当力学和边缘计算遇见沙漠：6000亩农田现身乌兰布和

记者/梁婷

编辑/计巍

乌兰布和沙漠里生长出的农作物

我们习惯了沙漠是望不到边的土黄色，一脚踩下去，沙子直接灌入。在乌兰布和，这个习惯被打破了。一条柏油马路穿过，一边是我们习惯的那样，另一边是完全不同的景象。

玉米、高粱杆子直立着，因为一场突如其来的霜冻，蔫巴、发软了的西红柿和西瓜躺在沙地中。这里也有来不及秋收的遗憾。但如果你够仔细，还可以从中发现一些依然甘甜的小番茄。

千亩农田成为乌兰布和沙漠的惊喜。

秋天乌兰布和沙漠里生长出的高粱

蒜头奇妙生长

刘灵丰种植的两颗蒜破土了，这本没什么稀奇。

它们都被种在盛着沙子的一次性纸杯中，享受着同样的光照、水分，唯一不同的是，其中一杯沙里添加了一种材料。一个星期的时间，差别逐渐显现。加了材料的杯子里，蒜头早了四天发芽，枝芽明显挺拔一些。

这两颗蒜的故事要从2018年讲起。腾讯云副总裁、腾讯IDC平台部总经理钟远河在浏览新闻时，无意中看到了关于重庆交通大学沙漠改良田技术的图片报道。沙漠背景下是一片片郁郁葱葱的绿，向日葵、高粱繁茂生长，甚至还有青蛙和兔子在这里露面。

钟远河觉得这是非常有意义的一件事，“沙漠化是全球共同面临的难题。而且中国国土贫瘠，人均耕地面积是世界的几分之一。我们自己的高校就有这个技术，不但可以在沙漠里恢复生态，也许还可以发展农业。”他想，致力于科技向善的腾讯，应该可以为这个项目做点什么。

腾讯云数据中心的高级工程师刘灵丰承接下了这个任务。从深圳到重庆再到乌兰布和，她一路体验，真实地感受到了沙漠变良田的过程。

沙漠中种植的西瓜

2018年5月，刘灵丰来到重庆。技术创始人、重庆交通大学的教授易志坚对于项目的介绍，给她留下了很深的印象。“包括他的规划和理念，甚至这个项目当时面临的一些质疑，都知无不言。”易志坚的坦诚和对科研工作的严谨态度让刘灵丰觉得，沙漠项目是看得到的希望。

2008年，易志坚的主要研究方向还是与弹塑性断裂力学以及钢筋混凝土、桥梁、道路等相关的力学研究。在研究路面的过程中他发现，从颗粒物质到混凝土其实是一种状态的改变，完成这种改变，靠的是“约束”，这让他瞬间想到沙子也可以变为土壤。在多次试验中，他的团队提炼出了可以改变沙子状态的物质，这是一种白色粉末，他们称之为约束材料。

在重庆，刘灵丰第一次看到易志坚团队的试验田。这里收集着粗的、细的，各种颗粒度的沙，甚至还有垃圾粉碎以后的小颗粒。神奇的是，在添加了约束力材料后，里面都生长着植物。她对这个项目的信任程度又多了一些。后来，她把改造过和没改造过的沙带回了深圳，开始做实验，种下了那两颗蒜。

2019年8月，刘灵丰前往乌兰布和。抵达的第一天，眼前是诗里面描述的“大漠孤烟直”，但第二天到了种植基地以后，她有点怀疑自己是不是走错地方了。“怎么这么多植物！地里面满满的乔木、灌木、各种草类以及茄子、辣椒、土豆、萝卜等作物。我们开车走进去很远很远，还有各种植被。”

刘灵丰记得，以前的儿歌是“拔萝卜，拔萝卜，老爷爷拔不动，老奶奶来拔”，但在沙地里面，萝卜轻轻松松就拔起来了。他们边拔边吃，她还第一次生吃了茄子，“真的是清甜的”。站在那片地里，最大的感受就是“震撼”。

重庆交通大学教授易志坚

“让力学遇见了沙漠”

这样“震撼”的场面之所以能够出现，易志坚的解释是，“让力学遇见了沙漠”。“土壤颗粒之间存在约束，能够成形、成团，原因在于土壤中任何两个颗粒从任何方向都能够结合，我们称之为万象结合约束。”这是沙变土的科学原理，也是植物生长的重要前提条件。“若要将沙变成土壤，就需要给它一种约束。”

一桶水、一抔白色粉末，易志坚的博士生赵朝华开始演示“相遇”。他就地挖出一抔沙子，倒入一些白色粉末，加水和匀后，堆出了一个洼地。慢慢倒入水后，水并未从沙中渗透出来。另一边未加粉末堆出的洼地也同时加水，完成对比实验，水倒进去的同时就渗走了。

“土壤一定是颗粒物质，颗粒之间通过约束凝聚成团，干时是固体，湿时是流变体，能够存储水分、养分、空气并滋生微生物。”易志坚解释，他们做的就是通过约束材料，把沙子从离散状态转化为固体和流变体。具备了土壤属性的沙子，存储水分的能力变强，具有自修复和自调节的生态力学属性，同时保水保肥能力强，“它可以像母亲抱住自己的孩子一样，把植物抱住，成为植物生长的载体。”

赵朝华做的对比试验，加了材料的沙坑（右）渗水速度慢于原始沙坑

这样的实验他们已经展示过很多次。项目从2008年提出设想以后，研究进行了5年。2012年，成功研发出约束力材料。院坝、阳台和屋顶都曾是他们的实验区。2013年以后，他们在重庆模拟沙漠的环境进行实验，逐渐解决了材料的稳定性、安全性和耐久性问题。

直到2016年，他们终于来到了乌兰布和沙漠，拿到了一块试验田。把这片寸草不生的沙漠变成绿色，不过两三个月的时间。

也不是没有过困难。赵朝华说，到乌兰布和以后，客观条件和他们预想的有一些出入。没有公路，在沙漠里开车，他们经常陷在里面。找不到方向，看着很近的地方就是开不过去。

更大的难处在于，作为搞科研的人，对农业缺乏了解，有的植物播种太浅，不容易发芽。他们开始找当地的农民，跟着学习，一点点摸索着不同的气侯条件下适合种什么东西。在尝试种植了100多种农作物之后，最终选出了优势品种，2017年开始进行规模化生产。

从最开始的25亩到最多时种植了6000多亩，从乌兰布和种到了新疆的和田、四川的若尔盖。这些实验，不仅证实了土壤化后的沙子可以长出农作物，他们还有了意外的收获：优势作物的产量高于全国的平均水平。

易志坚分享了一组数据，2019年阿拉善盟农牧局组织高粱产量测产，他们的最高亩产是932公斤，平均亩产是789公斤。2020年新疆和田农业农村局也组织了高粱测产，他们的最高亩产716公斤，平均亩产614公斤。而2017年高粱的全国平均亩产只有324公斤。

拔出这些植物的根部以后，他们才明白为什么有这样高的产量，有的高粱根系几乎与人同高。易志坚说，改造后，最上面的土壤层相对紧密，下面是离散沙子，土壤剖面结构发生了变化。这一变化使得植物的根系变得发达，固沙能力变强，可以充分吸收水肥。根系腐烂后又会形成腐殖质，进一步改善土质。“沙子土壤化作为一个科学问题，它的原理得到了事实的验证，说明我们的思路是正确的。”

就目前来看，还有一些数据是非常喜人的。土壤化后，这片试验田保水保肥效果明显，平均灌溉量低于每亩400方，远低于当地每亩550方的节水灌溉定额。同时，由于采用了机械化、规模化的施工，而且加入的约束材料数量很低，改土成本一般是每亩两千到五千元。

另外一些事情是他们到现在也没有搞清楚的。2016年赵朝华第一次在这片农田里看到了青蛙，甚至还出现了狐狸，他们至今不知道青蛙从哪里来。易志坚觉得这或许可以证明生态真的发生了改变，“局部生态系统恢复效果确实非常显著”。

全球陆地面积的四分之一遭到沙漠化的危害，这是人类社会面临的共同难题。沙漠化每年还在以5万到7万平方公里的速度疯狂扩张。“相当于每年消失两个海南岛。我们国家有173万平方公里沙化土地，如果采用沙漠土壤化方法把它恢复1%，就是2600万亩可利用土地。”易志坚觉得，从遏制沙漠化和土地利用的角度讲，这个项目也是意义重大。

阿拉善盟发展和改革委员会主任罗志铁很认可这个项目，他也认为这对荒漠化的治理是非常有利的。

罗志铁介绍，阿拉善地区共27万平方公里，其中有10万平方公里是沙漠。乌兰布和沙漠紧邻黄河，每年进入黄河的沙子有一亿吨，沙化非常严重，对公路、铁路的影响巨大。“从节水和治理方面，都对我们地区有示范作用。我们不能把沙漠都变成良田，沙漠也要保护，但是沙漠向东侵蚀的速度，包括进入黄河的问题，希望通过这个技术避免。”

在这片沙漠里，“技术”的直接显现是地面上那些与沙漠特征“格格不入”的农作物，事实上，在不被注意的田间、地下、房檐边，还有一套严密的数据系统正在不间断运行中。

沙漠农田里的日常监测

“我们可以做什么？”

2019年之前，这个项目完全由易志坚的团队操作。和腾讯合作是他们没有想到的，赵朝华说，“他们完全是抱着想帮助我们的想法，但是刚开始确实不知道怎么帮。”

刘灵丰也茫然。“腾讯作为一个科技公司，和沙改土、农业生产这样的项目产生联系，总有一种八竿子打不着的感觉”。

有一次他们聊起来，包括媒体界、学术圈对这个项目的质疑：沙改土真的像你说的那样，把水和肥保持住吗？“我们从这个角度想，是不是可以有一些数据支撑，来应对这些疑问。后面我们才开始决定引入智慧农业的方案。”刘灵丰说。

蒋学皎是重庆交通大学沙漠土壤化团队的成员，她主要负责与腾讯的对接。“腾讯的加入帮助我们搭建了从数据采集到存储、清洗、分析、展示的一系列平台，最可见的效果就是提升了科研效率。”有一次，他们在处理一个800多兆数据的时候，已经是高配的电脑，运行了三天仍无结果。腾讯的边缘计算中心能够把时间缩短到了几分钟。

在研究的过程中，他们需要采集非常多类型的数据。蒋学皎统计过，目前的监测任务很重。包括对重要品种进行全基因组测序、土壤微生物组分析、果实的识别和病虫害进行监测；具体到一个植株上，要测量株高、出苗率；另外在区域尺度上，还要利用遥感技术进行大范围的宏观监测。“包括无人机以及全时视频监控系统的数据，每天产生的数据保守估计在1T以上。这对后续的数据存储分析处理是一个很大的挑战。”

没有腾讯加入之前，赵朝华都要经常走到田地里读取数据，三点读一下，五点读一下，现在全部在电脑及云端存储起来，随时随地都可以看得到。

在一场霜冻之后，来不及采摘的西红柿落在地上

腾讯加入以后的成果是显而易见的，但这中间确实遇到了不少困难。刘灵丰说，腾讯IDC平台部主要是数据中心，确定智慧农业的方向以后，决定将腾讯内部团队在智慧农业场景中的一些经验结合起来。

和领导、同事商量以后，刘灵丰和他们团队共二十多人与学校老师们，共同探索起沙漠里的智慧农业解决方案。

“农业我们不懂，对于智慧农业整体的模型和传感器部署、数据清洗这部分内容，老师们也不太熟悉，所以我们就一起研究，智慧农业到底该怎么出方案，最终想要衡量的目标是什么？”刘灵丰说。

对彼此的研究都不太懂的两个团队，开始了相互学习和摸索。“到底哪些农业因素会影响产量和长势？我们一点点把这些因素训练到AI模型中，包括气象环境、土壤环境、水质（浊度）环境以及用水量等的监测，以及生物量、植物表征等方面的监测。”刘灵丰介绍，沙漠现场布线也非常不方便，他们又拉来了腾讯的物联网采集团队，利用腾讯云物联网开发者平台IoT Explorer ，通过低功耗物联网LPWA技术，无需布线，通过电池供电，LoRaWAN无线传输技术就可以对沙漠现场进行环境数据收集，慢慢地整个方案就成形了。

2019年10月正式签署了联合实验室，到2020年9月，这些框架搭建终于完成。赶在今年秋收结束之后，已经正式开始运行。“现在地面比较荒，我们要在原生态的情况下，不做任何人工改变，监测生态情况。到明年3、4月份的春耕，这些数据就会顺着农业的整个流程采集上来，形成一套完整的数据模型。”

在乌兰布和的实验基地还有一个1.2米乘1.2米乘2.2米一体柜。“这柜子我们都不能随便打开的。”易志坚对柜子也充满了好奇。

这是一个独立运行的数据中心，学名是腾讯云Nano T-Block边缘计算中心，它承接了重庆交通大学沙漠土壤化团队试验区所有的数据处理任务。这个小小的一体柜由腾讯IDC平台部用了一年的时间，经历了两次迭代最终成型。

对于腾讯来说，这也是一次验证技术的设想和能力的机会。以前他们没有想过把边缘数据中心定位为智慧行业转型的小工具，这次合作的初衷也只是想帮助沙漠土壤化团队把智慧农业搞起来。在这个过程中他们发现，似乎可以做一个平台型的产品，用一些简单的优化，去支持不同的领域和行业实现智慧转型。

“我一点都不怀疑我们的技术，不能改变自然的规则，但可以在小范围影响它，技术发展到现在，这么多跨学科的结合，一定会创造更大的价值。”刘灵丰说，但这一切的前提是敬畏自然，在尊重自然规律的情况下，引导它往想要的方向发展。

2020年11月，已是深秋。乌兰布和沙漠里的几千亩试验田，在经历了一场猝不及防的霜冻之后，仍然残留生机。圆滚滚的白萝卜拔出来削了皮，就可以直接吃；西瓜和番茄有些可惜，霜打了之后，软趴趴的；红辣椒的水分完全蒸发，已经干瘪，正是做菜的好配料。这些作物都成为试验基地工作人员的餐食。腾讯在2019年也从这里购买了番茄当做员工福利，大家反馈很不错。

农田现身沙漠成为乌兰布和一道靓丽的景观。去年夏天，一位记者来过这里，她遇到了路过这里去沙漠游玩的游客，他们在农田旁拍照，有的人进到地里。沙漠除了黄色，也可以有连绵的绿、星星点点的红，除了沙棘也可以有繁盛的高粱和向日葵。

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