金秋时节，山上苹果园硕果累累。 张光红供图

研究人员在南沟村栽植一年的苹果园指导果园土壤-作物生态种植。张行勇/摄

课题项目主要研究人员在南沟苹果园。 张行勇/摄

　　霜降甫过，雄浑苍茫的陕北黄土高原上，秋收即将进入尾声。山地苹果园里红艳艳的苹果，在深秋的树枝上愈发鲜红耀眼，丰收的喜悦洋溢在人们的脸庞。　　

　　这是粮果丰收的季节，更是让延安市安塞区高桥镇南沟村老百姓无比激动幸福的季节。　　

　　据新华社报道，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平近日在陕西省延安市、河南省安阳市考察时强调，全面建设社会主义现代化国家，最艰巨最繁重的任务仍然在农村。……10月26日下午，习近平一下火车，就乘车前往延安市安塞区高桥镇南沟村。正值金秋，山上苹果园硕果累累，一片丰收景象。习近平走进果园，向现场采摘的果农了解今年苹果收成，同老乡们亲切交流，并采摘了一个红红的大苹果。习近平详细询问苹果种植技术、采摘方法、品种质量、销售价格、村民收入以及如何发展苹果种植和其他产业等，老乡们一一回答。习近平十分关心灌溉和用水问题，老乡们告诉总书记，他们通过筑水坝、搞滴灌和精细化管理，有效解决了用水和灌溉问题。习近平称赞说，这就是农业现代化，你们找到了合适的产业发展方向。　　

　　习近平总书记在延安市安塞区高桥镇南沟村的讲话，使给习近平总书记介绍南沟村现代化农业发展模式的驻村干部张光红深受鼓舞。　　

　　“陈怡平研究员是来咱们南沟开展科研工作的第一位科学家，他的团队研究的耕地改良技术很接地气，效果很好。” 张光红口中的耕地改良技术，有效解决了山地果园养分需求和施肥问题，这背后离不开中国科学院地球环境研究所生态环境研究团队8年来对该村持续不断的科技助力与产业赋能。　　

　　“2014年，我们这里还很荒凉，我在杏树窑子沟偶然碰见陈怡平研究员，当时他正带领一帮人考察。我把陈怡平研究员请到我们大队部，当时我们村正处于现代化农业发展起步阶段，太需要科技支持。我们讲述了南沟村的科技需求，并聘任陈怡平研究员为技术顾问，从此他扎根在我们南沟村。”南沟村村支书张润生激动地说。　　

　　自2014年开始，在中国科学院科技服务网络计划（STS）项目“延安治沟造地科学性、生态效应评估及增产模式”、“十三五”国家重点研发计划项目“水土流失型氮磷面源污染阻截技术与产品研发”等支持下，中国科学院地球环境研究所陈怡平带领项目研究团队的科技人员，以南沟村为主阵地，探索陕北黄土丘陵沟壑区退耕还林还草的生态效益、社会效益和经济效益三者耦合的可持续发展之路。　　

　　率先提出黄土高原退耕还林还草的最大阈值论断　　

　　黄土高原是中国水土流失最为严重的区域。新中国成立以后，党和国家十分重视黄土高原的生态治理，国家退耕还林还草工程实施以后，取得了显著的成效。在国家政策的支持下，中国科学院水利部水土保持研究所、中国科学院地球环境研究所的几代科学家在陕北黄土高原研究土壤侵蚀与水土保持、黄土形成与古东亚季风动力的关系等系列前瞻性项目，历经60多年的不间断努力，为国家在陕北实施退耕还林还草工程提供科技支撑，使该工程健康发展，黄土高原植被覆盖度显著提高。　　

　　如今，当每年春夏季节来到延安界域，映入眼帘的是郁郁葱葱的山峦、山沟、高原，人们感叹，“没有一点黄土高原的样子了”。　　

　　“2020年陕北黄土高原的植被覆盖率已达65%。” 陈怡平根据自己团队的研究结果坚定地说。　　

　　“2014年起，我就一直思考，陕北黄土高原这个半干旱农牧业交错区退耕还林还草的生态阈值是多少？黄土高原降雨量相对较少，自然禀赋有限，不可能无限制退耕还林还草，无限度的复绿一定是不可持续的。”　　

　　陈怡平继续阐述，如果陕北黄土高原植被恢复重建达到饱和点之后，继续实施大规模退耕还林还草工程，一定会带来新的生态问题。首先，植被通过光合作用不断固定大气中的二氧化碳，同时也会不断消耗土壤水分。如果继续扩大退耕还林还草面积，植被不断生长，对土壤水分需求量越来越大，必然导致黄土高原土壤水分亏缺越来越严重，从而影响植被生长发育，甚至导致群落衰败和生态系统退化，使退耕还林还草的成果大打折扣。其次，在过去的一个世纪，尤其是1960年以后，黄河水流量开始下降。根据文献报道，黄河水流量80%的下降为人类活动造成（退耕还林还草、淤地坝建设、梯田建设等），然后是由于河水蒸散发。如果继续扩大退耕还林还草面积，势必引起黄河下游水量减少，继而影响中下游的工农业生产活动。　　

　　为此，陈怡平带领科研团队率先提出黄土高原退耕还林饱和论：未来黄土高原植被恢复原则应是自然演替，而不是继续人工扩大面积。同时，需要加强植被管理、优化植被结构，过于密集的植被应进行抚育梳理，高耗水的外来物种洋槐应逐步被低耗水的本地物种替代，走高质量的退耕还林还草之路。2015年9月1日，这一研究成果在《自然-地球科学》发表，引起国内外关注。　　

　　“研究表明，在保证人均耕地1.5亩的前提下，黄土高原退耕的面积上限为236万公顷。然而，自2000年退耕以来，截至2008年，黄土高原地区退耕土地达483万公顷，局部出现人粮关系紧张的局面。针对这一矛盾，我们科学论证了黄土高原治沟造地的可行性与必要性，提出在黄土高原适宜地方实施治沟造地，可有效消除‘势能差’减少水土流失，缓解局部区域粮食安全问题，缓解地质灾害。2013年7月3日，我们在《环境科学与技术》上发表这一研究成果，有力推动了延安治沟造地的健康发展，促进区域经济社会可持续发展。”陈怡平进一步补充说明。　　

　　2015年，陈怡平带领科研团队深入调查了延安新造耕地与坡耕地产量。结果显示，延安新平整土地种植大豆、糜子、玉米和马铃薯产量比坡耕地分别增加60%、91%、41%和130%，有效缓解了区域粮食安全问题。　　

　　创新治沟造地小流域水土高效利用技术体系　　

　　黄土高原的地貌特征是沟壑纵横，山地与断谷、盆地相间分布。退耕还林还草引起局部地区人粮关系矛盾的新问题，因此在黄土高原开展治沟造地成为一种有效的解决路径。　　

　　黄土高原区域的人民群众也在水土保持生产中进行了朴素的治沟造地。但是，面对复杂多样的黄土高原地貌特征，为巩固退耕还林还草的成效，需要有一套治沟造地适宜性评价的理论和方法给予指导和规范。　　

　　经过数年在南沟村等的观察、分析，课题负责人、水土保持研究所研究员符素华等建立了这一套理论和方法。　　

　　国家重点研发项目团队成员符素华介绍，该团队提出了在沟底造地应治沟底平地，主要是指沟台地、沟条地、沟坪地和塌地类；在山顶造地应治沟间地，即梁峁坡的指导建议。同时还研发出以“挖填土方量最小、造地面积最大化”为目标，能模拟分析“坝高-造地面积-土方量”关系的治沟造地模拟决策支持系统。　　

　　据了解，该系统能快速规划黄土丘陵沟壑区的适宜造地区域，并系统评价黄土丘陵区的治沟造地潜力。　　

　　在该系统的应用实践中，研究团队进一步发现坝高为5米时，丘II区建坝造地效益最高，丘III区建坝造地效益最低。　　

　　在黄土高原夏秋季的集中雨期，坡面细沟的土壤侵蚀是造成小流域径流和产沙的主要因素，也关系着治沟造地的最后效果。为此，该团队还构建了黄土高原治沟造地流域蓄（水）、排（水）、防（洪、盐渍化）、灌（溉）、管（理）为一体的水利综合配套技术。该技术为黄土高原治沟区域的水土资源高效利用提供了技术支持，为造地区域防洪、抗旱和减灾提供了技术保障。　　

　　另外，“通过不同的地块、作物等因子处理试验，系统评价了起垄、覆膜、覆秸秆等高效用水技术措施对新造地和坝地春玉米产量及水分利用效率的影响。” 团队成员、延安大学副教授马吉福介绍，“我是陈怡平老师的博士研究生，博士论文在延安南沟村扎扎实实做了4年。垄作覆膜技术措施具有最高的产量和水分利用效率，我们推荐在新造地上应用。新造地的产量低于坝地，但水分利用效率高于坝地。”　　

　　以上创新技术体系在南沟开展应用示范后，苹果园的产量得到了有效提高。而以降雨强度和养分输移为主要限定因子的小流域径流和产沙模型，为有效精准控制治沟造地小流域面源污染提供了技术工具。　　

　　“我们两个是项目办的，一直参与重点研发项目，见证了南沟蝶变的过程。项目团队研究发现，南沟小流域氮磷减小了95%。”团队成员、中科院地球环境所副研究员王凯博和王益博士如是说，“这也从科学试验层面论证了治沟造地对氮磷物质起到了拦截和消耗作用。”　　

　　创新土壤湿陷与边坡防护技术体系　　

　　针对黄土丘陵沟壑区治沟造地边坡冲刷、垮塌等病害问题，该团队基于野外地质调查、勘探及无人机遥感技术的数据分析。在厘定治沟造地边坡病害类型、建立边坡地质结构模型的基础上，利用土工与微观试验、物理模型试验与数值模拟技术，最终揭示了降雨作用下黄土微观与强度特性以及降雨与开挖作用下造地边坡变形失稳力学机制。团队提出边坡开挖优化方案，为治沟造地边坡病害防治、实现“造地保地、防止氮磷流失” 奠定了理论基础。　　

　　其中，他们针对黄土丘陵沟壑区治沟造地新造农田土壤湿陷沉降及水毁灾害问题，在基于野外监测、室内土壤湿陷试验及微米CT成像技术研究结果的基础上，确定了农田黄土物理力学性质、微观结构特征，解析出治沟造地农田土壤黄土湿陷变形特性，揭示了填方农田水文演化特征与沉降变形规律，评价了治沟造地农田土壤质量，为治沟造地农田土壤湿陷沉降控制提供了科学依据……制定出新造耕地农田土壤湿陷沉降控制技术标准草案。　　

　　据长安大学教授黄强兵介绍，由相关课题成果凝练形成的《黄土高原治沟造地边坡病害防控技术标准草案》《黄土高原治沟造地农田土壤湿陷沉降控制技术标准草案》通过了专家的评审与验收。　　

　　更为可喜的是，课题组对“复合型黄土边坡生态护坡技术”“黄土高原治沟造地边坡绿色防护新技术”“黄土丘陵沟壑区治沟造地沟谷地基排水结构铺设方法与技术”“黄土丘陵沟壑区治沟造地新造农田的综合填筑方法与技术”等系列技术成果进行集成，在安塞南沟流域推广与应用示范3620亩，有效减少了流域内地质灾害发生，实现示范区内新造农田地面沉降可控、全区边坡稳定无垮塌。　　

　　这一成果将在黄土丘陵区治沟造地边坡病害防治及农田土壤湿陷沉降控制方面提供科技支撑，发挥更大作用。　　

　　研发形成新造耕地改良技术体系　　

　　该团队经过多年试验，基于改进的土壤质量综合评价模型，结合主成分分析、序贯高斯模拟、模糊数学评价及结构方程等方法，构建了一套精准、科学的土壤质量评价模型及指标体系。他们以延安市为研究区域，综合评估了该地区新造耕地土壤质量，诊断出新造耕地主要障碍因子为土壤有机质、氮含量和酶活性等，并进一步厘清了耕地土壤质量等级及障碍因子分布，划定了以有机质和氮含量为全域障碍因素、土壤质地和酶活性为北部区域障碍因素及有效磷含量为南部区域障碍因素为主要特征的障碍因子空间格局，提出了新造耕地土地利用类型规划及精准改良建议，为新造耕地的管理与利用提供了科学决策依据。　　

　　他们还从典型新造耕地土壤中分离出可以高效降解纤维素的菌株，经在实验室反复研究其降解秸秆、废弃中药渣的效果，获得了适宜延安当地气候和土壤条件的高效纤维素降解微生物菌株51株。通过不断优化固相发酵生产工艺，避免了外来菌群在环境适应、土著菌群互作等方面的不可知性，从而为快速生物质还田培肥新造土壤提供了稳定、安全、有效的微生物降解技术。　　

　　“在此基础上，研发了兼具地力提升和病虫害防治效果的生态环保型土壤改良菌剂，可有针对性地有效作用于延安地区新造耕地，改善土壤理化性质、提高养分缓效释放能力、增加土壤蓄水保肥性能，从根本上改善新造耕地土壤结构、提升土壤的适耕性。”马吉福介绍。　　

　　据了解，在安塞区南沟村新造耕地上经过3年的大田验证，研究团队发现中药渣有机复合改良剂可显著改善新造耕地土壤结构、有效提高新造耕地土壤氮、磷库容，并显著减少温室气体（CO2、N2O等）排放、提高了新造耕地土壤固碳能力，无机氮磷肥减半施用达到同等效果。与对照组相比，新造耕地土壤碳储量、全氮、全磷分别增加约16%~51%、30%~73%和1.66%~25.6%，土壤有效态氮、磷含量分别增加25.6%和81.6%。　　

　　经过3年大田原位试验验证，研究团队发现施用改良剂后农作物产量比对照组提高88%~422%。这一技术也在南沟苹果园推广应用960亩，促进了果园产量和品质提升，起到了推动新造耕地农业提质增效的显著作用。　　

　　助力形成黄土高原乡村振兴的“南沟模式”　　

　　中国黄土高原地区总面积大约64万平方公里，因其土质疏松、沟壑纵横，长度大于500米的沟道有27万多条，是世界上水土流失最为严重的区域之一，也是我国极度贫困区域。截至2020年，黄土高原植被覆盖度增加至65%，该区域土壤水分承载力已经达到阈值上限。　　

　　“未来如何保持黄土高原生态环境持续向好，又让当地老百姓生活更加富裕，如何将‘绿水青山’变成‘金山银山’，是新时代亟待解决的社会发展需求命题。”多年来，陈怡平一直在思考如何破解这一命题。　　

　　据了解，2014年，陈怡平邀请华南农业大学原校长、教授骆世明，福建农林科技大学原副校长、教授林文雄，兰州大学教授李凤民，中国农科院研究员杨正礼在内的中国生态学学会农业生态专业委员会的资深专家，为南沟把脉问诊，规划生态农业发展之路。　　

　　在理论研究的基础上，陈怡平带领科研团队重点在南沟村探索最优土地整治模式及节水灌溉技术，提出了黄土高原丘陵沟壑区的乡村振兴现代农业发展模式：山顶削峁建盆地，发展果业和药材生态园；山腰构建草灌复合生态系统；山下适当治沟造地发展设施农业；小流域源头科学建设水库，为山上药果园区和设施农业提供滴灌水源，构建黄土高原丘陵沟壑区山水林田湖生态景观格局。相关文章发表于2019年第6期《中国科学院院刊》。　　

　　基于长期在南沟村开展课题研究试验产生明显效果，南沟村的领导和驻村干部等给予陈怡平科研团队充分的信任和支持，并将这一理论模式在南沟村进行了应用。　　

　　“陈怡平这个人太实诚了，是个干实事的人，我们可喜欢他了，他已经是我们南沟的荣誉村民。”张润生说。　　

　　“我们村现在有3160亩苹果，人均3亩，户均10亩。今年苹果价格高，每斤能卖到3.3元左右……”张光红欣喜地介绍南沟村的苹果产业发展现状。　　

　　南沟村的日子红红火火。2021年全村农民人均可支配收入达到1.75万元，今年可达2万元。　　

　　南沟村，全国扶贫经验交流示范基地，脱贫攻坚成色足；中国美丽休闲乡村、国家3A级景区，乡村振兴底色新。　　

　　以前的南沟村有三难：出行难、娶媳妇难、干事难。　　

　　现在的南沟村，已发展成环境优美、产业兴旺、农旅融合的知名“打卡地”。　　

　　“脱胎换骨”的背后，是“三变”改革的助力。南沟村通过村企合作，实现“资源变资产、资金变股金、农民变股东”，盘活土地资源，依靠科技创新成果的推广应用建起高标准山地苹果示范园和生态农业示范园，提质增效，村民在家门口就能实现就业。　　

　　如在2017至2018年，在该项目团队成员指导下，南沟村山地果园在绿肥翻压的基础上继续配施有机复混肥，基本缓解了集约化苹果园土壤贫瘠问题，苹果园第一年挂果，亩产量平均约1400斤。2020至2021年，果园采用团队提出的精准施肥方式，为果树生长创造了良好的养分条件，苹果亩产量最高达到了3000余斤。2022年，果园亩产量突破了4000余斤。“这个小马（马吉福）博士给我们指导可多了，可有作用啦！”张润生说。　　

　　人们从南沟村看到了陕北黄土高原的变化，从陕北黄土高原的变化就可以看到中国的变化。　　

　　“党的二十大报告提出，全面推进乡村振兴。我们要巩固拓展脱贫攻坚成果，继续全面落实乡村振兴的各项工作任务，让南沟村基础设施更加完善，依靠更多科技创新成果的应用使产业优势更加明显，村容村貌更加美丽，人民生活更加富裕，示范效果更具特色。”张光红说。产业兴旺是乡村振兴的重要基础。“今后，我们将以问题为导向，聚焦黄河流域高质量发展的科学问题，以中国科学院人的担当与使命，肩扛‘国家责’，全面学习宣传贯彻党的二十大精神，坚持科技为民，助力黄土高原乡村振兴，把科技论文写在黄土高原乡村里，努力做一名接地气的科学家。”陈怡平如是规划自己和团队的未来目标。（魏刚 严涛 张行勇）

今日南沟村。张行勇/摄