宁夏沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站
干旱沙区多源数据库的构建
作者: 沙坡头站 更新时间: 2016-10-09

我国沙害防治形势严峻,1/3的国土面积受到荒漠化的影响,其中包括1300万公顷农田和1亿公顷草场。沙区铁路(1367公里) 42%的路段受到风沙危害,470多个县(4.5万个村庄和居民点)受沙化威胁,4亿人口生活在荒漠化影响的地区;农田水利设施也遭到不同程度的风沙破坏,如泥沙填淤水库、晋陕蒙接壤区库容大于50万立方米的46座水库总库容已被填淤37.3%,泥沙大量进入河道,河床淤高,小水致大灾。黄河多年平均输沙16亿吨中有12亿吨源于荒漠区;许多文化遗产、历史文化名城和国防航天基地承受着风沙侵蚀;部分输电、通讯线路和油气管道遭到风沙破坏,经常酿成重大事故(水利部、中国科学院和中国工程院,2010),沙害造成直接经济损失每年超过450亿元。沙漠化土地的不断扩张和由此形成的严重退化生境很难通过采取封育等措施后得到自然恢复,人为促进生态恢复与重建是当务之急。

受自然和人类活动的影响,我国半干旱区农牧交错带、干旱区沙漠与干草原,以及绿洲与沙漠边缘的过渡区是目前沙漠化发展最快,沙害最为严重的地区(王涛,2003)。同时,该区域也是我国北方生态屏障带和开展植物固沙的重点区域(卢琦,2000)。建国以来,国家相继启动了三北防护林、退耕还林(草)和京津风沙源治理等以植物固沙为主要措施的一批重点生态建设工程(国家林业局,2011)。无需置疑,这些工程建设为遏制当地土地沙化,缓解风沙危害起着重要的作用,但是,半个多世纪的治沙并没有彻底逆转土地沙化的进程,植被建设存在很多问题。例如,晋西北沙化土地大量的种植新疆杨,地下水下降明显,盖度曾达到80%的固沙植被大面积退化,结果流沙并没有得到根治,却引发土壤水环境的恶化。浑善达克沙地近几十年因地下水下降使大面积的榆树死亡(Su et al., 2011)。上世纪50年代在民勤沙区营造的密集沙枣等乔木为主的固沙林4.4万公顷,由于地下水位的下降,其中有3万公顷全部枯死。同样,在科尔沁沙地、毛乌素沙地、青海共和沙地和新疆沙区的许多植物固沙区出现了大面积固沙植被退化、地下水下降,甚至发生新的沙化现象。

造成这种现状的原因是,固沙植物的选择不当、种类组成单一、空间配置简单和密度过大(杨维西, 1996;郑度,2000;Li et al., 2007),固沙植被的功能群组成单一,对沙地水分承载力与植被建设规模(面积)关系不清(王苏民等, 2002;孙鸿烈,2010)等,即植物固沙实践中缺少对选择固沙植物种的地带性分布规律、植被格局与演替的特点,以及植被-土壤系统生态-水文过程和作用机理等科学问题的认识,研究和解决这些问题正是国家防沙治沙的重大科技需求。

该专题服务汇集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的水分、土壤、大气、生物联网观测数据。在收集、调查观测、整理和综合分析干旱沙区有关气象、水文、土壤、植被、社会经济等数据及相关科研项目中最新研究信息和成果的基础上,建立多源数据库,利用联网研究和尺度转化建立区域尺度的动力学模型,模拟固沙植被生态水文的耦合关系;结合对自然植被结构、功能特点的深入分析与对照,提出不同生物气候带固沙植物的规模和范式;从固沙植被稳定性和多样性的角度对现有固沙植被通过综合评价提出调控对策方案,为未来固沙植被建设和管理提供科学的生态水文学理论依据。

建立学科专题数据库是当前科学研究发展的重要工作之一,沙坡头站构建的干旱沙区多源数据库专题服务主要针对在干旱沙区开展具体科学研究的科研人员,为其主持和参加的相关科研项目提供具体数据支持。服务的主要科学研究项目为李新荣研究员为首席科学家的国家重点基础研究发展计划“植物固沙的生态-水文过程、机理及调控”(2013CB429900,2013-2017),该项目基于实验模拟和长期定位观测相结合的联网研究,阐明水与植被之间的动态关系,确定不同沙区植被稳定性的生态-水文阈值,可为国家防沙治沙和沙区植被生态系统管理奠定理论基础和提供科学依据。另外,为在干旱沙区开展研究的多项国家自然科学基金和其它院、地区等项目的实施提供重要的水文、气象、植被、土壤等多源数据资料,例如,国家自然科学基金“腾格里沙漠东南缘天然和固沙植被区油蒿种群格局与动态研究”(31170385,2012-2015)、“干旱荒漠区公路建设对典型土壤植被系统的生态效应”(41171042,2012-2015)、“固沙植被演替过程中土壤微生物量碳、氮变化及其对环境因子的响应”(41171078,2012-2015)、“温性荒漠地区生物土壤结皮碳收支对降雨格局的响应机理”(41171077,2012-2015)、“角质层基因cer-ym的克隆及其在植物抗旱生态适应中的作用”(31170369,2012-2015)、“黑河流域中下游干旱区植物叶片表皮微形态和超微结构特征与其抗旱机制研究”(91125029,2012-2015)、“沙区生物土壤结皮对生物入侵的影响”(41271061,2013-2016)、“植物固沙沙区凝结水形成特征、机理及生态水文功能研究”(41201085,2013-2015)、“温性荒漠区生物土壤结皮中固氮微生物群落时空演变格局及其生态效应”(41201250,2013-2015)、“温带荒漠生物土壤结皮的氮固定及其对水热条件变化的响应”(41201086,2013-2015)、“干旱沙区固沙植物生长与水分利用关系研究”(41201084,2013-2015)、“干旱荒漠区斑块状植被格局及其生态水文效应研究”(41371101,2014-2017)、“冬季降雪对荒漠地区生物土壤结皮碳固存的影响研究”(41371100,2014-2017)、“风沙流对生物土壤结皮分布格局的影响及其机制研究”(41371099,2014-2017)、“腾格里荒漠红砂-珍珠群落碳通量变化及其对环境因子的响应”(41301080,2014-2016)、“干旱区固沙植物的地形塑造及成土作用研究”(41471434,2015-2018)、“典型红砂珍珠荒漠灌丛群落碳通量对降水变化的响应及其机制”(41401112,2015-2017)、“温性荒漠草原不同功能型草本植物对氮沉降的生理生态响应”(4140133,2015-2017)、“温带荒漠生物土壤结皮-土壤系统氮矿化特征及其对水热因子的响应”(41401341,2015-2017),中国科学院西部行动计划“晋陕蒙能源基地植被恢复重建关键技术”(2012-2015),院地合作项目“日喀则光伏电站中草药与生态农业示范园规划设计”(2014-2015)等。

该专题服务汇集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的水分、土壤、大气、生物联网观测数据。在收集、调查观测、整理和综合分析干旱沙区有关气象、水文、土壤、植被、社会经济等数据及相关科研项目中最新研究信息和成果的基础上,建立多源数据库,利用联网研究和尺度转化建立区域尺度的动力学模型,模拟固沙植被生态水文的耦合关系;结合对自然植被结构、功能特点的深入分析与对照,提出不同生物气候带固沙植物的规模和范式;从固沙植被稳定性和多样性的角度对现有固沙植被通过综合评价提出调控对策方案,为未来固沙植被建设和管理提供科学的生态水文学理论依据。

该专题服务构建的多源数据库包括4个数据产品:(1)干旱沙区水分数据库,该数据库收集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的降水、土壤水、蒸散发等数据,为开展干旱沙区水分运移、水量平衡和生态水文研究提供重要数据支持;(2)干旱沙区土壤数据库,该数据库收集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的土壤理化性状(土壤容重、pH、全N、全P、全K、机械组成等),为开展干旱沙区植被恢复过程中土壤演化特性研究等提供重要数据支持;(3)干旱沙区气象数据库,该数据库收集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的气象因子测定数据(风速、风向、气温、地温、相对湿度、辐射等),是了解北方干旱沙区气候环境的基础数据,也是其它数据测定的重要背景资料;(4)干旱沙区植被数据库,该数据库收集我国北方干旱沙区的章古台、奈曼站、沙坡头站、临泽站、阜康站等重要站点的植被测定数据,结合水分、气象、土壤等资料,可以确定不同生物气候带植物固沙范式,能够评估固沙植被的稳定性与生态水文效应的关系,最终提出植物固沙的生态水文调控对策,为我国的植物固沙提供科学依据。

版权所有:国家生态系统观测研究网络 京ICP备05002847号   地址:甘肃省兰州市东岗西路320号,中国科学院西北生态环境资源研究院(筹)  
Email: spd@cern.ac.cn    TEL:13739553517   技术支持:中国科学院计算机网络信息中心·科学数据中心