当好地表资源环境的“全科医生”
走进地表过程与资源生态国家重点实验室
实验室名片
地表过程与资源生态国家重点实验室围绕地球系统科学前沿和国家重大战略需求，以我国北方农牧交错带、城乡过渡带及海岸带等为重点，研究地表过程及其对可更新资源再生机理的影响，建立与完善地表多要素、多过程和多尺度模型与人地系统动力学模拟系统，探讨区域自然资源可持续利用范式，为生态系统服务、可持续性管理与退化生态系统恢复重建等提供科学与技术支撑。实验室拥有多个野外监测平台、数据与计算模拟平台和分析测试平台，形成了地表过程、资源生态、地表系统模型与模拟、区域可持续发展模式四个相互联系、互为依托的研究方向，多项研究成果分别获国家自然科学奖、国家科技进步奖等奖项，为生态文明建设和区域高质量发展方面做出重要贡献。
地球，人类赖以生存的家园。在水、土、气、生、人多种要素相互作用下，地球这个生命体每时每刻都在发生着变化。
“这些不同的要素之间有何关系，相互作用的机理是什么，会给地表环境带来哪些变化、产生哪些问题，如何解决这些问题，让地表可更新资源更可持续、让区域发展更高质量，等等，这些都是我们这个实验室关注的重点。”地表过程与资源生态国家重点实验室主任效存德教授告诉记者，如果把地表系统视为人体，那就需要一位“全科医生”，既为地表资源环境“把脉问诊”，也针对问题为地表系统“开方疗伤”。
近日，记者走进地表过程与资源生态国家重点实验室，近距离了解这位“全科医生”如何为地表资源环境“问诊疗伤”。
1 天空地一体化综合观测
为了解地表过程及分析决策等提供数据支撑
9月15日上午9时许，记者来到位于北京师范大学的地表过程与资源生态国家重点实验室。实验室成员、高级工程师徐自为正通过野外站网远程监控与数据处理系统，查看千余公里外的黑河流域地表过程综合观测网的实时观测数据。
这是他每天的“固定动作”。
“一方面是要看一看观测数据的质量、连续性，另一方面是要检查各观测仪器的运行状态。”徐自为告诉记者，大型观测试验如同大型“体检”，是了解陆地表层系统状态、过程以及研发相关模型、提出决策参考的前提。
山水林田湖草沙冰是一个生命共同体，构成了一个区域、国家乃至地球的景观综合体，各系统间存在复杂而紧密的物质循环和能量流动，其生态功能是该生命共同体质量的重要表征，而生物多样性是各系统生产和服务的基础和源泉，要揭示一个区域或流域山水林田湖草沙冰生命共同体的健康状态、演化规律与驱动机制，发现问题、提出对策，首先要建立全方位、立体化监测体系，集成多尺度、多过程、多要素的综合监测数据。这是“诊断”的基础。
黑河流域位于我国西部干旱半干旱区，是我国第二大内陆河流域，也是丝绸之路经济带的核心地段，从上游到中游、下游，以水为纽带，形成了“冰雪/冻土—森林—草甸—绿洲(农田、河岸林)—荒漠/沙漠/戈壁—湖泊”的多元自然景观。“可以说，是开展地表(陆表)过程观测的绝佳单元。”实验室成员刘绍民教授介绍。
为此，实验室团队成员打造了多要素、多过程、多尺度的分布式立体观测物联网，可对黑河流域进行天空地一体化的、不同尺度的长期观测，积累长时间序列数据集，为流域综合管理提供数据支撑。
“目前一共有13个观测站正在运行，覆盖黑河流域主要下垫面类型。地面上布置的多类型观测仪器可以获取地表通量、水文气象要素、植被参数和土壤参数等数据，无人机、卫星遥感等则可以获取由基础产品、植被产品、水文产品和人类活动产品等构成的全区域、重点区域和人类活动区生态环境遥感产品数据。”徐自为告诉记者，无论是冰雪、冻土，还是森林、草甸、湖泊，水、土、气、生、人全要素、多尺度的数据信息，都可以借助这一观测网获取。
这只是祁连山天空地一体化综合监测系统的一部分。
记者了解到，除黑河流域外，实验室团队还在青海湖流域、疏勒河流域、石羊河流域、大通河—湟水流域与柴达木盆地等祁连山地区，构建了由地面观测站网+无人机+高分卫星+中高分辨率卫星等组成的天空地一体化综合监测物联网，生成了祁连山多源、多尺度、多要素的综合监测数据集。目前，已在国家青藏高原科学数据中心发布相应中文、英文数据集700余个。
在此基础上，实验室团队成员还根据观测数据对祁连山山水林田湖草沙冰系统生态功能和生物多样性现状进行了评估，揭示了植物对干旱缺水的生态水文适应机制，研发出高寒湿地系统性植被恢复技术等。
2 研发中国土壤侵蚀模型
揭示土壤背后的秘密，探究水土流失的原因和治理
前不久，在北京师范大学房山综合实验基地人工模拟降雨大厅，一场人工降雨正在进行。
“主要是研究暴雨影响土壤侵蚀的机理问题。”实验室副主任张光辉教授介绍，无论是普通降雨，还是50年一遇、100年一遇的大暴雨，在这里都可以随时实现、随时获取相关数据。
不仅如此，在实验基地的风洞实验大厅，还可进行风蚀观测，测定在不同风速条件下，不同下垫面的风蚀状况和风蚀量，从而获得相关实验数据。
土长土养，土生万物。土壤对于一个国家乃至整个地球的重要性不言而喻。然而，受水力、风力、冻融或重力等外营力影响，土壤及其母质不断被破坏、分离、搬运、沉积。
“这个过程就是我们所说的土壤侵蚀。”张光辉教授告诉记者，在外营力作用下，土壤结构遭到破坏，变为松散泥沙，从而导致水土流失等问题。因此，研究土壤侵蚀过程与机理、确定土壤侵蚀强度及其时空分布，对于防治生态灾害、治理水土流失、服务生态文明建设等，意义重大。而这也是实验室的重要研究领域之一。
据介绍，地表过程主要包括由气候、水文、植被及人类活动变化所引起的侵蚀、搬运、沉积及景观格局变化等地理过程。其中对资源生态影响最为突出的是土壤水蚀、风蚀和风水复合侵蚀等过程。
近年来，实验室团队成员合力攻关，研发了中国土壤侵蚀模型，被应用于全国水土流失调查。同时开发了耕地、灌草地和沙地风蚀模型，解决了区域水土流失调查定量评价与空间制图的难题，编制了我国第一幅定量土壤侵蚀强度图。“我们还主持了第一次全国水利普查土壤侵蚀普查，完成了全国土壤侵蚀专题图。”效存德教授告诉记者。
今年7月，实验室成员刘宝元教授还带领科考队进行了国家第二次青藏高原综合科学考察研究2022年夏季“土壤侵蚀”专题科考工作，填补了青藏高原无人区没有土壤侵蚀定量研究的空白。
据介绍，10年前，刘宝元教授就发现了青藏高原土壤具有独特的侵蚀特点。此后十年，几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“土壤侵蚀”专题科考，旨在进一步开展定量化研究，同时要解决土壤侵蚀与土地退化的关系，以期为后续的水土流失防治提供科学依据。“我们的研究和调查就是为了保护土壤，为子孙后代的生存和发展做出当代人应有的贡献。”刘宝元教授表示。
记者了解到，从青藏高原采集回来的土壤样本，不仅会在房山综合实验基地接受“风沙”“雨水”的考验，还会在实验室的室内分析测试平台接受CT扫描、伽马探测等多项分析测试实验。
“土壤的微观结构、质地以及养分含量、孔隙大小、微生物种类等，在室内分析测试平台均可得到答案。”实验室分析测试中心副主任高晓飞告诉记者。
3 创建综合灾害风险防范科技体系
解决重大自然灾害评估等科技难题
王承书，地表过程与资源生态国家重点实验室博士研究生。“我们种下的大豆，马上就要收获了。”9月15日，记者联系到他时，他和团队成员正忙着整理实验用具，为大豆测产做准备。
王承书告诉记者，今年4月以来，他一直待在黑龙江省嫩江市鹤山农场，与其他成员一起进行着大田试验，并获取了一系列详实可靠的数据。秸秆碎混还田将对不同退化程度的黑土农田生态生产功能带来什么影响？答案很快就要揭晓。
据张光辉教授介绍，受人为高强度开发利用以及气候、地形地貌、土壤、植被等独特侵蚀环境的综合影响，东北黑土地耕层逐渐变薄、变瘦、变硬，导致地力下降、甚至损毁耕地，阻碍了地表系统可持续发展，威胁国家粮食安全。怎样做才能有效阻控水土流失，恢复侵蚀退化黑土地生态生产功能，推进区域可持续发展？他们一直在探究有效模式为黑土地“疗伤”。
“我们现在正在开展的侵蚀退化黑土地生态生产功能重建机制与阻控技术研究，主要是探求秸秆还田、有机肥施用、结构改良与耕层重构，对不同退化程度黑土农田土壤水热特征、养分动态等生态生产功能带来哪些影响，其背后的机制是什么。”张光辉教授告诉记者，这对于抑制土壤侵蚀、促进黑土区水土保持、改善生态环境以及实现作物稳产增产，具有重要的理论和应用价值。
这只是实验室科研团队探索区域可持续、高质量发展有效模式的一个例子。“我们从区域生态系统服务改善和自然灾害综合风险防范入手，开展了不同尺度的区域可持续发展理论、方法和应用实践研究。”效存德教授介绍。
据介绍，中国是世界上自然灾害最严重国家之一，重大自然灾害频繁发生，仅汶川地震就使8.7万人遇难和失踪，直接经济损失约8500亿元。针对自然灾害风险防范和特别重大自然灾害应对急需的关键技术，实验室灾害综合风险防范团队历经多年合作研究，在区域自然灾害系统理论与方法、重大自然灾害损失与风险综合评估技术、中国自然灾害系列地图集编制、重大自然灾害应对与农业自然灾害保险技术等方面取得多项原创性成果，创建了模式化、图谱化、实时化、标准化、一体化的综合灾害风险防范科技体系，解决了重大自然灾害评估缺少体系化统计制度保障、时效性与精准性差等科技难题。
在国际上率先提出区域灾害系统理论，据此建立了中国13种主要自然灾害数据库，编制了中国自然灾害系列地图集；首次研发特别重大自然灾害损失统计制度，并在全国应用；系统建立了基于区域灾害系统理论的综合风险评估模型；首次制定了中国自然灾害系列区划与农业风险与保险区划；研发了国家重大自然灾害评估业务运行技术支撑系统……
据介绍，实验室主要成员还参与了正在开展的第一次全国自然灾害综合风险普查工作。
本报记者 王珍