與“水”對話——記首都師范大學(xué)教授張靜

本刊記者 杜月嬌 實(shí)習(xí)記者 馬曉娟

21世紀(jì)，水資源危機(jī)已成為世界各國所關(guān)注的一個(gè)重要問題。1977年，聯(lián)合國水事會(huì)議就發(fā)出警告：“石油危機(jī)以后的下一個(gè)危機(jī)就是水的危機(jī)。”全球無數(shù)科學(xué)家為之心憂，首都師范大學(xué)教授張靜也是其中之一。2008年5月，張靜作為海外引進(jìn)優(yōu)秀人才回國，開始了在水資源方面的研究與探索。

農(nóng)業(yè)灌溉：滴“水”不漏

用水結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水占社會(huì)總用水量比例最大。繼以色列高效的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)極大地彌補(bǔ)了其先天不足的水資源缺乏狀況后，科研領(lǐng)域掀起了一番對水文學(xué)及農(nóng)業(yè)節(jié)水的深層次研究。而農(nóng)業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵是提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用率。

作物對水分的利用，主要是通過根系吸收土壤水分實(shí)現(xiàn)的，包氣帶水對成壤作用及植物生長具有重要意義。對農(nóng)業(yè)來說，包氣帶水實(shí)際上是可被農(nóng)作物直接利用的唯一水資源形式，是農(nóng)作物生產(chǎn)效益的主要制約因素之一。另外，在“四水”轉(zhuǎn)化中，包氣帶水也居中心關(guān)鍵部位，起著至關(guān)重要的調(diào)蓄和制約作用。因此，包氣帶水文學(xué)與地表水和地下水相互作用下包氣帶水分運(yùn)移機(jī)制的研究越來越成為水文學(xué)研究方面的熱點(diǎn)問題，相關(guān)方面的研究對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水及水資源利用效率具有重要的理論和實(shí)際意義。

在這樣的情況下，2009年，張靜開始主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，逐步展開地表水與地下水相互作用下雙層包氣帶水分運(yùn)移機(jī)制課題研究，力圖做到提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用率，實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)節(jié)水中滴“水”不漏。

該項(xiàng)目以半干旱地區(qū)水資源保障功能重要的北京市郊為研究區(qū)，主要分四個(gè)步驟依次進(jìn)行。首先，建立雙層包氣帶土壤水分運(yùn)移模型，揭示地表水和地下水相互作用下包氣帶土壤水分運(yùn)移規(guī)律及其動(dòng)態(tài)特征；其次，建立基于雙層包氣帶水分運(yùn)移機(jī)制的地表水——地下水耦合模型。在這一過程中，張靜提出的Two Layer Vadose Zone創(chuàng)新理論，使得該集成模型考慮包氣帶土壤水分運(yùn)移規(guī)律時(shí)，物理機(jī)制更趨完善，從而更好地描述地表水-地下水相互作用過程。該模型已在中非國際合作項(xiàng)目（2010DFA2400）中得到較好驗(yàn)證，目前在與美方合作者一起申請相關(guān)專利；繼而，在深入分析了灌溉水補(bǔ)給地下水、蒸散發(fā)和徑流等重要水文過程的響應(yīng)特性及變化規(guī)律后，最后初步探討了該流域變化環(huán)境下生態(tài)水文響應(yīng)。

2012年，張靜主持的國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目如期交上完美答卷。在研究中，張靜對包氣帶水分運(yùn)移過程的地表水—地下水耦合模型等相關(guān)問題進(jìn)行分析。這一研究不僅對于評(píng)價(jià)水資源系統(tǒng)，制定科學(xué)合理灌溉制度等皆具有重大現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，而且有助于解決地下水天然及人工補(bǔ)給的機(jī)制、土壤改良、徑流分析等一系列理論和實(shí)際問題。

關(guān)注植被：“水”到渠成

植被與水文過程相互作用和互為反饋機(jī)制，水循環(huán)過程尤其是土壤水的時(shí)空變化決定了植被的生長動(dòng)態(tài)、形態(tài)功能和空間分布格局；反之，植被通過生物物理過程和生物化學(xué)循環(huán)作用于水循環(huán)過程。

在青年基金課題的研究中，張靜研究組在分析灌溉水補(bǔ)給地下水、蒸散發(fā)和徑流等重要水文過程的響應(yīng)特性，以及人類擾動(dòng)和變化環(huán)境，特別是近10年植被覆蓋和土地利用改變對降雨、蒸散發(fā)等水分要素的影響時(shí)意識(shí)到，流域水文模型不能忽略植被的重要作用，植被的生長發(fā)育及其季節(jié)性變化會(huì)對水文過程產(chǎn)生重要影響。

然而，在當(dāng)時(shí)已建立的地表水—地下水耦合模型中，大家孤立地看待了水文過程，很少考慮到植被的因素。2012年，張靜圍繞這個(gè)問題，主持了國家自然科學(xué)基金青年面上連續(xù)項(xiàng)目，逐步展開對變化環(huán)境下基于雙層包氣帶水分運(yùn)移機(jī)制的流域植被—水文雙向耦合模型的課題研究。該項(xiàng)目是前一個(gè)青年基金研究基礎(chǔ)的進(jìn)一步深化和拓展，研究對象從單一的水文過程擴(kuò)展到流域植被與水文過程相互作用機(jī)制的描述，使得水文學(xué)進(jìn)一步延伸到了生態(tài)領(lǐng)域。

在這個(gè)過程中，如何使得模型對水文過程的模擬更符合實(shí)際？如何有效地利用青年基金的研究成果，在已建立的基于雙層包氣帶水文運(yùn)移機(jī)制的地表水——地下水集成模型基礎(chǔ)上建立耦合生態(tài)模型？生態(tài)模型與水文模型耦合的尺度問題怎樣解決？如何合理的刻畫交互作用實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)態(tài)耦合？這些問題成了張靜課題組成員一直在深入思考的關(guān)鍵問題。

隨著研究的深入，張靜瞄準(zhǔn)基于人類擾動(dòng)和變化環(huán)境下的水循環(huán)過程變化以及相應(yīng)的植被生態(tài)響應(yīng)機(jī)理研究，開展了這一前沿領(lǐng)域方面的研究。她希望，這項(xiàng)研究能對發(fā)展水文和生態(tài)科學(xué)的理論創(chuàng)新具有重要意義。

海外歸來：促中西“水”交流

博士就讀于美國南佛羅里達(dá)大學(xué)，博士后就讀于美國佛羅里達(dá)州水文模型與生態(tài)系統(tǒng)中心,她也曾在普林斯頓大學(xué)當(dāng)高級(jí)訪問學(xué)者。同時(shí)，她還是聯(lián)合國教科文組織水信息學(xué)與生態(tài)水文學(xué)主席的核心成員、美國土木工程師協(xié)會(huì)會(huì)員、美國水資源協(xié)會(huì)會(huì)員、國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)會(huì)員、美國地球物理協(xié)會(huì)會(huì)員。令人艷羨的求學(xué)經(jīng)歷和領(lǐng)域內(nèi)諸多國際頭銜，為張靜在行業(yè)領(lǐng)域貼上了令人矚目的標(biāo)簽。

作為一名海外歸來的科學(xué)家，張靜有了更多的話語權(quán)。在美國的6年里，她深諳國際水資源水文化方面的動(dòng)態(tài)，也領(lǐng)略了國際前沿的水資源科研理念。而這些都讓她在接手國家自然科學(xué)基金、北京市科技新星等科研項(xiàng)目時(shí)能做到胸有成竹、游刃有余。張靜說：“國內(nèi)緊跟國際潮流，國際的熱門研究，例如碳循環(huán)，水質(zhì)微生物等國內(nèi)都有研究，但不足的一點(diǎn)是，國內(nèi)缺乏創(chuàng)新性，老師學(xué)生發(fā)表一篇文章非常不易?！币虼耍鲝?，應(yīng)該大力鼓勵(lì)與支持創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

對人才培養(yǎng)，張靜也頗有心得，她特別提出“引進(jìn)來”與“走出去”相結(jié)合，希望學(xué)生們能通過學(xué)術(shù)交流，借鑒國際水資源發(fā)展的長處。“我曾邀請美國專家來華訪問，對我們的研究進(jìn)行專業(yè)性的指導(dǎo)。時(shí)隔六年，我又以訪問學(xué)者的身份回到了普林斯頓大學(xué)與專家學(xué)者們進(jìn)行了6個(gè)月的學(xué)術(shù)交流?！痹谄樟炙诡D大學(xué)時(shí)，張靜的合作學(xué)者Ignacio Rodriguez-Iturbe教授是世界生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的引領(lǐng)者之一。他的團(tuán)隊(duì)所研究的生態(tài)水文耦合模型世界領(lǐng)先，模型的廣泛使用已促成了多項(xiàng)具有重要生態(tài)水文學(xué)意義的研究成果。當(dāng)時(shí)，張靜與Ignacio Rodriguez-Iturbe教授的研究方向一致，因此也一直保持著較密切的聯(lián)系。

“通過國際間的交流與探討，國內(nèi)才會(huì)了解國際在水資源方面的動(dòng)態(tài)，才會(huì)擴(kuò)大視野，緊跟潮流，站在水資源研究的前沿領(lǐng)域。”張靜特別提倡國際交流與國際合作。

作為老師，她多年來一直從事本科生及研究生教學(xué)工作，指導(dǎo)本科生做畢業(yè)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)研究生、博士生進(jìn)行科研實(shí)踐?！跋鄬τ趪猓瑖鴥?nèi)的教學(xué)壓力比較大，我們應(yīng)該借鑒國外的教學(xué)模式，給予學(xué)生更多獨(dú)立思考的空間與更多做科研項(xiàng)目的時(shí)間?！敝形魑幕瘞斫逃砟畹牟煌瑥堨o深有感慨。