塔克拉玛干沙漠公路防护林棵间土壤蒸发及蒸发量估算

在多年调查研究的基础上,发现塔克拉玛干沙漠公路的机械防沙工程体系虽能基本上保证道路畅通,却也存在着一些问题,即该防沙工程体系没有能够依据当地风沙活动的强弱,在不同地貌单元与部位上选用不同规格的固沙芦苇方格;没有能够大规模推广应用可大量减少材料用量且施工省力、质量易于控制的单层固沙芦苇方格;在固沙芦苇方格的维护上更偏重于大面积破坏后的重新栽植,而不是小面积破坏后的及时补栽;在新型固沙措施的研究与应用方面也滞后于生产需要。在分析问题的同时,也提出了相应的改进措施。这些问题的共同影响,明显地提高了机械防沙工程体系的建设与养护成本,导致其防护功效大幅度降低,并最终出现了有被人工防护林生态工程取代的趋势。

阳光灼晒下的塔克拉玛干沙漠酷热无比，我们奔跑在沙漠腹地的公路上，汽车空调不停地吹出强劲的冷气，让人感觉不到窗外的炎热。因为有贯穿塔克拉玛干的沙漠公路存在，使我们有机会成为沙漠腹地来往穿梭的过客。新修的道路平坦舒适，坐在车里。时速达到120公里，没感觉太大的颠簸。道路两旁随处可见成片的胡杨，这是塔克拉玛干沙漠的一处奇迹，因为有河流的存在，这里生机盎然。

塔克拉玛干沙漠公路447km路段穿越新月形沙丘与沙丘链、复合横向沙垄以及高大复合纵向沙垄区,风沙危害极为严重,被誉为“世界公路建筑的奇迹”。为解决沙漠公路风沙防护体系构建的一系列科学与技术问题,沙漠学界随之开展了风沙运动规律,风沙危害的成因、强度、时空分异及其机械、化学、生物防治的理论与应用研究。本文对风沙危害及其防治研究的主要内容及研究进展进行了全面总结,认为塔克拉玛干沙漠公路风沙危害与防治的理论研究成果与实践应用水平取得突破性进展。

以塔克拉玛干沙漠公路防护林的乔木状沙拐枣(calligonumarborescens)、多枝柽柳(tamarixramosis-sima)和梭梭(haloxylonammodendron)2年生苗木为材料,采用盆栽试验,设置10d(处理ⅰ)、20d(处理ⅱ)和40d(处理ⅲ)的自然干旱胁迫周期,探讨其不同干旱处理下的水分生理特征及其耐旱性。结果表明:(1)3种苗木的水势均随着干旱胁迫程度增强而降低,水势最大降幅均在第2个干旱处理周期内,在第3个干旱处理周期内水势有较大回升,且以乔木状沙拐枣水势最高,梭梭水势最低。(2)乔木状沙拐枣的pv水分参数均随着干旱胁迫强度的增强而降低,其渗透势在第3个干旱周期内开始回升,而初始质壁分离的相对含水量(rwctlp)一直呈降低趋势,质外体水分含量(awc)呈现出"降-升-降"的波动状态。乔木状沙拐枣的耐旱能力随着干旱胁迫程度的增强变化不明显,它主要通过减少水分散失适应干旱环境。(3)多枝柽柳的pv水分参数在处理ⅰ和处理ⅱ之间差别很小,处理ⅲ第60天就枯亡;其ψsat和ψtlp在第1个干旱周期降低,第2个干旱周期开始回升,而其awc随胁迫时间在不断增大;多枝柽柳的耐旱能力随着干旱的增强急剧降低,耐旱性最差,它主要通过增加水分散失适应干旱环境。(4)梭梭的ψsat和ψtlp在处理ⅱ、ⅲ之间非常接近,且都低于处理ⅰ,rwctlp与awc随着干旱强度增强而增大,同期处理ⅱ和ⅲ的awc都高于处理ⅰ。梭梭的耐旱能力随着干旱的增强不断增强,它通过增加体内水分含量,减少水分散失应对干旱胁迫。(5)3种植物的耐旱能力强弱为:梭梭>乔木状沙拐枣>多枝柽柳,所以梭梭最适合做沙漠防护林树种。

利用塔克拉玛干沙漠公路沿线的肖塘、满参和塔中3个定位观测站1个自然年的监测资料,对以起沙风和输沙强度为表征的风沙活动进行了分析。选取气象站标准高度10min风速中大于临界起沙风速(≥6.0m/s)的风,按16方位分别统计不同级别风的次数及其方位,计算输沙量。结果表明,风沙危害的主风向为偏东风,频率范围48%~76%。风沙活动集中在4~9月;从沙漠边缘向腹地风沙活动加强。向沙漠腹地深入,应加大公路风沙危害防护力度。

塔克拉玛干沙漠公路沿线气候恶劣、土壤和浅层地下水的含盐量高,沿线天然植被稀少,沙漠腹地仅发现12种能忍耐干旱和抗盐的植物种。经过科学试验,已经解决了沙漠腹地灌溉条件下固沙植物引种、选育和咸水灌溉等一系列人工绿地建设的技术难题,并且已经引种固沙植物50多种,建成沙漠公路固沙、基地绿化人工绿地43.3hm2。沙漠人工植物栽培离不开灌溉。因此,主要从沿线土壤盐分状况,可利用水资源分布来评价植物固沙的立地条件。评价结果,在塔里木河近现代冲积平原有古河道淡水可以利用,昆仑山山前冲洪积扇普遍赋存可以利用的咸水。但全线可利用水资源的量不足以维持常规灌溉方式,必须采取节水灌溉,尽量节省资源,一些地方生物防沙要结合工程固沙,形成工程生物防沙体系,保证公路的畅通。

在塔克拉玛干沙漠公路运营多年后,野外调查发现,根据\"填挖平衡\"等原则及风洞试验成果而设计的路基断面形式,存在着一定的问题。主要表现为:未能考虑更大范围的地形起伏及固沙带积沙导致的地面上升等因素,致使路基高度设计过低,造成风沙害越来越重,防治难度及成本也越来越高;此外,路基边坡均为1∶3也不太合适,尤其是当路堑较长较深时。在此认知基础上,结合当地实际,探讨更为合理的路基断面形式,如路基高度应提高45~80cm,平均60cm左右,有些路基边坡可为落沙坡等,以期能更好地指导流动沙丘分布区的沙漠公路建设。

应用塔克拉玛干沙漠干线公路建成通车以来的交通事故统计数据,在分析交通事故主要指标发展变化特征和分布特征的基础上,建立了适用于沙漠公路交通事故特点的gm(1,1)预测模型,对未来几年内交通事故发展趋势进行了预测。预测结果表明,未来几年沙漠公路交通事故次数、死亡人数、受伤人数以及直接经济损失等4项指数将分别以15.9%,10%,4.5%和5%的年平均增长率快速增长。同时针对预测结果提出了相应的对策。

为了揭示塔里木沙漠公路防护林内覆盖物对土壤水分蒸发的影响,在塔克拉玛干沙漠腹地进行人工模拟蒸发实验,为其防护林水资源高效利用和灌溉制度优化提供科学依据.研究结果表明:(1)积沙层、盐结皮层、枯落物和积沙-枯落物混合层等覆盖物阻隔土壤蒸发,对土壤水分蒸发作用影响明显;日蒸发量、累积蒸发量和蒸发速率都较无覆盖物沙地大幅降低,而且覆盖物越厚,降低幅度越大;覆盖条件下蒸发受其他因素影响较小,日蒸发量变幅降低,累积蒸发呈线性分布,累计蒸发曲线近似直线,而裸沙地累积蒸发则呈正对数分布,累计蒸发曲线近似折线,蒸发受其他因素影响较大,日蒸发量变幅大,蒸发过程具有阶段性;(2)覆盖物的蒸发抑制效率明显,而且随覆盖物厚度增加而成对数函数增加,当覆盖物厚度增加到一定程度时,蒸发抑制效率增幅逐渐降低;各覆盖物在2cm厚度的蒸发抑制效率差别不大,最大蒸发抑制效率(根据灌溉第1天日蒸发量计算)则为:积沙-枯落物混合层(79.92%)>枯落物(78.96%)>盐结皮层(75.58%)>积沙层(74.11%),现实蒸发抑制效率(根据灌溉周期末(14天)的土壤累积蒸发量计算)则为:盐结皮层(67.78%)>积沙-枯落物混合层层(66.72%)>积沙层(63.28%)>枯落物层(61.74%).

为了探明塔里木沙漠公路防护林带咸水灌溉土壤入渗特性,在塔里木沙漠公路防护林带内选取5种不同种植年限的土壤,并取3种不同矿化度水,应用guelph入渗仪测定土壤水分入渗过程,并进行模型拟合与分析。结果表明:不同种植年限对土壤初始入渗速率、饱和导水率有显著影响,尤其是0-10cm,10-15cm层土壤,随着种植年限增加土壤初始入渗速率、饱和导水率呈减小趋势。咸水灌溉条件下,土壤饱和导水率较淡水大。不同深度土壤入渗特性有差异,表现为25-40cm,40-60cm层土壤饱和导水率较其他层大。用常用的入渗模型对入渗过程进行模拟,可以发现通用经验模型对研究该区域土壤入渗有最好的适用性,kostiakov模型也较适用,horton模型在该区域土壤入渗研究中适用性相对较差。

在极端的塔克玛干沙漠腹地，利用咸水（矿化度４～５ｇ．ｌ＾－１）灌溉建立人工绿工后，受植被和各种人为措施的影响，风沙土内部性质发生了一系列的变化，土壤酶活性也发生了变化。１９９８年对没种植时间、不同植被类型的样地布点采样，采样深度０～１０ｃｍ和１０～５０ｃｍ。分析测定了转化酶、蛋白酶、ｈ２ｏ２酶、脲酶、中性磷酸酶、碱性磷酸酶活性，结果表明：①分析测定的６种酶活性随着植被建立时间的增长而明显增强；②表

以塔克拉玛干沙漠东南部若羌、且末气象站43a(1961～2003年)大风资料为依据,结合2004年的野外风沙监测资料,采用天气学、气候学和统计学相结合方法,分析了塔克拉玛干东南部大风特征及变化趋势,为塔克拉玛干沙漠东南部国道g315线若羌—且末段的选线、未来养护和防沙治沙提供科学依据。

利用微型蒸渗仪(mls)对不同粒级和不同厚度大气降尘沉积条件下塔克拉玛干沙漠腹地土壤水分蒸发和盐分运移进行了模拟试验.结果表明:不同粒级和不同厚度大气降尘沉积均对研究区土壤水分蒸发和盐分运移有显著影响;在相同的沉积厚度和相同的初始含水量条件下,细粒物质(粒径0.20mm时,蒸发抑制效率则随粒径增大而减小.在相同粒级和相同的初始含水量条件下,不同厚度大气降尘沉积对土壤水分蒸发具有抑制作用,且土壤水分蒸发抑制效率随着沉积厚度的增大而增大,蒸发抑制效率与沉积厚度呈对数关系;沉积厚度越大,盐分向表层积聚越困难.降尘的加入可能导致干旱荒漠区生态系统的不稳定.

科研人员和塔里木石油工人在被称为“死亡之海”的塔克拉玛干大沙漠中修建的，世界上最长的流动沙漠公路两侧建起了一道绿色长廊。1994年，科技人员开始在沙漠油田基地开展防沙绿化先导试验，成功地寻找到就地利用高矿化度地下水进行造林绿化的途径，并筛选出一批适应沙漠环境的造林树种。1999年完成6．3公里生物防沙试验工程，2001年又建成30．8公里防护林生态示范工程，为最终实现沙漠公路的全线绿化奠定了基础。

盐结皮是广泛分布于塔里木沙漠公路防护林土壤表层的一个特殊层次,目前对其化学特征及其对土壤蒸发的影响尚无系统研究。文中对塔克拉玛干沙漠腹地不同定植年限防护林土壤盐结皮有机质含量、全盐量、八大离子含量和ph值进行了分析,并进行了盐结皮抑制土壤蒸发试验,结果表明:土壤盐结皮有机质含量随着防护林定植年限的增加而增加;全盐量、各离子含量、ph值均随着防护林定植年限的增加而逐渐降低。其中,全盐量均远高于流沙地;各离子含量与流沙地相比有不同程度的增加,cl-、na+和so24-增加量最为明显,mg2+、k+、ca2+和hco-3次之,co23-含量极微且基本没有变化,ph值均呈碱性,定植11年防护林盐结皮ph值甚至低于流沙地;盐结皮可以有效的抑制土壤水分的蒸发。

塔克拉玛干沙漠是中国第一大沙漠,世界第二大流动沙漠,环境极为严酷,交通十分困难。但据文献记载,古代曾有以下5条路线,即丝绸之路的南道、姑墨—于阗道、坎城—神山堡—疏勒道、焉耆—于阗道及抒弥—龟兹道,却不乏我国古代人民的足迹。根据现存历史文献反映,晋代高僧法显是我国第一个从东北向西南穿越塔克拉玛干沙漠的人,玄奘是第一个把塔克拉玛干沙漠比作\"死亡之海\"的人。

针对沙漠地区的特殊地质条件和沙漠公路的结构形式,在塔克拉玛干沙漠风积沙工程特性试验分析的基础上,确定了沙漠地区路基、路面的设计特点和结构类型,并结合中石化西北油田分公司玉北区块玉北8井钻前道路的修建的工程实践,提出了风积沙路基的干压机械施工工艺和沙漠道路防风固沙工艺。

千里黄沙舞长龙,驼铃消声喇叭鸣.自古大漠称绝域,而今跨越亦从容.

受新疆交通厅和新疆交通科学研究院的委托,新疆气象局科技服务中心和防雷减灾中心承担了塔克拉玛干沙漠第二条沙漠公路——阿拉尔至和田沙漠公路防风阻沙效益野外风沙监测及研究工作。在新疆交通厅和区气象局领导的大力支持下,气象科技人员奋战3昼夜,安装完成的阿拉尔至和田沙漠公路防风阻沙效益5层梯度风自动气象站,已向区气象局传回每秒瞬间风向和风速及每分钟温湿度等资料。

1993年－1995年建成的沙漠公路（肖塘——民丰路段），全长446km，路面结构形式为：路基是干压实的风积沙（称为沙基），基层是20—35cm厚的级配砂砾，面层是3-5cm厚的沥青混凝土，在砂砾基层与沙基之间铺了一层土工编织布，简称“强基薄面”。本文叙述了“强基薄面”的工程特性及其此技术的形成过程。

选择塔里木沙漠公路沿线典型下垫面,通过连续野外定点观测、室内粒度分析等手段,研究塔克拉玛干沙漠腹地与复合纵向沙垄区不同地貌部位近地表大气降尘的粒度特征及其空间分异规律。结果发现:沙漠公路沿线大气降尘的平均粒径在3.28φ～3.47φ之间,以细砂、极细砂为主,粒径分布呈双峰态,表明降尘来源的多样性。沿线不同下垫面降尘中粒径<50μm的细粒物质组成差异明显,位于沙漠北部和中部开阔的垄间区是沙尘的潜在源地。复合纵向沙垄区不同地貌部位的降尘细粒物质组成(粒径<50μm)差异明显,垄间区降尘中的细粒物质含量最高。非尘暴降尘较之尘暴降尘偏细,粉砂和黏土含量更多,分选性更差。大气沉降颗粒的粒度分形维数可以从整体上反映出颗粒物的粒度分布和级配特征,是描述大气沉降颗粒物粒度特征的重要指标。

对不同立地类型、不同生长年限、不同季节、不同树种的防护林土壤微生物数量及区系组成进行研究,分析了土壤微生物与土壤环境因子的相关关系,结果表明:咸水灌溉条件下塔里木沙漠公路防护林和人工绿地建成后,土壤结构和养分状况得到改善,微生物活性大幅度提高;土壤微生物区系组成中,细菌占绝对优势,放线菌次之,真菌最少;表层微生物数量远多于下层土壤;林地外围距林缘近的土壤微生物活性较强,3m以外微生物数量已接近流沙地微生物量;各类土壤微生物分布具不同的季节性规律,且不同立地类型防护林土壤微生物分布差异明显;随造林年限的增加,防护林的改土作用更加显著。土壤微生物分布与土壤养分含量和土壤ph值显著相关。