麦田底下藏着什么？中国科学家守了40年
麦田底下藏着什么？中国科学家守了40年
6月上旬，山东禹城。正午的阳光把麦田晒得发烫，空气里弥漫着淡淡的麦草香气。李发东穿过金黄色的麦垄，俯身掀开一块白色油漆已斑驳的长方形铁盖子，转身踩着洞壁的铁梯向下爬。
“下来看看。”李发东说。他是中国科学院禹城综合试验站（以下简称禹城站）站长、中国科学院地理科学与资源研究所（以下简称地理资源所）研究员。
记者跟着李发东的指引往下走，很快感受到沁人的凉意。下到底层，温度计显示：15℃——比地面降低了20多度。“太凉快了！”
原来不是地窖！两层楼高的地下空间里，矗立着一个巨大的金属装置——大型称重式蒸渗仪，白色油漆已经泛黄。这个“大家伙”有一个方形底座，上面放置的圆形土柱高5米、重36吨，被50根钢丝牢牢吊起。李发东告诉记者，它就像一个巨大的秤——能像“曹冲称象”那样，精确捕捉土柱内水分蒸发、渗漏变化，精度高达60克。
“这是禹城站的‘传家宝’。”李发东说，自1990年建成至今，它已连续36年不间断记录土壤蒸发、作物蒸腾数据，形成一本本农田水土变化“账本”。
李发东介绍大型称重式蒸渗仪。冯丽妃摄
作为我国第一批国家野外科学观测研究站，禹城站的“传家宝”远不止这一处。四十余年来，一代代中国科学院人扎根这片旷野，建立了高空、地表、地下全域长期监测系统，将盐碱荒地变成“吨粮田”。从这里诞生的一项项技术，也辐射到全国，乃至“一带一路”沿线国家。
禹城站。冯丽妃摄
几代人的“传家宝”
从禹城市中心向南约12公里，一条乡间公路旁的麦田里，矗立着一座60米高的铁塔，如巨型“探针”直插苍穹。
这就是禹城站所在地。夏季金黄色的麦田里，高高低低的仪器设施错落站立。铁塔就是其中“资历最深”的传家宝之一。它修建于1984年，由老一辈科学家谢贤群、叶芳德等人筹建，分层布设传感器，连续监测大气边界层垂直变化，是当时国内农田生态系统最先进的观测设施。
李发东2003年第一次到访禹城站时，铁塔还没有自动化传输设备，科研人员要顶着夏日高温、冬日寒风，徒手攀爬记录数据。“铁塔是我们空中观测的起点。”他说，“无人机只能做瞬时遥感，无法复刻铁塔积累的长期连续边界层数据。”
铁塔下的观测场同样承载着时光印记。气象观测场内的白色百叶箱里，干湿球温度计、地温计等一字排开；老一辈科学家设计的一台形似古老相机的日照时数观测仪，利用小孔成像在暗盒里描摹太阳轨迹——从1979年沿用至今，留下近半个世纪的光照原始数据。1985年建成的水面蒸发场，汇集了中、美、俄17套蒸发设备——这是国内类型最多、观测历史最长的水面蒸发设施。“这是南水北调东线调研的科学遗产。”李发东说，“当年，老一辈科学家刘昌明等人做完调研，觉得这些设施来之不易，不舍得扔，就搬到了禹城。”
水面蒸发观测场鸟瞰。王体瑶、王铄摄
工作人员在采集数据。冯丽妃摄
在地下，除了大型称重式蒸渗仪之外，麦田一角的玻璃房入口下还有一个“镇站之宝”——2020年建成的地下水-农田生态系统关键过程综合试验模拟装置（GAS）。其建筑面积约4500平方米，下沉到地下10米，三层楼高——每往下走一层，凉意就添一分。站在廊道里，能看到不为人知的地下世界：16个5米×10米的大型封底土柱内的水土状态、根系生长情况。
这个“国之重器”的建设源于禹城站的科学家们对区域地下水危机的科学预判。禹城站近20年的监测数据显示，黄河下游引黄灌区地下水位持续快速下降——冬小麦返青和抽穗期若叠加引黄水短缺，水位可短时降至7米以下。地下水持续下降会如何改变土壤结构？作物生长会作何响应？会带来哪些生态环境效应？这些问题在自然条件下难以系统研究。
GAS地上部分外观。冯丽妃摄
正是在这样的背景下，2012年，老站长欧阳竹和同事们提出建设一个能够精准控制地下水位的科学装置。如今，装置已稳定运行五年，通过模拟不同地下水位情景，科学家可以拆解水位变化对农田返盐、固碳、作物生长的影响。
“以前只能复盘过去四十年水土变化。”李发东说，“现在可以主动模拟未来几十年地下水管控、气候变化带来的农田演变。”
李发东介绍GAS底下水位调控系统，该系统每15秒收集一次数据。冯丽妃摄
时间的力量
每天早上7点多，工作人员刘玉连、隋秀兰会骑着电摩准时来到气象观测场和水面蒸发观测场，记录每台仪器上的数据。然后，下午两点、晚上八点，再次记录。
从1979年禹城试验站正式挂牌，1983年获批“中国科学院禹城综合试验站”，1999年成为我国第一批国家野外科学观测研究站，这样的观测已持续四十多年，换了好几茬人，但观测却一年365天——从未间断过，风雨无阻、雷打不动。
“观测的意义在于发现。”禹城站执行站长、地理资源所研究员李静说。四十余年数据积累，正在回答关乎粮食安全与环境安全的重大命题。
水是农业的生命线，也是禹城站研究的核心方向。观测数据表明，华北平原存在“蒸发悖论”——全球变暖温度升高，蒸发量理应增加，但实测数据却显示持续下降。李发东解释，除气温外，蒸发量还取决于到达地表的太阳辐射。由于工业化进程中排放的气溶胶像“遮阳伞”一样削弱了辐射，蒸发随之减少；但2010年以来大气治理成效显现，蒸发量又开始回升。
“蒸发悖论在华北的表现，本质上是人类活动改变大气成分，进而影响地表过程的真实写照。这个规律，没有40年的数据是看不出来的。这就是时间的力量。”李发东说。
地下水是另一个重要监测对象。“我们可以看一下，今天的地下水位是3.94米。”李发东指着水位测量设施上的数据说，长期数据表明，禹城地下水位整体呈下降趋势，通常在1.5米到4.5米之间波动，灌溉高峰期可短时降到7米以下。水位变化会直接影响农田生态。通过蒸渗仪、GAS装置反复试验，研究团队确定了2到4米的安全水位区间——太浅会返盐，太深作物会受旱。
不过，近几年，在南水北调和地下水超采治理等综合作用下，当地水位开始缓慢回升。“这些观测既指导了当地农户灌溉，形成的技术还推广到东北黑土地、东营滨海盐碱地。”李静说。