種灌木的根際和非根際土,比較研究了土壤物理、化學(xué)、生物因子的根際效應(yīng)。結(jié)果表明:(1)除全氮和全磷外,20種土壤因子在3灌木根際土間差異極顯著；(2)根際土的容重、全鹽含量、有機質(zhì)含量、全氮含量、速效氮磷鉀含量、微生物代謝活性、脂肪酸含量和dna片段多樣性、微生物生物量碳氮磷和6種酶活性在不同年限林地間的差異極顯著；(3)全氮含量、速效氮磷鉀含量、微生物代謝活性、dna片段多樣性、微生物量碳和磷、纖維素酶和磷酸酶活性在不同樹種與年限的交互效應(yīng)上差異極顯著；(4)微生物生物量碳氮磷的根際效應(yīng)大小為檉柳>沙拐棗>梭梭,而不同樹種各土壤養(yǎng)分因子和酶活性的根際效應(yīng)大小并不一致?？梢?幾種荒漠灌木的定植促進了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,加速了沙漠防護林土壤的發(fā)育進程。

塔里木沙漠公路是世界上穿過流動沙丘最長的公路。于1993年3月動工興建，1995年9月建成，北起輪南，南到民豐，全長522千米。她就像一條黑色的巨龍，舞動著矯健的身軀橫亙塔里木盆地，將天山南麓的314國道與昆侖山北部的315國道連通。繼公路建成之后，又一令世界矚目的工程——塔里木沙

千里黃沙舞長龍,駝鈴消聲喇叭鳴.自古大漠稱絕域,而今跨越亦從容.