中国北方沙区水量平衡自动模拟监测系统Lysimeter群

■本报记者 刘晓倩

“你看，他们长得多好。这是来自两千公里以外，古尔班通古特沙漠的梭梭。” 中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站（以下简称沙坡头站）站长李新荣说。此时，在沙坡头站的蒸渗仪群中，来自中国干旱区、半干旱区、半湿润区的11种典型固沙植物正欢快地生长着。它们脚下，是千里迢迢从各自“故乡”运来的沙土。

近日，在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目支持下，沙坡头站建成了我国规模最大的水量平衡自动模拟监测系统。该系统实现了北方沙区水量平衡的监测—模拟—集成研究，将回答不同沙区土壤水分的植被承载力、生态水文阈值等防沙治沙的核心科学问题。

沙漠治理，科技先行

31年前，李新荣读研究生，来到沙坡头站。在院子里，他亲手种下了一棵和他差不多高的树苗。李新荣对《中国科学报》说，我国北方风沙区面积约 170 万 平方公里，包括八大沙漠和四大沙地，横跨极端干旱、干旱、半干旱和半湿润气候带，年降水量在50~ 500 毫米之间，区域差异明显。由于自然环境严酷，且易受气候变化和不合理的人类活动影响，北方风沙区是我国生态环境最为脆弱的区域。

自上世纪70年代相继实施的“三北”防护林工程、“退耕还林（草）”工程、“京津风沙源治理工程”等重大生态建设工程，取得了显著的成效，有效缓解了风沙危害等生态退化问题。然而在一些地区，植被建设中还存在许多问题，主要表现为人工植被大面积退化甚至死亡，地下水资源消耗严重，破坏了局地生态系统的水平衡，致使风蚀没有得到有效遏制、土壤难以恢复。

与此同时，相关理论研究，尤其是对沙区人工植被与土壤系统的水量平衡相关理论研究滞后，对防沙治沙实践的有效指导不足。因此，科学、全面认知沙区植被—土壤系统生态水文机制，并探索合理的沙漠化治理对策是沙区生态恢复和保护的国家重大科技需求。

集中北方沙区三种气候类型

为满足这一需求，李新荣和同伴们一起，每年行程一万公里，背着土钻、土壤水分仪、根系测量系统等仪器，在不同沙区采样，再拿回实验室研究。

能否把野外实验室搬到家门口呢？2016年，李新荣有了这个大胆的想法。

水分，是沙区植被恢复和生长及生态重建最重要的限制因子。水量平衡与水循环始终是干旱、半干旱、半湿润地区植被建设所面临的核心科学问题，并决定着植被的可持续发展和系统的稳定性。科学的水资源管理必须准确地估算陆地生态系统的植被蒸散量及其水分平衡。

注视着沙坡头站20世纪80年代建成的六个蒸渗仪，李新荣有了好主意——把我国北方不同沙区的土壤和典型固沙灌木搬到沙坡头，建一个可以“呼风唤雨”、自动控制地下水的蒸渗仪群，自动监测关键物种水文过程。

三年后，李新荣这一想法变成了现实。在沙坡头站的试验地上，圆形的蒸渗仪（Lysimeter）一行6个，共6排，36个整齐排列。两边设有轨道，可供移动大棚人工降雨。

沙坡头沙漠研究试验站副站长张志山说，蒸渗仪是水量平衡研究最重要的工具，可有效测量蒸散发以及深层渗漏量。本次建设的中国北方沙区水量平衡自动模拟监测系统Lysimeter群由三大部分组成：36+6台（其中6台建设于20世纪80年代）大型称重式蒸渗仪为主体，集成了移动大棚和智能降水模拟及地下水控制系统，配置了中国北方不同沙区的土壤和典型固沙灌木。

沙坡头站赵洋博士介绍，由南向北的12个筒体，装的是从腾格里沙漠运来的风沙土。别看地面部分只有四平方米，整个钢筒在地下有3米深。“每个筒里都装了20吨风沙土。”赵洋说，筒里种植的柠条、油蒿、驼绒藜都是当地治沙效果非常好的植物。再向北走，筒里土壤颜色和质感明显变白变粗，那是典型荒漠草原的栗钙土，里面种植着蒙古莜、沙冬青和霸王。继续向北，是两千公里外，新疆古尔班通古特沙漠运来的沙土和梭梭、白梭梭。最后八个筒来自科尔沁沙地，里面种植着差巴嘎蒿、小叶锦鸡儿、差蒿。

在植物旁边，记者看到两根灰色的管子。李新荣解释说：“就像给沙土做胃镜，每个筒体内埋设12层三参数探头，可以自动长期监测筒体内不同土层的温度、湿度、电导率三个参数。” 不仅如此，根系测量系统可以监测筒体内植物根系每一天、每一小时的生长动态。土壤溶液采集系统可以提取筒体内不同土层的土壤溶液。

在每个筒体下方，有三个高精度重量传感器。“精度可以达到200克，即使0.05毫米的毛毛雨，都可以准确称重。”赵洋说。走进地下控制室，大屏幕实时监测各项数据。通过模拟不同气候带降水和地下水位，连续精确监测植被—土壤系统中降水入渗、地下水补给、土壤水动态、蒸散发、植物生长等过程，实现北方沙区水量平衡的模拟集成研究。

提升研究能力，回答防沙治沙核心科学问题

张志山告诉记者，世界上第一台蒸渗仪由法国数学家、气象学家De la Hire于1688年研制。1906年，德国人Von Seelhorst制成第一台称重式蒸渗仪。1937年，著名的整体式自动记录“水分循环”的蒸渗仪在美国俄亥俄州的Coshocton投入运行，揭开了将蒸渗仪广泛应用于区域蒸散量、植被耗水量、生态需水量等陆地水文学与水资源管理方面研究的序幕。我国利用蒸渗仪进行水量平衡的研究始于20世纪80年代中期。

近年来，电子学、工程学、灌溉科学、土壤物理学和微气象学的不断发展，推动了蒸渗仪研究及其在世界范围的广泛应用。截至2006年，仅欧洲就拥有2452台蒸渗仪。

“建立大型智能称重式蒸渗仪组群实现跨学科研究，是现今发展趋势。”张志山说。例如，德国Braunschweig-Volkenrode研究站安装了8台大型称重式蒸渗仪用于农田水量平衡的研究；瑞士Rechenholz蒸渗仪监测站安装了12台大型称重式蒸渗仪用于研究不同作物种类、不同耕作条件、不同土壤类型条件下的水分平衡与氮平衡关系。

与传统的蒸渗仪相比，沙坡头站本次建设的蒸渗仪群增加了自动模拟降雨系统、植物蒸腾观测系统、根系生长动态监测系统、自动地下水补给系统。通过氢氧稳定性同位素添加试验，系统可全面、自动化地精确监测沙区SPAC（土壤、植物、大气连续体）系统各水文过程，区分水分来源。这将为沙区水资源管理及生态系统可持续发展提供理论范式和数据共享与研究平台。

李新荣告诉记者，利用蒸渗仪群开展长期定位研究，将提高在多尺度上对我国沙区生态和水文过程的认知，提升植被重建的生态水文学和植物生理生态学机理等相关领域的研究能力，回答不同沙区土壤水分的植被承载力和人工植被稳定性维持的生态水文阈值等防沙治沙的核心科学问题。

试验站观测场里，一条红砖小路边上，两米高的梭梭随微风轻轻摆动。那是上世纪70年代，李新荣的老师们种下的。小路另一边，一人高的梭梭、沙蒿是上世纪80年代李新荣和同事们种下的。不远处包兰铁路上，一列火车鸣笛而过，暮色和沙地上的幽幽绿意相映成趣。