针对大江大河源区冰冻圈水文过程与高山区生态水文过程耦合，水循环变化规律独特而复杂的特点，在长江南源选择布曲流域作为观测研究区域，重点围绕冰川、冻土、积雪寒区水文三要素，基于物联网、边缘计算、现代测绘技术构建多套自动观测系统开展涵盖冻土水热过程、冰川积累消融过程、融雪径流过程、湖泊水量平衡过程等关键水循环过程的在线观测。

图1 水循环多要素过程自动观测站网布设示意图

       多要素气象观测系统。气象观测数据是水循环过程研究的重要基础，为了掌握区域整体气象条件及关键过程的气象环境参量，在布曲流域布设气象观测站10余套，常规监测项目包括气温、空气湿度、气压、风速、风向、降水、辐射等，数据采集频次为10分钟 /次，实现长期连续自动观测。还根据需要补充有涡动系统、雨滴谱仪等设备，可实现感热通量、湍流（Cn2）、降水类型、日照时数等自动观测，辅助用于水文监测模拟、卫星监测数据地面验证、湍流特点、边界层能量平衡研究。

       冻土活动层水热变化观测系统。冻土活动层水热变化观测系统主要针对冻土活动层内部不同深度的地温和水分变化过程进行连续的监测。分别选取高寒草甸、高寒草地、稀疏草地、裸地等不同土地利用覆被类型的代表性点位，在约1米深的范围内均匀布设10层土壤温度、湿度传感器以及3层土壤热导率传感器、土壤水势传感器，实现不同深度的土壤温湿度、热导率及水势监测，数据采集频次为10min/次。同时配备多要素气象站同步观测气象环境因子。

       融雪径流观测系统。为了观测山区不同代表性地貌积雪消融过程中的物理特性变化，分别在山谷、坡顶、开阔地等处布设雪水当量传感器、雨雪量计、雪深、雪表温度传感器以及视频摄像头实现雪深、雪密度、雪水当量等积雪特性参数在线观测。为了掌握径流变化，在小流域出口附近，引进先进的影像测流技术，基于事先测定的河道断面，通过定期拍摄水面短视频（每次采集5s短视频），实现无示踪体条件下，全天候河流表面流速流场及流量水位自动观测，非冰封期数据记录频次为1次/小时，冰封期为1次/天。

        冰川消融观测系统。一方面通过在固定点位安装物候相机，定时定点拍摄照片（1张/小时）,采用重复摄影法，记录冰川退缩变化。另一方面，使用三维激光扫描仪配合RTK标靶定位，定期对冰川表面进行多次扫描和拍照，快速采集冰川表面地形，通过对比分析和建模，进而实现冰川消融和积累观测。

       高寒草地模拟增温试验场：试验平台设置在青海省杂多县，海拔4063 m，面积1000m²。试验场于2018年7月开始围栏保护并实施全面围封，于2020年布设了一套模拟增温实验设施。目前试验场主要开展植物生物多样性监测、植物群落结构监测、植物重要生态功能监测、土壤理化性质动态监测、土壤温度自动观测、土壤湿度自动观测等工作。监测数据能较为全面地反映地表温度增加过程中的植物群落、植物生物多样性、土壤水文、地表水热通量的动态变化，为研究高寒草地适应气候变化研究提供基础数据支撑。

图2 高寒草地模拟增温试验场

       可可西里盐湖-长江北源水环境观测实验场分别在楚玛尔河和通天河及盐湖及清水河布设了固定观测点，主要利用多参数水质分析仪、流速仪、水深仪、激光测距仪等仪器设备，定期开展水体理化性质、主要阴阳离子、微量元素、土壤与沉积物理化性质化验等要素观测，为研究高原河湖演变过程、高原湖泊扩张对区域水环境影响，辨识高原河流咸-淡混合过程中水环境及水化学特征演变特征及关键影响因子，揭示盐湖扩张对长江北源水生态环境演变过程影响机理，积累第一手观测数据。

图3  可可西里盐湖-长江北源水环境观测断面布设

       鱼类栖息地和生态水文实验场于2019年设置，该实验场包括野外原位观测区和室内试验区。实验场设置的目的：在长江源气候变化敏感区，研究气候变化对鱼类栖息地的影响并开展保护措施研究。原位观测区配备Vemco超声波追踪系统、水下原位培养箱系统、水温水位全自动监测设备、ADCP、手持式高精度流速流量计等，持续观测鱼类产卵场产卵情况及栖息地生态水文特征，追踪和反演鱼类栖息地生活史。室内试验区配备先进水循环维生系统（RAS）、集约化孵化系统等，为开展关键鱼类人工繁殖、解析水温需求规律与盐度耐受力阈值、分析产卵场泥沙含量适宜性创造条件。

鱼类栖息地和生态水文实验场

       孟宗沟小流域水土流失监测站位于青海省玉树州结古镇境内，站内设有水土流失监测场，其中，径流观测小区8个、径流小区泥沙自动监测设备2台、多参数土壤水分仪1台、自动气象站1台、小流域卡口站1处。主要开展水土流失观测和模拟分析实验。

长江源孟宗沟小流域水土流失监测站

       水土流失观测试验：2018年至今，开展高寒草地水土流失原位监测，取得了降水、径流、泥沙等观测数据，并进行原位取样，通过室内理化性质测试分析，获取变化环境下的土壤植被理化性状数据，结合土壤及植被野外观测数据，为高寒草地土壤侵蚀过程、影响因子、侵蚀量测算及治理措施提供基础数据支撑。

       径流冲刷模拟试验：2019年至今，取江源原位土样，在江源基地内开展了径流冲刷试验，获取冲刷过程水动力学参数和侵蚀量数据等，研究高寒地区土壤侵蚀影响机制，为该区土壤侵蚀过程机理的研究，以及评价水土保持效益和措施优化配置提供参考。

       针对高寒沼泽湿地碳循环变化规律不明、易受气候变化影响的特点，选择位于长江南源当曲的查旦湿地作为观测研究区域，重点围绕水-气、土-气、草-气三种下垫面，基于多源遥感解译和原位观测，定期在查旦湿地进行不同下垫面碳通量观测。该观测场位于青海省玉树州查旦乡境内，固定观测点分布于当曲源头及当曲干支流

长江源查旦湿地碳通量监测点分布

       高寒沼泽湿地温室气体碳通量观测系统。高寒沼泽湿地生态系统的碳通量原位监测是探究碳通量变化规律的重要基础。为了获取高寒沼泽湿地不同下垫面的温室气体碳通量，在查旦湿地的河流、热熔湖塘、高寒草甸、裸地等分别选择观测位置4-10个，常规监测项目包括水-气界面二氧化碳碳通量和甲烷碳通量、土-气界面二氧化碳碳通量和甲烷碳通量、草-气界面二氧化碳碳通量和甲烷碳通量。

       高寒湿地碳储量估算监测系统。在查旦湿地的重要区域设置监测点位约20个，每年最少1次采集并恒温密闭保存水体、土壤和植被样品，在实验室分析获取水体、土壤和植被总碳含量数据。基于原位观测数据和实验室分析数据研究江源区典型高寒草甸湿地水体与土壤总碳的空间分布特征，估算典型湿地生态系统水体、土壤、植被的碳储量信息与固碳能力，评估湿地生态系统碳汇潜力。