祁连山脉生态系统的“瞭望者”

“多年来，我们研发的生态系统关键参量监测设备的平均国产化率达到80%以上，大多数性能指标与国际水平相当，部分甚至领先。”站在祁连山下黑河流域的试验示范点，中国科学院青藏高原研究所研究员李新指着布设在各处的国产监测设备向《中国科学报》介绍，言语间充满了欣慰和自豪。

近日，在甘肃省张掖市开展的“生态研发专项天地一体化综合试验”考察活动现场，记者看到从观测土壤水气碳到监测动物、植物，这些国产生态监测设备连点成网、天地一体，担当起祁连山脉生态系统的“瞭望者”，时刻守护着这里脆弱的生态环境。

　　始于“黑河计划”

黑河流域作为我国第二大内陆河流域，极具代表性和典型性。它从上游到下游，形成了以水为纽带的“冰雪/冻土、森林、草原、河流、湖泊、绿洲、沙漠、戈壁”多元自然景观。此外，黑河流域开发历史悠久，自然和人文过程交织碰撞、此消彼长。这些都使黑河流域成为开展流域综合研究的理想“试验场”。

流域科学的集成研究，需观测先行。过去10年，李新和团队走过了一段不平凡的生态监测技术创新之路。

2010年，国家自然科学基金委员会启动了一项以我国黑河流域为典型研究区、历时8年的“黑河计划”（即“黑河流域生态—水文过程集成研究”重大研究计划）。其核心科学目标之一，就是建立我国内陆河流域生态水文科学观测系统。

李新等人努力回答流域生态水文观测科学问题的同时，有一种更强烈的“危机感”涌上心头——生态监测设备和技术被国外垄断，严重制约了科学研究的进展和观测数据的安全。

李新告诉《中国科学报》，“实现脆弱生态修复与保护、构建国家生态监测网络体系，都急需监测设备和监测方式的自主创新与升级换代。而我国生态系统监测存在设备严重依赖进口、部分观测尚未实现自动化和信息化、与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题。”

2016年10月，在国家重点研发计划的支持下，李新担任首席科学家的“生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范”项目（以下简称项目）正式启动。他们希望打破国外技术垄断，实现我国生态监测技术的自主创新，提升生态监测的信息化水平。

　　国产设备“从无到有”

项目参与者、中国科学院西北生态环境资源研究院研究员晋锐告诉《中国科学报》，自2016年至今，项目团队通过原始和集成创新，共研发了5类19种生态监测和联网设备，包括水热参量多尺度监测设备、土壤生物化学过程二氧化碳同位素综合观测系统、植被关键参量自动监测设备、陆生脊椎动物监测设备，以及生态物联网关键设备。同时，新监测设备还在多个典型生态脆弱区进行了适应性应用和示范。

在张掖市大满灌区玉米示范田里，北京师范大学地理科学学部副教授屈永华团队自主研发的5台植被叶面积指数仪和18个无线传感器网络节点布设其中。

叶面积指数是反映植物生长状况的一个重要指标，其监测设备长期被国外垄断，且价格高昂，制约科研进展。“这套系统可实现空间上密集、时间上连续的自动联网观测，准确捕捉植被生长状况，随时提供生长动态信息，完全改变了过去我们拿着仪器进行人工信息采集的工作方式。更重要的是，这套设备打破了国外仪器的垄断地位。”屈永华说。目前，他们正与企业合作进行产业化推广，以期实现更大价值。

不远处，中国科学院地理科学与资源研究所研究员孙晓敏团队研发的“土壤生物化学过程二氧化碳同位素综合观测系统”正在时刻监测着土壤的“呼吸状况”。

“同位素是生态系统的指纹，土壤二氧化碳含量不到0.2%，很难监测。但通过了解其产生和输送的特点，以及土壤与大气界面二氧化碳的交换过程等，可以评估脆弱生态系统土壤功能特征、土壤的固碳作用等。”孙晓敏告诉《中国科学报》。

而在距离大满灌区大约40公里的祁连山森林生态站排露沟流域综合观测场的固定样地，国产设备也正在有条不紊地工作着。

“目前，仪器大多指标都可满足观测需求且能实现无线组网观测，与国外仪器相比还具有价格优势。”祁连山森林生态站站长敬文茂分享着他的“用户”体验。

项目团队的所有科研人员努力通过“十年磨一剑”，铸就属于国产设备的“高光时刻”。但他们也深知，“目前只是迈出了第一步，还有很多关键技术难关尚未突破，国产设备产业化还有很长的路要走，要继续努力。”

　　迈向万物互联

与过去不同，项目团队更注重设备的自动化、信息化和智能化水平。他们引入了物联网技术，推动我国生态系统监测物联网的发展。

生态监测物联网除了实现对各种生态环境要素的高密度、智能化、远程实时监测等，还可对海量数据进行自动质量控制、存储和在线分析处理。“特别是对于人难以到达的偏远地区的脆弱生态系统，建立智能化的生态系统监测信息系统更为关键。”项目参与者、中国科学院西北生态环境资源研究院博士生张明虎说。

近年来，项目团队突破了通用型数据记录传输技术、远程无线组网与数据传输技术、生态监测信息化技术，实现了上述监测设备的无线组网和大数据量的低功耗长距离无线传输，创建了一个集数据采集、传输、处理、可视化和应用于一体的生态监测物联网。此外，他们在无人机高速物联中继、极端环境卫星物联组网技术上也取得了突破，有望解决偏远地区无法联网的难题。

目前，物联网监测系统正在喀斯特石漠化地区、东北虎国家公园、中国绿洲荒漠交错带等脆弱生态系统中进行联网、应用和示范。

前不久，一个好消息让李新更加振奋。8月8日，“行云二号”01/02号物联网卫星成功将黑河上游无信号覆盖区的生态监测数据传回数据平台，此次示范应用从卫星到地面观测终端的所有设备均为国产。

“陆地上80%的地区没有被蜂窝通信网络覆盖，极端环境更是如此。这导致很多信息无法及时传输获取，比如在阿里无人区，科研人员一年取一次数据。而卫星互联与地面监测手段相结合，可实现实时在线监测。”李新说。

李新对未来充满期待，“通过我们的技术创新和示范验证，希望构建一个立体综合、天地一体化的群落—生态系统—景观多尺度生态物联网监测系统，并推广至国家生态系统监测网络，服务于国家生态安全，以及脆弱生态区的大范围、全天候、立体化监测需求，支撑国家生态文明建设”。（见习记者 韩扬眉）