科技日報實(shí)習(xí)記者?沈唯 記者?劉垠?陸成寬 策劃 劉莉 李坤
7月29日下午2點(diǎn)，瓢潑大雨中，河南封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱封丘站）的數(shù)據(jù)觀測人員李小麗，順著熟悉的小路走進(jìn)氣象觀測場，頂著拍在臉上的雨水，打開百葉箱，記錄下溫度計上的數(shù)字。隨著記錄完成，她也淋透了今天的第二套衣服。
作為國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱國家野外站），封丘站開展的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水、土、氣等生態(tài)要素的長期定位觀測工作幾十年來從未間斷，一年365天，風(fēng)雨無阻。
國家野外站是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，通過長期野外定位觀測獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，開展野外科學(xué)試驗研究，為科技創(chuàng)新提供基礎(chǔ)支撐和條件保障。科技部基礎(chǔ)研究司副司長黃燦宏的辦公室里，一張中國地圖上，167個國家野外站如同一顆顆閃亮的星星，分布在中國大地各個角落：
——在北端，黑龍江漠河地球物理國家野外站在零下50多攝氏度的極寒天氣中開展地磁場絕對觀測；
——在南端，海南西沙海洋環(huán)境國家野外站長期觀測水深在1500米以上的水文信息；
——在西部，新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外站深入沙漠腹地200公里監(jiān)測氣象變化；
——在東部，山東長島近海漁業(yè)資源國家野外站守著海防要塞保存了各類漁業(yè)生物樣本2萬余份……
多年來，167個國家野外站連成一張大網(wǎng)，源源不斷產(chǎn)出第一手觀測數(shù)據(jù)的同時取得了一批原創(chuàng)科研成果，為保障國家糧食安全、生態(tài)文明建設(shè)和重大工程建設(shè)等提供著強(qiáng)勁科技支撐。
長年觀測，因國家需求而誕生
撥開茂密的玉米葉，中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員、封丘站站長朱安寧帶著記者穿梭在一塊塊試驗田里。
“這一塊試驗小區(qū)是不施氮肥的，那一塊是不施鉀肥的?！北M管地上的標(biāo)識已被磨得幾乎看不見，朱安寧依然對每一塊試驗小區(qū)土壤的長期演變規(guī)律了熟于心。
這是封丘站始于1989年的長期施肥定位試驗，是封丘站現(xiàn)存時間最久的長期觀測項目之一，旨在闡明長期不同外源養(yǎng)分投入對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可持續(xù)和穩(wěn)定性的影響及其環(huán)境效應(yīng)。
封丘站目前共建立了38個長期觀測與試驗研究樣地，多塊樣地建立至今已超過30年?！澳憧催@塊地里，僅施有機(jī)肥的試驗小區(qū)玉米經(jīng)過15年左右才趕上施化肥的試驗小區(qū)玉米的產(chǎn)量，小麥耗時更長，但施有機(jī)肥的土壤會肥沃很多?！敝彀矊幗榻B道。
封丘站科學(xué)試驗區(qū)。封丘站供圖
有機(jī)質(zhì)含量是評估一塊土地肥沃程度的核心指標(biāo)之一，朱安寧告訴記者，30多年過去，現(xiàn)在僅施有機(jī)肥的地里，土壤有機(jī)質(zhì)含量幾乎是同時期僅施化肥土壤的兩倍?！霸诋?dāng)前國家糧食安全剛性需求條件下，有機(jī)肥的施用要有科學(xué)適宜的替代化肥比例，以實(shí)現(xiàn)土壤地力與糧食產(chǎn)能的協(xié)同提升。這是長期試驗觀測才能得到的結(jié)果，也是為國家‘藏糧于地、藏糧于技’戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)支撐?！?/p>
“國家必須在野外建設(shè)一批長期進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查和分析工作的實(shí)驗站?！必?fù)責(zé)野外站建設(shè)工作幾十年的中國科學(xué)院院士、國家自然科學(xué)基金委員會原主任陳宜瑜告訴科技日報記者，根據(jù)統(tǒng)一的監(jiān)測指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，進(jìn)行長期、連續(xù)定位觀測，才能揭示短時間尺度不可能確定的科學(xué)規(guī)律。
其實(shí)，建立野外站是國際科學(xué)界通行做法。始建于1843年的英國洛桑試驗站，迄今已有180年歷史，那里保存著距今近200年的土壤、植物和肥料樣品?！坝眠@些土壤和現(xiàn)在的土壤作對比，就能知道土壤在百年間發(fā)生了哪些變化，這就能看出長期觀測的重要性。”陳宜瑜一語道破關(guān)鍵。
回顧國家野外站的建設(shè)發(fā)展歷程和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，黃燦宏介紹道，1999年，為了加強(qiáng)野外站的宏觀管理和頂層設(shè)計，統(tǒng)籌解決重大科學(xué)問題和國家戰(zhàn)略需求，充分發(fā)揮野外站在基礎(chǔ)研究中的支撐保障作用，在孫鴻烈、陳宜瑜等27名院士和研究員的共同建議下，科技部將野外試驗站工作納入國家“十五”科技發(fā)展計劃，并從當(dāng)時各部門已有野外試驗站中，擇優(yōu)遴選出35個站作為“國家野外站試點(diǎn)站”給予支持。此后，科技部相繼批準(zhǔn)建設(shè)了一批國家野外站，到2007年共正式批準(zhǔn)建設(shè)國家野外站105個，經(jīng)調(diào)整和補(bǔ)充目前增至167個。
封丘站是最初的35個國家試點(diǎn)站之一。20世紀(jì)60年代，中國科學(xué)院院士、著名土壤學(xué)家熊毅曾在這里帶領(lǐng)幾十位科學(xué)家，找到了以“井灌井排”為核心的治理鹽堿綜合技術(shù)，使當(dāng)?shù)氐募Z食產(chǎn)量大幅提升；20世紀(jì)80年代，針對中低產(chǎn)田治理的“黃淮海戰(zhàn)役”打響，封丘站等依靠長期研究的成果積累，為黃淮海地區(qū)乃至全國的糧食增產(chǎn)作出了卓越貢獻(xiàn)。
“為了治理黃淮海地區(qū)的鹽堿地，我們有了封丘站等一批農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外站；為了建設(shè)中國第一條沙漠鐵路包蘭鐵路，我們有了寧夏沙坡頭沙漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外站（以下簡稱沙坡頭站）?！痹谥袊茖W(xué)院院士、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)（CNERN）綜合研究中心主任于貴瑞看來，這些野外站因國家需求而誕生，歷史悠久、發(fā)展成熟，為國家野外站的建設(shè)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
如今，沙坡頭站積累了50多年的土壤—水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，將沙漠變?yōu)榫G洲；封丘站積累了30多年的土壤—肥料控制性試驗數(shù)據(jù)，為“中原糧倉”持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供科技支撐……
今年，封丘站迎來建站40周年。40年間，試驗田里的小麥和玉米一年年地收獲又種下，希望在這里不斷延展。
長期野外科研工作貴在堅持，貴在傳承。在于貴瑞看來，這也是國家野外站科研工作者身上最重要的精神品質(zhì)之一。“我們這一代人做的工作，自己可能并不是受益者，而是為后代人積累。我們現(xiàn)在獲得的數(shù)據(jù)也許看不出什么成果，但30年甚至更遠(yuǎn)之后，一定會發(fā)揮巨大的能量”。
地處偏遠(yuǎn)，也要做好一流科研
七月的大西北驕陽如熾，下午6點(diǎn)的太陽仍然曬得后背火熱。
走進(jìn)甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國家野外站（以下簡稱武威站），科研人員和學(xué)生們忙得熱火朝天。有人在記錄大型稱重式蒸滲儀數(shù)據(jù)，有人在查看土壤水分探頭，有人在遙控?zé)o人機(jī)記錄作物長勢。
三層綜合實(shí)驗大樓被試驗田包圍，金黃的麥子彎著腰，翠綠的玉米稈高過人頭。很難想象，30年前這里還是土地貧瘠、沙塵飛揚(yáng)。
“野外站的建立，是為了解決當(dāng)時甘肅石羊河流域嚴(yán)峻的水與生態(tài)問題?！倍嗄旰?，中國工程院院士、武威站站長康紹忠依然為當(dāng)年的景象震撼：“流動的沙丘、枯死的林木、荒廢殘破的村莊，好像到處都在喊渴。”
經(jīng)過考察，康紹忠發(fā)現(xiàn)，石羊河上中游灌溉面積無序擴(kuò)大和不科學(xué)的農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)了大量水資源，導(dǎo)致下游水資源匱乏，“農(nóng)業(yè)科學(xué)用水在這里太重要了”。
要想用好水，就得知道各種作物到底需要多少水，長期野外定位科學(xué)觀測的重要性由此凸顯。在當(dāng)?shù)卣退畡?wù)部門的支持下，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水實(shí)驗站于2004年正式揭牌。從此，帶著干糧和一壺開水在沙漠邊緣的農(nóng)田里一跑就是一整天成了野外站研究人員的工作常態(tài)。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、武威站副站長佟玲仍記得2002年來青土湖做土壤入滲實(shí)驗的場景。
由于砂層太厚，土鉆經(jīng)常取空；水入滲很快，研究人員只好不停去遠(yuǎn)處提水。除了五六十?dāng)z氏度高溫的炙烤，讓人頭疼的還有風(fēng)沙偷襲?！爱?dāng)時馬氏瓶的橡皮塞掉到沙子里，瞬時就被風(fēng)沙掩埋，我們只好用寬膠帶封住，繼續(xù)做完實(shí)驗?！辟×嵴f到這兒，眼睛微瞇哈哈一笑，“那時我們中午經(jīng)常吃傳說中的西瓜泡饃，你不知道吧！就是西瓜一切兩半，干饃饃泡在里面當(dāng)飯吃?！?/p>
從甘肅民勤小壩口實(shí)驗站、薛百農(nóng)技中心，到?jīng)鲋萆成参飯@，再到中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗站，武威站的站址換了一次又一次，但上百億組珍貴的基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗數(shù)據(jù)始終被完整保存。
“我們基于數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在作物生長的某些特殊階段，使作物經(jīng)受一定的干旱脅迫鍛煉，即適量虧水反倒會促進(jìn)作物更好地生長，并能改善作物品質(zhì)?！笨到B忠說。這一發(fā)現(xiàn)打破了灌水越多越高產(chǎn)的傳統(tǒng)觀念。
長期、繁雜而細(xì)微的觀測、試驗、研究，不僅兌現(xiàn)了野外站人用科學(xué)向旱區(qū)要水的承諾，也化為科研人員豐厚的成果產(chǎn)出?！拔覀兩碓谥袊鞅备沟?，也要做世界一流的科研。”這是康紹忠常對學(xué)生說的話。
像武威站這樣地處偏遠(yuǎn)但成果頗豐的國家野外站不在少數(shù)?！昂芏嗾径际窃跇O為艱苦的條件下起步，甚至沒有吃的、沒有住的地方?！标愐髓せ貞浧鸲嗄昵暗谝淮蔚胶邶埥愞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外站（以下簡稱海倫站）的情景十分感慨，“車開不進(jìn)去，電話打不進(jìn)去，樓都快塌了?！?/p>
為什么很多野外站要建在人跡罕至的地方？陳宜瑜解釋說，野外站的選址取決于區(qū)域布局，很多站地處偏遠(yuǎn)、條件艱苦，但對于國家野外站整個網(wǎng)絡(luò)來說缺了它就不行。正如地處黑龍江的海倫站，是中國目前唯一專門從事黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期定位監(jiān)測、研究與示范的國家級野外站，對守護(hù)“黑土糧倉”意義重大。
如今，偏居西北的武威站吸引了美國、英國、法國、澳大利亞等30多個國家的節(jié)水專家學(xué)者參觀考察，多次舉辦發(fā)展中國家節(jié)水技術(shù)培訓(xùn)班，向外輸出中國的節(jié)水技術(shù)；遠(yuǎn)在東北的海倫站為東北黑土地保護(hù)利用、區(qū)域輪作休耕和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐，與美國、加拿大、德國等國家的知名高校和科研機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系。
國家野外站在無人知曉的角落堅守使命，釋放出讓世界矚目的強(qiáng)大科研力量。
服務(wù)大局，支撐國家重大戰(zhàn)略
網(wǎng)狀的金屬片吊在半空微微搖晃，飽經(jīng)風(fēng)吹日曬的洗禮；一個個正方體的深灰色混凝土塊排得密密麻麻，長期浸泡在海水中被侵蝕。
這里是位于港珠澳大橋西人工島的大橋暴露試驗站，眼前斑駁的金屬掛片和混凝土試塊，關(guān)系著港珠澳大橋120年的穩(wěn)定和安全。
港珠澳大橋暴露試驗站。港珠澳大橋站供圖
港珠澳大橋地處伶仃洋海域，常年平均氣溫高、空氣濕度大、紫外線輻射強(qiáng)，且處在熱帶氣旋路徑上，受臺風(fēng)影響頻繁。如此嚴(yán)苛的服役環(huán)境，給港珠澳大橋的安全帶來巨大挑戰(zhàn)。
“這些鋼掛片和混凝土暴露試件，是為了獲取海洋環(huán)境下工程材料的長期腐蝕數(shù)據(jù)設(shè)計的。有了這些數(shù)據(jù)，就能總結(jié)出大橋結(jié)構(gòu)耐久性的變化規(guī)律，分析不同因素對大橋構(gòu)件的影響，幫助我們提出更完善的維護(hù)策略，滿足港珠澳大橋120年設(shè)計使用壽命的要求。”廣東港珠澳大橋材料腐蝕與工程安全國家野外站（以下簡稱港珠澳大橋站）站長王彥林介紹。
2021年，為完善國家野外站野外科學(xué)觀測研究的網(wǎng)絡(luò)體系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)薄弱學(xué)科領(lǐng)域和地區(qū)全覆蓋，科技部批準(zhǔn)新建了港珠澳大橋站等69個野外站為國家野外站。黃燦宏表示，諸如研究港珠澳大橋等重大基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)環(huán)境的相互作用和影響，也是開展野外科技工作的一個重要方面。“新建的69個國家野外站，不僅在原有野外站網(wǎng)絡(luò)體系基礎(chǔ)上完善了空間布局，同時對新興學(xué)科和領(lǐng)域進(jìn)行補(bǔ)充，極大增強(qiáng)了國家野外站對野外科技工作的支撐能力”。
而今，國家野外站已基本形成覆蓋全域國土空間，包括五大領(lǐng)域共167個國家野外站在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)體系。港珠澳大橋站等一批年輕的國家野外站，在眾多重大科技成果和國家重大工程中，正默默發(fā)揮著底層支撐作用。
在青藏高原腹地，青海北麓河高原凍土工程安全國家野外站創(chuàng)建了獨(dú)一無二的高海拔多年凍土區(qū)公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)體系，引領(lǐng)國際凍土區(qū)高等級公路建設(shè)技術(shù)，同時承擔(dān)著青藏鐵路、青藏公路、國家電網(wǎng)格拉段多年凍土區(qū)地溫、沉降變形監(jiān)測等多項長期任務(wù)。
“國家野外站的定位強(qiáng)調(diào)觀測、研究、示范和服務(wù)四位一體，形成完整的研究鏈條和研究范式。我們的國家野外站要在每個領(lǐng)域做好系統(tǒng)性長期觀測和基礎(chǔ)性科學(xué)研究，更要能為國家服務(wù)?！庇谫F瑞說。
規(guī)劃長遠(yuǎn)，引領(lǐng)國際科學(xué)前沿
跟隨遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外站（以下簡稱清原站）站長、中國科學(xué)院沈陽生態(tài)研究所所長朱教君的腳步，穿過狹窄的小路，來到鮮有人至的密林深處，一座50米高的次生林觀測塔矗立眼前。
“對面的林子是蒙古櫟次生林，翻過山脊是落葉松人工林，我們身邊的是闊葉混交次生林。”站在塔頂，中國科學(xué)院沈陽生態(tài)研究所研究員高添指著不同的方向，為記者介紹不同森林類型的分布情況。連綿青山中還聳立著兩座高塔，它們和這座觀測塔“連成”一個三角形，構(gòu)成用于觀測森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的“科爾塔群”。
以往森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的海量數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算困難，人工測量和收集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)科研方式無法滿足新時代碳匯監(jiān)測和研究的需求。如今清原站采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，打造了數(shù)據(jù)獲取、傳輸、存儲、計算、分析和可視化的全鏈條信息化平臺，發(fā)展了森林碳通量計量與信息化手段融合的技術(shù)方法，探索了森林碳通量觀測與研究的新途徑。
“現(xiàn)在的國家野外站沒有停留在過去傳統(tǒng)的建設(shè)模式當(dāng)中，我們投入了很多新的儀器設(shè)備用于觀測?！币恢标P(guān)注著國家野外站發(fā)展的陳宜瑜說。
在距離甘肅省蘭州市70多公里的劉家峽水庫，記者感受了一次甘肅主動源重復(fù)探測系統(tǒng)制造的人工地震。盡管做好了準(zhǔn)備，但當(dāng)4支氣槍同時從水下18米擊發(fā)，腳下鋼板傳來的沖擊力還是直接“打”在了脊椎。在震源感受0.7級地震比想象中更厲害。
劉家峽主動源實(shí)驗場。蘭州站供圖
“借助氣槍定時激發(fā)實(shí)驗研究可以產(chǎn)生大量觀測數(shù)據(jù)，布設(shè)在周邊的地震臺會接收到一次次的地震波，通過處理分析地震波的走時變化，能幫我們給地球內(nèi)部持續(xù)做‘CT’。”甘肅省地震局副局長、甘肅蘭州地球物理國家野外站（以下簡稱蘭州站）站長張元生說。
祁連山主動源實(shí)驗場和劉家峽主動源實(shí)驗場都是蘭州站的實(shí)驗基地，兩個探測系統(tǒng)構(gòu)成的聯(lián)合觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“蘭州—西寧城市群”強(qiáng)震危險區(qū)波速變化連續(xù)監(jiān)測，提升了區(qū)域綜合防震減災(zāi)能力。
更先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，讓國家野外站擁有更大的底氣和空間。張元生告訴記者，未來蘭州站將充分利用現(xiàn)有成果，為中歐班列、西氣東輸、“一帶一路”工程等地震安全保障提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
今年6月，第一屆地球物理國家野外站聯(lián)合學(xué)術(shù)研討會在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)召開，包括蘭州站在內(nèi)的13個地球物理國家野外站成立聯(lián)盟，拓展了地球物理領(lǐng)域國家野外站之間開展科研合作、資源共享的新通道，對提升我國地球物理領(lǐng)域國家野外站的整體觀測和研究實(shí)力意義重大。
作為國家野外站最初建設(shè)的發(fā)起人之一，陳宜瑜院士對國家野外站未來的發(fā)展有著更長遠(yuǎn)的設(shè)想，“未來希望國家野外站能夠做出更多引領(lǐng)國際科學(xué)前沿的工作。我們不僅要建立更高水平的單一野外站，更要建設(shè)好這個大的網(wǎng)絡(luò)體系，做好聯(lián)網(wǎng)研究”。
于貴瑞告訴記者，目前，科技部正在組織制定統(tǒng)一的觀測技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范的推出對提升國家野外站的聯(lián)網(wǎng)能力將產(chǎn)生重要作用。部分領(lǐng)域國家野外站已在聯(lián)網(wǎng)研究上取得了相關(guān)成果。
科技部印發(fā)的《國家野外科學(xué)觀測研究站建設(shè)發(fā)展方案（2019－2025）》提出，積極推動國家野外站加強(qiáng)合作。共同建設(shè)野外聯(lián)網(wǎng)研究平臺，共同承擔(dān)國家重大科學(xué)研究計劃，開展學(xué)術(shù)交流活動，共同提升野外站的研究水平與國際地位。黃燦宏表示，科技部的統(tǒng)一指導(dǎo)和一體化管理模式，讓國家野外站建設(shè)、運(yùn)行和發(fā)展的長期性、持續(xù)性得到了充分保障。
從首批試點(diǎn)站設(shè)立，到167個野外站聯(lián)網(wǎng)，國家野外站在科技部的整合引領(lǐng)下，由點(diǎn)連成片、由片連成網(wǎng)，“全國一盤棋”正在這張大網(wǎng)日益完善的過程中成為可能。
在封丘站的試驗田里捧起一抔潮土，老一輩科學(xué)家扎根當(dāng)?shù)?、艱苦建站的場景猶在眼前；從清原站50米高的觀測塔上望去，仿佛能看到國家野外站在大江南北服務(wù)國家建設(shè)的未來。
