中国科学院资源环境科学领域野外观测试验站工作进展

作者:综合研究中心  更新时间:2007-05-18

  一、引言

  资源环境科学领域的野外观测试验站是在野外对地球系统的关键要素进行长期观测和试验,并结合室内分析等手段开展或支持开展大气科学、海洋科学、固体地球科学、生态学、环境科学等研究的野外科学工作基地。同实验室一样,野外站是科技创新的重要源头,是科技创新体系中不可缺少、不可替代的重要组成部分,不仅如此,野外站还可为减灾防灾、合理利用自然资源、有效保护和建设生态环境、发展可持续农业、参与国际谈判和履行国际公约等提供科学依据。

  中国科学院历来重视野外科学工作和对野外观测试验站的建设。目前,中科院在资源环境科学领域拥有91个野外观测试验站,这些站已成为中国科学院科技基础设施的重要组成部分,为学科发展和国家建设做出了重要贡献。

  二、台站分布

  中科院资源环境科学领域的野外站,地域分布广,类型多样,具有典型的地域代表性和鲜明的学科特色,体系较为完整。

  野外站地域分布广。西起塔克拉玛干沙漠,东至三江平原,南自海南岛南端的三亚,北到大兴安岭北部的漠河,从海拔-77米的吐鲁番盆地到海拔5300米、邻近珠穆朗玛峰的地区,从海洋到陆地,从平原、丘陵到高原、高山,从热带到寒温带,从干旱区到湿润区,中国各主要地理区域内大都有中科院的野外站分布。除在我国领土、领海设立野外站外,中科院还在南极设有2个地磁观测台(依托长城站和中山站)。

  野外站类型多样。91个野外站中,大气观测站占2个,特殊环境与灾害监测研究站8个,地球物理参数监测站6个,遥感试验站1个,生态系统监测试验研究站71个,生物试验站3个。特殊环境与灾害站包括监测研究冰川、积雪、冻土、沙漠等主要特殊环境的野外站和监测研究泥石流、滑坡等山地灾害的野外站;地球物理站包括观测地磁场的地磁台和进行重力测量及空间大地测量的动力大地测量站;生态站包括农业生态站、森林生态站、草地生态站、荒漠生态站、湿地生态站、湖泊生态站、海湾生态站、海洋生态站;生物试验站包括淡水生物试验站和海洋生物试验站。#

  三、发展历程

中国科学院建院之初,就开始了野外站的建设工作。从资源环境领域野外站数量分析,可把近50年来野外站的发展分为4个阶段:①五十年代──起步阶段,②六十年代──停滞阶段,③七、八十年代──加速发展阶段,④九十年代──稳步发展阶段。

  在中科院野外站建设史上,对于台站建设具有深远影响的主要事件有5件:①1986年召开的中国科学院第一次野外观测试验站工作会议,②1987年决定实施的野外台站开放制度,③1988年开始筹建中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network, CERN),④1997年召开的中国科学院第二次野外工作会议,⑤2001年决定完善和构建资源环境领域体系完整的4大野外观测试验站网络。

  中国科学院于1988年开始筹建CERN。CERN现拥有29个生态站、5个学科分中心和1个综合中心,已成为在国际上具有重要影响的国家级生态网络,与美国长期生态研究网络(LTER Network)和英国环境变化网络(ECN)并称为世界三大国家级生态网络,是国际长期生态研究网络(ILTER Network)和全球陆地观测系统生态网络(GTN-E)的发起成员。CERN的建立是野外站建设工作的一次飞跃,它克服了单站监测和研究的局限,使得在我国开展生态学对比研究成为可能,可为国家的宏观决策提供更全面系统的科学数据。

  中国科学院于2001年决定完善和构建资源环境科学领域体系完整的4大台站网络:CERN、地磁台链、特殊环境与灾害监测研究网络、区域大气本底监测研究网络,并通过综合数据交换中心将4大网络联为一体,实现数据共享。#

  四、主要成就

  1.野外工作和生活平台基本建立

  通过长期建设,大部分野外站都具有较为齐备和良好的野外观测设施、野外观测仪器、室内分析仪器、计算机系统,水、电等配套设施较为齐备的工作和生活用房,相对好的交通与通讯条件,为长期野外工作和生活构筑了良好平台。这些站已成为承担和实施国家科研项目的重要力量,国际合作的重要窗口和实施平台。

  2.数据积累丰富

  长期监测与定位试验是野外站最基本的任务。各站通过长期的监测与试验,已经积累大量的科学数量。以CERN的25个陆地生态站为例,仅就网络统一规定的必测项目而言,每年获取的气象与辐射观测数据量达480MB以上,土壤观测与分析数据量达4MB以上,生物观测与分析数据量达3MB以上,水分观测与分析数据量达18MB以上。

  3.创新成就显著

  各野外站通过长期的野外观测与试验并结合室内模拟试验、计算机模拟和遥感等多种手段,在理论研究方面取得重要进展,尤其是在泥石流、滑坡等山地灾害的形成机制,沙丘流动机制,干旱区水分平衡规律,黄土高原水土流失机制,各主要类型生态系统的结构功能及其生产力形成机制等方面做出了卓有成效的理论贡献,得到了国际同行的高度评价。

东川泥石流观测研究站在泥石流观测实验方法与技术,泥石流发生、流动、堆积机理研究,预警预报技术等方面取得了重要创新性成果,部分成果达到国际先进或领先水平。该站全面探讨了泥石流的侵蚀、搬运与干堆积过程,深入分析了泥石流的流态和流变特征,建立了泥石流流速、流量、冲击力计算公式,建立了泥石流发展过程模型,提出了泥石流规模预测理论与方法。暴雨泥石流预报模式的准确率达85%,预报提前时间达20~分钟;泥石流地声报警和超声波泥位报警系统的准确率达90%。

  沙坡头沙漠试验研究站在干旱沙漠地区风沙物理及风沙环境、水分平衡规律、植被演替规律、生物多样性等方面均有重要研究成果。该站系统地研究了腾格里沙漠的成因与环境-气候的变迁,通过野外风洞实验研究了不同形状沙丘的稳定性、形态动力学及其土壤风蚀,丰富发展了气固两相流风沙地貌理论,奠定了中国风沙物理的理论基础。在揭示干旱沙漠地区“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)水循环规律、植物对生境胁迫的生理适应机理、植被演替规律、生物多样性形成与发展过程、微生物结皮过程等方面也有重要发现。

除了东川站、沙坡头站,其它各站在理论创新方面也各有建树。据初步统计,中科院15个开放站在1994~1997年的4年间共发表学术论文2024篇,出版专著76部(其中外文专著10部),获得省部级以上奖项50项(其中国家三等奖或省部级一等奖以上奖励12项);CERN的29个生态站在1996年1月1日~2002年3月1日期间发表论文5022篇(其中SCI论文304篇),获省部级二等奖以上奖励41项。#

4.满足国家需求成绩显赫

  中国科学院资源环境科学领域的大部分野外站是为了解决国家当时所面临的紧迫的资源环境问题而建立的,它们一开始就以满足国家需求为首要任务,在长期发展过程中,为减灾防灾、流沙控制、水土保持、生态重建、中低产田改造等做出了重大贡献。

  东川泥石流观测研究站在减轻泥石流危害和治理受破坏地区等方面做出了重要贡献,为国家减灾与生态环境建设提供了重要的决策依据。东川站建立的暴雨泥石流预报预警系统应用于长江上游地区,大大减少了泥石流造成的财产损失和人员伤亡;对30余条泥石流沟实施综合治理获得成功;探索出了泥石流防治工程可行性评估的模型实验系统技术与方法,大大节约了泥石流防治工程投资。

  沙坡头沙漠试验研究站基于大量监测和试验,研究提出的“以固为主,固阻结合”的沙区铁路防护体系模式的应用,确保了穿越流动沙丘的包兰铁路自1958年通车以来40余年的畅通无阻,直接经济效益逾百亿元。“包兰线沙坡头地段铁路治沙防护体系的建立”于1988年荣获国家科技进步特等奖。这一成功模式得到了广泛推广,如在塔克拉玛干石油公路、甘武线、京通线、南疆和乌吉线建设中得到广泛应用,在马里共和国绿色屏障体系建设中的也得到成功应用。这一模式对于西北地区今后的生态建设也具有特别重要的意义。

  位于黄土高原的多个野外站(包括安塞站、固原站、长武站等)经过几十年的观测、试验与研究,取得了一批既可防治水土流失又可发展地方经济的重要成果,为黄土高原的综合治理和经济发展做出了重要贡献。“黄土高原综合治理定位试验研究”荣获国家科技进步一等奖。

  位于黄淮海平原的多个农田生态站(包括封丘站、禹城站等)在黄淮海平原旱涝碱综合治理、中低产田改造方面做出了重大贡献。以这些站的监测、试验和研究为基础提出的井灌井排旱涝碱治理技术,“井、沟、平、肥、林、改”治理旱涝碱综合技术,重盐碱地、渍涝洼地和风沙地综合配套治理技术,治理区生态稳定性和农区畜牧业发展技术,使黄淮海平原大面积的中低产田得到治理,粮食产量从过去的亩产194公斤上升到现在的508公斤,农村经济也快速发展。“黄淮海平原中低产地区综合治理的研究与开发”于1993年获得国家科技进步特等奖。#

  5.高素质的人才队伍基本形成

  野外站是重要的研究基地,它吸引了一批优秀科学家来站工作,野外站同时又是重要的人才基地,它培养、锻炼出一批高素质的监测人才和研究人才。大部分野外站都拥有一支学科结构、年龄结构都较合理的高水平人才队伍,可以培养硕士研究生、博士研究生。以CERN的29个野外站为例,平均每站拥有高级职称人员10人,具有博士学位人员7人。

  五、发展规划

  中国科学院已经制定规划,在“十五”期间建设和完善体系完整的4大野外站网络和1个综合数据交换中心。将台站网络建成仪器设备先进、生活设施齐备、通讯与交通畅通、具有国际水平的长久性科学观测与研究基地,先进科学技术成果试验、示范和推广的基地,优秀科学人才的培养基地,高度开放的国内、国际学术交流基地,具有中国特色科学成果的展示基地;将综合数据交换中心建成具有国际先进水平的数据存储、处理、交换中心。

  1.完善生态系统研究网络(CERN)

  完善CERN现有的29个生态站、5个分中心和1个综合中心,增补6个左右生态站进入CERN,使CERN更全面地覆盖我国主要生态类型区,成为具有国际先进水平的生态监测与研究网络,为生态学研究、全球变化研究提供长期、系统的科学数据,为我国生态与环境保护、资源合理利用和国家可持续发展提供科学的决策依据和科技支撑。
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  2.完善地磁台链

  完善现有的漠河、北京和三亚3个地磁台,使之构成纵贯我国大陆南北的地磁台链,跻身国际前沿,在地球物理和空间物理基础研究、近地环境服务、勘探、航天、国防军事应用、国际合作和资料交换等方面发挥重大作用。使北京台(已入INTERMAGNET国际台网)3年内达到国际一流水平,成为东亚大陆标准地磁台;漠河台3年内加入INTERMAGNET国际台网;三亚台于2002年初步建成,3年内成为国际认可的地磁台,5年内达到国际先进水平。

  3.建成特殊环境与灾害监测网络

  以现有野外站为基础,在我国(特别是西部地区)特殊资源(如冰川)分布区、特殊灾害(泥石流、冰雹)频发区以及特殊自然环境地区(冻土区、新疆绿洲-荒漠地区等)等区域加强对8个定位观测研究站的建设,构成特殊环境与灾害监测网络,确保资源与灾害、环境变化数据的正常获取。
  4.建成区域大气本底观测网

  从CERN和特殊环境与灾害监测网络中选取6个左右野外站,添置必要的仪器设备和设施,建成可观测我国主要温室气体大气背景浓度的监测网,持续、系统地监测温室气体、微量气体和干湿沉降中的重要化学成份,为有关科学问题研究提供基本数据,为制定我国温室气体减排政策、为我国政府在国际气候变化事务谈判中争取主动权提供科学依据。

  5.建成资源环境生态数据交换中心

  建设具有国际先进水平,具有足够容量、处理能力和网络带宽,为4大网络和广大用户提供资源环境生态数据存储、处理、交换、共享服务的计算机系统。

(中国科学院资源环境科学与技术局供稿)

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