耕地是粮食生产的命根子。我国现有20.23亿亩（1 hm2 =15亩）耕地，但人均耕地仅为1.3亩，不足世界平均水平的40%，耕地产能潜力仍有很大的提升空间。未来十年我国仍然要强化耕地数量保护和质量提升，牢牢守住18亿亩耕地红线，到2030年累计建成12亿亩高标准农田，稳定保障1.2万亿斤以上粮食产能。因此，加强我国耕地质量建设是我国粮食安全的重大战略需求。中国科学院南京土壤研究所建设了土壤与农业可持续发展国家重点实验室、土壤养分管理国家工程实验室、农业农村部耕地质量保育重点实验室，以及封丘、鹰潭、常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站体系，形成了应用基础研究-技术开发-推广应用的科技创新平台体系。2000年以来相继承担了一批国家重点基础研究发展计划（“973”计划）、国家高技术研究发展计划（“863”计划）、国家科技支撑计划和国家重点研发计划项目，明确了我国潮土、红壤、盐碱土等主要耕地土类的质量演变规律和退化调控机制，发展了不同农区耕地质量监测评价体系与培育理论；在主要粮食产区耕地障碍消减、地力提升、养分高效利用与大面积均衡增产等关键技术研发方面取得显著进展，为我国高标准农田建设和耕地质量提升提供了重要科技支撑。我国潮土的面积超过3.8亿亩，分布范围广阔，但大部集中分布在黄淮海平原的山东、河北、河南、江苏等省份。黄淮海平原耕地面积占全国的15.9%，是我国重要的粮油产区，其中小麦和玉米产量分别占全国的71%和30%。潮土作为黄淮海平原的主要耕作土壤，总体质地偏砂，障碍因子多且复杂，从早期的旱涝、盐碱、风沙、瘠薄到近年的土壤结构差、有机质含量偏低、养分不均衡、耕层浅薄以及水分和养分利用效率较低等等，导致黄淮海平原中低产田占比较高。1.1 阐明了潮土有机质、团聚体和微生物联动机制，提出了提升土壤内稳性地力是实现作物稳产高产的关键
作物的稳产高产主要取决于土壤肥力的提高，这与内稳性地力提升息息相关。内稳性地力的提升有利于形成良好的土壤物理结构，提高土壤固碳潜力，提供适宜的微生物栖息环境，促进土壤养分循环。较低的稳定性地力使高产难以摆脱对大水大肥的依赖，短期内可通过化肥创建速效性地力，但长期而言需改善立地条件，提高有机质含量、养分库容、土壤结构性和生物活性（图1）。![]()
Fig.1
Soil fertility composition and the relationship between crop yield and soil
fertility degradation process
1.2 基于新型传感器和物联网技术研发了农田土壤和作物信息监测新技术和新设备，建立了区域尺度水肥管理决策系统
通过集成新型传感器和物联网技术，研发了农田土壤和作物信息监测新设备，包括国内首款融合无线地下传感器网络WUSN和低功耗广域网LPWAN技术的原位土壤水温盐测量设备M1X、便携式土壤多参数测量设备PTC、基于宇宙射线中子的大尺度监测设备SIL-1N、土壤-气象7参数集成的监测设备SAM、作物生长参数监测设备ACam等（图2），促进了土壤水分自动监测以及农田墒情预测预报网络的发展。
Fig.2 Farmland soil and crop information monitoring equipment based on sensor
technology
1.3 创新了潮土障碍因子消减与地力提升关键技术，创建了中低产田改良与厚沃耕层构建技术模式
为实现大面积均衡提升黄淮平原地区粮食增产潜力，针对该地区中低产田治理和高标准农田建设中面临的一系列瓶颈问题，研发了农田地力提升与大面积均衡增产技术与模式。新技术的研发以封丘站几十年来的研究成果为基础，从消减中低产田土壤障碍因子、提升农田地力、挖掘作物遗传增产潜力、提高资源利用效率四方面入手，创建了覆盖高中低产田地力提升与大面积均衡增产技术体系及其集成模式（图3）。
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Fig.3 Technical system for improving the productivity of low-to-medium yield
farmland in regions between Yellow River and Huai River
新整治耕地肥沃耕层快速构建关键技术的应用（图4）大幅缩短了传统土壤有机质冗长的培育过程，天然腐殖质材料稳定性好，矿化分解缓慢，一次性投入可以赋存10~20年，保障了土壤有机质的持续稳定。2016年以来，该技术在河南、吉林、山东、陕西、河北、江西、浙江等10多个省份开展了试验验证及示范应用，2017—2021年仅吉林省就进行了工程化作业面积10万余亩。
图4 新整治耕地肥沃耕层快速构建关键技术
Fig.4 Key technologies for quickly constructing the fertile cultivated layer of
newly renovated farmland
我国东南红壤丘陵区（云贵川以东、长江以南）土壤面积约 113万 km2，占全国土地总面积的 11.8%。这一地区广泛分布着铁铝土纲，主要包括红壤（55.8%）、赤红壤（17.5%）、砖红壤（3.9%）和黄壤（22.8%）。红壤地区水热资源丰富（年均温15~28°C，≥l0 °C积温5 000~9 500 °C，年均降雨1 200~1 500 mm，雨热同季），是我国水稻、油料、经济林果（柑橘等）和经济作物（茶叶等）重要产区。但红壤水土流失、土壤酸化、土壤肥力和生态功能衰减等退化过程，制约了红壤产能的提升。2.1 评估了红壤加速酸化状况，研发了抑制质子产生和提升土壤抗酸化能力新方法，构建了红壤降酸和阻酸技术模式
根据2005—2014年全国测土配方施肥土壤基础养分数据，我国强酸性（pH<5.5）耕地面积达2.61亿亩，南方红黄壤区约1.66亿亩，其中江西、福建、广东、浙江、湖南、广西强酸性耕地占比分别为92.3%、85.4%、54.3%、41.9%、29.2%和28.8%。近30年来，由于氮肥施用量增加，红壤酸化加速，长江中下游和华南区水稻土pH分别下降了0.29和0.58个单位，西南区水稻土pH上升了0.14个单位。基于土壤pH和有机质含量提出了水稻生产的重金属安全阈值，构建了红壤碱性物质降酸、有机肥阻酸与减氮控酸技术，在江西、安徽等省示范应用，土壤pH可以提高0.4~1.0个单位，油菜产量提高50%以上。2.2 查明了南方红壤地力演变状况，揭示了红壤养分转化的微生物机制，阐明了土壤微生物群落构建机理，提出红壤大团聚体生物培育技术
结合野外试验、模拟试验和样带调查，创建了温度和pH协同驱动细菌多样性模型，阐明土壤生物体型影响扩散速率和生态位宽度、驱动生物群落构建机制，发展了土壤生物多样性代谢模型（图5）。发现通过长期均衡施肥提供充足养分，激发细菌、真菌、原生生物和线虫网络的跨营养级相互作用，提高碳代谢功能稳定性机制。基于土壤微生物组装和功能调控机制，提出“扩增土壤蓄纳养分功能–提升生物养分转化功能”双核驱动地力调控原理（图6），建立了“红壤大团聚体生物培肥”技术。
图5 生物体型驱动生物群落构建以及温度和pH驱动细菌多样性模型Fig.5 The community structured by organism body size and the bacterial diversity
model driven by temperature and soil pH
图6 “扩增土壤蓄纳养分功能–提升生物养分转化功能”双核驱动地力调控原理Fig.6 The dual core driving principle for regulating soil fertility by expanding
soil nutrient storage function and enhancing biological nutrient transformation
function
2.3 持续提升“顶林-腰果-谷农-塘鱼”生态循环农业模式，建立江西省红壤耕地保育技术体系，依据旱地坡度和稻田地力创建了耕地生态培肥增效技术模式
创新了红壤秸秆激发式还田与生态间作控蚀培肥技术、红壤稻田秸秆-猪粪-绿肥周年协同培肥技术，依据旱地坡度创建生态培肥增效（<5 °缓坡旱地）和控流聚土培肥（5°~8°旱坡地）模式，依据稻田地力等级创建增碳促肥提效（四等以下）和稳碳减肥增效（四等以上）模式（图7）。2018—2020年在江西省累计推广应用4581.6万亩，增产164.7万吨，增效24.3亿元，推广面积达全省耕地面积30%以上，全省耕地质量增速较“十二五”提高5倍，支撑了江西省高标准农田建设行动。
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图7 江南红壤丘陵区旱地和稻田质量分类提升技术模式Fig.7 The technical models for classification improvement of upland and paddy field
quality in the red soil hilly region of Southern Yangtze River
我国目前拥有集中连片盐碱荒（草）地资源约2亿亩，以及占全国耕地面积5.9%、总面积1.14亿亩的盐碱化耕地，集中分布在我国东北（吉林、黑龙江和内蒙古）、青新（青海、新疆）、西北内陆（内蒙古、宁夏、甘肃等）以及滨海和华北平原（河北、山东、江苏等）共四个地区，其盐碱荒（草）地面积占比分别为19.1%、57.1%、22.9%和0.8%，盐碱化耕地面积占比分别为18.5%、33.1%、15.4%和33.0%。土壤盐碱障碍顽固与反复、水资源匮乏和适生作/植物品种缺少制约了这部分盐碱地的开发利用与产能提升。3.1 精细刻画了多尺度土壤水盐过程，明晰了水盐运动精准定向调控机制与方法
土壤水盐过程定向调控机理为盐渍障碍精准消减提供理论依据。研究发现利用农田管理措施改变关键土壤物理参数可驱动盐分的定向运移与聚集，显示土壤上、下边界条件和饱和导水率Ks是敏感参数。地面覆盖可改变土壤上边界条件，重度盐渍土地表覆膜可减少腾发量12.1%~25.5%，降低表层土壤积盐量14.3%~32.4%；暗管排盐改变土壤下边界条件且具有较高脱盐速率，与覆膜、旱季微咸水灌溉、局部旱改水等措施相比，其平均脱盐速率分别提高38.9%、183.7%和93.8%；构建稳定疏松亚表层可单向调节土壤水盐运动，在30 cm深度埋设木质素纤维和秸秆提高土壤孔隙度6%~20%、淋盐效率22.1%~29.5%，并打破毛细管阻断返盐。集成了盐渍土“上覆-中阻-下排”立体长效控盐技术体系（图8），其中上、下边界调控和隔层创建对耕层土壤抑盐阻盐的贡献分别为21%、34%和45%。
图8 盐渍土“上覆-中阻-下排”长效控盐技术
Fig.8 The long-term salt control technology for saline-alkaline soil with "overlying in the top-blocking in the middle-drainage in the bottom"3.2 揭示了土壤盐渍化对氮素养分利用的制约机制，厘清了土壤水盐调控伴生氮素迁移转化过程，提出了盐渍障碍消减与养分增效协同机理与调控技术
盐渍化农田具有迥异于常规农田的氮素养分形态、有效性以及转化、迁移与作物吸收过程。土壤盐渍化具有抑制作物吸氮的直接机制，以及增加氨挥发量、抑制氮素转化、提高氮淋失等制约氮素利用率的间接机制。盐渍农田土壤水盐迁移过程与氮素迁移、转化过程耦合并共同影响氮素赋存形态与吸收利用。秸秆生物炭具有疏松耕层土壤、促进盐分淋洗、增加铵态氮吸附的正向效应以及抑制硝化的反向效应。创建了盐渍农田施用生物炭配合氮素运筹和微咸水灌溉的控盐减氮技术（图9），可以促进氮素吸收65%~75%、吸附固持氮素5%~10%、减少氮素淋失15%~20%、增加微生物氮素同化3%~8%。图9 盐渍农田施用生物炭配合氮素运筹和微咸水灌溉的控盐减氮技术
Fig.9 The technology to combine biochar application with nitrogen operation and
brackish water irrigation for controlling salt and reducing nitrogen
fertilization in saline farmland3.3 持续提升盐碱地分区分类治理利用水平，创新了滨海盐碱地加速治理培育与农业高效利用技术体系，创建了河套灌区土壤次生盐渍化生态治理与生产-生态可持续发展模式
针对北方河套灌区因灌排不畅导致的土壤次生盐碱化、养分利用率低等问题以及农业-生态协同发展的需求，基于土壤盐渍障碍生态消减与盐渍土养分增效的理论和技术，集成创建了河套灌区盐碱地工程-生态治理与“三控三提”增产增效技术模式（图10）。该模式利用生物炭调控土壤水盐肥耦合迁移、转化与作物吸收过程，建立生物炭施用疏松保蓄层创建技术，以淡化沃层快速营建促进“控水提质”；基于盐分在“土壤-地下水”、“耕地-荒地”系统迁移与源汇转换关系，提出“粉垄+暗管”工程排盐技术，利用粉垄促淋和暗管增排促进“控盐提产”；基于水氮分时滴施对氮素养分迁移、转化、固持特征的影响，形成盐碱地微咸水控盐滴灌水氮一体化技术，通过盐肥分时调控与水肥精准供施促进“控肥提效”。2017—2022年在河套灌区的林果、饲草、粮经等产业累计推广应用184万亩，增产21.2万吨，实现土壤盐碱化降低1个等级，减少化肥用量11%~26%，产能增加9%~21%，水分生产力提高18%~41%，每亩节本增收110~240元。图10 滨海和河套灌区盐碱地消障提质与增产增效技术模式
Fig.10 The technical models for obstacles reduction, quality promotion, yield
increase and efficiency enhancement of saline soil in coastal region and Hetao
Irrigation District未来面临的主要问题和发展方向
在耕地资源保护和可持续利用方面，土壤健康管理已成为国际前沿焦点。美国2017年制定《土壤健康路线图》，开展农场尺度土壤健康管理行动；欧盟2020年制定“地平线欧洲”行动计划，实施土壤健康与食物健康管理行动。我国亟需发展土壤健康管理的生物技术、产品和模式，支撑农业绿色高质量发展，实现我国农业向数量质量效益并重、资源生态安全和土壤健康的更高目标发展。未来，围绕我国耕地质量建设和保护的核心任务，重点在资源调查与农田建设管理、耕地障碍消减与产能提升、土壤健康与生态保护3个方向开展系统研究，聚焦土壤高强度利用过程中的重大科技问题，全链条设计关键技术创新、产品研发和典型场景应用示范，突破土壤障碍消减技术瓶颈，研发土壤调理剂和生物培肥系列产品，提升区域模式落地率，建立我国耕地质量建设和可持续利用的系统解决方案。张佳宝，中国工程院院士，中国科学院南京土壤研究所研究员，中国土壤学会理事长，国际土壤学联合会副主席。长期从事土壤物质迁移转化和水循环过程系统模拟及其生态环境效应、土壤信息快速获取、中低产田治理与地力提升理论和技术等方面的研究及其相关平台建设工作。针对我国13亿亩中低产田土壤障碍因子多、地力水平低两大难题，创建了新一代中低产田治理的理论-核心技术-支撑设备-研发平台体系，引领土壤改良向精准对症跨越，科技支撑国家中低产田治理和高标准农田建设行动。作为召集人编制国家“土壤与土地资源发展战略规划（2021-2035）”和国家“绿色高效生态农业发展战略规划（2021-2035）”，作为专家组长编制国家“十四五”重点研发专项“黑土地利用保护科技创新”实施方案和指南，作为专家技术指导组长及建议人推进第三次全国土壤普查等。为我国耕地保育、土壤质量提升及土壤科学发展做出了突出贡献。发表学术论文486篇（其中SCI收录论文191篇），出版专著6部；获国家授权专利52件、软件著作权23项；获国家科技进步一等奖1项、国家科技进步二等奖3项，何梁何利科学与技术进步奖1项。
