Nature:张福锁院士团队与千百万农民一起实现农业绿色增产增效
2018/3/8 

粮食安全、环境退化和气候变化是人类面临的巨大挑战。农业是解决这些挑战的核心,为满足未来人口增长对粮食的需求,2050年全球粮食产量必须增加60-110%(较2005年相比),且应同步降低气候变化的环境威胁,充分利用自然资源。其中,最大的挑战来自以小农为主的农业地区,例如,在撒哈拉以南非洲,印度和中国。在部分地区,因农户饱受资源缺乏和知识不足的困扰,所以粮食的绿色增产增效取决于农户如何管理他们的土地。为提高小农户的生产能力,一些研究已经在技术方面取得了进展。然而,在技术大面积应用,同时解决作物产量与环境保护目标方面的进展不多。因此,在小农为主的高投入-低效率生产系统的国家,大面积推广绿色增产增效技术意义重大。


2018年3月8日,由中国农业大学张福锁院士团队领衔完成的最新研究成果以“Pursuing sustainable productivity with millions of smallholder farmers”为题发表在Nature杂志上。本研究报道了在过去十年里,与全国2,090万农户一起应用优化的管理技术获得了更高的作物产量,同时也减少了农业生产对环境造成的污染。


自2005起,张福锁院士带领团队,建立了我国主要作物绿色增产增效技术创新与应用协作网,在生产中破解农业绿色发展的重大理论与技术难题。他们针对我国集约化粮食生产用肥量大,资源环境代价高,施肥增产幅度小,养分利用率低等一系列问题,将植物营养学与作物栽培学、土壤学、环境科学等多学科有机融合,率先提出了绿色增产增效理论和技术新思路,以高效利用光温资源的高产群体定量设计充分挖掘品种的高产潜力、以定量调控根层水肥供应支撑高产群体来实现资源高效利用,最大程度地减少环境污染,实现了地上作物高产与地下水肥高效协调统一,突破了高产与高效难以协同的国际难题。先后在我国小麦玉米水稻主产区建立了绿色增产增效技术体系(Integrated Soil-crop System Management, ISSM),通过13,123个田间实证研究验证了技术的增产、增效、减排、增收潜力。在此基础上,与全国2,090万农户一起应用这些绿色增产技术模式获得了增产和减少环境污染的好效果,累计推广面积3,770万公顷。


本研究建立了“从生产中来,到生产中去”、围绕生产限制因子,与农民一起开展适合当地情况、又是国际学术前沿的“立地顶天”的科研思路。研究人员针对生产问题,在农民地里与农民一起创新和验证技术,集成技术模式,并将科研成果直接应用到生产中去,解决科研跟生产脱节的问题。过去十年,在我国小麦、玉米和水稻三大粮食作物主产区开展了13,123个田间试验,应用绿色增产增效技术的玉米、水稻和小麦平均产量达到9.54,8.41 和6.73 吨/公顷,较当地农民习惯增产20.6% (18.3-21.8%)。更为重要的是,增加产量不仅没有增加氮肥用量,反而降低氮肥用量14.5% (8.5-15.6%)。通过实地测定、模型模拟和生命周期评价,发现绿色增产增效技术不仅能增产节氮,还能显著降低活性氮的排放强度34.8% (22.9-35.4%),减少温室气体排放强度27.0% (18.6-29.1%)。首次证明,绿色增产增效技术可以大面积实现作物增产和环境减排的双赢,回答了持续增产是否必须依赖于水肥资源的大量投入和作物高产、养分资源高效和环境保护能否协同等国内外学术界一直在争论的重大科学命题。

本研究创建了以扎根农村的“科技小院”为核心、以覆盖全国的“科教专家网络、政府推广网络、校企合作网络"为平台,与千百万农民一起大面积推广应用绿色增产增效技术的新型技术应用模式。经田间验证和农民实践改进的绿色增产增效技术方案一旦被确定下来,就可以通过科研人员、政府技术人员、企业人员和农民共同参与式的推广模式、以标准化、机械化、产品化和信息化等手段开展大面积推广应用,使这些先进的实用技术被广大农民所采用。在过去10年里,共有1,152名研究人员、6.5万名农业推广人员及13万农业相关企业人员和452个县的2090万农民参与了这一技术模式的推广应用工作。开展和组织了14,000多个培训班、21,000多个田间日活动、6,000多场田间现场观摩会和发放33.7万份宣传册。改变农民传统观念和生产习惯的做法和经验是多方面的,其中 “科教专家网络、政府推广网络、校企合作网络”取长补短,融合共建绿色增产增效新型技术应用平台是关键;充分发挥科技农民的示范作用,发挥农民的创造性,让农民自发行动起来是本研究成功的核心,农民科技带头人既是技术创新的参与者,也是技术应用模式的直接创新者,他们的作法和经验往往会鼓舞和引导更多的农户。从2006到2015年,绿色增产技术累计推广3,770万公顷,增加粮食生产3,300万吨,减少氮肥用量120万吨,增收节支793亿元。对我国1,944个县的860万农户大样本调研发现,绝大多数农户的作物产量至少低于绿色增产增效技术的10%,部分农户甚至低于50%,但施氮量却与高产作物的推荐量相当,甚至更高。这些农户(包括低产或高产但氮肥用量高的农户)如果采用绿色增产增效技术,每年可增加粮食生产8,240万吨,减少氮肥用量110万吨,降低氮素损失达45万吨,减少温室气体的排放量为2,340万吨。这些研究成果充分说明未来我国粮食安全完全可以以更低的资源环境代价来实现,绿色增产增效技术的创新与应用为中国农业走出一条产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代化农业发展道路绘就了蓝图,为中国农业绿色发展树立了榜样,也为全球可持续集约化现代农业的发展提供了范例!


据悉,该研究由中国农业大学科研团队策划,组织河北农业大学、吉林农业大学、西北农林科技大学等全国25家教学科研单位,历经10年不懈努力共同完成的。该论文共有46名作者,其中中国农业大学崔振岭教授为第一作者,张福锁院士为通讯作者。该研究受到国家重点基础研究专项“作物高产高效群体与关键生态因子的匹配及其调控”(2015CB150400)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”(201103003)等项目长期支持。


张福锁院士领导的团队立足国家重大需求、在农业生产实践中开展国际前沿理论研究,取得了一系列重大研究成果。2010年在《科学》杂志上发表了过量施用氮肥造成中国农田土壤大面积酸化、制约可持续发展的问题;2013年在《自然》上发表了大气氮沉降增加60%、影响环境质量的结果;同年,受Nature编辑部邀请以“中国农业:全世界的榜样”(Chinese agriculture, An Experiment for the World)为题介绍了中国在增产增效研究方面的进展;2014年,在《自然》上发表了《以更低的环境代价获得更高的作物产量》一文,证明“土壤-作物系统综合管理”理论和技术可以使全国粮食产量平均增产30%以上、氮素环境排放降低50%,从而同时满足粮食安全和环境保护的国家需求,为未来高产高效农业发展指明了方向;2016年,在《自然》上发表了河北曲周科技小院四个村“自下而上(Bottom-up)、扎根农村和农业生产一线、与农民一起创新,实现县域尺度大幅度增产增效的方法和路径”。本论文是张福锁院士领导的团队2010年以来第6次在Nature/Science期刊发表的“立地顶天”的重大成果,为我国农业转型、全面实现绿色发展提供了理论、技术和实现途径。