沿着定武高速（G2012）一路向东，当道路与包兰铁路线平行时，只需再前行几公里，便能远远望见黄河沿着群山的北面，在沙山下转了个大弯，向东奔流。铁路线两侧的沙漠被条状的绿色长廊阻隔，像被两条结实的臂膀紧紧保护着。包兰铁路是我国发展国民经济的第一个五年计划修建的一级铁路干线，也是中国第一条穿越沙漠的铁路，成为连接包头与兰州两大工业城市的大动脉。铁路6次穿越腾格里沙漠，延长线达40多公里，其中宁夏回族自治区中卫市沙坡头区西部的一段沙丘起伏最大，尤其是沙坡头地段，全是高大的新月形格状沙丘。“浮沙没胫，人马惮行”是当时沙区交通的真实写照。要在这里修筑铁路，相当困难。怎样才能使铁路两侧的流沙固定，让线路不受风蚀和沙埋，列车运行畅通无阻？如何选择适宜的沙生植物？怎么有效防治沙害？隶属于中国科学院西北生态环境资源研究院（以下简称西北研究院）的宁夏沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站（以下简称沙坡头站），就是为了解决这些问题于1955年建立起来的。一代又一代的沙漠科学家在这里耕耘，在解决许多沙漠科学基础问题的同时，为全球干旱区生态环境建设提供“中国方案”，写就了独特的治沙故事。1952年，我国已经开始筹划建设一条连接包头与兰州的铁路，并计划将其延伸至新疆，以推动西北地区经济社会发展。为此，铁道部勘测设计院与中国科学院地理研究所（中国科学院地理科学与资源研究所前身之一）合作，对包兰铁路沿线进行深入考察，发现黄河北岸的路线虽然能避开严重地质灾害，带来显著的经济效益，但穿越流沙是一个巨大的难题。“沙坡头地区沙丘起伏，积沙深重，沙害频繁发生且强度大、方向多变，对铁路威胁极大。”沙坡头站站长张志山提及那时的自然环境时表示，用当地人的话说就是“一年一场风，从春刮到冬”，据一些老人回忆，曾有大风将毛驴刮到了黄河里，风的威力相当大。彼时，在遥远的沈阳，中国科学院林业土壤研究所（中国科学院沈阳应用生态研究所前身，以下简称林土所）党委书记兼所长朱济凡收到一份铁道部、林业部和中国科学院联合下发的文件，指定该所参与包兰铁路防沙治害研究工作。经过一系列调整和准备，一支涵盖地理、土壤、植物、林业等领域、包括12位专家的防沙治沙研究队伍组建起来了。他们先乘飞机抵达兰州，然后换乘卡车前往中卫，最后骑骆驼前往沙坡头。研究团队驻地童家园子村紧邻黄河，被沙山三面环绕，环境异常艰苦。这里前往外界的唯一交通工具是羊皮筏子。每次从沙漠考察回来，他们都只能坐在沙地上，手脚并用，像坐雪橇一样顺着陡坡滑下来。1955年，铁道科学研究院、铁道部西北设计分院（1956年改名为铁道部第一勘测设计院）和林土所相关研究团队合并，共同组建了铁路防沙研究工作站（沙坡头站前身）。建站当晚，所有成员齐聚一堂，展开了一场热烈的讨论。大家一致认为应当集中力量，先研究铁路两侧植物固沙的可行性。然而，要实现这一目标，必须解决几个关键问题：一是如何在风沙肆虐的环境中，确保植物成功扎根生长；二是如何确保沙漠腹地的植物获得足够的水分；三是如何找到合适的固沙植物，并确定适宜的苗木规格和栽植密度；四是如何判断沙地得到有效固定。带着这些问题，林土所时任副所长刘慎谔和沙坡头站首任站长李鸣冈组织人员，前往黄河两岸进行实地考察，调查天然植被并采集种子和苗木。经过艰辛考察，团队成员意外发现两处茂密的油蒿群落和柠条群落。油蒿是一种半灌木，柠条则是灌木。刘慎谔深入分析后指出：“在固沙方面，蒿子只能起到辅助作用，必须与灌木搭配栽种才能取得更好的效果。”在试验区，团队成员将不同的固沙植物搭配栽种。为了保护这些植物免受风沙侵害，他们决定设置沙障。最初的想法是平铺鹅卵石，但这种方法不仅费工费料，而且材料难以获取。考虑到沙坡头区麦草资源丰富，他们改用麦草作为沙障材料。先在沙丘上撒下植物种子，然后覆盖一层麦草，最后压上沙土，这样试验区的固沙植物栽种就完成了。天有不测风云。1957年春夏，沙坡头遭遇了前所未有的酷暑、干旱和大风。炽热的沙子表面温度飙升到74摄氏度，狂风以每秒19米的速度侵袭。全年降水量仅有88毫米。恶劣的环境下，沙坡头站又遭遇了一场罕见的黑风暴。风暴如猛兽般扑面而来，十一二级的狂风裹挟着沙粒，桌子瞬间被厚厚的沙子覆盖，黄河边碗口粗的树木竟也纷纷折断。风暴过后，队员们怀着沉重的心情上沙丘查看。只见全铺式沙障已被狂风吹得凌乱不堪，辛苦栽种一年多的树木和草本植物早已不见踪影。这无疑是一个沉重的打击，所有人都对实现无灌溉条件下的植物固沙目标产生了深深的怀疑。紧接着罕见热浪席卷试验区。一日清晨，一位科研人员因急事穿拖鞋上沙丘。太阳升起，沙面炽热如火。中午时，他疼痛难忍，急挖沙坑避热，边挖边跳着走。最终，他跳着返回驻地，同事们见状大笑，戏称他为“沙漠跳鼠”。科研人员一面笑，一面测量评估热浪严重性。他们惊讶地发现，地面温度达到创纪录的74摄氏度。这样的高温下，植物难以生存。中午吃饭时，欢声笑语没了，大家都在考虑怎么突破这个难关。中国科学院黄河中游水土保持综合考察队的到来为他们带来了转机。考察队领队陈道明和随队专家苏联土库曼科学院院士彼得罗夫观察试验沙障损毁情况后，提出了改进建议。 陈道明观察发现，全铺的麦草沙障如果压沙薄了易遭风毁，厚了雨水不易下渗、不利幼芽生长；带状沙障只能挡住垂直方向的风，不适应沙坡头复杂的风向。彼得罗夫推荐了一种在苏联沙漠治理中取得显著成效的半隐蔽式草方格沙障模式。沙坡头站的科研人员受此启发，将现有的麦草铺成适当厚度的方格，用铁锹将麦草踩压到沙里，露出地表的部分像一把梳子，能够削弱风势，让沙子沉下来，达到“寸草遮丈风”的效果。这种麦草方格沙障不仅不易被风吹毁，而且能有效地固定沙丘。“经过不断地试验和改进，我们认为沙坡头的自然条件和苏联不同，半隐蔽式格状沙障什么规格合适，还要多试试。”李鸣冈说，随后，团队系统研究了不同材料、形状、尺寸机械沙障的固沙效果。1958年，沙坡头迎来了少有的丰水年。雨季提前来临，年降水量304毫米，是上一年的3倍多。雨水洒在干渴的沙丘上，使死寂的沙丘重焕生机。团队栽种在草方格中的固沙植物生长旺盛，为沙坡头生态修复奠定了坚实基础。队员们总结出一条固沙经验：需要将灌木、半灌木搭配栽种。同年，团队计划修建防护带。在整条防护带中，乔、灌、草3种植物交互混种，选用十几种沙区生长植物组合搭配，把沙子固定在地表，形成有效的生态屏障。此时，铁路也已修到沙坡头。从中卫源源不断运来的麦草，在试验站堆成一座座小山包。时任沙坡头站秘书王康富说：“治沙工程建设最终还是要依靠当地农民。我们创造了草方格，农民用20分钟就能学会施工方法。”通过大家的共同努力，一幅精美的植被画卷在沙漠上徐徐展开。1958年八一建军节，包兰铁路正式通车，第一辆列车驶进沙坡头，拉响了长长的汽笛。这不仅是对铁路建设者致敬，也是对那些在沙漠中默默奉献的科研人员和群众的赞颂。20世纪60年代初，沙坡头站科研人员进行野外测量。西北研究院供图1958年底，中国科学院治沙队成立，沙坡头站划归治沙队管理。科研人员创造性地运用不同尺寸的草方格稳定沙面，并在此基础上种植固沙植物，不仅为铁路安全运营提供了保障，也为沙漠治理开辟了新路径。1962年，随着治沙队改建为中国科学院地理研究所沙漠研究室，试验条件不断优化和完善，科学家们对草方格的风沙流蚀积原理进行了深入探索，发现1米见方的草方格固沙效果最显著。张志山说：“经过风吹改造，这一规格的草方格能够自然形成光滑的凹曲面，形状宛如浅底锅，有效阻止了风沙的流动和侵蚀。规格过大则方格中心掏蚀过深，不利于固沙植物生长存活；规格过小则无法形成有效凹曲面，易被强风摧毁。”科研人员由此正式创建了适应当地环境的半隐蔽式草方格沙障，作为1964年设计方案修订时的标准技术方案。这不仅提高了固沙效果，而且为后续的沙漠治理奠定了坚实基础。然而，科学家明白，麦（稻）草容易腐烂，因此草方格只能作为辅助、过渡性机械固沙措施。“当时老一辈科学家就意识到植物固沙才是主要的、长远的和有生命力的沙障。只有通过科学合理的植物种植和养护，才能真正实现沙漠的可持续治理和生态环境的改善。”张志山说。在长达8年的固沙植物试验中，刘慎谔最深的体会是“要深入研究植被，首先要明晰植被与环境条件之间的微妙关系”。他们正是通过不懈的试验与筛选，才发现土生土长的油蒿，大灌木花棒、柠条，以及引种的两种沙拐枣是优质的固沙植物种类。植物种类明确了，沙障问题更加凸显。科研人员发现，原有的沙障设计存在许多不足之处，比如防护带过于宽广、施工量过大，防线结构配置过于松散从而难以形成完整的防护体系，极易被风沙掩埋。他们认识到，只有将阻沙与固沙措施相结合，才能实现沙漠治理的目标。于是，在防护带的最前沿，研究人员设立起一米高的用柴草编织的既能透过气流，又能截留风中沙粒的疏透型阻沙栅栏，用以拦截流沙。这些栅栏的孔隙经过精心设计控制在30%左右，能够拦截90%的沙量，使其在栅栏外堆积成沙堤，有效阻挡流沙对固沙带的侵袭、阻止沙丘移动。他们还在沙堤上种植植物，进一步稳固沙面。采用阻固结合的措施，整个固沙体系成效显著。根据1958年的实测数据，沙坡头地区常见1米~5米高度沙丘年移动距离为2米~4米，推算100年内沙丘移动值不会超过400米。为确保铁路安全，北侧（上风向）设计防护带宽度为500米、南侧为200米。这一优化设计在有效保障铁路行车安全的前提下，显著减少了工程量和造价。值得一提的是，最初的沙障工程措施主要用于稳定流沙床面，为植物的着生提供适宜的生境，待植物生长到足以固沙的程度后这些措施便不再必要。植物通过不断更新与繁衍，逐渐将流沙固定，进而形成有生命的沙障。这一过程不仅实现了沙害的治理，更在荒漠上孕育出勃勃生机。中国沙漠科学研究是从流沙固定开端的，连带着包兰铁路穿行腾格里沙漠沿线的防沙治沙任务。所以说流沙治理是中国沙漠科学研究的起点，沙坡头则是中国沙漠科学的奠基地。
1978年，沙坡头站升格为中国科学院级科学研究站，使命不再限于防治铁路沙害，扩展至沙漠科学研究的广泛领域，包括干旱沙漠地区生态过程研究、受损生态系统的恢复与重建，以及实验风沙地貌与沙漠环境的基础理论研究。王康富和赵兴梁相继担任站长，带领同事重整沙坡头站，重新确立其作为科学研究站的方向。1981年，沙害再次肆虐试验区，掩埋了铁路两侧300米的区域，使灌溉造林带里的人工植被迅速退化。科研人员不得不从头开始，重建阻沙栅栏，重新测量沙中水分含量。“老科学家们发现，灌溉浇水一方面造成大量的资源浪费，另一方面如果灌溉水分不足，容易使乔木逐渐枯萎、沙层越发干燥。植物根系就像一台巨大的抽水机，将沙层深层水分抽干后，植物最终只能默默死去。”西北研究院生态与农业研究室主任李新荣说。铁路林场当时采用了灌溉造林的方法，大量种植乔木。然而，乔木耗水量大，不但不能提升沙层水分，反而会迅速耗干沙层水分，最终沙层水分甚至不如裸露沙丘的沙层含水量多。在干旱的年份，这种情况尤为突出。由于水分不足，植物的生长受到严重影响，最终可能死亡。要想改善这一状况，改种旱生灌木，并依赖自然降水滋养，或许是一个明智和有效的选择。与此同时，在探究为何人工植被会阻碍雨水下渗而引起沙面径流时，研究人员观察到一个独特的现象——荒漠结皮。1984年秋，沙坡头站开展了一次大规模调查，实测人工植被区的结皮层厚度。统计数据显示，植被生长时间越长的地方，结皮层厚度越大。通过显微镜观察，研究人员发现，这其实是微生物作用，将散沙紧密地结合在一起。更令人惊奇的是，在沙质土中竟然发现了地球上最早的绿色植物——蓝藻。只需滴上几滴水，蓝藻黑色的外表就会逐渐变绿。若是遇到降雨，整片荒漠会被一层茸茸的绿毯覆盖。随后，沙变成土质沙，再变成沙质土，腐殖质逐渐增厚，天然植被上的藜科、禾本科植物陆续光顾人工植被区。各种小动物也陆续在此安家，种类达30多种。“土壤生境的恢复才是干旱沙区生态恢复的根本。”李新荣说。中国北方沙区面积约170万平方公里，横跨极端干旱、干旱、半干旱和半湿润气候带，年降水量不足400毫米，而新疆塔里木盆地东南部年降水量甚至不足25毫米。这片土地自然环境严酷，是生态环境最为脆弱的区域之一，极易受到气候变化和人类活动的冲击。这片沙区面临诸多挑战。李新荣说：“沙坡头毗邻黄河，但是其他地区没有这样的优势。在干旱区和极端干旱区，有些人工植被在20年后出现大面积退化甚至死亡，当地的地下水资源被严重消耗，导致水量失衡，风沙危害依然严重。这背后，是对沙区生态水文过程研究的滞后。”水分是沙区植被恢复和生长，以及生态重建中最为关键的限制因素。不同沙区的水量平衡是不一样的，涉及降水入渗、土壤水动态、植物蒸腾、土壤蒸发等多个环节的水量转换。为了维持植被-土壤系统的可持续性和稳定性，科学的水资源管理显得尤为重要。然而，不同沙区的植物种类繁多、分布呈斑块状、地表裸露，这些都给沙漠科学研究带来了极大的挑战。2019年，沙坡头站建成了“中国北方沙区水量平衡自动模拟监测系统——沙坡头Lysimeter群”。这是目前我国规模最大的水量平衡自动模拟监测系统，如同一双犀利的眼睛，紧盯着沙区的每一处细微变化。“沙坡头Lysimeter群以36台大型称重式蒸渗仪为核心，配备了一系列先进的监测设备，能够模拟降水和地下水，精确监测降水入渗、地下水补给、土壤水动态、蒸散发、植物生长等过程。”张志山说，“这个系统的建成，意味着试验站能通过长时间观测，选择更适合不同沙区的植物种类，助力生态环境重建。”在这片沙漠之中，中国科学院和相关单位的一代代科学家传承接力，倾注无数心血，反复试验研究。他们不断摸索，提出“以固为主、固阻结合”的沙漠铁路防护体系建设理论与模式，指引和保护包兰铁路在风沙肆虐中畅通60余年。在长期的沙漠科研工作中，治沙人铸就了“不为名利、忍耐寂寞、勇于创新、宽容失败、勇战沙魔”的“沙坡头精神”。从沙化土地治理，到植被重建，再到生态恢复，治沙人的使命持续更新，在防治沙害、恢复生态环境重建方面，不断探索，开创了我国乃至世界沙化土地治理的先河，为世界环保事业作出了卓越贡献。现如今，沙坡头站的新一代科学家，基于前几代科学家对荒漠结皮的深入研究，成功研发出了人工生物土壤结皮的固沙技术，这一创新技术将原本需要3年才能恢复的结皮，大幅缩短至一年。这彰显了他们在生态环境保护上的决心和不懈追求。
《中国科学报》 (2024-05-31 第4版 专题)