麦田底下藏着什么？

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。李发东穿过金黄色麦垄，俯身掀开一个白色油漆已剥落的长方形铁盖子，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。

GAS地上部分外观。

禹城站。冯丽妃/摄

《中国科学报》记者跟着李发东往下走，很快感受到沁人的凉意。下到底层，温度计显示：15摄氏度——比地面低了20多摄氏度。“太凉快了！”

这不是地窖。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，表面的白色油漆已经泛黄。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，称重精度高达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“账目”。

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”远不止这一个。40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已辐射到全国，乃至“一带一路”共建国家。

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排布。铁塔是“资历最深”的另一个传家宝。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，“无人机只能开展瞬时遥感观测，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，留存了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、俄的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观测设施。“这是南水北调东线调研留下的科学遗产。”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，就把它们搬到了禹城。”

在地下，除了大型称重式蒸渗仪之外，麦田一角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）。该装置建筑面积约4500平方米，整体下沉至地下10米，共3层楼高，每往下走一层，凉意便增添一分。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？又会引发哪些生态环境效应？这些问题在自然条件下难以系统研究。

正是在这样的背景下，2012年，时任站长欧阳竹和同事提出建设一套能够精准控制地下水位的科学装置。如今，该装置已稳定运行5年多，通过模拟不同地下水位情景，科学家可以解析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40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。”

时间的力量

每天早上7点多，工作人员刘玉连、隋秀兰会骑着电动摩托车准时抵达气象观测场和水面蒸发观测场，记录每台仪器上的数据；下午2点、晚上8点，还要各记录一次。

从1979年禹城站正式挂牌，1983年获批定名“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40多年。工作人员换了一茬又一茬，但观测却全年365天从未中断，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，40余年数据积累，是为了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。长期观测数据表明，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年的数据积累是看不出来的。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。

可喜的是，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。“这些观测指导了当地农户灌溉，形成的技术还推广到东北黑土地、山东东营滨海盐碱地。”李静说。

养分平衡的答案同样藏在时间里。1987年设计的长期养分平衡试验场，制定了不施肥、缺氮、缺磷、缺钾、氮磷钾全施5种观测方案，39年连续观测从未间断。现场可以看到，缺磷的地块麦子矮小发黄；零施肥的地块麦秆更矮、麦穗更小，而且长了芦苇等盐碱地植物。“这说明土壤在退化，反过来也证明施肥对维持农田生产力是必要的。”李发东说。

那么，长期施用化肥是否会造成生态崩溃？试验显示，施用30多年化肥后，土壤pH值从9降到了7左右，生态系统并没有崩溃。“但如果降到5~6，那就麻烦了，所以我们一直在监测、调整。科学家不会等着生态崩溃，而是在掌握规律的基础上不断优化。”李发东说。

如今，禹城站已建成完善的长期定位监测体系，从水、土、气、生、遥感等多个维度，实现了上百项指标的精准监测，为农业科学研究、生产管理和生态环境保护提供决策支撑。

李发东常说：“单日的数据意义不大，但积累10年、30年、100年，就变得无比珍贵。就像英国洛桑试验站，1843年建站，历经两次世界大战，监测从未中断，其1克土壤样本的价值堪比黄金。而禹城站才40多年历史，我们的目标是做成‘百年老站’。”

这些平台也是人才培养的沃土。目前，禹城站在读博士生24人、硕士生10人，其中包括留学生5人，已累计培养30余名海外高层次农业人才。李发东在中国科学院大学（以下简称国科大）开设的“生态系统监测与实践”等课程，每年有20个到站实习名额，选课一经开放便“秒光”。此外，国科大还有6门主干课程依托禹城站野外平台开展实操教学。

来自中国科学院贵阳地球化学研究所的博士生黄爽锐，正在站上搭建监测设备，研究土壤与大气界面的汞交换通量。“禹城站是平原农田的典型代表，科研基础很好，对校外研究者完全开放。”他说，这正是禹城站作为国家级野外台站的功能——不仅是地理资源所的科研阵地，更是全国科研工作者共享的平台。

经验辐射海内外

在距离禹城站30多公里的北丘洼，鸡、鹅、羊在圈里悠然觅食，周边是百亩麦田和蔬菜大棚——这里落地的正是禹城站开发的北丘生态循环农业模式。

“种植业为养殖业提供饲料，畜禽粪便与秸秆发酵转化为有机肥，再还田改良土壤，实现资源高效利用与环境保护的统一。”李静介绍，这一模式不仅吸引了周边地区企业和农业合作社前来考察学习，其经验和技术也被推广至全国其他地区。

“一定要把论文写在大地上。”去年首任站长唐登银重回禹城站，由青年科学家、地理资源所助理研究员李兆负责接待，对于前辈的这句嘱托李兆始终铭记于心。

禹城因大禹治水而得名，这片位于黄河下游的土地，是黄淮海平原农田生态系统的典型代表。当地80万亩耕地中，曾有半数旱、涝、碱、沙“四害”俱全，春天白茫茫一片，粮食亩产不足百公斤。1966年，遵照周恩来总理指示，国家科委、中国科学院与山东省辈同创建了禹城旱涝碱综合治理试验区。中国科学院百余名科研人员扎根于此，与禹城人民并肩作战、治沙改碱。1988年，中国科学院启动“农业科技黄淮海战役”，至1993年，这片重灾低产区粮食总产净增56亿公斤。“现在，高中地理课本里介绍的黄淮海平原中低产田改造，讲的就是我们这儿的事。”禹城站工作人员于延春自豪地说。

“禹城站的科研氛围很浓。”禹城市副市长李壮在接受《中国科学报》采访时说，黄淮海大开发是禹城三大文化名片之一，禹城人民对于这段历史心存感激。如今，昔日的盐碱地已蝶变为“吨粮田”，2025年禹城市10万亩田地年亩产超1500公斤。市政府正在联合禹城站编撰《禹城农业综合开发志》，重温这段历史。

不止于此，禹城站技术已辐射到更远的地方：山东东营滨海盐碱地建起4000亩种养循环示范区；东北黑土区2000亩示范区开展旱地高标准农田建设；禹城站还与石河子大学合作，在新疆开展节水灌溉技术示范。技术输出还延伸到国外，落地莫桑比克、埃塞俄比亚、卢旺达、乌兹别克斯坦……

2024年，禹城站获批“国家生态质量综合监测站”，实现了从农田生态系统观测到区域生态质量监测的跨越。对于未来，李发东目标清晰：“近期完成当前项目，中期建成有国际影响的台站，长期实现农业可持续发展。”

“老一辈把接力棒交到我们手上，我们要做的是把它传承好，并在这个基础上创新，这是我们的责任。”李发东说。