探寻沙漠绿洲背后的“秘密”

11月的内蒙古已经进入冬天，在阿拉善盟乌兰布和沙漠重庆交通大学沙漠土壤化研究的试验地里，草已枯黄、蔬果已被收割，连平日活泼的野兔、田鼠也没了踪迹，万物似乎已经沉寂。地里的生命也随着寒冬逝去了吗？不，它们的情况正被各种采集器监测着，“一呼一吸”都变为涓涓“数据流”实时传回位于沙漠实验室的数据中心。
　　“它们就像孕育在妈妈肚子里的小生命，以前我们不清楚冬季在地下时它们会如何，但现在所有的情况都能了解。”重庆交通大学沙漠土壤化团队成员蒋学皎说，现在他们的沙漠土壤化技术不仅是“黑科技”，还有了“高科技”。随着腾讯—重庆交通大学沙漠生态研究联合实验室的成立，一套基于边缘数据中心的智慧农业解决方案孕育而生，改变了研究的传统模式，助力他们研究沙漠绿洲背后的“秘密”。
　　17000亩沙漠已经变绿
　　还有众多“未解之谜”待解开
　　“内蒙古冬天来得早，地里的部分辣椒、西瓜都是来不及收就已经被霜冻了。”11月10日，在位于乌兰布和沙漠实验地里，重庆交通大学沙漠土壤化研究团队负责人易志坚教授一边说着，一边带着记者翻看沙地里的各种作物。经过霜打的西瓜切开还是鲜红；白萝卜一拔就起，生吃依然甜脆；辣椒“二荆条”被风吹干却还辣味十足……
　　让沙漠变成绿洲，开满鲜花，收获庄稼，这是易志坚教授研究团队历经10年的研究与实践创造的“生态奇迹”。易志坚团队从植物中提取了一种纤维黏合剂，放到沙里，添加适量的水，让沙子拥有生态力学属性，具有了保水性，实现“土壤化”。
　　经过在重庆多年的实践，2016年，团队来到乌兰布和沙漠小试，成功“变”出一片25亩左右的绿洲，2017年完成了中试基地内约4000亩沙漠的土壤化和绿化，2018年，面积扩大到了6000亩。生态修复的足迹还拓展到新疆和田塔克拉玛干沙漠、川西若尔盖沙化草地、西沙岛礁甚至包括中东和撒哈拉沙漠等地，截至2020年10月易志坚研究团队已完成生态恢复建设17000亩。“沙漠土壤化”成本远低于我国各省市土地复垦费用，平均用水量不到400方/亩，低于当地基于以色列滴灌技术制定的550方/亩的节水定额。
　　“从最开始验证土壤化后植物是否能够生长，到进行规模化试验，扩大我们的植物种植面积，进行优势植物的选择和研究。再到我们发现沙漠里植物长势旺盛，产量也很高，而且产品特别好吃。”易志坚说，这让他们觉得沙漠土壤化的实施，不光是可以进行生态修复，还能让当地致富的。同时他们也发现在沙漠复绿的过程中，还有很多“未解之谜”需要研究。
　　“我们发现沙漠里种植物产量和质量会高于当地传统农田，而且根系特别发达。”易志坚说，去年在内蒙古的高粱测产显示最高亩产是932公斤，平均亩产是789公斤，而全国最高平均亩产是2017年的324公斤。团队总结认为，除土壤化后的沙子保水保肥而外，沙漠松散性比土壤高，根系在土壤化层下面生长没有较大的阻力也是一个重要原因，发达的根系可以更充分地吸取养分和水分，加上日照时间长昼夜温差大，所以作物的产量和质量高于传统农耕地。
　　不过如何能使沙漠农业在最少的资源投入下获得最佳的产出？沙漠的气候条件和土壤性质适合种植哪些农作物？在沙漠地区大面积发展农业后，对沙漠地区的气候，温湿度指标、生态、环境、人类活动等方面又会产生怎样的影响？
　　要进一步的巩固和扩大生物多样性的研究成果，亟待解决这些“未解之谜”。
　　大量数据处理成研究难点
　　智慧农业让研究不再“靠天吃饭”
　　“探索适合沙漠地区低耗、高产、绿色的种植方式，就要研究清楚作物的产量，就需要搞清楚是受哪些方面的影响，又是如何影响的。”蒋学皎是法国里昂国立应用科学学院微生物学博士，到重庆交大任教后，2年前受邀加入团队研究地表微生物情况。也因此，她和同在一个学校，研究人工智能的老公方勇成了一个团队的同事，尝试用人工智能的方式来进行帮助研究。
　　“这是我们自己研发的田间植物表型采集系统机器人，它配备有激光雷达、双目相机等设备，能够对田野里植株的果实、病虫害、株高等情况进行探测和分析。”蒋学皎说，这个机器人是她和丈夫一起研发的，这个机器人配合无人机载高光谱成像系统，可以采集农作物果实、病虫害、株高、出苗率等数据，这些数据量大、来源多样，处理是一大难点。“以前他用深度学习框架做目标检测，用自己的电脑，数据集规模在800多兆的时候，程序运行了三天仍无结果。如果处理1T的图片，耗时可能数月甚至数年。”
　　“当我们了解到易教授团队的需求时，决定部署一个边缘计算中心，来解决海量数据运算和深度学习模型训练的需求问题。”腾讯云数据中心高级架构师，沙漠项目及nano边缘一体柜项目经理刘灵丰介绍，从2018年初步接触，到2019年10月腾讯和重庆交通大学一起成立了沙漠生态研究联合实验室，基于边缘数据中心的智慧农业解决方案成了首个合作课题。
　　“传统的农业是靠天吃饭的，决策主要是靠经验积累，在气候变化多端的当代已不适合照搬。”刘灵丰说，他们制定了一套智慧农业方案，具备在6000多亩的内蒙古实验基地上，部署数万个传感器的能力，对土壤情况、气候条件、水源条件、植株生长等环境数据、视觉数据进行采集，共同组建成一个比较强大的数据网，“以后我们在看到沙漠农业的时候，就不再看到一片荒沙或者绿色的农田，而是一个个的数据点，把这些数据点结合起来分析，就可以对我们的农业生产进行科学的、有据可依的指导。”
　　采集数据实时传输
　　全靠这台在沙漠中坚守的“宝宝”
　　若需要在6000多亩的实验基地上部署数万个传感器，一年大概会产生150万个数据包以及50P以上的数据存储量，如何能够保障这些数据的采集、存储和处理，让科研团队们能够简单快捷的使用到这些数据。一个20多人的技术研发团队在刘灵丰的带领下组成。
　　在试验基地的办公区的空地上，立着一台2米高、1.2米宽的nano边缘一体柜，对于目前正在怀孕中的刘灵丰来说，这个边缘一体柜就像她另一个宝宝。“这是我们用心打造的一款针对沙漠极端气候条件的数据中心产品，性能提升50%～75%，可靠性提升50%的同时制冷系统能耗却降低69%。”
　　“这个nano边缘一体柜是全国首台带自然冷却的单柜数据中心。”腾讯云数据中心架构师韩鹏瑞介绍，它是整个边缘数据中心的核心，承担了数据接收、存储和处理。它的算力最大可支持5120个虚拟核同时计算，也就是说，一台电脑需要4个月才能完成的工作量，在nano一体柜只需要一个小时就可以完成同样规模的科研计算，效率可以提升两千多倍。而且无须专业人士值守，还能抵御沙漠的风沙和冬季的严寒。
　　“以前我们在现场采集数据后，用硬盘拷贝回重庆再进行研究。”蒋学皎说，现在数据采集后能在柜子里直接进行处理，将核心有效数据上传到云，他们在重庆就能掌握各种实时数据，进行研究。“以前我们是靠经验总结，现在有了数据支撑，研究时间大大缩短了。”
　　“乌兰布和每年有一亿吨的沙子会落入黄河。现在我们在乌兰布和沙漠的治理中，关键点一是阻止沙漠向东面侵蚀，进入黄河；二是对附近矿山治荒漠化理修复。”阿拉善盟的发改委主任的罗志铁说，对于易志坚团队的研究他们很认可，已经考虑在乌海湖治理中引用。
　　易志坚说，他们现在是在和沙漠赛跑，全球每年以5万到7万平方公里的速度在疯狂扩张，相当于每年消失两个海南岛。我国家有173万平方公里沙化土地，如果采用沙漠土壤化方法把它恢复1%，就是2600万亩，能有助于解决我国西北地区沙漠化严重，土地利用率低问题。对于技术产业化，他始终保持着科研人的严谨，他表示，未来至少三年，他们的土壤化技术推广面积会大大提高，但还是在试验推广的阶段，他们会进一步的研究和积累数据，为规模化的产业推广打下牢固的基础。（记者　雍黎）

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