地区：上海市 宝山区
关键词：敦煌研究院
成果类型：其它
成果领域：生物与新医药
成果编号：A2021061000003368
成果描述：
| 水分缺乏是荒漠化形成的主要根源。典型的极干旱区不但气候干燥，降雨稀少，而且潜水埋深较深，通常超过了毛细作用对潜水的运转能力，因而形成了极端干旱的土壤地带。远低于萎蔫系数的含水率使一般植物根本无法生存，造成了极干旱区植被的缺乏和生态链的严重断裂。由于缺乏植被的保护，极干旱区通常荒漠化严重，沙漠化、砾漠化伴以频繁的沙尘暴天气过程是其典型的环境特征。以水为中心，以生物为主导的综合生态管理是科学治理荒漠化的最有效手段。长期以来普遍认为极干旱区土壤水分是降水的遗存，随着埋深的增加地下潜水的运转与蒸发将不复存在。为了确定深埋潜水是否存在潜水蒸发，该团队在潜水埋深超过200m的敦煌莫高窟窟顶戈壁进行了较为系统的研究。 自创的拱棚法监测表明极干旱区存在潜水蒸发，潜水蒸发呈正弦蒸发特征。潜水蒸发与太阳辐射强度成正比。当白天土壤温度升高时，土壤结合水分分解，大部分水分转入下层，约2‰的分解水分形成了实际的蒸发，夜间土壤主要吸湿吸附地下水分。上午后浅层土壤浸没于下层蒸发的水汽之中，且随着其温度的下降就开始了对蒸发水汽的吸收，仅在夜间土壤吸湿的大气水分十分有限。土壤内部持续进行着温度耦合下有序的水分蒸发-凝聚的波动运移。通过拱棚-空调法较准确地测定了极干旱区潜水蒸发量为4.80mm/a。流沙仅为0.0036mm/d，是同期戈壁潜水蒸发量的15.0%。该区3－11月的平均潜水蒸发量为0.0187mm/d。与之相应地通过监测5m土壤空气湿温湿度的年变化，分析变温层水分的运转机理。监测表明，在3－11月温度和绝对湿度较高，土壤整体处于”水汽通胀”的蒸发状态，其他温度较低时期绝对湿度较低，土壤整体处于”水汽收缩”吸湿凝结状态。在地热作用下，250cm以下的相对湿度常年保持饱和状态，驱动了水汽的凝结和向上运转。变温层土壤年温度的交替作用为潜水向上的连续运转提供了充分的保证，主导了潜水蒸发的年正弦波动特征。研究发现流沙中盐分含量较低，盐分差异是引起蒸发差异的主要原因。潜水是极干旱区土壤水分主要来源，是极耐旱植物的生命维系之水，在生态恢复中具有重要的利用价值。同时对”丝绸之路”沿线洞窟类文物的科学保护也具有重要意义。 为了进一步确定潜水来源，排除降水干扰，该课题应用拱棚-空调法进行对极干旱区降雨模拟回收。结果表明，在极干旱条件下占该区85%以上频次的5mm的降水经90d可完全蒸发和回收。回收实验证明极干旱区降水可完全蒸发，该区存在潜水蒸发与GSPAC水分的向上运转。 为了进一步弄清蒸发水分的来源，该课题利用拱棚-凝结法收集蒸发水分，定期监测凝结水分、降水和潜水的δD和δ18O值，应用水同位素示踪原理揭示戈壁蒸发水分的来源。为期一年监测表明，蒸发水分的δD、δ18O平均值分别为-33.06‰和-5.33‰，降水为-66.44‰和-8.57‰，潜水为-72.19‰和-9.75‰，完全排除了降水成为潜水来源的可能；应用在线降水同位素计算的当地降水δD和δ18O值（-60.00‰，-8.50‰）和降水加权平均值（-5.30‰，-0.75‰）同样表明，当地降水不可能是地下潜水的来源，党河源区（野马山）的降水（-86.00‰，-12.00‰）才是地下潜水的合理来源。土壤水分蒸发实验和土壤垂直剖面水分检测表明，戈壁深厚包气带土壤在潜水水汽向上运移过程中选择了相对偏正的水分，因而戈壁蒸发水分来自地下潜水，存在清晰的来源通道，印证了热力学分析结果。耗散结构原理是水分蒸散的普遍原理，当土壤、气象、水分、植被等因子发生协同共振作用时可形成水分蒸散的耗散结构，表现出或高或低的非线性分岔突变。 在对莫高窟潜水蒸发机理广泛研究的基础上，发明了一种利用地下潜水及降雨对干旱区荒漠化土地生态恢复的方法。具体地说，在干旱缺水的荒漠化地区，通过对不同粒径土壤的分选整理、沙下地膜的覆盖、水分引导等综合技术，达到充分利用地下深埋潜水和降水，进而实现荒漠化土地生态恢复的目的。主要适用于极干旱、干旱、半干旱地区戈壁沙漠的生态恢复，初步的无滴灌种植试验表明，该发明非常成功，具有十分广阔的应用前景。 另外，调查发现干旱区的敦煌莫高窟窟顶戈壁及周边区域广泛存在发育程度不同的砂楔。研究揭示了干旱区砂楔的形成机理。干旱区砂楔是长期干旱化的产物，干旱背景下的降雨促成了砂楔的不断发育。干旱砂楔是干旱区戈壁典型的地标性地表地质结构，在判断戈壁地表形成时间，风化及风沙侵蚀方面有重要意义。干旱砂楔形成机理的发现为科学合理利用砂楔奠定了基础，在古气候、古地貌的还原中具有重要意义。另外，降雨后砂楔可吸收较多水分，在较长时间内保持较高的水分含量，有利于植被的吸收；而母体中较高的盐分在淋溶作用下溶解，高浓度盐分具有很强修剪作用，这种双重作用导致了植被的主要根系分布于砂楔之内。砂楔的网状结构对植被分布和地貌景观有重要影响。同时，砂楔是戈壁小动物重要的栖息场所，砂楔结构是极干旱区古老戈壁生态系统最后的生存岛屿 |
