人物｜从一口井，读出大地的秘密

探访中国科学院栾城农田关键带观测平台

从一口井，读出大地的秘密

在中国科学院栾城农业生态系统试验站，有一口特殊的“井”。这口井既不出水，也不出油，而是专门为深达48米的土层出具包含水分、盐分、阴阳离子浓度等指标的“体检”报告所建。

这口井，创造了一项世界之最——它是目前国内外观测要素最全面、观测深度最大的观测设施。它的学名，叫农田关键带观测竖井。

近日，记者走进中国科学院栾城农业生态系统试验站，看看这里的人们，是如何“玩转”这口井的。

一篇论文与一口井

2022年5月，位于中国科学院栾城农业生态系统试验站的农田关键带观测竖井入口。  李红军供图

2024年1月2日，中国科学院栾城农业生态系统试验站（以下简称“栾城站”）。正午阳光照射下，覆盖在麦田上的冰雪一点点消融。

水分入渗土壤难以肉眼观察，但在这片农田里，水分在土壤中的“行踪”却尽在掌握。

“这片麦田下边，建设了一个大型农田关键带观测平台。”中国科学院遗传发育所农业资源研究中心副主任沈彦俊介绍。

2023年5月23日，沈彦俊的博士生吴林作为第一作者、沈彦俊作为通讯作者在国际水文领域顶级期刊《水资源研究》上发表了一篇论文。

该论文在国际上首次揭示，水分信号在华北平原典型灌溉农田深层包气带中的传导速度约为0.16米/天。论文数据，就出自该平台的一个关键设备——农田关键带观测竖井。

这口深达48米、直径2.8米的竖井，是当今国内外可同时观测土壤水势和含水量等多项指标且观测深度最大的观测设备。

依靠井壁内侧安装的128个传感器，这口井能够每隔半小时对周围土壤进行一次“体检”，包括水分、盐分、阴阳离子浓度等多项指标。

2021年10月3日至7日，栾城一带连降大雨，降雨量达164毫米。228天后，正是借助这个观测平台，在地下38米深度，吴林观测到了那场集中性强降雨的信号，并通过分析计算，得出了论文中0.16米/天的水分信号传导速度。

这篇论文研究的，正是当今国际农业的前沿研究领域——农田关键带。

中国科学院栾城站，位于华北太行山前冲洪积平原的中段，代表地下水灌区高产农业生态类型。近几十年来，这类区域进行了大规模、高强度的农业生产，但也随之出现了地下水超采、区域性生态退化、农业面源污染风险加剧等问题。

有针对性地解决这些问题，首先需要深入认知过去的地表农业种植活动，以及未来农业生产转变模式后对地下水量质的影响过程和机理。着眼于这样的科研需求，2016年，中国科学院开始在栾城站建设大型农田关键带观测平台。

这样一个大型科研平台由“三剑客”组成：除一口农田关键带观测竖井外，还包括一组由36个蒸渗仪组成的大型蒸渗仪群、5个5米高的大型试验土柱。

“这是国内第一个以‘关键带’命名的设施。”沈彦俊介绍，农田关键带概念提出后，国内外一些地区探索建设了相关研究设施。但总体来看，有的设备观测深度有限，有的观测要素单一，且设施一旦损坏无法进行维护。

综合考量下，栾城站农田关键带观测平台打出了“组合拳”——竖井用于开展原位观测，研究从作物冠层到地下水这一典型地球关键带水、热、溶质的运移及其生物地球化学循环过程；蒸渗仪则聚焦2米深根区土壤和作物系统，研究不同水肥调控下的生产力水平和水分养分平衡过程，重点关注地表—大气界面和根区下界面的水分与物质通量；土柱则重点用于开展室内控制条件下根区以下深层土体的水盐运移和污染物削减机理的控制试验研究。

沈彦俊表示，该平台设计上的最大亮点就是，三个设施各有针对，相互补充，建设这套农田关键带设施的目的是可以系统地研究农田生态系统的资源高效利用途径，以减少农业生产对环境的影响。

一锹一锹又一锹，手动挖了两年多

2022年10月，中国科学院农田关键带观测平台的5个大型土柱。李红军供图

2018年6月，站在一个已经事先在地上画好的直径2.8米的圆圈跟前，两位60来岁的农村大爷一脸嫌弃，“你们这活儿干得笨！”

他们是栾城站从附近村里找来挖“井”的临时工。

按理说，在大型工程机械施工早已普及的今天，打个48米深的井简直是“小菜一碟”。可令两个大爷没想到的是，按站里的要求，这口“井”要全程人工来挖。

不仅如此，开挖的步骤还极其繁琐。两位临时工首先要沿着事先在地面上画好的圆圈，人工挖出一条半米宽、仅能容一个人干活的环形沟。然后还要完全使用人力，沿着这条环形沟不断向下螺旋开挖。每下挖两米来深，工作人员从井内取土完毕后，还要下沉一个直径2.8米的钢圈，加固井壁，其后才能继续向下挖。

在有“基建狂魔”之称的今日中国，为什么要这么“大费周章”地挖这么一口“井”呢？

中国科学院遗传发育所农业资源研究中心青年研究员闵雷雷解释，农田关键带观测竖井立足“原位观测”，“要最大程度降低观测竖井建造过程以及设施主体对周围观测区的扰动”，以便监测到最真实的土壤数据。

为此，竖井的挖掘全部由人力手工完成。“就这么一锹一锹又一锹，手动挖了两年多。”闵雷雷笑着说。施工期间井筒周边4米范围内的地面用木板铺垫。在木板上铺设厚度约40厘米的土层，以减少施工过程中人员踩踏和设备、材料覆压等对周边土壤的夯实效应。甚至施工方在焊接钢圈时还要专门找来高水平焊接工——焊过海军舰艇。

开挖中，不仅观测井周边的原状土要保护，井筒内挖出的原状土也要应保尽保。

当时还在担任科研助理、已经取得硕士学位的吴林，就是负责保护这些原状土样的人。

“原状土样是保持自然状态含水量及土壤结构的土样，非常珍贵。”吴林说，当时这些原状土主要有两种保护利用方式。

一种是直接取样，两年里，吴林累计取得了218个高50厘米、直径10厘米的土芯样。如今，这些小土柱都被遮光保存在中国科学院栾城站的土柱实验室里。这些保存着土层最原始微生物、离子状态的小土柱，都是未来开展各项研究的储备。

另一种则是从井中取出原状土后，再风干回填到农田关键带观测平台的5个大土柱里。

那段时间，栾城站内，经常有一个微胖黝黑的小伙子开着一辆农用“三马子”，把一车又一车土拉到站内道路上，摊开风干。这就是吴林。

“挖井一共挖出来900多吨土，我按要求在不同深度取样，先后拉了200多吨。所有的土都要摊平、风干，然后人工破碎，再过2毫米筛，最后留下了20多吨土样。”吴林说，为了避免土样遭到暴晒，他一般都是白天开挖取样，晚上跑到路上去破碎。“土样是晴天怕晒，雨天怕淋，所以那两年我最盼的是阴天。”

“虽然帮我们挖井的两位大爷，到最后也没完全搞明白我们为什么要下这么大气力保护原状土，可他们一听说‘国内外几乎没有保存这么完整的深层土壤样品’，就感到特别自豪，干起活来也格外细致。”吴林笑着说。

研究生学历起步的“小工”

2021年6月，吴林在检修农田关键带观测竖井。  受访者供图

“栾城关键带观测平台的建设难点，归结起来就是，挖的时候，要少扰动、少破坏，安装设备时，又要确保安装质量，保证观测数据的准确性。”中国科学院栾城农业生态系统试验站副站长李红军介绍。

中国科学院遗传发育所农业资源研究中心研究员张广录参与了36个大型蒸渗仪的安装建设全过程，那一年多时间里，他几乎天天盯在现场。

2022年6月，烈日酷暑，蒸渗仪施工现场，20多个年轻人，正顶着烈日忙活。

这群年轻人，学历硕士研究生起步。事实上，这里集结了当时中国科学院农业资源研究中心几乎所有相关专业的硕士、博士研究生。

“为什么要高学历？一方面是这种活儿太精细；另一方面，也是为了从最基础的工作起，培养研究生们对这个平台的认知和感情。”张广录解释道。

通俗点儿说，蒸渗仪就是一个两米高的大桶。将36个蒸渗仪埋在地里，首先要将土取出，等放好蒸渗仪，再将土回填到仪器中。回填时，要尽量保持土壤原有状态——不仅不能改变原来的土层顺序，还要尽可能保持原土比重，即每立方厘米干燥土壤的重量。

在这样严格的要求之下，取土时的研究生们就像是在“做考古”：每次小心翼翼地取出20cm厚的土层，每取出一份，都要做好标记，并逐一测量干湿度，计算出土壤比重。

回填时，他们又化身成“专业和泥大师”：首先要在已经变干的土壤中加水，还原到原来的干湿度，然后将土轻轻、均匀夯实，夯实的过程中，不能砸坏里边放置的传感器，还要尽可能达到原来的比重。每回填5厘米，就要用卡尺测量一次，误差不能超3毫米……

当时盛夏，这群高学历“小工”顶着烈日酷暑，干了一个多月。

为确保后期监测数据质量，设备在投入使用前，还要经过繁琐的传感器标定环节。

所谓标定，就是检测仪器设备的测量误差。

在竖井开挖的两年里，吴林几乎每天晚上都要泡在土柱实验室里标定传感器。一个传感器需要测五六个含水量梯度，测一个梯度需要两个多小时。测出来数据后，还要计算误差、绘制校正曲线。两年里，吴林累计标定了400多个传感器。

慢工出细活。

“蒸渗仪承建方预测的测量偏差为<0.05毫米，可在一系列严格把关下，我们最终的测量偏差只有0.03毫米。”提起这些，张广录十分自豪，“一篇论文在科研上的‘有效期’往往不过十年，而一个科研平台建起来少说使用二三十年，前期设计施工搞得好，甚至可以不断更新，一直用下去。建设这个农田关键带观测平台，是要为子孙后代积累大尺度的变化趋势。国家投入了2000多万元，我们要建不好，怎么对得起国家？”

3篇论文的不同境遇

“伴随科研方法从定性研究发展到定量研究，再到现在的定位研究，提升我国的基础科研竞争力，人才和手段对于科研来说缺一不可。而手段，主要就是指科研设施。”年过花甲的张广录，对此感受很深。

十多年前，张广录曾到澳大利亚进行过为期一年的学术交流。令张广录印象深刻的是，当时他的一篇论文受到了质疑：“这里面的数据是怎么来的？”“怎么测出来的？”

“高质量数据的取得，离不开高标准平台的搭建。只有我们真正有了高水平的研究平台，我们的数据才不会被质疑。”张广录说。

在栾城站，距离农田关键带观测竖井不远，有一口8米深的旱井。

2012年至2017年间，闵雷雷曾依靠这口利用废弃灌溉井改造而成的观测旱井，开展了一项关于地下水入渗补给规律的研究。当时通过试验估算出的水分信号传导速度为0.12米/天。

而2023年5月，吴林发表的那篇论文，则将水分在这片土地上大田土壤中的入渗速度精确到0.16米/天。

从0.12米/天到0.16米/天，数据修正的背后，体现的正是大型科技平台的巨大支撑作用。

“虽然两次研究都是在井里布设传感器进行测量，但以前的数据记录还主要靠人工，而现在，布设在竖井中的128个传感器，每隔半小时测一次，并实时传输数据。”吴林解释说。

2023年5月发表在《水资源研究》上的论文，也是吴林第一次向国际顶刊投稿。吴林坦言：“现在回过头看，第一稿在行文方面还有很多不成熟的地方。”但令他没想到的是，论文却引起了该期刊主编、副主编以及3位专业审稿专家的极大重视，针对论文中的一些问题，他们不厌其烦地联系吴林和沈彦俊，希望能提供更多详细的数据，对论文进行完善。

“归根结底，国际学术领域最关注的还是我们的农田关键带观测平台，以及利用这个平台获得的第一手发现。”沈彦俊解释说。

2023年12月28日，登录国际学术圈交流网站“Research Gate”，吴林收到了一封来自意大利巴里理工大学一名助教的私信，对方希望吴林能分享更多关于水分信号传导速度的详细研究资料。论文刊发后，吴林已经收到了很多这样来自国外同行的私信。

而在国内，两年多来，仅专程来参观考察观测平台的院士专家，就有20多位。

目前，借助农田关键带观测平台，中国科学院农业资源研究中心正在开展多项研究：

中国科学院遗传发育所农业资源研究中心研究员秦树平主要从事深层古碳稳定性和人类氮输入关系研究。依托该平台，他已经带领团队参与实施了一个国家自然科学基金重点项目和一个国家重点研发计划项目。

同样依托该平台，中国科学院遗传发育所农业资源研究中心研究员王仕琴，正在开展“十四五”国家重点研发计划青年科学家项目“典型流域农业面源污染智能监测与风险识别”和国家自然科学基金“包气带—地下水界面氮素迁移转化机制”等相关研究。

基于农田关键带观测平台的数据，“初出茅庐”的吴林，也即将投稿个人科研生涯的第二篇国际论文。

沈彦俊介绍，未来，农田关键带观测平台将建成面向国内外开放、多领域立体试验的共同利用平台，希望更多科研人员能借助这个先进平台，取得更丰硕的研究成果，服务华北平原的农业可持续发展和地下水量质管理。（河北日报记者 周聪聪 朱艳冰）

■记者手记

“不起眼”的科研平台背后

在中国科学院栾城农业生态系统试验站，通过一个“不起眼”的大型科研平台，记者见识了很多有意思的研究，除了那口48米深的观测井，最想不到的，当属一个观测气候变暖对土壤—农作物系统碳氮循环影响的研究。

这个研究的装置类似一个晾衣架插在麦田里，架子的横杆是个红外线加热管，远远看去，加热的空气就像被某种气流虚幻扭曲了似的。据了解，这项实验已经不间断地进行了16年。

看多了这种“不起眼”的科研平台、“奇奇怪怪”的研究，记者心中的困惑也在增加：“这些研究究竟有啥用？”

“如果说应用研究解决的是今天的事儿，我们中国科学院研究的，绝大多数都是明天、后天的事儿。”中国科学院栾城农业生态系统试验站副站长李红军介绍，像栾城农田关键带观测平台搞的研究，则称为“应用基础研究”。“搞育种、搞果树等应用研究的，更加注重在实际应用场景中的效果和落地，而应用基础研究则致力于探究事物本身的基本原理、机理和规律，为之后的应用技术提供支持和基础。”

李红军打趣说，因为看不到太多实际的受益，虽然应用基础研究耗费大量时间和精力，但在老百姓眼里，搞应用基础研究远不像搞应用研究那么受关注。

然而，在科技事业大厦的构建中，这些看似不解决实际问题的研究，却是这座大厦的地基，是从研究到应用、再到生产的这条科研链条的起始端。

在近年来的很多采访中，我们已明显地感觉到国家对基础研究、应用基础研究的重视。

采访中，中国科学院遗传发育所农业资源研究中心研究员张广录就反复向记者强调，国家能拿出2000多万元建一个农田关键带观测平台，这样的力度是原来想都不敢想的。一直到20世纪90年代末，张广录申请省级重点项目，也只有一两万元的经费。也正因为这样，如今张广录在参与平台的建设时，几乎每个细节都力求完美，甚至到了“吹毛求疵”的地步，“为的就是对得起国家这2000多万元真金白银的投入。”

加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。我们也期待，在身边，这样的科研平台，能够多些再多些。（文/河北日报记者 周聪聪）