“双一流”背景下的祁连山地区野外观测研究站(网)的建设实践

蒋小荣, 杨永春, 冉新民

(1. 兰州大学 资源环境学院, 甘肃 兰州 730000； 2. 兰州大学 环境地学国家级实验教学示范中心, 甘肃 兰州 730107； 3. 兰州大学 西部环境教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

1 建设祁连山地区野外观测研究站的意义

祁连山地处西北干旱区、青藏高寒区和东部湿润区的过渡地带和边缘区,其生态系统在维护我国西部生态安全方面具有举足轻重和不可替代的地位[1],不仅仅是西北地区重要的生态安全屏障及“一带一路”经济发展中的生态保护核心[2],还是第二次青藏科考的重点区域。祁连山地区生态环境脆弱,由于受气候变化和人类活动共同影响,近年来祁连山地区生态系统出现的生态破坏问题,引起了社会各界、当地政府和国家领导人的广泛关注和高度重视。《祁连山国家公园体制试点方案》于2017年6月经中央全面深化改革领导小组审议通过,该试点方案从提出构想到审议通过不足半年时间,足见祁连山生态环境保护之紧迫。因此,在祁连山建立实践教学和科研观测基地具有重大的战略意义和科学意义。

全球陆地生态系统正在经历的环境状况的急剧变化,已成为国际科学研究的热点[3]。人类社会要适应并应对全球环境的剧烈变化,首先需要理解有关陆地生态系统随全球环境变化而变化的基础知识,包括研究影响气候变化的物理环境、陆地生态系统过程等方面的数据,并建立可靠的评估生态系统变化的基线。由此可见,我们急需获得关于自然环境条件状况和变化趋势的具体、可靠的第一手数据。

野外观测平台建设是高等院校相关专业提高教学质量、保证实践教学环节、突出高等院校教育特色的重要方面[4-6],是指导学生理论联系实际、培养学生综合素质与创新精神的重要途径[7-8]。多年以来,兰州大学一直关注祁连山生态环境保护问题,聚焦祁连山地区水、生态、植被以及人类活动等各个方面问题,取得了一系列高水平的研究成果。

祁连山地区野外观测平台建设,是今后兰州大学“双一流”建设的重点内容之一,将为中国重大或区域性的生态环境问题研究及可持续发展提供科技支撑[9-10]。本文围绕兰州大学在祁连山地区开展的生态保护与可持续发展等方面的重点研究和主动服务地方经济社会发展的职责,同时结合国家“一带一路”战略需求,就祁连山地区野外观测平台的建设目标与定位、空间布局、建设原则、运行机制和监测等问题进行分析与探讨,以期为祁连山生态问题综合治理与环境保护提供技术支持。

2 建设祁连山地区野外观测研究站的意义

目前,兰州大学环境地学野外观测台站建设刚刚起步,且主要集中在祁连山及周边地区(见表1),监测对象覆盖冰川、森林、草地(高寒草甸)和荒漠等西北地区典型生态系统,横跨祁连山东、中、西段,对于祁连山地区的石羊河、黑河和疏勒河三大内陆流域均有布局,且以流域上游地区为重点监测区域,体现了典型的地学特征与区域代表性。

表1 祁连山地区野外观测台站汇总

总体来看,目前祁连山地区的野外观测台站建设水平比较低,处于起步阶段,存在如下一些问题：

(1) 硬件设施方面,站点数量不够,未能完全覆盖祁连山地区的重点检测区域。大多数台站规模较小,2/3台站占地面积小于0.67公顷(10亩),且大多数设立的观测样地没有建设独立的站房,只有简易的栅栏进行封闭,且未安装远程监控摄像,仪器安全得不到保障。部分站点的土地来自于当地牧民的草地租赁,存在土地归属纠纷风险。受运行经费限制,目前各台站主要安装的是大气、水、土壤等常规传感器,缺乏高精度的用于监测特定指标的大型整套仪器。受当地恶劣环境条件所限,约一半站点的监测数据不能及时远程传输到数据管理中心,需要工作人员定期前往实地拷取数据,存在数据丢失和人员安全风险。

(2) 软件方面,远程可视化数据管理系统尚未投入使用,网络化程度与数据共享程度有待提高。

(3) 台站运行经费严重不足,主要来源于各团队科研经费,“谁建设,谁使用”,存在较为严重的重复建设现象。学校未统一配备专职工作人员对站点进行日常维护与管理。此外,野外台站主要服务于各科研团队,对于学院的本科生野外实习等实践教学环节的支撑作用不够,无法承担不同层次人才培养的任务需求。

3 祁连山地区野外观测研究站建设目标与定位

3.1 建设目标与定位

祁连山地区野外观测平台作为我校“双一流”建设中科技创新体系不可缺少、不可替代的重要组成部分,其主要目标有3个方面：

(1) 针对突出的或重大的生态环境问题,开展多学科、长期连续的生态系统指标要素综合监测,在干旱区(半干旱区)生态水文、环境与气候变化研究方面,取得重要野外基础数据支持与重大理论突破,并为国家西部资源发展和气候变化应对战略提供重大咨询。

(2) 以地学、大气科学和生态学等重点学科为核心,全面提升学校地理、地质、大气、水文与水资源、生态、农业、草业等领域的综合研究实力,助力和支撑学校“双一流”学科建设。

(3) 立足西部,面向全国,开展科技推广示范,训练培养创新型优秀人才,对接服务地方政府或相关机构,在减灾防灾、资源可持续利用与生态保护方面予以基础数据支撑和技术支撑。

该平台在定位上重点关注以下3个方面：

(1) 建设成为祁连山生态系统综合观测网络,体现观测研究的综合性和多学科交叉性,与中国生态系统研究网络CERN在本区域已有站点形成互补,力争尽早成为国家级野外科学观测研究站。

(2) 突出学校重点学科特色,服务生态学、草学、地理学、大气科学、力学、植物学等学校特色优势学科向“一流学科”迈进。

(3) 建立多学科综合监测系统,关注祁连山地区生态—环境—经济—社会耦合系统协同发展问题,重点研究西北干旱、半干旱区和青藏高原区生态环境建设、民族(边疆)地区可持续发展和国家生态安全等重大环境问题,使其成为国家生态环境保护与治理的示范项目。

3.2 空间布局

在空间布局上,重点突出祁连山地区的区域特色,同时应适当区别于中科院CERN和林科院CFERN的空间布局和监测内容,主要从以下2个方面考虑：

(1) 多学科交叉布局。除了常规的水、土、气等介质监测外,加强冰川、森林、农田和荒漠地区的补充布局,同时兼顾石羊河、黑河和疏勒河流域上、中、下游的空间均衡性；主要服务学科包括地理学、环境学、生态学、大气科学、草学和农学；主要监测内容包括冰川变化监测、树木生长过程、小流域产汇流过程、生态系统碳氮过程、环境污染控制与修复、动物活动与迁徙等；数据采取统一管理和申请制获取,做到“一站多点、一站多用”,尽量避免重复建设。

(2) 重点地区优先布局。祁连山生态环境破坏问题突出,尤其是矿山开采、水电开发、过度放牧等,造成植被严重退化、水土流失、土壤污染等,甚至引发地表沉陷、热融滑塌、融冻泥流等一系列威胁当地牧民生命安全的地质灾害现象,亟需得到全面清查、整治与修复,这些都离不开野外观测平台的全范围、连续有针对性的监测。因此,在大型矿场、牧区、景区、水电站、水源保护区,以及典型冰川、森林和草地等重点生态保护区域布点,开展区域生态系统结构、功能、演变过程、生态服务及污染物生态效应方面的观测研究,体现祁连山野外监测网络的“多站点联合、多系统组合、多尺度拟合、多目标融合”原则。

3.3 建设原则

(1) 顶层设计,统筹规划。野外观测平台的建设一般具有周期较长、规模较大、目标构成复杂等特征,建设多学科特色的监测网络尤其如此。因此要做好系统规划,统筹考虑项目的各层次和各要素。在顶层设计上,既要满足目前迫切需要解决的祁连山生态整治与修复问题,又要结合兰州大学“双一流”学科建设远期规划,围绕西部干旱、半干旱地区气候变化及全球变化的区域响应和影响,对西部的重大地质灾害问题进行攻关。同时要打破部门界限,根据各类生态系统的地理空间分异规律和主要生态问题的空间分布,建立地下—陆面—高空一体的祁连山地区野外观测网络,并对观测指标、观测方法、空间布点、数据管理以及质量控制等环节进行统筹管理,构建完整的观测技术体系。

(2) 自动观测,远程传输。构建覆盖所有野外台站的自动观测网络和数据管理系统(见图1)。通过对野外台站、示范区观测仪器的组网,以及野外台站与远程基地的网络连接,实现基于网络的台站仪器的实时数据采集、数据传输和数据分类整合,并提供野外主要观测仪器运行状态的网上监控。考虑到祁连山地区地形、交通、人口分布、信息传递等诸多方面的条件限制,原位自动观测并通过无线通信技术,如手机SIM卡网络信号、Wi-Fi、定向增益天线等,定时将观测数据远程传至台站信息管理系统,实现基于网络的实时数据采集、在线传输和可视化处理,并提供野外基站仪器设备安全监控等信息化管理功能。

图1 祁连山地区野外科学观测站数据可视化管理系统

(3) 先行试点,分期实施。根据目前兰州大学“双一流”学科建设方案,结合已有野外观测站点的实际完成情况,以及祁连山生态问题科学治理的工作部署,应在不同区域进行差别化试点,积累经验后再推广,进而覆盖全尺度范围。祁连山属于庞大山系,跨越甘肃青海两省,前期应以原有站点为基础,并对重点区域进行加强补缺,探索多种模式的野外观测运行机制。如与中科院寒旱所、林科院及北京师范大学等进行合作共建共享,先建立单个气象塔,进行前期本底观测,随后根据监测内容逐步补充特定传感器,以解决前期经费不足、土地归属不清和技术人员不足的问题,尽可能地覆盖更大区域。在中后期实施过程中,需按照国家一系列技术规范或指南的要求,最大限度地保障观测台站软硬件环境的标准化,包括建有独立的野外观测站房,水、电、交通等必备生活设施良好,配备专门的技术人员进行日常维护,预留现场操作实验室等。尽快建成符合国家环境保护野外观测研究台站规划要求的标准台站,推动这些台站成为国家，甚至国际观测网络的成员单位。

(4) 保持特色、突出重点。地理学、大气科学、生态学、草学、风沙力学等是我校优势学科,也是今后“双一流”学科群建设的重点学科,祁连山等西部地区是这些学科应用与发展的“天然实验场”[11]。因此,除了风速风向、温度湿度、雨量气压和辐射通量等常规指标,还要结合具体专业研究,体现学科特色,重点围绕冰川、河流、土壤、树木、动物和草地等环境要素,开展区域气候变化与环境污染特征及其演变与预警监控观测研究。优先在重点生态恢复区、生物多样性保护区、工农业活动严重破坏区和湿地等生态脆弱区进行布控,通过远程系统进行可视化实时监控与展示。

3.4 监测内容

野外观测站(网)要有明确的目标导向,要紧密结合兰州大学建设“双一流”大学与学科建设战略,体现兰州大学主动服务国家“一带一路”战略、主动服务地方经济社会发展的政治责任担当与学术责任担当。因此,目前重点监测内容主要集中于生态系统的健康状况、脆弱性、敏感性、自我修复能力、生态安全或生态风险等,涉及学科包括地理学、大气科学、生态学和草学等(见表2)。

表2 祁连山地区野外观测站(网)监测指标

监测指标体系建立须注重祁连山国家级自然保护区生态环境问题,如违法违规开矿、水电设施违建、偷排偷放造成的水质污染、土壤污染、植被破坏、水土流失、地表塌陷等。由于每个要素包括许多指标,必要时可采用无人机与卫星遥感影像进行现场监测,及时获取第一手数据。除了上述水、土、气和生物群落指标外,还包括景观指标,如土地利用、植被类型以及人类活动( 如开垦、放牧)对生态系统的干扰情况等。

3.5 运行机制

3.5.1 组织模式

祁连山地区野外观测研究站(网)由我校“双一流”建设领导小组指导建立,采取了台站管理中心、专家委员会和执行委员会的组织管理模式。专家委员会是台站管理中心的学术指导机构,对祁连山野外观测研究站(网)的科学方向、发展规划、研究目标和组织管理机制提出指导性建议,由国内外相关领域的知名专家组成；执行委员会负责贯彻执行具体建设任务,协助中心开展野外台站管理、运维、技术支撑等工作,由各相关学科(学院)推荐熟悉野外台站观测仪器设备、具有一定技术专长,且能胜任本单位野外台站管理运行维护工作的实验人员担任；台站管理中心的职责是协调各学科及站点的日常管理、项目申报、数据共享等,建立健全各项规章制度,并逐步实现信息化管理。根据学科特色,台站管理中心包括地理、生态、草业、大气、环境等5个分中心,分中心主任一般由学院主管科研工作的副院长担任,便于进行协调管理。

3.5.2 建设模式

根据学校野外台站的实际情况和监测区域的地形条件,设计了以下不同的建设模式:

(1) 在有研究基础的典型区域,可以设置独立完整的大型野外观测研究站,配备观测站房、气象塔、实验室和专职工作人员等,并投入足够的运行经费,保障水、电、路、通信等配套设施良好畅通。这类台站的特点是建设周期长、投入大、利于开展长期定位观测。

(2) 在地形条件复杂、建设困难的区域,可以采用单独建立小型气象塔或摆放简易观测装置等方式,对整个监测网络进行填平补齐,获取全尺度数据。这类站点的优点是可免去征地、基建、修路、通水电等工程建设手续,投入小,短时间内就可开展工作,缺点是监测指标不全面,仪器设备安全无法保障,需要有人定期前去拷取数据。

(3) 积极开展与兄弟院所、高校及当地保护区管理局等机构的野外观测合作。祁连山地区作为我国西部生态环境监测的重点地区,目前已有中科院寒旱所、北京师范大学、北京林业大学、河西学院、祁连山国家级自然保护区管理局、甘肃省祁连山水源涵养林研究院和各地市林业、环保部门等机构建立了各种类型的野外观测站点,为节省投入、资源共享,这些机构之间应尽快达成相关协议,联合建立野外观测研究站。这种模式有利于尽快获取相关数据,避免重复建设。

4 结语

祁连山地区的雪山、冰川、草原、森林,连同所涵养的绿洲,共同构成了中国西北地区生态安全的重要屏障,是研究和解决区域性、系统性的生态环境问题的理想场所。长期以来,祁连山生态破坏问题十分突出,受到国家的高度重视。我校作为一所位于西部的知名高校,服务祁连山生态环境保护是应有的政治责任和学术责任。在祁连山生态环境的综合治理上,我校聚焦祁连山水、生态、人类活动,发挥其草原生态、旱地农业、资源环境、大气科学等具有地域特色的学科优势,重点开展了祁连山生态保护与可持续发展相关研究。

祁连山地区野外观测研究站(网)的建设目标,是定位于针对祁连山突出的生态环境问题,开展基于生态系统的长期、多要素连续观测研究；重点围绕地理、大气、生态和草业等优势学科,助力兰州大学“双一流”建设；空间布局上优先考虑重要生态修复与综合治理区域,如大型矿场、牧区、景区、水电站、水源保护区,以及典型冰川、森林和草地等重点生态保护区域,兼顾流域上、中、下游的轴带连续监测和地下—陆面—空中一体的立体化监测；在建设进度上,做好统筹规划与顶层设计,按照近、中、远期分步实施。近期重点关注亟需解决的祁连山矿场、水电站等核心污染区的环境修复监控问题,逐步加强对祁连山地区整体生态环境的全尺度连续监测,更好地服务和支撑祁连山生态环境整改与祁连山国家公园体制试点建设工作。此外,充分发挥祁连山野外观测研究站(网)服务教学科研的核心功能,并通过数据支撑与技术示范作用,建设中国西部干旱、半干旱地区科学数据平台,为我校“双一流”建设提供一个高水平、高标准的支撑平台。