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创新文化

充分发挥平台优势,挖掘模拟降雨实验中的硬核科研成果

发布时间:2020-12-28

沈发兴/文、沈发兴、聂小飞/图


江西水土保持生态科技园人工模拟降雨大厅建成投入使用以来,观摩人员问最多的问题就是“为什么要开展模拟降雨实验”、“如何开展模拟降雨实验”、“模拟降雨实验成果有何实际用途”,本文结合水土保持科普教育实践及参与相关科研课题的研究,谈谈对开展人工模拟降雨实验的经历和体会。

——为什么要开展模拟降雨实验?

根据江西省水土保持公报(2019)数据:全省轻度及以上水力侵蚀面积24151.18平方公里,占全省土地总面积的14.47%。水力侵蚀为我省引发水土流失主要外营力,为弥补完全依赖天然降雨来观测侵蚀的发生与发展过程的受限制较大、试验周期长、数据积累缓慢、并且很难对土壤侵蚀发生发展的全过程进行动态监测的不足,利用现代化的试验研究手段,开展模拟降雨实验,可以缩短研究周期,加速水土保持工作的进展。

——如何开展降雨实验?

开展模拟降雨,要心细如发,把握好分秒,读数准确。“压力58Kpa,粗调开度67,细调开度50,小、中喷头组合,雨强60mm/h,降雨时长1.5h”,在使用190个雨量筒、持续3天率定工作后,完成目标雨强的最佳参数被输入控制系统,通过控制、供水、降雨、显示四个系统协作运行,模拟降雨实验开始了。左手秒表右手铅笔,地表径流、壤中流由点成线时,掐着秒钟取过程样的工作也就开始了,接样、量筒读数、测流速……及时发现并记录实验过程中出现的拐点并做好相关记录。

开展户外模拟降雨实验,要占“天时”,要起早摸黑。你见过凌晨三点的科技园吗?到过江西水土保持生态科技园的人很多,但想必见过它凌晨三点模样的不多。为了避免太阳上山后气温上升不均引发的起风环境,对户外模拟降雨实验造成干扰,闹钟设置凌晨两点半,三点前到达实验场地,挑灯夜战,是户外降雨实验时候的“常规动作”,往往完成当次降雨实验后,太阳才冉冉升起。

户外模拟降雨实验之摸黑前行和挑灯夜战

开展模拟降雨实验,是个体力活。光膀子有辱斯文?在近四十摄氏度的高温,无风的空间里,挥舞铁锹筛土,填入实验土槽并夯实成原状土体的容重,根据不同实验方案布置土槽措施(如种植植物、铺设砾石等)这是室内模拟降雨前实验土槽的准备工作。一系列的动作下来,泥巴裹满裤腿,汗水湿透了一背,衣服根本就穿不住了,那就放下“文化人”的斯文与矜持,干脆光着膀子甩开胳膊加油干吧。

甩开膀子加油干和实验土槽的准备

开展模拟降雨实验,是一个持之以恒、累并快乐的事情。白天的事情做完了,为了尽快腾出烘箱以供下轮样品周转,为了保证数据不缺不遗失,也为了及时发现白天实验过程中的异常情况,以便为下场实验优化做铺垫,只得熬夜烘干入库样品,登记并录入数据。总说年轻人不怕累,但白加黑模式久了眼皮难免也打架。总说年轻人要稳重,但看到好数据和漂亮的曲线,也难免会跳会笑,看到参差不齐杂乱无章的数据,也会沮丧会流泪。

——模拟降雨实验成果可助力解决哪些生产实际问题?

围绕如何破解科研与科技服务“两张皮”问题,团队以“基础性研究”为“应用性研究”提供理论指导和数据支撑为出发点,近年来,利用科技园模拟降雨装置开展的国家自然科学基金课题研究有:“秸秆覆盖对红壤坡耕地壤中流的影响及侵蚀响应”、“壤中流驱动下红壤坡耕地可溶性有机碳的迁移机制”、“长历时降雨下红壤坡耕地产流机制及侵蚀响应”、“氧化铁对红壤溅蚀的影响及微观机制”、“红壤区农地坡面构型对土壤水文过程及氮流失影响”、“崩岗崩积体微地貌形态演变与侵蚀产沙响应”、“旱涝急转期红壤坡地水土流失响应机制研究”……取得了一些卓有成效的成果,如, 在Journal of Environmental Management、Journal of Hydrology、Soil & Tillage Research、Journal of Soils and Sediments、Soil and Water Research、plos one

等期刊上发表相关研究成果;如,“一种可收集过程样的溅蚀盘”等系列专利的授予;如,省科技进步一等奖等多项奖励的获取。


“秸秆覆盖对红壤坡耕地壤中流的影响及侵蚀响应”项目实验现场

“长历时降雨下红壤坡耕地产流机制及侵蚀响应”项目户外降雨实验

“氧化铁对红壤溅蚀的影响及微观机制”项目实验现场

“红壤区农地坡面构型对土壤水文过程及氮流失影响”项目模拟降雨实验土槽


通过室内(结合室外)模拟降雨实验有助于解决我省下述生产实践问题:1)可计算出各种雨型(特别是极端降雨条件)所产生的径流量和冲刷量,为南方红壤区坡改梯等水土保持工程措施优化设计提供计算依据;2)可计算出不同情况的林、草地保持水土的效益,为水土保持生物措施设计以及制定水保生物措施标准化提供依据;3)进一步查明产沙的起因、产沙的方式、产沙的坡位及产沙的物质来源,测算水土保持耕作措施的控沙效益,便于指导我省23.5万公顷坡耕地的生产;4)可确定不同地部位,土壤侵蚀的特点和土壤侵蚀强度,为水土保持各项措施合理配置提供依据;5)为制定和实施崩岗治理等措施提供定量数据支持;6)对土壤侵蚀过程及土壤肥力下降问题作出定量评价。

系列模拟降雨实验研究工作的开展和成果的发表,体现了省水保院科技工作者在学术视野和理论前沿方面的了解和把握,跟上了时代发展的需求。对这些硬核科技成果的挖掘,使技术服务与科学研究有机结合,让更多的科技成果直接转化成技术服务的新手段,实现协同提升,将有力地促进江西省水土保持事业的发展。



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