當好地表資源環境的“全科醫生”
走進地表過程與資源生態國家重點實驗室
實驗室名片
地表過程與資源生態國家重點實驗室圍繞地球系統科學前沿和國家重大戰略需求，以我國北方農牧交錯帶、城鄉過渡帶及海岸帶等為重點，研究地表過程及其對可更新資源再生機理的影響，建立與完善地表多要素、多過程和多尺度模型與人地系統動力學模擬系統，探討區域自然資源可持續利用范式，為生態系統服務、可持續性管理與退化生態系統恢復重建等提供科學與技術支撐。實驗室擁有多個野外監測平臺、數據與計算模擬平臺和分析測試平臺，形成了地表過程、資源生態、地表系統模型與模擬、區域可持續發展模式四個相互聯系、互為依托的研究方向，多項研究成果分別獲國家自然科學獎、國家科技進步獎等獎項，為生態文明建設和區域高質量發展方面做出重要貢獻。
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生著變化。
“這些不同的要素之間有何關系，相互作用的機理是什么，會給地表環境帶來哪些變化、產生哪些問題，如何解決這些問題，讓地表可更新資源更可持續、讓區域發展更高質量，等等，這些都是我們這個實驗室關注的重點。”地表過程與資源生態國家重點實驗室主任效存德教授告訴記者，如果把地表系統視為人體，那就需要一位“全科醫生”，既為地表資源環境“把脈問診”，也針對問題為地表系統“開方療傷”。
近日，記者走進地表過程與資源生態國家重點實驗室，近距離了解這位“全科醫生”如何為地表資源環境“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據支撐
9月15日上午9時許，記者來到位于北京師范大學的地表過程與資源生態國家重點實驗室。實驗室成員、高級工程師徐自為正通過野外站網遠程監控與數據處理系統，查看千余公里外的黑河流域地表過程綜合觀測網的實時觀測數據。
這是他每天的“固定動作”。
“一方面是要看一看觀測數據的質量、連續性，另一方面是要檢查各觀測儀器的運行狀態。”徐自為告訴記者，大型觀測試驗如同大型“體檢”，是了解陸地表層系統狀態、過程以及研發相關模型、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，構成了一個區域、國家乃至地球的景觀綜合體，各系統間存在復雜而緊密的物質循環和能量流動，其生態功能是該生命共同體質量的重要表征，而生物多樣性是各系統生產和服務的基礎和源泉，要揭示一個區域或流域山水林田湖草沙冰生命共同體的健康狀態、演化規律與驅動機制，發現問題、提出對策，首先要建立全方位、立體化監測體系，集成多尺度、多過程、多要素的綜合監測數據。這是“診斷”的基礎。
黑河流域位于我國西部干旱半干旱區，是我國第二大內陸河流域，也是絲綢之路經濟帶的核心地段，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。”實驗室成員劉紹民教授介紹。
為此，實驗室團隊成員打造了多要素、多過程、多尺度的分布式立體觀測物聯網，可對黑河流域進行天空地一體化的、不同尺度的長期觀測，積累長時間序列數據集，為流域綜合管理提供數據支撐。
“目前一共有13個觀測站正在運行，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、植被參數和土壤參數等數據，無人機、衛星遙感等則可以獲取由基礎產品、植被產品、水文產品和人類活動產品等構成的全區域、重點區域和人類活動區生態環境遙感產品數據。”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、多尺度的數據信息，都可以借助這一觀測網獲取。
這只是祁連山天空地一體化綜合監測系統的一部分。
記者了解到，除黑河流域外，實驗室團隊還在青海湖流域、疏勒河流域、石羊河流域、大通河—湟水流域與柴達木盆地等祁連山地區，構建了由地面觀測站網+無人機+高分衛星+中高分辨率衛星等組成的天空地一體化綜合監測物聯網，生成了祁連山多源、多尺度、多要素的綜合監測數據集。目前，已在國家青藏高原科學數據中心發布相應中文、英文數據集700余個。
在此基礎上，實驗室團隊成員還根據觀測數據對祁連山山水林田湖草沙冰系統生態功能和生物多樣性現狀進行了評估，揭示了植物對干旱缺水的生態水文適應機制，研發出高寒濕地系統性植被恢復技術等。
2 研發中國土壤侵蝕模型
揭示土壤背后的秘密，探究水土流失的原因和治理
前不久，在北京師范大學房山綜合實驗基地人工模擬降雨大廳，一場人工降雨正在進行。
“主要是研究暴雨影響土壤侵蝕的機理問題。”實驗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現、隨時獲取相關數據。
不僅如此，在實驗基地的風洞實驗大廳，還可進行風蝕觀測，測定在不同風速條件下，不同下墊面的風蝕狀況和風蝕量，從而獲得相關實驗數據。
土長土養，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、風力、凍融或重力等外營力影響，土壤及其母質不斷被破壞、分離、搬運、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，土壤結構遭到破壞，變為松散泥沙，從而導致水土流失等問題。因此，研究土壤侵蝕過程與機理、確定土壤侵蝕強度及其時空分布，對于防治生態災害、治理水土流失、服務生態文明建設等，意義重大。而這也是實驗室的重要研究領域之一。
據介紹，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、沉積及景觀格局變化等地理過程。其中對資源生態影響最為突出的是土壤水蝕、風蝕和風水復合侵蝕等過程。
近年來，實驗室團隊成員合力攻關，研發了中國土壤侵蝕模型，被應用于全國水土流失調查。同時開發了耕地、灌草地和沙地風蝕模型，解決了區域水土流失調查定量評價與空間制圖的難題，編制了我國第一幅定量土壤侵蝕強度圖。“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，實驗室成員劉寶元教授還帶領科考隊進行了國家第二次青藏高原綜合科學考察研究2022年夏季“土壤侵蝕”專題科考工作，填補了青藏高原無人區沒有土壤侵蝕定量研究的空白。
據介紹，10年前，劉寶元教授就發現了青藏高原土壤具有獨特的侵蝕特點。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系，以期為后續的水土流失防治提供科學依據。“我們的研究和調查就是為了保護土壤，為子孫后代的生存和發展做出當代人應有的貢獻。”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驗基地接受“風沙”“雨水”的考驗，還會在實驗室的室內分析測試平臺接受CT掃描、伽馬探測等多項分析測試實驗。
“土壤的微觀結構、質地以及養分含量、孔隙大小、微生物種類等，在室內分析測試平臺均可得到答案。”實驗室分析測試中心副主任高曉飛告訴記者。
3 創建綜合災害風險防范科技體系
解決重大自然災害評估等科技難題
王承書，地表過程與資源生態國家重點實驗室博士研究生。“我們種下的大豆，馬上就要收獲了。”9月15日，記者聯系到他時，他和團隊成員正忙著整理實驗用具，為大豆測產做準備。
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場，與其他成員一起進行著大田試驗，并獲取了一系列詳實可靠的數據。秸稈碎混還田將對不同退化程度的黑土農田生態生產功能帶來什么影響？答案很快就要揭曉。
據張光輝教授介紹，受人為高強度開發利用以及氣候、地形地貌、土壤、植被等獨特侵蝕環境的綜合影響，東北黑土地耕層逐漸變薄、變瘦、變硬，導致地力下降、甚至損毀耕地，阻礙了地表系統可持續發展，威脅國家糧食安全。怎樣做才能有效阻控水土流失，恢復侵蝕退化黑土地生態生產功能，推進區域可持續發展？他們一直在探究有效模式為黑土地“療傷”。
“我們現在正在開展的侵蝕退化黑土地生態生產功能重建機制與阻控技術研究，主要是探求秸稈還田、有機肥施用、結構改良與耕層重構，對不同退化程度黑土農田土壤水熱特征、養分動態等生態生產功能帶來哪些影響，其背后的機制是什么。”張光輝教授告訴記者，這對于抑制土壤侵蝕、促進黑土區水土保持、改善生態環境以及實現作物穩產增產，具有重要的理論和應用價值。
這只是實驗室科研團隊探索區域可持續、高質量發展有效模式的一個例子。“我們從區域生態系統服務改善和自然災害綜合風險防范入手，開展了不同尺度的區域可持續發展理論、方法和應用實踐研究。”效存德教授介紹。
據介紹，中國是世界上自然災害最嚴重國家之一，重大自然災害頻繁發生，僅汶川地震就使8.7萬人遇難和失蹤，直接經濟損失約8500億元。針對自然災害風險防范和特別重大自然災害應對急需的關鍵技術，實驗室災害綜合風險防范團隊歷經多年合作研究，在區域自然災害系統理論與方法、重大自然災害損失與風險綜合評估技術、中國自然災害系列地圖集編制、重大自然災害應對與農業自然災害保險技術等方面取得多項原創性成果，創建了模式化、圖譜化、實時化、標準化、一體化的綜合災害風險防范科技體系，解決了重大自然災害評估缺少體系化統計制度保障、時效性與精準性差等科技難題。
在國際上率先提出區域災害系統理論，據此建立了中國13種主要自然災害數據庫，編制了中國自然災害系列地圖集；首次研發特別重大自然災害損失統計制度，并在全國應用；系統建立了基于區域災害系統理論的綜合風險評估模型；首次制定了中國自然災害系列區劃與農業風險與保險區劃；研發了國家重大自然災害評估業務運行技術支撐系統……
據介紹，實驗室主要成員還參與了正在開展的第一次全國自然災害綜合風險普查工作。
本報記者 王珍