让黑土地产更多粮食，中科院有“黑科技”

9月29日，中国科学院在北京召开新闻发布会，发布“黑土粮仓”科技会战阶段性成果和《东北黑土地保护与利用报告（2021年）》。新京报记者获悉，科技会战巩固和强化了我国在国际黑土研究上的领先地位，中科院黑土退化阻控的理论研究已跻身国际第一方阵。
黑土地退化“变薄、变瘦、变硬”，中科院启动科技会战
据中科院东北地理与农业生态研究所所长姜明介绍，黑土地是地球珍贵的土壤资源，是指拥有黑色或暗黑色腐殖质表层的土壤，是一种性状好、肥力高、适宜农耕的优质土地。“全球有四大片黑土地，包括北美中部密西西比河流域、乌克兰-俄罗斯平原、中国东北和南美潘帕斯草原。”


9月18日，辽宁康平，黑土地上即将收获的玉米与蔬菜，呈现出一幅乡村丰收美景图。图/IC photo
黑土地是我国“耕地中的大熊猫”。东北黑土地区域面积达109万平方公里，包括黑龙江和吉林两省全部、辽宁省北部和内蒙古东部。黑土地区域总面积位列全球第三位。黑土地也是我国粮食安全“压舱石”，商品粮基地粮食产量占全国1/4，商品量占全国的1/4，粮食调出量占全国的1/3。2021年，东北三省及内蒙古地区合计增产达188亿斤，对全国粮食增产贡献率达70.3%。
然而，黑土地面临退化问题，主要表现为“变薄、变瘦、变硬”。
姜明说，黑土有机质衰减“变瘦”。东北黑土地土壤有机质降幅高达21%。中科院海伦农业生态试验站监测表明，在长期施用化肥条件下，土壤有机质显著下降。土壤侵蚀导致黑土层“变薄”。在水蚀、风蚀和冻融侵蚀作用下，黑土可由初垦时的70厘米降至40厘米以下；60%以上的旱田发生水土流失。机械化作业导致土壤压实变硬，作物难以破土出苗，导致农业减产。
“把黑土地用好养好”是国家粮食安全与生态安全的重要保障。2021年3月，中国科学院启动“黑土粮仓”科技会战。科技会战针对东北黑土地保护与利用需要破解的关键科学技术难题，开展核心技术攻关和示范，致力于设计出用好养好黑土地的系统解决方案。
建立空天地一体化监测与感知系统
“黑土粮仓”科技会战针对黑土地“变薄、变瘦、变硬”问题，解析了黑土区主要侵蚀过程的临界地貌特征，阐明了黑土有机质演变特征及积累机制。研究通过实测和高分辨率遥感调查，首次得出黑土区侵蚀沟有49.6万条的数据，高于普通遥感监测数据的1倍以上，摸清了黑土侵蚀沟的空间分布，被水利部采纳。


2019年4月15日，内蒙古兴安盟，春天来了，东北地区开始翻地，遍地都是肥沃的黑土地。图/IC photo
姜明说，2021年至今，针对黑土变瘦、变薄、变硬等退化的主题检索表明，中国研究处于领先地位，占全球所有论文的52%。“机构发文量显示，中科院排名第一，占全球30%，在变薄、变瘦和变硬研究领域遥遥领先于其它研究机构。”
针对不同区域的农业资源禀赋与气候特征，科技会战构建了“梨树模式2.0”“龙江模式”“大安模式”和“大河湾模式”等具备区域适宜性的黑土地保护与利用技术模式。
“黑土粮仓”科技会战建立了空天地一体化监测与感知系统，创建了“地理学+大数据+现代农业”的“黑土粮仓”全域定制模式。
据姜明介绍，未来，“黑土粮仓”科技会战将围绕黑土地力提升、肥沃耕层构建开展科技攻关，发展土壤健康与产能协同提升理论，强化生物、信息、空天遥感等多学科技术与农业的有机融合。
案例1：
脂肪含量高、早熟、抗盐碱，东北地理所培育“东生”大豆新品种
大豆是最重要的粮油饲料作物，提供了我国约1/3的脂肪、3/5的植物蛋白。然而，我国大豆进口量超过总需求量的85%，大豆的稳定供应面临严峻考验。2021年，我国大豆种植产量1640万吨，同比减少320万吨，下降16.4%；进口量为9652万吨，进口额同比增长35.4%。
“大豆具有根瘤固氮、培肥地力的作用，而东北黑土地是国家大豆主产区。因此，扩种大豆、开发和应用优质大豆种质资源不仅对推动我国大豆振兴、提升种业国际竞争力具有重要的战略意义，对于黑土地退化阻控和健康保育也具有重要作用。”中科院东北地理与农业生态研究所（简称“东北地理所”）正高级工程师李艳华说。


2019年10月13日，黑龙江广袤的黑土地上，大豆即将成熟。图/IC photo
东北地理所通过长期研究，先后培育“东生”系列大豆新品种31个。她举例说，“东生79”脂肪含量达24.16%，创黑龙江省近50年来高脂品种脂肪含量新高，同时兼具有早熟、高产、多抗的特点。极早熟新品种“东生202”解决了高纬度地区极早熟品种匮乏的问题，满足了进一步扩大大豆种植区域的需求。
在常规育种基础上，东北地理所还在国内率先创立大豆分子设计育种技术体系，实现了大豆品种“定制化”生产。2018年，东北地理所在吉林西部建立耐盐碱大豆筛选和示范基地，成功选育抗盐碱大豆新品种“东生118”。2021年，“东生118”实现了600亩中重度苏打盐碱地示范田亩产149公斤的突破，被列为“国家大豆科技自强行动”吉林省主推耐盐碱品种。目前，“东生118”已推广种植5万亩。
据不完全统计，“东生”系列大豆品种目前的种植面积约为1400万亩/年，累计推广5000万亩，增产20亿斤，增加效益40亿元。
案例2：
智能农机实现全程无人化“耕种管收”作业
在科技的加持下，农机也越来越智能化。
“目前东北地区小马力的农机作业幅宽窄、土壤反复被碾压，导致黑土地变硬。”中科院计算技术研究所正高级工程师张玉成说，该所研制的“鸿鹄”T300智能农机是面向黑土地定制开发的大马力电动智能农机。其突破大马力电驱技术，主驱电机功率达到300千瓦（407.88马力），通过大马力带动更宽幅机具，减少对土壤的压实作用。


黑龙江黑河，农机正在黑土地上开展耕地作业。图/IC photo
同时，它采用智能技术，能够在耕作过程中完成土壤、作物、农艺的数据采集，从而让人更了解黑土地变薄、变瘦、变硬的情况。“它集成了50余种传感信息，能够针对黑土地开展土壤、作物等作业环境和本体状态的数据采集，使之成为黑土地上的数据‘爬虫’，为黑土地保护提供准确的数据。”东北地区无霜期短、作业时间紧，通过智能化提升，减少或替代人力进行无人作业，可以延长作业时长、提高日作业效率。
“保护黑土地的同时也要保护生态环境。”他说，“鸿鹄”T300突破清洁能源管理技术，开发了满足农机作业环境要求的“模块化”电池组，使电池组可在不同马力段农机之间互换共享，提高开发效率，并通过电源管理系统的算法优化，精准调度能源分配策略。
张玉成说，中国科学院2021年启动“黑土粮仓”科技会战以来，中科院计算所牵头组织10余家科研单位组建青年突击队伍，探索构建智能化黑土地保护“大河湾模式”。“用好养好黑土地”的核心是“产量不减少，土地多休息”，“大河湾模式”在农业智能技术的助力下，通过提高亩均单产实现总产量不减少，增加“休养生息”的土地数量。
“保护耕地本质上是保护产能。”中国工程院院士、中科院南京土壤所研究员张佳宝说,中国人口众多，可种植的耕地资源相对匮乏。“由于人均耕地数量少，所以利用强度高，导致耕地质量在退化。”
他说，东北黑土地每年只生产一季粮食，一季产量就达到了全国粮食年产量的1/4。如今，由于气候原因导致其生产率较低，所以一定要把土壤的质量提升上来，以提高产量。中科院启动“黑土粮仓”科技会战，主要着力解决关键核心问题，进行前瞻性布局。对于黑土地“变瘦、变薄、变硬”的问题，需要从机理上揭示规律。
张佳宝表示，未来通过智能化技术和智慧装备的应用，东北地区种地的人将越来越少，实现“在家里种地”“农机没有驾驶室”。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 李立军