物文学家勾勒中国农作物分娩蓝图

持续增产和生态减压同时实现 科学家勾勒中国农作物生产蓝图

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本报讯9月4日,中国农业大学资源与环境学院陈新平、崔振岭、张福锁等学者的研究论文《以更低的环境代价获得更高的作物产量》在英国《自然》杂志发表。该成果通过大量田间试验数据,探索了如何在持续增加作物产量的同时保障生态环境。

张福锁在田间给农户指导种植技术

据了解,至2050年,全球人口将达90亿,届时全球粮食需求将翻一番。然而,自上世纪90年代开始,全球粮食增产速率已经明显变缓,且增产的资源环境代价也越来越高。全球农业正面临保障粮食安全和减少环境代价的双重挑战。具体到我国,2003~2013年,我国粮食生产已经实现了十连增,但与未来粮食需求相比,依然有较大差距。当前全国粮食生产的资源环境代价有多大?未来粮食增产的潜力如何?未来粮食增产能否以更低的资源环境代价来实现?对这些问题的回答将为未来农业发展提供理论、技术和政策上的支撑。

“党的十九大提出,‘加快生态文明体制改革,建设美丽中国’‘坚持走绿色发展之路’。”新当选的中国工程院院士、中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心主任张福锁教授认为,经历30多年的不懈追求,我国集约化现代农业发展到了一个新的历史转折点,绿色生产方式和理念已经成为未来农业的必由之路,开启了农业发展的新时代。

正是基于对以上问题的考虑,5年前,张福锁领导的团队在“973”项目“主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究”和农业部公益性行业科研专项“农作物最佳养分管理技术研究与应用”等的支持下,与中国农科院、中国科学院以及西北农大、南京农大等单位合作,建立了全国协作网,共同破解高产高效的理论与技术问题。

蓝天之下、黄土之上,不忘初心,张福锁一直砥砺前行在探寻“绿色发展”的路上。

“我们的课题组基于作物生态生理学、植物营养学和土壤生物地球化学原理,建立了一套土壤—作物系统综合管理的理论与技术。”采访中,张福锁表示,该技术依据区域生态条件设计最优作物群体,通过对作物品种、播期、播量和根层养分、水分的管理,挖掘出作物产量潜力并最小化环境代价。

选择属于自己的土壤

该研究团队在全国三大粮食作物主产区实施了共计153个点/年的田间试验,通过大样本的田间实证研究发现,土壤—作物系统综合管理可以使水稻、小麦、玉米单产平均分别达到8.5、8.9、14.2吨/公顷,该数值基本上可以达到理论最高产量的97%~99%,其产量水平与国际当前生产水平最高的区域相当。

从1978年金秋开始,由家乡陕西凤翔农村踏入西北农学院(现西北农林科技大学)的大门,再到北京农业大学攻读研究生,张福锁始终没有停下求知的脚步。他认为,科学研究需要站在更加广阔的社会需求大平台上,“眼界越开阔,贡献就会越大”。

“我们通过综合管理技术实现的产量,已经超过了过去国内外模型预测中国小麦、玉米和水稻的极限。这表明我国的这三种农作物至少还有30%~50%的增产潜力。”陈新平说。

1985年,张福锁走出国门到德国霍恩海姆大学学习。抱着“在国外多学东西,回来好报效祖国”的想法,他学成回国了。31岁成为北京农业大学一个新学科—全国第一个农业资源与环境学院——植物营养系副教授,他浑身充满干劲,一头扎进科研,把一腔严谨、认真和刻苦的精神全部用到教学和科学研究中。

值得一提的是,与当前生产体系相比,土壤—作物系统综合管理在大幅度增产的同时,并不需要增加氮肥的投入,从而大幅度提高了氮肥的效率。

彼时,如何让经常营养不良的作物“自力更生、丰衣足食”成为张福锁研究的主要任务。依靠改土施肥等传统的思路解决不了既要增产又要环保的问题,必须创新理论和技术,找到增产与环保协同的新途径。

“该项成果的意义在于证明我们在持续增加作物产量、保障粮食安全的同时,能减少环境压力。”张福锁表示,目前国际上关于可持续农业的研究大多为理论研究,缺乏实践,但该研究153个田间试验得出了最完整的实践数据。

张福锁坚持从生产一线发现问题,把理论创新、关键技术突破和大面积技术应用模式的创新贯穿在30多年的工作中,探索出一条国际领先的农业转型之路。

课题组进一步的情景分析表明,到2030年,我国农业只要实现这一产量水平的80%,同时保持2012年的种植面积,便可以保证直接的口粮消费以及不断增长的饲料粮需求;同时,减少活性氮损失30%、减少温室气体排放11%。

植物适应养分胁迫的研究成果在当时不仅使应用生物或化学方法创制新型高效肥料成为可能,也使现代生物技术在植物矿质营养遗传特性的改良方面得以应用。这不仅在理论上有重要意义,在实践上更有价值,因为它为“高产、高效、优质”的现代农业技术创新开辟了一条崭新的生物学途径。

对于此项研究,自然出版集团中国区总监、《自然》杂志执行主编尼克:坎贝尔博士表示:“这篇研究论文代表着令人激动的、开拓性的农业科学研究,我们相信这项研究会吸引全球性的关注,在中国也不例外。”他同时认为,该项研究的众多中国研究者来自全国18所科研院校,“非常好地展示了中国的农业科学研究团体如何取得了具有全球意义的成就”。

“一定要选择属于自己的土壤。”谈到这些年的收获,张福锁认为,只有在适合自己的土壤里,才能充分汲取养分,生根发芽。他更感慨的是,“我们这一代人很幸运,生逢一个伟大的时代,能够选择属于自己的土壤”。

采访中,张福锁表示,该项研究事实上勾画了一幅2030年~2050年中国农作物生产蓝图。这幅蓝图需要千千万万个农民一步步实现。“如果能够实现,相信我们的农业研究在国际农业领域将走向前列。”

把脉土地走出污染

《中国科学报》 (2014-09-11 第4版 综合)

进入新世纪,随着化肥产量的提高,我国农作物摆脱了“吃不饱”的困境,又陷入了“吃撑了”的窘境。张福锁领导的科研团队对全国30多年养分资源开发、化肥生产、农业施用以及土壤化学性状研究数据进行了系统分析。

研究发现,从上个世纪80年代到新世纪,全国农田土壤的pH值平均下降了0.5个单位。让张福锁痛心的是,土壤酸化不仅影响作物根系生长,甚至造成铝毒,导致作物减产,还会造成重金属元素活化、土传病虫害加重等一系列问题,进而严重威胁农业生产和生态环境安全。

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