本文轉自【科技日報】；
◎ 科技日報記者 雍黎
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裡，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。地裡的生命也隨著寒冬逝去了嗎？不，它們的情況正被各種採集器監測著，「一呼一吸」都變為涓涓「數據流」實時傳回位於沙漠實驗室的數據中心。
「它們就像孕育在媽媽肚子裡的小生命，以前我們不清楚冬季在地下時它們會如何，但現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研究聯合實驗室的成立，一套基於邊緣數據中心的智慧農業解決方案孕育而生，改變了研究的傳統模式，助力他們研究沙漠綠洲背後的「秘密」。
2020年11月10日，在內蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠重慶交通大學沙漠「土壤化」研究的中試基地裡，田間植物表型採集系統機器人正在巡測。雍黎/圖
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，地裡的部分辣椒、西瓜都是來不及收就已經被霜凍了。」11月10日，在位於烏蘭布和沙漠實驗地裡，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裡的各種作物。經過霜打的西瓜切開還是鮮紅；白蘿蔔一拔就起，生吃依然甜脆；辣椒「二荊條」被風吹乾卻還辣味十足……
2020年11月10日，在烏蘭布和沙漠試驗地裡，來不及收摘的辣椒，已經被風乾。雍黎/圖
讓沙漠變成綠洲，開滿鮮花，收穫莊稼，這是易志堅教授研究團隊歷經10年的研究與實踐創造的「生態奇蹟」。易志堅團隊從植物中提取了一種纖維黏合劑，放到沙裡，添加適量的水，讓沙子擁有生態力學屬性，具有了保水性，實現「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。生態修復的足跡還拓展到新疆和田塔克拉瑪幹沙漠、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恢復建設17000畝。「沙漠土壤化」成本遠低於我國各省市土地復墾費用，平均用水量不到400方/畝，低於當地基於以色列滴灌技術制定的550方/畝的節水定額。
2020年10月18日，新疆和田塔克拉瑪幹沙漠，試驗地裡綠油油的牧草，紅彤彤的高粱都已經到了採收的季節，工人們正在忙碌著。萬難/攝
「從最開始驗證土壤化後植物是否能夠生長，到進行規模化試驗，擴大我們的植物種植面積，進行優勢植物的選擇和研究。再到我們發現沙漠裡植物長勢旺盛，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修復，還能讓當地致富的。同時他們也發現在沙漠復綠的過程中，還有很多「未解之謎」需要研究。
「我們發現沙漠裡種植物產量和質量會高於當地傳統農田，而且根系特別發達。」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，除土壤化後的沙子保水保肥而外，沙漠鬆散性比土壤高，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，發達的根系可以更充分地吸取養分和水分，加上日照時間長晝夜溫差大，所以作物的產量和質量高於傳統農耕地。
2018年9月10日，內蒙古烏蘭布和沙漠中試科研基地內，科研隊員正在清洗剛剛從試驗地裡挖出的植物根系。萬難/攝
不過如何能使沙漠農業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？在沙漠地區大面積發展農業後，對沙漠地區的氣候，溫溼度指標、生態、環境、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」。
大量數據處理成研究難點
智慧農業讓研究不再「靠天吃飯」
「探索適合沙漠地區低耗、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。」蔣學皎是法國裡昂國立應用科學學院微生物學博士，到重慶交大任教後，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，研究人工智慧的老公方勇成了一個團隊的同事，嘗試用人工智慧的方式來進行幫助研究。
「這是我們自己研發的田間植物表型採集系統機器人，它配備有雷射雷達、雙目相機等設備，能夠對田野裡植株的果實、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的，這個機器人配合無人機載高光譜成像系統，可以採集農作物果實、病蟲害、株高、出苗率等數據，這些數據量大、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，數據集規模在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，耗時可能數月甚至數年。」
試驗田裡浦北的傳感器。雍黎/圖
「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，來解決海量數據運算和深度學習模型訓練的需求問題。」騰訊雲數據中心高級架構師，沙漠項目及nano
邊緣一體櫃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研究聯合實驗室，基於邊緣數據中心的智慧農業解決方案成了首個合作課題。
「傳統的農業是靠天吃飯的，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方案，具備在6000多畝的內蒙古實驗基地上，部署數萬個傳感器的能力，對土壤情況、氣候條件、水源條件、植株生長等環境數據、視覺數據進行採集，共同組建成一個比較強大的數據網，「以後我們在看到沙漠農業的時候，就不再看到一片荒沙或者綠色的農田，而是一個個的數據點，把這些數據點結合起來分析，就可以對我們的農業生產進行科學的、有據可依的指導。」
2017年9月5日，內蒙古烏蘭布和沙漠「沙漠化土壤」中試科研基地，沙漠中的試驗地綠意盎然。萬難/攝
採集數據實時傳輸
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萬個傳感器，一年大概會產生150萬個數據包以及50P以上的數據存儲量，如何能夠保障這些數據的採集、存儲和處理，讓科研團隊們能夠簡單快捷的使用到這些數據。一個20多人的技術研發團隊在劉靈豐的帶領下組成。
已經投用的nano邊緣一體櫃。雍黎/圖
在試驗基地的辦公區的空地上，立著一臺2米高、1.2米寬的nano邊緣一體櫃，對於目前正在懷孕中的劉靈豐來說，這個邊緣一體櫃就像她另一個寶寶。「這是我們用心打造的一款針對沙漠極端氣候條件的數據中心產品，性能提升50%～75%，可靠性提升50%的同時製冷系統能耗卻降低69%。」
「這個nano邊緣一體櫃是全國首臺帶自然冷卻的單櫃數據中心。」騰訊雲數據中心架構師韓鵬瑞介紹，它是整個邊緣數據中心的核心，承擔了數據接收、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一體櫃只需要一個小時就可以完成同樣規模的科研計算，效率可以提升兩千多倍。而且無須專業人士值守，還能抵禦沙漠的風沙和冬季的嚴寒。
「以前我們在現場採集數據後，用硬碟拷貝回重慶再進行研究。」蔣學皎說，現在數據採集後能在柜子裡直接進行處理，將核心有效數據上傳到雲，他們在重慶就能掌握各種實時數據，進行研究。「以前我們是靠經驗總結，現在有了數據支撐，研究時間大大縮短了。」
重慶交通大學沙漠土壤化研究團隊負責人易志堅教授在試驗地裡講解。雍黎/圖
「烏蘭布和每年有一億噸的沙子會落入黃河。現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。」阿拉善盟的發改委主任的羅志鐵說，對於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，他們現在是在和沙漠賽跑，全球每年以5萬到7萬平方公裡的速度在瘋狂擴張，相當於每年消失兩個海南島。我國家有173萬平方公裡沙化土地，如果採用沙漠土壤化方法把它恢復1%，就是2600萬畝，能有助於解決我國西北地區沙漠化嚴重，土地利用率低問題。對於技術產業化，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據，為規模化的產業推廣打下牢固的基礎。
來源：科技日報