黃土高原生態建設與鄉村振興耦合發展之路探索

霜降甫過，雄渾蒼茫的陜北黃土高原上，秋收即將進入尾聲，一些未采摘的山地蘋果園里紅艷艷的蘋果，在深秋的樹枝上愈發鮮紅耀眼，豐收的喜悅洋溢在人們的臉龐。

這是糧果豐收的季節，更是讓延安市安塞區高橋鎮南溝村老百姓無比激動幸福的季節。

據新華社報道，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平近日在陜西省延安市、河南省安陽市考察時強調，全面建設社會主義現代化國家，最艱巨最繁重的任務仍然在農村。

10月26日下午，習近平一下火車，就乘車前往延安市安塞區高橋鎮南溝村。正值金秋，山上蘋果園碩果累累，一片豐收景象。習近平走進果園，向現場采摘的果農了解今年蘋果收成，同老鄉們親切交流，并采摘了一個紅紅的大蘋果。習近平詳細詢問蘋果種植技術、采摘方法、品種質量、銷售價格、村民收入以及如何發展蘋果種植和其他產業等，老鄉們一一回答。習近平十分關心灌溉和用水問題，老鄉們告訴總書記，他們通過筑水壩、搞滴灌和精細化管理，有效解決了用水和灌溉問題。習近平稱贊說，這就是農業現代化，你們找到了合適的產業發展方向。

習近平總書記在延安市安塞區高橋鎮南溝村的講話，讓給習近平總書記介紹南溝村現代化農業發展模式的駐村干部張光紅深受鼓舞。

“陳怡平研究員是來咱們南溝開展科研工作的第一個科學家，他們研究的耕地改良技術很接地氣，效果很好。” 張光紅口中的耕地改良技術，有效解決山地果園養分需求和施肥問題的背后，離不開中國科學院地球環境研究所生態環境研究團隊八年來對該村持續不斷的科技助力與產業賦能。

“2014年，我們這里還荒涼的時候，我在杏樹窯子溝偶然碰見陳怡平研究員，當時他帶領一幫人考察，我就把陳怡平研究員請到我們大隊部，當時我們起步階段，太需要科技支持，我講述了我們的科技需求，從此他扎根我們南溝村，我們聘任他為我們技術顧問。”張潤生支書激動地說.

自2014年開始，在中國科學院科技服務網絡計劃（STS）項目“延安治溝造地科學性、生態效應評估及增產模式”、十三五國家重點研發計劃項目“水土流失型氮磷面源污染阻截技術與產品研發”等支持下，中科院地環所陳怡平帶領項目研究團隊的科技人員以南溝村為主陣地，一直在研究探索陜北黃土丘陵溝壑區退耕還林還草的生態效益、社會效益和經濟效益三者耦合的可持續發展之路。

率先提出黃土高原退耕還林還草的最大閾值論斷

黃土高原是中國水土流失最為嚴重的區域，新中國成立以后，黨和國家十分重視黃土高原的生態治理，尤其國家退耕還林還草工程實施以后，取得了顯著的成效。在國家好政策的支持下，中國科學院水土保持研究所、中國科學院地球環境研究所的幾代科學家在陜北黃土高原研究土壤侵蝕與水土保持、黃土形成與古東亞季風動力的關系等系列前瞻性研究項目，歷經六十多年不間斷努力，為國家在陜北實施退耕還林還草工程提供科技支撐，使實施的退耕還林還草工程健康發展，黃土高原植被蓋度顯著提高。

目前，當每年春夏季節來到延安界域，眏入眼簾的是蒼翠的、郁郁蔥蔥的起伏的山巒、山溝、高原，人們感嘆“沒有一點黃土高原的樣子了。”

“2020年陜北黃土高原的植被蓋度已達65%。” 陳怡平根據自己研究團隊的結果堅定地說。

“2014年，我就一直思考陜北黃土高原這個半干旱農牧業交錯區退耕還林還草的生態閾值是多少？黃土高原降雨量相對較少，自然稟賦有限，不可能無限制退耕還林還草，無限度的復綠一定是不可持續的。”

陳怡平繼續闡述，如果陜北黃土高原植被恢復重建達到飽和點之后，繼續大規模實施退耕還林還草工程，一定會帶來新的生態問題。首先，植被通過光合作用不斷地固定大氣中的二氧化碳，也在不斷消耗土壤水分。如果繼續擴大退耕還林草面積，植被不斷生長，對土壤水分需求量越來越大，必然導致黃土高原土壤水分虧缺越來越嚴重，從而影響植被生長發育，甚至導致群落衰敗和生態系統退化，使退耕還林還草成果大打折扣。其次，在過去的一個世紀，尤其是1960年以后，黃河水流量開始下降。根據文獻報道，80%為人類活動造成（退耕還林草、淤地壩建設、梯田建設等），其次是由于蒸散發原因。如果繼續擴大退耕還林還草面積，勢必引起黃河下游水量減少，影響中下游的工農業生產活動。

為此，陳怡平帶領科研團隊率先提出黃土高原退耕還林飽和論，未來黃土高原植被恢復原則應是自然演替，而不是繼續人工擴大面積。同時，需要加強植被管理，優化植被結構，過于密集的植被應進行撫育梳理，高耗水的外來物種洋槐應逐步被低耗水本地土著物種替代，走高質量的退耕還林還草之路。2015年9月1日，這一研究成果在《自然-地球科學》率先發表，引起國內外高度關注。

“研究表明，在保證人均耕地1.5畝的前提下，黃土高原退耕的面積上限為236萬公頃。然而，自2000年退耕以來，截至2008年，黃土高原地區已退耕土地483萬公頃，局部已出現人糧關系緊張的局面。針對退耕還林還草引起局部地區人糧關系矛盾，我們科學論證了黃土高原治溝造地的可行性與必要性，提出在黃土高原適宜地方實施治溝造地，可有效消除‘勢能差’減少水土流失，緩解局部區域糧食安全問題，減少地質災害，2013年7月3日我們在《環境科學與技術》上發表這一研究成果，有力推動了延安治溝造地的健康發展，促進區域經濟社會可持續發展。”陳怡平進一步補充說明。

2015年，陳怡平帶領科研團隊深入調查了延安新造耕地與坡耕地產量， 與坡耕地相比，延安新平整土地種植大豆、糜子、玉米和馬鈴薯產量比坡耕地分別增加60%、91%、41%和130%的產量，有效緩解了區域糧食安全問題。

創新治溝造地小流域水土高效利用技術體系

黃土高原的地貌特征是溝壑縱橫，山地與斷骨谷、盆地相間分布。退耕還林草也引起局部地區人糧關系矛盾的新問題，而在黃土高原開展治溝造地就成為一種有效的解決路徑。

黃土高原區域的人民群眾也在水土保持的生產中進行了樸素的治溝造地。但是，面對復雜多樣的黃土高原地貌特征，鞏固好退耕還林草的成效，就需要對治溝造地有一套適宜性評價的理論和方法以指導和規范。

經過數年在南溝村等的觀察、分析數據，課題負責人水土保持研究所符素華教授等建立了治溝造地適宜性評價的理論和方法。

國家重點研發項目團隊成員符素華介紹：我們提出在溝底造地應治溝底平地，主要是指溝臺地、溝條地、溝坪地和塌地類；在山頂造地應治溝間地，即梁峁坡的指導建議。同時還研發出以“挖填土方量最小、造地面積最大化”為目標，能模擬分析“壩高—造地面積—土方量”關系的治溝造地模擬決策支持系統。

據了解，該系統能快速規劃黃土丘陵溝壑區的適宜造地區域，并系統評價了黃土丘陵區的治溝造地的潛力。

“在該系統的應用實踐中，進一步發現壩高為5米時，丘II區建壩造地效益最高，丘III區建壩造地效益最低。”

黃土高原在夏秋季的集中雨期，坡面細溝的土壤侵蝕是造成小流域徑流和產沙的主要因素，也關系著治溝造地的最后效果。為此，該團隊還構建了黃土高原治溝造地流域蓄（水）、排（水）、防（洪、鹽漬化）、灌（溉）、管（理）為一體的水利綜合配套技術，該技術為黃土高原治溝區域的水土資源高效利用提供了技術支持，能為造地區域防洪、抗旱和減災提供技術保障。

另外，“通過不同的地塊、作物等因子處理試驗，系統評價了起壟、覆膜、覆秸稈等高效用水技術措施對新造地和壩地春玉米產量及水分利用效率的影響。” 現在就職于延安大學的馬吉福副教授介紹。“我是陳怡平老師的博士研究生，博士論文在延安南溝扎扎實實做了4年，壟作覆膜技術措施具有最高的產量和水分利用效率，我們推薦在新造地上應用。新造地的產量低于壩地，但水分利用效率高于壩地。”

上面的創新技術體系經在南溝開展的應用示范，蘋果園產量得到了有效提高。

而建立的以降雨強度和養分輸移為主要限定因子的小流域徑流和產沙模型，為有效精準控制治溝造地小流域面源污染提供了技術工具。

“我們兩個是項目辦的，也一直參與重點研發項目，見證了南溝蝶變一切。項目團隊研究發現，南溝小流域氮磷減小了95%”團隊成員、中科院地球環境所王凱博副教授和王益博士如是說。

“從而也從科學試驗層面論證了治溝造地對氮磷物質起到攔截和消耗作用。”

創新土壤濕陷與邊坡防護技術體系

針對黃土丘陵溝壑區治溝造地邊坡沖刷、垮塌等病害問題，該團隊基于野外地質調查、勘探及無人機遙感技術的數據分析，在厘定治溝造地邊坡病害類型，建立邊坡地質結構模型的基礎上，基于土工與微觀試驗、物理模型試驗與數值模擬技術，最終揭示了降雨作用下黃土微觀與強度特性以及降雨與開挖作用下造地邊坡變形失穩力學機制，提出邊坡開挖優化方案，為治溝造地邊坡病害防治、實現“造地保地、防止N、P流失” 奠定了理論基礎。

其中，他們針對黃土丘陵溝壑區治溝造地新造農田土壤濕陷沉降及水毀災害問題，在基于野外監測、室內土壤濕陷試驗及微米CT成像技術研究結果的基礎上，確定了農田黃土物理力學性質、微觀結構特征，解析出治溝造地農田土壤黃土濕陷變形特性，揭示了填方農田水文演化特征與沉降變形規律，評價了治溝造地農田土壤質量，為治溝造地農田土壤濕陷沉降控制提供了科學依據……制定出新造耕地農田土壤濕陷沉降控制技術標準草案。

據長安大學黃強兵介紹，由相關課題成果凝煉形成的《黃土高原治溝造地邊坡病害防控技術標準草案》《黃土高原治溝造地農田土壤濕陷沉降控制技術標準草案》通過專家評審與驗收。

更為可喜的是課題組對“復合型黃土邊坡生態護坡技術”“黃土高原治溝造地邊坡綠色防護新技術”“黃土丘陵溝壑區治溝造地溝谷地基排水結構鋪設方法與技術”“黃土丘陵溝壑區治溝造地新造農田的綜合填筑方法與技術”等系列技術成果進行集成，在安塞南溝流域推廣與應用示范3620畝，有效減少了流域內地質災害發生，示范區內新造農田地面沉降可控、全區邊坡穩定無垮塌。

這一成果將為黃土丘陵區治溝造地邊坡病害防治及農田土壤濕陷沉降控制提供科技支撐方面發揮更大的作用。

研發形成新造耕地改良技術體系

該團隊經過多年試驗，基于改進的土壤質量綜合評價模型，結合主成分分析、序貫高斯模擬、模糊數學評價及結構方程等方法，構建了一套精準、科學的土壤質量評價模型及指標體系。他們以延安市為研究區域，綜合評估了該地區新造耕地土壤質量，診斷出新造耕地主要障礙因子為土壤有機質、氮含量和酶活性等，并進一步厘清了耕地土壤質量等級及障礙因子分布，區劃了以有機質和氮含量為全域障礙因素、土壤質地和酶活性為北部區域障礙因素及有效磷含量為南部區域障礙因素為主要特征的障礙因子空間格局，提出了新造耕地土地利用類型規劃及精準改良建議，為新造耕地的管理與利用提供了科學決策依據。

他們還從典型新造耕地土壤中分離出可以高效降解纖維素的菌株，經在實驗室反復研究其降解秸稈、廢棄中藥渣的效果，獲得了適宜延安當地氣候和土壤條件的高效纖維素降解微生物菌株51株，通過不斷優化固相發酵生產工藝，避免了外來菌群在環境適應、與土著菌群互作等方面的不可知性，從而為快速生物質還田培肥新造土壤提供了穩定、安全、有效的微生物降解技術。

“在此基礎上，研發了兼具地力提升和病蟲害防治效果的生態環保型土壤改良菌劑，可針對性的有效作用于延安地區新造耕地，改善土壤理化性質、提高養分緩效釋放能力、增加土壤蓄水保肥性能，從根本上改善新造耕地土壤結構、提升土壤的適耕性。”團隊成員延安大學馬吉福介紹。

據了解，在安塞區南溝村新造耕地上經過三年的大田驗證，發現中藥渣有機復合改良劑可顯著改善新造耕地土壤結構、有效提高新造耕地土壤氮、磷庫容，并顯著減少溫室氣體（CO2，N2O等）排放、提高了新造耕地土壤固碳能力，實現無機氮磷肥減半量施用的同等效果。與對照相比，新造耕地土壤碳儲量、全氮、全磷分別增加約16-51%、30-73%和1.66-25.6%，土壤有效態氮、磷含量分別增加25.6%和81.6%。

經過三年大田原位試驗驗證，發現施用改良劑農作物產量比對照提高88-422%。這一技術也在南溝蘋果園推廣應用960畝，顯著促進了果園產量和品質提升，起到了推動新造耕地農業提質增效的顯著作用。

助力形成黃土高原鄉村振興的“南溝模式”

中國黃土高原地區總面積大約 64 萬平方公里，因其土質疏松，溝壑縱橫，長度大于 500 米的溝道有 27 萬多條，是世界上水土流失最為嚴重的區域之一，也是我國極度貧困區域。至 2020 年黃土高原植被蓋度增加至65%，該區域土壤水分承載力已經達到閾值上限。

“未來如何保持黃土高原生態環境持續向好？又讓當地老百姓生活更加富裕，如何將“青山綠水”變成“金山銀山”，是新時代亟待解決的社會發展需求命題。”陳怡平多年來一直在思考破解這一命題。

據了解，2014年，陳怡平邀請中國生態學會農業生態專業委員會的資深專家，華南農業大學原校長駱世明教授，福建農林科技大學原副校長林文雄教授，蘭州大學李鳳民教授，中國農科院楊正禮研究員等為南溝把脈問診，規劃生態農業發展之路。

在理論研究結果的基礎上，陳怡平帶領科研團隊重點在南溝村研究探索最優土地整治模式，節水灌溉技術，總結提出了黃土高原丘陵溝壑區的鄉村振興的現代農業發展模式：即山頂削峁建盆地，發展果業和藥材生態園；山腰構建草灌復合生態系統；山下適當治溝造地發展設施農業；小流域源頭科學建設水庫，為山上藥果園區和設施農業提供滴灌水源，構建黃土高原丘陵溝壑區山水林田湖生態景觀格局。其相關文章發表于2019年6期《中國科學院院刊》。

由于長期在南溝村開展課題研究試驗產生的效果，南溝村的領導和駐村干部等給予陳怡平科研團隊充分的信任和支持，將這一理論模式在南溝村進行了應用。

“陳怡平這個人太實誠了，是個干實事的人，我們可喜歡他，已經是我們南溝的榮譽村民。”村支書張潤生如是說。

“我們村現在有3160畝蘋果，人均3畝，戶均10畝。今年蘋果價格高，每斤能賣到3.3元左右……”張光紅欣喜地介紹南溝村的蘋果產業發展現狀。

南溝村的日子紅紅火火。2021年全村農民人均可支配收入達到1.75萬元，今年可達2萬元。

南溝村，全國扶貧經驗交流示范基地，脫貧攻堅成色足；中國美麗休閑鄉村、國家3A級景區，鄉村振興底色新。

以前的南溝村有三難：出行難、娶媳婦難、干事難。

現在的南溝村，已發展成環境優美、產業興旺、農旅融合的知名“打卡地”。

“脫胎換骨”的背后，是“三變”改革的助力。南溝村通過村企合作，實現“資源變資產、資金變股金、農民變股東”，盤活土地資源，依靠科技創新成果的推廣應用建起高標準山地蘋果示范園和生態農業示范園，提質增效，村民在家門口就能實現就業。

如在2017至2018年，在該項目團隊成員指導下，南溝村山地果園在綠肥翻壓的基礎上繼續配施有機復混肥，基本緩解了集約化蘋果園土壤貧瘠問題，蘋果園第一年掛果，畝產量平均約1400斤。2020至2021年，果園采用團隊提出的精準施肥方式，為果樹生長創造了良好的養分條件，蘋果畝產量最高達到了3000余斤。2022年，果園畝產量突破了4000余斤。“這個小馬（指馬吉福）博士給我們指導可多了，可有作用啦！”支書張潤生說。

從南溝村看到了陜北黃土高原的變化，從陜北黃土高原的變化就可以看到中國的變化。