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【國家獎】破解適水種植世界難題 變被動抗旱為主動避旱

記國家科學技術進步獎二等獎“北方旱地農田抗旱適水種植技術及應用”

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  從2020年度國家科學技術獎勵大會上獲悉,中國農業科學院副院長梅旭榮研究員牽頭完成的“北方旱地農田抗旱適水種植技術及應用”榮獲國家科技進步二等獎。

  

  我國旱地農業主要分布在秦嶺淮河以北地區,包括干旱、半干旱偏旱、半干旱、半濕潤偏旱和半濕潤區等主要類型區,占全國耕地面積的51%,是我國主要糧食生產功能區和重要農產品生產保護區,也是生態脆弱區和貧困人口聚集區。受全球氣候變化影響,北方旱農區頻旱多變環境疊加水土資源過度利用,農田生產穩定性下降,危及國家糧食安全、生態安全和穩定脫貧。因此,推動旱地農業由對抗型向應變型轉變,創新抗旱適水型種植技術和模式,是急需解決的重大科學問題和技術難題。

  堅定心中夢想  執守旱農創新

  1984年,剛到中國農業科學院農業氣象研究所學習的梅旭榮心中就有一個夢想:“如果建立一種能適應干旱變化的種植制度,并匹配相應的抗旱適水栽培技術,該多好。這樣可以保證作物不受天氣變化的影響而減產,農民有個好收成不餓肚子。”帶著這樣的想法開始了他的研究生學習和旱作節水農業研究。1991年以來,他帶領團隊在北方旱農區開展了旱地水分平衡、降水生產潛力開發和旱地秸稈還田與有機培肥等系列長期定位試驗研究,進行農田降水高效轉化機制、主要旱地作物水分生態適應性和降水生產力提升等方面的研究,系統查明了我國北方旱地降水利用狀況,揭示了我國北方旱地農田水分動態平衡規律,突破了旱地適水種植的應用基礎理論和抗旱節水的關鍵技術與產品,集成了典型旱地高效用水的種植模式及配套技術體系,形成了壽陽旱地農業綜合發展模式,并在北方旱地農業區規模化應用,取得顯著的經濟、社會和生態效益。

  注重定位試驗  破解世界難題

  梅旭榮研究員帶領團隊長期扎根黃土高原東部壽陽旱作農業試驗站,定位觀測農田降水高效轉化過程,創新旱地農田抗旱適水種植的基礎理論、關鍵技術和主推技術模式。自2001年以來,團隊聯合了遼寧省農業科學院、甘肅省農業科學院、山西省農業科學院、青島農業大學和全國農業技術推廣服務中心等國內優勢單位協同攻關,開展了北方旱地農業多點長期定位試驗,摸清了主要旱地作物干旱發生規律和適水種植優先序,闡明了旱地碳氮高效轉化機制,攻克了土壤增碳擴容、地表覆蓋抑蒸等關鍵技術,從而破解了旱地作物適水種植世界性難題。該項目獲發明專利10項;制訂行業和地方標準12件;出版專著4部,發表論文163篇,被引用4834次;獲省部級一等獎4項。項目整體水平達到國際領先水平。該項成果實現了旱地農業由對抗型向應變型轉變,為實施全國旱作節水農業發展規劃和旱作農業節水示范提供了重要科學依據與關鍵技術支撐。

  發現了新規律。揭示了北方旱地作物水分供需變化規律,首次確定了抗旱適水種植的技術適宜性和作物優先序。研究發現,30年間北方旱地主要作物種植北移西擴1-2個經緯度,作物種植、生育期變化與降水減少、干旱頻發重發多因素互作,作物降水滿足率降低超過5個百分點。旱地地表覆蓋、秸稈還田、深松耕等技術提高水分利用效率程度與降水密切相關,提升效應最優的降水區間為年降水量450-550mm的旱農區。項目創建綜合多目標的隨機水文年型適水種植診斷模型,發現多種作物配置能顯著增強旱地農田系統穩定性和水分生產力,據此明確了玉米、小麥、谷子、花生、大豆、馬鈴薯等作物在不同旱地類型區的適水配置優先序。這些結果為科學布局種植結構并匹配適宜的節水栽培技術提供了理論依據。

  建立了新理論新方法。探明了土壤增碳擴容、地表覆蓋抑蒸、冠層塑型提效的作用機理,建立了北方旱地土壤—地表—冠層協同調控的抗旱適水種植理論和方法。研究發現,褐土和黑壚土連續全量秸稈還田,耕層土壤有機碳每增加1g/kg,生育期棵間蒸發減少4.7mm,0-30cm土壤蓄水增加5.2mm。產量、水氮利用和碳足跡綜合效益最優時褐土和黑壚土有機碳水平為13.7g/kg和12.0g/kg,據此建模和試驗提出了4種“高蓄積低損耗”土壤理想構型。春玉米高留茬、秸稈覆蓋和冬小麥夏閑期生物覆蓋調控地表,0-50cm土壤蓄水增加13.5-24.5mm,土壤蒸發減少5%-8%。高稈與矮稈作物間作調控冠層,高冠層光和降水截獲比矮冠層分別增加34%-45%和45%-69%,玉米大豆、谷子花生間作水分利用效率當量比1.13-1.19;在300-550mm降水條件下“適水定密”,每mm降水可承載覆膜春玉米9.9株。這些新理論新方法整體解決了旱地土壤-植物-大氣系統協同提升降水利用效率的科學問題。

  創新了主導技術。創建了北方主要類型旱地抗旱適水種植主導技術,研制了配套技術產品并實現了技術標準化。綜合集成集雨覆蓋抗旱、秸稈還田、適水種植等關鍵技術,配套研制了專用肥、保水劑、作業機具等技術產品,建立了東北風沙半干旱區立體調控種植、西北半濕潤偏旱區覆蓋集雨抗旱、華北丘陵半濕潤偏旱區秸稈適水還田、華北平原東部半濕潤區旱地小麥“早、深、平”和華北平原中部半濕潤偏旱節水壓采區半旱地等主導技術,農田降水利用率最高達75%,旱地春玉米水分利用效率最高達到3.64kg/mm·畝,產量波動下降3-4個百分點。這些主導技術有力地支撐了當地旱地農業的持續穩定發展,為糧食安全和農民脫貧提供了保障。

  

  新起點再出發  旱農科技當自強

  我國建設現代化國家的號角已吹響,旱地農業創新急需解決新的挑戰和問題,在穩定旱作區糧食安全的同時,不斷提升農產品品質和水土資源利用效率,加速旱作農業生產生態化轉型。響應習總書記四個面向的號召,梅旭榮研究員滿懷信心帶領團隊站在新的起點,秉承“振興科技、治旱興農”的優良傳統,繼續創新旱作農業節水提質增效的新理論、新方法,突破氣候智慧型旱作節水新技術新裝備新模式,促進新時期我國旱地農業高質量發展和旱作區生態化轉型。

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