干旱区典型绿洲演变及其生态效应研究

Large scale water and land exploitation has sped up oasis evolution which is characterized by the conversion of desert to oasis and intensive land-use since 1950s. Oases have expanded over 4 times in Xinjiang and are continuing to expand its scale with the social and economic development. This has enhanced competition for watershed water resources between oasis and desert, which has resulted in the gradual reduction of ecological water supply in the periphery of oasis, degradation of desert ecosystems and difficulty in the protection and recovery of desert vegetation. However the quantitatively synthesized studies on the above aspects of oasis are weak, particularly in the biogeochemical processes based on energy balance and cycle of carbon and water. Therefore, taking typical Sangong and Manas oasis-desert ecosystem as study areas, this project will investigate the oasis evolution and its ecological effects under the trend of the continuing expansion of oasis. Firstly, we will add specific processes of water-salt transfer and belowground ecology and oasis management processes to the process-based Biome-BGC model, and develop an oasis-desert biogeochemical model. Then the model will be integrated with field observation, remote sensing and geographic information system to analyze the effects of oasis evolution on carbon/water cycle of oasis-desert ecosystem, desert vegetation pattern and productivity, which will reveal the biogeochemical mechanism of oasis evolution and its ecological effects. This will facilitate the advance in oasis ecology.

自1950s以来，干旱区大规模的水土开发，加速了绿洲扩张和土地集约利用为主要特征的现代绿洲演变。以新疆为代表的干旱区，绿洲面积扩大了4倍以上；在社会经济持续发展的背景下，绿洲规模仍将继续扩张，这将进一步加剧绿洲对内陆流域水资源的争夺，导致外围荒漠生态用水减少，荒漠植被出现退化。然而，关于绿洲演变对外围荒漠植被影响机理的研究明显不足，尤其是缺乏基于能量平衡和碳水循环的生物地球化学过程的研究。本项目拟选择绿洲扩张显著的三工河和玛纳斯绿洲及其外围荒漠为研究区，首先基于Biome-BGC生物地球化学模型框架，通过耦合绿洲－荒漠生态系统水盐运移和地下生态过程、绿洲集约管理过程等，构建绿洲－荒漠生物地球化学模型，并与地面观测、遥感和GIS技术综合集成，分析绿洲演变对绿洲－荒漠生态系统碳水循环、荒漠植被格局和生产力的影响，揭示基于生物地球化学过程的绿洲演变机理与生态效应。本项研究将深化干旱区绿洲学研究。

针对缺乏从水碳循环/能量平衡和山地-绿洲-荒漠系统（MODS）作为整体全面认识绿洲稳定性的缺陷，本项目选择天山北坡区域，通过构建绿洲－荒漠生态系统模型ODEM；重点模拟和分析绿洲－荒漠生态系统碳水循环过程，尤其是在山地和荒漠背景下分析绿洲演变对区域碳动态的影响。基于美国主流的WRF-Noah区域气候/陆面过程模式和欧洲主流的ALARO-SURFEX区域气候/陆面过程模式，分析了绿洲演变导致的荒漠-绿洲-山地系统相互作用和区域/局地气候，尤其是揭示绿洲演变对区域气候的影响。.首先利用历史航片和卫星影像，构建绿洲及其外围荒漠多期土地利用/土地覆被数据集，分析1950s屯垦戍边以来现代绿洲演变和外围荒漠植物群落变化。1950年以来，老绿洲不断向其下部冲积平原扩张，老绿洲外围土质荒漠景观不断转变为新绿洲，绿洲面积增加了4倍多。其中1958-1968和2000s以来是绿洲变化最为显著的2个阶段，也是农业用地和建设用地增幅最大的2个时期。.在此基础上，基于自主开发干旱区生态系统模型（AEM），通过耦合绿洲管理过程和荒漠植被特殊的同化产物地上与地下动态分配过程，建立绿洲－荒漠生态系统模型（ODEM），并重点分析气候变化背景下天山北坡以耕地变化表征的绿洲演变对区域碳动态的影响。.基于WRF-Noah模型和ALARO-SURFEX模型，分析了MODS系统中的相互作用和水热格局，尤其是绿洲扩张和灌溉对区域/局地气候的影响。主要包括山盆地貌结构中山地和平原之间的山谷风、绿洲与荒漠之间的环流、绿洲冷岛效应与绿洲城市热岛效应等。.最后，提出了绿洲可持续发展的建议，包括充分利用绿洲灌溉和扩张导致1000-2500m中低山带增加的降水，在中低山带增加水资源存储能力，并通过人工手段，适当人为增加这一区域的植被覆盖度；利用局地环流的时空分布，在天北绿洲之间的非耕地区域适当布局具有一定大气污染的工业等