【科學網】“率先這十年”系列報道
用科技力量筑牢“黑土糧倉”
近日，中國科學院大學(以下簡稱國科大)本科生錄取通知書里鑲嵌的7顆金色大豆組成的“北斗七星”造型吸睛無數。
這些大豆來自中國科學院東北地理與農業生態研究所(以下簡稱東北地理所)的耐鹽堿大豆，也是中國科學院“黑土糧倉”科技會戰的重要成果之一。
十年前，習近平總書記到中國科學院考察時強調：“集中力量推進科技創新，真正把創新驅動發展戰略落到實處。”
中國科學院2021年7月啟動的“黑土地保護與利用科技創新工程”戰略性先導科技專項(A類)，正是一個集中力量辦大事的“大兵團作戰體系”。它發揮了中國科學院的體系化建制化優勢，圍繞國家糧食安全保障的重大使命，集結了中國科學院內34家研究所和院外89家單位，組成了一支匯聚各專業1400余名科學家的“集團軍”，旨在用科技力量筑牢“黑土糧倉”。
如今，這場科技會戰已實施兩年，“黑土糧倉”進展如何?承載了哪些“高精尖”技術?如何發揮建制化優勢破解棘手問題?《中國科學報》記者走進該專項牽頭單位中國科學院東北地理所了解相關進展。
“高精尖”牽引現代農業
種子是農業的“芯片”，做強這塊“芯片”是“黑土糧倉”科技會戰的重要目標之一。
國科大本科生錄取通知書的7顆金豆蘊含了前沿的農業技術。東北地理所的科學家從2000多份鹽堿地種植的大豆種質資源中篩選出十多份具有高耐鹽堿性的大豆品種，通過鑒定其中的優質基因，并按需“組合”，培育出耐鹽堿大豆新品種“東生118”。該品種在土壤pH值 9.0的重度鹽堿地上產量可達150公斤，超過當前我國普通耕地約130公斤的平均畝產。
國科大錄取通知書里的大豆。國科大供圖
7月上旬，試驗田里的“東生118”已經結莢。馮麗妃攝
“分子設計育種的最大特點是，每一個基因的功能都非常清晰，了解這些功能后，就可以像裝配汽車一樣，實現加速育種。”該種質資源培育者、東北地理所研究員馮獻忠對《中國科學報》說，它讓原本需要8到10年才能培育一顆種子的過程大幅縮短。
我國大豆產量長期不足，近年來對外依存度高達85%。馮獻忠團隊希望，選育出更多優質的大豆種質資源，增加邊際土地利用率，深挖我國大豆良種增產潛力，努力提升我國大豆自給率。
自2012年加入東北地理所以來，馮獻忠團隊已經建成國內最大的大豆突變基因體庫，擁有超過40萬份大豆突變種質材料。“一個大豆有6萬個基因，如果我們能夠準確地知道每個基因變異的功能，就能根據每個區域的氣候和土壤條件，培育出因地制宜的大豆種子。”他說。
目前作物育種已經歷三個階段：1.0時代的傳統雜交育種，2.0時代的分子標記育種，以及3.0時代的分子設計育種。馮獻忠團隊提出以“計算育種”為標志的新育種理念，將推動育種技術向4.0時代進軍的步伐。
“我們的育種試驗地是有限的，未來或許可以實現到計算機里去‘育種’。”馮獻忠解釋說，“比如在計算機上利用不同算法實現大豆優異基因的相互聚合，原本相互拮抗的基因在哪些位點可以聚合，哪些變異可以實現更好地目標性聚合。”
該團隊正在東北地理所搭建一座能夠在不同光譜下觀察作物生長的表型組平臺，讓一個基因在作物生長過程的每個階段呈現的功能“分毫畢現”。他們還與浙江省之江實驗室合作，嘗試將大豆育種中每個基因突變發揮的潛在作用在超級計算機上跑一遍，希望將目前育種中“試驗選優”利用“計算選優”來替代。
馮獻忠在表型組平臺前接受《中國科學報》采訪。紀燦雄攝
東北地理所培育的大豆高產新品種。馮麗妃攝
“一兩黑土二兩油，插根筷子能發芽。”民間順口溜道出了黑土的肥沃。珍貴如大熊貓的東北黑土地，卻正在變薄、變瘦、變硬，呈現出不同程度的退化趨勢。
為“把脈問診”黑土地，兩年來，專項構建了衛星遙感、無人機、地面傳感相結合的天空地一體化監測體系，開發了“黑土糧倉一地一策”應用平臺，用戶打開手機應用程序就能一覽無遺黑土保護利用的全生長周期策略。
會戰團隊還解釋了黑土侵蝕的一個關鍵過程——溝道侵蝕。“東北大平原看上去一馬平川，但實際地形多為漫川漫崗，幾大山脈與平原的過渡區域易形成水蝕風侵造成的侵蝕溝，這是黑土地退化的一種表現形式，如不盡快治理會嚴重影響糧食產能。”“黑土糧倉”先導專項總工程師、東北地理所研究員賈仲君對《中國科學報》說。
研究者通過野外實際測定和高分辨率的遙感空間調查，首次得出黑土區侵蝕溝有49.6萬條，摸清了黑土侵蝕溝的空間分布與演化趨勢。同時，通過對黑土地土壤性質、作物生長狀況等進行全方位監測，創建了由地理學+大數據+現代農業集成的“全域定制模式”，全方位保衛“黑土糧倉”。
“國家下定決心保護黑土地，作為‘國家隊’‘國家人’，我們要提供關鍵技術做好‘國家事’。”賈仲君說。
“一盤棋”破關鍵挑戰
“在利用中保護，這是黑土地保護最關鍵、也最具挑戰性的科技任務。”“黑土糧倉”先導專項總指揮、東北地理所所長姜明說。
“黑土糧倉”作為我國糧食安全的“壓艙石”，年糧食產量占全國四分之一。但自20世紀初大規模人口遷徙和大范圍土地墾殖以來，東北黑土區農業開發利用強度持續上升，黑土表層平均每年流失0.3毫米左右，土壤有機質也在逐年遞減。然而，我國人多地少，這意味著不能采取發達國家休耕的方式保護黑土地。
針對這一棘手問題，專項規劃了退化阻控、健康培育、生物驅動、智能農機、天空地感知、全域定制六大攻關任務，在齊齊哈爾、大河灣、大安、長春、沈陽、海倫、三江設立了七大萬畝示范區，形成科技支撐的“一盤棋”，為“用好養好”黑土地提供系統解決方案。
在此基礎上，會戰團隊研發了“梨樹模式2.0”“龍江模式”“三江模式”“大河灣模式”“大安模式”等不同的農業耕作種植模式，通過把增施有機肥、秸稈還田、輪作休耕、種植綠肥、種養結合等措施相結合，構建了具有區域特色的農機農藝融合新體系，讓新技術在最適合的區域落地。
“針對每個示范區黑土保護與糧食產能提升的難點或卡點，不同模式有著不同的‘定制化’解決方案。”“黑土糧倉”先導專項辦公室負責人、東北地理所科研計劃處處長李祿軍向《中國科學報》介紹。
單以秸稈還田為例，“梨樹模式”采用“蓋被子”方法，將秸稈覆蓋在地表還田，可蓄水保墑，減少對薄層黑土地耕作層的擾動;“龍江模式”將秸稈粉碎后混入土壤中，有助改善土壤結構提升土壤有機質，以增加土壤透氣和透水性，更好地為作物提供營養;“三江模式”則主要采用秸稈深埋法，有利于改良該區域常見的土質較黏的白漿土，改良土壤，促進作物根系生長。
據介紹，攻堅團隊已經解決了不同模式黑土地保護的關鍵技術瓶頸、區域適宜性評價、操作規程制定等問題。“這給了我們很大的信心，能夠把黑土地利用好，把退化黑土改良好。”賈仲君說。
“一個項目通常包括開創上升期、爬坡攻堅期、發展穩定期和成熟期，現在我們取得的成效很顯著，但仍然處于關鍵的爬坡攻堅階段。”他同時表示。
賈仲君在考察內蒙古東部推廣的生態草牧業，這是“黑土糧倉”科技會戰的一部分。東北地理所供圖
據介紹，組成“黑土糧倉”科技會戰“集團軍”的主體，青年骨干占70%以上，為我國農業科技培養了一批中堅力量。隨著會戰走向深水區，東北地理所也吸引了一批年輕有為的科研力量加入，短短幾年間，所內新增科技人才43人，招聘特別研究助理70余人。
“東北黑土地是國家重大需求的集中體現之一，中國科學院率先行動計劃實施10年來，東北地理所已經成為開展農業研究最好的一個地方，喜歡農業的人在這里可以把國家需求和自己的科研理想完美結合。”賈仲君說。
“建制化”賦能發展
2021年3月，中國科學院與吉林省聯合上報“黑土糧倉”科技會戰方案，向國家揭榜掛帥。2021年7月，中國科學院聯合東北三省和內蒙古自治區正式啟動“黑土糧倉”科技會戰。
攻堅隊伍由中國科學院院長、黨組書記侯建國直接“掛帥”，擔任總指揮;副院長張濤擔任副總指揮。
侯建國要求科技會戰團隊：“力爭取得更多‘用得上、有影響、留得下、推得開’的科技成果，為支撐黑土地永續利用與農業現代化發展提供系統解決方案。”
為實現目標，專項在組織機制上進行了創新——首次在非軍工專項中啟用總指揮、總工程師“兩總制”。總指揮是專項第一負責人，總工程師專門負責專項的學術和技術路線。項目還設立了科學總顧問，由張佳寶院士對專項進行嚴格的科學把關和指導。
同時，專項下設13個任務，包括6個科技攻關任務和7個萬畝示范區，并組建了總體組。總體組又下設學術與技術、示范推廣、數據及智能管控系統三個分總體組，每年都要梳理階段性進展。
作為專項牽頭單位，東北地理所承擔專項日程管理與各項目考評等任務。“項目每年都會開展年終考核與動態調整工作，針對存在未完成目標、排名墊底等情況的情況，相關任務經費就會被調減，或者任務被整合到其他課題，甚至更換負責人。”李祿軍說。
示范區作為承接技術集成的實體，肩上的擔子也不輕。一個示范區有沒有采用研發的新技術?技術如何落地?落地的效果如何?最終都需要向當地政府和老百姓求證。
為實現農業技術示范推廣，過去一年，姜明帶領專項團隊幾乎每個月都在出差，已與30多個地方政府達成了合作推廣協議。
“這都不算壓力，關鍵是院黨組統籌規劃，國家使命導向下的體系化建制化攻關取得了重要進展，‘黑土糧倉’科技會戰得到地方政府的大力支持和認可，技術成果老百姓愿意用，能幫他們解決實實在在的問題。”姜明說。
伴隨著專項實施進入第三個年頭，姜明醞釀提出組織整個專項13個項目的技術骨干做一次“拉練”，實地走一遍每個項目示范區，通過“打擂臺”的方式，實時跟進示范區的需求，推動新技術落地。
“先進技術無論多么高大上，必須兼具實用性和前瞻性，解決當前糧食安全保障的國家使命，保障生存力發展，服務農業強國建設目標。”他說。
上世紀中國科學院組織的農業科技“黃淮海戰役”讓我國糧食增產500億斤，在我國實施新一輪千億斤糧食產能提升行動的背景下，中國科學院在新時代啟動的這一場農業科技攻關戰役面臨著新的機遇與挑戰。
與幾十年前提高中低產田產能相比，提升自身基礎條件更肥沃的黑土地的產能顯然并不容易。“更難的是，如何改變農民長期以來形成的耕作習慣，緊密契合國家鄉村振興戰略，把過去兩年的‘黑土糧倉’科技會戰已形成的保護技術與模式快速推廣。”姜明說。
姜明在介紹“黑土糧倉”科技會戰實施情況。東北地理所供圖
令人振奮的是，中國科學院通過與國家相關部門緊密合作，選派了一批優秀科研骨干下沉基層一線，擔任了科技副職，與地方農業部門緊密合作，取得了顯著成效。
東北地理所高級工程師、在梨樹縣擔任科技副縣長的敖曼對此深有體會：“過去3年來，‘梨樹模式2.0’保護性耕作模式每年推廣面積增幅1000萬畝，2022年已達3050萬畝，‘十四五’末預期達到4000萬畝。”
“黑土地保護與利用不僅是當下端牢中國飯碗、扛穩糧食安全的重大政治責任，更是新一輪千億斤糧食產能提升行動的重要發力點，和落實總書記指示批示精神的重要內容。接下來，我們將在中科院黨組統籌指導下，持續開展集中攻關，為用好養好黑土地提供更好的系統解決方案，推動我國糧食產能再上新臺階，為農業強國建設提供中國科學院力量。”姜明說。
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