“雙一流”背景下的祁連山地區野外觀測研究站(網)的建設實踐

蔣小榮, 楊永春, 冉新民

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

1 建設祁連山地區野外觀測研究站的意義

祁連山地處西北干旱區、青藏高寒區和東部濕潤區的過渡地帶和邊緣區,其生態系統在維護我國西部生態安全方面具有舉足輕重和不可替代的地位[1],不僅僅是西北地區重要的生態安全屏障及“一帶一路”經濟發展中的生態保護核心[2],還是第二次青藏科考的重點區域。祁連山地區生態環境脆弱,由于受氣候變化和人類活動共同影響,近年來祁連山地區生態系統出現的生態破壞問題,引起了社會各界、當地政府和國家領導人的廣泛關注和高度重視。《祁連山國家公園體制試點方案》于2017年6月經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,足見祁連山生態環境保護之緊迫。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略意義和科學意義。

全球陸地生態系統正在經歷的環境狀況的急劇變化,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境的劇烈變化,首先需要理解有關陸地生態系統隨全球環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境、陸地生態系統過程等方面的數據,并建立可靠的評估生態系統變化的基線。由此可見,我們急需獲得關于自然環境條件狀況和變化趨勢的具體、可靠的第一手數據。

野外觀測平臺建設是高等院校相關專業提高教學質量、保證實踐教學環節、突出高等院校教育特色的重要方面[4-6],是指導學生理論聯系實際、培養學生綜合素質與創新精神的重要途徑[7-8]。多年以來,蘭州大學一直關注祁連山生態環境保護問題,聚焦祁連山地區水、生態、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,將為中國重大或區域性的生態環境問題研究及可持續發展提供科技支撐[9-10]。本文圍繞蘭州大學在祁連山地區開展的生態保護與可持續發展等方面的重點研究和主動服務地方經濟社會發展的職責,同時結合國家“一帶一路”戰略需求,就祁連山地區野外觀測平臺的建設目標與定位、空間布局、建設原則、運行機制和監測等問題進行分析與探討,以期為祁連山生態問題綜合治理與環境保護提供技術支持。

2 建設祁連山地區野外觀測研究站的意義

目前,蘭州大學環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(見表1),監測對象覆蓋冰川、森林、草地(高寒草甸)和荒漠等西北地區典型生態系統,橫跨祁連山東、中、西段,對于祁連山地區的石羊河、黑河和疏勒河三大內陸流域均有布局,且以流域上游地區為重點監測區域,體現了典型的地學特征與區域代表性。

表1 祁連山地區野外觀測臺站匯總

總體來看,目前祁連山地區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,站點數量不夠,未能完全覆蓋祁連山地區的重點檢測區域。大多數臺站規模較小,2/3臺站占地面積小于0.67公頃(10畝),且大多數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,且未安裝遠程監控攝像,儀器安全得不到保障。部分站點的土地來自于當地牧民的草地租賃,存在土地歸屬糾紛風險。受運行經費限制,目前各臺站主要安裝的是大氣、水、土壤等常規傳感器,缺乏高精度的用于監測特定指標的大型整套儀器。受當地惡劣環境條件所限,約一半站點的監測數據不能及時遠程傳輸到數據管理中心,需要工作人員定期前往實地拷取數據,存在數據丟失和人員安全風險。

(2) 軟件方面,遠程可視化數據管理系統尚未投入使用,網絡化程度與數據共享程度有待提高。

(3) 臺站運行經費嚴重不足,主要來源于各團隊科研經費,“誰建設,誰使用”,存在較為嚴重的重復建設現象。學校未統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節的支撐作用不夠,無法承擔不同層次人才培養的任務需求。

3 祁連山地區野外觀測研究站建設目標與定位

3.1 建設目標與定位

祁連山地區野外觀測平臺作為我校“雙一流”建設中科技創新體系不可缺少、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環境問題,開展多學科、長期連續的生態系統指標要素綜合監測,在干旱區(半干旱區)生態水文、環境與氣候變化研究方面,取得重要野外基礎數據支持與重大理論突破,并為國家西部資源發展和氣候變化應對戰略提供重大咨詢。

(2) 以地學、大氣科學和生態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、農業、草業等領域的綜合研究實力,助力和支撐學校“雙一流”學科建設。

(3) 立足西部,面向全國,開展科技推廣示范,訓練培養創新型優秀人才,對接服務地方政府或相關機構,在減災防災、資源可持續利用與生態保護方面予以基礎數據支撐和技術支撐。

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系統綜合觀測網絡,體現觀測研究的綜合性和多學科交叉性,與中國生態系統研究網絡CERN在本區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,服務生態學、草學、地理學、大氣科學、力學、植物學等學校特色優勢學科向“一流學科”邁進。

(3) 建立多學科綜合監測系統,關注祁連山地區生態—環境—經濟—社會耦合系統協同發展問題,重點研究西北干旱、半干旱區和青藏高原區生態環境建設、民族(邊疆)地區可持續發展和國家生態安全等重大環境問題,使其成為國家生態環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的區域特色,同時應適當區別于中科院CERN和林科院CFERN的空間布局和監測內容,主要從以下2個方面考慮：

(1) 多學科交叉布局。除了常規的水、土、氣等介質監測外,加強冰川、森林、農田和荒漠地區的補充布局,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、環境學、生態學、大氣科學、草學和農學；主要監測內容包括冰川變化監測、樹木生長過程、小流域產匯流過程、生態系統碳氮過程、環境污染控制與修復、動物活動與遷徙等；數據采取統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) 重點地區優先布局。祁連山生態環境破壞問題突出,尤其是礦山開采、水電開發、過度放牧等,造成植被嚴重退化、水土流失、土壤污染等,甚至引發地表沉陷、熱融滑塌、融凍泥流等一系列威脅當地牧民生命安全的地質災害現象,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、連續有針對性的監測。因此,在大型礦場、牧區、景區、水電站、水源保護區,以及典型冰川、森林和草地等重點生態保護區域布點,開展區域生態系統結構、功能、演變過程、生態服務及污染物生態效應方面的觀測研究,體現祁連山野外監測網絡的“多站點聯合、多系統組合、多尺度擬合、多目標融合”原則。

3.3 建設原則

(1) 頂層設計,統籌規劃。野外觀測平臺的建設一般具有周期較長、規模較大、目標構成復雜等特征,建設多學科特色的監測網絡尤其如此。因此要做好系統規劃,統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”學科建設遠期規劃,圍繞西部干旱、半干旱地區氣候變化及全球變化的區域響應和影響,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,根據各類生態系統的地理空間分異規律和主要生態問題的空間分布,建立地下—陸面—高空一體的祁連山地區野外觀測網絡,并對觀測指標、觀測方法、空間布點、數據管理以及質量控制等環節進行統籌管理,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絡和數據管理系統(見圖1)。通過對野外臺站、示范區觀測儀器的組網,以及野外臺站與遠程基地的網絡連接,實現基于網絡的臺站儀器的實時數據采集、數據傳輸和數據分類整合,并提供野外主要觀測儀器運行狀態的網上監控。考慮到祁連山地區地形、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卡網絡信號、Wi-Fi、定向增益天線等,定時將觀測數據遠程傳至臺站信息管理系統,實現基于網絡的實時數據采集、在線傳輸和可視化處理,并提供野外基站儀器設備安全監控等信息化管理功能。

圖1 祁連山地區野外科學觀測站數據可視化管理系統

(3) 先行試點,分期實施。根據目前蘭州大學“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,以及祁連山生態問題科學治理的工作部署,應在不同區域進行差別化試點,積累經驗后再推廣,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,隨后根據監測內容逐步補充特定傳感器,以解決前期經費不足、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域。在中后期實施過程中,需按照國家一系列技術規范或指南的要求,最大限度地保障觀測臺站軟硬件環境的標準化,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,預留現場操作實驗室等。盡快建成符合國家環境保護野外觀測研究臺站規劃要求的標準臺站,推動這些臺站成為國家，甚至國際觀測網絡的成員單位。

(4) 保持特色、突出重點。地理學、大氣科學、生態學、草學、風沙力學等是我校優勢學科,也是今后“雙一流”學科群建設的重點學科,祁連山等西部地區是這些學科應用與發展的“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指標,還要結合具體專業研究,體現學科特色,重點圍繞冰川、河流、土壤、樹木、動物和草地等環境要素,開展區域氣候變化與環境污染特征及其演變與預警監控觀測研究。優先在重點生態恢復區、生物多樣性保護區、工農業活動嚴重破壞區和濕地等生態脆弱區進行布控,通過遠程系統進行可視化實時監控與展示。

3.4 監測內容

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

表2 祁連山地區野外觀測站(網)監測指標

監測指標體系建立須注重祁連山國家級自然保護區生態環境問題,如違法違規開礦、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星遙感影像進行現場監測,及時獲取第一手數據。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)對生態系統的干擾情況等。

3.5 運行機制

3.5.1 組織模式

祁連山地區野外觀測研究站(網)由我校“雙一流”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)的科學方向、發展規劃、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；執行委員會負責貫徹執行具體建設任務,協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調各學科及站點的日常管理、項目申報、數據共享等,建立健全各項規章制度,并逐步實現信息化管理。根據學科特色,臺站管理中心包括地理、生態、草業、大氣、環境等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,便于進行協調管理。

3.5.2 建設模式

根據學校野外臺站的實際情況和監測區域的地形條件,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,對整個監測網絡進行填平補齊,獲取全尺度數據。這類站點的優點是可免去征地、基建、修路、通水電等工程建設手續,投入小,短時間內就可開展工作,缺點是監測指標不全面,儀器設備安全無法保障,需要有人定期前去拷取數據。

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

4 結語

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

祁連山地區野外觀測研究站(網)的建設目標,是定位于針對祁連山突出的生態環境問題,開展基于生態系統的長期、多要素連續觀測研究；重點圍繞地理、大氣、生態和草業等優勢學科,助力蘭州大學“雙一流”建設；空間布局上優先考慮重要生態修復與綜合治理區域,如大型礦場、牧區、景區、水電站、水源保護區,以及典型冰川、森林和草地等重點生態保護區域,兼顧流域上、中、下游的軸帶連續監測和地下—陸面—空中一體的立體化監測；在建設進度上,做好統籌規劃與頂層設計,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的環境修復監控問題,逐步加強對祁連山地區整體生態環境的全尺度連續監測,更好地服務和支撐祁連山生態環境整改與祁連山國家公園體制試點建設工作。此外,充分發揮祁連山野外觀測研究站(網)服務教學科研的核心功能,并通過數據支撐與技術示范作用,建設中國西部干旱、半干旱地區科學數據平臺,為我校“雙一流”建設提供一個高水平、高標準的支撐平臺。