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  我与实验地理学结伴同行(作者:孙晓敏)  
          2010-07-02    【关闭】  
 

作者:孙晓敏*

从1987年至今,我从事实验地理学和野外观测实验研究工作已经20多年了,期间有许许多多难忘的回忆和感慨。

在黄秉维先生发展实验地理学的思想指导下,左大康先生积极倡导地理学研究要把野外考察、实验研究和遥感等方法结合起来,强调设立定位、半定位试验站与各种模拟实验室开展地理学的实验研究。地理所有多个野外试验站和许多的专业实验室,有一支强大的从事实验技术科研工作的队伍,为地理所科学研究工作提供有效的支撑。1985年我到地理所工作,地理所完备的实验技术系统给我留下了深刻的印象。

1987年4月,气候室组建“近地层环境物理实验室”研究团队。组长为陈发祖博士,组员有张翼博士、陈镜明博士等一批从事实验地理学的老师们,主要开展自然环境中能量和物质(水、二氧化碳等)的交换和传输过程研究,工作集中在土壤-植被-大气界面。作为陈发祖研究员的助手和学生,我有幸亲历实验室的组建工作,也经历了后来艰难的维持和转型发展时期。在实验室工作的最初五年里,我们夜以继日的努力工作,取得了一批科研成果,在国内外同行里产生了一定影响。1992年,陈发祖研究员开始着手组建生态环境物理实验室,我担任该实验室副主任。1993年中国生态系统研究网络(CERN)世行贷款项目启动,同时CERN水分分中心正式运作。唐登银研究员担任水分分中心主任,我担任水分分中心的副主任和技术负责人。我协助和配合唐登银和张仁华开展实验地理学的研究工作,为我此后的科研工作奠定了扎实的基础。

提升观测仪器的研制能力

1988年6至7月,在前苏联科学院地理研究所库尔斯克试验站举行了一次大型的地-气交互作用联合试验,来自东欧社会主义国家的几十位科学家参加了这次试验。陈发祖、谢贤群和杜仲朴等先生携带由我集成研制的便携式微气象观测系统,代表中国参加了这个联合试验,展示了我们的科技进步和研究实力。1990年3月至4月,我随陈发祖携带自行研制的涡度相关通量观测系统,参加了由澳大利亚科工组织(CSIRO)环境力学研究所在澳大利亚举行的大型森林地-气交互作用联合试验(MOGA,澳、中、法),通过出国参与对比实验,与多位国外科学家近距离接触,展示了实力,也看到了差距,激发和坚定了我从事实验地理学研究工作的兴趣和决心。

在引进先进仪器的同时,抓紧开展仪器研制。我曾先后设计和研制的仪器几十台套。包括用于植物冠层内使用的小型热线微风仪;用于近地层温湿风梯度观测的高精度微气象观测系统;用于构建涡度相关技术的近地层脉动风速测量的10微米热线风速仪;用于传感器控制、数据采集和实时计算及图像显示的软件研制;用于近地层水汽和热量通量观测的高精度换位式波文比观测系统;植物冠层尺度的微气象要素测量系统等。陈发祖领导的研究工作瞄准国际前沿,引进了一些国外先进仪器,例如我们还拥有当时国际上先进的Lyman-α紫外脉动水汽分析仪(LY-2,AIR,USA),CO2/H2O红外脉动分析仪(E009,Japan),美国的一维超声脉动风速仪(CA27,Campbell, USA),日本的三维超声风速仪(DA600,KAIJO,Japan),16通道高速数据采集器和48通道低速采集器等先进的装备。

1990年7月,中国科学院资源环境科学与技术局网络办公室,在封丘试验站举行了全院第一次自制野外观测仪器展评会,全院参评的仪器近百件,仅禹城站和近地层环境物理实验室就有11种,占全院参评总数的10%以上。大型原状土自动称重蒸发渗漏仪(Lysimeter)在澳大利亚专家帮助下,由禹城站自行建造。原状土水力蒸发器、水面蒸发器集群(13个规格,最大的为20m2×2m)、中子水分仪(禹城站与中国原子能研究院核技术应用研究所联合研制生产)、潜水蒸发器、人工降雨器及其综合试验土槽装置、高塔程控多角度多光谱影像采集系统、60m气象铁塔微计算机数据采集与处理系统,还有高精度温湿风梯度观测系统、热线脉动风速仪、波文比农田小气候观测系统等等。我参与了这些工作,感受到在那个年代,地理研究所在中国科学院是具有最强野外观测能力的单位之一。

发展测定地表物质通量的观测技术系统

和中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)建设

涡度相关通量观测技术是地-气间CO2、H2O和热量通量测定的一种微气象观测方法。观测所代表的空间尺度可从几百平方米到几平方公里(均匀下垫面),观测时间尺度从30分钟、小时、天、季节到年际。是实现地球表层系统碳交换过程和水交换过程的连续精确的直接测定方法。但是,涡度相关技术需解决的两个关键技术,一个是需要快速响应的传感器(快于50ms或20Hz);另一个是要有快速和大容量的数据采集器。直到1980年代中期以后,相关的技术才基本达到了可以实际使用的阶段。与此同时,陈发祖负责组织研制了我国第一台CO2、H2O脉动测定仪(1990年),研究组携该仪器参加了HEIFE实验。在这次野外试验中我们利用国外的CO2、H2O脉动测定仪和自行研制的同类仪器,在我国第一次实现了采用涡度相关技术对生态系统尺度的光合速率开展“对比”和“梯度”观测。

从1990年开始,我们的研究组在应用涡度相关物质通量观测技术方面一直处于较高水平。是我国第一个运用涡度相关物质通量观测技术进行自然状况下作物群体光合作用即CO2通量观测研究的研究组(1991年),是国内第一个在不同气候区域内运用涡度相关物质通量观测技术进行CO2、潜热、显热和能量通量观测研究的研究组。在1992-1998年间,研究组负责主持实施了5次较大规模野外通量观测试验:其中1992年甘肃张掖试验,是国家重大基金项目(HEIFE)的一次重要补充加强观测试验;1994年西藏拉萨小麦田试验,是“八五”国家攀登项目中的一个专题工作;1997年禹城小麦田试验,三个月之久的连续观测,在当时国内是罕见的。1998年我们研究组兵分两路,同时携带自行研制的通量观测系统参加国家自然科学基金重大项目“HUBEX (淮河试验)”安徽寿县的综合观测试验和国家自然科学基金重大项目“IMGRASS(内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用)”内蒙草原的综合观测试验。众所周知,开展野外试验是十分辛苦的工作,日晒雨淋、风吹沙打,但这些辛苦在我们取得的成果面前又显得微不足道。我们运用涡度相关技术首次取得了西藏拉萨地区农田第一条自然状况下瞬时测定的小麦群体光和水分利用效率日变化特征曲线(王树森、孙晓敏,1994年)。与张仁华合作,运用定量实验遥感方法和运用涡度相关技术,提出了利用遥感数据估算植被吸收二氧化碳的模型,做出了我国第一张华北地区二氧化碳通量的分布遥感图(张仁华、孙晓敏,1997年)。

2001年11月,中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”批准执行,作为项目的技术总监,使我有幸亲身参与和见证了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)近十年的建设与发展。项目启动后,在于贵瑞研究员的主持下,由我对整个观测系统和网络进行总体规划和设计,包括传感器的选型、观测系统软硬件搭配、观测铁塔和仪器架的制造等,构成了一个可以长期稳定运行的网络观测平台。在各个安装站站长的配合下,完成了观测系统安装的各项准备工作,包括建立观测塔、引电、建机房和组建观测团队等。我们用了仅仅四个月的时间(2002年7月至11月),完成了ChinaFLUX首批6个通量站(长白山森林、千烟洲人工林、鼎湖山森林、西双版纳森林、青海海北草地、禹城农田生态站)的建设、安装与调试工作。这些通量站都是以涡度相关技术为主,辅以常规气象(如辐射、温度、湿度等)和生物要素(如生物量、叶面积指数、光合作用等)常规观测。

ChinaFLUX首批的6个通量站的建设与安装工作完成后,ChinaFLUX很快得到了发展和壮大的机会。2002年3月,国家重点基础研究发展规划(973)项目“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”正式批准执行,新增了内蒙古草地站和当雄草地站2个通量站。分别于2003年4月15日-23日和2003年7月10日-20日完成建设与安装工作。其中当雄草地通量站的海拔高达4200米左右,是当时世界上海拔最高的生态系统通量观测站。我亲身参与了当雄通量站的建设工作。在地处青藏高原4200米海拔的当雄站建站中,强烈的紫外线灼伤了皮肤,高原反应让一行的同事入院救治又被遣返北京,让我们亲身领略了高原的美丽与强暴,感受了科研工作的困难和艰险。

以ChinaFLUX观测数据为基础,这个平台上发表了SCI论文百余篇,CSCD论文二百余篇,产生了很好的影响和效果。ChinaFLUX观测研究平台处于同类区域性网络的领先水平,填补了亚洲季风区碳水通量长期观测数据的空白,其观测系统集成、数据质量控制和数据管理与综合服务达到了国际先进水平,引领了中国区域碳通量观测事业的发展,促进了亚洲通量观测网络(AsiaFlux)组织机构的重组,并通过中、日、韩三国的国际合作(Carbon East Asia)项目的实施实现了共建亚洲区域碳水通量网络的发展目标。

大型蒸渗仪的推广应用

在涡度相关观测技术成熟以前,大型称重式蒸渗仪曾经是唯一应用于蒸发观测的“标准仪器”。1983-1984年,在黄秉维支持下,唐登银、杨立福、赵家义等与澳大利亚联邦科工组织麦克洛伊先生合作,以麦氏称重蒸渗仪为原型,在禹城站研制大型蒸渗仪。他们在没有设计图纸和原材料缺乏(特型钢材、不锈钢钢丝绳等),设备落后(例如没有合适的起重机械)的情况下,自力更生,艰苦奋战,在研究所金工师傅的帮助下,完成了大型称重式蒸渗仪的建设。该蒸渗仪原状土体表面积3m2,深度2m,设备总重量超过10吨,蒸发测定分辨率达到0.02mm,成为国内一个测定蒸发的标准仪器。1990年,以此蒸渗仪为参照,李宝庆等又研制了更深土柱的大型蒸渗仪,曾是我国最大的称重式蒸渗仪(3.14m2×5m大型回填土土柱,约32吨重),增加了土壤地下水位模拟控制装置。

1990年代中期,中国生态研究网络鉴于蒸发测定的重要性,考虑到禹城站的蒸渗仪具有国际先进水平,决定由水分分中心负责在几个重点生态站推广和配备这一设备。从1994-1996年,在唐登银的领导下,以我、赵家义和刘士平组成了一支仪器建设队伍,在黑龙江海沦站、内蒙古草原站、奈曼站、河北栾城站、河南封丘站、江西鹰潭站、青海海北站建设了7台同一规模的大型称重式蒸渗仪(3m2×2m)。我们也与这些试验站建立了很好的工作关系。十八年后的2008年,我们又为中国地质科学院水文地质环境地质研究所建造了一台大型土壤蒸发渗漏仪,是目前我国具有原状土体最深的一台大型土壤蒸发渗漏仪(3m2×6m大型原状土土柱,约36吨重)。

建立热红外遥感实验室

真实地物的热红外比辐射率测定技术,一直以来都是热红外遥感在实验地理学应用过程中的一个重要和瓶颈问题。地表的热红外辐射既是地表通量的重要组成部分,又是利用卫星遥感技术反演地表温度的重要物理变量。我们运用热像仪观测的方法研究了微尺度(分米尺度)地物的基本属性(辐射温度)、基本定义(比辐射率等)和基本定律(布朗克定律)的尺度效应,建立了野外和模拟遥感试验场,开展了星-地协同的同步观测。1998年,攀登项目95-预-38课题为我们提供了新的发展机遇。在张仁华主持下,建立了一个热红外遥感实验室。其间,在实验室完成了7项国家发明专利的研制开发工作。研制开发了一个用于热红外多角度遥感的实验室模拟装置;研制开发了三种不同方式的以红外温度计为检测器的热红外比辐射率测定装置,可以分别运用于室内实验和野外实验。

漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法和仪器。地物方向比辐射率是利用遥感信息精确反演地表温度的重要参数,该参数的测定方法和技术一直是国际热红外遥感界关注的问题。我们研究发明并制作了一套测定装置。该装置通过控制可开闭的半球覆盖体以及可以全方位转动红外传感器的配合,对两个不同强度的半球辐射源和环境辐照下的物体进行同步对应的方向性红外温度进行测量,解决了漫射热辐射源物体方向的比辐射率测量的技术难题,实现了野外连续多角度的地物比辐射率快速测量(被动测量),得到了法国热红外权威科学家有价值的评价,获得了国家发明专利。

准直热辐射源物体方向比辐射率测量方法和仪器。在航空航天遥感平台直接实时测量地物比辐射率是国内外热红外遥感界一直追求和奋斗的目标,它可以有力推动定量热红外遥感的发展。我们研究开发了利用CO2激光测定地物的方向比辐射率的地面试验和测定装置。通过控制可开闭的CO2激光源和可以全方位转动红外传感器的配合,对两个不同强度的准直辐射源和环境辐照下的物体进行同步对应的方向性红外温度测量,解决了准直热辐射源物体方向比辐射率测量方法问题,研制了观测仪器,实现了室内连续多角度的地物比辐射率的快速测量(主动测量),获得了国家发明专利。

全方位多角度测定平台。在遥感应用领域中,地物辐射的方向性定量模型研究,对于热红外、近红外、可见光遥感都是的一个重要的问题。为方便获取能够反映客观实际的多角度观测数据,我们设计了一种结构简单易于拆卸安装野外适用的全方位多角度的测定平台,实现了可携带多种遥感传感器在不同方位、不同角度、对不同高度(1.5-2.5 m)作物的全方位多角度定位测量,获国家发明专利。

探索新的试验观测研究方法

由点到线到面的测定应当是实验地理学努力的方向。2000年,在张仁华和我的努力下,研究组在我国生态系统研究领域率先引进了大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测技术。 2002年3月开始在昌平小汤山“国家精准农业研究试范基地”开展了由波文比-能量平衡法和涡度相关法进行观测的地表通量(感热)与像元尺度的感热通量大孔径闪烁仪(LAS)的对比观测试验。通过星/地一体化观测,发展了具有像元尺度的卫星数据地面标定和遥感反演结果的验证关键技术,探索地面观测数据与卫星观测数据之间的尺度扩展的方法。

利用稳定同位素观测技术实现生态系统精细过程研究。2004年,地理资源所引进了德国Finnigan公司生产的最新型稳定同位素比值质谱仪MAT253,开始了稳定同位素技术在生态系统过程研究的技术应用。2006年,我们的研究组在国际上第一台水汽H218O、HD16O 和H216O激光稳定同位素气体分析仪(TGA100A, Campbell Scientific Inc., USA)的基础上,与美国耶鲁大学森林与环境学院Xuhui Lee教授合作开发了大气水汽18O/16O和D/H在线标定系统,改进原有两点校正为三点校正,利用样品和旁路气泵设计剔除歧路管压力变化的影响等问题,解决了仪器非线性响应难题,首次实现了大气水汽δ18O和δD的原位连续观测及其与涡度相关相结合的技术实现。在国家自然科学基金“农田生态系统水汽氢氧稳定同位素比值和通量的原位连续观测与过程解析(30770409)”和中国科学院“基于样带的草地生态系统碳水循环过程研究”等项目的支持下,2008年,我们研究组在栾城农田生态站完成了对冬小麦和玉米的土壤-植物-大气系统水汽δ18O和δD原位连续观测实验。2009年6-9月在内蒙多伦草地生态定位研究站对草原生态系统开展了土壤-植物-大气系统水汽δ18O和δD原位连续观测实验。使得我们成为国内第一个利用稳定同位素原位连续观测技术对不同生态系统开展研究工作的研究组。

结束语

回首往事,我们经历了许多。中国生态系统研究网络(CERN)至今建成发展已经20多年了,中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)也已近十载。我们从东到西,从南到北,从农田到草原,从草原到森林,从绿洲到沙漠,从平原到高原,从陆地到海洋,从国内到国外。西北戈壁滩上的“黑风暴”,太平洋腹地的“浪涌”,青藏高原无人区的“反应”,森林中的“小咬”,南国霉雨的浸润,大自然给我们留下了不能忘却的敬畏;蓝天白云下辽阔美丽的草原,腾格里沙漠像金色的海浪一样起伏的沙丘,高原圣湖纳木错的一湖纯洁圣水,给我们留下了不能忘却的神往;在海天一色的赤道上,有我们虔诚搭建起的“赤道门”。……岁月流年,依稀留下了我们为实验地理学奋斗的足迹。

现代地理科学应当建立在一个个基于实验地理过程单元之上的系统综合和科学集成。由于地理学(生态学)的野外试验研究常常强烈的受到时间过程长、地域空间分异大、过程再现变异受环境影响复杂以及试验(实验)运行经费窘迫的制约,加上地理科学野外工作十分艰苦,对研究者意志是重要的考验,也是实验地理研究工作难点所在。目前的实验地理观测大都是“蜻蜓点水”式野外观测研究,虽然是迫于现实的无奈选择,但是朝着前辈指明的方向,我们将无怨无悔继续努力,不停探索,贡献绵薄之力,而且希望后来者的不断超越。



*孙晓敏(1957——),1985年至今在所,研究员。