塔里木沙漠公路防护林土壤盐结皮的生态环境效应与作用机制

The Tarim Desert Highway Shelterbelt is the longest artificial shelterbelt project that continuous runs across shifting desert in the world, soil salt crusts are widely distributed at soil surface in the shelterbelt because of being drip-irrigated with high saline groundwater and local extreme drought climate. The project is planed focus on the soil salt crusts, through field position monitoring and wind tunnel simulation, combined with laboratory analysis and soil column simulation experiments, we will systematic study the dynamics of soil water-heat-salt, soil carbon cycle, wind erosion and soil microbes under the effects of soil salt crusts, clarify the effects and mechanisms of soil salt crusts on dynamic processes of soil hydrology, soil wind erosion and soil microbes, reveal the interactive mechanism of salt crusts and wind erosion, comprehensive evaluate the ecological and environmental effects of soil salt crusts, probe the of efficient use of regional soil and water and increase of soil carbon fixation. The results can provide theoretical guidances and technical supports for the maintenance and management of the Taklimakan Desert Highway Shelterbelt and soil and water ultility in arid regions.

塔里木沙漠公路防护林是世界上连续穿越流动沙漠最长的人工防护林工程，由于采用高矿化度地下水滴灌，再加上极端干旱的气候条件，土壤盐结皮在该人工生态系统的土壤表层广泛发育。本项目拟以土壤盐结皮为切入点，通过野外定位监测和风洞模拟，结合室内分析和土柱模拟试验，系统研究盐结皮影响下防护林土壤水热盐、土壤碳循环、土壤风蚀、土壤微生物等动态过程，阐明盐结皮对土壤水文、CO2通量、土壤风蚀、土壤微生物过程的影响及作用机理，揭示盐结皮与土壤风蚀的互馈机制,综合评价土壤盐结皮的生态环境效应，探讨区域水土高效利用的和提高土壤碳固定的途径。研究成果可为沙漠公路防护林的维护管理及旱区水土资源的开发利用提供理论指导和技术支撑。

本项目基于野外定位监测和室内模拟试验，通过系统研究阐明了咸水滴灌下盐结皮对土壤水文、CO2通量、土壤风蚀、土壤微生物的影响及作用机理，完了各项研究计划内容，并对盐结皮的时空分布特征、土壤碳的时空分布做了初步探讨。项目获得的主要进展包括：1）盐结皮对土壤蒸发和入渗均具有明显的抑制作用。一个灌溉周期内盐结皮对林地土壤水分蒸发的抑制效率为33.00%，远高于裸地的13.37%；灌水量相同条件下，结皮土壤初始入渗速率和最终入渗深度均小于对照，且灌水量越大，有结皮土壤与对照间的差异越大。2）夏季无结皮土壤的呼吸速率要明显高于有结皮土壤的呼吸速率，无结皮土壤的呼吸速率比有结皮土壤的呼吸速率高近2倍；秋季有结皮的呼吸速率要稍高于无结皮的呼吸速率；土壤呼吸速率日变化均表现为单峰型曲线，15:00~16:00达到峰值；土壤呼吸强度随着气温的升高而升高，随空气湿度的升高而降低。3）盐结皮可以抵抗较强携沙风的风蚀作用，且随着培育盐结皮的灌溉水矿化度的升高，其抵抗风蚀的能力逐渐增强；随着生物质炭施入量的增加，盐结皮抗风蚀能力逐渐降低。4）不同矿化度灌溉水滴灌防护林0-50 cm土壤微生物数量差异明显，随着矿化度的升高微生物数量逐渐减少，但均显著高于流沙地；不同土层微生物数量亦存在较大差异，5-30 cm土壤微生物活性明显高于0-5 cm和30-50 cm。5）受灌溉水矿化度、防林龄、时间、地形等因素的影响，盐结皮表现出明显的时空分布特征。6）防护林建设显著提高了SOC与SIC储量，且灌溉水矿化度、林龄、土壤含水量和EC均会对SOC和SIC储量及垂直分布产生不同程度的影响。总之，土壤盐结皮具有致密的结构和高含盐量，对下层土壤可以起到很好的保护作用并阻隔了土壤与大气间的水气交换，抑制了土壤微生物活性。研究结果对于沙漠公路防护林的可持续利用和旱区水土资源的合理开发具有重要的理论意义。