也快临近毕业了，刚刚做完毕业论文前最后一个组内报告，终于算是有了那么一点点自信试着回答一下这个问题了。恰好经常有我认识的外行人或者关注我的人很好奇，我在签名里写的“植物与岩土交互学研究生”是个啥意思，这里我尽可能用浅显的比方说明问题。
相信很多和我一样在国内受教育长大的大家，一定会对某句话印象深刻：“种植植物可以加固土壤，减少水土流失和滑坡的风险。”作为一种常识，大家肯定下意识以为这是一个很古老的话题，何况中国的植树造林计划开展得如火如荼，肯定已经被研究透了。实际上远非如此，人类对于植物的了解，其实非常浅薄，充满了在机理方面依据不充分的猜测。大部分猜测都只能用某方面的经验有所佐证，但是距离可以真正理论化量化描述还有非常遥远的距离。
既然植树造林护坡固坡已经被广泛应用了，为什么需要量化植物对土体的加固作用？其实从工程角度而言，任何项目都有很强的量化设计的需要。就像设计一座大楼，工程师必须给开发商一个理论上合理的依据，就是基于哪些合理的理论，我可以有足够信心这座大楼可以经受多大的承重，多少年一遇的地震或者台风，否则不论你用再多的料也无法说服开发商，而且也容易产生不必要的材料浪费。当前在工程领域，利用植物还处于没有设计理论的状态，连适用的设计准则都看似遥遥无期，使得现今的工程里，植物的使用都只是额外的点缀，工程师们都在用一些传统方法防坡固坡（比如土钉和表层覆盖），然后上面随便多种点植物交差，无端增加了额外的成本。然而如果能完全摒弃传统方法，植物本身就有低成本、低维护费用、环境保护、城市绿化等等多方面的好处。
量化的前提是我们是不是真的理解了植物对土体加固作用的原理。植物对土体的加固作用源于两方面：机械作用和水力作用。机械作用顾名思义，即根系在物理上存在于土体中，如同骨骼存在于血肉之中，土体想要滑动摩擦就需要拉扯根系，根系的抗拉强度反过来阻碍了土体的滑动摩擦，从而起到了加固作用。
我和我的小组更多的集中在水力作用方面。土壤是个非常有趣的材料，因为土壤的性质和其中的水分关系密切。相信很多人在小时候有过玩堆沙堡的经验，就是用沙子堆砌各种小建筑物，或者在其间挖掘隧道。然而大家可能发现了一个有意思的事情，那就是沙子如果水分太少太干，就会流动，没法堆砌起来；如果沙子水分太多，又会表现的像是水一样到处随意流动，也没法堆砌。有经验的小朋友都会发现要堆一个不会倒的沙堡，含有一定量水分，但是又不太多的沙子，表现的就像橡皮泥一样，有了更高的强度，可以轻易堆砌成各种形状。这个性质我们专业的说法叫非饱和土力学，就是土体里的水分不饱和，处于一定负压强（即低于大气压强）条件下，土体的强度会上升。而众所周知，植物可以通过蒸腾作用在土体中汲取水分，产生额外的土体负孔隙水压力，从而令土体的强度维持在更高的水平。
我的一些师兄师姐，曾经做过很多相关实验，诸如植物在特定环境下的蒸腾实验，和降雨条件的模拟，有很多也都很精彩。我自己在做的内容，就是量化这个过程里一个关键性的难题：如何解决植物个体的差异性问题。相比于传统工程材料，如混凝土、钢筋、纤维这些人造材料，植物最大的问题就是性质不可控。就像是世界上找不到两个相同的人，也不可能找到两株相同的植物，植物个体之间会在各种方面产生极大的差异，诸如叶片面积、根系分布与密度、植物高度等等，这些都会对植物根系的吸水能力造成很大的影响。而这种影响，是前人理解不足的地方。这也导致了我们在实验室里做出的结果是这样，但是实际到现场去做，要去种植新的植株，它们因为形态方面的不同，吸水效果会跟我们实验室里的结果产生很大区别。可以想见，实际工程里，对种植植物在形态上的控制，是至关重要的。
当然我这个方向既然前人成果不丰，那就确实非常难做，最大的难题就是植物形态的各个关键参数是相互关联的，这使得我几乎没有办法用传统的控制变量法去解决问题。一般我们在研究里的思路，都是要研究四五个参数之间的关系，我们可以控制其中三个参数不变，把他们变成若干对参数的相关关系，就好研究了。但是植物不行，因为世界上不存在两株叶片面积一样但是根系分布不同的植物。植物个体之间，差异是全方位的，这使得分析任何参数之间的关系，都要受到其他参数的干扰。
另一个难题是植物的实际吸水能力是没办法直接测量的，因为植物的根系非常繁密且复杂，有细小到微米级的细根，也有达厘米级的粗根。不同直径的根系吸水能力都不同，不可能用大量传感器直接测量它们的吸水量，更何况大量传感器也会影响到植物的日常生长与生活，完全失去了研究的意义。
当然最后我的工作经历了各种磕磕绊绊，还是找到了研究思路。再重复一下我研究的主要问题，那就是不同形态的植物会通过根系吸水作用对土体的负孔隙水压力产生怎样的影响。这里我不得不打个比方，这个问题就像公安机关叫我研究一个课题：不同体型的人会因为不同的用力习惯，在雪地上留下怎样不同大小深度的脚印？
我的研究思路就是正向逆向两方面思考，再看两方面能否对应得上。正向方面，我先通过力学原理，建立一套不同体型的人在行走时脚对地面的用力分布的力学模型；逆向方面，我又通过数学方法，建立了一种通过雪地脚印形状和深度，还原踩出脚印用力分布的手段。然后我再找若干愿意配合我研究的不同高矮肥瘦的志愿者，在雪地上踩出脚印，先逆向还原出他们是怎么在雪地上用力的，再跟我的理论模型比较，找出问题，调整我的理论模型，直到我的理论模型能与之达成一致。然后有了足够的自信，我就能推而广之，得到一个值得信赖的理论模型，用它来预测任何体型的人的行走用力习惯，再用这个用力习惯预测他留下的脚印形状。
在这里，脚印对应的就是土体里的负孔隙水压力，用力分布对应的就是植物根系的吸水能力分布，人的体型对应的就是植物的形态。既然根系的吸水能力分布难以直接测量，我用数学方法，植物产生的负孔隙水压力分布，反算植物根系在各个不同部位的吸水能力，也就是逆向思维。然后植物形态差异方面，先建立理论模型把多个参数都归纳进来，也就是正向思维。最后理论再和反算到的植物吸水能力比较，不断调整，直到理论和实际上都说得通为止。
最后说说看我的博士工作最值得称道的东西吧，首先是一定程度上解决了这个课题本身，那就是更深刻理解了植物形态与它吸水机理之间的关系。另一方面，也是看到了我建立的理论模型还有着巨大的潜力，有很多其他参数在未来可以整合进来，例如各种环境参数，比如光照强度、空气二氧化碳浓度、空气湿度等等对于植物吸水能力的影响。这个理论模型，有着将植物的吸水作用，从土体、植物本身到大气的整个过程彻底量化的潜力，而这也将有可能在未来改变很多与植物相关的领域，例如土体的防渗加固、植物的灌溉、大气温室效应、生态演化等等。当然博士毕业也不过是一切刚刚起步，知识的海洋，一生探索仍嫌不够。
等到答辩完成，我再来把我的毕业论文链接更新到这里吧。先随便写到这里，希望能给同在博士苦海里挣扎的大家一点启发和鼓励。日日有新知可学，改进人类所知，博士虽苦亦当求之。因为进入社会，社会的复杂可不简简单单就是那些数字和参数而已，而有些人也许就确实不太适合。
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果然写专业性的东西看的人就不多，最后突然还是想更新一下这些年读博学到的教训吧。接下来这些话，如果我在五年前认识到，现在做出的成就最起码能够翻倍，希望能给还在博士生涯里煎熬的其他人一点启发：
- 不要追求完美。博士之难，就在于读博是举世皆敌的过程。这个过程中，你没有战友，你的工作会被所有人以批判性的目光审视，从你的师兄弟，到你的导师，到专业的审稿人，再到所有同专业的同行们，他们很少会公开夸赞你的工作，反而会一点点把你的工作扒皮拆骨，找出一个个有根据甚至毫无根据的问题；而且越是优秀且叛逆的工作，越是会如此。越是优秀的博士生，越会心气过高，别人指出任何我的问题，我就一定要做更多的工作去解决，解决不了就开始胡搅蛮缠开始诡辩，试图直接说服批判者，或者岔开话题答非所问，甚至去攻击批判者，觉得是他们太肤浅懂的不够多。越是这样，你就会在一项工作上浪费越多的时间，有的甚至最后过度自我攻击，然后抑郁了。正确的做法就是如果自己解释不了，干脆承认这是自己工作的局限，严格限定自己的工作的适用范围，不要跟他们过多纠缠，你会发现你的文章发表会很顺利，也能在有限的时间里做出更多的工作。至于这些问题，很重要且将来你能解决，就去进一步去做；不重要甚至none sense的，Just forget it。
- 如果只是想以最优秀的履历表光鲜毕业，那么就不要去尝试一些前人连雏形都没有的工作。好好读读前人的文章，以批判性的眼光去发现问题，改进他们的方法，然后做实验发表即可，俗称科研灌水。重复以上的工作，你会发现毕业时你的发文量会远远高于同侪。然而如果你真的是一个对学术有野心的人，希望成长为某个领域的大牛，那么就投入创新的苦海吧，风险很高，而且毕业履历也不可能很光鲜，但是长远来看也未必不是好事，而且也是真正能成长为业界核心的必经之路。还有在创新的路上，决定能否成功的关键就是理论基础扎实与否，包括本专业的所有基础理论模型和数理基础，如果这些东西掌握不好，就老老实实跟着前人发文章，别瞎起没必要的野心。
- 导师的意见不是决定性的。很多博士开始学术生涯后，总是以以前当学生的思路考虑问题，觉得只要听老师的话就万事大吉。然而读博是自己对自己负责的过程，导师与博士生在实质上不是上下级关系，而是同事关系。尤其是导师经常涉及很多领域难以专心，博士生在成长几年后，会发现自己在本领域甚至超越了自己的导师，这并不奇怪。如果一个博士生在毕业时甚至不能teach自己的导师something new，那他也没有毕业的资格。当然导师给你安排的任务和实验计划，最好还是老老实实按部就班去做，但是完全可以自己另起炉灶想些新的点子，去想去做，哪怕不被导师认可也没关系，完全可以从理论和数值模拟开始去验证自己的想法。只要不影响导师给你安排的计划，成果又可以发表，导师没有任何理由反对你去发表自己的成果。
- 越是理论基础好，满脑子数学模型的人，越容易陷入理论的误区里，而不去思考问题的普遍物理意义。然而阅读你工作的大部分人，都不是你本专业的人，你必须有能力用最通俗的话语，和普遍的物理意义，让理工科出身的人能够理解60%以上的你的工作。否则无论是以后发文章、毕业、申请教职乃至以后申请科研资金，都会举步维艰。这个问题下的很多回答就可以看得出来，很多博士的工作很出色，但是他们的描述过于追求精确，用了太多专业术语，依然过于晦涩难懂，这对长远发展不利。
- 最后，坦然接受自己就是这样的自己，我不是这个世界上最优秀的，也不是最差的。有人比我强，我看得到他们的付出，这是他们应得的；有人比我弱，我能有一份怜悯提携之心，最后也能在相互帮助中获益。博士是一座远离尘世的孤岛，与其忍耐寂寞，不如享受孤独，脱离声色犬马，好好审视自己的内心，认清真我。如果能做到这点，无论是否顺利，能否拿到学位，读博的过程就有意义。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：王锐羽
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