科技力量筑牢“黑土粮仓”

▲国科大录取通知书里的大豆。国科大供图

▲7月上旬，试验田里的“东生118”已经结荚。冯丽妃/摄

■本报记者 冯丽妃

近日，中国科学院大学（以下简称国科大）本科生录取通知书吸睛无数——7颗金色大豆组成的“北斗七星”，让人怦然心动。

这些“金豆子”是中国科学院东北地理与农业生态研究所（以下简称东北地理所）的耐盐碱大豆，也是中国科学院“黑土粮仓”科技会战的重要成果之一。

10年前，习近平总书记到中国科学院考察时强调，集中力量推进科技创新，真正把创新驱动发展战略落到实处。

中国科学院2021年7月启动的“黑土地保护与利用科技创新工程”战略性先导科技专项（A类），正是集中力量办大事的“大兵团作战体系”。它发挥了中国科学院的体系化建制化优势，围绕保障国家粮食安全的重大使命，集结了中国科学院内34家研究所和院外89家单位，组成了一支会聚各专业1400余名科学家的“集团军”，旨在用科技力量筑牢“黑土粮仓”。

如今，这场科技会战已有两年，“黑土粮仓”进展如何？承载了哪些“高精尖”技术？如何发挥建制化优势破解棘手问题？《中国科学报》走进该专项牵头单位——东北地理所了解相关进展。

“高精尖”牵引现代农业

种子是农业的“芯片”，做强这块“芯片”是“黑土粮仓”科技会战的重要目标之一。

国科大本科生录取通知书中的7颗“金豆”蕴含着前沿农业技术。东北地理所的科学家从2000多份在盐碱地种植的大豆种质资源中筛选出10多份具有高耐盐碱性的大豆品种，通过鉴定其中的优质基因并按需“组合”，培育出耐盐碱大豆新品种“东生118”。该品种在土壤pH值9.0的重度盐碱地上产量可达150公斤，超过当前我国普通耕地约130公斤的平均亩产。

“分子设计育种的最大特点是每一个基因的功能都非常清晰，了解这些功能后就可以像装配汽车一样，实现加速育种。”该种质资源培育者、东北地理所研究员冯献忠对《中国科学报》说，它让原本需要8到10年才能培育一颗种子的过程大幅缩短。

我国大豆产量长期不足，近年来对外依存度高达85%。冯献忠团队希望选育出更多优质的大豆种质资源，增加边际土地利用率，深挖我国大豆良种增产潜力，努力提升我国大豆自给率。

自2012年加入东北地理所以来，冯献忠团队已经建成国内最大的大豆突变基因体库，拥有超过40万份大豆突变种质材料。“一颗大豆有6万个基因，如果我们能够准确知道每个基因变异的功能，就能根据每个区域的气候和土壤条件，因地制宜培育大豆种子。”他说。

目前作物育种已经历3个阶段：1.0时代的传统杂交育种、2.0时代的分子标记育种以及3.0时代的分子设计育种。冯献忠团队提出以“计算育种”为标志的新育种理念，推动育种技术向4.0时代进军。

“我们的育种试验地是有限的，未来或许可以实现到计算机里‘育种’。”冯献忠解释说，“比如在计算机上利用不同算法实现大豆优异基因的相互聚合，了解原本相互拮抗的基因在哪些位点可以聚合、哪些变异可以更好地目标性聚合。”

该团队正在东北地理所搭建一个能够在不同光谱下观察作物生长的表型组平台，让一个基因在作物生长过程每个阶段呈现的功能“纤毫毕见”。他们还与浙江省之江实验室合作，尝试将大豆育种中每个基因突变发挥的潜在作用在超级计算机上跑一遍，希望将目前育种中的“试验选优”替代为“计算选优”。

“一两黑土二两油，插根筷子能发芽。”民间顺口溜道出了黑土的肥沃。珍贵如大熊猫的东北黑土地，却正在变薄、变瘦、变硬，呈现出不同程度的退化趋势。

为“把脉问诊”黑土地，两年来，专项构建了卫星遥感、无人机、地面传感相结合的天空地一体化监测体系，开发了“黑土粮仓一地一策”应用平台，用户打开手机应用程序，黑土保护利用的全生长周期策略一目了然。

会战团队还解释了黑土被侵蚀的一个关键过程——沟道侵蚀。“东北大平原看上去一马平川，但实际地形多为漫川漫岗，几大山脉与平原的过渡区域易形成水蚀风侵造成的侵蚀沟，这是黑土地退化的一种表现，如不尽快治理会严重影响粮食产能。”“黑土粮仓”先导专项总工程师、东北地理所研究员贾仲君对《中国科学报》说。

研究人员通过野外实际测定和高分辨率遥感空间调查，首次得出黑土区侵蚀沟有49.6万条，摸清了黑土侵蚀沟的空间分布与演化趋势。同时，通过对黑土地土壤性质、作物生长状况等进行全方位监测，研究人员创建了由“地理学+大数据+现代农业”集成的“全域定制模式”，全方位保卫“黑土粮仓”。

“国家下定决心保护黑土地，作为‘国家队’‘国家人’，我们要提供关键技术做好‘国家事’。”贾仲君说。

“一盘棋”应对关键挑战

“在利用中保护，这是黑土地保护最关键、最具挑战性的科技任务。”“黑土粮仓”先导专项总指挥、东北地理所所长姜明说。

“黑土粮仓”作为我国粮食安全的“压舱石”，年粮食产量占全国的1/4。但自20世纪初人口大规模迁徙和大范围土地垦殖以来，东北黑土区农业开发利用强度持续上升，黑土表层平均每年流失约0.3毫米，土壤有机质也在逐年递减。然而，我国人多地少，这意味着不能采取发达国家休耕的方式保护黑土地。

针对这一棘手问题，专项规划了退化阻控、健康培育、生物驱动、智能农机、天空地感知、全域定制六大攻关任务，在齐齐哈尔、大河湾、大安、长春、沈阳、海伦、三江设立了七大万亩示范区，形成科技支撑“一盘棋”，为“用好养好”黑土地提供系统解决方案。

在此基础上，会战团队研发了“梨树模式2.0”“龙江模式”“三江模式”“大河湾模式”“大安模式”等不同的农业耕作种植模式，将增施有机肥、秸秆还田、轮作休耕、种植绿肥、种养结合等措施结合在一起，构建了具有区域特色的农机农艺融合新体系，让新技术在最适合的区域落地。

“针对每个示范区黑土保护与粮食产能提升的难点或卡点，不同模式有着不同的‘定制化’解决方案。”“黑土粮仓”先导专项办公室负责人、东北地理所科研计划处处长李禄军向《中国科学报》介绍。

单以秸秆还田为例，“梨树模式”采用“盖被子”方法，将秸秆覆盖在地表还田，可蓄水保墒，减少对薄层黑土地耕作层的扰动；“龙江模式”将秸秆粉碎后混入土壤中，有助改善土壤结构、提升土壤有机质，以增加土壤透气性和透水性，更好地为作物提供营养；“三江模式”则主要采用秸秆深埋法，这有利于改良该区域常见的土质较黏的白浆土，促进作物根系生长。

据介绍，攻坚团队已经解决了不同模式黑土地保护的关键技术瓶颈、区域适宜性评价、操作规程制定等相关问题。“这给了我们很大的信心，能够把黑土地利用好、把退化的黑土改良好。”贾仲君说。

“一个项目通常包括开创上升期、爬坡攻坚期、发展稳定期和成熟期，现在我们取得的成效显著，但仍处于关键的爬坡攻坚阶段。”他同时表示。

据介绍，组成“黑土粮仓”科技会战“集团军”的主体中，青年骨干占70%以上。会战为我国农业科技培养了一批中坚力量。随着会战走向深水区，东北地理所吸引了一批年轻有为的科研力量加入，短短几年间，所内新增科技人才43人、招聘特别研究助理70余人。

“东北黑土地是国家重大需求的集中体现之一，中国科学院率先行动计划实施10年来，东北地理所已经成为开展农业研究最好的一个地方，在这里，喜欢农业的人可以把国家需求和自己的科研理想完美结合。”贾仲君说。

“建制化”赋能发展

2021年3月，中国科学院与吉林省联合上报“黑土粮仓”科技会战方案。2021年7月，中国科学院联合东北三省和内蒙古自治区正式启动“黑土粮仓”科技会战。

攻坚队伍由中国科学院院长、党组书记侯建国直接“挂帅”，担任总指挥；副院长张涛担任副总指挥。

侯建国要求科技会战团队“力争取得更多‘用得上、有影响、留得下、推得开’的科技成果，为支撑黑土地永续利用与农业现代化发展提供系统解决方案”。

为实现目标，专项在组织机制上进行了创新——首次在非军工专项中启用总指挥、总工程师“两总制”。总指挥是专项第一负责人，总工程师则专门负责专项的学术和技术路线。项目还设立了科学总顾问，由中国工程院院士张佳宝进行严格的科学把关和指导。

同时，专项下设13个任务，包括6个科技攻关任务和7个万亩示范区，并组建了总体组。总体组又下设学术与技术、示范推广、数据及智能管控系统3个分组，每年都要梳理阶段性进展。

作为专项牵头单位，东北地理所承担专项日程管理与各项目考评等任务。“每年都会开展项目年终考核与动态调整工作，一旦出现未完成目标、排名垫底等情况，相关任务经费会被调减，或者相关任务被整合到其他课题，甚至更换负责人。”李禄军说。

示范区作为承接技术集成的实体，肩上的担子不轻。一个示范区有没有采用研发的新技术、技术如何落地、落地效果如何，最终都需要向当地政府和老百姓求证。

为实现农业技术示范推广，过去一年，姜明带领专项团队几乎每个月都在出差，与30多个地方政府达成了合作推广协议。

“这都不算压力，关键是院党组统筹规划、国家使命导向下的体系化建制化攻关取得了重要进展，‘黑土粮仓’科技会战得到地方政府的大力支持和认可，技术成果老百姓愿意用，因为这能帮他们解决实实在在的问题。”姜明说。

伴随着专项实施进入第三个年头，姜明酝酿提出组织整个专项13个项目的技术骨干做一次“拉练”，实地走访每个项目示范区，通过“打擂台”的方式，实时跟进示范区的需求，推动新技术落地。

“先进技术无论多么‘高大上’，都必须兼具实用性和前瞻性，完成当前粮食安全保障的国家使命，保障生存力发展，服务农业强国建设目标。”他说。

上世纪中国科学院组织的农业科技“黄淮海战役”使我国粮食增产500亿斤。在我国实施新一轮千亿斤粮食产能提升行动的背景下，中国科学院在新时代启动的这一场农业科技攻关战役面临着新的机遇与挑战。

与几十年前提高中低产田产能相比，提升本身就肥沃的黑土地的产能显然并不容易。“更难的是，如何改变农民长期以来形成的耕作习惯，紧密契合国家乡村振兴战略，快速推广过去两年‘黑土粮仓’科技会战已形成的保护技术与模式。”姜明说。

令人振奋的是，中国科学院通过与国家相关部门紧密合作，选派了一批优秀科研骨干下沉基层一线担任科技副职，与地方农业部门紧密合作，取得了显著成效。

在梨树县担任科技副县长的东北地理所高级工程师敖曼对此深有体会：“过去3年来，‘梨树模式2.0’保护性耕作模式每年推广面积增加1000万亩，2022年已达3050万亩，‘十四五’末预计达到4000万亩。”

“黑土地保护与利用不仅是当下端牢中国饭碗、保障粮食安全的重大政治责任，也是新一轮千亿斤粮食产能提升行动的重要发力点，更是落实习近平总书记指示批示精神的重要内容。接下来，我们将在中国科学院党组统筹指导下，持续开展集中攻关，为用好、养好黑土地提供更好的系统解决方案，推动我国粮食产能迈上新台阶，在农业强国建设中发挥中国科学院力量。”姜明说。