某科学院资源环境科学领域野外观测试验站可行性研究报告 - 图文

可行性研究报告

某科学院资源环境科学领域野外观测试验站

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摘要：本文较系统地介绍了某科学院资源环境科学领域野外观测试验站的布局、发展历程和取得的主要成就，对其发展前景作了展望。

关键词：资源环境科学；野外观测试验；某科学院

一、引言

资源环境科学的研究对象是广阔的大自然，野外长期观测与定位试验是其基本研究手段。野外监测和试验可为相关学科的发展提供基础数据，为政府决策提供科学依据，为减灾防灾、资源可持续利用、生态与环境保护、农业发展等提供优化示范模式。即使在科学技术高度发达的时代，这一手段仍不可缺少（同遥感技术和计算机模拟技术等高新技术结合更能发挥其作用）。野外观测试验站是开展野外观测、试验、研究和示范的基本平台，是野外科学研究和生活的基地。

发达国家十分重视野外观测与试验工作，重视野外站的建设。英国洛桑试验站（Rothamsted Experimental Station）长期开展土壤肥力与作物生长关系的监测、试验和研究，为土壤学和农学的发展作出了巨大贡献，为英国和世界农业的发展作出了重要贡献。美国Manua Loa监测站通过长期连续的监测，发现了近50年来全球大气中CO2浓度逐年升高的事实，为全球变化研究提供了基本数据并引发了人类对于全球变化的广泛关注。目前国际上野外站正朝国际化、网络化方向发展，已经成立大气本底污染监测网（BAPMoN）、国际地磁台网（INTERMAGNET）、国际长期生态研究网络（ILTER Network）、全球陆地观测系统网络（GT-Net，包括生态网络GTN-E、冰川网络GTN-G、永久冻土网络GTN-P和水文GTN-H）等国际野外站网络。

某科学院历来重视野外科学工作和对野外观测试验站的建设，自建院以来在全国各地相继建立了130个以上野外站，涉及地学、生物学、天文学、声学、岩土力学、高能物理学、材料科学等多个学科领域，其中资源环境科学领域（包括大气、海洋、固体地球、地理、环境、生态、宏观生物等多个学科）的野外站最多，达100多个。在发展过程中，部分站因学科布局调整等原因被移交给其它部门或地方政府，部分站因站区环境发生变化而被放弃。目前，某院在资源环境科学领域拥有91个野外观测试验站（本文下文所称野外站即指这些站）。它们以监测、试验和研究为最基本任务，同时兼有人才培养任务，部分站（如大多数生态站）还担负着优化管理模式示范任务。

野外站已成为某科学院科技基础设施的重要组成部分，重要的学术交流窗口，已经并将继续为学科发展和国家建设做出重大贡献。

二、台站分布

某院资源环境科学领域的野外站，地域分布广，类型多样，具有典型的地域代表性和鲜明的学科特色，体系较为完整。

野外站地域分布广。西起塔克拉玛干沙漠，东至三江平原，南自海南岛南端的三亚，北到大兴安岭北部的漠河，从海拔－70米的吐鲁番盆地到海拔5300米、邻近珠穆朗玛峰

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的地区，从海洋到陆地，从平原、丘陵到高原、高山，从热带到寒温带，从干旱区到湿润区，某各主要地理区域内大都有某院的野外站分布，如图1所示。目前在全国除港澳台之外的31个省级行政区中，仅天津、上海两市和山西、福建两省没有某院所属的资源环境科学类野外站分布（在福建厦门曾设有海洋生物试验站，现已停止工作）。除在我国领土、领海设立野外站外，某院还在南极设有2个地磁观测台（依托长城站和中山站）。

野外站类型多样。91个野外站中，大气观测站占2个，特殊环境或灾害监测研究站（以下简称特殊环境与灾害站）8个，地球物理参数监测站（以下简称地球物理站）6个，遥感试验站1个，生态系统监测试验研究站（以下简称生态站）71个，生物试验站3个。特殊环境与灾害站包括监测研究冰川、积雪、冻土、沙漠等主要特殊环境的野外站和监测研究泥石流、滑坡等山地灾害的野外站；地球物理站包括观测地磁场的地磁台和进行重力测量及空间大地测量的动力大地测量站；生态站包括农田生态站、复合农业生态站、森林生态站、草地生态站、荒漠生态站、湿地生态站、湖泊生态站、海湾生态站、海洋生态站；生物试验站包括淡水生物试验站和海洋生物试验站，其中农田生态站、森林生态站、草地生态站等又分别包括多种类型。各类台站的类型分布如表1所示（由于学科交叉和某些台站具有多重任务，上述分类只是粗略和相对的）。

野外站的选址标准因台站类型的不同而不同，但站址的确定都要经过大量的调查、踏勘工作，先初选若干个候选站址然后遴选最优站址，最后进行严格论证。某院资源环境科学领域现有野外站，空间分布较为合理，类型较为齐全，体系较为完整。

表1 某院地学和生物学类野外台站类型分布

类别（台站个数） 台站名称 香河大气综合观测试验站 大气观测站（2） 平凉雷电和雹暴观测站 天山冰川观测试验站 天山积雪雪崩试验观测研究站 格尔木青藏高原综合观测研究站 特殊环境站（6） 阿克苏水平衡试验站 特殊环境与灾害站（8） 珠穆朗玛冰雪大气研究站 察尔汉盐湖站 东川泥石流观测研究站 山地灾害站（2） 金龙山滑坡观测试验站 漠河地磁台 北京十三陵地磁台 三亚地磁台 地球物理站地磁台（5） （6） 南极中山地磁台 南极长城地磁台 固体潮站（1） 动力大地测量实验站（武汉） 遥感试验站（1） 长春净月潭遥感试验站 禹城农业综合试验站 封丘农业生态试验站 海伦农业生态试验站 沈阳农业生态试验站 栾城农业生态系统试验站 农田生态站（11） 长武农业生态试验站 常熟农业生态试验站 生态站（71） 南皮生态农业试验站 大安农业综合试验站 怀远砂浆黑土综合治理基地 无锡FACE研究基地 红壤生态试验站（鹰潭） 复合农业生态站千烟州红壤丘陵综合开发试验站 （20） 桃源农业生态系统综合观测试验站 盐亭紫色土农业生态试验站 3

简称（图1中） 香河 平凉 天山冰川 天山积雪 格尔木 阿克苏 珠峰 察尔汉 东川 金龙山 漠河 十三陵 三亚地磁 南极中山 南极长城 武汉 净月潭 禹城 封丘 海伦 沈阳 栾城 长武 常熟 南皮 大安 怀远 无锡 鹰潭 千烟洲 桃源 盐亭 可行性研究报告

安塞水土保持综合试验站 固原生态试验站 喀佐农业生态试验站 拉萨高原生态试验站 秭归生态环境实验站 甘旗卡农牧试验站 海兴海岸带综合开发实验站 万县生态环境实验站 神木水蚀风蚀交错带生态环境试验站 环江喀斯特生态站 清镇喀斯特生态环境综合实验站 保山西庄河流域生态观测站 元谋水土流失综合整治试验站 下红庄生态农业试验站 宁南山区持续发展实验站 青藏高原东部农牧生态系统保护与发展研究站 长白山森林生态系统定位研究站 鹤山丘陵综合试验站 北京森林生态系统定位研究站 贡嘎山高山生态系统观测试验站 会同森林系统定位试验站 鼎湖山森林生态系统定位研究站 西双版纳热带森林生态定位研究站 茂县山地生态系统定位研究站 九连山森林生态系统定位站 哀牢山森林生态研究站 小良热带人工森林生态系统系统定位站 神农架生物多样性定位研究站 子午岭林区土壤侵蚀与生态环境观测站 宜川森林水文和水土保持效益监测站 太行山山地生态系统试验站 九寨沟自然生态景观观测试验站 天目山景观生态观测试验站 内蒙古草原生态系统定位研究站 海北高寒草甸生态系统定位研究站 巴音布鲁克草原生态试验站 鄂尔多斯沙地草地生态研究站 巫溪红池坝南方草地牧业生态系统综合试验站 沙坡头沙漠研究试验站 阜康荒漠生态系统观测试验站 奈曼沙漠化研究站 临泽综合试验站 策勒沙漠研究站 莫索湾沙漠研究站 吐鲁番沙漠研究站 乌兰敖都荒漠化生态试验站 大兴风沙治理试验站 延津治沙试验站 三江平原沼泽湿地生态试验站 江汉平原小港湿地生态试验站 东湖湖泊生态系统试验站 太湖湖泊生态系统试验站 滇池生态系统试验站 大亚湾海洋生物综合试验站 胶州湾海洋生态系统定位研究站 海南热带海洋生物实验站 东山水体农业试验站 湛江海洋经济动物试验站 汕头海洋植物试验站 安塞 固原 喀佐 拉萨 姊归 甘旗卡 海兴 万县 神木 环江 清镇 保山 元谋 下红庄 宁南 红原 长白山 鹤山 北京 贡嘎山 会同 鼎湖山 版纳 茂县 九连山 哀牢山 小良 神农架 子午岭 宜川 太行山 九寨沟 天目山 内蒙 海北 巴音布鲁克 鄂尔多斯 红池坝 沙坡头 阜康 奈曼 临泽 策勒 莫索湾 吐鲁番 乌兰敖都 大兴 盐津 三江 小港 东湖 太湖 滇池 大亚湾 胶州湾 三亚 东山 湛江 汕头 森林生态站（17） 草地生态站（5） 荒漠生态站（10） 湿地生态站（2） 湖泊生态站（3） 海湾生态站（2） 海洋生态站（1） 淡水生物站（1） 海洋生物站（2） 生物试验站（3） 4

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三、发展历程

某科学院建院之初，就开始了野外站的建设工作。从资源环境领域野外站数量分析，可把近50年来野外站的发展分为4个阶段：①五十年代──起步阶段，②六十年代──停滞阶段，③七、八十年代──加速发展阶段，④九十年代──稳步发展阶段，如图2、图3所示。

某院于五十年代初就开始建立资源环境科学领域的野外站，于1952年建立烟台海洋生物试验工作站（该站现已停止工作）。现有野外站中，沙坡头沙漠研究试验站和武昌时辰站（后与武昌固体潮基准站合并为现在的动力大地测量实验站）建立时间最早，均建于1956年。现有野外站

新建台站数量25201510507218137818每5年新建野外台站数量动态（不包括已移交和停止工作的站）221009080706050403020100野外台站总数逐年动态（不包括已移交和停止工作的站）中有7个建于五十年代，这一阶段可称为野外站的起步阶段。六十年代，野外站建设落入低谷，相关工作基本停滞，十年仅建3个站，这一阶段可谓野外站的停滞阶段。七、八十年代，

05050505~6~6~7~7~8~8~9~9时 间 段野外站数量逐年加速增长，20年内共建野外站61个（占目前野外站的67％），此阶段可称之为野外站的加速发展阶段。此阶段末，某院野外站的基本格局已经形成。九十年代，某科学院更加注重野外站质量的提高，野外站建设转入稳步发展阶段，10年内新建15个站。

在某院野外台站建设史上，对于台站建设具有深远影响的主要事件有5件，即：①1986年召开的某科学院第一次野外观测试验站工作会议，②1987年决定实施的野外台站开放制度，③1988年开始筹建某生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network, CERN），④1997年召开的某科学院第二次野外观测试验站工作会议，⑤2001年决定完善和构建资源环境领域体系完整的4大野外观测试验站网络。

第一次野外观测试验站工作会议明确了野外台站在促进学科发展和服务于经济建设方面的作用和地位。会议要求：贯彻“开放、联合”精神，加强综合试验研究，建立仪器设备的定期维修和标定制度，保证各项观测试验数据和资料的规范化、标准化。这次会议对于野外站建设和工作的制度化、规范化和标准化起到了十分重要的促进作用，为开放制度的建立和CERN的建立奠定了良好的思想基础。

某科学院于1987年决定采用国家重点实验室的运行机制和管理办法，实施野外站开放

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96~2001956196119661971197619811986199101956年1959年1962年1965年1968年1971年1974年1977年1980年1983年1986年1989年1992年1995年1998年2001年

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制度，选取部分站作为开放站，设立开放基金，供院内外科研人员申请。现已批准15个基础较好的野外站对外开放（1988、1989、1990、1997年分别批准5、3、3、4个站对外开放）。开放制度的实施，有效地促进了野外站作用的充分发挥，促进了学科交叉与发展，也进一步提高了野外站的地位。

某科学院于1988年开始筹建CERN。CERN现拥有29个生态站、5个学科分中心和1个综合中心，已成为在国际上具有重要影响的国家级生态网络，与美国长期生态研究网络（LTER Network）和英国环境变化网络（ECN）并称为世界三大国家级生态网络，是国际长期生态研究网络（ILTER Network）和全球陆地观测系统生态网络（GTN-E）的发起成员。CERN的建立是野外站建设工作的一次飞跃，它克服了单站监测和研究的局限，使得在我国开展生态学对比研究成为可能，可为国家的宏观决策提供更全面系统的科学数据。世界银行贷款项目和国家“八五”大中型基建项目的完成，大大提高了CERN开展监测、研究和示范的能力。

某科学院第二次野外观测试验站工作会议于1997年召开，会议建议国家有关部分要像重视实验室一样重视野外站，要像建立国家重点实验室一样建立国家重点野外站。这一建议得到国家科技部的高度重视并予以采纳。科技部从1999年开始开展国家重点野外科学观测试验站的试点工作，从而使全国野外科学观测试验站的工作迈上一个新的台阶。

某科学院于2001年决定完善和构建资源环境科学领域体系完整的4大台站网络：CERN、地磁台链、特殊环境与灾害监测研究网络、区域大气本底监测研究网络，并通过综合数据交换中心将4大网络联为一体，实现数据共享。目前这一工作正在实施。该项任务的完成，必将大大提升某科学院乃至我国野外监测、试验和研究的能力，为学科发展和国家建设做出重大贡献。

四、主要成就

1．野外工作和生活平台基本建立

某科学院历来重视野外站的建设，通过投入专项经费和积极争取国家支持等多种方式，加强野外站仪器设备及相关配套设施建设，加强野外工作和生活用房、站区环境等基础设施建设，改善野外站交通与通讯状况。“七五”期间，该院投入1600万元专项经费用于野外站建设；“八五”期间，争取到世行贷款2000万美元和国家大中型基建项目经费4500万元并自筹241万元，用于生态系统研究网络（CERN）和生物多样性研究信息管理系统的建设。

目前，大部分野外站（其中包括全部院开放站和CERN站）都具有较为齐备和良好的野外观测设施、野外观测仪器、室内分析仪器、计算机系统，水、电等配套设施较为齐备的工作和生活用房，相对好的交通与通讯条件，为长期野外工作和生活构筑了良好平台。某院野外站已经成为承担和实施国家自然科学基金项目、国家科技攻关计划项目、国家高技术研究发展计划（863）项目、国家重点基础研究发展规划（973）项目、某院知识创新项目的重要力量，国家大科学工程的重要依托力量，国际合作的重要窗口和实施平台。

2．数据积累丰富

长期监测与定位试验是野外站最基本的任务。81个野外站中，大部站具有较长的建站历史，只有18个站的建站历史不足10年。各站通过长期的监测与试验，已经积累大量的科学数量。以CERN的25个陆地生态站为例，仅就网络统一规定的必测项目而言，每年获取的气象与辐射观测数据量达480MB以上，土壤观测与分析数据量达4MB以上，生物观测与分析数据量达3MB以上，水分观测与分析数据量达18MB以上。

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多数站的数据为数字化数据，由数据库管理系统进行管理。CERN各站最近3年的数据已全部进入数据库并通过联网进行数据共享，历史上积累的大部分数据也已整编和入库完毕。多站、多要素、多年积累的大量野外监测与试验数据为开展科学研究尤其是全球变化研究提供了宝贵的第一手资料，为国家的宏观决策提供了科学依据。

3．创新成就显著

各野外站通过长期的野外观测与试验并结合室内模拟试验、计算机模拟和遥感等多种手段，在理论研究方面取得重要进展，尤其是在泥石流、滑坡等山地灾害的形成机制，沙丘流动机制，干旱区水分平衡规律，黄土高原水土流失机制，各主要类型生态系统的结构功能及其生产力形成机制等方面做出了卓有成效的理论贡献，得到了国际同行的高度评价。

东川泥石流观测研究站在泥石流观测实验方法与技术，泥石流发生、流动、堆积机理研究，预警预报技术等方面取得了重要创新性成果，部分成果达到国际先进或领先水平。该站全面探讨了泥石流的侵蚀、搬运与干堆积过程，深入分析了泥石流的流态和流变特征，建立了泥石流流速、流量、冲击力计算公式，建立了泥石流发展过程模型，提出了泥石流规模预测理论与方法。暴雨泥石流预报模式的准确率达85%，预报提前时间达20～分钟；泥石流地声报警和超声波泥位报警系统的准确率达90%。

沙坡头沙漠试验研究站在干旱沙漠地区风沙物理及风沙环境、水分平衡规律、植被演替规律、生物多样性等方面均有重要研究成果。该站系统地研究了腾格里沙漠的成因与环境－气候的变迁，通过野外风洞实验研究了不同形状沙丘的稳定性、形态动力学及其土壤风蚀，丰富发展了气固两相流风沙地貌理论，奠定了某风沙物理的理论基础。在揭示干旱沙漠地区“土壤－植被－大气”连续体（SPAC）水循环规律、植物对生境胁迫的生理适应机理、植被演替规律、生物多样性形成与发展过程、微生物结皮过程等方面也有重要发现。

除了东川站、沙坡头站，其它各站在理论创新方面也各有建树。据初步统计，某院15个开放站在1994～1997年的4年间共发表学术论文2024篇，出版专著76部（其中外文专著10部），获得省部级以上奖项50项（其某家三等奖或省部级一等奖以上奖励12项）；CERN的29个生态站在1996年1月1日～2002年3月1日期间发表论文5022篇（其中SCI论文304篇），获省部级二等奖以上奖励41项。

4．满足国家需求成绩显赫

某科学院资源环境科学领域的大部分野外站是为了解决国家当时所面临的紧迫的资源环境问题而建立的，它们一开始就以满足国家需求为首要任务，在长期发展过程中，为减灾防灾、流沙控制、水土保持、生态重建、中低产田改造等做出了重大贡献。

东川泥石流观测研究站在减轻泥石流危害和治理受破坏地区等方面做出了重要贡献，为国家减灾与生态环境建设提供了重要的决策依据。我国深受泥石流灾害的危害，泥石流每年给我国造成约20亿元的经济损失和约500人的人员死亡，而且严重加剧土地砂石化、水土流失和生态环境退化。东川站建立的暴雨泥石流预报预警系统应用于长江上游地区，大大减少了泥石流造成的财产损失和人员伤亡；对30余条泥石流沟实施综合治理获得成功；探索出了泥石流防治工程可行性评估的模型实验系统技术与方法，大大节约了泥石流防治工程投资。

沙坡头沙漠试验研究站基于大量监测和试验，研究提出的“以固为主，固阻结合”的沙区铁路防护体系模式的应用，确保了穿越流动沙丘的包兰铁路自1958年通车以来40余年的畅通无阻，直接经济效益逾百亿元。“包兰线沙坡头地段铁路治沙防护体系的建立”于1988年荣获国家科技进步特等奖。这一成功模式得到了广泛推广，如在塔克拉玛干石油公路、甘武线、京通线、南疆和乌吉线建设中得到广泛应用，在马里共和国绿色屏障体系建

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设中的也得到成功应用。这一模式对于西北地区今后的生态建设也具有特别重要的意义。

位于黄土高原的多个野外站（包括安塞站、固原站、长武站等）经过几十年的观测、试验与研究，取得了一批既可防治水土流失又可发展地方经济的重要成果，为黄土高原的综合治理和经济发展做出了重要贡献。“黄土高原综合治理定位试验研究”荣获国家科技进步一等奖。

位于黄淮海平原的多个农田生态站（包括封丘站、禹城站等）在黄淮海平原旱涝碱综合治理、中低产田改造方面做出了重大贡献。以这些站的监测、试验和研究为基础提出的井灌井排旱涝碱治理技术，“井、沟、平、肥、林、改”治理旱涝碱综合技术，重盐碱地、渍涝洼地和风沙地综合配套治理技术，治理区生态稳定性和农区畜牧业发展技术，使黄淮海平原大面积的中低产田得到治理，粮食产量从过去的亩产194公斤上升到现在的508公斤，农村经济也快速发展。“黄淮海平原中低产地区综合治理的研究与开发”于1993年获得国家科技进步特等奖。

5．高素质的人才队伍基本形成

野外站是重要的研究基地，它吸引了一批优秀科学家来站工作，野外站同时又是重要的人才基地，它培养、锻炼出一批高素质的监测人才和研究人才。大部分野外站都拥有一支学科结构、年龄结构都较合理的高水平人才队伍，可以培养硕士研究生、博士研究生。以CERN的29个野外站为例，平均每站拥有高级职称人员10人，具有博士学位人员7人。

五、发展规划

某科学院已经制定规划，在“十五”期间投资1.6亿元，建设和完善体系完整的4大野外站网络和1个综合数据交换中心。将台站网络建成仪器设备先进、生活设施齐备、通讯与交通畅通、具有国际水平的长久性科学观测与研究基地，先进科学技术成果试验、示范和推广的基地，优秀科学人才的培养基地，高度开放的国内、国际学术交流基地，具有某特色科学成果的展示基地；将综合数据交换中心建成具有国际先进水平的数据存储、处理、交换中心。

1．完善生态系统研究网络（CERN）

完善CERN现有的29个生态站、5个分中心和1个综合中心，增补6个左右生态站进入CERN，使CERN更全面地覆盖我国主要生态类型区，成为具有国际先进水平的生态监测与研究网络，为生态学研究、全球变化研究提供长期、系统的科学数据，为我国生态与环境保护、资源合理利用和国家可持续发展提供科学的决策依据和科技支撑。

2．完善地磁台链

完善现有的漠河、北京和三亚3个地磁台，使之构成纵贯我国大陆南北的地磁台链，跻身国际前沿，在地球物理和空间物理基础研究、近地环境服务、勘探、航天、国防军事应用、国际合作和资料交换等方面发挥重大作用。使北京台（已入INTERMAGNET国际台网）3年内达到国际一流水平，成为东亚大陆标准地磁台；漠河台3年内加入INTERMAGNET国际台网；三亚台于2002年初步建成，3年内成为国际认可的地磁台，5年内达到国际先进水平。

3．建成特殊环境与灾害监测网络

以现有野外站为基础，在我国（特别是西部地区）特殊资源（如冰川）分布区、特殊灾害（泥石流、冰雹）频发区以及特殊自然环境地区（冻土区、新疆绿洲－荒漠地区等）等区域加强对8个定位观测研究站的建设，构成特殊环境与灾害监测网络，确保资源与灾害、环境变化数据的正常获取，实现以下目标：

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? 为相应学科的发展积累长序列基础数据；

? 为特殊资源的合理利用、特殊灾害的防治、重大建设工程（青藏铁路）的建设与

维护、特殊地区生态环境保护提供科学依据； ? 为全球环境变化研究提供基础资料。 4．建成区域大气本底观测网

从CERN和特殊环境与灾害监测网络中选取6个左右野外站，添置必要的仪器设备和设施，建成可观测我国主要温室气体（CO2，CH4，N2O，O3，CFCS）大气背景浓度的监测网，持续、系统地监测温室气体及对全球C、N、S、P、O循环有重要影响的微量气体和干湿沉降中的重要化学成份，为有关科学问题研究提供基本数据，为制定我国温室气体减排政策、为我国政府在国际气候变化事务谈判中争取主动权提供科学依据。

5．建成资源环境生态数据交换中心

建设具有国际先进水平，具有足够容量、处理能力和网络带宽，为4大网络和广大用户提供资源环境生态数据存储、处理、交换、共享服务的计算机系统。

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千烟洲（左）和鼎湖山（右）实验站新建设的通量观测塔

森林冠层顶部与下部的开路涡度相关测定系统（上）

闭路涡度相关测定系统和CO2/H2O浓度剃度测定系统的分析一起仪器（下）

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