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 ， 一边带着采访人员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”
北京联盟小编注意到“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% 。 ”

稿源：(科技日报微信公众号)

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标题：保水保肥|探寻沙漠绿洲背后的“秘密”