“雙一流”背景下的祁連山地區(qū)野外觀測研究站(網(wǎng))的建設實踐

蔣小榮, 楊永春, 冉新民

(1. 蘭州大學 資源環(huán)境學院, 甘肅 蘭州 730000； 2. 蘭州大學 環(huán)境地學國家級實驗教學示范中心, 甘肅 蘭州 730107； 3. 蘭州大學 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

1 建設祁連山地區(qū)野外觀測研究站的意義

祁連山地處西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)和東部濕潤區(qū)的過渡地帶和邊緣區(qū),其生態(tài)系統(tǒng)在維護我國西部生態(tài)安全方面具有舉足輕重和不可替代的地位[1],不僅僅是西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障及“一帶一路”經(jīng)濟發(fā)展中的生態(tài)保護核心[2],還是第二次青藏科考的重點區(qū)域。祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,由于受氣候變化和人類活動共同影響,近年來祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)的生態(tài)破壞問題,引起了社會各界、當?shù)卣蛧翌I導人的廣泛關注和高度重視?！镀钸B山國家公園體制試點方案》于2017年6月經(jīng)中央全面深化改革領導小組審議通過,該試點方案從提出構想到審議通過不足半年時間,足見祁連山生態(tài)環(huán)境保護之緊迫。因此,在祁連山建立實踐教學和科研觀測基地具有重大的戰(zhàn)略意義和科學意義。

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)正在經(jīng)歷的環(huán)境狀況的急劇變化,已成為國際科學研究的熱點[3]。人類社會要適應并應對全球環(huán)境的劇烈變化,首先需要理解有關陸地生態(tài)系統(tǒng)隨全球環(huán)境變化而變化的基礎知識,包括研究影響氣候變化的物理環(huán)境、陸地生態(tài)系統(tǒng)過程等方面的數(shù)據(jù),并建立可靠的評估生態(tài)系統(tǒng)變化的基線。由此可見,我們急需獲得關于自然環(huán)境條件狀況和變化趨勢的具體、可靠的第一手數(shù)據(jù)。

野外觀測平臺建設是高等院校相關專業(yè)提高教學質量、保證實踐教學環(huán)節(jié)、突出高等院校教育特色的重要方面[4-6],是指導學生理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生綜合素質與創(chuàng)新精神的重要途徑[7-8]。多年以來,蘭州大學一直關注祁連山生態(tài)環(huán)境保護問題,聚焦祁連山地區(qū)水、生態(tài)、植被以及人類活動等各個方面問題,取得了一系列高水平的研究成果。

祁連山地區(qū)野外觀測平臺建設,是今后蘭州大學“雙一流”建設的重點內容之一,將為中國重大或區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境問題研究及可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐[9-10]。本文圍繞蘭州大學在祁連山地區(qū)開展的生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展等方面的重點研究和主動服務地方經(jīng)濟社會發(fā)展的職責,同時結合國家“一帶一路”戰(zhàn)略需求,就祁連山地區(qū)野外觀測平臺的建設目標與定位、空間布局、建設原則、運行機制和監(jiān)測等問題進行分析與探討,以期為祁連山生態(tài)問題綜合治理與環(huán)境保護提供技術支持。

2 建設祁連山地區(qū)野外觀測研究站的意義

目前,蘭州大學環(huán)境地學野外觀測臺站建設剛剛起步,且主要集中在祁連山及周邊地區(qū)(見表1),監(jiān)測對象覆蓋冰川、森林、草地(高寒草甸)和荒漠等西北地區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng),橫跨祁連山東、中、西段,對于祁連山地區(qū)的石羊河、黑河和疏勒河三大內陸流域均有布局,且以流域上游地區(qū)為重點監(jiān)測區(qū)域,體現(xiàn)了典型的地學特征與區(qū)域代表性。

表1 祁連山地區(qū)野外觀測臺站匯總

總體來看,目前祁連山地區(qū)的野外觀測臺站建設水平比較低,處于起步階段,存在如下一些問題：

(1) 硬件設施方面,站點數(shù)量不夠,未能完全覆蓋祁連山地區(qū)的重點檢測區(qū)域。大多數(shù)臺站規(guī)模較小,2/3臺站占地面積小于0.67公頃(10畝),且大多數(shù)設立的觀測樣地沒有建設獨立的站房,只有簡易的柵欄進行封閉,且未安裝遠程監(jiān)控攝像,儀器安全得不到保障。部分站點的土地來自于當?shù)啬撩竦牟莸刈赓U,存在土地歸屬糾紛風險。受運行經(jīng)費限制,目前各臺站主要安裝的是大氣、水、土壤等常規(guī)傳感器,缺乏高精度的用于監(jiān)測特定指標的大型整套儀器。受當?shù)貝毫迎h(huán)境條件所限,約一半站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時遠程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心,需要工作人員定期前往實地拷取數(shù)據(jù),存在數(shù)據(jù)丟失和人員安全風險。

(2) 軟件方面,遠程可視化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)尚未投入使用,網(wǎng)絡化程度與數(shù)據(jù)共享程度有待提高。

(3) 臺站運行經(jīng)費嚴重不足,主要來源于各團隊科研經(jīng)費,“誰建設,誰使用”,存在較為嚴重的重復建設現(xiàn)象。學校未統(tǒng)一配備專職工作人員對站點進行日常維護與管理。此外,野外臺站主要服務于各科研團隊,對于學院的本科生野外實習等實踐教學環(huán)節(jié)的支撐作用不夠,無法承擔不同層次人才培養(yǎng)的任務需求。

3 祁連山地區(qū)野外觀測研究站建設目標與定位

3.1 建設目標與定位

祁連山地區(qū)野外觀測平臺作為我?！半p一流”建設中科技創(chuàng)新體系不可缺少、不可替代的重要組成部分,其主要目標有3個方面：

(1) 針對突出的或重大的生態(tài)環(huán)境問題,開展多學科、長期連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)指標要素綜合監(jiān)測,在干旱區(qū)(半干旱區(qū))生態(tài)水文、環(huán)境與氣候變化研究方面,取得重要野外基礎數(shù)據(jù)支持與重大理論突破,并為國家西部資源發(fā)展和氣候變化應對戰(zhàn)略提供重大咨詢。

(2) 以地學、大氣科學和生態(tài)學等重點學科為核心,全面提升學校地理、地質、大氣、水文與水資源、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、草業(yè)等領域的綜合研究實力,助力和支撐學?！半p一流”學科建設。

(3) 立足西部,面向全國,開展科技推廣示范,訓練培養(yǎng)創(chuàng)新型優(yōu)秀人才,對接服務地方政府或相關機構,在減災防災、資源可持續(xù)利用與生態(tài)保護方面予以基礎數(shù)據(jù)支撐和技術支撐。

該平臺在定位上重點關注以下3個方面：

(1) 建設成為祁連山生態(tài)系統(tǒng)綜合觀測網(wǎng)絡,體現(xiàn)觀測研究的綜合性和多學科交叉性,與中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡CERN在本區(qū)域已有站點形成互補,力爭盡早成為國家級野外科學觀測研究站。

(2) 突出學校重點學科特色,服務生態(tài)學、草學、地理學、大氣科學、力學、植物學等學校特色優(yōu)勢學科向“一流學科”邁進。

(3) 建立多學科綜合監(jiān)測系統(tǒng),關注祁連山地區(qū)生態(tài)—環(huán)境—經(jīng)濟—社會耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展問題,重點研究西北干旱、半干旱區(qū)和青藏高原區(qū)生態(tài)環(huán)境建設、民族(邊疆)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和國家生態(tài)安全等重大環(huán)境問題,使其成為國家生態(tài)環(huán)境保護與治理的示范項目。

3.2 空間布局

在空間布局上,重點突出祁連山地區(qū)的區(qū)域特色,同時應適當區(qū)別于中科院CERN和林科院CFERN的空間布局和監(jiān)測內容,主要從以下2個方面考慮：

(1) 多學科交叉布局。除了常規(guī)的水、土、氣等介質監(jiān)測外,加強冰川、森林、農(nóng)田和荒漠地區(qū)的補充布局,同時兼顧石羊河、黑河和疏勒河流域上、中、下游的空間均衡性；主要服務學科包括地理學、環(huán)境學、生態(tài)學、大氣科學、草學和農(nóng)學；主要監(jiān)測內容包括冰川變化監(jiān)測、樹木生長過程、小流域產(chǎn)匯流過程、生態(tài)系統(tǒng)碳氮過程、環(huán)境污染控制與修復、動物活動與遷徙等；數(shù)據(jù)采取統(tǒng)一管理和申請制獲取,做到“一站多點、一站多用”,盡量避免重復建設。

(2) 重點地區(qū)優(yōu)先布局。祁連山生態(tài)環(huán)境破壞問題突出,尤其是礦山開采、水電開發(fā)、過度放牧等,造成植被嚴重退化、水土流失、土壤污染等,甚至引發(fā)地表沉陷、熱融滑塌、融凍泥流等一系列威脅當?shù)啬撩裆踩牡刭|災害現(xiàn)象,亟需得到全面清查、整治與修復,這些都離不開野外觀測平臺的全范圍、連續(xù)有針對性的監(jiān)測。因此,在大型礦場、牧區(qū)、景區(qū)、水電站、水源保護區(qū),以及典型冰川、森林和草地等重點生態(tài)保護區(qū)域布點,開展區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結構、功能、演變過程、生態(tài)服務及污染物生態(tài)效應方面的觀測研究,體現(xiàn)祁連山野外監(jiān)測網(wǎng)絡的“多站點聯(lián)合、多系統(tǒng)組合、多尺度擬合、多目標融合”原則。

3.3 建設原則

(1) 頂層設計,統(tǒng)籌規(guī)劃。野外觀測平臺的建設一般具有周期較長、規(guī)模較大、目標構成復雜等特征,建設多學科特色的監(jiān)測網(wǎng)絡尤其如此。因此要做好系統(tǒng)規(guī)劃,統(tǒng)籌考慮項目的各層次和各要素。在頂層設計上,既要滿足目前迫切需要解決的祁連山生態(tài)整治與修復問題,又要結合蘭州大學“雙一流”學科建設遠期規(guī)劃,圍繞西部干旱、半干旱地區(qū)氣候變化及全球變化的區(qū)域響應和影響,對西部的重大地質災害問題進行攻關。同時要打破部門界限,根據(jù)各類生態(tài)系統(tǒng)的地理空間分異規(guī)律和主要生態(tài)問題的空間分布,建立地下—陸面—高空一體的祁連山地區(qū)野外觀測網(wǎng)絡,并對觀測指標、觀測方法、空間布點、數(shù)據(jù)管理以及質量控制等環(huán)節(jié)進行統(tǒng)籌管理,構建完整的觀測技術體系。

(2) 自動觀測,遠程傳輸。構建覆蓋所有野外臺站的自動觀測網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(見圖1)。通過對野外臺站、示范區(qū)觀測儀器的組網(wǎng),以及野外臺站與遠程基地的網(wǎng)絡連接,實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的臺站儀器的實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分類整合,并提供野外主要觀測儀器運行狀態(tài)的網(wǎng)上監(jiān)控?？紤]到祁連山地區(qū)地形、交通、人口分布、信息傳遞等諸多方面的條件限制,原位自動觀測并通過無線通信技術,如手機SIM卡網(wǎng)絡信號、Wi-Fi、定向增益天線等,定時將觀測數(shù)據(jù)遠程傳至臺站信息管理系統(tǒng),實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)采集、在線傳輸和可視化處理,并提供野外基站儀器設備安全監(jiān)控等信息化管理功能。

圖1 祁連山地區(qū)野外科學觀測站數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)

(3) 先行試點,分期實施。根據(jù)目前蘭州大學“雙一流”學科建設方案,結合已有野外觀測站點的實際完成情況,以及祁連山生態(tài)問題科學治理的工作部署,應在不同區(qū)域進行差別化試點,積累經(jīng)驗后再推廣,進而覆蓋全尺度范圍。祁連山屬于龐大山系,跨越甘肅青海兩省,前期應以原有站點為基礎,并對重點區(qū)域進行加強補缺,探索多種模式的野外觀測運行機制。如與中科院寒旱所、林科院及北京師范大學等進行合作共建共享,先建立單個氣象塔,進行前期本底觀測,隨后根據(jù)監(jiān)測內容逐步補充特定傳感器,以解決前期經(jīng)費不足、土地歸屬不清和技術人員不足的問題,盡可能地覆蓋更大區(qū)域。在中后期實施過程中,需按照國家一系列技術規(guī)范或指南的要求,最大限度地保障觀測臺站軟硬件環(huán)境的標準化,包括建有獨立的野外觀測站房,水、電、交通等必備生活設施良好,配備專門的技術人員進行日常維護,預留現(xiàn)場操作實驗室等。盡快建成符合國家環(huán)境保護野外觀測研究臺站規(guī)劃要求的標準臺站,推動這些臺站成為國家，甚至國際觀測網(wǎng)絡的成員單位。

(4) 保持特色、突出重點。地理學、大氣科學、生態(tài)學、草學、風沙力學等是我校優(yōu)勢學科,也是今后“雙一流”學科群建設的重點學科,祁連山等西部地區(qū)是這些學科應用與發(fā)展的“天然實驗場”[11]。因此,除了風速風向、溫度濕度、雨量氣壓和輻射通量等常規(guī)指標,還要結合具體專業(yè)研究,體現(xiàn)學科特色,重點圍繞冰川、河流、土壤、樹木、動物和草地等環(huán)境要素,開展區(qū)域氣候變化與環(huán)境污染特征及其演變與預警監(jiān)控觀測研究。優(yōu)先在重點生態(tài)恢復區(qū)、生物多樣性保護區(qū)、工農(nóng)業(yè)活動嚴重破壞區(qū)和濕地等生態(tài)脆弱區(qū)進行布控,通過遠程系統(tǒng)進行可視化實時監(jiān)控與展示。

3.4 監(jiān)測內容

野外觀測站(網(wǎng))要有明確的目標導向,要緊密結合蘭州大學建設“雙一流”大學與學科建設戰(zhàn)略,體現(xiàn)蘭州大學主動服務國家“一帶一路”戰(zhàn)略、主動服務地方經(jīng)濟社會發(fā)展的政治責任擔當與學術責任擔當。因此,目前重點監(jiān)測內容主要集中于生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況、脆弱性、敏感性、自我修復能力、生態(tài)安全或生態(tài)風險等,涉及學科包括地理學、大氣科學、生態(tài)學和草學等(見表2)。

表2 祁連山地區(qū)野外觀測站(網(wǎng))監(jiān)測指標

監(jiān)測指標體系建立須注重祁連山國家級自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境問題,如違法違規(guī)開礦、水電設施違建、偷排偷放造成的水質污染、土壤污染、植被破壞、水土流失、地表塌陷等。由于每個要素包括許多指標,必要時可采用無人機與衛(wèi)星遙感影像進行現(xiàn)場監(jiān)測,及時獲取第一手數(shù)據(jù)。除了上述水、土、氣和生物群落指標外,還包括景觀指標,如土地利用、植被類型以及人類活動( 如開墾、放牧)對生態(tài)系統(tǒng)的干擾情況等。

3.5 運行機制

3.5.1 組織模式

祁連山地區(qū)野外觀測研究站(網(wǎng))由我?！半p一流”建設領導小組指導建立,采取了臺站管理中心、專家委員會和執(zhí)行委員會的組織管理模式。專家委員會是臺站管理中心的學術指導機構,對祁連山野外觀測研究站(網(wǎng))的科學方向、發(fā)展規(guī)劃、研究目標和組織管理機制提出指導性建議,由國內外相關領域的知名專家組成；執(zhí)行委員會負責貫徹執(zhí)行具體建設任務,協(xié)助中心開展野外臺站管理、運維、技術支撐等工作,由各相關學科(學院)推薦熟悉野外臺站觀測儀器設備、具有一定技術專長,且能勝任本單位野外臺站管理運行維護工作的實驗人員擔任；臺站管理中心的職責是協(xié)調各學科及站點的日常管理、項目申報、數(shù)據(jù)共享等,建立健全各項規(guī)章制度,并逐步實現(xiàn)信息化管理。根據(jù)學科特色,臺站管理中心包括地理、生態(tài)、草業(yè)、大氣、環(huán)境等5個分中心,分中心主任一般由學院主管科研工作的副院長擔任,便于進行協(xié)調管理。

3.5.2 建設模式

根據(jù)學校野外臺站的實際情況和監(jiān)測區(qū)域的地形條件,設計了以下不同的建設模式:

(1) 在有研究基礎的典型區(qū)域,可以設置獨立完整的大型野外觀測研究站,配備觀測站房、氣象塔、實驗室和專職工作人員等,并投入足夠的運行經(jīng)費,保障水、電、路、通信等配套設施良好暢通。這類臺站的特點是建設周期長、投入大、利于開展長期定位觀測。

(2) 在地形條件復雜、建設困難的區(qū)域,可以采用單獨建立小型氣象塔或擺放簡易觀測裝置等方式,對整個監(jiān)測網(wǎng)絡進行填平補齊,獲取全尺度數(shù)據(jù)。這類站點的優(yōu)點是可免去征地、基建、修路、通水電等工程建設手續(xù),投入小,短時間內就可開展工作,缺點是監(jiān)測指標不全面,儀器設備安全無法保障,需要有人定期前去拷取數(shù)據(jù)。

(3) 積極開展與兄弟院所、高校及當?shù)乇Ｗo區(qū)管理局等機構的野外觀測合作。祁連山地區(qū)作為我國西部生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重點地區(qū),目前已有中科院寒旱所、北京師范大學、北京林業(yè)大學、河西學院、祁連山國家級自然保護區(qū)管理局、甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院和各地市林業(yè)、環(huán)保部門等機構建立了各種類型的野外觀測站點,為節(jié)省投入、資源共享,這些機構之間應盡快達成相關協(xié)議,聯(lián)合建立野外觀測研究站。這種模式有利于盡快獲取相關數(shù)據(jù),避免重復建設。

4 結語

祁連山地區(qū)的雪山、冰川、草原、森林,連同所涵養(yǎng)的綠洲,共同構成了中國西北地區(qū)生態(tài)安全的重要屏障,是研究和解決區(qū)域性、系統(tǒng)性的生態(tài)環(huán)境問題的理想場所。長期以來,祁連山生態(tài)破壞問題十分突出,受到國家的高度重視。我校作為一所位于西部的知名高校,服務祁連山生態(tài)環(huán)境保護是應有的政治責任和學術責任。在祁連山生態(tài)環(huán)境的綜合治理上,我校聚焦祁連山水、生態(tài)、人類活動,發(fā)揮其草原生態(tài)、旱地農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境、大氣科學等具有地域特色的學科優(yōu)勢,重點開展了祁連山生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展相關研究。

祁連山地區(qū)野外觀測研究站(網(wǎng))的建設目標,是定位于針對祁連山突出的生態(tài)環(huán)境問題,開展基于生態(tài)系統(tǒng)的長期、多要素連續(xù)觀測研究；重點圍繞地理、大氣、生態(tài)和草業(yè)等優(yōu)勢學科,助力蘭州大學“雙一流”建設；空間布局上優(yōu)先考慮重要生態(tài)修復與綜合治理區(qū)域,如大型礦場、牧區(qū)、景區(qū)、水電站、水源保護區(qū),以及典型冰川、森林和草地等重點生態(tài)保護區(qū)域,兼顧流域上、中、下游的軸帶連續(xù)監(jiān)測和地下—陸面—空中一體的立體化監(jiān)測；在建設進度上,做好統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設計,按照近、中、遠期分步實施。近期重點關注亟需解決的祁連山礦場、水電站等核心污染區(qū)的環(huán)境修復監(jiān)控問題,逐步加強對祁連山地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的全尺度連續(xù)監(jiān)測,更好地服務和支撐祁連山生態(tài)環(huán)境整改與祁連山國家公園體制試點建設工作。此外,充分發(fā)揮祁連山野外觀測研究站(網(wǎng))服務教學科研的核心功能,并通過數(shù)據(jù)支撐與技術示范作用,建設中國西部干旱、半干旱地區(qū)科學數(shù)據(jù)平臺,為我校“雙一流”建設提供一個高水平、高標準的支撐平臺。