中國(guó)科學(xué)院：打出“科技組合拳”為黑土地保護(hù)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(guó)極北的大豆之鄉(xiāng)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(yáng)光下油黑發(fā)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(nèi)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(hù)利用整建制推進(jìn)的試點(diǎn)區(qū)域。黑土地被譽(yù)為我國(guó)“耕地中的大熊貓”，東北黑土地則被譽(yù)為我國(guó)糧食安全的“壓艙石”。但“黑土糧倉(cāng)”也面臨著很多問(wèn)題，其中“變薄”“變瘦”“變硬”最為突出?！鞍押谕恋赜煤灭B(yǎng)好”，事關(guān)國(guó)家糧食安全與生態(tài)安全。

習(xí)近平總書(shū)記在黑龍江考察時(shí)強(qiáng)調(diào)“中國(guó)糧食，中國(guó)飯碗”，指出“要加快綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展，堅(jiān)持用養(yǎng)結(jié)合、綜合施策，確保黑土地不減少、不退化”。國(guó)家高度重視東北黑土地的保護(hù)與利用，陸續(xù)實(shí)施了黑土地保護(hù)治理工程、生態(tài)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、黑土地保護(hù)利用試點(diǎn)等一系列舉措，也在技術(shù)模式、工作機(jī)制、政策體系等方面進(jìn)行了積極探索。

推進(jìn)科技創(chuàng)新，提升科技支撐能力。要針對(duì)不同土壤類(lèi)型、不同區(qū)域，加強(qiáng)黑土地保護(hù)技術(shù)研究，特別是加快推進(jìn)技術(shù)集成優(yōu)化、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合。為此，在保護(hù)黑土地行動(dòng)中，國(guó)家及省級(jí)黑土保護(hù)重大科技專(zhuān)項(xiàng)設(shè)立，組織調(diào)動(dòng)全國(guó)優(yōu)勢(shì)科研力量開(kāi)展科技攻關(guān)，在土壤改良利用、糧食豐產(chǎn)增效、模式推廣應(yīng)用方面打出一套“科技組合拳”。

保護(hù)“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(fā)芽?！蔽覈?guó)黑土地總面積109萬(wàn)平方千米，包括其在內(nèi)的黑土區(qū)在全球僅有4塊，占全球陸地面積不到7%，養(yǎng)活了占世界18%的人口，創(chuàng)造了世界的奇跡。奇跡背后便是我國(guó)耕地?zé)o法實(shí)行免耕休耕的保護(hù)措施。因此，黑土地保護(hù)的關(guān)鍵在于如何解決好“用”和“養(yǎng)”的問(wèn)題。

“全國(guó)人民每3碗飯中就有1碗出自東北?！敝锌圃簴|北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所所長(zhǎng)姜明說(shuō)，我國(guó)東北黑土區(qū)涉及黑龍江省、吉林省、遼寧省及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部部分地區(qū)，糧食的產(chǎn)量和調(diào)出量占全國(guó)總量的1/4和1/3，是我國(guó)糧食生產(chǎn)的“壓艙石”和“穩(wěn)壓器”。

落葉、枯枝……經(jīng)過(guò)年復(fù)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?yàn)楦采w著一層黑色或暗黑色的腐殖質(zhì)，土質(zhì)疏松，富含有機(jī)質(zhì)，最宜耕作。有研究表明，形成1厘米厚度的黑土層需要數(shù)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(tài)”有關(guān)。東北黑土區(qū)呈現(xiàn)中部平原、三面環(huán)山的盆地狀地形，區(qū)內(nèi)山地、平原、丘陵和臺(tái)地分布面積相當(dāng)。東北黑土區(qū)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(fēng)險(xiǎn)，且坡度越大侵蝕風(fēng)險(xiǎn)越高。“黑土地退化的特點(diǎn)是變‘薄’、變‘瘦’、變‘硬’了，面積也變‘少’了。”姜明說(shuō)，黑土地沙化、鹽堿化、水土流失等趨勢(shì)嚴(yán)重，已經(jīng)到了非治理不可的地步。

中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的《東北黑土地白皮書(shū)（2020）》顯示，近60年，東北黑土耕作層土壤有機(jī)質(zhì)下降了三分之一，部分地區(qū)下降了50%。黑龍江省水保所的定位觀(guān)測(cè)顯示，坡耕地年土壤流失厚度為0.6至1厘米，保護(hù)黑土地迫在眉睫。

科技“良方”護(hù)航黑土糧倉(cāng)

科技創(chuàng)新是保護(hù)好、利用好黑土地的根本出路。2021年3月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“黑土糧倉(cāng)”科技會(huì)戰(zhàn)。稱(chēng)其為“會(huì)戰(zhàn)”，是因?yàn)樗Y(jié)了中科院院內(nèi)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(zhuān)業(yè)1400余人的“集團(tuán)軍”。中科院先后與吉林省、遼寧省、黑龍江省、內(nèi)蒙古簽署框架協(xié)議。并派遣青年骨干擔(dān)任科技副職，結(jié)合不同示范區(qū)特色，掛職不同崗位，將示范區(qū)攻關(guān)任務(wù)與地方農(nóng)業(yè)工作結(jié)合，推廣技術(shù)和模式，已打造7個(gè)萬(wàn)畝級(jí)示范區(qū)，形成主推技術(shù)41項(xiàng)，示范推廣面積累計(jì)約1.7億畝。

“‘黑土糧倉(cāng)’科技會(huì)戰(zhàn)針對(duì)的就是黑土地‘變薄、變瘦、變硬’問(wèn)題！”姜明介紹了“會(huì)戰(zhàn)”的階段性成果——針對(duì)不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)資源稟賦與氣候特征，構(gòu)建了“梨樹(shù)模式2.0”“龍江模式”“大安模式”和“大河灣模式”等區(qū)域適宜性的黑土地保護(hù)與利用技術(shù)模式。

其中，“梨樹(shù)模式2.0”和“龍江模式”支撐了國(guó)家黑土地保護(hù)工程的實(shí)施；“大安模式”實(shí)現(xiàn)了鹽堿地高效改良與綜合利用的結(jié)合，為吉林省“千億斤糧食”工程提供了有力的科技支撐；以“數(shù)字化智能決策+無(wú)人化精準(zhǔn)執(zhí)行”的“大河灣模式”保護(hù)黑土地模式創(chuàng)建了信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)高度融合的黑土地保護(hù)利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新范式。

“大河灣模式”服務(wù)于規(guī)模化種植的大型農(nóng)墾集團(tuán)，在保護(hù)黑土地的同時(shí)，綜合考慮與信息技術(shù)、智能裝備技術(shù)、農(nóng)業(yè)模型與算法等技術(shù)的充分融合，提升綜合效益。既然是“會(huì)戰(zhàn)”，就有“戰(zhàn)區(qū)”，更要有戰(zhàn)略。來(lái)自牽頭單位的中科院計(jì)算所科研人員從軍工任務(wù)中，借用了 “OODA理論”，即“觀(guān)察—判斷—決策—行動(dòng)”的循環(huán)程序。

智能農(nóng)機(jī)正在進(jìn)行無(wú)人作業(yè)

對(duì)應(yīng)OODA理論，大河灣地區(qū)的黑土地保護(hù)與利用也分成四步——利用多種信息技術(shù)手段來(lái)感知黑土地本底數(shù)據(jù)，在信息空間模擬黑土演變與利用方式的變化關(guān)系，給出黑土地保護(hù)與利用的最佳決策，用智能化農(nóng)業(yè)裝備來(lái)高效執(zhí)行。系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)地塊實(shí)際采用的保護(hù)性耕作農(nóng)藝技術(shù)體系，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)采集體系中實(shí)時(shí)感知的作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，建立作物生長(zhǎng)狀態(tài)與環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)模擬，并形成最優(yōu)的農(nóng)事作業(yè)決策。

會(huì)戰(zhàn)一載 “農(nóng)業(yè)智慧化”成效初顯

科技和企業(yè)“牽手”，讓保護(hù)的黑土地?zé)òl(fā)出最大價(jià)值。今年9月底，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布“黑土糧倉(cāng)”科技會(huì)戰(zhàn)階段性成果，專(zhuān)題發(fā)布《東北黑土地保護(hù)與利用報(bào)告（2021年）》、“鴻鵠”T300智能農(nóng)機(jī)以及“東生”系列大豆新品種推廣與應(yīng)用成效?！昂谕良Z倉(cāng)”科技會(huì)戰(zhàn)實(shí)施一年以來(lái)，取得了重要進(jìn)展和階段性成效，在7個(gè)示范區(qū)建立了空天地一體化監(jiān)測(cè)與感知系統(tǒng)，創(chuàng)建了“地理學(xué)+大數(shù)據(jù)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”的“黑土糧倉(cāng)”全域定制模式，我國(guó)自主研發(fā)的400馬力新能源智能農(nóng)機(jī)下線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)耕種管收全程無(wú)人作業(yè)。

大河灣示范區(qū)位于呼倫貝爾農(nóng)墾集團(tuán)公司轄區(qū)，是全國(guó)第三大農(nóng)墾集團(tuán)。通過(guò)利用遙感、無(wú)人機(jī)、傳感器，以及人工取樣等多種手段，信息技術(shù)、人工智能技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)充分結(jié)合，開(kāi)發(fā)了土壤養(yǎng)分反演算法、地物識(shí)別模型等8種模型與算法，實(shí)現(xiàn)了土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、地界、作物、水蝕溝分布、氣象等全面信息在區(qū)域的反演。如今，呼倫貝爾農(nóng)墾大河灣農(nóng)牧場(chǎng)公司全域16.8萬(wàn)畝黑土已經(jīng)形成數(shù)據(jù)一張圖，為保護(hù)黑土地的科學(xué)種植起到重要支撐。

與此同時(shí)，大河灣示范區(qū)還利用新一代智能農(nóng)機(jī)裝備，高效、智能執(zhí)行系統(tǒng)做出決策。呼倫貝爾農(nóng)墾集團(tuán)針對(duì)農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)的九大環(huán)節(jié)，提出“二精、三變、三減、一用”的理念，即：精準(zhǔn)整地、精量播種，變量施水、肥、藥，在收獲、運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中減損以及秸稈利用。

此外，示范區(qū)投入了計(jì)算所研發(fā)的清潔能源可全程無(wú)人化自主作業(yè)（自主路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、無(wú)人作業(yè)）的“鴻鵠”系列智能農(nóng)機(jī)，以及來(lái)自中科院多家科研院所的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，可實(shí)現(xiàn)定制化的多功能免耕播種、可精準(zhǔn)變量作業(yè)的施藥機(jī)、定向分層一次性施肥機(jī)等。這些智能農(nóng)機(jī)在執(zhí)行作業(yè)時(shí)，還會(huì)搭載土壤能譜探測(cè)儀，可以在作業(yè)的同時(shí)，對(duì)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行感知探測(cè)，將數(shù)據(jù)流向整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

目前大河灣模式已經(jīng)初步打通相應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)流，已經(jīng)取得階段性的成果。未來(lái)，“科技會(huì)戰(zhàn)”將進(jìn)一步強(qiáng)化生物、信息、空天遙感等多學(xué)科技術(shù)與農(nóng)業(yè)的有機(jī)融合，打造“用得上、有影響”“推得開(kāi)、留得下”的黑土地保護(hù)與利用硬核技術(shù)，形成“智能農(nóng)機(jī)社會(huì)化服務(wù)+保護(hù)性耕作農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)社會(huì)化服務(wù)”方式，面向蒙東四盟市8000萬(wàn)畝黑土地進(jìn)行全面推廣。