“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略實(shí)施中的土壤科技問(wèn)題
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耕地資源保護(hù)和可持續(xù)利用的科技發(fā)展現(xiàn)狀及需要解決的問(wèn)題
國(guó)際耕地資源保護(hù)和可持續(xù)利用研究進(jìn)展
國(guó)際上自?20?世紀(jì)?90?年代提出集約化可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，以提高耕地質(zhì)量和水土資源利用效率，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的穩(wěn)步提升。21?世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外發(fā)展集約化可持續(xù)農(nóng)業(yè)研究在防治土壤污染、消減土壤障礙和提升土壤生物功能?3?個(gè)方面取得顯著進(jìn)展。
（1）土壤污染防治計(jì)劃和法規(guī)。歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家從可持續(xù)規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展的角度制定污染土壤修復(fù)計(jì)劃，如美國(guó)“超級(jí)基金”計(jì)劃、加拿大“國(guó)家污染場(chǎng)地修復(fù)計(jì)劃”、荷蘭《土壤保護(hù)法》和《土壤質(zhì)量法令》、日本《農(nóng)用地土壤污染防治法》等，防治土壤重金屬污染，建立相關(guān)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)。
（2）土壤障礙消減技術(shù)和模式。美國(guó)農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織系統(tǒng)研究了打破土壤障礙對(duì)耕地培肥和提升化肥養(yǎng)分利用效率機(jī)制，基于土壤水-鹽-肥運(yùn)移模型（HYDRUS 3D）提出鹽堿土治理技術(shù)模式；荷蘭瓦赫寧根大學(xué)建立了有效的地力分區(qū)管理策略，加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)等建立了基于小麥間歇性免耕和豆科輪作的保護(hù)性耕作體系。此外，在水土資源質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、打破土壤障礙和水資源制約的生物化學(xué)原理、障礙土壤改良綜合工程技術(shù)、土壤污染綜合治理技術(shù)、農(nóng)田非常規(guī)水源高效利用技術(shù)、應(yīng)對(duì)土壤障礙和氣象災(zāi)害的抗逆品種篩選技術(shù)以及智能化農(nóng)業(yè)體系建設(shè)方面取得重要進(jìn)展。
（3）土壤生物功能提升計(jì)劃。近年來(lái)土壤和植物微生物組成為國(guó)際研究前沿，美國(guó)在?2010?年?8月啟動(dòng)“地球微生物計(jì)劃”（Earth Microbiome Project，EMP），研究全球典型土壤等生態(tài)系統(tǒng)微生物群落的多樣性及其功能，建立基因圖譜（Gene Atlas，GA)；2016?年?5月又啟動(dòng)了“國(guó)家微生物組計(jì)劃”（National Microbiome Initiative，NMI），通過(guò)政府-大學(xué)-研究所-企業(yè)的聯(lián)合創(chuàng)新深入認(rèn)知土壤、植物和水體等環(huán)境中微生物組（稱為“微生物群落集合”）的結(jié)構(gòu)和功能，促進(jìn)微生物在農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理中的應(yīng)用。在提升土壤功能方面，美國(guó)康奈爾大學(xué)、法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究院和瑞士有機(jī)農(nóng)業(yè)研究所利用C標(biāo)記、高通量測(cè)序和熒光顯微成像等現(xiàn)代分析技術(shù)深入揭示了有機(jī)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和間作系統(tǒng)中化肥養(yǎng)分高效利用的土壤生物物理機(jī)制。
國(guó)內(nèi)耕地資源保護(hù)和可持續(xù)利用研究進(jìn)展
我國(guó)自?20?世紀(jì)?80?年代以來(lái)相繼實(shí)施了“中低產(chǎn)田改良”“沃土工程”“高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)”等計(jì)劃，揭示了中低產(chǎn)土壤肥力的長(zhǎng)期變化規(guī)律，發(fā)展了地力快速提升理論與技術(shù)。近年來(lái)，在土壤結(jié)構(gòu)-養(yǎng)分庫(kù)容-生物網(wǎng)絡(luò)功能協(xié)同提升機(jī)制、主要糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)演變與提升綜合技術(shù)、黃淮地區(qū)農(nóng)田地力提升與大面積均衡增產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)用、克服土壤生物障礙的微生物有機(jī)肥及其新工藝方面取得顯著進(jìn)展。
針對(duì)土壤污染問(wèn)題，我國(guó)在土壤環(huán)境背景值制定、污染土壤物理-化學(xué)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展，近期開(kāi)展了區(qū)域治理工作。2016?年?5月國(guó)務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“土十條”），提出在?2018?年底前查明農(nóng)用地土壤污染的面積、分布及其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，建立?10?年?1?次的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況定期調(diào)查制度；對(duì)農(nóng)用地土壤實(shí)施分類管理，按照污染程度劃分為優(yōu)先保護(hù)類、安全利用類和嚴(yán)格管控類；以影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的突出環(huán)境問(wèn)題為重點(diǎn)，制定土壤污染治理與修復(fù)規(guī)劃，組織開(kāi)展治理與修復(fù)。
中國(guó)科學(xué)院在?2015?年啟動(dòng)“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金委?2017?年啟動(dòng)“水圈微生物驅(qū)動(dòng)地球元素循環(huán)的機(jī)制”重大研究計(jì)劃，開(kāi)展不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物對(duì)碳、氮、磷等元素循環(huán)驅(qū)動(dòng)機(jī)制和調(diào)控措施的研究。2016?年起，我國(guó)相繼啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)，包括“糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新”“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”和“智能農(nóng)機(jī)裝備水資源高效開(kāi)發(fā)利用”。2017?年開(kāi)始立項(xiàng)啟動(dòng)“京津冀環(huán)境綜合治理”科技重大工程，農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控及綜合治理是其中的一個(gè)重要方面。
國(guó)內(nèi)土壤質(zhì)量演變監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向
我國(guó)在?20?世紀(jì)?50?年代和?80?年代開(kāi)展了?2?次全國(guó)土壤普查，并長(zhǎng)期開(kāi)展了不同農(nóng)區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)和土壤肥力演變規(guī)律的研究。20?世紀(jì)?80?年代中國(guó)科學(xué)院建立的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的土壤肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，2005?年起融合建立了國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站體系，協(xié)同開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量長(zhǎng)期演變規(guī)律的研究，從土壤肥力拓展到土壤環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量演變研究；評(píng)價(jià)了我國(guó)農(nóng)田化肥養(yǎng)分平衡和養(yǎng)分利用的時(shí)空變化特征；揭示了熱量驅(qū)動(dòng)的化肥養(yǎng)分投入和有機(jī)養(yǎng)分再循環(huán)對(duì)產(chǎn)量的增益作用；發(fā)展了典型類型土壤質(zhì)量管理的指標(biāo)體系、培育理論與技術(shù)體系。在國(guó)家尺度上，基于測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)和模型分析，建立了全國(guó)測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)并已應(yīng)用于?2?498?個(gè)縣，支撐了全國(guó)耕地地力評(píng)價(jià)和施肥決策。目前，針對(duì)我國(guó)耕地地力和施肥水平的多樣性和復(fù)雜性，亟須在不同時(shí)空尺度上系統(tǒng)開(kāi)展耕地地力提升與水、肥高效利用之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制研究，重點(diǎn)在化肥減施高潛力區(qū)開(kāi)展耕地地力和水、肥資源協(xié)同管理理論、技術(shù)和調(diào)控模式研究。
土壤改良和培育技術(shù)裝備發(fā)展方向
國(guó)內(nèi)針對(duì)土壤酸化障礙對(duì)氮、磷養(yǎng)分高效利用的制約，研發(fā)了不同有機(jī)源生物炭生產(chǎn)和施用技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于畜禽糞便與堿性粉煤灰或高嶺土（吸附劑）“共堆肥”生產(chǎn)有機(jī)肥的方法和配套設(shè)施。針對(duì)鹽堿土改良，建立了基于壟作、硫酸鋁改良和生物肥的重度鹽堿土治理技術(shù)，研發(fā)了濱海鹽堿地加速脫鹽、長(zhǎng)效培肥、耐鹽品種和輕簡(jiǎn)栽培的技術(shù)體系，集成了成熟的滴灌土壤水鹽調(diào)控方法、咸水滴灌土壤水鹽調(diào)控技術(shù)以及“滴灌+壟作+覆膜”改土利用模式。針對(duì)東北黑土耕層變薄和華北潮土砂性障礙問(wèn)題，研發(fā)了以秸稈掩埋激發(fā)式快腐為核心的肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)體系。針對(duì)南方低丘崗地低產(chǎn)田，圍繞“治水—改土—造林”鏈條，集成侵蝕、酸化和養(yǎng)分貧瘠化阻控技術(shù)和土地生產(chǎn)力快速提升技術(shù)，建立具有區(qū)域特色的“畜—沼—林/果/農(nóng)”生態(tài)模式。但是，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和土地整治設(shè)備方面，尚缺乏專業(yè)化大型深松破土裝備和暗管鋪設(shè)設(shè)備。
土壤污染治理與修復(fù)技術(shù)發(fā)展方向
我國(guó)近年來(lái)在土壤污染調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、土壤污染過(guò)程與機(jī)制、修復(fù)技術(shù)與示范等方面取得了顯著進(jìn)展。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了污染場(chǎng)地健康與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件（HERA）；研制了基于生物炭/黏土礦物/納米羥基磷灰石/功能微生物的系列土壤修復(fù)劑；研發(fā)了重金屬和有機(jī)污染土壤植物修復(fù)技術(shù)，如砷污染土壤蜈蚣草植物修復(fù)、鎘污染土壤伴礦景天植物修復(fù)、有機(jī)污染土壤紫花苜蓿-根瘤菌共生原位生物修復(fù)技術(shù)等；總結(jié)形成了土壤污染治理與修復(fù)的“風(fēng)險(xiǎn)管制、分類修復(fù)、分區(qū)試點(diǎn)”工作思路；建立了土壤修復(fù)技術(shù)規(guī)范、工程案例和推廣應(yīng)用模式；在湘、贛、桂、黔、蘇、浙、云、皖、豫、遼等省份建成了土壤重金屬污染修復(fù)示范區(qū)，如2014?年啟動(dòng)長(zhǎng)株潭耕地重金屬污染修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整國(guó)家級(jí)試點(diǎn)，開(kāi)展“VIP+n”，即采用鎘低積累水稻品種（Variety）、合理灌溉（Irrigation）、施用石灰等調(diào)節(jié)土壤酸度（pH?值），3?年實(shí)施在萬(wàn)畝示范片早稻達(dá)標(biāo)率達(dá)到?50%。目前發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)聯(lián)合的原位修復(fù)技術(shù)、基于環(huán)境功能修復(fù)材料（納米）的修復(fù)技術(shù)、基于設(shè)備化的快速原位修復(fù)技術(shù)、土壤修復(fù)決策支持系統(tǒng)及修復(fù)后評(píng)估技術(shù)等。
中低產(chǎn)土壤培育和養(yǎng)分高效利用機(jī)制和模式發(fā)展方向
國(guó)內(nèi)利用同步輻射、核磁共振等技術(shù)研究了秸稈還田和保護(hù)性耕作等對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分庫(kù)容的協(xié)同影響，發(fā)展了農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)綜合提升技術(shù)，闡明了長(zhǎng)期施肥對(duì)基礎(chǔ)地力提升的貢獻(xiàn)[11]。在土壤結(jié)構(gòu)體形成和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化供應(yīng)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，揭示了土壤大團(tuán)聚體促進(jìn)復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)形成、提升氮磷供應(yīng)能力的機(jī)制，以及長(zhǎng)期施肥和外源引種下根際土壤微生物種間互營(yíng)促進(jìn)有機(jī)物降解與養(yǎng)分釋放機(jī)制[12]。針對(duì)不同區(qū)域的耕層土壤退化，在東北平原黑土區(qū)提出“玉米免耕結(jié)合秸稈深埋的肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)”以應(yīng)對(duì)耕層變薄問(wèn)題，在華北平原潮土區(qū)建立“激發(fā)式玉米秸稈行間掩埋技術(shù)”消減土壤砂性障礙，在關(guān)中平原和渭北旱塬塿土和黑壚土區(qū)建立了小麥-玉米的“高茬還田”和“壟溝覆膜栽培”技術(shù)減緩干旱脅迫和提升土壤有機(jī)質(zhì)，在長(zhǎng)江中游紅壤區(qū)發(fā)展“旱地秸稈（生物炭）-生物有機(jī)肥匹配技術(shù)”和“稻田綠肥輕簡(jiǎn)化清潔生產(chǎn)技術(shù)”協(xié)同控酸、擴(kuò)充養(yǎng)分庫(kù)容和生物功能，在四川盆地紫色土區(qū)構(gòu)建“聚土壟作免耕-坡式梯田-有機(jī)培肥模式”破除耕層淺薄和貧瘠問(wèn)題，這些中低產(chǎn)田改造技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了養(yǎng)分和養(yǎng)分利用效率和作物產(chǎn)量。
目前需要針對(duì)地力提升與減肥減藥的雙重目標(biāo)，根據(jù)不同區(qū)域氣候、作物和土壤特點(diǎn)，加強(qiáng)化肥-有機(jī)肥替代的共性技術(shù)研究（秸稈還田、生物炭施用、有機(jī)肥安全利用、綠肥輪作間作），建立不同區(qū)域替代率和替代方式的標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)程），結(jié)合小流域或區(qū)域“種—養(yǎng)—加”循環(huán)農(nóng)業(yè)體系建設(shè)，完善耕地長(zhǎng)效培肥的“有機(jī)質(zhì)-養(yǎng)分庫(kù)-生物功能”協(xié)同提升理論和技術(shù)模式（圖?1）。
