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”。
2020年11月10日，在内蒙古阿拉善盟乌兰布和沙漠重庆交通大学沙漠“土壤化”研究的中试基地里，田间植物表型采集系统机器人正在巡测（摄影：雍黎）
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……
2020年11月10日，在乌兰布和沙漠试验地里，来不及收摘的辣椒，已经被风干（摄影：雍黎）
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。
2020年10月18日，新疆和田塔克拉玛干沙漠，试验地里绿油油的牧草，红彤彤的高粱都已经到了采收的季节，工人们正在忙碌着（摄影：万难）
“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。
2018年9月10日，内蒙古乌兰布和沙漠中试科研基地内，科研队员正在清洗刚刚从试验地里挖出的植物根系（摄影：万难）
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。”
试验田里浦北的传感器（摄影：雍黎）
“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。”
2017年9月5日，内蒙古乌兰布和沙漠“沙漠化土壤”中试科研基地，沙漠中的试验地绿意盎然（摄影：万难）
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。
已经投用的nano边缘一体柜（摄影：雍黎）
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。”
重庆交通大学沙漠土壤化研究团队负责人易志坚教授在试验地里讲解（摄影：雍黎）
“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。
