科学时报 罗毅：开创独具特色的农业水文学研究

罗毅：禹城站副站长、研究员，中科院“百人计划”入选者

 

 

　  建站30年以来，中国科学院禹城综合试验站的学术方向虽然经过历届学术委员会的讨论有所调整，但水循环水平衡研究这根主线始终没变。原因在于水是黄淮海平原发展的主要限制因素，贯穿农田生态系统各个方面。长期的坚持与发展，创出了禹城站农业水文学研究的特色，主要体现在如下几个方面：

 

 

　  禹城站农业水文学研究自建站以来始终坚持科研服务于实践的宗旨。在服务对象上，由旱涝碱治理单一目标向农业高产和水资源高效利用以及环境保护多目标发展。在研究内容上，由研究水分能量起步，逐渐加入盐分、养分、作物与环境关系、光合作用、作物模型、生态—水文模型，其研究结果在禹城市的“一片三洼”旱涝盐碱治理，农业灌溉技术的应用与普及，大田作物灌溉管理，区域水资源管理等方面都发挥了巨大作用，其中一些方面还取得了令人瞩目的成绩。黄秉维院士早在1993年就指出：禹城站的工作“有三个特点，一是年限长，前后长达30年（包括建站前已经在德州开展的工作，作者注）；二是绝大部分工作与生产密切结合，与地方主管农业结构密切结合；三是以试验为主，试验又以开发试验为主。中国地理学界的工作中，兼具此三个特点，而且达到如此程度的似乎还没有别的事例”。围绕实践需求，开展科学研究，推动学科发展，“文章”始终做在地上。

 

 

　  禹城站农业水文学理论和方法创新是多方面的。在水面蒸发观测基础上，开展了水面蒸发与气象因子、水质、器皿(包括形状、材质、大小、装方式等)关系研究，发展了水面蒸发计算方法，建立了适用于我国水面蒸发计算模式。在作物实际蒸散发理论方面，提出了植物剩余阻抗模式；结合气候、水文和遥感技术建立了区域农田蒸散数学方法；提出了地气之间水汽交换二层遥感模型。以大型蒸渗仪为依托，发展了根据土壤水份零通量面计算蒸发的新方法；提出了潜水蒸发计算新方法；建立了作物光合作用—蒸腾—气孔导度耦合模型，不同特点的SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）模型，特别适合引黄灌区特点的区域尺度分布式生态、陆地水文、地下水动力学过程耦合模型等。

 

 

　  禹城站农业水文学的综合性体现在如下几个方面：学科多样性、研究系统性、尺度广泛性。首先是在一个气象学、土壤物理学、土壤化学、经典水文学、作物学、栽培学、遥感等多学科交叉的平台上发展，从不同侧面研究农业水文学问题，同时又交叉、渗透，在蒸发、作物—养分关系、非饱和区水、热、盐、养分、农药转化迁移、饱和区—非饱和区相互作用、作物光合作用等诸多方面，均取得了显著成就；同时，相应的数学模型研究同步发展，概括、提升实验研究成果并提供仿真、预测能力。在地下水—土壤—作物—大气连续体系统思想指导下，系统、深入研究大气水、地表水、土壤水、地下水、植物水“五水”转化各个环节的过程机理、耦合作用机制和系统整体行为。研究问题的尺度向微观和宏观双向发展，并且有机结合。例如作物光合作用机理和模型研究涉及叶片、冠层、群体不同层次，而生态—水文模型的研究与应用涉及到田间小尺度、潘庄灌区县级尺度到整个黄河下游引黄灌区的区域大尺度，不仅能重现历史，而且能在未来百年时间尺度上进行预测，在广泛的时空尺度上揭示农田生态系统演化规律。

 

 

　  禹城站的农业水文学研究从来不囿于围墙之内，而是和探索、解决所代表类型区的问题密切结合，面向区域农业水管理的重大需求和重大科学问题。上世纪90年代以前，黄淮海平原旱涝盐碱并存，盐碱是最为突出的问题，禹城“一片三洼”的治水改土攻关，“强灌强排”治理盐碱，取得巨大成就；90年代以后，水资源日益短缺，威胁、限制灌区持续发展，在禹城大力开展节水理论、技术和示范研究；近十年以来，进一步面向潘庄灌区、黄河下游5500万亩引黄灌区开展工作，建成了实验与模型相结合、地面观测与遥感观测相结合、生态系统与水文系统相结合、自然系统与社会经济系统相结合，田间尺度到区域尺度的现代水文学研究体系，探索综合开源、节流、高效、增产多层次多方面需求的农业水管理理论、方法和策略。

 

 

　  禹城站农业水文学研究手段的先进性主要是通过对手段的革新和创新实现的。1985年在禹城站建成第一台原装土蒸渗仪，填补了我国空白，也开创了我国利用蒸渗仪这一精密设备研究农田水平衡的历史；1990年成功研制大型多功能称重式蒸渗仪，设计方案、测量精度、敏感性和稳定性达到国际先进水平，位居亚洲第一。这一技术扩散到全国的十数个野外台站，发挥了重要作用。禹城站水面蒸发实验观测场，迄今为止是历史最长、蒸发器型号最多、中国乃至亚洲最大的陆上水面蒸发场之一。在上世纪80年代，禹城站就率先实现了涡度相关技术，观测农田生态系统水、热通量，而这一方法在我国广泛采用也就是近几年的事情；通过引进、解剖、消化英国的中子土壤水分测定仪原型，主持研制成功我国自己的中子土壤水分仪，目前已广泛应用于我国各大野外台站和其他研究部门。禹城站建立的高塔实验遥感平台，迈开了定量遥感的卫星地面同步观测的关键一步，创造性地开展了星地同步观测。2000年以来，建立了标准化的作物—水分关系实验场，与大型称重式蒸渗仪、体积式蒸渗仪组构成三位一体的地下水蒸发实验观测系统。新仪器、新设备、新技术、新方法的革新与创新，保证了研究手段的先进性，创出了禹城站农业水文学研究的特色，同时也带动了相关学科在我国的发展。

 

　  新形势下，禹城站农业水文学研究面临新课题。粮食要高产，环境要保护，资源利用要高效，是对农业水管理提出的重大命题。综合考虑粮食产量、水分生产效率、环境健康的多重尺度上系统的水资源合理高效利用机理、调控途径与技术、管理与政策等是未来农业水文学研究的根本任务。不仅要研究水量问题，还要研究水质问题；不仅要关注水的农业生产能力，还要关注我们赖以生存的水环境；不仅要研究黄河下游的引黄灌区，还要将引黄灌区与黄河三角洲作为一个系统来考虑，作为流域的一个组成部分来考虑；不仅关注自然界水过程，还要考虑与社会经济政策的互动。

 

　  坚持学术方向，发挥研究特色，把禹城站建设成为农业水文学实验、模型、应用技术开发与推广的开放大平台，多学科研究人员、水资源管理者、用水者的共同努力与密切合作，理论、方法、技术、应用实践不断创新，推动学科发展，服务地方建设，开创禹城站农业水文学研究的新局面。

 

　  《科学时报》 (2009-11-17 A3 专题)