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【国家奖】破解适水种植世界难题 变被动抗旱为主动避旱——记国家科学技术进步奖二等奖“北方旱地农田抗旱适水种植技术及应用”

文章来源 : 作者: 发布时间: 2021-11-03 浏览量:

        从2020年度国家科学技术奖励大会上获悉,中国农业科学院副院长梅旭荣研究员牵头完成的“北方旱地农田抗旱适水种植技术及应用”荣获国家科技进步二等奖。

        我国旱地农业主要分布在秦岭淮河以北地区,包括干旱、半干旱偏旱、半干旱、半湿润偏旱和半湿润区等主要类型区,占全国耕地面积的51%,是我国主要粮食生产功能区和重要农产品生产保护区,也是生态脆弱区和贫困人口聚集区。受全球气候变化影响,北方旱农区频旱多变环境叠加水土资源过度利用,农田生产稳定性下降,危及国家粮食安全、生态安全和稳定脱贫。因此,推动旱地农业由对抗型向应变型转变,创新抗旱适水型种植技术和模式,是急需解决的重大科学问题和技术难题。

坚定心中梦想  执守旱农创新

        1984年,刚到中国农业科学院农业气象研究所学习的梅旭荣心中就有一个梦想:“如果建立一种能适应干旱变化的种植制度,并匹配相应的抗旱适水栽培技术,该多好。这样可以保证作物不受天气变化的影响而减产,农民有个好收成不饿肚子。”带着这样的想法开始了他的研究生学习和旱作节水农业研究。1991年以来,他带领团队在北方旱农区开展了旱地水分平衡、降水生产潜力开发和旱地秸秆还田与有机培肥等系列长期定位试验研究,进行农田降水高效转化机制、主要旱地作物水分生态适应性和降水生产力提升等方面的研究,系统查明了我国北方旱地降水利用状况,揭示了我国北方旱地农田水分动态平衡规律,突破了旱地适水种植的应用基础理论和抗旱节水的关键技术与产品,集成了典型旱地高效用水的种植模式及配套技术体系,形成了寿阳旱地农业综合发展模式,并在北方旱地农业区规模化应用,取得显著的经济、社会和生态效益。

注重定位试验  破解世界难题

        梅旭荣研究员带领团队长期扎根黄土高原东部寿阳旱作农业试验站,定位观测农田降水高效转化过程,创新旱地农田抗旱适水种植的基础理论、关键技术和主推技术模式。自2001年以来,团队联合了辽宁省农业科学院、甘肃省农业科学院、山西省农业科学院、青岛农业大学和全国农业技术推广服务中心等国内优势单位协同攻关,开展了北方旱地农业多点长期定位试验,摸清了主要旱地作物干旱发生规律和适水种植优先序,阐明了旱地碳氮高效转化机制,攻克了土壤增碳扩容、地表覆盖抑蒸等关键技术,从而破解了旱地作物适水种植世界性难题。该项目获发明专利10项;制订行业和地方标准12件;出版专著4部,发表论文163篇,被引用4834次;获省部级一等奖4项。项目整体水平达到国际领先水平。该项成果实现了旱地农业由对抗型向应变型转变,为实施全国旱作节水农业发展规划和旱作农业节水示范提供了重要科学依据与关键技术支撑。
发现了新规律。揭示了北方旱地作物水分供需变化规律,首次确定了抗旱适水种植的技术适宜性和作物优先序。研究发现,30年间北方旱地主要作物种植北移西扩1-2个经纬度,作物种植、生育期变化与降水减少、干旱频发重发多因素互作,作物降水满足率降低超过5个百分点。旱地地表覆盖、秸秆还田、深松耕等技术提高水分利用效率程度与降水密切相关,提升效应最优的降水区间为年降水量450-550mm的旱农区。项目创建综合多目标的随机水文年型适水种植诊断模型,发现多种作物配置能显著增强旱地农田系统稳定性和水分生产力,据此明确了玉米、小麦、谷子、花生、大豆、马铃薯等作物在不同旱地类型区的适水配置优先序。这些结果为科学布局种植结构并匹配适宜的节水栽培技术提供了理论依据。
        建立了新理论新方法。探明了土壤增碳扩容、地表覆盖抑蒸、冠层塑型提效的作用机理,建立了北方旱地土壤—地表—冠层协同调控的抗旱适水种植理论和方法。研究发现,褐土和黑垆土连续全量秸秆还田,耕层土壤有机碳每增加1g/kg,生育期棵间蒸发减少4.7mm,0-30cm土壤蓄水增加5.2mm。产量、水氮利用和碳足迹综合效益最优时褐土和黑垆土有机碳水平为13.7g/kg和12.0g/kg,据此建模和试验提出了4种“高蓄积低损耗”土壤理想构型。春玉米高留茬、秸秆覆盖和冬小麦夏闲期生物覆盖调控地表,0-50cm土壤蓄水增加13.5-24.5mm,土壤蒸发减少5%-8%。高秆与矮秆作物间作调控冠层,高冠层光和降水截获比矮冠层分别增加34%-45%和45%-69%,玉米大豆、谷子花生间作水分利用效率当量比1.13-1.19;在300-550mm降水条件下“适水定密”,每mm降水可承载覆膜春玉米9.9株。这些新理论新方法整体解决了旱地土壤-植物-大气系统协同提升降水利用效率的科学问题。
        创新了主导技术。创建了北方主要类型旱地抗旱适水种植主导技术,研制了配套技术产品并实现了技术标准化。综合集成集雨覆盖抗旱、秸秆还田、适水种植等关键技术,配套研制了专用肥、保水剂、作业机具等技术产品,建立了东北风沙半干旱区立体调控种植、西北半湿润偏旱区覆盖集雨抗旱、华北丘陵半湿润偏旱区秸秆适水还田、华北平原东部半湿润区旱地小麦“早、深、平”和华北平原中部半湿润偏旱节水压采区半旱地等主导技术,农田降水利用率最高达75%,旱地春玉米水分利用效率最高达到3.64kg/mm·亩,产量波动下降3-4个百分点。这些主导技术有力地支撑了当地旱地农业的持续稳定发展,为粮食安全和农民脱贫提供了保障。

新起点再出发  旱农科技当自强

       我国建设现代化国家的号角已吹响,旱地农业创新急需解决新的挑战和问题,在稳定旱作区粮食安全的同时,不断提升农产品品质和水土资源利用效率,加速旱作农业生产生态化转型。响应习总书记四个面向的号召,梅旭荣研究员满怀信心带领团队站在新的起点,秉承“振兴科技、治旱兴农”的优良传统,继续创新旱作农业节水提质增效的新理论、新方法,突破气候智慧型旱作节水新技术新装备新模式,促进新时期我国旱地农业高质量发展和旱作区生态化转型。

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