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11月的內蒙古已經進入冬天，在阿拉善盟烏蘭布和沙漠重慶交通大學沙漠土壤化研究的試驗地里，草已枯黃、蔬果已被收割，連平日活潑的野兔、田鼠也沒了蹤跡，萬物似乎已經沉寂。地里的生命也隨著寒冬逝去了嗎？不，它們的情況正被各種采集器監(jiān)測著，“一呼一吸”都變?yōu)殇镐?ldquo;數(shù)據流”實時傳回位于沙漠實驗室的數(shù)據中心。
“它們就像孕育在媽媽肚子里的小生命，以前我們不清楚冬季在地下時它們會如何，但現(xiàn)在所有的情況都能了解。”重慶交通大學沙漠土壤化團隊成員蔣學皎說，現(xiàn)在他們的沙漠土壤化技術不僅是“黑科技”，還有了“高科技”。隨著騰訊—重慶交通大學沙漠生態(tài)研究聯(lián)合實驗室的成立，一套基于邊緣數(shù)據中心的智慧農業(yè)解決方案孕育而生，改變了研究的傳統(tǒng)模式，助力他們研究沙漠綠洲背后的“秘密”。
17000畝沙漠已經變綠
還有眾多“未解之謎”待解開
“內蒙古冬天來得早，地里的部分辣椒、西瓜都是來不及收就已經被霜凍了。”11月10日，在位于烏蘭布和沙漠實驗地里，重慶交通大學沙漠土壤化研究團隊負責人易志堅教授一邊說著，一邊帶著記者翻看沙地里的各種作物。經過霜打的西瓜切開還是鮮紅；白蘿卜一拔就起，生吃依然甜脆；辣椒“二荊條”被風吹干卻還辣味十足……
讓沙漠變成綠洲，開滿鮮花，收獲莊稼，這是易志堅教授研究團隊歷經10年的研究與實踐創(chuàng)造的“生態(tài)奇跡”。易志堅團隊從植物中提取了一種纖維黏合劑，放到沙里，添加適量的水，讓沙子擁有生態(tài)力學屬性，具有了保水性，實現(xiàn)“土壤化”。
經過在重慶多年的實踐，2016年，團隊來到烏蘭布和沙漠小試，成功“變”出一片25畝左右的綠洲，2017年完成了中試基地內約4000畝沙漠的土壤化和綠化，2018年，面積擴大到了6000畝。生態(tài)修復的足跡還拓展到新疆和田塔克拉瑪干沙漠、川西若爾蓋沙化草地、西沙島礁甚至包括中東和撒哈拉沙漠等地，截至2020年10月易志堅研究團隊已完成生態(tài)恢復建設17000畝。“沙漠土壤化”成本遠低于我國各省市土地復墾費用，平均用水量不到400方/畝，低于當?shù)鼗谝陨械喂嗉夹g制定的550方/畝的節(jié)水定額。
“從最開始驗證土壤化后植物是否能夠生長，到進行規(guī)模化試驗，擴大我們的植物種植面積，進行優(yōu)勢植物的選擇和研究。再到我們發(fā)現(xiàn)沙漠里植物長勢旺盛，產量也很高，而且產品特別好吃。”易志堅說，這讓他們覺得沙漠土壤化的實施，不光是可以進行生態(tài)修復，還能讓當?shù)刂赂坏�。同時他們也發(fā)現(xiàn)在沙漠復綠的過程中，還有很多“未解之謎”需要研究。
“我們發(fā)現(xiàn)沙漠里種植物產量和質量會高于當?shù)貍鹘y(tǒng)農田，而且根系特別發(fā)達。”易志堅說，去年在內蒙古的高粱測產顯示最高畝產是932公斤，平均畝產是789公斤，而全國最高平均畝產是2017年的324公斤。團隊總結認為，除土壤化后的沙子保水保肥而外，沙漠松散性比土壤高，根系在土壤化層下面生長沒有較大的阻力也是一個重要原因，發(fā)達的根系可以更充分地吸取養(yǎng)分和水分，加上日照時間長晝夜溫差大，所以作物的產量和質量高于傳統(tǒng)農耕地。
不過如何能使沙漠農業(yè)在最少的資源投入下獲得最佳的產出？沙漠的氣候條件和土壤性質適合種植哪些農作物？在沙漠地區(qū)大面積發(fā)展農業(yè)后，對沙漠地區(qū)的氣候，溫濕度指標、生態(tài)、環(huán)境、人類活動等方面又會產生怎樣的影響？
要進一步的鞏固和擴大生物多樣性的研究成果，亟待解決這些“未解之謎”。
大量數(shù)據處理成研究難點
智慧農業(yè)讓研究不再“靠天吃飯”
“探索適合沙漠地區(qū)低耗、高產、綠色的種植方式，就要研究清楚作物的產量，就需要搞清楚是受哪些方面的影響，又是如何影響的。”蔣學皎是法國里昂國立應用科學學院微生物學博士，到重慶交大任教后，2年前受邀加入團隊研究地表微生物情況。也因此，她和同在一個學校，研究人工智能的老公方勇成了一個團隊的同事，嘗試用人工智能的方式來進行幫助研究。
“這是我們自己研發(fā)的田間植物表型采集系統(tǒng)機器人，它配備有激光雷達、雙目相機等設備，能夠對田野里植株的果實、病蟲害、株高等情況進行探測和分析。”蔣學皎說，這個機器人是她和丈夫一起研發(fā)的，這個機器人配合無人機載高光譜成像系統(tǒng)，可以采集農作物果實、病蟲害、株高、出苗率等數(shù)據，這些數(shù)據量大、來源多樣，處理是一大難點。“以前他用深度學習框架做目標檢測，用自己的電腦，數(shù)據集規(guī)模在800多兆的時候，程序運行了三天仍無結果。如果處理1T的圖片，耗時可能數(shù)月甚至數(shù)年。”
“當我們了解到易教授團隊的需求時，決定部署一個邊緣計算中心，來解決海量數(shù)據運算和深度學習模型訓練的需求問題。”騰訊云數(shù)據中心高級架構師，沙漠項目及nano邊緣一體柜項目經理劉靈豐介紹，從2018年初步接觸，到2019年10月騰訊和重慶交通大學一起成立了沙漠生態(tài)研究聯(lián)合實驗室，基于邊緣數(shù)據中心的智慧農業(yè)解決方案成了首個合作課題。
“傳統(tǒng)的農業(yè)是靠天吃飯的，決策主要是靠經驗積累，在氣候變化多端的當代已不適合照搬。”劉靈豐說，他們制定了一套智慧農業(yè)方案，具備在6000多畝的內蒙古實驗基地上，部署數(shù)萬個傳感器的能力，對土壤情況、氣候條件、水源條件、植株生長等環(huán)境數(shù)據、視覺數(shù)據進行采集，共同組建成一個比較強大的數(shù)據網，“以后我們在看到沙漠農業(yè)的時候，就不再看到一片荒沙或者綠色的農田，而是一個個的數(shù)據點，把這些數(shù)據點結合起來分析，就可以對我們的農業(yè)生產進行科學的、有據可依的指導。”
采集數(shù)據實時傳輸
全靠這臺在沙漠中堅守的“寶寶”
若需要在6000多畝的實驗基地上部署數(shù)萬個傳感器，一年大概會產生150萬個數(shù)據包以及50P以上的數(shù)據存儲量，如何能夠保障這些數(shù)據的采集、存儲和處理，讓科研團隊們能夠簡單快捷的使用到這些數(shù)據。一個20多人的技術研發(fā)團隊在劉靈豐的帶領下組成。
在試驗基地的辦公區(qū)的空地上，立著一臺2米高、1.2米寬的nano邊緣一體柜，對于目前正在懷孕中的劉靈豐來說，這個邊緣一體柜就像她另一個寶寶。“這是我們用心打造的一款針對沙漠極端氣候條件的數(shù)據中心產品，性能提升50%～75%，可靠性提升50%的同時制冷系統(tǒng)能耗卻降低69%。”
“這個nano邊緣一體柜是全國首臺帶自然冷卻的單柜數(shù)據中心。”騰訊云數(shù)據中心架構師韓鵬瑞介紹，它是整個邊緣數(shù)據中心的核心，承擔了數(shù)據接收、存儲和處理。它的算力最大可支持5120個虛擬核同時計算，也就是說，一臺電腦需要4個月才能完成的工作量，在nano一體柜只需要一個小時就可以完成同樣規(guī)模的科研計算，效率可以提升兩千多倍。而且無須專業(yè)人士值守，還能抵御沙漠的風沙和冬季的嚴寒。
“以前我們在現(xiàn)場采集數(shù)據后，用硬盤拷貝回重慶再進行研究。”蔣學皎說，現(xiàn)在數(shù)據采集后能在柜子里直接進行處理，將核心有效數(shù)據上傳到云，他們在重慶就能掌握各種實時數(shù)據，進行研究。“以前我們是靠經驗總結，現(xiàn)在有了數(shù)據支撐，研究時間大大縮短了。”
“烏蘭布和每年有一億噸的沙子會落入黃河�，F(xiàn)在我們在烏蘭布和沙漠的治理中，關鍵點一是阻止沙漠向東面侵蝕，進入黃河；二是對附近礦山治荒漠化理修復。”阿拉善盟的發(fā)改委主任的羅志鐵說，對于易志堅團隊的研究他們很認可，已經考慮在烏海湖治理中引用。
易志堅說，他們現(xiàn)在是在和沙漠賽跑，全球每年以5萬到7萬平方公里的速度在瘋狂擴張，相當于每年消失兩個海南島。我國家有173萬平方公里沙化土地，如果采用沙漠土壤化方法把它恢復1%，就是2600萬畝，能有助于解決我國西北地區(qū)沙漠化嚴重，土地利用率低問題。對于技術產業(yè)化，他始終保持著科研人的嚴謹，他表示，未來至少三年，他們的土壤化技術推廣面積會大大提高，但還是在試驗推廣的階段，他們會進一步的研究和積累數(shù)據，為規(guī)�；漠a業(yè)推廣打下牢固的基礎。
“它們就像孕育在媽媽肚子里的小生命，以前我們不清楚冬季在地下時它們會如何，但現(xiàn)在所有的情況都能了解。”重慶交通大學沙漠土壤化團隊成員蔣學皎說，現(xiàn)在他們的沙漠土壤化技術不僅是“黑科技”，還有了“高科技”。隨著騰訊—重慶交通大學沙漠生態(tài)研究聯(lián)合實驗室的成立，一套基于邊緣數(shù)據中心的智慧農業(yè)解決方案孕育而生，改變了研究的傳統(tǒng)模式，助力他們研究沙漠綠洲背后的“秘密”。
17000畝沙漠已經變綠
還有眾多“未解之謎”待解開
“內蒙古冬天來得早，地里的部分辣椒、西瓜都是來不及收就已經被霜凍了。”11月10日，在位于烏蘭布和沙漠實驗地里，重慶交通大學沙漠土壤化研究團隊負責人易志堅教授一邊說著，一邊帶著記者翻看沙地里的各種作物。經過霜打的西瓜切開還是鮮紅；白蘿卜一拔就起，生吃依然甜脆；辣椒“二荊條”被風吹干卻還辣味十足……
讓沙漠變成綠洲，開滿鮮花，收獲莊稼，這是易志堅教授研究團隊歷經10年的研究與實踐創(chuàng)造的“生態(tài)奇跡”。易志堅團隊從植物中提取了一種纖維黏合劑，放到沙里，添加適量的水，讓沙子擁有生態(tài)力學屬性，具有了保水性，實現(xiàn)“土壤化”。
經過在重慶多年的實踐，2016年，團隊來到烏蘭布和沙漠小試，成功“變”出一片25畝左右的綠洲，2017年完成了中試基地內約4000畝沙漠的土壤化和綠化，2018年，面積擴大到了6000畝。生態(tài)修復的足跡還拓展到新疆和田塔克拉瑪干沙漠、川西若爾蓋沙化草地、西沙島礁甚至包括中東和撒哈拉沙漠等地，截至2020年10月易志堅研究團隊已完成生態(tài)恢復建設17000畝。“沙漠土壤化”成本遠低于我國各省市土地復墾費用，平均用水量不到400方/畝，低于當?shù)鼗谝陨械喂嗉夹g制定的550方/畝的節(jié)水定額。
“從最開始驗證土壤化后植物是否能夠生長，到進行規(guī)模化試驗，擴大我們的植物種植面積，進行優(yōu)勢植物的選擇和研究。再到我們發(fā)現(xiàn)沙漠里植物長勢旺盛，產量也很高，而且產品特別好吃。”易志堅說，這讓他們覺得沙漠土壤化的實施，不光是可以進行生態(tài)修復，還能讓當?shù)刂赂坏�。同時他們也發(fā)現(xiàn)在沙漠復綠的過程中，還有很多“未解之謎”需要研究。
“我們發(fā)現(xiàn)沙漠里種植物產量和質量會高于當?shù)貍鹘y(tǒng)農田，而且根系特別發(fā)達。”易志堅說，去年在內蒙古的高粱測產顯示最高畝產是932公斤，平均畝產是789公斤，而全國最高平均畝產是2017年的324公斤。團隊總結認為，除土壤化后的沙子保水保肥而外，沙漠松散性比土壤高，根系在土壤化層下面生長沒有較大的阻力也是一個重要原因，發(fā)達的根系可以更充分地吸取養(yǎng)分和水分，加上日照時間長晝夜溫差大，所以作物的產量和質量高于傳統(tǒng)農耕地。
不過如何能使沙漠農業(yè)在最少的資源投入下獲得最佳的產出？沙漠的氣候條件和土壤性質適合種植哪些農作物？在沙漠地區(qū)大面積發(fā)展農業(yè)后，對沙漠地區(qū)的氣候，溫濕度指標、生態(tài)、環(huán)境、人類活動等方面又會產生怎樣的影響？
要進一步的鞏固和擴大生物多樣性的研究成果，亟待解決這些“未解之謎”。
大量數(shù)據處理成研究難點
智慧農業(yè)讓研究不再“靠天吃飯”
“探索適合沙漠地區(qū)低耗、高產、綠色的種植方式，就要研究清楚作物的產量，就需要搞清楚是受哪些方面的影響，又是如何影響的。”蔣學皎是法國里昂國立應用科學學院微生物學博士，到重慶交大任教后，2年前受邀加入團隊研究地表微生物情況。也因此，她和同在一個學校，研究人工智能的老公方勇成了一個團隊的同事，嘗試用人工智能的方式來進行幫助研究。
“這是我們自己研發(fā)的田間植物表型采集系統(tǒng)機器人，它配備有激光雷達、雙目相機等設備，能夠對田野里植株的果實、病蟲害、株高等情況進行探測和分析。”蔣學皎說，這個機器人是她和丈夫一起研發(fā)的，這個機器人配合無人機載高光譜成像系統(tǒng)，可以采集農作物果實、病蟲害、株高、出苗率等數(shù)據，這些數(shù)據量大、來源多樣，處理是一大難點。“以前他用深度學習框架做目標檢測，用自己的電腦，數(shù)據集規(guī)模在800多兆的時候，程序運行了三天仍無結果。如果處理1T的圖片，耗時可能數(shù)月甚至數(shù)年。”
“當我們了解到易教授團隊的需求時，決定部署一個邊緣計算中心，來解決海量數(shù)據運算和深度學習模型訓練的需求問題。”騰訊云數(shù)據中心高級架構師，沙漠項目及nano邊緣一體柜項目經理劉靈豐介紹，從2018年初步接觸，到2019年10月騰訊和重慶交通大學一起成立了沙漠生態(tài)研究聯(lián)合實驗室，基于邊緣數(shù)據中心的智慧農業(yè)解決方案成了首個合作課題。
“傳統(tǒng)的農業(yè)是靠天吃飯的，決策主要是靠經驗積累，在氣候變化多端的當代已不適合照搬。”劉靈豐說，他們制定了一套智慧農業(yè)方案，具備在6000多畝的內蒙古實驗基地上，部署數(shù)萬個傳感器的能力，對土壤情況、氣候條件、水源條件、植株生長等環(huán)境數(shù)據、視覺數(shù)據進行采集，共同組建成一個比較強大的數(shù)據網，“以后我們在看到沙漠農業(yè)的時候，就不再看到一片荒沙或者綠色的農田，而是一個個的數(shù)據點，把這些數(shù)據點結合起來分析，就可以對我們的農業(yè)生產進行科學的、有據可依的指導。”
采集數(shù)據實時傳輸
全靠這臺在沙漠中堅守的“寶寶”
若需要在6000多畝的實驗基地上部署數(shù)萬個傳感器，一年大概會產生150萬個數(shù)據包以及50P以上的數(shù)據存儲量，如何能夠保障這些數(shù)據的采集、存儲和處理，讓科研團隊們能夠簡單快捷的使用到這些數(shù)據。一個20多人的技術研發(fā)團隊在劉靈豐的帶領下組成。
在試驗基地的辦公區(qū)的空地上，立著一臺2米高、1.2米寬的nano邊緣一體柜，對于目前正在懷孕中的劉靈豐來說，這個邊緣一體柜就像她另一個寶寶。“這是我們用心打造的一款針對沙漠極端氣候條件的數(shù)據中心產品，性能提升50%～75%，可靠性提升50%的同時制冷系統(tǒng)能耗卻降低69%。”
“這個nano邊緣一體柜是全國首臺帶自然冷卻的單柜數(shù)據中心。”騰訊云數(shù)據中心架構師韓鵬瑞介紹，它是整個邊緣數(shù)據中心的核心，承擔了數(shù)據接收、存儲和處理。它的算力最大可支持5120個虛擬核同時計算，也就是說，一臺電腦需要4個月才能完成的工作量，在nano一體柜只需要一個小時就可以完成同樣規(guī)模的科研計算，效率可以提升兩千多倍。而且無須專業(yè)人士值守，還能抵御沙漠的風沙和冬季的嚴寒。
“以前我們在現(xiàn)場采集數(shù)據后，用硬盤拷貝回重慶再進行研究。”蔣學皎說，現(xiàn)在數(shù)據采集后能在柜子里直接進行處理，將核心有效數(shù)據上傳到云，他們在重慶就能掌握各種實時數(shù)據，進行研究。“以前我們是靠經驗總結，現(xiàn)在有了數(shù)據支撐，研究時間大大縮短了。”
“烏蘭布和每年有一億噸的沙子會落入黃河�，F(xiàn)在我們在烏蘭布和沙漠的治理中，關鍵點一是阻止沙漠向東面侵蝕，進入黃河；二是對附近礦山治荒漠化理修復。”阿拉善盟的發(fā)改委主任的羅志鐵說，對于易志堅團隊的研究他們很認可，已經考慮在烏海湖治理中引用。
易志堅說，他們現(xiàn)在是在和沙漠賽跑，全球每年以5萬到7萬平方公里的速度在瘋狂擴張，相當于每年消失兩個海南島。我國家有173萬平方公里沙化土地，如果采用沙漠土壤化方法把它恢復1%，就是2600萬畝，能有助于解決我國西北地區(qū)沙漠化嚴重，土地利用率低問題。對于技術產業(yè)化，他始終保持著科研人的嚴謹，他表示，未來至少三年，他們的土壤化技術推廣面積會大大提高，但還是在試驗推廣的階段，他們會進一步的研究和積累數(shù)據，為規(guī)�；漠a業(yè)推廣打下牢固的基礎。
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