科技创新十四五·走进实验室|黄土高原水土流失治理背后有哪些“硬核科技”

开栏语：

今年是“十四五”收官之年。《陕西省“十四五”创新驱动发展规划》提出，要围绕空天、能源、信息、材料、生命科学等重点领域，统筹布局陕西实验室体系，提升陕西承担国家重大战略任务的能力。陕西近年来也建设了一批全国重点实验室、省级重点实验室以及“一带一路”联合实验室，有力支撑了高水平科技自立自强和科技强国建设。

即日起，华商报·科学周刊推出系列报道“科技创新十四五·走进实验室”，聚焦前沿科技，深入挖掘展示科技创新成果背后的科学方法、创新思维和科学精神。

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这里是我国唯一以水土保持综合治理为主的全国重点实验室，是国内外具有影响力的水土保持与荒漠化防治研究机构，拥有先进完备的水土保持与荒漠化防治研究设施平台，建有全国领先水平的人工模拟降雨大厅、人工模拟径流大厅、人工模拟干旱大厅以及15个野外实验台站。

近日，华商报大风新闻记者来到西北农林科技大学，探秘水土保持与荒漠化整治全国重点实验室，了解黄土高原水土流失治理背后的“硬核科技”。

>>记者探访（注：共分为两部分，室内和室外）

（第一部分）:室内模拟研究

1、世界第二大模拟降雨大厅：

实验槽上“水土流失”一目了然

在实验室副主任韩锁昌、方怒放的带领下，记者走进了人工模拟降雨大厅。

在工作人员的专业操作下，“天降大雨”，“雨水”落在液压变坡实验槽上，这个实验槽是一个自上而下的斜坡造型，左侧是黄土高原沟沟壑壑的地形，右侧是植被茂盛的“黄土高原”，两侧的最下方各有一个出水口。当“雨水”落下，左侧流出的水明显浑浊，且量大；右侧流出的水更清澈，水量少。方怒放介绍：“右侧的植被是真实栽培的，左侧的水浑浊，就是因为雨水带着泥沙流走了，通过这个实验槽，能直观地说明，黄土裸露时，更易发生水土流失；土壤植被茂盛时，水土不易流失。”

人工模拟降雨大厅里还有东北黑土地的实验槽，大厅放置着了多种传感器和监测仪器，实验人员忙着进行数据采集。

据介绍，人工模拟降雨大厅面积1296平方米，为世界第二大模拟降雨大厅，有下喷式、侧喷式、野外便携式人工模拟降雨系统，含不同尺寸、坡度、实验处理条件下的模拟小区、径流泥沙测量装置以及三维地貌扫描仪、土壤风蚀风洞等配套设施，形成了人工模拟降雨侵蚀汇流产沙、地貌形态演变、风蚀过程研究的综合实验平台。以刚刚记者看到的下喷式降雨系统为例：降雨面积2×27×18米，降雨高度18米，雨强变化范围30—300mm/h，最大连续降雨12小时，由2个降雨试验区组成，可分别独立降雨，也可以联合组合降雨，降雨方式为计算机全自动控制。

2、人工模拟干旱大厅：

大豆苗生长特点尽在记录

随后，华商报大风新闻记者来到人工模拟干旱大厅，工作人员展示了正在温室培育的大豆幼苗以及大苗，大豆苗绿意盎然、生机勃勃，“温度、二氧化碳浓度可以人工调节，用于观察大豆苗的生长特点。”工作人员说。

这里还有各种各样用来完成实验的土壤。在分子生物无菌实验室，记者看到正在培育过程中的植物“组织”。

据介绍，人工模拟干旱大厅是以研究西北地区干旱环境胁迫为主的人工模拟设施。主要研究方向包括：旱地作物抗旱生理生态理论基础及调控，生态恢复植物抗旱生理机制及抗旱生态恢复植物品种开发，为我国西北地区旱地农业和生态恢复提供理论和技术基础。

干旱模拟大厅可以模拟各种气候环境，为植物培养实验提供人工可控环境条件。

（第二部分）野外实验室

1、安塞水土保持综合试验站：

被惊叹“为世界水土保持创造了典范”

实验室除了建有全国领先的人工模拟降雨大厅、人工模拟干旱大厅、人工模拟径流大厅等室内模拟研究及分析测试平台，还建有覆盖国内主要水土流失类型区的野外研究观测台站，其中黄土高原建有水土保持与生态修复野外联网观测研究系统。实验室有黄土高原科学数据中心，涵盖全国重点水土流失区不同空间尺度的基础地理、水土流失、生态环境等六大类数据集。

方怒放研究员表示，野外实验台站包括安塞水土保持综合试验站、长武黄土高原农业生态试验站、固原生态试验站、神木侵蚀与环境试验站等15个野外台站，一代代科学家不畏艰险，扎根在山区，付出了无数心血，赢得了奇迹般的成果。

位于黄土高原腹地的延安市安塞区，是黄河泥沙的主要来源区和生态治理的核心区域之一，对于开展水土保持与生态建设科学研究和试验示范具有典型代表性。安塞农田生态系统国家野外科学观测研究站（安塞水土保持综合试验站）始建于1973年。

“道路坑坑洼洼，黄土连天尘满地。最开始来一次安塞，路上大约需要四五天，一次驻站就是几个月。”在安塞站工作了30多年的吴瑞俊老师说。

适宜开垦的坡度，合理的农作物间距……科研人员都亲力亲为，亲身操作，给出科学建议，帮助农民科学生产。

日积月累，科研人员从建立生态户到生态村再到8.27平方公里小流域，逐步形成了安塞纸坊沟生态治理与农业发展的样板和模式。村民们在这一模式中看到了植被、环境、气候在退耕后产生的巨变，终于相信了退耕还林（草）的好处，科研工作得以顺利开展。

经过长期治理，纸坊沟实现了从森林绝迹到森林覆盖率60.4%的转变，人均纯收入也在飞速增长。

不仅是安塞站，纵观黄土高原实验室不同地区的10个野外试验站，处处都是加速度：宁夏的“上黄模式”、长武的“王东经验”、米脂的“孟岔模式”等都广受认可和好评。

美国科学院院士、斯坦福大学Peter Vitousek教授在考察了神木、安塞和长武等野外试验站后，认为“黄土高原水土保持成效非常显著，为世界水土保持创造了典范”。

2、神木侵蚀与环境试验站：

当年科学家们跋涉1000多公里选址

六道沟，是陕西省榆林市神木市西沟街道办事处辖区一个自然村，这里沟壑纵横，神木侵蚀与环境试验站就选址在这里。

早在上世纪80年代，“七五”科技攻关项目就界定了黄土高原水蚀风蚀交错区范围，认为这个区域是黄土区乃至全国水土流失最严重的区域。1990年，我国土壤侵蚀学科带头人之一、西北农林科技大学水保所唐克丽研究员积极响应国家围绕黄土高原生态脆弱带地区形成原因展开科学调查并提出解决方案的号召，牵着一头毛驴，带着侯庆春等20多名青年科研工作者，跋涉1000多公里，在黄土高原的沟沟岔岔间开展实地考察，最终选定六道沟流域定点开展科学研究。

30多年来，一批批专家围绕生态水文过程监测与研究、复合侵蚀过程及其防治原理、植被恢复与土壤改良及协同机制、生态恢复关键技术与综合示范等，开展了一系列卓有成效的工作，揭示了黄土区土壤水分时空特征和土壤干层分布，建立了小流域土壤水分植被承载力模型，为黄土高原合理的植被建造提供了依据；系统阐明了水蚀风蚀交错带产流产沙过程及镶嵌斑块植被格局对风蚀、水蚀过程的响应机理；针对晋陕蒙煤田开发导致的水资源短缺、地表破坏、植被衰退等生态环境受损问题，围绕土体重构与土壤改良、水资源保护及高效利用、植被恢复与生态修复等开展了系统研究和相关的技术集成与示范推广；揭示了黄土高原生物结皮土壤的水热过程与水土保持机制，提出了生物结皮的人工培育方法和利用生物结皮防治水土流失与土地退化的模式。

3、国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心：

硬核节水科技助力黄土高原生态经济双赢

当年，科研人员将目光投向了陕北旱塬的沟壑深处，致力于破解制约农业发展的缺水难题。在米脂县孟岔村的坡茆上，针对农民自发种植的乔木枣林，开创性地推出山地红枣矮化密植技术与微灌节水系统相结合的革命性模式。这项被凝练为“孟岔模式”的硬核节水科技，将枣树从树高5-7米的乔木转变为仅两米左右的“矮胖子”，通过株行距精准设计，使亩种植株数30-50棵大幅提升至111棵，并配套滴灌技术为每一株枣树精准供给水分，奇迹般地将鲜枣亩产从过去的150-200公斤跃升至惊人的1320公斤，实现了产量翻番乃至数倍的跨越，亩经济效益更是增长了十倍，生动诠释了“绿水流淌、金枣满仓”的生态富民新图景。

“孟岔模式”的成功仅是起点。科研人员持续攻坚，集成创新出“四位一体”集雨补灌技术，巧妙融合沟道坝蓄水、光伏提水、软体水窖高位蓄水与膜下滴灌补水，实现了“秋雨春用，丰雨旱用”，让珍贵的水资源在时空分配上听从人的调遣，使玉米和苹果平均增产63.6%和19.5%。这些硬核技术如同为旱塬农业量身打造的“新式武器”，在陕北黄土地上广泛示范推广，覆盖红枣、苹果、马铃薯等多个特色产业，节本增效显著，亩均可促进增收约900元。

从孟岔村的探索到黄土高原区域的整体推进，节水科技不仅让昔日的低产田焕发出勃勃生机，更在生态修复与产业发展的协同共进中，为黄土高原披上了兼具生态效益与经济效益的动人“绿装”，走出了一条生态与经济协调发展的康庄大道。

>>科研成果

研究成果一项连一项

不乏代表性前沿研究

打开实验室官网，重要研究成果一项连着一项。

华商报大风新闻记者了解到，代表性前沿研究成果包括：2024年，国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表了西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室岳超研究员团队题为《极端森林大火放大火后地表升温》的研究成果。该研究首次从林火规模这一独特视角，揭示了极端大火对生态系统破坏性、林火碳排放和地表气候反馈的放大效应，并对可能存在的“极端大火频发-气候变暖-更多极端大火”的恶性循环提出了警示，为全面和深入认识林火对地球系统和气候过程的影响开辟了新视角。

2024年，彭守璋团队首次评估了水资源约束下全球陆地生态系统碳恢复潜力。估算了与陆地生态系统碳恢复相关的水资源需求，揭示了碳恢复用水对各国人均可用水资源的影响，在国家尺度上构建了水资源约束下碳恢复潜力评估框架；评估了碳固存目标与水资源安全之间的权衡和协同作用，支撑了生态系统恢复战略的可持续实施，这一成果发表在了《Nature》子刊《Nature Water》上。

2025年，朱元俊团队揭示了深厚黄土关键带微生物的适应策略和生态功能。识别出黄土中的关键微生物类群，阐明其在地下水净化、土壤碳氮循环方面的关键角色；揭示了深土微生物的极端适应机制，刻画了其携带的新颖功能基因集，这一成果发表在了《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

此外，邓蕾研究员课题组在黄土高原地区退耕还林（草）工程的水土保持碳汇研究方面研究中取得新进展，在农林科学类土壤学领域经典期刊Soil & Tillage Research上在线发表。

方怒放研究员团队在地球科学领域综合期刊Earth’s Future发表了研究论文。研究发现“天然林保护工程”和“退耕还林还草工程”贡献了约85%的土壤保持效益。研究建议，在全球恢复行动中，欠发达地区应成为土壤保持和生态恢复投资的优先区域，通过缓解贫困、降低恢复成本，为可持续生态恢复提供有力支持，并推动更多联合国可持续发展目标的实现。

>>重要贡献

黄土高原植被覆盖度增长至67%

黄河年输沙量减少80%以上

据了解，实验室始于我国黄河治理战略，从上世纪50年代开始奋斗，一直到现在。

实验室发展至今硕果累累，创建了中国水土保持科学研究体系, 引领了我国水土保持科学研究和行业发展；率先提出水蚀风蚀交错带概念，开创了水风两相复合侵蚀研究新领域，支撑了三北工程荒漠化防治；提出作物对多变低水环境适应性的科学概念，开拓了旱地农业生理生态研究新领域，推动了我国旱地农业发展，保障了粮食安全；创立“土壤-植物-大气连续体水分运移”科学理论，为维系脆弱生态区水量平衡、以水定绿及水资源持续利用提供了理论支撑；提出了黄土高原国土整治“28字”方略，建立了植被恢复理论和综合治理样板，完善退耕还林(草)建议并得到国家采纳，为国家重大生态工程实施做出了重要贡献。

朱显谟院士、山仑院士、邵明安院士等几代科学家的努力，科技支撑了黄土高原山变绿，水变清，人变富！黄土高原植被覆盖度由1999年的31.6%，增长至2024年的 67%，黄河年输沙量由 16亿t降低到不足3亿t，减少80%以上，黄土高原水土流失综合治理成为全球生态治理的典范。

>>重组后目标

2035年我国水土保持率提高至 75%

引领国际水土保持与荒漠化整治研究

近10年来，实验室承担国家973计划、863计划、重点研发计划和其他科研任务600余项；获国家和省部级科技奖励27项，其中国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级科技成果一等奖25项。

实验室于2024年6月完成重组答辩，并于2025年1月通过科技部重组。

重组后的实验室依托学校水土保持与荒漠化防治学、农业资源与环境、林学、草业科学、农林经济管理、农业水土工程6个优势学科和12个平台基地，现有从事水土保持与荒漠化整治相关方向科研技术人员 130余人，其中中国科学院院士1人、中国工程院院士1人，国家级人才41人次，是国内从事水土保持与荒漠化防治研究的高水平人才高地。

重组后的实验室——水土保持与荒漠化整治全国重点实验室目标明确：将引领国际水土保持与荒漠化防治理论研究与技术研发，形成科学创新高地、高端智库、人才培养与国际合作交流中心，服务三北工程、黄河战略和美丽中国建设，科技支撑2035年我国水土保持率提高至75%，生态系统基本实现良性循环。

实验室计划在5年内建立中国土壤侵蚀过程模型、创新荒漠化防治基础理论与关键技术、形成“山水林田湖草沙”综合治理模式、土壤侵蚀和荒漠化研究国内领先国际并行。计划10年内攻克荒漠资源化、功能化关键技术，破解生态修复水土资源限制瓶颈，形成风蚀水蚀区绿色发展模式，引领国际水土保持与荒漠化整治研究。

华商报大风新闻记者 任婷 王昊 文/图

来源：华商网-华商报