塔克拉瑪干沙漠公路防護(hù)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(jī)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(dòng)的強(qiáng)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(hù)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(shí)補(bǔ)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(shí),也提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。這些問題的共同影響,明顯地提高了機(jī)械防沙工程體系的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)成本,導(dǎo)致其防護(hù)功效大幅度降低,并最終出現(xiàn)了有被人工防護(hù)林生態(tài)工程取代的趨勢(shì)。

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(qiáng)勁的冷氣，讓人感覺不到窗外的炎熱。因?yàn)橛胸灤┧死敻傻纳衬反嬖?，使我們有機(jī)會(huì)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?yán)铩r(shí)速達(dá)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?yàn)橛泻恿鞯拇嬖冢@里生機(jī)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(yán)重,被譽(yù)為“世界公路建筑的奇跡”。為解決沙漠公路風(fēng)沙防護(hù)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,風(fēng)沙危害的成因、強(qiáng)度、時(shí)空分異及其機(jī)械、化學(xué)、生物防治的理論與應(yīng)用研究。本文對(duì)風(fēng)沙危害及其防治研究的主要內(nèi)容及研究進(jìn)展進(jìn)行了全面總結(jié),認(rèn)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(shí)踐應(yīng)用水平取得突破性進(jìn)展。

以塔克拉瑪干沙漠公路防護(hù)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(yàn),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(shì)均隨著干旱脅迫程度增強(qiáng)而降低,水勢(shì)最大降幅均在第2個(gè)干旱處理周期內(nèi),在第3個(gè)干旱處理周期內(nèi)水勢(shì)有較大回升,且以喬木狀沙拐棗水勢(shì)最高,梭梭水勢(shì)最低。(2)喬木狀沙拐棗的pv水分參數(shù)均隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低,其滲透勢(shì)在第3個(gè)干旱周期內(nèi)開始回升,而初始質(zhì)壁分離的相對(duì)含水量(rwctlp)一直呈降低趨勢(shì),質(zhì)外體水分含量(awc)呈現(xiàn)出"降-升-降"的波動(dòng)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(qiáng)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(gè)干旱周期降低,第2個(gè)干旱周期開始回升,而其awc隨脅迫時(shí)間在不斷增大;多枝檉柳的耐旱能力隨著干旱的增強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)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(qiáng)不斷增強(qiáng),它通過增加體內(nèi)水分含量,減少水分散失應(yīng)對(duì)干旱脅迫。(5)3種植物的耐旱能力強(qiáng)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(hù)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(gè)定位觀測(cè)站1個(gè)自然年的監(jiān)測(cè)資料,對(duì)以起沙風(fēng)和輸沙強(qiáng)度為表征的風(fēng)沙活動(dòng)進(jìn)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(jì)不同級(jí)別風(fēng)的次數(shù)及其方位,計(jì)算輸沙量。結(jié)果表明,風(fēng)沙危害的主風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng),頻率范圍48%~76%。風(fēng)沙活動(dòng)集中在4~9月;從沙漠邊緣向腹地風(fēng)沙活動(dòng)加強(qiáng)。向沙漠腹地深入,應(yīng)加大公路風(fēng)沙危害防護(hù)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(yàn),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(píng)價(jià)植物固沙的立地條件。評(píng)價(jià)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(yùn)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(yàn)成果而設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)較深時(shí)。在此認(rèn)知基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際,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(dòng)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(jì)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(diǎn)的gm(1,1)預(yù)測(cè)模型,對(duì)未來幾年內(nèi)交通事故發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)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(jì)損失等4項(xiàng)指數(shù)將分別以15.9%,10%,4.5%和5%的年平均增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。同時(shí)針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果提出了相應(yīng)的對(duì)策。

為了揭示塔里木沙漠公路防護(hù)林內(nèi)覆蓋物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響,在塔克拉瑪干沙漠腹地進(jìn)行人工模擬蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),為其防護(hù)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(duì)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(jì)蒸發(fā)曲線近似直線,而裸沙地累積蒸發(fā)則呈正對(duì)數(shù)分布,累計(jì)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(duì)數(shù)函數(shù)增加,當(dāng)覆蓋物厚度增加到一定程度時(shí),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(jì)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(shí)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(jì)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(hù)林帶咸水灌溉土壤入滲特性,在塔里木沙漠公路防護(hù)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(cè)定土壤水分入滲過程,并進(jìn)行模型擬合與分析。結(jié)果表明:不同種植年限對(duì)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(shì)。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(duì)入滲過程進(jìn)行模擬,可以發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)研究該區(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(duì)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(duì)沒種植時(shí)間、不同植被類型的樣地布點(diǎn)采樣，采樣深度０～１０ｃｍ和１０～５０ｃｍ。分析測(cè)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(cè)定的６種酶活性隨著植被建立時(shí)間的增長(zhǎng)而明顯增強(qiáng)；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(cè)資料,采用天氣學(xué)、氣候?qū)W和統(tǒng)計(jì)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(shì),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(hù)和防沙治沙提供科學(xué)依據(jù)。

利用微型蒸滲儀(mls)對(duì)不同粒級(jí)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(yùn)移進(jìn)行了模擬試驗(yàn).結(jié)果表明:不同粒級(jí)和不同厚度大氣降塵沉積均對(duì)研究區(qū)土壤水分蒸發(fā)和鹽分運(yùn)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(xì)粒物質(zhì)(粒徑0.20mm時(shí),蒸發(fā)抑制效率則隨粒徑增大而減小.在相同粒級(jí)和相同的初始含水量條件下,不同厚度大氣降塵沉積對(duì)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(duì)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?！钡乃死敻纱笊衬行藿ǖ?，世界上最長(zhǎng)的流動(dòng)沙漠公路兩側(cè)建起了一道綠色長(zhǎng)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(yàn)，成功地尋找到就地利用高礦化度地下水進(jìn)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(yàn)工程，2001年又建成30．8公里防護(hù)林生態(tài)示范工程，為最終實(shí)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(hù)林土壤表層的一個(gè)特殊層次,目前對(duì)其化學(xué)特征及其對(duì)土壤蒸發(fā)的影響尚無系統(tǒng)研究。文中對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地不同定植年限防護(hù)林土壤鹽結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量、全鹽量、八大離子含量和ph值進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了鹽結(jié)皮抑制土壤蒸發(fā)試驗(yàn),結(jié)果表明:土壤鹽結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量隨著防護(hù)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(hù)林定植年限的增加而逐漸降低。其中,全鹽量均遠(yuǎn)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(hù)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(dòng)沙漠,環(huán)境極為嚴(yán)酷,交通十分困難。但據(jù)文獻(xiàn)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(xiàn)反映,晉代高僧法顯是我國第一個(gè)從東北向西南穿越塔克拉瑪干沙漠的人,玄奘是第一個(gè)把塔克拉瑪干沙漠比作\"死亡之海\"的人。

針對(duì)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(yàn)分析的基礎(chǔ)上,確定了沙漠地區(qū)路基、路面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(shí)踐,提出了風(fēng)積沙路基的干壓機(jī)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(cè)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(dòng)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。

1993年－1995年建成的沙漠公路（肖塘——民豐路段），全長(zhǎng)446km，路面結(jié)構(gòu)形式為：路基是干壓實(shí)的風(fēng)積沙（稱為沙基），基層是20—35cm厚的級(jí)配砂礫，面層是3-5cm厚的瀝青混凝土，在砂礫基層與沙基之間鋪了一層土工編織布，簡(jiǎn)稱“強(qiáng)基薄面”。本文敘述了“強(qiáng)基薄面”的工程特性及其此技術(shù)的形成過程。

選擇塔里木沙漠公路沿線典型下墊面,通過連續(xù)野外定點(diǎn)觀測(cè)、室內(nèi)粒度分析等手段,研究塔克拉瑪干沙漠腹地與復(fù)合縱向沙壟區(qū)不同地貌部位近地表大氣降塵的粒度特征及其空間分異規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):沙漠公路沿線大氣降塵的平均粒徑在3.28φ～3.47φ之間,以細(xì)砂、極細(xì)砂為主,粒徑分布呈雙峰態(tài),表明降塵來源的多樣性。沿線不同下墊面降塵中粒徑<50μm的細(xì)粒物質(zhì)組成差異明顯,位于沙漠北部和中部開闊的壟間區(qū)是沙塵的潛在源地。復(fù)合縱向沙壟區(qū)不同地貌部位的降塵細(xì)粒物質(zhì)組成(粒徑<50μm)差異明顯,壟間區(qū)降塵中的細(xì)粒物質(zhì)含量最高。非塵暴降塵較之塵暴降塵偏細(xì),粉砂和黏土含量更多,分選性更差。大氣沉降顆粒的粒度分形維數(shù)可以從整體上反映出顆粒物的粒度分布和級(jí)配特征,是描述大氣沉降顆粒物粒度特征的重要指標(biāo)。

通過采用野外定位觀測(cè)法,對(duì)塔里木沙漠公路防護(hù)林帶灌溉周期內(nèi)與不同種植年限、不同立地類型土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,探討了塔里木沙漠公路防護(hù)林帶土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律.結(jié)果表明,塔里木沙漠公路防護(hù)林帶土壤水分在時(shí)間動(dòng)態(tài)上屬于灌溉周期型,且土壤貯水量與灌后干旱天數(shù)呈線性關(guān)系.在垂直變化上,可以將其分為水分速變層、中變層、弱變層以及土壤水分穩(wěn)定層等4個(gè)土壤層次.不同種植年限防護(hù)林帶土壤水分年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)表明,隨種植年限的增加,防護(hù)林帶土壤水分含水率與土壤貯水量逐漸下降,相應(yīng)土壤虧缺量成增加趨勢(shì).反映了在現(xiàn)有的灌溉制度下,防護(hù)林帶越來越依賴于防護(hù)林帶土壤累積的貯水量.同時(shí)還發(fā)現(xiàn),同年種植的防護(hù)林帶不同立地類型區(qū),板結(jié)沙地的土壤平均貯水量最高,分別為沙壟、黏土地以及平沙地平均土壤貯水量的1.58,1.15和1.43倍,而土壤水分虧缺量都達(dá)到了900mm以上.

根據(jù)56個(gè)土壤表層樣品、49個(gè)水樣的分析,探討了塔里木沙漠公路生態(tài)防護(hù)林帶沿線土壤表層鹽分的基本特征,并研究了防護(hù)林沿線土壤鹽分的分布規(guī)律。結(jié)果表明:表層土壤具有鹽分含量高、表聚性強(qiáng)烈的特征;地下水礦化度與地下水電導(dǎo)率、土壤電導(dǎo)率與土壤鹽分含量均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性,土壤鹽分屬于堿性鈉型氯化物。