东北地理所内的试验田。杜珊妮/摄

■本报记者 杜珊妮

黝黑如墨、舒松软绵，还带着一丝雨后的湿润……走进初夏时节的东北黑土区，这些肥沃的黑土地刚刚完成春播，绵延的田垄间，万千粮种静待破土，拔节生长。

然而，几十年来，作为国家粮食安全的“压舱石”，被誉为“耕地中的大熊猫”的黑土地，却因长期高强度利用与风蚀、水蚀、冻融侵蚀叠加，深陷“变瘦、变薄、变硬”的退化困境，健康状态岌岌可危。

为守护黑土、端牢“中国饭碗”，2021年，中国科学院联合东北三省一区，集结院内27家研究机构、院外71家单位，共计1300余人，组成科技“集团军”，正式启动“黑土粮仓”科技会战。中国科学院东北地理与农业生态研究所（以下简称东北地理所）担任“先锋队”，向黑土地保护与利用发起总攻。

从松嫩平原到三江腹地，从西辽河畔到友谊农场，他们向上对接国家粮食安全与生态安全战略，向下支撑土壤改良、产能提升、智慧装备等技术方向，历时5年交出一张张亮眼“答卷”，重焕一寸寸黑土生机。

以水为尺，筑牢黑土区水土生态根基

2023年秋天，当东北地理所研究员章光新带领团队深入西辽河流域实地调研时，眼前的景象让他心头一紧——曾经水量充沛的河道干涸龟裂、水库无水可蓄，河床被连片玉米挤占。水资源被“吃干榨净”了。

水是黑土的命脉，是连接农业生产与生态屏障的核心纽带。但在东北黑土区，水资源却呈现“东多西少、北丰南缺”的格局，分布极不均衡，与粮食主产区严重错位。

“水土流失是黑土地‘变薄’的主要元凶之一。”章光新说，“过去，黑土区的水土资源配置受单一目标导向驱动，忽视了多维要素的协同响应。盲目追求短期经济效益，导致土地粗放扩张与种植结构失衡，结果就是高耗水作物集中在缺水区。”加之水田盲目北扩，挤占了湿地生态用水，引发湿地退化、地下水超采，进一步加剧水土流失。

“要保护黑土，必须优先解决‘水怎么调’的基础问题。”中国工程院院士张佳宝说。

为解决水资源枯竭与粮食增产目标之间的强烈冲突，章光新团队立足粮食安全、生态安全双重目标，着力破解水土资源错配难题，统筹协调农业生产与湿地生态用水。

为摸清黑土地真实的水土资源状况，团队深入田间地头，足迹遍布东北黑土区核心地带，冒着严寒酷暑开展野外监测。有一年春天融雪期，气温接近冰点，队员们踩着泥泞打滑的田埂测定地下水位，挨家挨户和村民交流用水情况。寒风混着雨雪刮得人睁不开眼，手冻得握不住笔，但没有一个人停下来，坚持把调研数据记录完整。“数据差一点，方案就可能偏千里。”章光新说。

历经持续攻关，团队跳出传统单一追求产量的局限，成功构建面向“水-土-粮-生”的多目标协同优化模型。依托该模型，团队结合国家“千亿斤粮食增产工程”重大战略，系统破解了黑土区水土资源超载与空间错配难题，拿出了“适水适地”与“以水定产”的精准配置方案。

团队以西辽河等重度缺水区域为重点，推行“压减玉米、扩种大豆”与跨区调水并举的源头减负举措；针对极端枯水年气候风险，搭建三江平原、辽河平原产能跨区转移的动态适配机制。该成果推动水、土、粮食、生态系统从相互制约转向动态协同，严守生态用水红线，稳固国家粮食安全根基。

查干湖等区域湿地存在干旱缺水、农田退水诱发富营养化等问题。团队创新构建湿地多水源调控技术体系，整合常规水源、雨洪资源及农田退水统筹利用，在完成农田退水治理的同时，保障湿地生态用水需求。

当前，相关技术成果已广泛应用于松辽流域水资源管控，助力东北国家水网规划落地。依托科学调控手段，当地农业生产抗灾能力显著提升，逐步实现旱涝稳产。农业与生态用水格局日趋协调，黑土地生态损伤得到修复，土壤肥力稳步回升。

天空地一体“问诊”，全链条精准复土

在三江平原的友谊农场青年庄小流域，有一块曾经谁都不愿意种的“三跑田”——跑水、跑土、跑肥。地块的原生坡垄笔直排布，每逢大雨，水便会裹挟着黑土顺着长垄一路奔涌冲向沟底。

“刚接手这块试验地时，我们在低洼处挖开1.5米深的土壤剖面后发现，竟没能探到底层表土。正常形成的黑土土壤没这么厚。”谈及这块“三跑田”，东北地理所研究员、会战三江示范区负责人刘焕军记忆犹新。

这样异常的土层状态，是长年水土流失的结果——雨水冲刷带走坡上肥沃黑土，露出黄白色母质，形成“破皮黄”；流失土壤不断在低洼处淤积垫高，土层看似深厚，实则白浆层隔水锁肥，严重制约作物生长。

这样的“劣地”，曾是三江平原土壤“顽疾”的一个缩影。作为我国最大的水田集中连片区、东北唯一的湿润区，三江平原常年面临坡耕地水土流失严重、白浆土广布、地下水超采风险凸显等问题。正因各类问题叠加，黑土地日渐“变瘦、变薄、变硬”。

过去，排查土地问题主要依靠人工网格化挖土取样，不仅费时费力，也无法反映整片耕地的真实情况。“传统监测如同‘盲人摸象’，很难为治理提供精准依据。”刘焕军说。

为此，会战期间，研究遥感出身的刘焕军牵头联合28家单位140余位学科专家，组成三江示范区青年突击队，全力研发“黑土地保护三江模式”。

为搭建覆盖全域的监测网络，2022至2023年间，团队协调十余颗卫星、多架次飞机，搭配无人机与地面传感器，在友谊农场连续组织3次百人规模天、空、地联合监测实验。

他们抢抓春耕、汛前等关键窗口期，冒雨蹲守田间布设设备、采集数据，凭着扎根田野的韧劲，攻克数据融合、点位布设、识别算法等一道道难关，最终搭建起米级精度立体监测网络。

依托海量监测数据，团队不仅为友谊农场每块耕地建立了专属“地块画像”，清晰标注出破皮黄、白浆土、侵蚀沟、低洼涝区等“病灶”的具体分布，还配套研发智能管控App。后者能实时监测每块耕地及其农作物的健康状态，并自动生成个性化的施肥、整地“处方图”，直接连接北斗导航农机，实现精准落地作业。

然而，摸清土地“病根”仅是第一步。当团队带着改造方案来到青年庄小流域时，不少农户连连质疑，害怕改造打乱原有耕作，造成减产。

为打消疑虑，刘焕军和团队扎根田间。他们针对该地块超长坡体水土易流失的特点，依据监测数据，将笔直顺坡垄改造成弧形垄，搭配宽埂、地下暗管排布，降低陡坡坡度、缩短坡长，打造“海绵农田”。

这样一套“精准手术”下来，治理效果立竿见影——昔日亩产仅9吨的“三跑田”脱胎换骨，亩产攀升至15.6吨。

如今，“天空地”监测体系已在三江平原北大荒29个农场得以部署。变量施肥、变量播种、“地块画像”等曾经停留在实验室的技术，正在广袤的黑土田间落地见效，不仅让白浆土耕层厚度增加至30厘米，更让作物增产5.48%～14.2%，水土流失量减少70%。

5年攻坚，黑土地一天天褪去“病态”，逐年复壮，越发丰沃黝黑；而常年奔波在田间的刘焕军，黑发间悄然生出缕缕白发。对此，他只是摸摸头，笑着说：“现在很少理发了，剪完白的更多。但一切都值得。”

翻阅百年“病历”，智慧守护黑土

当科学家通过水资源优化对黑土地进行“血脉调理”，借助“天空地一体化立体监测”完成实地精准“问诊”时，一份跨越百年的黑土退化“数字病历”也逐步完善成形。

有机质流失是黑土退化的核心诱因。在过去几十年里，东北黑土区有机质整体呈下降趋势，且不同地块退化节奏差异巨大——部分耕地开垦仅5年，有机质便大幅衰减；有些地块开垦30多年，有机质依然保持较高水平。

黑土退化并非一朝一夕形成，可是长期以来，传统单点采样的研究方式既无法追溯退化起源、区分区域差异，也难以预判演变趋势。治理方案常常“一刀切”，难以对症下药。

针对黑土退化时空脉络模糊、侵蚀机制难以厘清、治理方案不够精准的痛点，东北地理所研究员、黑土侵蚀退化数字化评价与智慧化阻控研究项目负责人宋开山带领团队另辟蹊径。

“给黑土地‘看病’和临床诊断同理，必须看清时空演变、找准病因，才能精准开方。”宋开山说。

他们创新“空间换时间”的研究思路，利用20世纪80年代至今的长时序卫星影像，反演各地耕地开垦年限，再结合海量地面采样数据，重建近40年黑土有机质与土层厚度时空演变格局，首次在全域尺度客观揭示黑土退化与恢复趋势。

“如同给一个人从10岁到50岁每年拍一张照片，寻找衰老规律那样，我们通过分析不同时间段的土壤状态，找出退化规律。”宋开山解释说。

然而，技术攻关的路上困难重重。起初，由于土壤湿度、地表秸秆、作物幼苗都会干扰遥感光谱数据，加上卫星像素与实地采样点位存在偏差，团队的遥感监测结果并不被传统土壤学界认可。

为打消质疑，团队深入各大土壤长期观测站点，在不同土壤类型区布设采样点，采用多点采样、多指标交叉验证的方式，反复比对遥感反演结果与实地化验数据，最终使这套数字化评价体系获得行业广泛认可。

在此基础上，团队系统梳理近百年耕地开垦、人口变迁、政策演进与水土流失的内在关联，厘清黑土退化的驱动因素。同时，他们将地形、坡度、土壤、降雨、风场等全域要素数字化，精准识别面蚀、沟蚀等水土流失高发区域，量化林草等生态屏障的防护作用。

2025年，宋开山和团队迈出更具突破性的一步——构建我国首个基于DeepSeek大模型的“黑土侵蚀智慧管控平台”。该平台融合了多源数据、专家经验与空间决策模型。以往编制水土保持方案，需耗时数周开展实地勘测、多方研讨；如今只需录入地块坡度、坡长、土壤、降雨等基础信息，半小时即可生成可落地、可实操的空间“处方图”，实现因地制宜、精准阻控。