陳頌超：用數(shù)字技術(shù)給土壤做精細(xì)“體檢”

文／洪恒飛 吳瑤瑤 江 耘

“基于土壤景觀理論和環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)，我們科研團(tuán)隊(duì)在浙江大學(xué)教授史舟的帶領(lǐng)下，于2019年開(kāi)發(fā)出了我國(guó)首個(gè)90米空間分辨率土壤有機(jī)質(zhì)和酸堿度數(shù)字制圖產(chǎn)品?！闭憬髮W(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心青年科學(xué)家陳頌超于近日在接受記者采訪時(shí)介紹，“有了這個(gè)產(chǎn)品，我們就可以給土壤做‘CT’，幫助其更好地預(yù)防隱疾。”

據(jù)悉，這一產(chǎn)品集成了機(jī)器學(xué)習(xí)和土壤有機(jī)質(zhì)與酸堿度混合空間預(yù)測(cè)模型，已被用于評(píng)估國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)。

不久前，陳頌超獲得第二屆“Dan Yaalon青年科學(xué)家獎(jiǎng)?wù)隆?，成為全球第三位獲得該獎(jiǎng)?wù)碌膶W(xué)者。該獎(jiǎng)?wù)率菄?guó)際土壤學(xué)聯(lián)合會(huì)唯一針對(duì)青年學(xué)者設(shè)置的獎(jiǎng)項(xiàng)，每四年頒發(fā)一次，主要表彰在土壤地理等領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)并具發(fā)展?jié)摿Φ那嗄陮W(xué)者。

研發(fā)土壤固碳潛力評(píng)估產(chǎn)品

“進(jìn)入大學(xué)后，我起初學(xué)習(xí)的專業(yè)是應(yīng)用生物科學(xué)（農(nóng)學(xué)大類(lèi)）。但在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)后，結(jié)合個(gè)人興趣，我選擇了農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境這一細(xì)分專業(yè)。”陳頌超回憶道。

轉(zhuǎn)入新專業(yè)后，陳頌超很快就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題?！皞鹘y(tǒng)的土壤調(diào)查和制圖技術(shù)往往依賴專業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)判斷，存在周期長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模土壤信息的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和管理。”他說(shuō)。

為了更好地解決這一問(wèn)題，陳頌超干脆將此作為自己的研究方向——通過(guò)數(shù)字土壤制圖技術(shù)來(lái)精準(zhǔn)表征土壤信息的時(shí)空分布，“類(lèi)似于給土壤做精細(xì)的‘體檢’”。

2015年12月，第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)舉辦期間，作為大會(huì)東道主的法國(guó)農(nóng)業(yè)部提出了名為“千分之四計(jì)劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”的國(guó)際動(dòng)議。該計(jì)劃旨在每年提升土壤中千分之四的有機(jī)碳含量，在增強(qiáng)糧食安全的同時(shí)，通過(guò)土壤固碳以降低大氣中CO2的濃度，進(jìn)而減緩氣候變化。

考慮到土壤—?dú)夂蛱匦缘木薮蟛顒e，不同國(guó)家和地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和CO2排放量均有差別，因此精準(zhǔn)估算土壤固碳潛力是科學(xué)評(píng)估不同地區(qū)是否能夠落實(shí)該計(jì)劃的關(guān)鍵。

基于這一背景，當(dāng)時(shí)正在法國(guó)攻讀博士學(xué)位的陳頌超，與法國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)字土壤制圖技術(shù)，研發(fā)出法國(guó)第一套90米空間分辨率土壤固碳潛力評(píng)估產(chǎn)品。

“空間分辨率是指遙感影像上能夠識(shí)別的兩個(gè)相鄰地物的最小距離。當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)主要繪制了理論條件下和當(dāng)前耕作技術(shù)下，農(nóng)田土壤固碳潛力的空間分布?！标愴灣榻B，這一土壤固碳潛力評(píng)估產(chǎn)品已被法國(guó)農(nóng)業(yè)部采用，相關(guān)數(shù)據(jù)被用于評(píng)估法國(guó)實(shí)現(xiàn)“千分之四計(jì)劃”的可行性。

搭建土壤大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)

繼開(kāi)發(fā)土壤固碳潛力評(píng)估產(chǎn)品之后，在史舟的帶領(lǐng)下，陳頌超又首次完成我國(guó)90米空間分辨率土壤有機(jī)質(zhì)和酸堿度數(shù)字制圖，為摸清我國(guó)土壤資源情況、評(píng)估土壤質(zhì)量變化趨勢(shì)提供了參考數(shù)據(jù)。

據(jù)介紹，通過(guò)挖掘土壤采樣點(diǎn)信息與環(huán)境變量之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)土壤數(shù)據(jù)從點(diǎn)到面再到三維空間的精準(zhǔn)表征，可以實(shí)時(shí)、高效、精準(zhǔn)地智能分析土壤信息的空間分布格局，為國(guó)土資源調(diào)查、土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)和污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了有力的支撐。

“因?yàn)槲覈?guó)幅員遼闊，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)的土壤有機(jī)質(zhì)和酸堿度數(shù)字制圖產(chǎn)品包含11億多個(gè)網(wǎng)格?！标愴灣嬖V記者，為了提高計(jì)算效率，團(tuán)隊(duì)提出了基于切片的多線程并行框架，將全國(guó)90米預(yù)測(cè)制圖所需時(shí)間從1至2天縮短到1小時(shí)。

回顧過(guò)往，陳頌超坦言，在法國(guó)求學(xué)期間，自己有過(guò)一段迷惘期。“當(dāng)時(shí)，總覺(jué)得自身研究方向偏重于基礎(chǔ)研究，研究成果和產(chǎn)業(yè)需求之間有一段距離。我總在想，如何才能更有效地參與到土壤污染防治市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化？”他回憶道。

近期，國(guó)務(wù)院決定開(kāi)展第三次全國(guó)土壤普查，預(yù)計(jì)利用4年時(shí)間全面查清我國(guó)土壤資源數(shù)量和質(zhì)量的“家底”。陳頌超對(duì)此充滿期待。

“精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)治理的前提?！标愴灣硎?，早在今年年初，團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始搭建土壤大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，旨在集成和開(kāi)發(fā)我國(guó)高分辨率、高精度土壤屬性空間分布數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)警“一張圖”，有利于推動(dòng)我國(guó)土壤資源數(shù)字化管理。

陳頌超表示，目前團(tuán)隊(duì)正在集成最新的土壤遙感大數(shù)據(jù)并進(jìn)一步升級(jí)人工智能算法，在提高土壤信息空間分辨率的同時(shí)提升產(chǎn)品精度，預(yù)計(jì)將在今年年底建成這一土壤大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。

（文章來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》）