古尔班通古特沙漠南缘梭梭地下水利用量测算与利用机理研究

Haloxylon ammodendron-dominated native vegetation acts as the ecological barrier for the oasis along the Northern Piedmont of the Tianshan Mountains. Groundwater is an important source that H. ammodendron may use. Study area is located in the southern Gurbantünggüt Desert. The proposal is going to study the Ground water-Soil-plant-Atmosphere Continuum (GSPAC) of H. ammodendron through a combination of theoretical analysis and laboratory and field experiments. The stable isotopic characteristics for xylem water and precipitation and soil water and groundwater will be quantified to identify whether H. ammodendron uses groundwater, with a combinative consideration on the water table dynamics, maximum rooting depth and maximum height of capillary rise, etc. The evaporation front and evaporation characteristic length will be applied to modify the theoretical analysis and calculation for the soil water fluxes in unsaturated zone of homogeneous soil under stable groundwater depth. Objectives of the proposal are to understand the mechanisms that H. ammodendron use groundwater under given groundwater depths by studying the soil water fluxes through GSPAC system, to determine the groundwater use amount from the points of soil water as well as from the point of groundwater through the groundwater balance and the variable specific yield under evapotranspiration condition. Results of the proposal would provide theoretical understanding and data and technical supports for the protection, restoration and reconstruction of degraded ecosystems. Theoretical contribution for the enrichment and refinement of ecohydrology in arid regions is also expected.

以梭梭为建群种的良好原生植被是天山北麓绿洲的生态屏障，地下水是梭梭可能利用的重要水源。选择古尔班通古特沙漠南缘北沙窝试验区为研究区域，以潜水—土壤—梭梭—大气连续体为研究对象，室内外试验与理论分析相结合，综合考虑梭梭木质部水、 降水、土壤水、地下水稳定同位素特征及潜水位动态、梭梭最大根系分布深度、最大毛管水上升高度等，辩识梭梭水分来源；引入“蒸发特征长度”概念，改进定地下水位条件下均质土壤非饱和带水分通量的计算方法；通过沙漠梭梭林地GSPAC系统水分通量的研究（包括液态水和气态水），揭示地下水深埋条件下梭梭利用地下水的机理、过程与规律，从土壤水出发确定梭梭地下水利用量；通过蒸散发条件下变值给水度、地下水平衡的研究，从地下水出发确定梭梭地下水利用量。研究结果不仅将为退化荒漠生态系统植被的保护、恢复与重建提供理论依据、基础数据与技术支撑，而且对于丰富与完善干旱区生态水文学也有一定的理论贡献。

针对绿洲区实施节水灌溉、过度开采利用地下水，造成绿洲浅层地下水位下降，绿洲向沙漠侧渗的地下水减少，引起维护绿洲生态安全的天然屏障——以梭梭为建群种的植物群落衰退等问题，以土壤水动力学、土壤物理学和地下水水文学理论为指导，在古尔班通古特沙漠南缘北沙窝建立了梭梭地下水利用综合观测场，利用最大分子持水量与土壤含水量曲线交会法在野外测定了风沙土毛管水的最大上升高度，采用土柱法在室内测定了风沙土毛管上升水的运动特性，分析了潜水埋深为零时潜水蒸发与水面蒸发的定量关系，推导了n=5和n=6时潜水极限蒸发强度与潜水埋深的定量关系；利用稳定性同位素技术，通过测定植物木质部水、土壤水和地下水δ18O值，结合直接对比法、平均深度模型以及Iso-Source模型分析了梭梭的水分来源；利用TDP热扩散式茎流计，结合气象观测系统，对梭梭树干液流及环境因子进行了连续监测，分析了梭梭树干液流对环境要素的响应，基于潜在蒸散发和蒸腾需求指数对梭梭茎干液流进行了模拟；完善了波文比-能量平衡法测定蒸散量的数据取舍方法，分析了梭梭群落能量平衡及蒸散特征；系统研究了潜水位变幅带给水度，采用5种方法计算了梭梭群落地下水利用量。研究结果表明：梭梭根系具有二态性，5月主要利用浅层（20-40 cm）土壤水、深层（100-350 cm）土壤水以及地下水，8月主要利用深层（160-350 cm）土壤水以及地下水；梭梭树干液流速率与水汽压亏缺、净辐射、潜在蒸散发之间存在非对称响应；自然蒸散发条件下，古尔班通古特沙漠南缘均质风沙土毛管水最大上升高度变化在250-290 cm之间，毛管水上升补给速率达到最大值时的临界地下水埋深为0.46m；只有细沙潜水埋深为零时的潜水蒸发强度近似等于与蒸渗筒的面积相等的E601蒸发器观测的水面蒸发强度；蒸散发条件下古尔班通古特沙漠南缘地下水深埋区风沙土疏干给水度平均值为0.08。研究结果可为退化荒漠生态系统植被的保护、恢复与重建提供理论依据、基础数据与技术支撑。发表论文11篇，其中SCI论文 4篇。培养博士研究生1名，硕士研究生5名。