與“水”對話——記首都師范大學教授張靜

本刊記者 杜月嬌 實習記者 馬曉娟

21世紀，水資源危機已成為世界各國所關注的一個重要問題。1977年，聯合國水事會議就發出警告：“石油危機以后的下一個危機就是水的危機。”全球無數科學家為之心憂，首都師范大學教授張靜也是其中之一。2008年5月，張靜作為海外引進優秀人才回國，開始了在水資源方面的研究與探索。

農業灌溉：滴“水”不漏

用水結構中，農業用水占社會總用水量比例最大。繼以色列高效的農業灌溉技術極大地彌補了其先天不足的水資源缺乏狀況后，科研領域掀起了一番對水文學及農業節水的深層次研究。而農業節水的關鍵是提高農業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現的，包氣帶水對成壤作用及植物生長具有重要意義。對農業來說，包氣帶水實際上是可被農作物直接利用的唯一水資源形式，是農作物生產效益的主要制約因素之一。另外，在“四水”轉化中，包氣帶水也居中心關鍵部位，起著至關重要的調蓄和制約作用。因此，包氣帶水文學與地表水和地下水相互作用下包氣帶水分運移機制的研究越來越成為水文學研究方面的熱點問題，相關方面的研究對實現農業節水及水資源利用效率具有重要的理論和實際意義。

在這樣的情況下，2009年，張靜開始主持國家自然科學基金青年項目，逐步展開地表水與地下水相互作用下雙層包氣帶水分運移機制課題研究，力圖做到提高農業灌溉用水的有效利用率，實現在農業節水中滴“水”不漏。

該項目以半干旱地區水資源保障功能重要的北京市郊為研究區，主要分四個步驟依次進行。首先，建立雙層包氣帶土壤水分運移模型，揭示地表水和地下水相互作用下包氣帶土壤水分運移規律及其動態特征；其次，建立基于雙層包氣帶水分運移機制的地表水——地下水耦合模型。在這一過程中，張靜提出的Two Layer Vadose Zone創新理論，使得該集成模型考慮包氣帶土壤水分運移規律時，物理機制更趨完善，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目（2010DFA2400）中得到較好驗證，目前在與美方合作者一起申請相關專利；繼而，在深入分析了灌溉水補給地下水、蒸散發和徑流等重要水文過程的響應特性及變化規律后，最后初步探討了該流域變化環境下生態水文響應。

2012年，張靜主持的國家自然科學基金青年項目如期交上完美答卷。在研究中，張靜對包氣帶水分運移過程的地表水—地下水耦合模型等相關問題進行分析。這一研究不僅對于評價水資源系統，制定科學合理灌溉制度等皆具有重大現實應用價值，而且有助于解決地下水天然及人工補給的機制、土壤改良、徑流分析等一系列理論和實際問題。

關注植被：“水”到渠成

植被與水文過程相互作用和互為反饋機制，水循環過程尤其是土壤水的時空變化決定了植被的生長動態、形態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循環作用于水循環過程。

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

然而，在當時已建立的地表水—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，張靜圍繞這個問題，主持了國家自然科學基金青年面上連續項目，逐步展開對變化環境下基于雙層包氣帶水分運移機制的流域植被—水文雙向耦合模型的課題研究。該項目是前一個青年基金研究基礎的進一步深化和拓展，研究對象從單一的水文過程擴展到流域植被與水文過程相互作用機制的描述，使得水文學進一步延伸到了生態領域。

在這個過程中，如何使得模型對水文過程的模擬更符合實際？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移機制的地表水——地下水集成模型基礎上建立耦合生態模型？生態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現雙向動態耦合？這些問題成了張靜課題組成員一直在深入思考的關鍵問題。

隨著研究的深入，張靜瞄準基于人類擾動和變化環境下的水循環過程變化以及相應的植被生態響應機理研究，開展了這一前沿領域方面的研究。她希望，這項研究能對發展水文和生態科學的理論創新具有重要意義。

海外歸來：促中西“水”交流

博士就讀于美國南佛羅里達大學，博士后就讀于美國佛羅里達州水文模型與生態系統中心,她也曾在普林斯頓大學當高級訪問學者。同時，她還是聯合國教科文組織水信息學與生態水文學主席的核心成員、美國土木工程師協會會員、美國水資源協會會員、國際水文科學協會會員、美國地球物理協會會員。令人艷羨的求學經歷和領域內諸多國際頭銜，為張靜在行業領域貼上了令人矚目的標簽。

作為一名海外歸來的科學家，張靜有了更多的話語權。在美國的6年里，她深諳國際水資源水文化方面的動態，也領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基金、北京市科技新星等科研項目時能做到胸有成竹、游刃有余。張靜說：“國內緊跟國際潮流，國際的熱門研究，例如碳循環，水質微生物等國內都有研究，但不足的一點是，國內缺乏創新性，老師學生發表一篇文章非常不易。”因此，她主張，應該大力鼓勵與支持創新型人才的培養。

對人才培養，張靜也頗有心得，她特別提出“引進來”與“走出去”相結合，希望學生們能通過學術交流，借鑒國際水資源發展的長處。“我曾邀請美國專家來華訪問，對我們的研究進行專業性的指導。時隔六年，我又以訪問學者的身份回到了普林斯頓大學與專家學者們進行了6個月的學術交流。”在普林斯頓大學時，張靜的合作學者Ignacio Rodriguez-Iturbe教授是世界生態水文學領域的引領者之一。他的團隊所研究的生態水文耦合模型世界領先，模型的廣泛使用已促成了多項具有重要生態水文學意義的研究成果。當時，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系。

“通過國際間的交流與探討，國內才會了解國際在水資源方面的動態，才會擴大視野，緊跟潮流，站在水資源研究的前沿領域。”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工作，指導本科生做畢業設計，指導研究生、博士生進行科研實踐。“相對于國外，國內的教學壓力比較大，我們應該借鑒國外的教學模式，給予學生更多獨立思考的空間與更多做科研項目的時間。”中西文化帶來教育理念的不同，張靜深有感慨。