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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點(diǎn),為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【中國科學(xué)報(bào)】祁連山脈生態(tài)系統(tǒng)的“瞭望者”

2020-09-11 中國科學(xué)報(bào) 韓揚(yáng)眉
【字體:

語音播報(bào)

  “多年來,我們研發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備的平均國產(chǎn)化率達(dá)到80%以上,大多數(shù)性能指標(biāo)與國際水平相當(dāng),部分甚至領(lǐng)先?!闭驹谄钸B山下黑河流域的試驗(yàn)示范點(diǎn),中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員李新指著布設(shè)在各處的國產(chǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備向《中國科學(xué)報(bào)》介紹,言語間充滿了欣慰和自豪。

  近日,在甘肅省張掖市開展的“生態(tài)研發(fā)專項(xiàng)天地一體化綜合試驗(yàn)”考察活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng),記者看到從觀測(cè)土壤水氣碳到監(jiān)測(cè)動(dòng)物、植物,這些國產(chǎn)生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備連點(diǎn)成網(wǎng)、天地一體,擔(dān)當(dāng)起祁連山脈生態(tài)系統(tǒng)的“瞭望者”,時(shí)刻守護(hù)著這里脆弱的生態(tài)環(huán)境。

  始于“黑河計(jì)劃”

  黑河流域作為我國第二大內(nèi)陸河流域,極具代表性和典型性。它從上游到下游,形成了以水為紐帶的“冰雪/凍土、森林、草原、河流、湖泊、綠洲、沙漠、戈壁”多元自然景觀。此外,黑河流域開發(fā)歷史悠久,自然和人文過程交織碰撞、此消彼長(zhǎng)。這些都使黑河流域成為開展流域綜合研究的理想“試驗(yàn)場(chǎng)”。

  流域科學(xué)的集成研究,需觀測(cè)先行。過去10年,李新和團(tuán)隊(duì)走過了一段不平凡的生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新之路。

  2010年,國家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)了一項(xiàng)以我國黑河流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)、歷時(shí)8年的“黑河計(jì)劃”(即“黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究”重大研究計(jì)劃)。其核心科學(xué)目標(biāo)之一,就是建立我國內(nèi)陸河流域生態(tài)水文科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)。

  李新等人努力回答流域生態(tài)水文觀測(cè)科學(xué)問題的同時(shí),有一種更強(qiáng)烈的“危機(jī)感”涌上心頭——生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)被國外壟斷,嚴(yán)重制約了科學(xué)研究的進(jìn)展和觀測(cè)數(shù)據(jù)的安全。

  李新告訴《中國科學(xué)報(bào)》,“實(shí)現(xiàn)脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)、構(gòu)建國家生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系,都急需監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)方式的自主創(chuàng)新與升級(jí)換代。而我國生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)存在設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口、部分觀測(cè)尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化、與遙感和模型尺度不匹配等瓶頸問題?!?/p>

  2016年10月,在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下,李新?lián)问紫茖W(xué)家的“生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范”項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱項(xiàng)目)正式啟動(dòng)。他們希望打破國外技術(shù)壟斷,實(shí)現(xiàn)我國生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的自主創(chuàng)新,提升生態(tài)監(jiān)測(cè)的信息化水平。

  國產(chǎn)設(shè)備“從無到有”

  項(xiàng)目參與者、中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員晉銳告訴《中國科學(xué)報(bào)》,自2016年至今,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過原始和集成創(chuàng)新,共研發(fā)了5類19種生態(tài)監(jiān)測(cè)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,包括水熱參量多尺度監(jiān)測(cè)設(shè)備、土壤生物化學(xué)過程二氧化碳同位素綜合觀測(cè)系統(tǒng)、植被關(guān)鍵參量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、陸生脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)設(shè)備,以及生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。同時(shí),新監(jiān)測(cè)設(shè)備還在多個(gè)典型生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行了適應(yīng)性應(yīng)用和示范。

  在張掖市大滿灌區(qū)玉米示范田里,北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部副教授屈永華團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的5臺(tái)植被葉面積指數(shù)儀和18個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布設(shè)其中。

  葉面積指數(shù)是反映植物生長(zhǎng)狀況的一個(gè)重要指標(biāo),其監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期被國外壟斷,且價(jià)格高昂,制約科研進(jìn)展。“這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間上密集、時(shí)間上連續(xù)的自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)觀測(cè),準(zhǔn)確捕捉植被生長(zhǎng)狀況,隨時(shí)提供生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)信息,完全改變了過去我們拿著儀器進(jìn)行人工信息采集的工作方式。更重要的是,這套設(shè)備打破了國外儀器的壟斷地位?!鼻廊A說。目前,他們正與企業(yè)合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣,以期實(shí)現(xiàn)更大價(jià)值。

  不遠(yuǎn)處,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員孫曉敏團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“土壤生物化學(xué)過程二氧化碳同位素綜合觀測(cè)系統(tǒng)”正在時(shí)刻監(jiān)測(cè)著土壤的“呼吸狀況”。

  “同位素是生態(tài)系統(tǒng)的指紋,土壤二氧化碳含量不到0.2%,很難監(jiān)測(cè)。但通過了解其產(chǎn)生和輸送的特點(diǎn),以及土壤與大氣界面二氧化碳的交換過程等,可以評(píng)估脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤功能特征、土壤的固碳作用等?!睂O曉敏告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

  而在距離大滿灌區(qū)大約40公里的祁連山森林生態(tài)站排露溝流域綜合觀測(cè)場(chǎng)的固定樣地,國產(chǎn)設(shè)備也正在有條不紊地工作著。

  “目前,儀器大多指標(biāo)都可滿足觀測(cè)需求且能實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)觀測(cè),與國外儀器相比還具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)?!逼钸B山森林生態(tài)站站長(zhǎng)敬文茂分享著他的“用戶”體驗(yàn)。

  項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的所有科研人員努力通過“十年磨一劍”,鑄就屬于國產(chǎn)設(shè)備的“高光時(shí)刻”。但他們也深知,“目前只是邁出了第一步,還有很多關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)尚未突破,國產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走,要繼續(xù)努力?!?/p>

  邁向萬物互聯(lián)

  與過去不同,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)更注重設(shè)備的自動(dòng)化、信息化和智能化水平。他們引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),推動(dòng)我國生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

  生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生態(tài)環(huán)境要素的高密度、智能化、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等,還可對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)質(zhì)量控制、存儲(chǔ)和在線分析處理?!疤貏e是對(duì)于人難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng),建立智能化的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)更為關(guān)鍵。”項(xiàng)目參與者、中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院博士生張明虎說。

  近年來,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破了通用型數(shù)據(jù)記錄傳輸技術(shù)、遠(yuǎn)程無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、生態(tài)監(jiān)測(cè)信息化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了上述監(jiān)測(cè)設(shè)備的無線組網(wǎng)和大數(shù)據(jù)量的低功耗長(zhǎng)距離無線傳輸,創(chuàng)建了一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、可視化和應(yīng)用于一體的生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)。此外,他們?cè)跓o人機(jī)高速物聯(lián)中繼、極端環(huán)境衛(wèi)星物聯(lián)組網(wǎng)技術(shù)上也取得了突破,有望解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無法聯(lián)網(wǎng)的難題。

  目前,物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在喀斯特石漠化地區(qū)、東北虎國家公園、中國綠洲荒漠交錯(cuò)帶等脆弱生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用和示范。

  前不久,一個(gè)好消息讓李新更加振奮。8月8日,“行云二號(hào)”01/02號(hào)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星成功將黑河上游無信號(hào)覆蓋區(qū)的生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)平臺(tái),此次示范應(yīng)用從衛(wèi)星到地面觀測(cè)終端的所有設(shè)備均為國產(chǎn)。

  “陸地上80%的地區(qū)沒有被蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋,極端環(huán)境更是如此。這導(dǎo)致很多信息無法及時(shí)傳輸獲取,比如在阿里無人區(qū),科研人員一年取一次數(shù)據(jù)。而衛(wèi)星互聯(lián)與地面監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)?!崩钚抡f。

  李新對(duì)未來充滿期待,“通過我們的技術(shù)創(chuàng)新和示范驗(yàn)證,希望構(gòu)建一個(gè)立體綜合、天地一體化的群落—生態(tài)系統(tǒng)—景觀多尺度生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并推廣至國家生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),服務(wù)于國家生態(tài)安全,以及脆弱生態(tài)區(qū)的大范圍、全天候、立體化監(jiān)測(cè)需求,支撐國家生態(tài)文明建設(shè)”。

 ?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2020-09-11 第1版 要聞)
打印 責(zé)任編輯:侯茜

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