孔祥斌 关淼
中国式现代化是人类历史上人口规模巨大的现代化、是共同富裕的现代化、是人与自然和谐共生的现代化、是全方位资源安全的现代化，粮食安全是治国安邦的头等大事。我国粮食供需长期处于“紧平衡”态势，肉类、奶类和水产品等优质农产品存在结构性短缺，与党的二十大提出的实现全方位粮食安全至少还有1-2亿吨粮食缺口。耕地资源是保障全方位粮食安全的根基，又是实现城乡社会共同富裕的基础，更是实现人与自然和谐共生的纽带。但是，我国耕地资源数量紧缺、质量低、生态差，已成为制约中国式现代化进程的资源短板。因此，面向中国式现代化，切实提升耕地资源安全保障水平，亟待在国家层面从科技支撑上发力，补齐耕地资源短板，夯实粮食安全根基。
一、当前耕地保护与产能提升科技支撑面临的形势和问题
当前我国耕地保护面临严峻形势，主要表现在数量短缺，耕地数量保护面临“非农化、非粮化、非食物化、弃耕化”等多重影响；耕地中低产田比重高达三分之二，土壤有机质含量低，土壤侵蚀、酸化、碱化、污染等综合问题严重；黑土地等高产田抗灾减灾能力不足；盐碱地等耕地后备资源保护性开发不足；耕地质量“空-天-地-网”协同监测监管水平低，制约了我国实现全方位粮食安全的战略目标，保障粮食安全比过去任何时候都更加需要解决耕地保护中的短板问题，更需要通过强化重大科技创新，不断提高耕地质量，全方位提升粮食安全保障能力。
当前我国耕地保护在科技支撑上仍存在一些亟待破解的问题。如耕地内涵不清导致的三次全国耕地调查的标准不一，耕地监测数据存在年代久远、监测样点少、监测精度低、监测内容不全面等，耕地质量评价指标体系尚未形成统一的标准，耕地资源对气候变化和极端灾害的抗灾能力严重不足，耕地管护科技支撑力度不高等。面向“双碳目标”与国土空间格局的不匹配矛盾加剧、粮食需求量大与国内供给不稳定矛盾加深、粮食安全对外依存度高与国际供给的不确定矛盾加重的现实背景，迫切需要加强耕地保护与产能提升的科技创新。
二、耕地保护与产能提升科技支撑的目标与任务
1.耕地保护与产能提升科技支撑的目标
以新时代大资源观、大粮食观和大食物观为统领，坚持“四个面向”的科技创新方针，把“耕地保护与产能提升”科技创新建设成为引领我国耕地资源科技高水平自立自强的重大标志科技，具体研究目标是：以东北黑土地、盐碱地、南方酸化和干旱半干旱区耕地等为研究对象，引领世界耕地保护与产能提升基础研究发展新方向，突破一批重大原创新理论，实现极端气候变化频发背景下典型气候生态区耕地“土壤-水-盐-气”智能化产能协同提升基础研究水平跻身世界前列战略目标；获得具有自主性知识产权的区域耕地产能提升的核心技术，为创造耕地保护与产能提升提供技术支撑，在耕地保护与产能提升的智慧化、生态化、健康化等关键技术领域跻身世界先进行列；总结一批可推广和复制的典型气候生态区总体提升技术模式，从而有利支撑国家粮食安全和水土资源高效利用，破解耕地资源“卡脖子”技术，实现耕地资源安全保障。
2.耕地保护与产能提升科技支撑的任务
坚持以解决耕地资源重大科技问题和服务国家粮食和水土资源安全重大需求为导向，统筹部署耕地保护与产能提升领域国家实验室建设和全国重点实验室重组，培养一批跨学科、跨领域、复合型的行业领军人才，打造一流的耕地领域国家科技力量和科技创新体系；坚持耕地保护与产能提升领域最紧迫、最亟需、最难解的基础理论研究、关键核心技术攻关与重大模式创制“三位一体”的总体创新路线，成为行业领域重要的基础科学研究策源地、关键核心技术创新发源地、高性能智能农机装备首创地和高端科技创新人才新高地，国际影响力进入世界前列。
突破重大基础前沿热点问题，努力实现耕地保护与产能提升基础研究水平跻身世界前列战略目标，重点关注以下几方面问题。
一是提升科学认识耕地、耕地质量、耕地产能、耕地系统、耕地多功能的内涵与外延理论，以及运用系统科学理论、人地关系理论，建立面向中国式现代化、大食物观融合，能够实现人地和谐、推动乡村振兴和共同富裕目标下的耕地资源核心理论。
二是深化五大科学机理研究，即观测监测不同时空下耕地要素变化过程，精确模拟耕地利用格局耦合过程与效应，全面评价耕地系统的功能及其权衡关系，优化创新耕地利用空间重组路径与模式，综合理解多系统间的相互作用与反馈效应。
三是以我国不同气候区耕地保护与生产力协同提升理论创新和技术突破为主线，阐明区域耕地粮食生产“作物-土壤-水-大气”“田-水-路-林-村”“山水林田湖沙”之间的协同响应关系，创建区域耕地保护与生产能力提升的优化方法；突破区域“土壤生产力-土地生产力-气候生产力”协同多目标风险调控的理论瓶颈，提出我国耕地保护与产能提升空间分区，创新基于气候区“耕地-农田-流域”多尺度的耕地产能提升与保护的理论体系。
三、耕地保护与产能提升科技支撑中亟待破解的关键问题与策略
经过40多年发展，我国耕地保护与产能提升科技在“调查、评价、建设、利用与监测”等方面取得了显著进步。一是全球定位系统（GPS）、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）等技术手段已经全面用于耕地资源调查，充分利用“3S”、移动互联网、云计算、无人机等技术基本查清了全国国土资源底数；二是自然资源部、农业农村部及相关科技工作者构建了基于生产能力、耕地资源质量分类、基础地力及综合指标体系的耕地质量评价指标体系；三是高标准农田建设、全域土地综合整治、中低产田改造等建设技术日趋完善。
在世界未来耕地保护与产能提升科技向“智能化、数字化、生态化和健康化”发展的趋势下，我国的耕地保护与产能科技创新需要围绕耕地数量、质量和生态协同保护机理进行基础研究，攻克土地基础数据网络、社会经济网络数据和数字孪生技术，取得土地利用模拟、功能耦合等技术大模型突破，实现耕地调查等六个方面的技术突破，才能实现中国式现代化的耕地资源保障重大需求。
1.构建三大数据平台：地球关键带数据平台、地链网格数据平台、耕地覆被及社会经济数据云平台，实现耕地资源大数据智能、高效管控
（1）地球关键带数据平台
突破解决水土资源约束条件下田、水、土、气多要素治理和土地多功能可持续利用的难题，基于地球关键带理论，建立地球关键带中耕地演化监测站点及监测网络，构建全天候、一体化、全尺度、定量化的耕地资源安全监测技术，构建耕地质量精准化监管平台。服务于耕地质量演化过程、关键要素迁移过程和物质循环过程的研究。
（2）地链网格数据平台
基于马斯克主导的星链计划理念，实施地链网格数据计划，构建云计算平台和全国离散格网的时空大数据统一组织和管理框架，提供覆盖全国的全天候、高速率、低成本的地链网格数据。实现涵盖资源、环境、生态、气象、社会经济等的土地全要素、多维信息动态聚合和在线更新，服务于多频次耕地数量、质量和生态遥感监测的需求。
（3）耕地覆被及社会经济数据云平台
构建全国耕地覆被及社会经济数据中心云、边缘云，在此基础上构建耕地覆被及社会经济云-边-端一体化协同数据平台。并依托虚拟现实的前沿技术，构建实时感知、智能交互的社会经济数据平台。服务于国土资源“一张图”数据库、数字化的调查评价技术体系、国土资源综合监管平台的建设。
2.实现三大新兴技术突破：突破数字孪生技术、人工智能技术、云计算技术，建设三大技术平台
（1）数字孪生技术
构建数字孪生体，包括实时传感数据和运行历史数据，集成的模型涵盖物理模型、机理模型和流程模型等；构建耕地云-边-端三层数据传输系统，建设车载（端）、中继站（边）、国家站（云）三层架构。实时控制、快速决策，实现大规模整体数据分析，助推耕地模拟模型智能化。
（2）人工智能技术
通过输入“人类社会-物理世界-信息空间”三元空间数据，采用“理解-感知-联想-发现”知识计算引擎，最终输出新的知识、观点和问题等。引进人工智能技术，一方面大幅提升了耕地科学研究精度，服务于耕地社会与经济大数据的建立；另一方面，通过智能化决策分析能力，带动国家战略新兴产业发展壮大。
（3）云计算技术
采用云计算技术，挖掘大数据的潜力，使耕地的观测与监测更加高效、便捷、精准。利用Google earth engine 云计算处理平台建立大型耕地利用模拟模型。利用大数据云存储模型、快速查询与处理技术，构建耕地大数据云组织管理与快速高效处理分析的技术体系。实现数据互联共享，服务于耕地“数量-质量-生态”三位一体监测预警。
3.发展三大智慧模型：集成攻关耕地利用精准模拟模型、作物生长低碳精准模拟模型和生产生活生态综合权衡模型
（1）耕地利用精准模拟模型
发展基于农户行为的耕地利用模式模拟(ABM)，以政策、市场、和区位条件等外部环境情境为基础，构建农户空间化模型、劳动力转移模型等，揭示耕地利用的农户行为及其反馈机制与作用方式。发展生态圈模拟模型，模拟栅格尺度下不同地类的相互竞争以及生态效应，服务于多元主体耕地资源保护与利用机制的构建。
（2）作物生长低碳精准模拟模型
利用EPIC模型模拟不同管理措施下的作物产量，发展基于生态环境的生产能力评价模型。利用WOFOST模型模拟不同养分水平、灌溉水平下的作物产量。助推信息技术与农业科学交叉融合，实现对作物生长的全过程、全方面的低碳精准模拟，服务于5G+智慧农业和数字农业的高质量发展。
（3）生产生活生态综合权衡模型
发展农产品贸易政策分析国际模型，模拟各种宏观经济政策、极端气候和水资源短缺等问题对我国耕地利用、居民食物消费和营养健康的影响。以“生产-生活-生态”三生空间为核心，以“耕地-人口-粮食安全-生态安全”为主线，进一步服务于粮食安全与生态安全兼顾的耕地利用战略。
4.创新耕地保护与产能提升六大关键技术体系，聚焦耕地精细调查与监测、耕地质量精准评价、高标准农田质量精准建设、耕地多功能协同高效利用，实现耕地资源持续利用技术突破
（1）耕地精细调查与监测关键技术
研发具备多功能、低成本、准确高效、操作简单、信息自动传输等特点的便携式耕地质量调查检测传感器、移动检测，创建空、天、地、土、网融合的智慧化调查评价监测预警平台，创建区域耕地保护与产能调查与监测预警平台，服务国家基于产能的18亿红线产能保护需求。
（2）耕地多功能质量精准评价关键技术
构建耕地系统、厘清耕地多功能“要素-结构-功能”特征，构建适合我国土地产权特征，以及适合不同利益相关者的田块、农田、区域、流域、生态区的，以稳产、高产、高效、低碳为目标的耕地多功能精准评价技术体系，构建“尺度-阈值-指标-功能”融合的耕地多功能质量评价技术体系。
（3）典型气候生态区耕地保护与产能提升技术
聚焦粮食主产区“作物-土壤—水-气候”协同主要问题，突破区域耕地“保、育、用”互作与协同重大基础理论，厘清区域耕地质量时空演变规律，攻克土壤退化阻控、地力培育和作物持续丰产高效等核心技术，深化创新不同区域耕地保护与利用模式与技术体系以及机具配备方案，服务国家粮食主产区产能稳产、高效、绿色产能提升的需求。
（4）盐碱地等边际和后备耕地提质改造与效能提升。
突破盐碱地等边际和后备耕地“提、改、升”重大基础理论，攻克盐碱地“水-土-盐-气候”等边际和后备耕地土壤重构、格局重塑和规模高效重组等关键技术，建立边际和后备耕地基础地力提升、质量改造和效能提升集成技术体系，服务国家盐碱地保护性开发重大工程。
（5）高标准智慧耕地建设科技工程。
研究面向耕地质量提升和适应气候变化需求的耕地平整、土壤改良、灌溉排水及农田防护等工程措施新技术和新装备，加强农机农艺、智能作业和智慧管理等技术集成应用，创建新时代下不同气候类型区高标准农田建设模式，加强示范引领，服务全部永久基本农田建设成为高标准农田的国家重大战略需求。
（6）区域耕地多功能协同高效利用技术
突破耕地生态功能显化与复合功能协同利用提升基础理论，攻克耕地生态功能显化、耕地多功能复合利用、耕地利用生态设计等关键核心技术，建立耕地生态化利用技术体系，实现典型区域耕地多功能利用技术突破，服务国家提出的“山、水、林、田、湖、草、沙”系统健康治理目标。
四、未来展望
围绕提高耕地保护与产能提升的科技创新能力、提升耕地资源安全保障水平、提升耕地保护与产能提升国际竞争力的战略需求，按照气候生态区从典型区域土壤障碍因子、“田水路林渠”基础设施和“山水林田湖草沙”多尺度特征，统筹推进相关科技支撑战略；保障长期稳定的经费支持、完善多元化多渠道支持模式，创新科研组织模式、创新治理能力、推动成果转化。围绕重点任务，从基础研究、前沿技术、共性关键技术、典型模式创制和国家战略科技力量建设等环节开展一体化的耕地保护与产能科技攻关，构建现代新型耕地保护与产能提升科技创新体系，创新耕地保护与产能提升的协作化保障体系，建设新时代耕地保护与产能提升的人才体系。
通过科技创新工程的实施，在关键技术上突破典型退化因子阻抗、障碍因素限制，攻克地力快速提升、高标准智慧农田设计、调查、监测与预警等核心关键技术，创制有重大应用前景的多种类型的“黑土地”保护与产能提升模式，有效支撑耕地保护与产能提升国家战略。
（作者为中国农业大学土地科学与技术学院教授、博士生导师。转自《中国土地科学》微信公众平台https://mp.weixin.qq.com/s/rhul8OZaAG57w6TvTAUacg）
