——中國科學院“黑土糧倉”戰略性先導科技專項的總體思路與實施方案
中國網/中國發展門戶網訊 我國東北黑土分佈區是全球四大黑土集中分佈區之一，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區東部三市一盟（赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市、興安盟）。東北黑土分佈區面積 16.35 億畝，耕地面積 5.37 億畝，其中典型黑土區耕地面積約 2.78 億畝，是我國最重要的糧食生産基地和商品糧輸出基地。東北黑土區過去 5 年的年糧食平均産量佔全國的 1/4，優勢作物玉米、水稻、大豆産量分別佔全國的 41%、19%、56%，商品糧佔全國的 1/4，糧食調出量佔全國的 1/3，全國排名前 10 位産糧縣均在該區內。因此，東北黑土區被譽為我國糧食安全“穩壓器”和“壓艙石”。然而，長期的不合理耕作和高強度利用導致黑土面臨著“量減質退”的窘境，東北黑土區正由“生態功能區”逐漸向“生態脆弱區”演變，這嚴重威脅國家糧食安全和區域生態安全。
2020 年 7 月 22日，習近平總書記在吉林考察時指出：一定要採取有效措施切實把黑土地這個“耕地中的大熊貓”保護好、利用好，使之永遠造福人民。之後，習近平總書記在多次重要會議中指出“實施國家黑土地保護工程”“要把黑土地保護作為一件大事來抓，把黑土地用好養好”。黑土地保護成為保障國家糧食安全的重要國家戰略。
中國科學院積極落實習近平總書記有關黑土地保護的指示，勇於承擔歷史重任，心繫“國家事”、肩扛“國家責”，于 2020 年 12 月即擬定了實施“黑土糧倉”科技會戰和保護黑土地的重要戰略決策。中國科學院院長、黨組書記侯建國，副院長、黨組成員張濤等領導先後多次調研指導“黑土糧倉”科技會戰相關工作；中國科學院與吉林省、黑龍江省、遼寧省分別簽署戰略合作協議，共同落實推進“黑土糧倉”科技會戰工作。
中國科學院“黑土地保護與利用科技創新工程（黑土糧倉）”戰略性先導科技專項（A 類）（以下簡稱“‘黑土糧倉’先導專項”）的謀劃與啟動實施，是“黑土糧倉”科技會戰的關鍵環節與核心抓手。2021 年上半年，在中國科學院科技促進發展局的組織下，中國科學院東北地理與農業生態研究所作為依託單位，聯合中國科學院南京土壤研究所、地理科學與資源研究所、瀋陽應用生態研究所、計算技術研究所、遺傳與發育生物學研究所等院內外 50 余家單位，肩負起“黑土糧倉”科技會戰的重要歷史使命；通過多輪次的研討、調研和諮詢，形成了“黑土糧倉”先導專項的實施方案。
“黑土糧倉”先導專項的總體思路
“黑土糧倉”先導專項深入貫徹落實習近平總書記關於黑土地保護與利用的系列重要指示精神，以“把黑土地用好養好”為目標，對接糧食安全、農業現代化、鄉村振興、東北振興等國家戰略，發揮中國科學院學科體系完備、具備組織農業攻關會戰經驗、在黑土監測利用保護領域有長期積累等方面的優勢。瞄準“把黑土地用好養好”的重大理論需求和技術短板，開展“監測評估、機理揭示、技術研發、模式構建”四大領域的科學攻關。系統調查黑土地土壤資源現狀，建立土壤資源清單；揭示黑土退化與阻控機理，突破黑土地健康保育與産能提升技術，建成黑土地資源環境監測與感知體系；研發智慧農業關鍵技術和裝備，構建智慧化管控系統與決策支援平臺；建立黑土地保護性利用長效機制，並開展適用不同區域類型的黑土地現代農業發展綜合示範。
在實現黑土地保護的前提下保證糧食穩産與增産，“黑土糧倉”先導專項為科技支撐我國“黑土糧倉”建設提供長遠戰略服務，為國家提供支撐東北黑土地農業現代化發展的“中國科學院系統解決方案”；實現“打造建制化黑土地保護國家戰略科技力量、形成不同黑土地類型全覆蓋現代農業系統解決方案、實現黑土地保護與利用平衡”的重大創新目標。
結合我國黑土地保護利用面臨的任務，“黑土糧倉”先導專項按照“項目+示範區”相互支撐的組織模式，開展六大科技攻關任務（圖 1）和七大示範區（圖 2）建設。
“黑土糧倉”先導專項的六大攻關任務
任務一：黑土地土壤退化過程與阻控關鍵技術。實現黑土地保護與利用首先應阻止黑土地的持續退化，“黑土糧倉”先導專項以此為切入點，從黑土退化的阻控問題入手設置攻關任務一，即黑土地土壤退化過程與阻控關鍵技術。該任務聚焦回答黑土地土壤“變薄、變瘦、變硬、變污”等退化速率與分佈格局，闡明黑土地土壤退化過程與驅動機制，研發退化阻控關鍵技術與模式，為黑土地土壤退化阻控提供科學理論與系統解決方案。重點開展黑土地土壤退化診斷與評價體系、土壤複合侵蝕過程與阻控關鍵技術、土壤有機質衰減過程與提升關鍵技術、土壤壓實和結構障礙形成過程與消減關鍵技術，以及土壤典型有機污染過程與削減關鍵技術等方面的研究。
任務二：黑土地健康和保育技術。在黑土地土壤退化得到遏制之後，更為關鍵是如何提升黑土地産能，並在産能提升的同時保持黑土地健康。由此，“黑土糧倉”先導專項設置了攻關任務二，即黑土地健康和保育技術。該任務針對黑土資源健康狀況不清、土壤保育與産能協同技術需要提升、黑土區農業水土資源保障體系不夠完善等問題，為黑土地土壤産能提升與健康保育提供理論和技術支撐。重點開展黑土地健康評價、生物健康的定向培育、水分和養分高效利用技術體系、黑土保育型栽培耕作和迴圈農業技術體系、水-濕地-糧食關連線制和協同安全保障等方面的研究。
任務三：黑土地産能和品質提升的現代生物學技術。黑土地保護除了土壤的問題，還有一些長期制約黑土地農業綠色可持續發展的問題，如秸稈還田障礙、肥藥過程施用等。由此，“黑土糧倉”先導專項針對性地設置了攻關任務三，即黑土地産能和品質提升的現代生物學技術。該任務針對黑土-植物-微生物互作的土壤有機質平衡、木質素纖維素生物合成與降解、土壤病害生物調控機制等重要科學問題，從生物自身出發，通過基因編輯、微生物組學、合成生物學等先進生物技術手段，研發黑土地産能和土壤品質提升的變革性、顛覆性生物技術，為黑土地“提質減肥、有機增效、防污減藥、高産高效”提供科技支撐和可借鑒的示範樣板。重點開展植物驅動的黑土地提質增效技術，微生物驅動的黑土地作物産能提升技術，多源農業廢棄物綜合利用和靶向堆肥技術，秸稈原位高效腐解還田技術，以及黑土地防污與病害高效防控生物技術等方面的研究。
任務四：黑土地智慧化農機關鍵技術研究和裝備。東北地區是我國農業現代化水準最高的區域，未來農業現代化趨勢是規模化、無人化、智慧化，但目前我國自主研發的高端智慧農機裝備缺乏，影響了東北農業的現代化進程。由此，“黑土糧倉”先導專項設立了攻關任務四，即黑土地智慧化農機關鍵技術研究和裝備。該任務結合我國東北黑土地區域土地集約化程度高，對高端智慧農機裝備需求迫切的現狀，開展滿足黑土地保護性耕作的高端智慧農機具關鍵技術攻關，並研製成套農機具裝備産品，以打破國外農機企業壟斷高端農機裝備市場的局面。重點圍繞基於清潔能源的超大馬力動力總成技術、保護性作業機具核心耐磨部件的研製、黑土地廣域天基定位技術、智慧農機具精準控制系統設計、面向黑土地保護的智慧農機成套裝備創制等方面進行技術突破。
任務五：黑土資源環境天-空-地一體監測與感知體系。在土壤、作物和機械方面問題研究的基礎上，用好養好黑土地需要對黑土資源現狀及其變化情況有深入了解，方能為黑土保護與利用提供有針對性的技術方案。由此，專項設置了攻關任務五，即黑土資源環境天-空-地一體監測與感知體系。該任務旨在構建天-空-地一體的黑土資源環境實時監測與感知體系，提供持續、穩定的黑土地土壤、水、植被覆蓋及生長資訊，為中國黑土地資源清查、合理開發、保護實現黑土地土壤理化參數、農作物生理參數、農作物蒸散發與水分利用效率反演技術創新，提供多個維度的中國黑土地基礎數據。重點通過高光譜遙感和近地表主被動無損土壤監測系統，定量揭示黑土地區域土壤健康狀態、能量分佈和生物光譜等資訊，掌握黑土地利用現狀及其空間的變異狀況，促進農業可持續發展。
任務六：用好養好黑土地的智慧化管控系統與長效機制。黑土保護與利用是長期戰略，需要將“黑土糧倉”科技會戰的成果留在東北黑土地上，持續推動黑土地農業的可持續發展。由此，專項設置了攻關任務六，即用好養好黑土地的智慧化管控系統與長效機制。該任務瞄準黑土退化與利用時空資訊不全、因地制宜的黑土保護與利用全域定制方案缺失、區域性智慧管控水準亟待提升等關鍵科學問題，建立用好養好黑土地智慧化管控系統，從而提升黑土地保護與利用數字化管理水準，為黑土區提供全域定制系統性解決方案。重點開展黑土地監測與全要素資訊一張圖，黑土地糧食安全模擬與預警，黑土地保護長效機制，黑土地智慧化管控與決策支援系統等方面的研究。
“黑土糧倉”先導專項的七大示範區
技術研發成果需要落地，需要深入黑土地農田一線開展示範應用，進而推廣開來才能真正起到黑土地保護與利用的實效。由此，“黑土糧倉”先導專項針對不同黑土區的典型問題設置的七大示範區（圖 2），瞄準不同示範區的黑土問題，引導各攻關任務開展針對性的技術研發，並承接現有的黑土農業技術，在技術整合和優化的基礎上，形成適合各示範區的技術模式並開展示範推廣。同時，“黑土糧倉”先導專項以各示範區為依託，與各地方部門和企業等單位深度合作，真正將中國科學院的技術推廣開來。
海倫示範區：厚層黑土保育與産能提效。針對東北黑土區松嫩平原中北部黑土層“變薄、變瘦、變硬”等制約糧食生産能力提升的瓶頸問題，重點整合示範厚層黑土肥沃耕層構建與保育模式、黑土侵蝕阻控與高效生産模式、黑土快速培肥與肥藥減量增效模式、優質大豆高産高效栽培模式，並開展海倫示範區多要素立體監測與模式應用評價。
長春示範區：薄層退化黑土保育與糧食産能提升。圍繞薄層退化黑土區農田土壤耕層變薄、有機質含量下降、區域生態功能退化、農業生産管理粗放且規模化程度低、種養分離、農業産能低、廢棄物（如秸稈、畜禽糞便）處理難導致的環境污染等問題，重點整合示範保護性耕作“梨樹模式”、秸稈覆/混還田節肥增效模式、丘陵區水土生態修復與高效生態農業發展模式、種養一體化地力提升高效迴圈農業發展模式，並開展長春示範區多要素立體監測與模式應用評價。
瀋陽示範區：退化黑土地地力恢復與産能提升。東北黑土區南部光溫資源較好，但因土壤退化和貧瘠，使得良好的光溫資源無法有效發揮。另外，針對用養失調、水肥矛盾突出、季節性乾旱頻發等區域問題，重點整合示範旱地土壤保育與産能提升模式、風蝕阻控與節水高效農業模式、稻作農田土壤地力保持與提質增效模式，並開展瀋陽示範區多要素立體監測與模式應用評價。
三江示範區：水稻土和白漿土品質與産能提升。針對三江平原地下水季節性下降、農業水資源利用效率低、春季土壤溫度低、土壤障礙嚴重、規模化與機械化水準高但種肥藥投入粗放、智慧化水準低、高時空解析度農業基礎數據匱乏等問題，整合示範農業水土資源優化配置與高效利用模式、白漿土旱田障礙消減與地力提升模式、寒地水田地力提升與抗逆豐産模式、規模農業黑土地保護與智慧農業融合發展模式，並開展三江示範區多要素立體監測與模式應用評價。
大安示範區：鹽鹼地生態治理與高效利用。圍繞東北西部黑土區邊際土地生産力低下和生態保障能力退化問題，以鹽鹼化土壤改良技術為核心，針對鹽鹼障礙水田、旱田、草地和濕地，聚焦關鍵問題與重大需求導向，重點整合示範鹽鹼地以稻治鹼改土增糧模式、鹽鹼旱田改良及其高效利用模式、鹽鹼草地生産力提升與生態屏障構建模式，以及“稻-葦-蟹/魚-菇”立體高效複合生態模式；並開展大安示範區多要素立體監測與模式應用評價。
大河灣示範區：黑土地智慧化農機關鍵技術整合與産業化應用。大河灣示範區處於大興安嶺余脈的坡崗地，區域地形複雜，水蝕嚴重。示範區依託國營農墾集團的規模化種植，具備開展先進技術模式驗證示範的基礎。通過大河灣區域的産業發展規劃，將黑土地保護、生態環境保護、産業發展等融合，重點整合示範大河灣漫坡漫崗黑土侵蝕阻控模式、基於綠色能源的黑土種養迴圈模式、黑土地丘陵坡崗地無人化保護性耕作模式，並開展大河灣黑土地多要素立體監測與模式應用評價。
齊齊哈爾示範區：黑土糧倉全域定制。針對齊齊哈爾市及嫩江中上游黑土區土壤退化和碳損失嚴重、種養資源不匹配、農業效益不高、區域發展缺乏系統解決方案等瓶頸問題，重點整合示範黑土健康調控與農産品品質創優模式、黑土地保育增效技術模式、黑土多源增碳增效技術模式、黑土地保護利用與鄉村振興有機融合模式，並開展黑土糧倉全域定制模式創建與示範應用。
“黑土糧倉”先導專項的創新
多學科整合創新。發揮中國科學院學科完整齊全的特點，集中優勢科研力量重點突破黑土保護與利用長期面臨的、亟待攻克的關鍵科學問題，包括揭示黑土地退化機制、闡明地力提升與健康保育機理、突破水熱限制、研發微生物組學秸稈高效原位腐解技術等。
技術模式創新。依據黑土地不同土壤類型、氣候特點、障礙因子等區域特徵，研發土壤退化阻控、土壤健康保育、耕作栽培、種養迴圈及水土資源調控等創新技術，完善構建“梨樹模式”升級版、“龍江模式”、“三江模式”等不同區域的黑土地保護性利用系統整合方案；通過攻關任務和示範區相結合的立體交叉組織架構，形成研、保、育、用、推一體化的黑土保育技術體系，成果可真正實現“推得開、留得下”，從總體上解決黑土層“變薄”、土壤有機質含量下降“變瘦”、土壤板結和犁底層增厚“變硬”等問題。
智慧手段創新。依託東北地區現有的17個野外臺站組成網路及 7 個示範區，建立天地空一體化監測及感知體系；加快智慧農機的國産化進程，打造智慧農業體系，實現黑土地實時監測及智慧農機技術體系智慧財産權的自主化、國産化；建立黑土地大數據和人工智慧設計管控決策系統，實現黑土地可持續利用。
管理模式創新。採用院省聯動、院部協作的組織創新模式，通過與東北四省（區）、相關部委簽署戰略合作協議、組建院省（部）“黑土糧倉”科技會戰領導小組和工作辦公室、設立前線指揮部、派駐科技副職等多種方式，切實將中國科學院的科技成果應用到黑土地上。定期發佈《“東北黑土地”白皮書》，為用好養好黑土地提供理論、技術、政策建議等科技支撐，引導保護利用發展方向。
黑土地保護與利用的建議
如何破解保護好和利用好之間的矛盾，或找到保護好和利用好之間的平衡點，確保黑土地可持續的生産糧食且土壤不再退化甚至得到改善，為國家糧食安全提供有力保障，是當前亟待解決的問題。但更加應該意識到，黑土地保護與利用的長期性。雖然“黑土糧倉”先導專項在實施過程中能夠有效阻止黑土退化並提升糧食産量，但如何真正實現黑土地的長期可持續利用，仍需要從以下 4 個方面給予更多的關注。
完善用好養好黑土地的技術成果轉化保障機制。科學技術是解決黑土地保護與利用的主要出路，但目前各種農業技術種類繁多，保護方式政出多門，但黑土地的問題並沒有真正解決。所以，必須要思考，如何建立切實有效的技術應用途徑，打通技術從實驗室到農田中的障礙；如何開展現有黑土地保護技術的效果評估，以識別有效的技術並將其迅速推廣開來；如何通過激勵性政策與強制性措施相結合，廣泛調動農業産業鏈主體和社會各界的黑土地保護技術應用積極性；如何推動土地流轉，建立新型經營主體，發揮規模經營的技術示範引領作用。這些不僅是解決黑土地面臨的科學問題，也是今後的科技和農業共同融合發展的路徑選擇。
創新綜合不同區域的黑土地保護系統整合方案。針對黑土地種植制度、土壤類型特點及環境障礙因子，整合一批農機農藝配套、用地養地結合的綜合技術模式，研發推廣一批新技術、新産品、新裝備，整合組裝一批“用得上、可複製、能推廣、留得下”的黑土地保護綜合技術模式。繼續完善推廣“梨樹模式”“龍江模式”，針對侵蝕溝修復、鹽鹼地治理、白漿土障礙層消減及水土資源優化調控等問題研發整合技術新模式。融合迴圈農業、生態農業、鄉村振興等産業發展，提出用好養好黑土地的系統解決方案。
從流域尺度開展土壤侵蝕防控研究與治理。東北黑土區水土侵蝕問題突出，水土流失面積仍有 3.24 億畝，其中坡耕地水土流失面積 3 975 萬畝；此外，尚有 22.22 萬條侵蝕溝亟待治理。建議從流域尺度加大黑土區水土侵蝕治理技術及發生機理研究；以流域為單元，系統開展水土流失動態監測和侵蝕溝治理，加快黑土區小流域治理和灌區建設，配套完善小型農田水利基礎設施，優化農田防護林網配置格局。
建立黑土地保護的長效機制。黑土地的退化經歷了漫長的過程，其保護與恢復也必然是一個長期工程，需要建立黑土地保護的長效機制。要從國家層面加快推進黑土地保護立法工作，建立完善的保護政策和行之有效的體制機制以助力黑土地保護。建立黑土地保護效果的評價指標體系，包括黑土地耕作層厚度、黑土地有機質含量、糧食單産、耕地品質等級等指標，推動建立黑土地保護考評制度。探索試點將耕地地力等補貼發放與黑土耕地保護措施落實掛鉤機制，實現從“包産到戶”到“包質到戶”的轉變。黑土地保護的核心技術之一就是黑土的少免耕及秸稈還田，增加土壤有機碳含量；建議針對黑土區實施的綠色低碳技術與模式，建立以綠色生態低碳為導向的補貼制度，為我國的碳中和、碳達峰目標實現開展體制機制的探討。
（作者：姜明、李秀軍、武海濤、李祿軍、徐尚起，中國科學院東北地理與農業生態研究所；文亞、孫命、王竑晟、曾艷、韓永濱，中國科學院 科技促進發展局；《中國科學院院刊》供稿）