旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的進(jìn)展、問題與啟示

許竹青，劉冬梅，馮浩

（1.中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院；2.中國科學(xué)院水土保持研究所）

我國旱地農(nóng)業(yè)區(qū)涉及冀、晉、蒙、遼、吉、黑、陜、甘、寧、新等10省區(qū)，省域面積、耕地面積分別占國土總面積、耕地總面積的近一半，邊境線長(zhǎng)度占全國陸地邊境線總長(zhǎng)的66%，糧食產(chǎn)量占全國糧食產(chǎn)量的近四成，戰(zhàn)略意義重大。該地區(qū)是我國生態(tài)屏障，但生態(tài)環(huán)境脆弱；是我國農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略基地，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低而不穩(wěn)。推進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展關(guān)系到我國糧食安全、耕地保護(hù)，關(guān)系到區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展，也是提高農(nóng)民收入、促進(jìn)共同富裕的重要內(nèi)容。

一、旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的前沿進(jìn)展

世界旱地農(nóng)業(yè)耕地面積約占世界總耕地面積的1/3，不少地區(qū)是世界糧畜供應(yīng)重地，如美國中西部大平原，澳大利亞南部和西部，加拿大中西部等等。旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況影響全球農(nóng)業(yè)發(fā)展，旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新也是全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿陣地。多年來，各國形成了各具特色的旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和制度，不少國家已步入旱地農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展階段，在土壤保護(hù)與恢復(fù)、作物育種、保護(hù)耕作、水分動(dòng)態(tài)、資源管理等方面形成了完整技術(shù)體系，不斷探索旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新前沿。

（一）圍繞生產(chǎn)力提高與生態(tài)環(huán)境保護(hù)挖掘技術(shù)潛力

干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，旱地農(nóng)業(yè)尤為注重提高生產(chǎn)力和改善生態(tài)環(huán)境同步發(fā)展，圍繞兩個(gè)方向推進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。一是“低投入、高產(chǎn)投比”的旱地農(nóng)業(yè)，主攻目標(biāo)是提高產(chǎn)投比，即盡可能壓縮投入提高單產(chǎn)，強(qiáng)調(diào)適應(yīng)自然生態(tài)環(huán)境，適用地多人少的國家或地區(qū)。研發(fā)推廣保護(hù)性耕作技術(shù)和機(jī)械設(shè)備是此類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方向，美國從20世紀(jì)60年代起就推廣保護(hù)性耕作技術(shù)，2016 年 65% 的玉米地、2017 年 67% 的小麥地均使用此技術(shù) 。澳大利亞北部90%～95%、南部 80%的農(nóng)田，加拿大 80% 的農(nóng)田都采用了保護(hù)性耕作技術(shù)模式。二是“高投入、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)”旱地農(nóng)業(yè)，主攻目標(biāo)是通過增加機(jī)械、設(shè)備、設(shè)施等的投入，提高單位土地面積長(zhǎng)期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)能力，強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)生態(tài)的系統(tǒng)性。如以色列的作物高效滴灌噴灌，荷蘭和德國大規(guī)模發(fā)展高投入高產(chǎn)出的設(shè)施農(nóng)業(yè)，將農(nóng)田單位面積生產(chǎn)力提高和資源環(huán)境治理有機(jī)結(jié)合，提高生態(tài)、生活環(huán)境質(zhì)量。

（二）重視耐旱作物育種提高作物增產(chǎn)潛力

各國高度重視耐旱作物育種，通過廣泛搜集旱地農(nóng)業(yè)品種和種質(zhì)資源，充分利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)掘優(yōu)異種質(zhì)，并創(chuàng)建符合品種改良要求的新種質(zhì)，利用常規(guī)育種方法與雜種優(yōu)勢(shì)、細(xì)胞工程、分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合，快速、高效地培育出符合現(xiàn)代糧食生產(chǎn)需要和滿足市場(chǎng)需求的節(jié)水優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種和部分超級(jí)品種。近年來國外有關(guān)植物抗旱分子機(jī)制與基因組研究高度活躍，現(xiàn)已鑒定出數(shù)百個(gè)干旱脅迫響應(yīng)基因，并獲得一定數(shù)量的轉(zhuǎn)基因植株，以先鋒德邦、孟山都、拜耳、科迪華等種業(yè)巨頭為代表的大型企業(yè)在旱作育種方面進(jìn)展快速。但是，由于作物抗旱的原因極為復(fù)雜，目前抗旱育種尚未很好解決豐產(chǎn)性、抗旱性、高水分利用率之間的矛盾，旱地農(nóng)業(yè)育種仍有很多難題有待深入研究。

（三）利用新一代信息技術(shù)推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)精確化發(fā)展

在新一代信息技術(shù)的支持下，精確農(nóng)業(yè)方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，根據(jù)田間每一操作單元的環(huán)境條件和作物產(chǎn)量的時(shí)空差異性，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各種農(nóng)藝措施、研發(fā)農(nóng)機(jī)裝備，最大限度地優(yōu)化水、肥、種子、農(nóng)藥等的量、質(zhì)和時(shí)機(jī)，以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源。精確農(nóng)業(yè)方法在旱地農(nóng)業(yè)水土監(jiān)測(cè)、水分利用評(píng)估、田間決策、風(fēng)險(xiǎn)管理等方面發(fā)揮著重要作用。如旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用激光技術(shù)調(diào)控平整灌溉地，依靠遙感、電子等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的自動(dòng)化調(diào)控，通過衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)在全國形成完整的水資源調(diào)度調(diào)控系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)化管理。以美國為例，數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)在美國中西部旱地農(nóng)業(yè)大豆、玉米等作物生產(chǎn)中已普遍應(yīng)用，助力美國成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)國。

二、我國旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新面臨的突出問題

研究表明，我國抗旱作物可行的合理開發(fā)程度是65%，但目前單產(chǎn)潛力開發(fā)程度僅為45%（梅旭榮，2021）。當(dāng)前我國旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展仍面臨育種緩慢、保護(hù)性耕作滯后、精確農(nóng)業(yè)應(yīng)用不足等技術(shù)瓶頸，暴露出我國旱地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究薄弱、技術(shù)創(chuàng)新體系不完善等突出問題，旱地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)效率有待進(jìn)一步提升。

（一）旱地農(nóng)業(yè)育種發(fā)展緩慢

旱地農(nóng)業(yè)多年來技術(shù)主導(dǎo)方向是提高水分利用效率，通過作物改良適應(yīng)干旱環(huán)境的技術(shù)方向相對(duì)滯后，旱地農(nóng)業(yè)育種進(jìn)展緩慢。通過在國家（楊凌）旱區(qū)植物品種權(quán)交易中心調(diào)研了解到，新品種大多是低水平重復(fù)，目前還沒有超越20多年前的鄭單958和先玉335。山西的晉谷21、晉麥47等代表性品種已經(jīng)20多年未更新，品種低質(zhì)化、同質(zhì)化嚴(yán)重。一些優(yōu)質(zhì)品種和材料依賴進(jìn)口，青儲(chǔ)玉米、特色玉米、鮮食玉米的種子基本來自美國，旱區(qū)經(jīng)濟(jì)作物蘋果和梨等水果的主要砧木品種均來自國外。由于抗旱性是一個(gè)十分復(fù)雜的性狀，當(dāng)前我國能適應(yīng)干旱半干旱地區(qū)環(huán)境的作物品種仍不理想，抗旱機(jī)理研究和田間應(yīng)用之間銜接不夠，亟待通過分子標(biāo)記、全基因組選擇、基因編輯、分子設(shè)計(jì)等生物育種技術(shù)，開展抗旱節(jié)水品種資源精準(zhǔn)鑒選和抗旱耐蔭突破性品種培育，并結(jié)合植物抗旱節(jié)水整體性機(jī)理研究，尋求解決提高植物整體抗旱性的新方法和新技術(shù)。

（二）尚未全面建立適宜的旱地農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作綜合生產(chǎn)技術(shù)體系

針對(duì)旱地普遍存在水資源緊缺和生態(tài)環(huán)境脆弱的特點(diǎn)，國際旱地農(nóng)業(yè)一個(gè)成功經(jīng)驗(yàn)就是：以高效用水與持續(xù)增產(chǎn)為目標(biāo)，基于綜合治理原則，尋求改善生態(tài)與提高土地生產(chǎn)力的結(jié)合點(diǎn)，建立起使兩者同時(shí)受益的保護(hù)性耕作關(guān)鍵技術(shù)體系。當(dāng)前，我國旱地農(nóng)業(yè)以少耕（免耕）、定期深松和殘茬秸稈覆蓋還田三項(xiàng)基本技術(shù)為核心的保護(hù)性耕作技術(shù)模式的應(yīng)用面積尚不到耕地面積的5%。究其原因，一是我國區(qū)域化的保護(hù)性耕作技術(shù)創(chuàng)新嚴(yán)重不足，保護(hù)性耕作技術(shù)體系仍未形成，難以支撐不同生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用需求。旱地農(nóng)業(yè)地區(qū)差異明顯，同一縣市就存在差異較大的2～3種生態(tài)環(huán)境，盲目硬推一種技術(shù)模式就可能造成減產(chǎn)。二是保護(hù)性耕作配套技術(shù)落后制約區(qū)域技術(shù)推廣。保護(hù)性耕作技術(shù)有效應(yīng)用推廣有賴于綜合生產(chǎn)技術(shù)體系，將土壤耕作與品種選擇、種植密度、施肥方式、病蟲草害防治、收獲方式相結(jié)合，加強(qiáng)配套機(jī)具升級(jí)改造的綜合研究，才能保證示范效果。

（三）精確農(nóng)業(yè)方法研發(fā)應(yīng)用不足

我國旱地精確農(nóng)業(yè)方法應(yīng)用較晚，在基礎(chǔ)研究、系統(tǒng)集成、設(shè)備應(yīng)用、示范推廣等方面均有欠缺，在智慧農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)、核心部件、作物生長(zhǎng)模型、生產(chǎn)控制軟件等智慧農(nóng)業(yè)的核心領(lǐng)域與國外差距明顯。目前國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)踐項(xiàng)目中所使用的生長(zhǎng)模型大部分來自荷蘭瓦赫寧根大學(xué)、美國加州大學(xué)戴維斯分校和普渡大學(xué)等國外機(jī)構(gòu)。在全球智慧農(nóng)業(yè)軟件市場(chǎng)中，主要以CropX，Trimble Agriculture，Raven Industries，The Climate Corporation等美國企業(yè)為主，我國企業(yè)市場(chǎng)份額很低。由于發(fā)達(dá)國家在旱地農(nóng)業(yè)精確化發(fā)展長(zhǎng)期積累所產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)、市場(chǎng)、技術(shù)等突出優(yōu)勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)突破和追趕極為困難，我國必須高度重視旱地農(nóng)業(yè)精確化發(fā)展路線，大力支持智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)應(yīng)用與推廣，實(shí)現(xiàn)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程精準(zhǔn)控制、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和建議，用數(shù)字技術(shù)提升旱地農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)生產(chǎn)效率，形成精準(zhǔn)高效的旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)方案并進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（四）基礎(chǔ)研究與設(shè)備研發(fā)相互制約

我國旱地農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)理論研究薄弱，限制了技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展。當(dāng)前我國旱地農(nóng)業(yè)藝機(jī)一體化技術(shù)缺乏，自主研發(fā)節(jié)水設(shè)備少且質(zhì)量不穩(wěn)定、技術(shù)性能差，低端節(jié)水設(shè)備產(chǎn)能過剩，高端設(shè)備依賴進(jìn)口。其重要原因是我國抗旱節(jié)水、地力培育與恢復(fù)等研究起步晚，相關(guān)基礎(chǔ)研究缺少長(zhǎng)期支持，導(dǎo)致缺少相關(guān)數(shù)據(jù)積累和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如我國水肥一體化施用技術(shù)模塊主要靠進(jìn)口整機(jī)解決，主要原因是我國缺乏養(yǎng)分循環(huán)精準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)積累。國外高度重視農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期性、持續(xù)性。美國加州大學(xué)戴維斯分?！暗谕寥乐械难h(huán)研究”持續(xù)了60年。最有名的英國洛桑國際農(nóng)業(yè)研究中心的土壤長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)研究，已持續(xù)近180年，支持英國在小麥營養(yǎng)和土壤環(huán)境等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究保持領(lǐng)先。與此同時(shí)，設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)的滯后，也在工具層面限制了旱地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的持續(xù)深入。

（五）我國旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系不完善

當(dāng)前我國旱地農(nóng)業(yè)單項(xiàng)技術(shù)研究成果較為豐富，但技術(shù)尚未形成體系，技術(shù)之間配套弱。與干旱半干旱地區(qū)相關(guān)的楊凌、晉中國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，在推動(dòng)北方旱作區(qū)域共性技術(shù)研究聯(lián)網(wǎng)和區(qū)域綜合模式集成等方面有所欠缺。企業(yè)尚未成為旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新主體，涉農(nóng)企業(yè)“小、散、弱”現(xiàn)象突出，龍頭企業(yè)輻射帶動(dòng)能力不強(qiáng)，農(nóng)業(yè)企業(yè)創(chuàng)新能力不足，核心競(jìng)爭(zhēng)力弱。旱地農(nóng)業(yè)科技成果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展落后，旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)示范推廣對(duì)全國旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展引領(lǐng)帶動(dòng)不足，未能形成集成化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，對(duì)不同地區(qū)旱地農(nóng)、牧、草、畜、經(jīng)多產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展支撐不足。

三、我國旱地農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展思路和重點(diǎn)舉措

當(dāng)前，我國旱地農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵變革時(shí)期，相關(guān)改革和扶持舉措必須形成與國家戰(zhàn)略的密切聯(lián)動(dòng)，創(chuàng)新旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展路徑，增強(qiáng)交叉融合創(chuàng)新和信息技術(shù)應(yīng)用能力，在旱地農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和重要領(lǐng)域取得突破。為此，建議在組織保障、項(xiàng)目支持、體系建設(shè)、國際科技合作、農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)化等方面加強(qiáng)政策支持。

（一）強(qiáng)化省部聯(lián)動(dòng)及多方協(xié)作

建議成立旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新部省聯(lián)動(dòng)小組，探索合作共享機(jī)制，通過整合科研資源、推進(jìn)平臺(tái)共享、建設(shè)飛地園區(qū)和示范推廣基地等方式深化創(chuàng)新協(xié)作。盡快出臺(tái)支持旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見，聯(lián)合專家建立我國旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，高位推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展。

（二）加大對(duì)旱地農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目及平臺(tái)的支持

圍繞旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展需求設(shè)立國家重大科技專項(xiàng)。保持旱地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的連續(xù)性，支持圍繞旱地農(nóng)業(yè)土壤、水、營養(yǎng)、微生物等方面開展長(zhǎng)期性研究，為后續(xù)相關(guān)研究開發(fā)提供理論支撐。鼓勵(lì)多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，加強(qiáng)旱地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究，推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作綜合生產(chǎn)技術(shù)體系建設(shè)，支持旱地農(nóng)業(yè)精確農(nóng)業(yè)方法研發(fā)與技術(shù)裝備集成示范，加強(qiáng)旱作機(jī)械設(shè)備研發(fā)。建議謀劃旱地農(nóng)業(yè)國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，建設(shè)功能農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建立旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)示范區(qū)和實(shí)驗(yàn)基地。

（三）發(fā)揮農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)在旱地農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系中的核心作用

加強(qiáng)創(chuàng)新體系建設(shè)，以國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)為核心整合旱地農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資源，多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)開展技術(shù)示范推廣和試驗(yàn)，分區(qū)域構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合的旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)體系和模式。以楊凌國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)為核心，聯(lián)合晉中國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)及農(nóng)業(yè)高新技術(shù)企業(yè)、科研院所、地方有關(guān)單位，建立旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展科技創(chuàng)新聯(lián)盟，開展關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。支持旱地農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)在國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)進(jìn)行研發(fā)、試驗(yàn)、集成和示范。推動(dòng)建立保護(hù)性耕作綜合生產(chǎn)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)土壤保持、節(jié)水增碳、生產(chǎn)力持續(xù)提升等重要農(nóng)業(yè)目標(biāo)?？紤]在適宜地區(qū)設(shè)立國家旱地農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)，以旱地農(nóng)業(yè)耕地保護(hù)和精確農(nóng)作為導(dǎo)向，以智慧農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)、節(jié)水灌溉等技術(shù)為重點(diǎn)，發(fā)展、完善與整合旱地農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)體系，開展產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新示范。

（四）深化旱地農(nóng)業(yè)國際科技創(chuàng)新合作

積極拓展旱地農(nóng)業(yè)國際合作空間，鞏固與大國的農(nóng)業(yè)合作，加強(qiáng)在旱地農(nóng)業(yè)土壤保護(hù)、節(jié)水灌溉等領(lǐng)域的科研交流與合作，更好實(shí)現(xiàn)互利共贏。加強(qiáng)旱地農(nóng)業(yè)國際科技合作平臺(tái)建設(shè)，充分利用上海合作組織農(nóng)業(yè)技術(shù)交流培訓(xùn)示范基地、楊凌“一帶一路”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)國際合作中心等機(jī)構(gòu)，推動(dòng)優(yōu)勢(shì)科技資源雙向流動(dòng)，以開放合作推動(dòng)自主創(chuàng)新。聚焦基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、前瞻性旱地農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)，加強(qiáng)與旱地農(nóng)業(yè)科技強(qiáng)國、“一帶一路”沿線國家的聯(lián)合攻關(guān)，加快補(bǔ)齊短板，突破瓶頸。搭建“一帶一路”旱地農(nóng)業(yè)科技成果共享平臺(tái)、技術(shù)成果轉(zhuǎn)移交易平臺(tái)等。支持科技企業(yè)參與旱地農(nóng)業(yè)科技對(duì)外合作，幫助企業(yè)篩選先進(jìn)適用成果。