當(dāng)好地表資源環(huán)境的“全科醫(yī)生”

　　走進(jìn)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　實(shí)驗(yàn)室名片

　　地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室圍繞地球系統(tǒng)科學(xué)前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，以我國北方農(nóng)牧交錯帶、城鄉(xiāng)過渡帶及海岸帶等為重點(diǎn)，研究地表過程及其對可更新資源再生機(jī)理的影響，建立與完善地表多要素、多過程和多尺度模型與人地系統(tǒng)動力學(xué)模擬系統(tǒng)，探討區(qū)域自然資源可持續(xù)利用范式，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、可持續(xù)性管理與退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建等提供科學(xué)與技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)室擁有多個野外監(jiān)測平臺、數(shù)據(jù)與計(jì)算模擬平臺和分析測試平臺，形成了地表過程、資源生態(tài)、地表系統(tǒng)模型與模擬、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展模式四個相互聯(lián)系、互為依托的研究方向，多項(xiàng)研究成果分別獲國家自然科學(xué)獎、國家科技進(jìn)步獎等獎項(xiàng)，為生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

　　地球，人類賴以生存的家園。在水、土、氣、生、人多種要素相互作用下，地球這個生命體每時每刻都在發(fā)生著變化。

　　“這些不同的要素之間有何關(guān)系，相互作用的機(jī)理是什么，會給地表環(huán)境帶來哪些變化、產(chǎn)生哪些問題，如何解決這些問題，讓地表可更新資源更可持續(xù)、讓區(qū)域發(fā)展更高質(zhì)量，等等，這些都是我們這個實(shí)驗(yàn)室關(guān)注的重點(diǎn)。”地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任效存德教授告訴記者，如果把地表系統(tǒng)視為人體，那就需要一位“全科醫(yī)生”，既為地表資源環(huán)境“把脈問診”，也針對問題為地表系統(tǒng)“開方療傷”。

　　近日，記者走進(jìn)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，近距離了解這位“全科醫(yī)生”如何為地表資源環(huán)境“問診療傷”。

　　1 天空地一體化綜合觀測

　　為了解地表過程及分析決策等提供數(shù)據(jù)支撐

　　9月15日上午9時許，記者來到位于北京師范大學(xué)的地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室成員、高級工程師徐自為正通過野外站網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，查看千余公里外的黑河流域地表過程綜合觀測網(wǎng)的實(shí)時觀測數(shù)據(jù)。

　　這是他每天的“固定動作”。

　　“一方面是要看一看觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、連續(xù)性，另一方面是要檢查各觀測儀器的運(yùn)行狀態(tài)。”徐自為告訴記者，大型觀測試驗(yàn)如同大型“體檢”，是了解陸地表層系統(tǒng)狀態(tài)、過程以及研發(fā)相關(guān)模型、提出決策參考的前提。

　　山水林田湖草沙冰是一個生命共同體，構(gòu)成了一個區(qū)域、國家乃至地球的景觀綜合體，各系統(tǒng)間存在復(fù)雜而緊密的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，其生態(tài)功能是該生命共同體質(zhì)量的重要表征，而生物多樣性是各系統(tǒng)生產(chǎn)和服務(wù)的基礎(chǔ)和源泉，要揭示一個區(qū)域或流域山水林田湖草沙冰生命共同體的健康狀態(tài)、演化規(guī)律與驅(qū)動機(jī)制，發(fā)現(xiàn)問題、提出對策，首先要建立全方位、立體化監(jiān)測體系，集成多尺度、多過程、多要素的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)。這是“診斷”的基礎(chǔ)。

　　黑河流域位于我國西部干旱半干旱區(qū)，是我國第二大內(nèi)陸河流域，也是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心地段，從上游到中游、下游，以水為紐帶，形成了“冰雪/凍土—森林—草甸—綠洲(農(nóng)田、河岸林)—荒漠/沙漠/戈壁—湖泊”的多元自然景觀。“可以說，是開展地表(陸表)過程觀測的絕佳單元。”實(shí)驗(yàn)室成員劉紹民教授介紹。

　　為此，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員打造了多要素、多過程、多尺度的分布式立體觀測物聯(lián)網(wǎng)，可對黑河流域進(jìn)行天空地一體化的、不同尺度的長期觀測，積累長時間序列數(shù)據(jù)集，為流域綜合管理提供數(shù)據(jù)支撐。

　　“目前一共有13個觀測站正在運(yùn)行，覆蓋黑河流域主要下墊面類型。地面上布置的多類型觀測儀器可以獲取地表通量、水文氣象要素、植被參數(shù)和土壤參數(shù)等數(shù)據(jù)，無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等則可以獲取由基礎(chǔ)產(chǎn)品、植被產(chǎn)品、水文產(chǎn)品和人類活動產(chǎn)品等構(gòu)成的全區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域和人類活動區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)。”徐自為告訴記者，無論是冰雪、凍土，還是森林、草甸、湖泊，水、土、氣、生、人全要素、多尺度的數(shù)據(jù)信息，都可以借助這一觀測網(wǎng)獲取。

　　這只是祁連山天空地一體化綜合監(jiān)測系統(tǒng)的一部分。

　　記者了解到，除黑河流域外，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還在青海湖流域、疏勒河流域、石羊河流域、大通河—湟水流域與柴達(dá)木盆地等祁連山地區(qū)，構(gòu)建了由地面觀測站網(wǎng)+無人機(jī)+高分衛(wèi)星+中高分辨率衛(wèi)星等組成的天空地一體化綜合監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，生成了祁連山多源、多尺度、多要素的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)集。目前，已在國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布相應(yīng)中文、英文數(shù)據(jù)集700余個。

　　在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員還根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對祁連山山水林田湖草沙冰系統(tǒng)生態(tài)功能和生物多樣性現(xiàn)狀進(jìn)行了評估，揭示了植物對干旱缺水的生態(tài)水文適應(yīng)機(jī)制，研發(fā)出高寒濕地系統(tǒng)性植被恢復(fù)技術(shù)等。

　　2 研發(fā)中國土壤侵蝕模型

　　揭示土壤背后的秘密，探究水土流失的原因和治理

　　前不久，在北京師范大學(xué)房山綜合實(shí)驗(yàn)基地人工模擬降雨大廳，一場人工降雨正在進(jìn)行。

　　“主要是研究暴雨影響土壤侵蝕的機(jī)理問題。”實(shí)驗(yàn)室副主任張光輝教授介紹，無論是普通降雨，還是50年一遇、100年一遇的大暴雨，在這里都可以隨時實(shí)現(xiàn)、隨時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　不僅如此，在實(shí)驗(yàn)基地的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)大廳，還可進(jìn)行風(fēng)蝕觀測，測定在不同風(fēng)速條件下，不同下墊面的風(fēng)蝕狀況和風(fēng)蝕量，從而獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　土長土養(yǎng)，土生萬物。土壤對于一個國家乃至整個地球的重要性不言而喻。然而，受水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營力影響，土壤及其母質(zhì)不斷被破壞、分離、搬運(yùn)、沉積。

　　“這個過程就是我們所說的土壤侵蝕。”張光輝教授告訴記者，在外營力作用下，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，變?yōu)樗缮⒛嗌常瑥亩鴮?dǎo)致水土流失等問題。因此，研究土壤侵蝕過程與機(jī)理、確定土壤侵蝕強(qiáng)度及其時空分布，對于防治生態(tài)災(zāi)害、治理水土流失、服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)等，意義重大。而這也是實(shí)驗(yàn)室的重要研究領(lǐng)域之一。

　　據(jù)介紹，地表過程主要包括由氣候、水文、植被及人類活動變化所引起的侵蝕、搬運(yùn)、沉積及景觀格局變化等地理過程。其中對資源生態(tài)影響最為突出的是土壤水蝕、風(fēng)蝕和風(fēng)水復(fù)合侵蝕等過程。

　　近年來，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員合力攻關(guān)，研發(fā)了中國土壤侵蝕模型，被應(yīng)用于全國水土流失調(diào)查。同時開發(fā)了耕地、灌草地和沙地風(fēng)蝕模型，解決了區(qū)域水土流失調(diào)查定量評價(jià)與空間制圖的難題，編制了我國第一幅定量土壤侵蝕強(qiáng)度圖。“我們還主持了第一次全國水利普查土壤侵蝕普查，完成了全國土壤侵蝕專題圖。”效存德教授告訴記者。

　　今年7月，實(shí)驗(yàn)室成員劉寶元教授還帶領(lǐng)科考隊(duì)進(jìn)行了國家第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究2022年夏季“土壤侵蝕”專題科考工作，填補(bǔ)了青藏高原無人區(qū)沒有土壤侵蝕定量研究的空白。

　　據(jù)介紹，10年前，劉寶元教授就發(fā)現(xiàn)了青藏高原土壤具有獨(dú)特的侵蝕特點(diǎn)。此后十年，幾乎每年一次的三江源野外踏勘，成了他的工作日常。而此次青藏高原“土壤侵蝕”專題科考，旨在進(jìn)一步開展定量化研究，同時要解決土壤侵蝕與土地退化的關(guān)系，以期為后續(xù)的水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。“我們的研究和調(diào)查就是為了保護(hù)土壤，為子孫后代的生存和發(fā)展做出當(dāng)代人應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”劉寶元教授表示。

　　記者了解到，從青藏高原采集回來的土壤樣本，不僅會在房山綜合實(shí)驗(yàn)基地接受“風(fēng)沙”“雨水”的考驗(yàn)，還會在實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)分析測試平臺接受CT掃描、伽馬探測等多項(xiàng)分析測試實(shí)驗(yàn)。

　　“土壤的微觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)地以及養(yǎng)分含量、孔隙大小、微生物種類等，在室內(nèi)分析測試平臺均可得到答案。”實(shí)驗(yàn)室分析測試中心副主任高曉飛告訴記者。

　　3 創(chuàng)建綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范科技體系

　　解決重大自然災(zāi)害評估等科技難題

　　王承書，地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。“我們種下的大豆，馬上就要收獲了。”9月15日，記者聯(lián)系到他時，他和團(tuán)隊(duì)成員正忙著整理實(shí)驗(yàn)用具，為大豆測產(chǎn)做準(zhǔn)備。

　　王承書告訴記者，今年4月以來，他一直待在黑龍江省嫩江市鶴山農(nóng)場，與其他成員一起進(jìn)行著大田試驗(yàn)，并獲取了一系列詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。秸稈碎混還田將對不同退化程度的黑土農(nóng)田生態(tài)生產(chǎn)功能帶來什么影響？答案很快就要揭曉。

　　據(jù)張光輝教授介紹，受人為高強(qiáng)度開發(fā)利用以及氣候、地形地貌、土壤、植被等獨(dú)特侵蝕環(huán)境的綜合影響，東北黑土地耕層逐漸變薄、變瘦、變硬，導(dǎo)致地力下降、甚至損毀耕地，阻礙了地表系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，威脅國家糧食安全。怎樣做才能有效阻控水土流失，恢復(fù)侵蝕退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能，推進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展？他們一直在探究有效模式為黑土地“療傷”。

　　“我們現(xiàn)在正在開展的侵蝕退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能重建機(jī)制與阻控技術(shù)研究，主要是探求秸稈還田、有機(jī)肥施用、結(jié)構(gòu)改良與耕層重構(gòu)，對不同退化程度黑土農(nóng)田土壤水熱特征、養(yǎng)分動態(tài)等生態(tài)生產(chǎn)功能帶來哪些影響，其背后的機(jī)制是什么。”張光輝教授告訴記者，這對于抑制土壤侵蝕、促進(jìn)黑土區(qū)水土保持、改善生態(tài)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

　　這只是實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)探索區(qū)域可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展有效模式的一個例子。“我們從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改善和自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)防范入手，開展了不同尺度的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展理論、方法和應(yīng)用實(shí)踐研究。”效存德教授介紹。

　　據(jù)介紹，中國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重國家之一，重大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，僅汶川地震就使8.7萬人遇難和失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失約8500億元。針對自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范和特別重大自然災(zāi)害應(yīng)對急需的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)防范團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年合作研究，在區(qū)域自然災(zāi)害系統(tǒng)理論與方法、重大自然災(zāi)害損失與風(fēng)險(xiǎn)綜合評估技術(shù)、中國自然災(zāi)害系列地圖集編制、重大自然災(zāi)害應(yīng)對與農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害保險(xiǎn)技術(shù)等方面取得多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，創(chuàng)建了模式化、圖譜化、實(shí)時化、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范科技體系，解決了重大自然災(zāi)害評估缺少體系化統(tǒng)計(jì)制度保障、時效性與精準(zhǔn)性差等科技難題。

　　在國際上率先提出區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)理論，據(jù)此建立了中國13種主要自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，編制了中國自然災(zāi)害系列地圖集；首次研發(fā)特別重大自然災(zāi)害損失統(tǒng)計(jì)制度，并在全國應(yīng)用；系統(tǒng)建立了基于區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)理論的綜合風(fēng)險(xiǎn)評估模型；首次制定了中國自然災(zāi)害系列區(qū)劃與農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)與保險(xiǎn)區(qū)劃；研發(fā)了國家重大自然災(zāi)害評估業(yè)務(wù)運(yùn)行技術(shù)支撐系統(tǒng)……

　　據(jù)介紹，實(shí)驗(yàn)室主要成員還參與了正在開展的第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查工作。

　　本報(bào)記者 王珍