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10年发表6篇Nature/Science等, 中国农大张福锁课题组在农业生产实践研究中取得重大突破!

Iplants 2020年10月22日 报道 浏览次数:

今天我们公众号iPlants关注来自中国农业大学张福锁课题组,该课题组一直从事植物营养与养分管理理论与技术研究工作,在植物根际营养理论、农田和区域养分管理技术创新与应用方面取得了系统的创新性成果,这一系列研究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,真正的将论文写在大地上!

我们公众号查询该课题组在Science、Nature、Nature Plants 和 PNAS等国际著名刊物上发表论文300余篇,其中包括1篇Science (2010)和5篇 Nature(2013,2013,2014,2016,2018)等高水平通讯文章。其中有20篇论文评为高引文章。此外,从Google学术中查看得知,张福锁院士的总引用量是54938,2015年来的引用量是37144。H指数是118,近五年的H指数是92,一直有入选高引科学家榜。

张福锁课题组代表作解读:

1. 2018年3月7日,Nature杂志在线发表来自中国农业大学崔振岭教授、张福锁院士等课题组合作题为“Pursuing Sustainable Productivity with Millions of Smallholder Farmers”的研究论文,该研究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。

本研究创新建立了“从生产中来,到生产中去”围绕生产限制因子,与农民一起开展既适合当地情况又瞄准国际学术前沿——“立地顶天”的科研思路。研究人员针对生产问题,在田间地头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10年,研究团队在我国小麦、玉米和水稻三大粮食作物主产区开展了13123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%)。研究团队首次证明,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。

创建以扎根农村的“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是本研究的另一个关键创新。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1152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。在此期间,共开展和组织了14000多个培训班、21000多个田间日活动、6000多场田间现场观摩会,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。在科研人员和广大农户的共同努力下,从2006到2015年,绿色增产技术累计推广3770万公顷,增加粮食生产3300万吨,减少氮肥用量120万吨,增收节支793亿元。

科研人员对我国1944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用量相当,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8240万吨,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2340万吨。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。

2. 2016年9月4日,Nature杂志在线发表了来自中国农业大学张福锁课题组题为“Closing yield gaps in China by empowering smallholder farmers”的研究论文。该研究由14名研究人员经过8年合作研究完成,揭示了科技小院让中国农民实现增产增效。

受知识不足、信息和资源缺乏、服务支撑不够、土地产权制约、抗风险能力差等一系列问题困扰,科技进步难以转化为农户的生产力和农民收益,这不仅是我国农业发展面临的巨大挑战,也是全球小农户生产转型的最大难题。

该研究的科技人员长期扎根基层、在农村建立科技小院,与农民共同剖析限制因素,因地制宜创新集成增产增效技术;他们以科技小院为平台,整合科研机构、政府和市场多方力量和资源,探索提升农民科学种田水平和大面积实现区域增产增效的技术途径和组织模式。创新的科技小院模式不仅对确保国家粮食安全和生态环境安全、推进我国农业转型具有重要意义,而且对小农户为主的其它发展中国家(如印度、东南亚、非洲等)都有广泛的借鉴作用。

河北曲周曾是有名的盐碱滩,经过老一辈科学家的艰苦努力实现了粮食自给,但在新时期如何进一步实现绿色增产和农民增收仍面临巨大挑战。科技小院师生驻扎乡村后,与曲周农民同吃、同住、同劳动,发现农民农业生产中的实际问题,并有针对性地进行科技指导和技术示范。统计数据显示,当地农户的作物产量和氮肥生产效率最初仅为高产高效试验基地的63%和57%,科技小院入住五年后,曲周农民农业知识水平大幅提高,高产高效技术采用率从2009年的17.9%提高到了53.5%,2009至2014年,全县粮食单产实现了试验基地产量水平的79.6%全县粮食总产增长了37%,养分效率提高20%以上,农民收入增长了79%,曲周一跃成为全国粮食生产先进县。

曲周的上述转变是依托科技小院应用“土壤-作物系统综合管理”理论和技术实现的。师生们通过产量差分析、农户参与式技术创新、农户组织模式创新与技术扩散途径创新等手段,系统破解了小农户增产增效的关键限制因素,集成创新了适合当地条件的增产增效技术,找到了农户大面积应用技术的有效途径。例如,国内外已有的研究发现影响小农户产量差的因素多达20多个,基本上无法定量,也没有破解的成功案例。但科技小院师生经过驻村研究后发现,小麦玉米全生育期十项关键技术都对产量差的贡献超过5%,包括品种、播量、播期、施肥、灌溉、收获日期、整地技术等等,但没有一项是决定性的,因此必须采取技术集成与综合管理才能解决问题。

然而这些技术不仅知识集成度高而且采用程度还受制于特定的社会经济因素,如小麦深耕有助于提高土壤水肥供应能力,但深耕机械宽4米,而农户地块一般仅6米宽,机械跑一趟耕不完,跑两趟不划算,限制了农户采用。还有很多因素限制技术的采用,如灌溉资源配置机制制约了玉米适期播种、农资市场不规范制约了优良品种和适宜肥料的选择、农民兼业化影响了玉米晚收和小麦适期播种。在生产一线的研究证明只有当科技人员置身于小农户当中时才能及时发现这些问题和定量这些复杂因素的影响,然后与农民一起解决这些问题。

为了破解各种技术应用的制约因素,科技小院引导农户结合实际情况开展了大量的参与式技术创新,发现与农户一起进行技术创新是提高技术适用性和综合效益的关键举措,例如农户采用小院推荐的深耕技术后增加了镇压,不仅减少一次浇水,每亩节省50多元钱,还降低劳动力投入。这样的参与式技术创新还有很多,农民在小院提供的播量、播期等技术上也进行了不少改进,修改后的技术更适合当地农户生产实际,简便易行且效益提高。2009年至2014年五年中,共有71个科技农户进行了608组技术优化试验,统计结果表明:农户修改后的技术体系可以达到试验基地产量水平的97%,而成本收益率和劳动力效率均提高了43.8-195.8%。

绝大部分农户受教育程度低、对技术理解不够、接受能力差制约了技术的大面积应用,科技小院建立了“提升农户兴趣-强化信息传播-建立农户信任-实时决策咨询”的新型技术扩散途径。逐步破解了传统技术扩散方式中农户不感兴趣、看不到、看不懂、记不住、不能用的关键瓶颈,例如通过在村里开展舞蹈、识字班等文化活动培育了与农户的信任度,大量示范和竞赛激发了农户兴趣,小院在村头建立科技长廊、农户家里发放科技日历解决农民看不到技术信息的问题,通过大范围培训解决农户看不懂的问题,通过实时咨询解决农户记不住的问题。

地块狭小、分散经营更是技术应用的老大难问题,科技小院创建了“土地不流转,也能规模化”的大方操作模式。通过让30-40户土地连片的农户组织起来,采取统一的“大方操作”方式既解决了机械操作和适时灌溉等硬件制约问题,而且还通过统一实施测土配方施肥、统一购置农资、统一租赁农机为农户每亩降低了40多元成本,提高了技术采用标准化。针对农资市场不规范、公共服务体系不健全的问题,科技小院与政府和企业建立了自主参与的多元化服务体系,如政府针对深耕推广困难的问题设立了每亩30元补贴,政府用专用肥等标签区分了科技产品与普通产品,帮助农户正确选择,科技效果及时传播给企业也带动企业生产适合区域性需求的产品、提供农民需要的服务,保障了技术大面积到位。
  《自然》杂志执行编辑和评委对此文予以高度评价,国际小农户可持续发展研究专家Giller教授对科技小院这种扎根农村助推农户增产增效的创新模式感到无比兴奋,他认为这是迄今为止国际上关于大面积推动小农户增产增效的典型成功案例,是全球提高粮食产量、减少环境污染的重要途径。国际产量差研究发起者之一的Van Ittersum教授认为科技小院在大规模改变小农户生产方式方面取得了突破性进展。

3. 2014年9月4日,Nature杂志在线发表了来自中国农业大学张福锁课题组题为“Producing more grain with lower environmental costs”的研究论文。该研究由全国18个单位的33名研究人员合作完成,通过大量田间试验数据,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。

当前,全球农业正面临粮食增产速率明显变缓及资源环境代价越来越高的双重挑战。我国粮食生产的资源环境代价有多大?未来粮食增产的潜力多大?是否可以保障国家粮食安全?未来粮食增产能否以更低的资源环境代价来实现?这是未来农业发展急需回答的问题。

该研究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,建立了土壤-作物系统综合管理的理论与技术。过去五年内,课题组在我国三大粮食作物主产区实施了共计153个点/年的田间试验,以大样本的田间实证研究来回答我国未来粮食增产的潜力及资源环境代价。研究发现,土壤-作物系统综合管理使水稻、小麦、玉米单产平均分别达到8.5、8.9、14.2吨/公顷,实现了最高产量的97-99%,这一产量水平与国际上当前生产水平最高的区域相当。研究证明,土壤-作物系统综合管理在大幅度增产的同时,能够大幅提高氮肥效率。课题组通过Mata Analysis建立了我国小麦、玉米、水稻等三大粮食作物活性氮损失的定量模型和生命周期循环(LCA)分析方法,分析表明土壤-作物系统综合管理的环境代价大幅度降低。到2030年,我国农业只要在保持2012年种植面积的基础上,实现这一产量水平的80%,就不仅能保证直接的口粮消费、而且保证不断增长的饲料粮需求。同时可减少活性氮损失30%、减少温室气体排放11%。

4. 2013年2月28日,Nature杂志在线发表了来自中国农业大学张福锁课题组题为“Enhanced nitrogen deposition over China”的研究论文。该研究系统揭示了过去30年(1980~2010)来我国氮沉降动态及其与人为活性氮排放的关系。

研究结果表明,从1980年至2010年中国陆地生态系统氮素沉降显著升高,从1980年代每公顷年均13.2公斤氮增至2000年代21.1公斤氮,增幅约8公斤/公顷,比1980年代高60%;并以人口相对密集和农业集约化程度更高的中东部地区(华北、东南和西南)的氮素沉降量和年增幅显著高于人口密度相对较低和氮肥及其他人为活性氮排放相对较低的东北、西北和青藏高原地区。目前我国中东部地区(尤其是华北平原)的氮素沉降量已经高于北美任何地区氮素沉降量,与西欧上世纪80年代(采取大气活性氮减排措施/政策之前)氮沉降高峰时的数量相当。研究还发现,从1980年代至2000年代,同样在长期不施氮肥条件下农田生态系统水稻、小麦和玉米三大粮食作物的吸氮量平均增加16%,而非农田生态系统木本、草本和所有物种的叶片含氮量平均增加33%;而同时期的植物叶片含磷量没有发生显著改变,指示土壤环境保持相对稳定,氮素增加主要来自大气沉降。

该小组的研究结果还表明,中国氮素沉降的增加主要受氮肥、畜牧业等农业源和工业、交通源等非农业源活性氮排放的影响。目前主要来自农业源氨排放的铵态氮沉降是氮素沉降的主体,占总沉降量的2/3左右,氮肥的直接排放(农田)和间接排放(养殖场畜禽粪便等)是铵态氮沉降的主要贡献者;而以来自非农业源(燃煤和汽车尾气等化石能源燃烧)氮氧化物排放为主的硝态氮沉降约占总沉降量的1/3,硝态氮在沉降中的比例已经从1980年代的1/6增至1/3,说明来自非农业源的排放增速更快。

这一研究成果揭示了过去30年(1980-2010年),我国出现了区域性大气活性氮污染、氮素沉降以及农田与非农田生态系统“氮富集”加剧的现象;中国氮素沉降的显著升高与氮肥施用(农田不合理施氮及畜禽粪便等管理)和化石能源消费大幅度增加所导致的人为活性氮排放有密切关系;实现氮肥和畜牧业等农业源氨的减排是当前中国控制氮素沉降的主要立足点,同时,大幅度减少各种化石能源等非农业源活性氮的排放已越来越迫切。

5.  2010年2月19日,Science杂志在线发表了来自中国农业大学张福锁课题组题为“Significant Acidification in Major Chinese Croplands”的研究论文,该研究首次全面报道了自上世纪80年代以来我国主要农田土壤出现显著酸化的现象,并且发现氮肥过量施用是导致农田土壤酸化的最主要原因。

该论文通过深入研究,首次系统报道了自20世纪80年代至今中国主要农田土壤出现显著酸化现象,发现氮肥过量施用是导致农田土壤酸化的主要原因。该论文通过系统研究过去20年来中国农田土壤PH值的变化发现,中国高达90%的农田土壤均发生不同程度的酸化现象,土壤PH值平均下降了约0.5个单位。这说明中国过去20年来的高投入集约化农业生产导致了在自然条件下需要数百年甚至上千年才能完成的土壤酸化进程,而氮肥过量施用是我国农田土壤酸化加速的首要原因。因此,在保证粮食安全的前提下严格控制氮肥施用量、减少过量施氮,不仅是作物高产与环境保护的需要,而且也是避免农田土壤酸化的重要途径。

张福锁,1960年10月4日生,男,汉族,陕西省凤翔县人,植物营养学家,民主同盟成员。1982年毕业于西北农学院土壤农业化学系,1985年北京农业大学土壤农业化学系硕士毕业,1989年毕业于德国Hohenheim大学,获博士学位。现任中国农业大学教授、博士生导师、资源环境与粮食安全研究中心主任、农业农村部科学施肥技术专家组组长。 2017年当选中国工程院院士。2018年当选发展中国家科学院院士。

2005年获国家自然科学奖二等奖;2007年获国际肥料工业协会国际作物营养奖;2008年获国家科技进步奖二等奖;2014年获发展中国家科学院农业科学奖,同年被选为欧亚科学院院士,2017年获何梁何利科学与技术进步奖。

Iplants微信公众号2020年10月21日

责任编辑:刘铮
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