“藏糧于地、藏糧于技”戰略實施中的土壤科技問題
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耕地資源保護和可持續利用的科技發展現狀及需要解決的問題
國際耕地資源保護和可持續利用研究進展
國際上自?20?世紀?90?年代提出集約化可持續農業發展規劃，以提高耕地質量和水土資源利用效率，從而促進農業生產能力的穩步提升。21?世紀以來，國外發展集約化可持續農業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?個方面取得顯著進展。
（1）土壤污染防治計劃和法規。歐、美、日等發達國家從可持續規劃和可持續發展的角度制定污染土壤修復計劃，如美國“超級基金”計劃、加拿大“國家污染場地修復計劃”、荷蘭《土壤保護法》和《土壤質量法令》、日本《農用地土壤污染防治法》等，防治土壤重金屬污染，建立相關環境保護產業。
（2）土壤障礙消減技術和模式。美國農業部鹽土實驗室與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織系統研究了打破土壤障礙對耕地培肥和提升化肥養分利用效率機制，基于土壤水-鹽-肥運移模型（HYDRUS 3D）提出鹽堿土治理技術模式；荷蘭瓦赫寧根大學建立了有效的地力分區管理策略，加拿大薩斯喀徹溫大學等建立了基于小麥間歇性免耕和豆科輪作的保護性耕作體系。此外，在水土資源質量自動化監測、打破土壤障礙和水資源制約的生物化學原理、障礙土壤改良綜合工程技術、土壤污染綜合治理技術、農田非常規水源高效利用技術、應對土壤障礙和氣象災害的抗逆品種篩選技術以及智能化農業體系建設方面取得重要進展。
（3）土壤生物功能提升計劃。近年來土壤和植物微生物組成為國際研究前沿，美國在?2010?年?8月啟動“地球微生物計劃”（Earth Microbiome Project，EMP），研究全球典型土壤等生態系統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月又啟動了“國家微生物組計劃”（National Microbiome Initiative，NMI），通過政府-大學-研究所-企業的聯合創新深入認知土壤、植物和水體等環境中微生物組（稱為“微生物群落集合”）的結構和功能，促進微生物在農業和環境管理中的應用。在提升土壤功能方面，美國康奈爾大學、法國國家農業研究院和瑞士有機農業研究所利用C標記、高通量測序和熒光顯微成像等現代分析技術深入揭示了有機農業系統和間作系統中化肥養分高效利用的土壤生物物理機制。
國內耕地資源保護和可持續利用研究進展
我國自?20?世紀?80?年代以來相繼實施了“中低產田改良”“沃土工程”“高標準農田建設”等計劃，揭示了中低產土壤肥力的長期變化規律，發展了地力快速提升理論與技術。近年來，在土壤結構-養分庫容-生物網絡功能協同提升機制、主要糧食產區農田土壤有機質演變與提升綜合技術、黃淮地區農田地力提升與大面積均衡增產技術及其應用、克服土壤生物障礙的微生物有機肥及其新工藝方面取得顯著進展。
針對土壤污染問題，我國在土壤環境背景值制定、污染土壤物理-化學-植物聯合修復技術方面取得了顯著進展，近期開展了區域治理工作。2016?年?5月國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“土十條”），提出在?2018?年底前查明農用地土壤污染的面積、分布及其對農產品質量的影響，建立?10?年?1?次的土壤環境質量狀況定期調查制度；對農用地土壤實施分類管理，按照污染程度劃分為優先保護類、安全利用類和嚴格管控類；以影響農產品質量的突出環境問題為重點，制定土壤污染治理與修復規劃，組織開展治理與修復。
中國科學院在?2015?年啟動“土壤-微生物系統功能及其調控”戰略性先導科技專項，國家自然科學基金委?2017?年啟動“水圈微生物驅動地球元素循環的機制”重大研究計劃，開展不同生態系統中微生物對碳、氮、磷等元素循環驅動機制和調控措施的研究。2016?年起，我國相繼啟動國家重點研發計劃專項，包括“糧食豐產增效科技創新”“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”和“智能農機裝備水資源高效開發利用”。2017?年開始立項啟動“京津冀環境綜合治理”科技重大工程，農業農村環境風險管控及綜合治理是其中的一個重要方面。
國內土壤質量演變監測技術發展方向
我國在?20?世紀?50?年代和?80?年代開展了?2?次全國土壤普查，并長期開展了不同農區土壤肥力評價和土壤肥力演變規律的研究。20?世紀?80?年代中國科學院建立的中國生態系統研究網絡和中國農業科學院的土壤肥力與肥料效應監測網，2005?年起融合建立了國家野外科學觀測研究站體系，協同開展農田生態系統養分循環和土壤質量長期演變規律的研究，從土壤肥力拓展到土壤環境質量和健康質量演變研究；評價了我國農田化肥養分平衡和養分利用的時空變化特征；揭示了熱量驅動的化肥養分投入和有機養分再循環對產量的增益作用；發展了典型類型土壤質量管理的指標體系、培育理論與技術體系。在國家尺度上，基于測土配方施肥數據和模型分析，建立了全國測土配方施肥數據管理平臺和縣域耕地資源管理信息系統并已應用于?2?498?個縣，支撐了全國耕地地力評價和施肥決策。目前，針對我國耕地地力和施肥水平的多樣性和復雜性，亟須在不同時空尺度上系統開展耕地地力提升與水、肥高效利用之間的關聯機制研究，重點在化肥減施高潛力區開展耕地地力和水、肥資源協同管理理論、技術和調控模式研究。
土壤改良和培育技術裝備發展方向
國內針對土壤酸化障礙對氮、磷養分高效利用的制約，研發了不同有機源生物炭生產和施用技術，開發了基于畜禽糞便與堿性粉煤灰或高嶺土（吸附劑）“共堆肥”生產有機肥的方法和配套設施。針對鹽堿土改良，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，研發了濱海鹽堿地加速脫鹽、長效培肥、耐鹽品種和輕簡栽培的技術體系，集成了成熟的滴灌土壤水鹽調控方法、咸水滴灌土壤水鹽調控技術以及“滴灌+壟作+覆膜”改土利用模式。針對東北黑土耕層變薄和華北潮土砂性障礙問題，研發了以秸稈掩埋激發式快腐為核心的肥沃耕層構建技術體系。針對南方低丘崗地低產田，圍繞“治水—改土—造林”鏈條，集成侵蝕、酸化和養分貧瘠化阻控技術和土地生產力快速提升技術，建立具有區域特色的“畜—沼—林/果/農”生態模式。但是，在高標準農田建設和土地整治設備方面，尚缺乏專業化大型深松破土裝備和暗管鋪設設備。
土壤污染治理與修復技術發展方向
我國近年來在土壤污染調查與風險評估、土壤污染過程與機制、修復技術與示范等方面取得了顯著進展。國內開發了污染場地健康與環境風險評估軟件（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劑；研發了重金屬和有機污染土壤植物修復技術，如砷污染土壤蜈蚣草植物修復、鎘污染土壤伴礦景天植物修復、有機污染土壤紫花苜蓿-根瘤菌共生原位生物修復技術等；總結形成了土壤污染治理與修復的“風險管制、分類修復、分區試點”工作思路；建立了土壤修復技術規范、工程案例和推廣應用模式；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示范區，如2014?年啟動長株潭耕地重金屬污染修復及農作物種植結構調整國家級試點，開展“VIP+n”，即采用鎘低積累水稻品種（Variety）、合理灌溉（Irrigation）、施用石灰等調節土壤酸度（pH?值），3?年實施在萬畝示范片早稻達標率達到?50%。目前發展趨勢是研發聯合的原位修復技術、基于環境功能修復材料（納米）的修復技術、基于設備化的快速原位修復技術、土壤修復決策支持系統及修復后評估技術等。
中低產土壤培育和養分高效利用機制和模式發展方向
國內利用同步輻射、核磁共振等技術研究了秸稈還田和保護性耕作等對土壤結構和養分庫容的協同影響，發展了農田土壤有機質綜合提升技術，闡明了長期施肥對基礎地力提升的貢獻[11]。在土壤結構體形成和養分轉化供應的微生物驅動機制方面，揭示了土壤大團聚體促進復雜生物網絡形成、提升氮磷供應能力的機制，以及長期施肥和外源引種下根際土壤微生物種間互營促進有機物降解與養分釋放機制[12]。針對不同區域的耕層土壤退化，在東北平原黑土區提出“玉米免耕結合秸稈深埋的肥沃耕層構建技術”以應對耕層變薄問題，在華北平原潮土區建立“激發式玉米秸稈行間掩埋技術”消減土壤砂性障礙，在關中平原和渭北旱塬塿土和黑壚土區建立了小麥-玉米的“高茬還田”和“壟溝覆膜栽培”技術減緩干旱脅迫和提升土壤有機質，在長江中游紅壤區發展“旱地秸稈（生物炭）-生物有機肥匹配技術”和“稻田綠肥輕簡化清潔生產技術”協同控酸、擴充養分庫容和生物功能，在四川盆地紫色土區構建“聚土壟作免耕-坡式梯田-有機培肥模式”破除耕層淺薄和貧瘠問題，這些中低產田改造技術的應用顯著提高了養分和養分利用效率和作物產量。
目前需要針對地力提升與減肥減藥的雙重目標，根據不同區域氣候、作物和土壤特點，加強化肥-有機肥替代的共性技術研究（秸稈還田、生物炭施用、有機肥安全利用、綠肥輪作間作），建立不同區域替代率和替代方式的標準（規程），結合小流域或區域“種—養—加”循環農業體系建設，完善耕地長效培肥的“有機質-養分庫-生物功能”協同提升理論和技術模式（圖?1）。
