现代农业科学学院

本文节选自《中国科学院院刊》2021年第3期“战略与决策研究”   

原文标题《我国边际土地产能扩增和生态效益提升的途径与研究进展》

1  中国科学院种子创新研究院  遗传与发育生物学研究所 

2  中国科学院南京土壤研究所 

3  中国科学院东北地理与农业生态研究所

我国人均耕地资源缺乏，2016 年我国耕地总面积为 20.3 亿亩，人均仅 1.3 亩，且每年持续减少约 99 万亩。2020 年我国进口粮食总量达 14262.1 万吨，其中大豆为 10032.7 万吨，相当于向国外延伸了 7.76 亿亩耕地的产能（按 2019 年我国大豆平均亩产 129.3 千克计算）。

预测 2030 年我国 3 种主要谷物（水稻、小麦、玉米）自给率为 90%，大豆为 39%，油料为 60%。因此，保障我国未来粮食安全需要兼顾现有耕地产能提升和后备耕地资源合理开发利用。

边际土地是保障我国粮食安全的战略后备耕地资源。边际土地是指在强烈的土壤障碍因子限制、水热资源约束或地形条件局限下，农业产能和经济效益低下、生态脆弱的土地。

我国的边际土地总面积约 11.7 亿亩，包括尚未开发的耕地后备资源（8.5 亿亩）和现有低等耕地（3.2 亿亩），其限制因子包括气候条件（干旱、寒冷）、地形条件（海拔高、坡度大）、土壤条件（土层浅薄、盐分高、酸度大、有机质低、养分瘠薄）、资源条件（缺乏灌溉）等。

图1  我国典型边际土地分布区示意图

其中，盐碱土、风沙土、黄绵土、红壤、紫色土等 5 大类边际土壤总面积约 3.376 亿亩，主要分布在南方丘陵区（1.548 亿亩）、黄土丘陵区（0.347 亿亩）、北方沙地区（0.445 亿亩），半干润区和西北干旱区（0.8576 亿亩）、黄河三角洲滨海盐碱区（0.179 亿亩）（图 1 和表 1）。

表1  我国边际土地省份分布面积及障碍因子

然而，我国现有耕地质量提升技术及现有耐逆品种不足以支撑边际土地的改良和生态利用，需要协同突破边际土地的改良工程体系与农作物育种技术体系。

提升边际土地产能和生态效益的重要意义

我国存量耕地多处于高强度利用状态，现有 6.3 亿亩高产田进一步提升产能的空间不断收窄，难度不断加大。边际土地可作为我国平抑耕地和粮食缺口的战略应急资源。

边际土地中的 3.2 亿亩低产耕地，目前标准粮产量低于 200 千克/亩，经改造培育提升后产量达到 300 千克/亩，可增加粮食产能 0.32 亿吨；边际土地中易开发的 3.4 亿亩后备耕地资源加以合理使用，可提供粮食生产潜能 0.68 亿吨（按低等地产能计算）。两者合计约 1.0 亿吨，能够弥补我国粮食缺口，在国家粮食充裕时可藏粮于地，而在国家粮食短缺时恢复产能。

我国边际土地主要特点是土壤障碍强烈（如土层浅薄、盐分含量高、酸碱性强、风蚀水蚀严重、极度干旱等），治理难度大，开发利用的生态环境风险高，但潜在的产能提升空间大。

建立突破边际土地极端限制因素、扩增边际土地产能效益的理论与技术，一方面能够为低产耕地改造、产能提升提供理论和技术支持，发挥“藏粮于技”的效果，提高我国粮食、油料等农产品的自给率；另一方面能够为后备边际土地资源应急启用建立明确的开发目标和成熟的技术模式，发挥“藏粮于地”的战略支撑作用。

一方面，边际土地主要分布在贫困落后地区，这里农民人均收入低、增收难度大，是国家精准扶贫的重点区域。边际土地适宜生产特色农产品，涵盖粮油棉麻、瓜果蔬菜、茶叶烟叶、花卉苗木、中药材、林产品等；同时，也适宜发展草牧业等种养新模式。

例如，在北方地区种植甜高粱、羊草和苜蓿等，在南方草山草坡种植优质牧草等，将边际土地对农作物生产的劣势变为发展牧草种植的优势，建立起与土地资源环境承载力相匹配的生态农业新格局。通过改良边际土地，提高单位产能和经济效益，进而加快推进区域互联网+农业特色产业链的发展，将带动农民留乡创业和持续增收。

另一方面，一些边际土地分布于生态脆弱的山地丘陵和干旱区，易受水土流失、干旱、风灾等自然灾害影响，土地资源利用效率低，这是制约我国农业绿色发展和农村生态环境建设的薄弱环节。

通过发展边际土地的集约开发理论，集成边际土地的资源节约、环境友好和生态保育技术模式，遵循乡村发展顺应自然规律，推进发展现代农业、传承传统文化和保护绿水青山有机融合，带动生态与休闲农业发展，使农村成为农民幸福生活的美好家园，助力乡村振兴。

关于未来我国边际土地产能和生态效益提升的建议

边际土地产能扩增和生态效益提升行动属于支撑国家“藏粮于地”发展战略的公益性计划。由于我国边际土地分布区域广、改造面临的问题多、投资需求大、管理复杂，该行动涉及农业农村、自然资源、生态环境、水利、科学技术等多个部门，亟待多部门的协同组织管理。

建议由自然资源部、农业农村部、科学技术部和国家乡村振兴局等共同牵头，根据国家发展总体战略和区域发展重点需求，制定边际土地产能扩增和生态效益提升行动方案，充分发挥我国“边际土地”资源生态利用潜力。

针对分布于生态脆弱的山地丘陵和干旱区的边际土地，其产能扩增和生态效益提升行动需要坚持生态优先与绿色发展原则，兼顾经济合理性与综合效益最大化，以问题为导向进行统筹规划与综合治理。

基于区域山水林田湖草生态系统的整体性、系统性和动态性演变规律，综合考虑相对完整的自然地理单元和行政区划，合理确定边际土地治理工程实施范围和规模。

综合运用科学、法律、政策、经济和公众参与等手段，统筹国家乡村振兴战略规划行动、高标准农田建设与山水林田湖草生态保护项目的资金，以财政投入引导社会资金投资，以股份合作制、专项补贴、资金配套和贷款贴息等多种形式投资治理工程，集成工程技术与生物技术进行系统性治理，促进边际土地的可持续利用。

我国在“十三五”期间启动了与边际土地相关的重点研发项目，包括七大农作物育种、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、典型脆弱生态修复与保护研究、水资源高效开发利用、智能农机装备等。

这些任务中关于边际土地的研究相对分散、针对性和系统性不足，建议设立“边际土地”专项任务，系统性突破我国边际土地产能扩增和生态效益提升的理论和技术模式，促进边际土地相关学科的融合发展。边际土地综合治理研究涉及耕地质量建设、生态环境修复、作物分子育种等多个学科，理论和技术“瓶颈”的突破难度大，亟待联合中国科学院、中国农业科学院，以及相关高等院校和各部门的科研系统，组建多学科队伍协同攻关。

“边际土地”专项任务的研究重点是以培育和挖掘我国大面积边际土地的生产潜力和生态效益为出发点，制定边际土地治理区划，研发边际土地水肥协同利用与障碍调控技术，突破植物根系微生物组装配技术，构建连片分布边际土地的“藏粮于地、藏粮于技”技术模式。

边际土地治理区划

以我国不同类型、成片分布的边际土地为重点对象，基于天空地一体化立体调查、联网定位试验、分子生物学和现代分析方法，明确我国不同类型边际土地发生、分布规律及特征、障碍因子致障阈值及障碍程度，建立边际土地清单，评价开发潜力、生态风险和生态经济效益，制定边际土地保护和治理区划。

边际土地水肥协同利用与障碍调控技术

针对边际土地不同障碍类型，筛选和选育抗逆适生作物品系（种），揭示其形态、生理、生化、分子机理与机制；针对生态脆弱区的干旱、盐碱、侵蚀胁迫，阐明边际土地 GSPAC 水分、盐分、养分迁移转化和作物利用原理，研发边际土地水、肥协同利用与障碍调控技术，建立水、热、风、生态资源的利用、保护与产能增效的协同发展机制。

植物根系微生物组装配技术

在选育耐逆品种和消除土壤障碍的同时，发展沃土生物群落构建理论和生物多功能调控技术，揭示微生物-植物-土壤互作关系，筛选适应植被演替、促进植物抗逆境胁迫的功能菌株，突破植物根系微生物组装配的关键技术难题。

连片分布边际土地利用模式

聚焦黄河滩地和滨海盐土、东北苏打盐碱土、西北内陆盐碱土、南方低山丘陵红壤、西南紫色土、西北黄绵土，集成耐逆品种、水热资源高效利用技术、土壤障碍消减技术，以及植物-微生物-土壤互作培肥技术，构建边际土地分类利用技术模式，为我国开展大面积边际土地改造、实施“藏粮于地”和乡村振兴战略提供可资借鉴的示范样板。

图2  滨海盐碱地“上覆- 中阻- 下排” 长效控盐技术体系

例如，针对黄河三角洲滨海盐碱地，基于 GSPAC 系统水盐运移机制，提出雨养条件下滨海盐碱地亚淡化原理，建立滨海盐碱地“上覆-中阻-下排”长效控盐技术体系（图 2）。集成微域地形改造、咸水灌溉和种养技术，建立滨海盐碱地生态农场模式（图 3），在坡顶建立咸水灌溉经济植物模式，引种枸杞、金银花、蔬菜海马齿、海滨木槿、罗布麻等；在坡面建立喷灌-生物降盐牧草种植模式，开沟喷灌种植羊草、碱茅、田箐等耐盐植物，配合接种根瘤菌、高效纤维素降解菌等沃土微生物，施用聚谷氨酸等促进田菁生长降盐；在水域建立生态牧场种养集成模式，引种观赏性和净化功能的水生植物（如萍、菹草、睡莲、藨草、水葱、香蒲等），养殖适宜微咸水环境的鱼类（如鳜鱼等）。

结语

我国的边际土地总面积约 11.7 亿亩，包括尚未开发的耕地后备资源区（8.5 亿亩）和现有低等耕地分布区（3.2 亿亩）。边际土地是保障我国粮食安全的战略后备耕地资源，但由于土壤障碍限制、水热资源约束或地形条件局限，导致生态脆弱、农业产能和经济效益低下。

突破边际土地水土资源约束技术和培育适生抗逆品种仍然存在“瓶颈”，需要聚焦黄河滩地和滨海盐土、东北苏打盐碱土、西北内陆盐碱土、南方低山丘陵红壤、西南紫色土、西北黄绵土，围绕作物-微生物-土壤互作机制与功能提升技术，协同研究作物抗逆机理与抗逆种质资源、水热资源高效利用机理及调控模式、土壤障碍发生与地力培育机理及技术，系统性突破我国边际土地产能扩增和生态效益提升的理论和技术模式。

总体上，实施边际土地产能和生态效益协同提升行动，对于贯彻落实中央一号文件，解决耕地总量不足和质量偏差问题，推进乡村振兴，以及促进新农村生态文明建设具有重要战略意义。发展边际土地产能-生态效益协同提升理论和分类分区治理技术模式，可以从理论、技术、示范 3 个维度有力支撑“藏粮于地、藏粮于技”战略实施，落实习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”理念，推动形成绿色发展生产方式和生活方式，为夯实国家粮食安全的坚实基础提供重要保障。

在土壤质量演变机制和调控方面积累了深厚的理论基础

中国科学院长期开展农业可持续发展和耕地保育理论和技术研究，先后承担实施了“973”项目“土壤质量演变规律与可持续利用”“我国农田生态系统重要过程与调控对策”和“粮食主产区农田地力提升机理与定向培育对策”等，以及国家基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”，开展了“土壤-微生物系统功能及其调控”专项研究。

针对南方低山丘陵红壤区、黄淮海平原沙性潮土区、东北平原黑土区、华东滨海盐碱土区，在土壤发生和系统分类、土壤质量形成机制、土壤肥力和生物功能、肥料高效利用和植物营养原理方面开展了系统性研究，建立了我国土系数据库，揭示了不同管理措施下黑土、潮土、红壤和水稻土质量的演变规律；通过对我国主要农田生态系统养分和水分循环过程的长期定位和联网研究，建立了不同气候区农田有机养分再循环增产增效调控技术；研究了中低产田障碍因子消减与地力修复机理、促进高强度利用农田地力提升的土壤培育和生物调控机制，建立了高强度利用下土壤团聚体-有机质-微生物协同提升地力原理和技术；“黄淮地区农田地力提升与大面积均衡增产技术及其应用”和“我国典型红壤区农田酸化特征及防治关键技术构建与应用”，分别获 2014 年和 2018 年度国家科技进步奖二等奖。

在农田土壤微生物分布、促进养分循环机制和生物培肥技术方面取得一批新成果

阐明了我国主要农田、森林、草地生态系统土壤微生物的组成与格局，解析了土壤碳、氮、磷循环的微生物调控机理，揭示了农田土壤地上-地下生态系统协同作用和调控机制，形成了土壤微生物功能研究的技术体系。识别了典型旱地土壤和水稻土的核心功能微生物组成，证实了温度促进微生物演替的“代谢理论”机制。在区域尺度上发现不同土壤生物（细菌、真菌、原生动物和线虫）的体型大小与丰富度、扩散速率和生态位宽度负相关，较大体型的生物群落构建趋向确定性过程。提出瘠薄土壤大团聚体生物培肥理论，发现红壤食细菌线虫对选择性捕食微生物提升生物网络的固碳、促氮、调磷功能；揭示了低产潮土长期施用有机肥促进具有丰富代谢多样性的 Bacillus asahii 成为“领军者”，促进潮土有机质累积和磷素循环；发现大豆根构型和外源根瘤菌协同调控了根际微生物网络结构，接种根瘤菌提高大多根际有益微生物丰度。

研究方向：边际土地关键土壤障碍演变机制和快速消减原理

目前，需要在不同时空尺度上全面揭示边际土地的关键土壤障碍演变机制和快速消减原理，揭示逆境条件下土壤生物群落结构形成的环境筛选过程、物种竞争生态位过程和随机过程；深入研究不同活性的有机物（包括稳定性腐殖质类物质）在土壤生物活跃区（根际、团聚体）重组、优化和驯化土壤功能生物的机制，研发土壤生物菌剂和配套定殖措施，集成边际土地养分高效利用的生物调控措施。

选育了一批耐逆适生的作物品种

中国科学院实施了“分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项，在分子模块设计育种方面，开展了水稻、大豆、小麦、玉米等高产、稳产、优质、高效性状的分子模块解析，在水稻中解析了粒宽分子模块 GW7 与 GW8，粒长粒宽分子模块 GLW7/OsSPL13、耐冷分子模块 COLD1、抗病分子模块 Pigm、氮高效利用分子模块 NITR1.1。在水稻高产优质协同改良、感受与抵御低温、广谱持久抗稻瘟病与产量平衡、氮高效利用、高产性状杂种优势机制等方面取得了重要成果，“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”获 2017 年度国家自然科学奖一等奖。

深入开展了植物逆境生理和功能基因组学研究

解析了水稻、小麦、玉米、高粱、芒草等对盐碱、干旱、酸性、贫瘠等逆境的响应和适应机制。发现水稻 osa-miR1848 通过调控靶基因 OsCYP51G3 的表达影响植物甾醇和油菜素内酯的生物合成，参与调解水稻生长发育及盐胁迫响应。揭示了中国特有芒草种南荻通过改变寒冷和干旱胁迫响应基因的表达，提高光合和水分利用效率；通过调节胁迫和光合相关基因的表达，响应盐胁迫。发现水稻耐铝和不耐铝品种分别偏好铵态氮和硝态氮，而控制水稻耐铝和氮素利用的一些遗传位点位于染色体相同区域，为协同调控提供了可能途径。

探讨了植物微生物群落组装技术

深入研究了微生物协助作物抵抗盐碱、干旱、病害胁迫的机制，探讨了植物微生物群落组装技术。发现适应高盐环境的碱蓬根系细菌基因组中富含大量抗盐相关的基因，并能帮助其他植物耐盐。揭示了脂肪酸是植物为菌根真菌提供的主要营养形式，发现 RAM2 和 STR-STR2 蛋白参与脂肪酸转运过程，通过降低植物脂肪酸合成可以抑制白粉病病原真菌的致病性。解析了植物 PRR 免疫受体识别病原微生物的机理，发现重要模式识别受体 CERK1 通过胞外 LysM 结构域二聚化完成对真菌细胞壁组分长链几丁质多糖的感应，使其胞内激酶结构域磷酸化并激活下游防卫反应信号通路。利用改进的高通量微生物培养技术从拟南芥中分离出近 8000 个细菌，揭示了拟南芥三萜类化合物对根系微生物组的调控规律。发现籼稻根系比粳稻根系富集更多参与氮循环的微生物类群，揭示了水稻通过 NRT1.1B 调控根系具有氮转化能力的微生物，影响籼粳稻田间氮肥利用效率。

研究方向：边际土壤逆适生品种与微生物组匹配技术

目前，亟待利用 GWAS、RNA-Seq 和代谢组（含植物激素）分析等研究方法，全面开展对高耐盐水稻资源（如耐盐 0.5%—0.6% 的“海稻 86”），以及偃麦草与小麦远缘杂交形成的系列小偃麦种质的耐盐基因鉴定和应用；深入解析水稻耐酸抗铝与养分高效利用之间协同调控机制，揭示玉米和小麦干旱信号传递过程与生长发育之间的耦联机制，以及提高水分利用效率的机理。全面开展水稻、小麦、玉米根系促进作物抗逆的关键微生物识别，深入研究不同逆境下植物基因型与微生物间互作对根系微生物组结构的调控机制，建立适合边际土壤逆境的植物微生物组的组装技术。通过增强植物的适生抗逆能力，挖掘边际土地生产潜力。

集成盐碱地改良和抗逆作物品种技术，建立和示范了渤海粮仓增产增效技术模式

环渤海低平原区有 4000 多万亩的中低产田和 1000 多万亩的盐碱荒地受淡水资源短缺和土壤瘠薄盐碱制约。为实现 2020 年增产 500 万吨粮食潜力，科学技术部、中国科学院联合河北省、山东省、辽宁省、天津市于 2013 年实施了“渤海粮仓科技示范工程”，以扩面积、增单产、水保障作为工程实施核心，以增粮拓棉作为实施重点，发展现代高效粮食产业，建成“渤海粮仓”。

示范工程构建了适水灌溉制度，配套了农田多水源高效利用技术。利用该项技术成果，河北环渤海低平原可实现地下水压采目标下的粮食生产能力提升 327 万吨。示范工程选育了一批耐盐高产的小麦和玉米品种，如小偃麦品种“小偃 81”和“小偃 60”分别适宜在含盐量 0.2% 和 0.3% 以下的中轻度盐碱地种植，并且“小偃 60”比对照品种“冀麦 32”平均增产7.9%—11.4%。示范工程审定了“海柽 1 号”“盐杞”和“海杞”等耐盐植物品种，研制了系列盐碱地肥料与改良剂，发明了咸水冬季结冰灌溉改良盐碱地的方法，构建了盐碱地微域调控降盐耕作栽培技术体系，形成了盐碱地水稻种植技术体系，全面支撑了滨海盐碱地改良和地力提升；其中，“滨海平原盐碱地适生种植技术集成研究与示范”获 2015 年度河北省科技进步奖一等奖，“苏打盐碱地大规模以稻治碱改土增粮关键技术创新及应用”获 2015 年度国家科技进步奖二等奖。

在此基础上，开展了农牧结合循环农业模式研发，初步构建了互联网+渤海粮仓，为环渤海发展现代农业服务业奠定了基础。“渤海粮仓科技示范工程”已在河北、山东、辽宁、天津的 70 余县市建立示范区 90 多个，示范推广 8016.7 万亩，累计推动区域增粮 1047 万吨，增效 186.5 亿元，节水 43.5 亿立方米；形成了院-部-省联动的协同推进机制和政府引导、科技支撑、企业和专业合作社主体、农民参与的示范推广机制，带动了种业、加工业、畜牧养殖业和现代农业服务业的发展。

研究方向：盐碱地绿色高效开发利用模式

盐碱地是我国主要的边际土地类型，分布跨越东部沿海湿润区到西北干旱区。不同区域盐碱地水盐运动复杂多样，需要分区探明盐碱地在多水源灌溉利用过程中地下水-土壤-植物-大气连续体（GSPAC）系统水盐运移与气候条件和作物生长发育间的关系，研究植物适应盐渍环境的生理生态机制，深入研究不同类型盐碱地开发利用过程土壤水盐和养分的协同迁移和平衡，研发盐碱地低成本、规模化的咸水灌溉技术，建立持续控盐和绿色高效盐碱地开发利用模式。