長江科學(xué)院野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察回顧及展望

徐 平，洪曉峰

(1.長江科學(xué)院 野外科學(xué)觀測中心，武漢 430010; 2.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010)

1 研究背景

野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察是科技工作的基本研究手段，在認(rèn)識自然現(xiàn)象的演變過程、揭示其演化規(guī)律和作用機(jī)理、探索人與自然和諧發(fā)展的模式等方面具有明顯的優(yōu)勢[1]。作為國家水利公益性科研院，長江科學(xué)院肩負(fù)開發(fā)、利用、治理和保護(hù)長江的科技支撐重任，有義務(wù)和責(zé)任對長江進(jìn)行系統(tǒng)、全面的科學(xué)考察和長期的野外科學(xué)觀測，大力促進(jìn)水科學(xué)發(fā)展，為大保護(hù)背景下水資源管理、水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)、水土流失防治等提供科技支撐。

2009年以來，長江科學(xué)院以野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察為著力點(diǎn)，不斷完善野外科學(xué)觀測研究站網(wǎng)體系，持續(xù)開展長江流域及高原河湖科學(xué)考察，積極探索從以往偏重實(shí)驗(yàn)室(室內(nèi))研究向?qū)嶒?yàn)室研究與野外觀測和科學(xué)考察并重研究方式的轉(zhuǎn)變；對流域水問題的研究從短期、局部逐步向長期、全域系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)變。

通過十余年野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察，長江科學(xué)院收集了“山水林田湖草”流域系統(tǒng)治理的第一手科學(xué)數(shù)據(jù)，基于原位觀測與多專業(yè)交叉融合研究，積累了一批原始創(chuàng)新成果，培養(yǎng)了一支包含多學(xué)科(專業(yè))、以優(yōu)秀青年人才為骨干的野外科學(xué)觀測與考察研究團(tuán)隊(duì)，可更好地服務(wù)于長江大保護(hù)、長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展以及新時代治水興水工作，對貫徹落實(shí)《中華人民共和國長江保護(hù)法》，科學(xué)制定長江大保護(hù)行動計(jì)劃、保障長江流域高質(zhì)量發(fā)展意義重大[2]。

2 發(fā)展歷程

2.1 野外科學(xué)觀測

長江科學(xué)院為了加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究，將野外科學(xué)觀測研究站作為提升自主創(chuàng)新能力的重要突破口，著力構(gòu)建基本覆蓋長江流域重點(diǎn)區(qū)域，涵蓋生態(tài)、環(huán)境、資源及災(zāi)害防治等領(lǐng)域的野外科學(xué)觀測研究站網(wǎng)體系，自2009年以來歷經(jīng)了規(guī)劃籌建、機(jī)構(gòu)建設(shè)、建設(shè)運(yùn)行3個發(fā)展階段。

規(guī)劃籌建階段(2009—2011年)：2009年11月，組織編制了《長江科學(xué)院野外科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站(點(diǎn))建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃(2010—2030年)》，該規(guī)劃為《長江科學(xué)院學(xué)科建設(shè)與專業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的4個專項(xiàng)規(guī)劃之一，自此長江科學(xué)院野外科學(xué)觀測研究工作起步并開始籌建野外站。

機(jī)構(gòu)建設(shè)階段(2011—2012年)：2011年11月，主管單位水利部長江水利委員會《關(guān)于印發(fā)〈長江科學(xué)院主要職責(zé)機(jī)構(gòu)設(shè)置和人員編制規(guī)定〉的通知》中明確，在長江科學(xué)院設(shè)置野外科學(xué)觀測中心，賦予野外科學(xué)觀測中心“開展流域綜合性科學(xué)研究信息采集、管理及利用工作”的職責(zé)。據(jù)此，長江科學(xué)院從流域整體出發(fā)，結(jié)合自身職責(zé)定位，綜合考慮區(qū)域特征，明確野外科學(xué)觀測中心首批下設(shè)江源、金沙江、赤水河、三峽庫區(qū)、丹江口、長江中下游、長江口、高原河湖、西南河流9個觀測實(shí)驗(yàn)站，并印發(fā)相關(guān)任職通知。9個觀測實(shí)驗(yàn)站各自定位明確、研究方向各有側(cè)重但又相互關(guān)聯(lián)，組成覆蓋長江流域片、多學(xué)科、多指標(biāo)、多功能的綜合觀測站網(wǎng)。

建設(shè)運(yùn)行階段(2012年至今)： 2012年5月23日， 以各觀測研究站被授牌為標(biāo)志， 野外科學(xué)觀測站進(jìn)入正式運(yùn)行階段。 《長江科學(xué)院野外科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站管理暫行辦法》《長江流域(片)野外科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站建設(shè)實(shí)施方案(一期)(2012—2015)》《長江流域(片)野外科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站作業(yè)文件》等管理文件相繼出臺。 各觀測實(shí)驗(yàn)研究站緊扣國家相關(guān)需求， 綜合考慮區(qū)域代表性(表1)， 不斷完善觀測研究方向、 觀測實(shí)驗(yàn)場及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)， 購置試驗(yàn)觀測設(shè)備并開展常態(tài)化觀測和實(shí)驗(yàn)研究。 如江源分站以水循環(huán)為核心， 在源區(qū)典型流域建立多尺度水循環(huán)要素自動觀測系統(tǒng)， 開展冰川、 凍土、 積雪、 水文氣象等要素原位觀測， 并結(jié)合野外科學(xué)考察定期或不定期開展江源河湖水體理化特征、 水生生物、 河流泥沙、 河床地貌以及土壤植被等野外科學(xué)觀測與調(diào)查， 輔以野外實(shí)驗(yàn)和遙感等監(jiān)測技術(shù)， 探究氣候變化背景下長江源區(qū)水循環(huán)與水資源演變特征， 以及源區(qū)生態(tài)環(huán)境變化與響應(yīng)研究， 為源區(qū)水-生態(tài)-環(huán)境保護(hù)適應(yīng)性對策研究提供支撐。 三峽庫區(qū)站圍繞大型水利水電工程生態(tài)環(huán)境影響以及庫區(qū)水土流失與面源污染防控， 開展三峽庫區(qū)和清江梯級水庫水生態(tài)環(huán)境、 水資源、 河流泥沙等野外科學(xué)觀測研究工作。 2019年10月， 由江源站等組成的“長江江源區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站”被認(rèn)定為第一批水利部野外科學(xué)觀測研究站。

表1 各站區(qū)域代表性Table 1 Representativeness of regional stations

2.2 科學(xué)考察

為了“深刻認(rèn)識長江、掌握第一手資料、凝練科學(xué)問題、培養(yǎng)高層次人才”，自2009年至今持續(xù)開展20余次多專業(yè)綜合性長江科考活動，其中江源科考10余次。另外，還有分專業(yè)針對河道、湖泊、崩岸、水生態(tài)環(huán)境等具體問題組織開展的科學(xué)考察數(shù)次。歷年科學(xué)考察大致分為摸索、初探和提升階段3個階段。

第一階段為摸索階段(2009—2012年)，聚焦長江重要支流、大型水利工程、通江湖泊等重點(diǎn)對象，圍繞水環(huán)境、泥沙、河道變遷、工程運(yùn)行、水電開發(fā)、洪旱災(zāi)害等問題，以長江中上游考察為主，先后組織開展了漢江、三峽庫區(qū)、大渡河、洞庭湖、洪湖、鄱陽湖共6次多專業(yè)綜合性科學(xué)考察。圍繞問題為導(dǎo)向的野外科學(xué)考察，摸索了事前準(zhǔn)備、事中處置、事后總結(jié)等各環(huán)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。

第二階段為初探階段(2012—2016年)，開始江源科考，以探索科考路線、監(jiān)測手段，選取監(jiān)測點(diǎn)，填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白為主，科考路線逐步涵蓋了從長江正源沱沱河、南源當(dāng)曲、北源楚瑪爾河、向下至金沙江，以及周邊瀾滄江、怒江、雅魯藏布江源區(qū)及中上游和藏北羌塘高原，考察項(xiàng)目以河流泥沙、水生生物、水土保持與植被生態(tài)、空間地理信息和光譜信息為主。此階段的科考不僅培養(yǎng)了一批科學(xué)考察人才，積累了大量珍貴的江源地區(qū)的水土信息、空間地理信息、水環(huán)境和水生態(tài)本底資料，開闊了治江科研的視野，喚起全社會對江源地區(qū)的關(guān)注，也為開展大江大河源區(qū)綜合科學(xué)考察提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[3-5]，為后續(xù)開展長期監(jiān)測和科學(xué)考察奠定基礎(chǔ)。

第三階段為提升階段(2017年至今)，在長江“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”指導(dǎo)思想指引下，加大了科學(xué)考察力度，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，不斷完善科考針對性，在傳統(tǒng)考察內(nèi)容基礎(chǔ)上，按需補(bǔ)充了地?zé)崴h(huán)、魚類棲息地生境、沼澤濕地演變等新考察內(nèi)容和多專業(yè)高度融合試驗(yàn)，逐步加強(qiáng)考察成果對科研生產(chǎn)的支撐作用，此外還不斷優(yōu)化科考路線，基本形成了以長江三源和瀾滄江源區(qū)為核心的穩(wěn)定科考路線[2]。

3 主要成就

3.1 基礎(chǔ)條件不斷完善

近10 a來，長江科學(xué)院通過自籌資金、中央預(yù)算基本建設(shè)項(xiàng)目、修繕購置項(xiàng)目等渠道多方籌措資金，投入野外觀測站建設(shè)。目前，江源(圖1)、赤水河等多個觀測實(shí)驗(yàn)站站房、觀測實(shí)驗(yàn)場相繼建成并投入使用，直門達(dá)、沱沱河、茅草街、商南、星子、丹江口等共建觀測站掛牌，布設(shè)近百個觀測斷面(點(diǎn))。大部分野外觀測實(shí)驗(yàn)站不僅具有配套設(shè)施較為齊備的工作和生活用房、相對良好的交通與通訊條件，還在水循環(huán)要素自動觀測、水文測驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測與分析、生態(tài)監(jiān)測、空天地水快速探測、水沙實(shí)驗(yàn)等方面配備世界先進(jìn)的儀器設(shè)備，可滿足長期無人值守原位觀測、固定實(shí)驗(yàn)、便攜采樣、移動探測、高精分析等不同需求，野外觀測基礎(chǔ)設(shè)施和觀測條件持續(xù)改善。

圖1 江源站雜多基地Fig.1 Zaduo field observation base

3.2 觀測數(shù)據(jù)積累豐碩

多年的定位觀測實(shí)驗(yàn)與科學(xué)考察，積累了大量的本底數(shù)據(jù)。各野外觀測站及科學(xué)考察數(shù)據(jù)主要依托“長江流域野外觀測站數(shù)據(jù)共享平臺”進(jìn)行數(shù)字化管理，觀測數(shù)據(jù)完成整編后通過該共享平臺完成入庫。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得無人值守在線監(jiān)測成為可能，自動在線監(jiān)測不僅帶來了觀測的便捷，也帶來了數(shù)據(jù)的海量增長，以江源站唐古拉山研究區(qū)內(nèi)架設(shè)的高原寒區(qū)典型流域多尺度水循環(huán)要素自動觀測系統(tǒng)(圖2)為例，現(xiàn)每年獲取的冰川、凍土、積雪、水文及氣象觀測數(shù)據(jù)近50 Gb，其中文本屬性數(shù)據(jù)逾20 Gb，影像數(shù)據(jù)近30 Gb。 2013年6月，《長江流域(片)生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測年報(2012年)》[6]正式發(fā)布，年報匯集了各野外觀測站現(xiàn)場觀測與考察成果，包括水文泥沙與河道、水環(huán)境、水生態(tài)、水土流失與植被、水旱災(zāi)害與山洪地質(zhì)災(zāi)害、水利血防、水工材料與結(jié)構(gòu)及重要事件等內(nèi)容，該年報是長江科學(xué)院建院62 a來發(fā)布的首份生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測年報。2013—2020年年報陸續(xù)發(fā)布，內(nèi)容涵蓋長江流域資源、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害等領(lǐng)域的野外科學(xué)觀測與實(shí)驗(yàn)，通過對第一手觀測資料的匯總整理和研究分析，為相關(guān)科學(xué)研究提供參考。

圖2 多尺度水循環(huán)要素自動觀測系統(tǒng)Fig.2 Multi-scale automatic observation system of water cycle elements

3.3 科技支撐與創(chuàng)新成績初顯

近年來，針對國家與行業(yè)需求，長江科學(xué)院通過依托野外觀測站和科學(xué)考察承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、公益性行業(yè)科研專項(xiàng)等國家、省部級科研項(xiàng)目，以及長江經(jīng)濟(jì)帶與黃金水道建設(shè)、長江干支流水庫群聯(lián)合調(diào)度、長江中下游河道整治、南水北調(diào)中線工程、引江濟(jì)淮等國家和行業(yè)重大工程關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目，在河道沖刷與再造、水資源保護(hù)、水污染防治、水生態(tài)修復(fù)、水土流失治理等方面深入開展科學(xué)研究工作，取得了豐富的研究成果，為國家和部門科學(xué)決策提供了有力的技術(shù)支持。

江源研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新成效顯著，根據(jù)《江源地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境研究專項(xiàng)規(guī)劃(2016—2030)》提出的江源區(qū)水資源演變、江源區(qū)水生態(tài)環(huán)境演變、江源區(qū)陸地生態(tài)環(huán)境演變、青藏高原河湖演化、江源區(qū)保護(hù)和江源區(qū)水工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)6個研究對象，以“水、土、沙、生”耦合關(guān)系為主線，在江源區(qū)水資源與水循環(huán)、河流泥沙、水環(huán)境、水生態(tài)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、植被生態(tài)、水土流失、地下水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測等方面均取得了重要進(jìn)展,揭示了氣候變化背景下長江源區(qū)水循環(huán)與水資源演變特征[7-8];同時系統(tǒng)分析了長江源區(qū)近期水沙輸移變化和河床演變規(guī)律[9]，開展了長江源區(qū)沉積物測量并復(fù)原了河流歷史斷面形態(tài)[10]，闡明了長江源區(qū)主要河流的水環(huán)境特征和水化學(xué)特征及主要控制因子[11]，首次發(fā)現(xiàn)江源河流內(nèi)魚類越冬場和產(chǎn)卵場，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵魚類人工繁殖，辨析了植被退化與土壤侵蝕之間的關(guān)系[1]，初步揭示了可可西里卓乃湖、庫塞湖、海丁諾爾湖和鹽湖這4個湖泊的擴(kuò)張機(jī)制[12]。相關(guān)研究成果和江源保護(hù)建議獲得黨中央、水利部、青海省人民政府等領(lǐng)導(dǎo)的高度重視并對其作出重要批示。

3.4 骨干隊(duì)伍基本形成

圍繞水資源管理、水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)、水土流失治理等野外觀測、研究與示范，基本構(gòu)建了一支以國家和省部級專家為引領(lǐng)，以學(xué)科帶頭人為核心，以覆蓋多學(xué)科(專業(yè))的優(yōu)秀青年人才為骨干的高水平三級野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察團(tuán)隊(duì)。特別是源區(qū)獨(dú)特的自然地理特性，為科學(xué)研究提供了廣闊舞臺，富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)考察工作吸引和凝聚了一批學(xué)有所精、思維活躍、創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀青年科技骨干投身其中，多名技術(shù)骨干因事跡突出、成果顯著獲得各級榮譽(yù)稱號、入選人才工程。

3.5 社會影響日益擴(kuò)大

長江科學(xué)院野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察工作相關(guān)新聞被中央電視臺的《新聞聯(lián)播》、青海電視臺的《新聞聯(lián)播》、武漢電視臺報道。新華社、中國政府網(wǎng)、文匯報、中國水利報、湖北日報、長江日報等主流媒體相繼作了深度報道，新聞報道閱讀量達(dá)數(shù)千萬。新華社多篇江源科學(xué)考察專題報道、微視頻、人物專訪閱讀量超百萬，各大網(wǎng)站紛紛轉(zhuǎn)載[13-16]。發(fā)布在人民網(wǎng)的《立碑江源》《再進(jìn)江源》和騰訊網(wǎng)的《又進(jìn)江源》等系列江源科考紀(jì)實(shí)片受到好評，“首份長江流域生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測年報發(fā)布”報道登上“紫光閣”——中共中央國家機(jī)關(guān)工作委員會網(wǎng)站，“長江科學(xué)院‘十三五’江源科學(xué)考察成績單”被推送到中共中央宣傳部“學(xué)習(xí)強(qiáng)國”學(xué)習(xí)平臺，增加了公眾對于長江特別是長江源區(qū)的認(rèn)識，喚醒了全社會保護(hù)長江生態(tài)環(huán)境的意識，社會影響日益擴(kuò)大。

4 下一步要加強(qiáng)的工作

(1)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過多種渠道籌集資金，加強(qiáng)野外觀測站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極申請三峽庫區(qū)、丹江口庫區(qū)、長江中下游等站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，改善野外站工作和生活條件。同時，加強(qiáng)野外觀測設(shè)施、場地的管理和維護(hù)，保證觀測數(shù)據(jù)的時序性、準(zhǔn)確性、可靠性和可比性。

(2)長期觀測與考察。加強(qiáng)長期觀測體系建設(shè)，進(jìn)一步推進(jìn)自動化、實(shí)時化連續(xù)觀測，提升空天地多種觀測手段相結(jié)合的立體綜合觀測能力。加強(qiáng)流域內(nèi)各類標(biāo)本的收集管理，豐富長江水科學(xué)標(biāo)本館館藏。采取綜合團(tuán)隊(duì)與專業(yè)分隊(duì)相結(jié)合的方式，強(qiáng)化冰川、凍土、積雪、高原草甸、高原沼澤濕地、高原湖泊、魚類“三場一通道”等重點(diǎn)對象科學(xué)考察，持續(xù)開展水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、植被生態(tài)、水土流失和高原河湖等方面的本底調(diào)查，擴(kuò)大“江源科考”品牌影響力。在關(guān)注以水循環(huán)為核心的江源生態(tài)環(huán)境演變的同時，從考察對象的多學(xué)科特性出發(fā)，逐步拓寬科學(xué)考察研究領(lǐng)域，通過跨專業(yè)跨部門聯(lián)合科學(xué)考察等形式，從地球科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)科學(xué)等多學(xué)科角度，為資源合理開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步提供更多的科學(xué)依據(jù)。

(3)科學(xué)研究與示范。圍繞長江大保護(hù)與長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略等國家需求，堅(jiān)持“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”理念，從生態(tài)系統(tǒng)整體性和長江流域系統(tǒng)性著眼，整體系統(tǒng)考慮流域上中下游、干流與支流、水下與岸上、河流與湖泊等復(fù)雜關(guān)系，加強(qiáng)以流域?yàn)閱卧乃Y源保護(hù)、水污染防治、水生態(tài)修復(fù)、水土流失治理、河湖演變與保護(hù)等研究工作，出版和發(fā)表高水平科研專著與論文，并及時將科研成果在長江流域應(yīng)用與示范，為長江系統(tǒng)治理與保護(hù)提供更加有力的科技支撐。

(4)交流合作。加強(qiáng)與國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)的臺站特別是流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)野外站的交流合作，充分利用長江科學(xué)院建設(shè)的科技部“江湖保護(hù)與水安全保障國際合作基地”等平臺，積極開展國際科技合作與人員交流，產(chǎn)出更多國際合作成果，努力提升國際影響力。

(5)人才隊(duì)伍建設(shè)。以野外觀測站為平臺，鼓勵跨學(xué)科合作，促進(jìn)學(xué)科之間的交叉融合，加強(qiáng)野外觀測與科學(xué)研究相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)與資格認(rèn)證，加大野外基礎(chǔ)科研支持力度，出臺向野外站一線研究人員傾斜的獎勵政策，在穩(wěn)定現(xiàn)有人才隊(duì)伍的基礎(chǔ)上，加大人才引進(jìn)力度，吸引國內(nèi)外優(yōu)秀碩博士加入到野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察行列，形成專業(yè)結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)更加合理的集觀測、研究、實(shí)驗(yàn)技術(shù)于一體的人才隊(duì)伍。弘揚(yáng)“不畏艱險、勇于開拓、善于創(chuàng)新、甘于寂寞”的野外工作精神，注重第一手?jǐn)?shù)據(jù)的獲取，鼓勵潛心高品質(zhì)科研。

5 展 望

野外科學(xué)觀測與科學(xué)考察作為基礎(chǔ)性科技工作[17]，在治江科研事業(yè)中具有重要的、不可替代的作用。長江科學(xué)院未來將著重做好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、長期觀測、科學(xué)研究與示范、交流合作、人才隊(duì)伍建設(shè)等方面工作，努力打造江源科考科技創(chuàng)新品牌，將長江科學(xué)院觀測站網(wǎng)建成為基礎(chǔ)設(shè)施良好、儀器設(shè)備先進(jìn)、生活設(shè)施齊備、通訊與交通完備、觀測研究能力強(qiáng)的具有長江特色和國際影響力的科學(xué)觀測與研究基地、先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果試驗(yàn)、示范和推廣的基地、優(yōu)秀科學(xué)人才的培養(yǎng)基地、開放的學(xué)術(shù)交流基地和長江流域水生態(tài)環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。