“多年來，我們研發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測設(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)測設(shè)備向《中國科學(xué)報》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)專項天地一體化綜合試驗”考察活動現(xiàn)場，記者看到從觀測土壤水氣碳到監(jiān)測動物、植物，這些國產(chǎn)生態(tài)監(jiān)測設(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”，時刻守護(hù)著這里脆弱的生態(tài)環(huán)境。
　　始于“黑河計劃”
　　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。這些都使黑河流域成為開展流域綜合研究的理想“試驗場”。
　　流域科學(xué)的集成研究，需觀測先行。過去10年，李新和團(tuán)隊走過了一段不平凡的生態(tài)監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新之路。
　　2010年，國家自然科學(xué)基金委員會啟動了一項以我國黑河流域為典型研究區(qū)、歷時8年的“黑河計劃”（即“黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究”重大研究計劃）。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)觀測系統(tǒng)。
　　李新等人努力回答流域生態(tài)水文觀測科學(xué)問題的同時，有一種更強(qiáng)烈的“危機(jī)感”涌上心頭——生態(tài)監(jiān)測設(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)展和觀測數(shù)據(jù)的安全。
　　李新告訴《中國科學(xué)報》，“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)測網(wǎng)絡(luò)體系，都急需監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測方式的自主創(chuàng)新與升級換代。而我國生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測存在設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口、部分觀測尚未實(shí)現(xiàn)自動化和信息化、與遙感和模型尺度不匹配等瓶頸問題?！?br/>　　2016年10月，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的支持下，李新?lián)问紫茖W(xué)家的“生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范”項目（以下簡稱項目）正式啟動。他們希望打破國外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)我國生態(tài)監(jiān)測技術(shù)的自主創(chuàng)新，提升生態(tài)監(jiān)測的信息化水平。
　　國產(chǎn)設(shè)備“從無到有”
　　項目參與者、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》，自2016年至今，項目團(tuán)隊通過原始和集成創(chuàng)新，共研發(fā)了5類19種生態(tài)監(jiān)測和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括水熱參量多尺度監(jiān)測設(shè)備、土壤生物化學(xué)過程二氧化碳同位素綜合觀測系統(tǒng)、植被關(guān)鍵參量自動監(jiān)測設(shè)備、陸生脊椎動物監(jiān)測設(shè)備，以及生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。同時，新監(jiān)測設(shè)備還在多個典型生態(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)隊自主研發(fā)的5臺植被葉面積指數(shù)儀和18個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布設(shè)其中。
　　葉面積指數(shù)是反映植物生長狀況的一個重要指標(biāo)，其監(jiān)測設(shè)備長期被國外壟斷，且價格高昂，制約科研進(jìn)展?！斑@套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間上密集、時間上連續(xù)的自動聯(lián)網(wǎng)觀測，準(zhǔn)確捕捉植被生長狀況，隨時提供生長動態(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)隊研發(fā)的“土壤生物化學(xué)過程二氧化碳同位素綜合觀測系統(tǒng)”正在時刻監(jiān)測著土壤的“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。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》。
　　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場的固定樣地，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)都可滿足觀測需求且能實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)觀測，與國外儀器相比還具有價格優(yōu)勢?！逼钸B山森林生態(tài)站站長敬文茂分享著他的“用戶”體驗。
　　項目團(tuán)隊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)化還有很長的路要走，要繼續(xù)努力?！?br/>　　邁向萬物互聯(lián)
　　與過去不同，項目團(tuán)隊更注重設(shè)備的自動化、信息化和智能化水平。他們引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動我國生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
　　生態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)除了實(shí)現(xiàn)對各種生態(tài)環(huán)境要素的高密度、智能化、遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測等，還可對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動質(zhì)量控制、存儲和在線分析處理?！疤貏e是對于人難以到達(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)測信息系統(tǒng)更為關(guān)鍵。”項目參與者、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，項目團(tuán)隊突破了通用型數(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)測信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上述監(jiān)測設(shè)備的無線組網(wǎng)和大數(shù)據(jù)量的低功耗長距離無線傳輸，創(chuàng)建了一個集數(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)測物聯(lián)網(wǎng)。此外，他們在無人機(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，一個好消息讓李新更加振奮。8月8日，“行云二號”01/02號物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星成功將黑河上游無信號覆蓋區(qū)的生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)平臺，此次示范應(yīng)用從衛(wèi)星到地面觀測終端的所有設(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)測手段相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測?！崩钚抡f。
　　李新對未來充滿期待，“通過我們的技術(shù)創(chuàng)新和示范驗證，希望構(gòu)建一個立體綜合、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)測系統(tǒng)，并推廣至國家生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(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)測需求，支撐國家生態(tài)文明建設(shè)”。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2020-09-11 第1版 要聞）