中國科學院：打出“科技組合拳”為黑土地保護賦能

文/ 本刊記者 鄭茂典

初冬的黑土地上，秋收的喧囂逐漸散去。在中國極北的大豆之鄉黑龍江省海倫市，記者看到，地里的大豆已完成收獲，剛剛深翻、深松后的新鮮黑土在陽光下油黑發亮。秋收后的大地即將上凍，為下一年的播種積累能量。

海倫市位于黑龍江中部，松嫩平原北端，小興安嶺西麓。境內多丘陵、漫崗、高地平原，這里還是黑土地的中心地帶，是黑土地保護利用整建制推進的試點區域。黑土地被譽為我國“耕地中的大熊貓”，東北黑土地則被譽為我國糧食安全的“壓艙石”。但“黑土糧倉”也面臨著很多問題，其中“變薄”“變瘦”“變硬”最為突出。“把黑土地用好養好”，事關國家糧食安全與生態安全。

習近平總書記在黑龍江考察時強調“中國糧食，中國飯碗”，指出“要加快綠色農業發展，堅持用養結合、綜合施策，確保黑土地不減少、不退化”。國家高度重視東北黑土地的保護與利用，陸續實施了黑土地保護治理工程、生態高標準農田建設、黑土地保護利用試點等一系列舉措，也在技術模式、工作機制、政策體系等方面進行了積極探索。

推進科技創新，提升科技支撐能力。要針對不同土壤類型、不同區域，加強黑土地保護技術研究，特別是加快推進技術集成優化、農機農藝結合。為此，在保護黑土地行動中，國家及省級黑土保護重大科技專項設立，組織調動全國優勢科研力量開展科技攻關，在土壤改良利用、糧食豐產增效、模式推廣應用方面打出一套“科技組合拳”。

保護“耕地中的大熊貓”迫在眉睫

“黑土地肥到家，捏把泥土冒油花，一兩黑土二兩油，插根筷子也發芽。”我國黑土地總面積109萬平方千米，包括其在內的黑土區在全球僅有4塊，占全球陸地面積不到7%，養活了占世界18%的人口，創造了世界的奇跡。奇跡背后便是我國耕地無法實行免耕休耕的保護措施。因此，黑土地保護的關鍵在于如何解決好“用”和“養”的問題。

“全國人民每3碗飯中就有1碗出自東北。”中科院東北地理與農業生態研究所所長姜明說，我國東北黑土區涉及黑龍江省、吉林省、遼寧省及內蒙古自治區東部部分地區，糧食的產量和調出量占全國總量的1/4和1/3，是我國糧食生產的“壓艙石”和“穩壓器”。

落葉、枯枝……經過年復一年的累積、沉淀逐漸形成黑土地。姜明介紹，黑土地之所以“黑”，就是因為覆蓋著一層黑色或暗黑色的腐殖質，土質疏松，富含有機質，最宜耕作。有研究表明，形成1厘米厚度的黑土層需要數百年。

黑土地的珍貴使其被比作“耕地中的大熊貓”，但更重要的原因則與黑土地的“亞健康狀態”有關。東北黑土區呈現中部平原、三面環山的盆地狀地形，區內山地、平原、丘陵和臺地分布面積相當。東北黑土區雨熱同季、降水集中，加上黑土表層松軟，坡度大于0.5°的耕地就存在土壤水力侵蝕風險，且坡度越大侵蝕風險越高。“黑土地退化的特點是變‘薄’、變‘瘦’、變‘硬’了，面積也變‘少’了。”姜明說，黑土地沙化、鹽堿化、水土流失等趨勢嚴重，已經到了非治理不可的地步。

中國科學院發布的《東北黑土地白皮書（2020）》顯示，近60年，東北黑土耕作層土壤有機質下降了三分之一，部分地區下降了50%。黑龍江省水保所的定位觀測顯示，坡耕地年土壤流失厚度為0.6至1厘米，保護黑土地迫在眉睫。

科技“良方”護航黑土糧倉

科技創新是保護好、利用好黑土地的根本出路。2021年3月，中國科學院啟動“黑土糧倉”科技會戰。稱其為“會戰”，是因為它集結了中科院院內的34家研究所和院外的89家單位，共同組成了一支匯聚各專業1400余人的“集團軍”。中科院先后與吉林省、遼寧省、黑龍江省、內蒙古簽署框架協議。并派遣青年骨干擔任科技副職，結合不同示范區特色，掛職不同崗位，將示范區攻關任務與地方農業工作結合，推廣技術和模式，已打造7個萬畝級示范區，形成主推技術41項，示范推廣面積累計約1.7億畝。

“‘黑土糧倉’科技會戰針對的就是黑土地‘變薄、變瘦、變硬’問題！”姜明介紹了“會戰”的階段性成果——針對不同區域的農業資源稟賦與氣候特征，構建了“梨樹模式2.0”“龍江模式”“大安模式”和“大河灣模式”等區域適宜性的黑土地保護與利用技術模式。

其中，“梨樹模式2.0”和“龍江模式”支撐了國家黑土地保護工程的實施；“大安模式”實現了鹽堿地高效改良與綜合利用的結合，為吉林省“千億斤糧食”工程提供了有力的科技支撐；以“數字化智能決策+無人化精準執行”的“大河灣模式”保護黑土地模式創建了信息技術與農業技術高度融合的黑土地保護利用現代農業新范式。

“大河灣模式”服務于規模化種植的大型農墾集團，在保護黑土地的同時，綜合考慮與信息技術、智能裝備技術、農業模型與算法等技術的充分融合，提升綜合效益。既然是“會戰”，就有“戰區”，更要有戰略。來自牽頭單位的中科院計算所科研人員從軍工任務中，借用了 “OODA理論”，即“觀察—判斷—決策—行動”的循環程序。

智能農機正在進行無人作業

對應OODA理論，大河灣地區的黑土地保護與利用也分成四步——利用多種信息技術手段來感知黑土地本底數據，在信息空間模擬黑土演變與利用方式的變化關系，給出黑土地保護與利用的最佳決策，用智能化農業裝備來高效執行。系統可以根據每個地塊實際采用的保護性耕作農藝技術體系，同時結合數據采集體系中實時感知的作物的生長狀態，建立作物生長狀態與環境之間的動態模擬，并形成最優的農事作業決策。

會戰一載 “農業智慧化”成效初顯

科技和企業“牽手”，讓保護的黑土地煥發出最大價值。今年9月底，中國科學院發布“黑土糧倉”科技會戰階段性成果，專題發布《東北黑土地保護與利用報告（2021年）》、“鴻鵠”T300智能農機以及“東生”系列大豆新品種推廣與應用成效。“黑土糧倉”科技會戰實施一年以來，取得了重要進展和階段性成效，在7個示范區建立了空天地一體化監測與感知系統，創建了“地理學+大數據+現代農業”的“黑土糧倉”全域定制模式，我國自主研發的400馬力新能源智能農機下線，可實現耕種管收全程無人作業。

大河灣示范區位于呼倫貝爾農墾集團公司轄區，是全國第三大農墾集團。通過利用遙感、無人機、傳感器，以及人工取樣等多種手段，信息技術、人工智能技術與農藝技術充分結合，開發了土壤養分反演算法、地物識別模型等8種模型與算法，實現了土壤物理性質、養分、有機質、地界、作物、水蝕溝分布、氣象等全面信息在區域的反演。如今，呼倫貝爾農墾大河灣農牧場公司全域16.8萬畝黑土已經形成數據一張圖，為保護黑土地的科學種植起到重要支撐。

與此同時，大河灣示范區還利用新一代智能農機裝備，高效、智能執行系統做出決策。呼倫貝爾農墾集團針對農機裝備作業的九大環節，提出“二精、三變、三減、一用”的理念，即：精準整地、精量播種，變量施水、肥、藥，在收獲、運輸、存儲過程中減損以及秸稈利用。

此外，示范區投入了計算所研發的清潔能源可全程無人化自主作業（自主路徑規劃、路徑跟蹤、無人作業）的“鴻鵠”系列智能農機，以及來自中科院多家科研院所的智能農業機械，可實現定制化的多功能免耕播種、可精準變量作業的施藥機、定向分層一次性施肥機等。這些智能農機在執行作業時，還會搭載土壤能譜探測儀，可以在作業的同時，對土壤數據進行感知探測，將數據流向整個閉環系統。

目前大河灣模式已經初步打通相應模塊的數據流，已經取得階段性的成果。未來，“科技會戰”將進一步強化生物、信息、空天遙感等多學科技術與農業的有機融合，打造“用得上、有影響”“推得開、留得下”的黑土地保護與利用硬核技術，形成“智能農機社會化服務+保護性耕作農業大數據社會化服務”方式，面向蒙東四盟市8000萬畝黑土地進行全面推廣。