黑土地是世界上最肥沃的土壤，被誉为“耕地中的大熊猫”。作为世界四大黑土区之一，中国东北黑土地约占全国耕地面积10%，是国家粮食安全重要保障的“黑土粮仓”，如何实现其有效保护和可持续利用，长期以来广受关注。
科技会战：“体检开方”守护“黑土粮仓”
中国已将实施黑土地保护工程、加强东北黑土地保护和地力恢复纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要。2021年3月，中国科学院主动“揭榜挂帅”，并与吉林省、辽宁省、黑龙江省、内蒙古自治区签订框架协议，共同推进实施“黑土粮仓”科技会战，针对“变薄”“变瘦”“变硬”等各类黑土地退化“疑难杂症”开展科研攻关，“对症下药”保障“耕地中的大熊猫”健康，守护“黑土粮仓”。
其中，“黑土粮仓”科技会战水稻土和白浆土质量与产能提升三江示范区项目，由中国科学院东北地理与农业生态研究所(东北地理所)科研团队领衔28家单位140多位科研人员，与北大荒农垦集团友谊农场、曙光农场等强强联合，通过类似CT扫描对黑土地进行“体检”，为目标地块精细“画像”开出“处方”，并开展试验示范与应用推广，现已打造出适合于三江平原且可复制、可推广的黑土地智能化保护利用模式即“三江模式”。
友谊农场“万亩大地号”上，农机进行作物收割作业，场面壮观。中新网记者 孙自法 摄
2024年秋收时节，被誉为“天下第一农场”的友谊农场满目金黄。“黑土粮仓”科技会战三江示范区项目首席科学家、中国科学院东北地理所研究员刘焕军带领团队穿梭于玉米地和水稻田，仔细查看研究示范区作物收成和样方土壤情况。
他说，三江平原耕地集中连片，但存在由于土壤障碍、水土流失严重、低洼内涝耕地面积大、低温冷凉，限制地力与产能提升；农业时空基础数据匮乏，限制了智能化水平的提升；大规模水田开发导致地下水季节性下降、水土资源时空不匹配等问题。
这些问题严重威胁国家粮食安全与区域生态安全，三江示范区项目团队为此开展针对性研究攻关，因地制宜推出“三江模式”系统解决方案。
“三江模式”：黑土地智能化保护范式
刘焕军指出，“三江模式”概括而言即黑土地智能化保护范式，其建成黑土地保护利用系统解决方案与集成样板，实现多学科/全环节/全链条系统实现土壤障碍消减、智能化农机与耕作栽培、坡耕地水蚀阻控、低洼内涝耕地排水、小流域尺度水土优化、大面积综合地力提升。
友谊农场一处玉米示范地里，刘焕军研究员接受媒体采访介绍“三江模式”。中新网记者 孙自法 摄
黑土地智能化保护范式主要包括八方面内容：一是黑土地保护问题系统认知理论创新；二是黑土地耕地质量立体监测认知新理论，建立监测指标体系；三是研发天空地立体监测技术，服务黑土“地块画像”需求；四是明确耕地退化的核心指标、辅助指标、阈值，定量诊断障碍与退化程度；五是基于天—空—地一体化监测技术体系获取的区域农业时空大数据，建立三江平原多尺度分区体系，实现田块内部的精准管理分区；六是生成不同技术的智能决策与“处方”，时空精准障碍消减与地力提升；七是结合分区体系与定量诊断，智能化配置黑土地保护利用技术；八是建设集成样板，实现“监测诊断、技术处方、精准手术”的工程农艺生物措施集成保护。
其中，“地块画像”方面，项目团队组织3次百人规模黑土地航空遥感实验，目前获取数据量超过2万条逾400T，通过天空地立体监测技术对研究区域黑土农田的土壤、利用、产能、生态、退化、决策等要素进行米级高精度定量监测，为科学设计综合治理方案提供数据基础。
“海绵农田”：“三跑田”变成“三保田”
基于山水林田湖草沙生命共同体理念，中国科学院“黑土粮仓”科技会战三江示范区项目团队综合运用卫星遥感、航空遥感、地面传感等先进科技手段，研发出天空地立体监测技术体系，全方位获取耕地质量数据并形成“地块画像”，从而创新推出“三江模式”这一黑土地坡耕地保护利用系统解决方案。
目前，该模式已构建面向三江平原黑土地保护的技术体系4套，包括黑土地坡耕地水蚀智能防控与综合地力提升技术体系、白浆土旱田智能化保护利用技术体系、寒地水田智能化保护利用技术体系、基肥追肥全环节的水旱田智能施肥技术体系，分别应用于相对应的4个主要场景。
这个过程当中，三江示范区项目团队与北大荒研究提出黑土地“海绵农田”概念并建立样板最引人瞩目。“‘海绵农田’是特别形象、很适合科普的一个提法，我们希望通过农机农艺工程措施及生物措施等，实现‘海绵农田’在旱的时候能高效蓄水、涝的时候能快速排水。”刘焕军说。
在“海绵农田”示范样板建设过程中，项目团队利用天空地立体监测技术，智能化配置等高种植、可耕作宽埂、窄埂、暗管排水、小流域尺度蓄排等工程措施，白浆土改土、智能施肥、条耕等农艺措施，以及草水道等生物措施，实现“涝能排”“旱能蓄”和“固土保肥”，以此为基础并融合多措施、多尺度、多环节黑土地坡耕地智能化保护利用技术体系，将曾经跑水、跑土、跑肥的“三跑田”变成保水、保土、保肥的“三保田”。 “科技司农”：让农户足不出户巡田
如何让“三江模式”“海绵农田”“地块画像”等先进科技手段服务农业生产、实现助农兴农？关键是要让农户、农场方便快捷地用起来。中国科学院“黑土粮仓”科技会战三江示范区项目团队专门设计开发的“中科司农”手机应用软件，颇受农户、农场的欢迎与好评。
据项目团队成员、中国科学院东北地理所科研助理曲洺伯介绍，团队自主开发的“中科司农”手机APP同步微信小程序，旨在服务于广大农户，让农户足不出户，在炕头上就能看到自家田地作物长势监测情况、区域气象情况等。该手机软件主打的“地块画像”则类似于CT扫描，给地块做一个全身“体检”，从而为农户提供相关地块的全方位数据服务，辅助他们根据退化障碍信息，及时进行土壤改良。
项目团队另一名成员、中国科学院东北地理所科研助理孙金宇说，利用“中科司农”APP，可以实时查看目标地块作物长势情况、白浆土严重程度，还可以进行精准天气预测，帮助农户更好地实现耕、种、管、收的全流程管理，为保障国家粮食安全添砖加瓦。
友谊农场承包农户郎艳会对“中科司农”手机APP及微信小程序印象深刻。他说，用了这个手机APP功能后，在家足不出户就能巡田，就能看到自家田地长势怎么样，还可以根据精细天气预报，选择施肥打农药的时机，“节省了不少事，帮助很大”。
北大荒农垦集团黑龙江友谊农场有限公司副总经理杨慧表示，除了手机APP，通过与中国科学院“黑土粮仓”科技会战三江示范区项目团队合作，友谊农场现在每块耕地都拥有像身份证一样的二维码，只要用手机扫码，就知道这块地怎么种、怎样施肥、需要注意什么。这种土壤数据的生成服务，对友谊农场和整个垦区都是最有用。
成效显著：为粮食安全等作出重要贡献
三江示范区项目团队称，作为中国科学院“黑土粮仓”科技会战重要成果之一，“三江模式”已推广至北大荒农垦集团友谊农场、曙光农场等16个农场，实现水分利用效率提高30%、粮食增产5%-22%、水土流失减少70%的综合效益。
北大荒曙光农场，项目团队用大型无人机在示范农田上空开展相关作业。中新网记者 孙自法 摄
当地农户于殿东承包了友谊农场160.5亩耕地，中国科学院项目团队没来之前，是他最头疼的一块地，因为是坡耕地，坡度比较大，水土流失比较严重，产量低。“自从专家来了以后，通过(科技手段)综合治理，每亩产量从原来的600多公斤增加到900多公斤，(增产增收的)效益可观”。
杨慧认为，“三江模式”的形成和推广，给友谊农场带来最大的变化是能拿到更准确的土壤数据，包括作物长势、灾害的数据，“我们对土壤更了解了”；其次是整体作物产量提高3%到5%左右，按照变量施肥，施肥量每亩降低3公斤左右。
中国科学院东北地理所副所长李禄军研究员则提醒，现代化农业特别是新质生产力如何助力农业生产、农业发展，后续还有大量工作要去做。比如在精准施肥、精准喷药等技术环节，仍有大量技术参数需要去研究、摸索、试验，以形成一系列规范、标准。
“通过努力，我们已构建黑土地保护‘三江模式’，并实现可复制、可推广，为国家的粮食安全和生态安全作出重要贡献。”刘焕军总结说，短期看，它最直接的好处是增产带来的经济效益；长期看，这是给子孙后代留好地，是经济效益和包括生态效益在内的社会效益综合体现。他希望通过“海绵农田”技术把黑土层保护好，助力黑土地可持续甚至永续利用。(完)
