“藏粮于地、藏粮于技”战略实施中的土壤科技问题
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耕地资源保护和可持续利用的科技发展现状及需要解决的问题
国际耕地资源保护和可持续利用研究进展
国际上自 20 世纪 90 年代提出集约化可持续农业发展规划，以提高耕地质量和水土资源利用效率，从而促进农业生产能力的稳步提升。21 世纪以来，国外发展集约化可持续农业研究在防治土壤污染、消减土壤障碍和提升土壤生物功能 3 个方面取得显著进展。
（1）土壤污染防治计划和法规。欧、美、日等发达国家从可持续规划和可持续发展的角度制定污染土壤修复计划，如美国“超级基金”计划、加拿大“国家污染场地修复计划”、荷兰《土壤保护法》和《土壤质量法令》、日本《农用地土壤污染防治法》等，防治土壤重金属污染，建立相关环境保护产业。
（2）土壤障碍消减技术和模式。美国农业部盐土实验室与澳大利亚联邦科学与工业研究组织系统研究了打破土壤障碍对耕地培肥和提升化肥养分利用效率机制，基于土壤水-盐-肥运移模型（HYDRUS 3D）提出盐碱土治理技术模式；荷兰瓦赫宁根大学建立了有效的地力分区管理策略，加拿大萨斯喀彻温大学等建立了基于小麦间歇性免耕和豆科轮作的保护性耕作体系。此外，在水土资源质量自动化监测、打破土壤障碍和水资源制约的生物化学原理、障碍土壤改良综合工程技术、土壤污染综合治理技术、农田非常规水源高效利用技术、应对土壤障碍和气象灾害的抗逆品种筛选技术以及智能化农业体系建设方面取得重要进展。
（3）土壤生物功能提升计划。近年来土壤和植物微生物组成为国际研究前沿，美国在 2010 年 8月启动“地球微生物计划”（Earth Microbiome Project，EMP），研究全球典型土壤等生态系统微生物群落的多样性及其功能，建立基因图谱（Gene Atlas，GA)；2016 年 5月又启动了“国家微生物组计划”（National Microbiome Initiative，NMI），通过政府-大学-研究所-企业的联合创新深入认知土壤、植物和水体等环境中微生物组（称为“微生物群落集合”）的结构和功能，促进微生物在农业和环境管理中的应用。在提升土壤功能方面，美国康奈尔大学、法国国家农业研究院和瑞士有机农业研究所利用C标记、高通量测序和荧光显微成像等现代分析技术深入揭示了有机农业系统和间作系统中化肥养分高效利用的土壤生物物理机制。
国内耕地资源保护和可持续利用研究进展
我国自 20 世纪 80 年代以来相继实施了“中低产田改良”“沃土工程”“高标准农田建设”等计划，揭示了中低产土壤肥力的长期变化规律，发展了地力快速提升理论与技术。近年来，在土壤结构-养分库容-生物网络功能协同提升机制、主要粮食产区农田土壤有机质演变与提升综合技术、黄淮地区农田地力提升与大面积均衡增产技术及其应用、克服土壤生物障碍的微生物有机肥及其新工艺方面取得显著进展。
针对土壤污染问题，我国在土壤环境背景值制定、污染土壤物理-化学-植物联合修复技术方面取得了显著进展，近期开展了区域治理工作。2016 年 5月国务院印发了《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”），提出在 2018 年底前查明农用地土壤污染的面积、分布及其对农产品质量的影响，建立 10 年 1 次的土壤环境质量状况定期调查制度；对农用地土壤实施分类管理，按照污染程度划分为优先保护类、安全利用类和严格管控类；以影响农产品质量的突出环境问题为重点，制定土壤污染治理与修复规划，组织开展治理与修复。
中国科学院在 2015 年启动“土壤-微生物系统功能及其调控”战略性先导科技专项，国家自然科学基金委 2017 年启动“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划，开展不同生态系统中微生物对碳、氮、磷等元素循环驱动机制和调控措施的研究。2016 年起，我国相继启动国家重点研发计划专项，包括“粮食丰产增效科技创新”“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”和“智能农机装备水资源高效开发利用”。2017 年开始立项启动“京津冀环境综合治理”科技重大工程，农业农村环境风险管控及综合治理是其中的一个重要方面。
国内土壤质量演变监测技术发展方向
我国在 20 世纪 50 年代和 80 年代开展了 2 次全国土壤普查，并长期开展了不同农区土壤肥力评价和土壤肥力演变规律的研究。20 世纪 80 年代中国科学院建立的中国生态系统研究网络和中国农业科学院的土壤肥力与肥料效应监测网，2005 年起融合建立了国家野外科学观测研究站体系，协同开展农田生态系统养分循环和土壤质量长期演变规律的研究，从土壤肥力拓展到土壤环境质量和健康质量演变研究；评价了我国农田化肥养分平衡和养分利用的时空变化特征；揭示了热量驱动的化肥养分投入和有机养分再循环对产量的增益作用；发展了典型类型土壤质量管理的指标体系、培育理论与技术体系。在国家尺度上，基于测土配方施肥数据和模型分析，建立了全国测土配方施肥数据管理平台和县域耕地资源管理信息系统并已应用于 2 498 个县，支撑了全国耕地地力评价和施肥决策。目前，针对我国耕地地力和施肥水平的多样性和复杂性，亟须在不同时空尺度上系统开展耕地地力提升与水、肥高效利用之间的关联机制研究，重点在化肥减施高潜力区开展耕地地力和水、肥资源协同管理理论、技术和调控模式研究。
土壤改良和培育技术装备发展方向
国内针对土壤酸化障碍对氮、磷养分高效利用的制约，研发了不同有机源生物炭生产和施用技术，开发了基于畜禽粪便与碱性粉煤灰或高岭土（吸附剂）“共堆肥”生产有机肥的方法和配套设施。针对盐碱土改良，建立了基于垄作、硫酸铝改良和生物肥的重度盐碱土治理技术，研发了滨海盐碱地加速脱盐、长效培肥、耐盐品种和轻简栽培的技术体系，集成了成熟的滴灌土壤水盐调控方法、咸水滴灌土壤水盐调控技术以及“滴灌+垄作+覆膜”改土利用模式。针对东北黑土耕层变薄和华北潮土砂性障碍问题，研发了以秸秆掩埋激发式快腐为核心的肥沃耕层构建技术体系。针对南方低丘岗地低产田，围绕“治水—改土—造林”链条，集成侵蚀、酸化和养分贫瘠化阻控技术和土地生产力快速提升技术，建立具有区域特色的“畜—沼—林/果/农”生态模式。但是，在高标准农田建设和土地整治设备方面，尚缺乏专业化大型深松破土装备和暗管铺设设备。
土壤污染治理与修复技术发展方向
我国近年来在土壤污染调查与风险评估、土壤污染过程与机制、修复技术与示范等方面取得了显著进展。国内开发了污染场地健康与环境风险评估软件（HERA）；研制了基于生物炭/黏土矿物/纳米羟基磷灰石/功能微生物的系列土壤修复剂；研发了重金属和有机污染土壤植物修复技术，如砷污染土壤蜈蚣草植物修复、镉污染土壤伴矿景天植物修复、有机污染土壤紫花苜蓿-根瘤菌共生原位生物修复技术等；总结形成了土壤污染治理与修复的“风险管制、分类修复、分区试点”工作思路；建立了土壤修复技术规范、工程案例和推广应用模式；在湘、赣、桂、黔、苏、浙、云、皖、豫、辽等省份建成了土壤重金属污染修复示范区，如2014 年启动长株潭耕地重金属污染修复及农作物种植结构调整国家级试点，开展“VIP+n”，即采用镉低积累水稻品种（Variety）、合理灌溉（Irrigation）、施用石灰等调节土壤酸度（pH 值），3 年实施在万亩示范片早稻达标率达到 50%。目前发展趋势是研发联合的原位修复技术、基于环境功能修复材料（纳米）的修复技术、基于设备化的快速原位修复技术、土壤修复决策支持系统及修复后评估技术等。
中低产土壤培育和养分高效利用机制和模式发展方向
国内利用同步辐射、核磁共振等技术研究了秸秆还田和保护性耕作等对土壤结构和养分库容的协同影响，发展了农田土壤有机质综合提升技术，阐明了长期施肥对基础地力提升的贡献[11]。在土壤结构体形成和养分转化供应的微生物驱动机制方面，揭示了土壤大团聚体促进复杂生物网络形成、提升氮磷供应能力的机制，以及长期施肥和外源引种下根际土壤微生物种间互营促进有机物降解与养分释放机制[12]。针对不同区域的耕层土壤退化，在东北平原黑土区提出“玉米免耕结合秸秆深埋的肥沃耕层构建技术”以应对耕层变薄问题，在华北平原潮土区建立“激发式玉米秸秆行间掩埋技术”消减土壤砂性障碍，在关中平原和渭北旱塬塿土和黑垆土区建立了小麦-玉米的“高茬还田”和“垄沟覆膜栽培”技术减缓干旱胁迫和提升土壤有机质，在长江中游红壤区发展“旱地秸秆（生物炭）-生物有机肥匹配技术”和“稻田绿肥轻简化清洁生产技术”协同控酸、扩充养分库容和生物功能，在四川盆地紫色土区构建“聚土垄作免耕-坡式梯田-有机培肥模式”破除耕层浅薄和贫瘠问题，这些中低产田改造技术的应用显著提高了养分和养分利用效率和作物产量。
目前需要针对地力提升与减肥减药的双重目标，根据不同区域气候、作物和土壤特点，加强化肥-有机肥替代的共性技术研究（秸秆还田、生物炭施用、有机肥安全利用、绿肥轮作间作），建立不同区域替代率和替代方式的标准（规程），结合小流域或区域“种—养—加”循环农业体系建设，完善耕地长效培肥的“有机质-养分库-生物功能”协同提升理论和技术模式（图 1）。
