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2014-2015基础农学学科发展研究综合报告

时间:2016年04月18日  来源:学术交流处  点击量:      【 】  

  基础农学是农业科技进步和创新的原动力,是保障粮食安全、农产品有效供给和农业可持续发展的科学基础。2012年中央“一号”文件指出要“把农业科技摆在更加突出位置”,进一步明确了农业科技发展的战略定位,指出“农业科技的创新重点包括稳定支持基础性、前沿性、公益性科技研究”,包括“大力加强农业基础研究,突破一批重大理论和方法”“加快推进前沿技术研究,抢占现代农业科技制高点”,为基础农学研究驱动创新发展指明了方向。

  一、基本情况

  在中国科协长期支持下,在中国农学会主持下,从2006-2015年由院士,专家牵头,组织农业科研机构、高等院校顶级专家、教授,开展了基础农学学科发展研究。从各年度选择基础农学一、二级学科分支领域,深入开展基础农学学科现状、进展、特点、发展趋势和展望的研究。

  “2006-2007年”基础农学学科发展研究,首席科学家卢良恕,主持人信乃诠、许世卫、孙好勒。选择了农业植物学、植物营养学、昆虫病理学、农业微生物学、农业分子生物学与生物技术、农业数学、农业生物物理学、农业气象学、农业生态学、农业信息科学等10大分支领域开展专题研究。

  “2008-2009年”基础农学学科发展研究,首席科学家戴景瑞、信乃诠,主持人陈阜、邹瑞苍、刘旭,选择了作物种质资源学、作物遗传学、作物生物信息学、作物生理学、作物生态学、农业资源学、农业环境学等7大分支领域开展专题研究。

  “2010-2011年”基础农学学科发展研究,首席科学家刘旭、信乃诠,主持人许世卫、邹瑞苍、王全辉,选择了农业生物技术、植物营养学、灌溉排水技术、耕作学与农作制度、农业环境学、农业信息学、农产品贮藏与加工技术、农产品质量安全技术、农业资源与区划学等9大分支领域开展专题研究。

  “2012-2013年”基础农学学科发展研究,首席科学家刘旭、吴孔明、喻树迅、信乃诠,主持人许世卫、邹瑞苍,根据基础农学学科及其分支领域的进展实际以及未来发展的引领作用,确定了作物遗传育种、植物营养学、作物栽培、耕作学与农作制度、农业土壤学、农产品贮藏与加工技术、植物病虫害、农产品质量安全技术、农业资源与区划学、农业信息学、农业环境学、灌溉排水技术等12个分支领域进行专题研究,覆盖面最广,强化了研究广度的拓展和研究深度的挖掘。

  “2014-2015年”基础农学学科发展研究,首席科学家刘旭,主持人许世卫、邹瑞苍,确定了农业信息技术、农业信息分析、农业信息管理、动物生物技术、植物生物技术、微生物生物技术等分支领域进行专题研究。

  持续立项,深入开展基础农学学科发展研究,表明了它在我国农业科技中具有基础性、前瞻性、战略性的重要作用,同时,也表明了基础农学学科的内涵丰富、领域宽广与博大精深,需要我们不断地去研究、开拓、创新。

  二、重要研究进展

  2014-2015年,涵盖基础农学学科一、二级16分支领域研究均取得了重要进展,其中农业信息技术、农业信息分析、农业信息管理、动物生物技术、植物生物技术、微生物生物技术、作物遗传育种、农业环境与气候变化、农业资源与区划、作物昆虫病理、作物栽培、耕作学与农作制度等是较为活跃、进展快、创新力度大的研究领域[1]。

  (一)农业信息技术

  信息技术是对社会各个层面影响最大、渗透力最强的高新技术。现代信息技术的发展使人类社会开始步入信息化时代,给人类社会和经济发展带来了广泛而深远的影响。随着现代农业科学理论与信息技术的快速发展和逐步应用,信息技术与农业科学的交叉渗透催生了农业信息技术这一新兴学科领域。概括来说,农业信息技术是指利用信息技术对农业生产、经营管理、战略决策过程中的自然、经济和社会信息进行采集、存储、传递、处理和分析,为农业研究者、生产者、经营者和管理者提供信息查询、技术咨询、辅助决策和自动调控等多项服务的技术的总称。

  1. 研究进展

  随着现代信息技术的发展和渗透,特别是近年来物联网、云计算和大数据等学科理论和技术的突破与熟化,农业信息学学科理论和方法体系的发展也呈现出装备化、集成化、协同化的特征,信息技术在农业生产、经营、管理决策过程中发挥出越来越显著的作用,新型的信息产品和工具不断涌现,为我国农业的发展与转变提供了重要手段。

  (1)农业信息技术发展呈现出智能化、集成化特征

  现阶段,农业信息技术方法正在向成熟,农业信息技术的研究更加面向实际农业科学问题的解决,并越来越注重研究深度和实用性的结合。随着农业物联网技术的发展,农用无线传感器及无线传感器网络技术、RFID 电子标签技术在农业领域得到了广泛应用,为农业数据和信息的获取提供了强有力的手段;而云计算技术的发展,使分布式计算、分布式数据融合、并行计算成为可能,为农业数据和信息的融合、关联提供了技术支撑;而大数据技术则进一步将已有技术进行集成,并提供了更加强大的数据抽取、转换、装载,数据分析和数据可视化技术,为农业数据和信息的集成、处理和表达提供了方法和工具。因此,在理论、方法和工具方面,农业数据和信息获取、集成、处理、分析和展现的理论、技术和方法日趋成熟,为智能化的农业数据处理、决策奠定了基础,并具备了适用性农业智能装备研发与生产的条件。

  (2)现代农业信息技术体系日益完善

  农业物联网技术与装备。在农业资源管理物联网建设方面,随着农业的精细化,农业物联网在农业资源监测调度方面的应用将逐步普及;在农业生态环境监测物联网方面,随着纳米技术、光电技术、电化学技术的发展,农业生态环境监测物联网可以感知到更多、更为精细的环境参数;在农产品与食品质量安全管理与溯源方面,农业物联网的应用主要集中在农产品包装标识及农产品物流配送等。

  精细作业和智能装备技术。精细作业技术与智能装备是指将现代电子信息技术、作物栽培管理决策支持技术和农业工程装备技术等集成组装起来,用于精细农业生产经营。现阶段该领域的研究集中在精细作业技术与智能装备、农田空间信息快速采集技术、精细作业导航与控制技术、国内决策模型与处方生成技术和现代农业生产技术装备及配套生产管理技术等方面。

  先进农业传感器技术。根据检测对象的不同,可以将先进农业传感器技术划分为两大类—生命信息传感器技术和环境信息传感器技术。现有的生物、环境信息检测技术,大都基于检测对象的静态属性,不能用于实时、动态、连续的信息感知传感与监测,不能适用于现在农业信息技术的实时动态无线传输和后续综合应用系统平台的开发。

  农业智能机器人。现阶段,对农业机器人的研究主要集中在机器人规划导航技术领域,其包括两大部分的内容,一部分是农业机器人地面移动平台的导航与控制技术;另一部分是农业机器人作业机构的动作规划技术。

  农业大数据与信息服务。农业大数据是近几年兴起一项现代农业信息技术,它包括数据的积累、数据的处理与应用三个方面。有关农业大数据信息服务技术研究主要集中在农业遥感技术、农业专用软件系统、农村综合服务平台和农业移动服务信息终端等方面。

  农村远程教育。我国的远程教育技术已经开始进入以网络为基础的新阶段。在高等教育方面,教育部已经批准45所重点高校开办网络远程教育;在基础教育方面,近年来各地自发地涌现出一大批中小学教育网校;在成人教育方面,各地原有的远程教育系统正在向网络转移,形成多种媒体共存的新格局。

  2. 重大成果

  作物丰产信息技术应用。近几年来,我国在玉米高产高效生产理论及技术体系研究、水稻高产共性生育模式与形态生理精确定量指标及其使用诊断方法、作物病虫害防治与预警技术、滨海盐碱地棉花丰产栽培技术体系以及作物生长无损监测与定量诊断技术体系取得了丰硕成果,部分技术基本达到国际先进。

  农业生产智能装备。我国在农业生产智能装备的研究紧跟国际步伐,取得了可喜的成绩,在主要作物水肥一体化高效利用技术体系及田间标准化生产管理模式、机械化旱地移栽技术、农机作业智能指挥调度、花生收获机械化关键技术与装备、田间自动导航等方面均取得了重大的突破。

  遥感监测。近几年来,监测预警研究取得了具有较高显示度的标志性成果,在资源的监测与调度、生态环境的监测与管理、农产品质量安全溯源等方面都取得了原创性的研究成果。同时,运用生态学理论,结合GIS、遥感技术,以入侵植物生态、生理、分布特点为基础建立的监测预警模型,也是当前外来入侵植物监测预警工作中重要的研究方法之一。

  农业物联网。近年来,农业物联网领域的研究非常活跃,我国也在传感器网络系统、RFID系统、有线无线通信系统、分析决策与控制系统等领域取得了关键的技术进步,达到了国际先进水平。2010年8月,中国农业物联网研发中心成立,该中心大力推进农业物联网关键技术攻关,在农业领域的一些重要环节初步实现物联网应用进入国际先进行列,显著提升我国农业信息化水平。

  农业信息服务技术。农业信息服务是农业信息学最早的应用领域,也一直是农业信息学理论、方法和技术创新的热点领域。金农网是中国领先的农业门户网站,提供农业信息、电子商务、广告宣传等服务,已经成为最大的中国农业信息网络平台之一。目前已经在全国334个市,2800个县区,34675个乡镇建立了分站,为61万多个村建立了网页,实现全部覆盖,在乡镇分站上可以查到55万个村子的联系电话。

  (二)农业信息分析

  信息分析工作逐渐应用到农业生产与管理活动之中,并在理论方法研究、关键技术创新和设备系统研发等方面取得重要进展,从而催生出以农业信息流运动规律为研究对象的农业信息分析学(agricultural information analytics)。农业信息分析学是信息分析在农业生产、市场流通、农产品消费和农业经营管理等领域实践活动的科学归纳和抽象总结。我们将农业信息分析学定义为:以农业信息流为研究对象,以农业、信息、经济、管理等学科为基础,以信息技术为手段,通过分析农产品生产、流通和消费等环节信息流,揭示农业产业链中各类信息变化规律的新型交叉学科。

  1. 研究进展

  经过多年的积累和发展,农业信息分析工作在基础数据、分析对象、应用系统、实施效果等方面均取得了重要的研究进展。

  (1)数据获取方面

  基础数据的获取是农业信息分析工作的基础与前提。随着农业信息分析研究工作的推进,我国农业信息数据获取已经实现了由“传统静态”到“智能动态”的转变,自动获取、智能搜索等方法已经在当前的数据采集活动中广泛应用,对监测对象实现了智能化监控,逐渐形成了一批较有影响力的农业信息数据库,为我国农业信息分析提供了有力的支撑。

  目前,卫星遥感、物联网、云计算、无线传感、人工智能、Web挖掘、大数据等现代信息技术广泛应用于农业生产、农产品市场、农产品消费、突发事件等相关领域的数据采集、传输、处理与监控中,使获取数据的时效性、动态性、准确性、针对性明显增强。

  农业信息分析的数据信息逐步积累,一批较有影响力的农业信息数据库逐渐建成。国家农业科学数据共享中心包括了作物、动物、区划、渔业、草地等七个数据分中心,集成了作物科学、动物科学与动物医学、农业区划数据、渔业与水产科学、热作科学、农业资源与环境科学、农业微生物科学等12个领域的500个农业科学数据库,每个数据库都拥有10万条以上信息。

  (2)分析对象方面

  分析对象逐渐细化,分品种分析成为重点。近几年来,许多农业科研工作者和专门的农业信息分析工作者开展了大量的农业与农产品分析研究,从已发表的文章看,2000-2004年期间我国有关农产品分析预测的文章不足100篇,2005-2010年期间接近800篇,近4年有关农产品分析性的文章更是成倍增长,其中1/10左右的文章运用模型进行分析预测。我国农业信息分析发生了明显变化,小麦、棉花、猪肉、牛奶等具体分品种预警的文献增多,月度分析预测的文献趋多。分析产品不仅涉及到粮、棉、油等大宗农产品,而且还涉及到诸如木薯、葡萄等以前极少关注的品种。

  分析对象逐渐扩容,小宗农产品成为农产品监测预警的新对象。农业部分品种监测预警工作,常规监测由起步时期2002年的8大类30个品种扩大到2010的18大类100多个品种,并分别按月度、季度、年度定期发布分品种监测报告。

  (3)应用系统方面

  涉农信息分析系统开发明显加快,由点到面覆盖领域明显拓宽。据不完全统计,目前全国与农业相关的主要监测和预警系统共有84个。近10年来,农业部坚持开展农产品监测预警工作,建立了“农业部农产品监测预警系统”,该系统收集了18大类产品(粮、棉、油、糖、肉、蛋、奶、蔬菜、水果等)、14大类主题(国际、国内、日更新,贸易月度更新、农村经济等)的基础信息数据,通过灵活的指标、算法、警限管理动态组成预警模型,实现分时间分区域动态预警。2008年,新华社依托遍布全国的333个地级市及海外23个重点城市的信息采集员队伍以及海内外信息采集网络,建立了以农副产品和农资价格为主的采集、处理、分析和发布系统——“新华时讯通价格监测分析系统”。

  (4)实施效果方面

  近年来,我国农业信息分析工作得到各方充分肯定。农业部自2002年开始市场分析预测工作以来,农产品监测预警工作效果显著。由农业部信息中心、农业部农村研究中心、中国农业科学院农业信息研究所组成了30多人的信息分析员队伍,对大米、小麦、玉米、猪肉、棉花、油料、禽蛋、奶类、蔬菜、水果等农产品进行常规分析监测和应急跟踪监测,根据数据信息和分析预测结果形成的日报、周报、月报、专报、专刊等形式的系列农产品市场监测数据与深度分析报告上报国务院或农业部。2010年以来,分品种监测由常规监测延伸到热点监测,一些已经发生或潜在发生的事件被及时监测预警,并及时上报,为相关部门及时有效地进行宏观调控提供了决策参考。其中,西南干旱对蔬菜价格影响、绿豆价格暴涨、个体奶站疯狂抢奶、美国鸡蛋沙门氏菌事件、小龙虾安全事件等热点引起了国务院和农业部领导的高度重视。

  2. 重大成果

  《农业信息分析学》出版发行。考虑到国内外尚未有系统阐述农业信息分析学相关理论、方法和技术的著作,中国农业科学院农业信息研究所组织编写了《农业信息分析学》,并于2013年11月由高等教育出版社出版发行。这是迄今为止农业信息分析学科的第一部专著,也是农业信息分析学的“开山之作”。《农业信息分析学》全面系统地阐述了农业信息分析的相关理论、分析方法和模型系统,体现了近二三十年来农业信息分析工作实践与理论的创新成果,成为反映最近国内外前沿研究成果的创新性著作。《农业信息分析学》是农业信息分析领域最新科研工作取得成果的全面凝练和总结,此书的出版发行是近些年农业信息分析学科建设取得的重要标志性成果。

  农情与市场信息监测设备研发取得突破。2014年6月份,中国农业科学院农业信息研究所研制的先进农产品市场信息采集设备(农信采)荣获中国农业科学院科技成果一等奖。该设备集成了农产品市场全息信息理论,内置了《农产品全息市场信息采集规范》和《农产品市场信息分类与计算机编码》两个行业标准,创新了农产品市场信息采集、传输、智能处理等技术,有效地解决了我国农产品监测预警工作中长期存在的数据标准化程度低、采集实时性差、质量难以有效控制等突出问题,为我国农产品生产信息采集与预测预警提供了重要的技术支撑。目前,农信采已在北京、河北、广东等全国多个省市推广应用,并在2014年棉花、大豆目标价格监测工作中发挥了重要的作用。

  农业风险识别与评估技术研究成就显著。国内研究人员以水稻、小麦和玉米等粮食作物为研究对象,分析了我国不同自然灾害的危害程度与危害频率、演变趋势和空间分布,拟合了作物因灾损失率序列的概率分布,估算了不同灾害因子对作物生产的危害程度,创新了农作物自然灾害风险损失识别技术。农业生产风险评估是我国农业稳定发展急需解决的现实问题,也是农业风险评估学科亟待解决的科学问题。国内研究人员基于现代风险分析和评估理论,分别构建了“剔除趋势-拟合分布-度量风险”的农业常规灾害风险评估模型和“计算损失-超越阈值-拟合分布-度量风险”的农业极端灾害风险评估模型,有效地解决了农业常规灾害和极端灾害损失的概率分布难题。

  中国农业展望大会成功召开。2014年4月20日至21日,由中国农业科学院农业信息研究所主办的首届中国农业展望大会在北京召开,开创了中国农业展望工作的先河,结束了中国没有农业展望大会的历史。会议发布了《中国农业展望报告(2014-2023)》以及粮食、棉花、油料、糖料、肉类、禽蛋、奶类、蔬菜、水果等农产品分品种展望报告,围绕农业资源环境、农业支持政策、农业科技创新等热点专题进行了研讨。中国农业展望大会还以农业中长期展望报告发布及18场专题报告形式,围绕当前及今后10年我国农产品生产、消费、市场走势进行了信息发布与研究成果交流。2015年4月20日至21日,“2015年中国农业展望大会”再次在北京成功召开。连续两年中国农业展望大会的成功召开标志着我国农业信息工作取得了显著成效,也是我国农业信息分析学科在实践应用中的重要进展。

  (三)农业信息管理

  依托农业科学理论、信息技术与系统科学,现代农业生产系统在农业生产与研究的各个领域逐步渗透,产生大量的信息流。对这些信息流的获取、加工及有效配置催生了农业信息管理这一新兴学科。在农业信息管理学科的形成与发展过程中,专家学者从不同角度给出了定义。概括来说可以将农业信息管理定义为:以农业管理科学、信息科学及系统科学为基础,以现代新兴信息技术为支撑,针对农业生产活动中产生的信息流进行计划、组织、协调、领导与控制,实现农业信息的充分开发与合理利用。

  1. 研究进展

  随着信息技术的发展,信息管理学科不断与时俱进,融合信息科学理论、计算机科学理论、管理科学理论等多种理论。通过开展农业信息资源建设、信息组织及开发利用、农业信息资源效益评价等研究,重点突破信息资源分析评价、知识组织、本体论、数据挖掘与知识发现、数字资源长期保存等关键技术,完善农业信息管理学科。近几年农业信息管理领域取得了不少重要的研究进展。

  (1)在农业信息资源建设方面

  从上世纪80年代初到90年代乃至本世纪近两年,我国数据库建设得到了飞速的发展。图书馆数据库种类繁多,资源的学科分布则随着国家发展目标、科学研究和教育的需要以及信息市场需求的变化而变化。从最初的书目(索引、文摘)数据库发展到如今的全文数据库、数值数据库和事实数据库;从指南型数据库(指引用户到另一信息源查找信息)的建设发展到了源数据库(直接给用户提供原始资料或具体数据)的建设。

  最近几年,国内关于农业信息资源建设方面的研究主要集中在以下领域:一是标准与政策层面。包括数字化标准建设、开放获取政策等;二是技术层面。包括文献资源数字化与精细化管理技术(文字字符识别,数字内容标引,数字影像处理,农业领域大规模文献数字化与精细化管理技术),互联网信息自动采集、智能分类以及保存管理技术,知识仓库构建技术等;三是应用层面。包括科学数据的管理与共享平台、开放获取应用研究等。

  (2)在知识组织方面

  知识组织体系是通过知识分析、知识揭示和关联关系计算等方式构建的,用以实现知识的有序组织和高效利用,目的是给科研人员提供更多的知识发现途径。

  最近几年,国内关于知识组织方面的研究主要集中在以下领域:一是理论体系层次。包括知识组织结构体系、本体研究与应用等;二是知识组织技术。包括叙词表向本体转化、农业科学叙词表的网络化适应性改造、领域本体与科研本体构建及关键技术等;三是应用层面。包括知识组织系统、网络信息资源集成揭示与导航体系构建等。

  (3)在知识服务方面

  从1999年开始,经过十余年的发展,知识服务的特点、服务模式、实施对策以及方案的研究已经取得了长足的进步和发展,当前知识服务的研究内容主要集中在服务模式以及新技术应用(如本体技术、知识挖掘、语义网格、Web2.0相关技术等)。

  最近几年,国内关于知识服务方面的研究主要集中在以下领域:一是理论体系层次。包括学科化服务、学科资源评价、技术竞争情报等;二是技术方法层面。包括学科化服务平台建设、基于文献计量学方法的相关技术、元数据仓储技术等。

  2. 重大成果

  大规模文献数字化智能化处理技术。在农业科技文献资源数字化加工过程中,国内科研人员引入工作流、流程监控、精细化管理等理念与方法,设计并研建了“文献资源数字化智能加工与精细化管理技术平台”。该平台将数据加工规范、任务流程管理以及协同工作环境等集于一体,实现网络环境下数字化加工全程跟踪管理、多人协同加工、质量控制以及流程监控等。在大规模中外文引文数据加工过程中,引入智能化的加工处理流程和技术,在深入分析大量引文著录规律的基础上,提出十余种典型的引文著录类型,设计了自动批量拆分的工作流程,建立了基于特征词分类和期刊名称知识库的计算机自动批量拆分软件及配套的质检程序和批量修复工具,显著提高了数据加工的效率和质量,确保引文数据每年的加工能力在500万条以上。

  多层次农业知识组织体系建设。在农业领域,国内科研人员与联合国粮农组织(FAO)开展广泛合作,完成了农业多语种叙词表(AGROVOC)的中英文翻译任务、AGROVOC与农业科学叙词表概念映射(Mapping)等工作,为充分整合利用国际范围内的农业科技资源奠定了语义资料基础。采用W3C推荐的本体描述语言RDF、OWL及SKOS等,对农业科学叙词表中的6万多个叙词及13万多条“用、代、属、分、参”等词间语义关系进行不同形式的规范化描述,并开发了叙词表向本体转化的自动批量转化工具,构建了更适合网络环境下开展应用的轻量级农业本体。突出的技术与成果有:网络环境下农业科学叙词表的新发展、农业科学叙词表向关联数据转化、叙词向概念转化以及与其他农业知识组织系统的映射互联等。

  农业知识服务系统研究进展。为了满足新形势下科研用户的需求,提高对各专业研究所一线科研活动的信息保障和信息服务能力,农业领域方面开展了所级数字图书馆建设,面向专业研究所的科研人员、主要学科、科研团队,通过对各类科研资源的组织和信息服务的整合,构建有效支持科研人员进行资源搜索、团队协作、知识管理和知识创新的学科化、知识化服务平台。所级数字图书馆是把国家农业图书馆的资源和服务送到专业所、把知识送到科研人员手中的媒介和有效途径,是一个以用户需求为导向的专业化、个性化知识服务平台。平台除了集成原有传统图书馆服务外,还重点拓展了“一站式”资源检索、科研动态监测、专业知识导航、研究所知识仓储以及用户需求反馈等功能,同时建立了学科组科研信息环境、个人学术空间等支持团队和个人进行知识管理与共享的数字空间,将知识服务融入到用户科研环境中。

  机构知识库研究与建设。目前,中国香港和台湾地区的机构知识库联盟发展较为规模化,如台湾学术机构典藏 ( TAIR: TaiwanAcademic Institutional Repository) 和香港机构知识库整合系统 ( HKIR: Hong Kong Institutional Repositories)。台湾学术机构典藏是台湾大学图书馆接受台湾教育部门委托建设的台湾学术成果入口网站,以达到长久保存学术资源及提供便利使用的目的,也让台湾整体学术研究成果产出更容易在国际上被发现与使用,进而与世界学术研究接轨。

  我国大陆地区的机构知识库联盟建设还处于探索试验阶段,目前建设得比较完善的案例主要有中国科学院机构知识库网格、CALIS 机构知识库以及学生优秀学术论文机构库 ( Outstanding Academic Papers by Students,简称OAPS) 。调研相关文献发现,中国农科院的机构知识库CAAS-IR建设采取了“集中揭示、分布部署”的院所两级模式。为每个研究所建立独立的所级IR,承担本所知识资产的收集、管理和服务;院级IR通过收割或导入研究所知识元数据实现全院知识资产的集中揭示和展示利用 。

  科技热点及重大事件信息监测服务系统。目前,已建立了农业热点及重大事件信息监测服务平台,并在农产品质量安全信息监测、农业科技动态追踪、转基因生物安全信息监测等方面进行了应用。针对食物与营养、农业立体污染、节水农业以及转基因新品种培育等国家重点领域建立了对应的信息资源门户网站,为我国科技工作者提供权威及时的信息服务和资源导航,助力该领域的科技人员及时了解领域研究热点及国内外科研发展态势,提高网络信息资源利用效率,形成能够支撑和保障本领域科研需求的、可靠的科技信息门户。

  移动环境下的微信息服务。随着移动互联网的发展,越来越多的图书馆机构开设微博作为信息发布的渠道、参考咨询服务的平台及馆员读者互动的空间。国家农业图书馆微博开通于2011年8月份,由国家农业图书馆馆员负责微博信息的发布与回复等事项。截止2015年3月6日关注国家农业图书馆官方微博的用户数5901人,发布包括农业信息所新闻、网上数据库培训通告、涉农书评及相关博文共计1664篇。期间响应中央一号文件,借助所基本科研业务费支持,利用国家农业图书馆官方微博作为服务平台开始为广大地方乡镇农业局、农术推广站、动植物疫病防控站、种植养殖企业等机构或涉农个人快速提供中文农业实用技术文献查询和网络传递服务。2014年共通过“国家农业图书馆官方微博”提供咨询61次;收到了来自基层农业机构、农村合作社和种植养殖户等用户的积极响应和 广泛好评。

  伴随移动媒体时代的到来,微信作为一种新型的社会化媒体,成为继微博之后又一高效的服务应用。2014年11月,为更好的宣传和推广图书馆资源与服务,国家农业图书馆开通了官方微信服务,提供本馆介绍、服务公告、农业学术搜索、馆藏书刊目录、电子期刊导航、网上咨询、教育培训、专题信息等。服务开通后用户反响良好,截止目前关注用户650人,且还在快速增长。用户可通过在微信软件中直接搜索“国家农业图书馆”,或扫描NAIS平台首页(http://www.nais.net.cn)的二维码,关注国家农业图书馆官方微信。

  (四)动物生物技术

  动物生物技术学科是以动物为主要研究对象,以优秀动物个体的高效利用为目标,以分子生物学和细胞生物学为基础,着眼于全基因组、转录组、蛋白质组和细胞组学,采用基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程、发酵工程等手段,对动物特定性状和产品品质进行改造或提高的相关生物技术,以此获得新型生物制品,培育高产、优质畜禽品种。本报告拟对动物基因工程、细胞工程、动物分子评估技术、动物分子育种技术四个热门方向阐述其研究进展和重大成果。

  1. 研究进展

  (1)动物基因工程

  目前,动物基因工程主要围绕提高外源基因在受体细胞中定点整合率、表达水平,精准靶向修饰DNA等开展研究,尤其基因编辑技术日新月异,不断创新。近年来,ZFN、TALEN、CRISPA/Cas9技术通过对靶序列引入双链断裂,从而极大地提高特异位点序列的突变频率以及外源模板存在时的同源重组效率。2012年,TALEN被科学(Science )杂志评为十大科学突破之一。2013 年,美国两个实验室在《Science》杂志发表了基于 CRISPR/Cas9 技术在细胞系中进行基因敲除的新方法。CRISPR/Cas9是目前最热门的基因组编辑工具,2014年以来,国内外多个研究小组聚焦这一领域,在《Science》、《Nature》和《Cell》等杂志上发表多项重要成果,而生物技术公司也迅速推出相关产品。

  (2)细胞生物工程

  2001年,中国农业大学在唐山芦台经济技术开发区成立了中国第一个体细胞克隆牛胚胎移植中心,次年4月,中国第一头地方优质奶牛也在芦台经济技术开发区诞生,并于2004年利用胚胎移植技术成功培育出具有世界最新药物蛋白基因的2头克隆奶牛。中国科学院昆明动物研究所、云南中科胚胎工程中心和西藏自治区共同合作于2006年6月利用胚胎移植技术成功获得了4头小牦牛崽,同时技术人员成功导入了野生牦牛的遗传基因。新疆分别实现了牛、羊、的胚胎移植试验,走在全国胚胎移植方向的前列。在2004年6月,新疆天山马鹿种源保护与繁育基地利用胚胎移植繁育马鹿,成功产下7头活体。2007年7月全国著名胚胎移植专家、新疆农牧科学院畜牧研究所所长陈静波主持的课题组成功获得了全国首例驴胚胎移植成果,成功产下一头胚胎移植的策勒驴。

  (3)动物分子评估

  目前,动物分子评估技术普遍采用SNP芯片、基因组重测序、简化基因组测序等技术获得基因组范围内的单核苷酸变异(SNVs)和其他基因组结构变异(SVs),用来分析群体遗传结构、鉴定系统分类、挖掘基因功能等。2005年Science杂志首次报道利用全基因组关联分析(GWAS)鉴定了年龄相关视网膜黄斑变性结果,随后一大批有关复杂疾病的GWAS报道不断出现,随着不同基因组测序的相继完成以及高通量测序技术平台的搭建,GWAS也开始在畜禽疾病性状和数量性状基因鉴定方面发挥重要的作用。国家863计划课题“基于高密度SNP芯片的牛、猪基因组选择技术研究”以杜洛克种猪和荷斯坦奶牛为研究对象,采用全基因组SNP芯片对猪、牛基因组进行分子育种值估计,更准确地对种用家畜进行早期选种,开始了我国的家畜全基因组分子评估的研究及应用。

  (4)动物分子育种技术

  全基因组选择。基因组选择是基于对畜禽GEBV的选择,因此GEBV评估的可靠性是实施基因组选择的关键。目前的发展动态集中在以下4个方面:基因组选择模型的发展、参考群体的扩大和联合、基因组选择应用于杂交群体以及高密度SNP芯片的开发和使用。

  基因组编辑技术。2014年赵宇航等利用锌指核酸酶技术对牛成纤维细胞Myostatin基因进行了定点敲除。2014年唐成程利用TALEN技术获得了敲除albumin基因的阳性猪。在此之后又相继获得了含HbgAg乙型肝炎表面抗原基因的转基因兔、含EPO基因和人乙型肝炎表面抗原基因2种乳腺特异性表达的转基因山羊、含“生物钢”蛋白基因的转基因老鼠等各种转基因动物模型。

  转基因育种。我国科研人员已经成功培育出转基因猪、牛、羊、鸡等重要家禽家畜新品种和家蚕、兔子、水貂等经济动物。目前转基因育种的研究主要集中在体高动物的生长率、提高动物产毛性能和品质、提高抗病性、改善肉质和奶质等几个方面。

  2. 重大成果

  (1)高通量测序技术的应用深入解析动物结构基因组。

  一是我国利用二代Illumina HiSeq2000测序平台,对金丝猴进行全基因组重测序。通过比较基因组学,结合功能实验和宏基因组分析,揭示了灵长类植食性适应的分子机制,并阐明了金丝猴属的起源和演化历史。研究结果于2014年11月2日以封面文章在Nature Genetics上发表。

  二是中国联合其他国际研究组通过绵羊与其它哺乳动物的遗传基础进行比较,解释了绵羊特殊消化系统及绵羊独特脂肪代谢过程,定位了维持其厚实、毛茸茸的皮毛性状基因。相关文章发表于 2014年6月6日的《Science》杂志上。

  三是中国科学家通过比较北极熊和棕熊的基因组,揭示出北极熊是比以前认为的要更年轻的一个物种。分析结果还揭示出了与北极熊能够极端适应北极地区生活相关的几个基因。相关研究结果被选作封面故事发表在2014年5月8日的《细胞》(Cell)杂志上。

  四是中国联合美国研究人员共同完成构建了覆盖我国24个省市自治区现有68个猪种的中国地方猪种基因组DNA库,发现了中国北方猪单倍型很可能来自另一个已经灭绝的猪属(Suide)。这是首次在哺乳动物中发现古老属间杂交导致适应性进化的遗传学证据。该研究2015年1月26日发表于Nature Genetics杂志上。

  五是中国科学家对藏獒、藏狗及低海拔犬种进行全基因组测序,并结合中国土狗和灰狼的群体SNP数据,挖掘到藏獒基因组中高度分化的区域,发现了EPAS1、HBB16 等低氧选择基因。这些研究结果发表在Molecular Biology and Evolution(2014年2月)和Genome Research(2014年8月)杂志上。

  六是中国学者测定了蒙古马和普氏野马的全基因组,确认了蒙古马和普氏野马间的一次染色体罗伯逊易位事件,并且发现罗伯逊易位并没有导致染色体更多的局部重排。研究还发现了两种重复序列对基因组的不稳定性有着强烈的影响。该成果于2014年5月14日发表在Scientific Reports杂志上。

  七是中国学者在古代动物遗传评估上也取得重要进展,成功获取了世界上最古老的鸡骨遗骸线粒体DNA序列,证明了生活在一万年前中国北方地区的家鸡原始群体是现代家鸡的祖先群体之一,该研究2014年12月9日以封面文章发表在PNAS杂志上。

  (2)基因表达技术的发展推进了遗传修饰动物培育

  基因组编辑技术的快速发展。2013年6月上海市调控生物学重点实验室、华东师范大学生科院生命医学研究所刘明耀教授和李大力副教授课题组在《Nucleic Acids Research》发表了关于转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)的技术论文,成为世界上最早利用该技术构建基因敲除小鼠的两个团队之一。

  2014 年,中国农业大学连正兴课题组获得世界上首例利用CRISPR/Cas9技术打靶基因的绵羊,建立了定点编辑Myostatin基因的绵羊模型,从而实现了将CRISPR/Cas9应用于绵羊生产性状和抗病性状的研究提供参考和依据。南京大学模式动物研究所的黄行许博士于2014年12月成功利用CRISPR/Cas9系统在孪生食蟹猴中介导了精确的基因打靶修饰。该成果进一步证实了利用CRISPR/Cas9系统在猴子中实现基因编辑的可行性。2015年3月西北农林科技大学通过TALEN技术获得了抗结核的转基因牛。2015年4月吉林大学教授赖良学博士的研究团队利用最新的CRISPR/Cas9技术成功地培育出两种基因敲除克隆小型猪,建立了人类白化病和帕金森综合征两种猪模型。

  转基因动物的高效制备。2014 年,Hai等通过原核注射技术,首次利用 CRISPR/Cas9 系统得到了 vWF 基因敲除猪,证明了CRISPR/Cas9 技术在大动物中的可应用性。同年,世界上第一个利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术培育出的转基因羊也诞生了。

  在高品质转基因奶牛制备方面,中国已建立具有自主知识产权和国际先进水平的转基因奶牛生产和扩繁技术平台,获得原代转基因奶牛60多头,第二代转基因公牛24头,第三代转基因奶牛200多头。

  (3)生物传感器的研发和应用

  在过去的十年里各种不同光谱的荧光蛋白不断地被发现,受到启发的研究人员一直期待着开发出一种工具能够对生物功能进行直接的显像研究。除了最常见的利用荧光蛋白成像观测基因表达和蛋白质动态,现在科学家们又利用荧光蛋白生成了生物传感器,可用于检测离子和小分子浓度、酶活性、蛋白质翻译后修饰及蛋白构象改变。

  (五)植物生物技术

  植物生物技术学科是一门在植物学、遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科基础上发展起来的新兴技术学科,主要目标是应用现代生物技术改良植物遗传性状、培育植物新品种和生产生物新产品。近年来,为了应对全球产业结构调整和贸易全球化对我国农业现代化的影响,国家加大了对植物生物技术的投入,实施了国家转基因生物新品种培育重大科技专项,在国家重点基础发展计划和国家高技术研究发展计划中部署了植物生物技术研究内容,使植物生物技术学科在基础理论、技术手段、安全管理、产业发展等方面均取得了显著成就。

  1. 研究进展

  (1)植物细胞工程

  脱毒及快速繁殖。目前国内主要是跟随、消化、局部创新国外新技术并引进新物种扩大植物脱毒快繁种类等,而国外在研究成功无土栽培、气雾栽培、光自养微繁技术(无糖组培技术)、快繁生物反应器、人工种子、广谱抑菌剂、LED新光源等新技术,同时逐渐进入自动化规模化生产水平。

  育种研究。重要经济植物的体细胞杂交目前较多选用近缘种内或种间以及较近缘属组合,主要是供体-受体式不对称融合。体细胞无性系变异通常用于单一或少数性状的变异,适合综合性状良好,但个别性状需要改良的品种。

  药物及其它生物制剂的工业化生产。利用细胞悬浮培养、固定化细胞培养、毛状根培养和生物反应器等大批量培养组织、细胞,可以实现药用植物等来源生物产品(次生代谢产物、药物等)的规模化生产。

  (2)植物染色体工程

  倍性育种。西瓜多倍体的利用是以四倍体和三倍体为主。香蕉、葡萄、毛白杨等植物的三倍体品种均已大面积推广种植。我国在利用玉米单倍体育种技术上起步较晚,已经选育出了一些玉米自交系/杂交种,如川单15、正红211、农大高诱1号等。

  染色体代换系和渗入系。植物的染色体片段代换系和片段渗入系主要应用于基因定位、基因功能和育种利用研究方面。如:利用水稻染色体代换系进行耐冷QTL定位、抽穗期QTL定位、柱头长度控制基因定位等,普通小麦-长穗偃麦草异代换系抗白粉病种质培育、小麦–华山新麦草异代换系的鉴定,利用玉米片段代换系进行花期、株型相关的QTL定位,利用大豆片段代换系进行抗黑荚果病基因定位。

  (3)植物基因工程

  植物表达载体。传统的载体系统涉及一个或几个基因,现阶段常用的植物表达载体有pBI121、CAMBIA系列载体、利用Gate-way技术的系列载体、位点特异性重组(如Cre /lox、FLP/FRT、R/RS等)载体,以及整合几个技术或几类质粒优点的载体,它们能基本满足当前基因工程研究的需求。

  植物基因规模化转化技术平台。农杆菌介导法已经成为植物基因转化的主流方法。Ozawa等(2012)通过改变愈伤组织与农杆菌的共培养方式等条件,可使测试的4个水稻品种的转化效率最高达90%,最终总结出适于多数水稻品种的高效农杆菌遗传转化体系;张欣等(2014)建立的水稻规模化转基因技术的转化效率常年稳定在40%-60%,转化周期从传统的5-6个月缩短到2.5-3个月。叶兴国等(2014)建立了小麦规模化转基因技术体系,转化效率为2%-4%。我国最近建立了玉米规模化转基因技术体系,以玉米杂交种HiII幼胚为受体的农杆菌介导的玉米遗传转化率约5%,以玉米自交系综31 幼胚为受体的遗传转化效率为2%-3%。刘传亮等(2014)建立了以中棉所24为受体的农杆菌介导转化体系,总体转化率5%以上。大北农生物技术中心目前已基本实现了大豆批量转化,农杆菌介导的转化效率为5%-8%,能基本满足了产业化需求。

  (3)植物基因组定点编辑技术

  ZFN系统。2005年ZFN技术开始在植物上应用。Cai等(2009)用ZFN在烟草内源基因上精确插入报告基因。Zhang等(2010)用CoDA方法构建ZFN敲除拟南芥内源基因。de Pater等(2013)用ZFN介导的双链断裂-同源靶向修复对拟南芥原卟啉原氧化酶基因进行了编辑。

  TALEN系统。TALE核酸酶的可用靶位点更广泛,应用和发展更迅速。2012 年,TALE核酸酶被Science 杂志评为当年的十大科技突破之一。Li等(2012)用TALEN技术敲除水稻的感病基因Os11N3,提高水稻抗病性。Zhang等(2013)用TALEN转化烟草原生质体,基因同源重组效率达4%。Shan等(2013)用Golden Gate法构建TALEN高效敲除了一系列短柄草和水稻中的基因。

  CRISPR/Cas9系统。CRISPR/Cas9系统建立之后,很快在在烟草和拟南芥、水稻、高粱、地钱、甜橙、番茄、大豆等植物上取得成功。与基因打靶、ZFN和TALEN等基因组定点编辑技术相比,CRISPR/Cas9技术简单、高效,也不失精准,具有很大发展前途。

  (5)植物分子标记技术

  主要作物的遗传连锁图谱是基于第一代分子标记建立的,因而以RFLP为代表的第一代标记仍然具有参考价值,但基因定位、标记辅助选择实践中一般先把它转化为第二代标记(如STS标记)再进行利用。以SSR标记为代表的第二代分子标记正在基因组作图、基因定位、亲缘关系鉴定、系统分类、分子标记辅助选择育种等领域发挥重要作用。但随着高通量测序成本和检测仪器价格的下降,以及更多植物全基因组被解析,以SNP为代表的第三代分子标记技术将发挥更大作用。

  2. 重大成果

  植物细胞工程。植物细胞工程理论、技术已经趋于成熟、完善,在脱毒快繁、细胞大批量培养等方面产业规模稳定,但在原来相对落后的花卉产业近几年获得了一些阶段性成果。

  植物染色体工程。一是小麦染色体组的起源。2014年国际小麦基因组测序联盟基于分离染色体臂测序发表了小麦的全基因组草图;Marcussen等在小麦和多个小麦近缘种(其中A、D基因组由中国研究组于2013年完成)全基因组草图基础上,进行基因组水平多基因树分析,提出了A、B染色体组7百万年前分支,1-2百万年后A、B染色体组同倍杂交形成D染色体组,不早于0.82百万年杂交形成AABB,0.43百万年杂交形成小麦(AABBDD)的小麦起源新学说。二是植物的基因组测序。2012年中国完成小米基因组草图。2012年8国联合完成了雷蒙德氏棉全基因组测序,此后,中国相继完成了二倍体棉属植物木本棉的基因组测序(2014)、四倍体陆地棉基因组测序(2015)。2013年中国完成西瓜全基因测序工作,欧洲构建了甜菜的参考基因组,中国完成小麦A基因组祖先乌拉尔图小麦的基因组序列草图,中外合作完成短药野生稻基因组测序。2014年中国完成了枣基因组测序工作,中国发布了蝴蝶兰全基因组图谱,几个中外研究组相继公布了辣椒的全基因组序列图。2015年中国完成了青稞全基因组草图。

  植物基因工程。一是青蒿素的高效生产。在青蒿中超表达IPI基因后青蒿素的量较对照提高30%~70%,将青蒿FPS基因超表达后青蒿素量较对照提高了34.4%,超表达腺毛体特异表达的细胞色素P450 蛋白及其伴体蛋白的基因后青蒿素的量较对照提高2.4倍,过表达HDR和ADS基因后青蒿素的量较对照提高2.48倍,过表达DBR2基因后青蒿素的量最高可达对照的9.06倍。二是水稻生产白蛋白。杨代常等(2011)利用转基因水稻种子生产的重组人血清白蛋白在生理生化性质、物理结构、生物学功能、免疫原性与血浆来源的人血清白蛋白一致,并建立了大规模生产重组人血清白蛋白的生产工艺,获得了高纯度和高产量重组人血清白蛋白产品,证明利用转基因水稻种子取代现有基于发酵的表达技术来生产重组蛋白质是经济有效的。该项目获得2013年国家发明二等奖。

  植物基因组定点编辑技术。基因组定点编辑技术的重大进展和标志成果是CRISPR/Cas9技术。2012年问世以来,其研发和应用迅速成为生物学研究热点,如:高彩霞等(2014)采用CRISPR-Cas技术定点编辑了水稻和小麦两个作物的OsPDS、TaMLO等5个基因,获得了抗病性提高的水稻及小麦新株系。

  植物分子标记技术。中国农业科学院作物科学研究所万建民团队研究项目“水稻籼粳杂种优势利用相关基因挖掘与新品种培育”通过20年的系统研究,发掘出水稻广亲和、早熟和显性矮秆基因,开发相应分子标记和育种技术,成功培育籼粳交高产水稻新品种,荣获2014年度国家技术发明奖二等奖。万建民团队在发掘17个不育位点及广亲和基因基础上开发相应分子标记,聚合广亲和基因创制广亲和恢复系和粳型亲籼不育系,解决了籼粳杂种半不育难题;在发掘早熟基因基础上提出基于感光基因型和光钝感基因的分子设计方法,解决了籼粳杂种超亲晚熟问题;在发掘显性矮秆及株型关键基因基础上,开发相应分子标记,为培育籼粳交理想株型奠定基础。北京市农林科学院许勇团队创新了西瓜分子标记辅助育种技术体系,解决了我国西瓜育种优异性状来源少和遗传基础狭窄的难题,选育出优势突出、综合性状领先的“京欣”系列西瓜品种,该成果2014年获国家科技进步奖二等奖。

  (六)微生物生物技术

  近年来,生物技术已经拓展成包含了生物学、医学、工程学、数学、计算机科学、电子学等多学科相互渗透的综合性学科。在农业微生物方面,生物技术主要涉及微生物在食品、饲料、兽药、肥料、农药等领域的应用,按照生物技术的定义,任何一种农业有益微生物的利用皆为生物技术的一种体现。由此可以看出,农业微生物生物技术也就是农业有益微生物在农业生产中的应用,此外还包含使其他农业微生物通过生物技术改造向有益微生物转化的过程。

  1. 研究进展

  随着研究的不断深入,在农业微生物生物技术领域不断涌现出新的理论、方法、观点、技术、成果,为农业科学研究和生产实践注入新的活力,同时也出现了新的趋势。

  (1)微生物生物技术在肥料方面的进展

  近两年来,关于微生物肥料的研究主要集中在植物促生微生物的筛选及效果评价尤其以植物根际促生细菌(plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)最为广泛,目前的研究主要集中在三个方面:是否改善作物生长状况和品质、微生物肥料介导的污染土壤的植物修复以及植物病原体的拮抗剂。

  (2)微生物生物技术在饲料相关研究的动态

  近两年来,国内外对于微生物饲料的研究主要还是集中在微生物饲料添加剂、饲用酶制剂以及微生物提取物。由于抗生素作为饲料添加剂带来的种种问题如:抗生素残留问题和对抗生素产生抗性的病原菌问题等,使得目前世界范围内对抗生素添加剂陆续禁止,因此微生物饲料添加剂作为抗生素替代物成为了现在国内外研究的热点;而饲用酶制剂也是近几年才陆续被人们认识到可以很好的促进动物生长的物质,其主要研究焦点是在其耐热、耐酸等性质上的改进,目前在该领域国内的研究水平处于世界一流水平;近两年关于微生物提取物的研究主要集中在其在实际工业生产中如何改造更好的工程菌等。

  (3)微生物生物技术在生物农药方面的研究进展

  广义的微生物农药包括活体微生物农药和农用抗生素。而狭义的微生物农药专指活体微生物农药,根据用途和防治对象不同,微生物农药主要包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂,除草剂等,近两年关于微生物生物技术在生物农药方面的研究主要集中在用作微生物杀虫剂和真菌杀虫剂领域。

  2. 重大成果

  微生物中发现对糖尿病有效成分。中国农业科学院农产品加工研究所吕加平研究员团队对酵母源葡萄糖耐量因子(GTF)进行了结构解析以及功能评价,确证从GTF高产酵母中分离获得了两种含铬物质,其中GTF为小分子含铬物质,并通过红外光谱、质谱等技术对GTF进行结构解析。Ⅱ型糖尿病模型鼠试验表明:GTF酵母菌粉可显著降低糖尿病小鼠总胆固醇和甘油三酯含量,高剂量的GTF酵母可显著降低糖化血红蛋白;对胰腺组织和β细胞有一定保护作用。本项成果为酵母源GTF作为补铬营养强化剂及保健食品配料的深度开发提供了重要理论依据。

  建立完善饲用酶制剂研究生产体系。中国农业科学院饲料研究所姚斌研究员团队通过对酵母及芽胞杆菌高效表达机制的生物学基础研究,发现了一批新的表达因子及它们的作用机理和功能,并在此基础上,构建、完善了饲料用酶高效表达技术体系,保障了饲料用酶的规模化廉价生产,最终突破了一系列饲料用酶研发的关键技术。该团队所从事的多种饲料用酶的开发工作始终保持国际领先地位,其创制的4种主要非淀粉多糖酶—木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶和α-半乳糖苷酶,均具有优良的性能和低廉的生产成本。该项成果荣获2014年度国家科技进步二等奖。

  酵母多糖微量元素多功能生物制剂研究。中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所完成了对“酵母多糖微量元素多功能生物制剂研究”,采用微波诱变,筛选出既富含锌、铁微量元素,又高产多糖的遗传性状稳定的新酵母菌株,并获得1项专利。研制出集酵母多糖和微量元素锌、铁的生理功能于一体的高效、低毒多功能复合型生物制剂。该研究成果达到同类研究国际先进水平。

  秸秆无害还田技术取得进展。中国农科院油料所的研究团队从油菜根际土壤中分离出了十多种微生物菌株,从中筛选出两株特异功能微生物,分别是能高效腐解油菜秸秆的哈茨木霉菌和高效腐解菌核的棘孢曲霉。该复合菌剂便由这两种微生物组成,其可使油菜秸秆腐解率提高23.9%,菌核腐菌核腐解率提高38.1%,提高土壤理化及生物性状,使后茬水稻产量提高3.0%,下季油菜菌核病病情指数下降16.8,菜籽增产5.0%。目前该微生物菌剂已大面积示范推广。

  真菌杀虫剂致病机制研究与改良取得重要进展。浙江大学方卫国教授团队从一个T-DNA随机插入突变体库中,发现了一个罗伯茨绿僵菌的致病突变体,其中甾醇转运蛋白基因Mr-npc2a被破坏。Mr-NPC2a的作用是帮助真菌在昆虫血腔内保持细胞膜的完整性。生物信息学分析表明,绿僵菌在进化过程中通过基因水平转移从寄主昆虫中获得了Mr-npc2a。该研究用实验证明了基因水平转移推动了病原真菌的毒力进化,丰富了真菌毒力进化理论。研究成果已经发表于PLos Pathogens(Zhao H et al., 2014)。

  Bt微胶囊制剂理论研究重要进展。中国农业科学院植物保护研究所团队发现了控制细胞壁水解的关键基因cwlB,该基因的缺失导致Bt母细胞不能裂解,这为进一步研究开发抗紫外Bt微胶囊制剂奠定了基础(Yang et al. 2013)。该团队还构建了Bt sigK缺失突变株,该突变株芽胞发育与细胞裂解受到影响,进一步筛选了可以在该突变体中表达基因的Bt启动子,并表达了Cry1Ba基因,不裂解的细胞壁包裹杀虫蛋白形成了微胶囊,进一步测试结果显示该微胶囊形式的蛋白可以显著抵抗紫外线对杀虫蛋白的灭活作用(Zhou et al. 2014)。

  微生物农药、肥料持效性理论研究重要进展。微生物农药、肥料在植物根际形成生物被膜是其能否长期定殖、有效的重要因素。近年来研究发现植物本身的遗传、代谢特性与此密切相关,为进一步作物评价提供新的指标。美国哈佛大学研究团队研究表明定植于拟南芥的枯草芽胞杆菌形成与否是由特定的植物多糖介导的。这些多糖作为生物被膜的信号因子通过激酶控制磷酸化的调节因子spo0A来转换。除此之外,植物多糖作为糖的来源来供给生物被膜的形成,该研究成果为由植物介导的枯草芽胞杆菌生物被膜的形成研究提供了证据(Beauregard et al. 2013)。

  (七)作物遗传育种

  作物遗传育种是当代农业科学发展的前沿学科之一,是基础农学研究的核心和重要组成部分。作物遗传育种是研究运用遗传变异规律,能动地进行作物遗传改进,促进生产稳定增长,提高劳动生产率的重要理论和技术基础,加强作物遗传育种研究可推动农业向高产、高效、优质、低耗的方向发展。在作物遗传育种研究的发展过程中,由于优异作物遗传资源的开发利用,多种遗传改良途径的开拓和技术革新,以生物技术为主体的高新技术的应用,育种基础理论和应用基础理论研究的不断深入,显著提高了作物育种的效率和水平,也不断推动了作物遗传育种学科的发展。

  1. 研究进展

  (1)基础研究稳步推进

  随着越来越多的植物基因组序列测定工作的相继完成,基因组学的研究由以大规模测序为代表的结构基因组学研究正在向以功能鉴定为主的功能基因组学研究转移。农作物育种思想也从传统杂交育种转变到分子育种及分子与传统相结合的育种。继我国科学家完成籼稻、黄瓜、马铃薯、家蚕、联合固氮斯氏假单胞菌全基因组测序后,中国农业科学院油料作物研究所张秀荣研究员领衔的芝麻与特色油料遗传育种创新团队与中国科学院合作,在国际上率先完成了芝麻高密度单倍型图谱构建和主要农艺性状大规模的全基因组关联分析,发掘了一批关联位点和候选基因。相关研究成果于2015年10月19日在线发表在国际知名期刊《自然通讯(Nature Communications)》杂志上。该团队在前期完成芝麻基因组测序的基础上,筛选来自世界29个国家的芝麻资源705份进行了全基因组测序,发掘500多万个核苷酸变异(SNP),构建了高密度芝麻单倍型图谱。对世界芝麻资源的遗传多样性和群体结构进行分析发现芝麻资源分化为南方和北方两个生态类型。对油脂和产量相关的56个重要农艺性状进行了全基因关联分析,获得关联位点549个,候选基因46个。

  (2)现代生物技术育种创新体系

  2015年,中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪团队在现代生物技术育种创新体系领域研究方面开启了新篇章。他们主持的“分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项以水稻为主,小麦、鲤等为辅,利用野生种、农家品种和主栽(养)优良品种等种质资源,综合运用基因组学、系统生物学、合成生物学等手段,解析高产、稳产、优质、高效等重要农艺(经济)性状的分子模块,揭示水稻复杂性状全基因组编码规律,发展多模块非线性耦合理论和“全基因组导航”分子模块设计育种技术,优化多模块组装的品种设计的最佳策略,建立从“分子模块”到“设计型品种”的现代生物技术育种创新体系,为实现全基因组水平多模块优化组装、培育新一代超级品种提供系统解决方案。该研究基于优良品种的全基因组遗传信息,建立多模块耦合与组装的分子模块设计育种创新体系,培育符合现代农业需示的高产、优质、稳产和高效设计型新品种,主要开展分子模块解析、分子模块系统解析和耦合组装、品种分子设计与培育、分子设计育种基地完善与能力提升4个方面的研究,开启了我国探索基因组育种的新篇章。

  (3)国际合作取得显著进展

  针对我国小麦育种中可用亲本资源短缺和品种对白粉病与条锈病的抗性频繁丧失两大关键问题,在农业部引进国际先进农业科学技术计划等支持下,采取国内协作与国际合作相结合、品种与先进抗病育种理念(微效基因成株抗性,具有持久抗性)同步引进并与自主创新相结合的策略,1989-2014年系统开展了CIMMYT(国际玉米小麦改良中心)小麦的引进、研究与创新利用,在以下三个方面取得重要进展。

  一是从CIMMYT及14个国家引进品种资源50972份次,包括育成品种与品系、农家种、近等基因系和近缘种等。利用春化、光周期、早熟性、矮秆等影响品种适应性的主要基因的分子标记与表型鉴定相结合,明确了主要国家品种引进后在我国主产麦区的表现规律和利用价值,提出利用CIMMYT种质的具体途经和亲本组配模式。将筛选的18165份有一定利用价值的优异资源交国家和地方种质库长期保存,约占国家种质库引进小麦品种的60%,为我国小麦育种和遗传研究提供了丰富的品种资源和重要信息。

  二是从引进品种及国内品种中筛选鉴定出对白粉、条锈和叶锈病表现成株抗性的品种116份。首次发现兼抗上述三种病害且效应较大的成株抗性基因位点(QTL)5个及其紧密连锁的分子标记9个,占国际上已报道的兼抗型成株抗性位点(共9个)的55%;与CIMMYT合作发现2个抗锈基因Yr18/Lr34和Yr29/Lr46兼抗白粉病。创立了分子标记与常规育种相结合的兼抗型成株抗性育种新方法,并育成农艺性状优良的兼抗型品系50份,为培育兼抗型持久抗性品种提供了遗传基础清晰的亲本、基因、分子标记和有效的育种方法,为从根本上解决品种抗性频繁丧失提供了新思路和可操作的新方法。

  三是通过引进种质创新利用,育成目标性状突出、综合性状优良的育种可用亲本10份,其中SW3243和新春6号分别成为四川和新疆小麦育种的骨干亲本。引进的18个品种经筛选鉴定后直接审定推广,项目组和其它协作单位利用引进种质与创制的骨干亲本育成37个高产抗病优质广适新品种,根据农业部全国农业技术推广中心的统计,1990-2014年上述品种累计推广2.96亿亩,其中近3年推广3633万亩。引进的CIMMYT品种对全国小麦育种和生产乃至国家粮食安全做出了重要贡献。

  2. 重大成果

  “分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项。一是分子模块解析。通过遗传资源材料的评价,获得了108份高产优质稳产高效的优异模块供体材料。初步解析了13个水稻的分子模块,包括水稻高产分子模块dep5、dep6、GS8.1、GS8.2、NPT1和NPT2等,抗稻瘟病分子模块Pizs,抗纹枯病分子模块RSR1,耐冷分子模块P204、A170V和S229N以及氮高效利用分子模块Chr1和ARE1等。二是分子模块系统解析和耦合组装。通过对302份代表性大豆种质深度重测序发现大豆在驯化和改良过程中遗传多态性明显降低,揭示了大豆育种中的选择瓶颈效应;进而通过基因组分析,在驯化阶段鉴定出121个强选择信号,在品种改良阶段鉴定出109个强选择信号;通过全基因组关联分析并整合前人QTLs分析,发现很多选择信号和油相关性状有关,说明大豆产油性状受人工选择较多,形成复杂的网络系统共同调控油的代谢,从而引起不同种质油相关性状的变异。研究还定位了一系列重要农艺性状的调控位点,明确了一些基因在区域化选择中的作用,如控制花周期的E1,控制生长习性的Dt1,控制绒毛颜色的T等,为大豆重要农艺性状调控网络的研究奠定了重要基础。该成果发表在Nature Biotechnology上(DOI:10.1038/nbt.3096)。

  CIMMYT小麦引进、研究与创新利用。本项目发表相关学术论文80篇,其中SCI论文50篇,包括TAG和Crop Science有关成株抗性的评述性论文2篇,影响因子2.0以上期刊22篇,经Web of Science检索,SCI累计引用760次;中国农业科学和作物学报论文30篇。出版专译著6部,获发明专利5项。分别与CIMMYT及美国和澳大利亚建立了小麦育种联合实验室,召开国际研讨会8次,培养博士后和研究生45名,派遣访问学者65名,为提高我国小麦研究创新能力和扩大国际影响做出重要贡献。该项目已经通过2015年度国家科技进步奖二等奖初评。

  水稻育种。我国水稻杂交优势利用一直处于国际领先地位,并不断取得新的突破。超级稻育种形成了以“理想株型塑造与籼粳亚种间杂种优势利用相结合”的超级稻育种的理论和方法。光(温)敏核不育基因、广亲和基因的发现和利用是超级稻育种取得成功的重要因素,我国科学家发现的水稻光(温)敏核不育基因可使杂交水稻免除保持系,使杂交水稻由“三系法”发展为“二系法”,不仅简化繁种制种程序、降低杂交种子生产成本,而且两系杂交稻的配组较自由,选配到优良组合的机率提高。另外,浙江省农业科学院姚海根团队申报的“晚粳稻核心种质测21的创制与新品种定向培育应用”项目已经通过2015年度国家科技进步奖二等奖初评。

  小麦育种。从分子标记-生化标记-籽粒和面粉性状-食品加工品质四个层次首次创立了符合国际标准的中国小麦品种品质评价体系。发现小麦新基因和新标记26个,发掘并验证可用于育种的分子标记13个;育成优质小麦品种中优9507、中作8131-1和临汾5064,已成为全国优质麦育种的骨干亲本,以此作亲本育成的优质品种23个,累计推广1.8亿亩,2008年获得国家科技进步一等奖。矮败小麦及其高效育种方法的创建与应用,在国际上首创了将显性核不育基因Ms2与显性矮杆基因Rht10紧密连锁于4D染色体短臂的重组体,即矮败小麦特异种质资源。创建了基于矮败小麦的轮回选择技术,构建完成了矮败小麦高效育种平台和全国矮败小麦育种协作网。利用矮败小麦高效育种方法育成国家或省级审定新品种42个,累计推广1.85亿亩,2010年获得国家科技进步一等奖。

  大豆育种。广适高产优质大豆新品种中黄13的选育与应用研究,提出了不同纬度与遗传远缘的亲本杂交培育广适大豆的育种新方法,创建了广适高产大豆育种技术体系,培育出大豆新品种中黄13,实现了大豆育种新突破,2012年获国家科技进步一等奖;

  棉花育种。在棉花转基因优质纤维品种培育及材料创制方面获得突破,将拥有自主知识产权的来源于油菜FCA基因中编码RRM2结构域的cDNA片段构建了转基因载体,获得一批产量性状有明显改良T4代转基因棉花植株,其棉铃增大非常明显,平均单铃重较受体品种中棉所12最高增加49.9%。同时,转基因植株能显著增加棉纤维的长度和提高棉纤维强度。这个转基因材料已经通过农业部环境释放。研究绘制了二倍体棉花-雷蒙德氏棉的全基因组草图,创制出第二代优质纤维、优质大铃转基因棉花种质新材料,加快了优良棉花新品种的培育进程;创新了棉花黄萎病抗性鉴定和选择技术,创立了“六棱塑料钵定量注菌液”抗病性苗期鉴定技术,育成5个棉花新品种,实现了抗病、丰产、优质同步改良和突破。

  (八)农业环境与气候变化

  农业环境科学是研究人类在生产活动影响下,光、温、水、气等环境要素的演变规律及其与农业生物和农用投入品相互作用机理及调控与保护对策的一门科学。其科学使命在于通过对农业-农村生态环境问题以及对介于环境科学与农业科学之间有关科学问题的系统研究,保护、改善和调控农业环境,促进农业和农村的可持续发展。最近几年,农业环境科学在以下几个方面的发展尤为突出。

  1. 研究进展

  (1)全球气候变化及其农业影响

  全球气候变化研究自20世纪80年代兴起以来,已逐步成为最活跃、发展最快的科学领域之一。全球气候变化及其农业影响主要涉及农业生态系统与大气温室气体源汇功能及其影响因素研究、全球气候变化对农业生产的影响研究以及适应对策研究等。2015年,我国参与了农业模型比较和改进项目(AgMIP)。农业模型比较和改进项目(AgMIP)是由全球上百位气候、作物模型、全球和区域经济模型以及IT 专家共同组成的开放式研究网络。它通过各领域专家的协作提高农业模型在全球的预测能力,并基于新一代农业模型的研发和测试,不同农业模型的比较和改进,从而降低模型运用在气候变化影响和适应研究中的不确定性。

  最近几年,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所熊伟研究员、林而达研究员、李玉娥研究员等,基于“十二五”科技支撑计划“重点领域气候变化影响与风险评估技术研究与应用”课题和中英“气候变化对中国农业影响”合作项目,构建了气候变化影响归因方法,首次在全国尺度上系统分析了1961-2010年中国气温、降水、辐射、CO2浓度增加等气候变化趋势对中国粮食产量的影响,阐明了中国粮食产量变化的归因。

  (2)农业污染控制与清洁生产

  2014年2月,国家重大科学研究计划项目“利用纳米材料与技术提高农药有效性与安全性的基础研究”在中国农业科学院启动,这是“国家重大科学研究计划”在纳米农业技术领域部署的第一个项目。该项目主要揭示利用纳米材料与技术改善农药剂型功能,提高有效性与安全性的作用机制,突破农药剂型创制的理论制约瓶颈;建立高效、安全与低成本纳米载药系统的制备方法,发展绿色纳米农药新剂型设计模式,推动我国绿色农药产业发展,缓解农药食品残留与环境污染。

  目前,中日项目课题“开发与验证环保型施肥技术”继续顺利推进。自2009年从日本引进侧条施肥插秧技术以来,课题组成员成功摸索出一整套集育秧、栽插、水肥药管理的水稻侧条施肥机插秧技术体系。通过该技术的实施,可以达到节约种植成本,保障作物产量,提高稻米品质,降低农业面源污染的多重效果。课题研究成果先后在岳阳、湘阴、汨罗、君山等县(市、区)大面积推广,累计召开各类推广培训会20余次,培训农户、农技推广人员2000多人,向洞庭湖区相关乡镇免费发放技术手册、技术宣传页二万余份,取得了较显著的经济和社会效益。

  (3)农业环境风险管理

  北方农牧交错带刺萼龙葵综合防控关键技术研究取得新进展。,自2009年以来,刺萼龙葵在我国北方农牧交错带快速蔓延,在辽、吉、蒙、冀等省(市、区)112个县(市、旗)发生危害,严重危害面积已达480万亩,对当地农牧业生产和生态安全构成严重威胁。在国家公益性行业科研项目的支持下,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所组织多家科研、推广部门技术力量,开展针对刺萼龙葵综合防控技术协作攻关。项目组从个体、种群、群落、生态系统等不同层次开展系统研究,研究阐明了刺萼龙葵入侵机制及被入侵生态系统退化机理,应用恢复生态学、植物群落演替理论和方法,研究筛选出了12种替代植物组合, 7种化学防除技术方法,并选择在科尔沁草原刺萼龙葵典型危害区建立了综合防控示范基地,经过三年多的示范,取得了一系列突破性进展,示范区刺萼龙葵土壤种子库数量和种群密度显著降低,有效挽回了牧草产量损失。

  2. 重大成果

  全球气候变化规律和观测技术研究。科研人员初步揭示了全球气候变化对我国农业及产量的影响,研究表明:中国高纬度地区作物生育期延长,喜温作物界限北移,作物种植结构已经发生了调整。与20世纪60年代相比,中国东北地区的生长期增加了10天左右。东北地区增温已使冬小麦的种植北界北移西延,水稻种植面积大幅增加,其种植北界已移至约北纬52度。玉米晚熟品种种植区域向北推移了约4个纬度,双季稻栽培已经由北纬28度北移至北纬30度。全国复种指数由1980年的109.4%增加到2006年的128.9%。模拟预测结果,如果不采取适应性措施,未来气候变化将导致中国水稻、玉米和小麦等主要粮食作物的减产。2050年,若不考虑二氧化碳的肥效作用,则粮食总产量最大可下降20%左右,若考虑二氧化碳肥效作用,粮食总产量最大下降5%。在未来气候变化的背景下,水资源因素将成为粮食总产量提高的最主要限制因子。另外,2014年中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业气象学科首席科学家林而达研究员率领的研究团队针对我国农业对气候变化的脆弱性和适应能力的时空分布特征进行了评估和分析。该项研究采用多标准综合评估方法,综合评估了2010-2050年我国农业对气候变化脆弱性的时空分布特征,识别出了农业对气候变化的脆弱区域,综合分析了当前我国农业对气候变化的适应能力。相关的研究结果于2014年7月在线发表在国际权威期刊《Climatic Change》,为我国农业适应气候变化提供了技术支撑。

  产地环境保护与修复技术研究。2014年,同济大学环境科学与工程学院徐祖信教授主持完成的“农村污水生态处理技术体系与集成示范”项目获国家科技进步二等奖。该项目针对上海及江南水乡农村环境特性开展了农村污水处理技术研究,成功研发出了人工湿地除磷脱氮技术、人工湿地防堵塞技术、生态曝气稳定塘技术、污泥和水葫芦生态处理技术,集成了三套污水处理优化组合工艺,并实现了规模化应用。部分研究成果填补国内空白,并达到国际领先水平。同年,我国农田土壤重金属污染修复应用技术也取得重大突破,研发出了治理重金属污染的微生物产品—“金无踪”。在湖南省和广东省多年进行的田间试验和大面积生产示范证明,利用该产品能够修复重金属污染土壤,可使作物正常生长,农产品重金属含量得到降低。在中轻度污染的稻田土壤上,稻米镉含量降低幅度达23%-57%,达到国家食品卫生标准,解决了部分稻米产区的镉污染问题。经过专家委员会评议,该成果总体技术达到国际先进水平,对于指导和推进我国南方乃至全国农田土壤重金属污染治理具有重要意义。

  农业污染控制与清洁生产研究。2012年,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所董红敏研究员及其研究团队的科研成果“畜禽粪便沼气处理清洁发展机制方法学和技术开发应用”荣获2012年度国家科技进步二等奖。该成果不仅建立了全球第一个户用沼气CDM 方法学,被联合国清洁发展机制方法学专家委员会批准为“农户/小规模农场的农业活动甲烷回收方法学(AMS-III.R)”,并成为定量核算和监测户用沼气温室气体减排效果的国际通用方法;还在国内首次研究集成了适用于不同规模养殖场的畜禽粪便沼气处理CDM 技术模式,建立了不同规模畜禽粪便沼气CDM 项目开发可行性指标,提出了基线确立、减排效果监测评价的技术规程,为促进国际环境补偿机制的应用提供了工具。

  农业气象灾害风险管理。由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所唐华俊研究员牵头完成的项目成果“农业旱涝灾害遥感监测技术”获得2014年度国家科技进步二等奖。该项目成果突破了农业旱涝灾害遥感监测精度低、时效差的技术难题,建立了“星-机-地”多平台一体化的农业灾害信息快速获取技术,实现不同尺度旱涝灾情信息获取时间缩短到24 小时以内。创建了多模型整合的土壤墒情监测技术,实现全国土壤墒情常规监测10天1次,应急监测3天1次;率先建立了光学水体高精度提取技术、全波段和主被动遥感协同的微波全天候水体识别技术,实现区域洪涝灾害监测保证率由不足75%提高到90%以上。研制了面向作物全生育期的旱涝灾害损失遥感评估技术,实现农作物洪涝受损等级划分,作物干旱遥感诊断准确率达94%;采用淹没损失曲线法,建立了针对不同农作物和发育期的受损面积和受损程度快速评估技术,实现了影像获取后4小时内可上报灾损评估结果。

  (九)农业资源与区划

  农业资源与区划学是一门分析农业资源的时空分布规律,调查、监测和评价农业资源的利用现状,研究农业资源的高效利用和合理保护,揭示农业生产地域分异规律,指导农业生产力合理配置,实现农业资源可持续利用和区域农业生产可持续发展的农业基础科学,也是一门横跨自然生态、社会经济和多种技术的高度综合性交叉学科。它的研究对象是农业资源,基本研究任务包括:农业资源调查与评价、农业资源利用与保育、农业分区与区域战略三个方面。

  1. 研究进展

  最近几年,国内重点开展了农业气候资源分析与区划、农业气候资源与主要农作物布局及种植制度关系、农业气候(自然)生产潜力模拟与资源量化评价、农业气候资源信息的管理与分析等方面的研究,获取了精细化的农业气候资源时空分布数据,编制了精细化农业气候区划和大宗特色农作物气候区划;利用农业气候资源数据库对光、热、水资源信息进行有效管理,应用GIS技术定量采集、管理、分析具有空间特性的农业气候资源,都取得了重要进展。

  (1)农业资源调查与评价

  最近几年,农业资源遥感监测成为该研究领域的热点。目前农业资源遥感监测研究主要围绕农作物遥感监测、农业资源动态监测、农业灾害遥感监测、精准农业与数字农业四个方面进行。尤其是从2003年开始,我国积极参与亚太经合组织(APEC)基金“遥感与GIS技术在作物生产中的应用”合作项目。该项目针对作物生产领域内遥感与GIS通用和适用的应用方法,加强了APEC成员体遥感与GIS技术在作物生产领域的交流,组织了关于应用遥感与GIS技术在种植区域提取作物空间分布、遥感与GIS技术在作物单产估算、遥感与GIS在作物灾害中监测、遥感与GIS技术作物模拟等方面的培训。项目有效促进了APEC成员体在该领域的国际交流与合作,显著推动了遥感与GIS技术在作物生产能力中的应用,对进一步加强APEC成员体间农业技术合作奠定了坚实基础。

  (2)农业资源利用与保育

  近年来,国内科研人员在农业资源利用与保育领域开展了多方面研究工作。气候变化和粮食生产系统的相互作用关系研究一直倍受国内外学术界关注。基于承担的全球变化重大科学研究计划项目“气候变化对我国粮食生产系统的影响机理及适应机制研究”,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所在国际学术期刊《Journal of Integrative Agriculture》2014年第13卷7期出版了“气候变化对中国粮食生产系统的影响”专辑,该专辑围绕气候变化和粮食生产资源要素变化、气候变化和农业生物或非生物灾害变化、以及气候变化和农作物单产及空间格局等主题共发表了19篇学术论文,系统地研究了气候变化与我国粮食生产系统的影响途径和过程,并综合评估了气候变化对我国粮食生产(面积、单产和总产)的总体影响。

  此外,公益性行业(农业)科研专项“北方旱地合理耕层构建技术及配套耕作机具研究与示范”项目、“半干旱牧区天然打草场培育与利用技术研究与示范” 项目、“粮食主产区土壤肥力演变与培肥技术研究与示范”项目、“北方旱地合理耕层构建技术及配套耕作机具研究与示范”项目、国家973计划“肥料养分持续高效利用机理与途径”项目、国家“863”计划现代农业技术领域课题“作物生长水分与营养土壤生境调控技术” 项目等都取得了重要进展。

  (3)农业分区与区域战略

  农业区划研究也取得重要进展。目前该领域研究主要围绕农业资源调查评价、农业区域划分、农业区域布局和区域农业发展四个方面展开。2014年1月份,农业部印发了《特色农产品区域布局规划(2013-2020)》。作为指导特色农业发展的纲领性文件,该规划从专业角度对气候、土壤与适宜作物等进行研究,并以政府信誉为区域特色产业的发展做担保,有利于引导社会资金投入,从而使地方政府发展农业有了明确的指南, 在新一轮特色农业发展中起到了明显的推动作用。此外,《特色农产品区域布局规划(2013-2020年)》、《全国蔬菜产业发展规划(2011-2020年)》等一批规划相继出台。

  2. 重大成果

  农业资源遥感监测。2015年,欧洲空间数据基础设施大会暨世界地理信息论坛宣布,由国家测绘地理信息局牵头,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所等单位参与完成的30米分辨率全球地表覆盖遥感制图项目荣获“2015年世界地理信息技术创新奖”。这是对近年来我国测绘地理信息科技创新成就的充分肯定,将进一步推动全球地表覆盖数据的广泛深入应用。该项目于2015年1月31日入选了2014年中国十大科技进展新闻之一。30米分辨率全球地表覆盖遥感制图项目研建了地表覆盖数据生产的质量控制技术体系,成功生产出世界首套全球2000年度和2010年度两个基准年的30米分辨率全球地表覆盖数据。该数据被国际同行评价为“对地观测与地理信息共享领域的里程碑成就”,目前已有近90个国家的2000多名用户使用这一重要科学数据,广泛应用于气候变化研究、生态环境评估、自然灾害防治、可持续发展规划以及地理教学等领域。

  农业土壤资源。近年来,深入研究的土壤形成演变规律、土壤养分时空分布特征等问题,为改善和提高农业土壤资源质量和利用效率提供了理论和技术基础。提高作物营养资源利用效率的根际调控机理研究,获得了国家自然科学奖2等奖。初步完成了覆盖我国各主要农区的耕地质量评价指标体系,建立了适合我国不同地区农业特点的耕地质量培育技术模式和技术体系,特别是现代科学技术的渗透,促进了农业土壤学向模式化、数字化、智能化、准确化和网络化迈进,有力地推动了农业土壤学的发展。

  2015年,中国科学院南京土壤研究所张佳宝主持的“黄淮地区农田地力提升与大面积均衡增产技术及其应用”项目获得2014年度国家科学技术进步二等奖。该项目针对黄淮地区中低产田治理和高标准农田建设中所面临的问题,最先研究了潮土质量及其演变规律,发现微碱性土壤因能中和化肥酸化,有效阻控了长期(平衡不过量)施用化肥引起的一系列土壤退化过程,修正了“长期施用化肥不能持续”的一概而论观点;实现叠加求交划分地力评价单元和多法耦联的属性赋值技术创新,突破了高分辨率壁垒,开发出了地块级县域耕地信息管理和地力评价系统;提出了土壤障碍因子分类消减法,对衍生性障碍类建立了标准化的长效控制现代共性技术,对属性障碍类研制了个性靶向技术分别消减;研发了与地力培育协同的水肥高效与作物高产关键技术,提出了关键技术分层次集成、接力式推进、后台信息高技术支撑前台的创新思路,通过后台高新技术服务,支持田间一体化精准操作,创建了既轻简又现代化的中低产田“地力-产量双跨越技术体系”,实现了大面积均衡增产增效。上述科研成果近3年累计推广面积2.07亿亩,新增粮食60.7亿公斤,直接经济效益为156.7亿。

  农业水资源。围绕自然降水资源有效利用、土壤水--作物水分高效利用,以及灌溉水高效利用和区域水资源高效利用等,开展了一系列的研究与应用 。把生物节水、工程节水和管理节水结合起来,对西北地区农业高效用水原理与技术进行创新研究,取得一系列成果,获国家科技进步2等奖。节水灌溉新技术、新产品的研发速度明显加快,低成本、高效的微灌、喷灌及移动式抗旱灌溉机具逐步走向市场,并在东北、西北地区大面积应用。新疆主要作物膜下滴灌技术由2001年的80万亩发展到2005年的700多万亩。棉花膜下滴灌与常规灌溉相比,膜下滴灌节水率能达到42%,水产比为0.85kg/m3,比常规灌溉的0.45kg/m3高0.4kg/m3,膜下滴灌玉米,节水22.24%,水产比比常规灌溉的0.87kg/m3高0.77kg/m3,是高产、高效的节水技术。高新技术在农业水资源现代化管理中的应用日益广泛,3S技术的应用提升了农业水管理的现代化水平。农业水资源管理更加重视工程措施、农艺生物措施与管理措施的有机结合,并开始走向标准化、规范化、模式化、定量化和智能化。例外,“干旱内陆河流域生态的水资源配置理论与调控技术及其应用研究”课题组以黑河下游的民勤县为基地,系统研究了干旱区内陆河流域水资源循环规律、作物需水过程及调控技术、生态植被需水及演变规律,在考虑区域生态用水需求的基础上,以保证区域农业可持续发展为目标,提出了有限水资源的合理配置理论及调控技术,并在生产实践中取得了显著节水、增效、促生态的作用,2013年获国家科技进步二等奖。

  (十)作物昆虫病理

  作物昆虫病理学在农学学科包括农业昆虫学和植物病理学两个分支学科,在农业领域主要研究农业害虫及其天敌和植物病害。农作物病虫害是影响农业生产可持续发展的重要制约因素之一。农业昆虫学是研究农业害虫(包括螨类)和益虫的发生、发展规律及其防治策略和方法的科学。它是一门应用学科,有其独特的理论基础,它的目的是为了经济简便、安全有效地控制虫害,避免农作物遭受损失。植物病理学是研究引起植物病害发生的各种生物和非生物因子、病原物和寄主之间的相互作用及其导致病害发生的机制和控制病害发生、减轻病害损失的一门科学。

  1. 研究进展

  (1)植物病害研究

  近两年来,中国农业科学院植物保护研究所和棉花研究所等单位共同开展“棉花枯、黄萎病抗性鉴定技术创新与应用”项目研究工作。项目组成员通过多年联合攻关,研究明确了我国棉花枯、黄萎病菌的分型和分布,建立了标准菌株资源库及信息档案;研究分析了棉花黄萎病抗性遗传规律和防御机制,为抗病鉴定提供了理论依据;创立了抗枯、黄萎病鉴定国家标准;发明了黄萎病快速鉴定新方法;建立了规范化、标准化的棉花枯、黄萎病抗性评价技术体系。利用该技术体系准确鉴定评价出一批棉花品种(系)和资源材料的抗病性,推荐一批抗(耐)病品种通过国家或省级审定,并得到推广,促成多个品种获得国家奖。项目制定国家标准2项,获得国家发明专利4项,植物新品种权1件,出版著作5部,发表论文48篇,其中SCI论文9篇。此外,公益性行业(农业)科研专项“西甜瓜种传细菌性果斑病综合防控技术研究与示范”项目、“作物细菌性病害防控技术研究与示范” 项目、“农田地下害虫综合防控技术研究与示范”和欧盟援助项目“湄公河次区域水稻害虫综合治理”等都取得了重要进展。

  (2)气候变化对农业害虫种群的影响

  中国农业科学院植物保护研究所马春森研究团队通过6年的潜心研究发现,全球气候变化打破了农业害虫群落原有的平衡,改变了害虫群落物种间的相对优势度,使优势种(群落中具有最大密度、盖度和生物量,对生境影响最大的物种)发生了演替,气候变化正在改变农业害虫群落的优势种。研究结果以“极端温度事件改变种群统计参数、相对适合度及群落结构”(Extreme temperature events alter demographic rates, relative fitness, and community structure)为题,于2015年5月发表在国际著名生态学和保护生物学杂志《全球变化生物学》(Global Change Biology)。

  此外,马春森研究团队以世界性蔬菜害虫小菜蛾为模式系统,采用实验模拟热浪的方法,发现高龄幼虫比早期幼虫或其它发育阶段具有更高的耐热性;早期阶段经历高温产生的效应可以传递到后期阶段,热浪的发生越接近成虫阶段,成虫繁殖量减少得越多。尽管成虫期只经历为期一天的高温冲击不会立即造成小菜蛾大量死亡,对交配成功率和成虫寿命也无不利影响,但可通过母代效应使后代孵化率下降20%。热浪持续期延长常导致多个生命阶段遭遇热浪冲击,研究发现不同阶段间热浪的影响并不相互独立,且不是简单的累加效应,体现了气候变化对害虫影响的复杂性。这些研究结果于近期发表在国际生态学杂志《Oecologia》和《Scientific Reports》、《PLoS ONE》。

  (3)环状小RNA研究

  中国农业科学院植物保护研究所李世访研究团队与中国科学技术大学吴清发教授研究团队合作, 在环状小RNA研究方面取得了新的进展。他们在重新编写计算机程序PFOR使其具有并行数据分析能力的基础上,结合生物信息学和高通量测序(NGS)技术,从苹果和葡萄中分离到两种新的环状小RNA,并分别验证了它们的核酶活性和自我复制特性。相关研究结果于2014年12月11日以 “Discovery of replicating circular RNAs by RNA-Seq and computational algorithms” 为题在线发表在SCI顶尖核心期刊《PLoS Pathogens》上。

  (4)监测预警信息技术

  2015年,中国农业科学院植物保护研究所张泽华研究员完成了公益性行业(农业)科研专项“草原虫害监测预警及防控技术研究与示范”。项目在草原虫害种类与分布、害虫发生规律、监测预警技术、重大害虫的演变趋势分析和风险评估、虫害防控技术研究,以及技术集成与示范等方面开展了深入的研究,取得了具有自主产权的技术产品,制定了可操作性强的技术标准,形成了较为完善的防控技术体系,具有广阔的应用前景;项目实施过程中,有效的控制了草原害虫的危害,加快了草原生态恢复,减少了化学农药的应用,提升了草原害虫监测预警和防控技术水平,取得了明显的经济、社会和生态效益。

  (5)转基因抗虫作物

  国内科研人员阐明了种植Bt作物对农业生态系统的显著生防功能。这是国际上首次从景观生态学尺度对Bt作物生态服务功能和机制进行系统研究,对发展利用Bt植物可持续控制重大害虫区域性灾变的理论与方法有重要科学意义。论文2012年发表于《Nature》杂志;深入研究发现棉铃虫田间种群对Bt棉花的抗性基因存在遗传多样性,首次发现并证实非隐性抗性基因在Bt作物抗性演化中具有关键性作用。该论文2008年发表于Science杂志封面文章;成功破译重大农业害虫小菜蛾基因组,完全拥有自主知识产权,宣告世界上首个鳞翅目昆虫原始类型基因组的完成,同时也是第一个世界性鳞翅目害虫的基因组。研究论文2013年发表在《自然•遗传学》杂志。

  2. 重大成果

  病虫害防治研究。2015年,西藏自治区农牧科学院主持的“青藏高原青稞与牧草害虫绿色防控技术研发及应用”获得2014年度国家科技进步二等奖。获奖成果针对青稞与牧草害虫猖獗为害、农药污染加剧的严峻形势,以重要青稞和牧草害虫为治理对象,研究揭示了主要害虫的成灾机理,创造并实施了青藏高原害虫分区治理模式,将青藏高原农牧区划分为生态稳定区、生态半脆弱区和生态脆弱区三大区域,集成并实施了“两改两用”的高原害虫防控对策,研发出多项天敌扩繁与保护技术,优选应用数种高效防虫生防制剂,凝炼了多项轻简化实用措施,构建了青藏高原害虫绿色防控技术体系,累计推广应用6.6亿亩,挽回产量损失54.7亿公斤,直接经济效益105.7亿元,少用化学农药7302.6吨(商品量),天敌种类和数量比项目实施前增长44%~56%。

  小麦条锈病菌源基地综合治理技术研究取得重大创新,在大规模推广应用中防病增产效果极其显著。2009-2011年累计推广应用23067.2万亩,有效控制了条锈病的暴发流行,增收节支93.32亿元。该成果获2012年度国家科技进步一等奖。建立并优化了7种柑桔病毒类和检疫类病害的分子快速检测技术,创新了柑桔分子检测微量取样制备技术和柑桔茎尖脱毒微量快速评价技术。新建柑桔无病毒良种示范基地44万亩,实现企业和农民增收15351万元。该成果获2012年度国家科技进步二等奖。

  害虫抗药性机制和治理技术。2015年,中国农业大学高希武教授主持的项目“生物靶标导向的农药高效减量使用关键技术与应用”通过国家科技进步奖二等奖初评。该成果以生物靶标对药剂敏感度变异以及抗药性特点为导向,从有害生物抗药性机制、药剂联合毒力作用、药剂剂量调控以及克抗性药剂研制与抗药性治理等进行了系统研究,创新性地提出了“生物靶标导向”的克抗性药剂研发的理念、阐明了其对重要病虫草对农药抗性的分子机制,解决了抗药性治理分子靶标不清楚的问题;通过对23种有害生物对56种农药抗性的系统研究,构建了克抗性治理技术体系。该成果共计获得发明专利14项,发表文章160篇,培训技术人员和农民60万人次。该成果2012年获得教育部科技进步一等奖。近三年相关技术和产品累计推广面积达15249万亩次,田间农药使用量明显减少,例如麦田除草和麦蚜防治农药投入量减少30%-60%,累计增加经济效益75.67亿元。产生了重大的经济和社会效益。

  双生病毒致病机制。2015年,中国农业科学院植物保护研究所作物有害生物功能基因组研究创新团队在双生病毒功能基因组和致病机制方面取得新的研究进展,发现了双生病毒基因组编码的一个新基因AC5,并揭示了该基因在病毒致病过程中功能以及抑制植物转录水平和转录后水平基因沉默的新机制。这项研究成果近期发表于国际植物学领域权威期刊《New Phytologist》。同年,中国农业科学院植物保护研究所李世访研究团队与意大利病毒专家Francesco Di Serio及本所内相关病毒专家合作,继美国和意大利从葡萄、柑橘两大果树中鉴定出双生病毒之后,从苹果中首次发现一种新的双生病毒,并验证了其生物活性和寄主范围。相关研究结果于2015年5月1日发表在病毒学著名SCI杂志《Journal of General Virology》上。又从桑树中首次发现一种新的双生病毒。这是继葡萄、柑橘和苹果三大果树中鉴定出双生病毒之后,从果树中发现的第四个双生病毒。相关研究结果于2015年5月6日发表于《Journal of General Virology》。

  (十一)作物栽培

  作物栽培学是作物学科重要组成部分,研究作物生长发育、产量和品质形成规律及其与环境条件的关系,探索通过栽培管理、生长调控和优化决策等途径,以实现作物高产、优质、高效及可持续发展的理论、方法与技术的科学。长期以来,我国作物栽培特别重视作物高产高效的研究,在产量形成与资源利用的研究规律基础上,创新了一系列的关键技术与区域特色的技术体系,有效地保障的我国粮、棉、油的生产能力的提升。经过我国作物栽培学家几十年的探索,作物栽培学形成了区别于其他农业基础学科的具有自身规律的理论体系。特别是近年来我国农业生产正在向良种良法的结合,农机农艺的融合,生产生态的兼顾、高产与高效同步的现代农业技术发展中作物栽培起到了关键作用,体现出学科综合性优势。作物栽培学正在向机械规模化、信息精确化、可持续简化、气候变化适应性、抗逆稳产等技术的发展,为实现现代农业发挥了越来越重要的作用。

  1. 研究进展

  (1)作物生育过程中器官相关与肥水效应理论

  作物各器官生长发育具有一定的相关性,如营养生长与生殖生长的关系,地上部生长与地下部生长的关系,作物器官的同伸关系等。根据不同器官之间相关关系,创建了以器官相关与肥水效应为核心的叶龄促控的理论与技术,即以不同叶龄时期的肥水效应为依据,用主茎叶龄作为形态指标,制定因地制宜、因苗管理的相应促控措施。该理论在小麦叶龄指标促控法栽培管理技术上取得了显著突破。

  (2)作物高产形成定量化理论

  提高作物产量是作物栽培学的重点任务,在高产和超高产产量目标下,研究作物产量提高过程“产量构成、光合性能、源库关系”三个作物产量的理论特点和内在联系,明确产量形成“源”、“库”性能的数量向质量过渡规律,形成作物高产超高产理论体系。

  (3)作物营养高效平衡理论

  作物必需的各种养分同等重要,相互不可替代,缺乏任何一种元素作物都不能正常生长。作物产量受土壤中作物必需的某种有效养分含量相对最低的营养元素控制。所有养分都最优,产量可达最高,缺少一种养分否定了其它所有养分的价值,产量损失。平衡施肥的原理是在土壤养分状况评价和测土推荐施肥中,综合考虑各大、中、微量营养元素的缺素临界指标,在提出作物施肥推荐时,根据土壤测试和吸附试验结果、作物类型和产量目标等确定各营养元素的施肥量,形成一套完整的土壤养分综合评价系统和平衡施肥推荐技术,促进作物的增产增收。

  (4)作物高产优质高效栽培技术

  作物栽培重要的特点是基于理论指导和关键技术创新,进行技术集成与示范。经过多年的研究,我国在不同的作物与不同的区域技术集成出了不同的技术模式,为各种作物的高产高效,增产增收起到了重要技术支撑作用。根据国家粮食丰产科技工程统计,在东北、黄淮海与长江中下游三大平原和玉米、小麦和水稻三大作物的丰产高效进行了技术集成与创新研究,组装出180套具有地方区域特色的栽培技术体系,其中在长江中下游建立了湖南双季稻、江西双季稻、湖北双单季稻、江苏粳稻、四川盆地单季籼稻、安徽稻麦等丰产高效技术79套;黄淮海区域建立了河南。河北、山东冬小麦夏玉米周年丰产高效技术体系14套;在东北平原建立黑龙江、吉林、辽宁春玉米丰产高效技术体系35套。这些技术体系的集成为主产区生产能力的提升,确保粮食安全起到了积极的推动作用。

  (5)作物精准、简化、高效栽培技术

  作物栽培定量化、精确化、数字化技术已成为作物生产和作物栽培科技发展的新方向。近年来,我国开展了精确定量栽培、数字化农作技术和作物生产信息化服务技术的研发,在作物生产管理中正在发挥重要作用。玉米创新了以产量性能动态为指导,以耕层与冠层优化为核心,构建了东北春玉米缩株增密化控高产技术体系、黄淮海麦茬条深旋直播密植高产技术体系,西北地膜大小行密植高产技术体系。在水稻明了土壤供氮量、目标产量需氮量与氮肥利用率3个关键参数的适宜值及确定方法,明确了基蘖肥与穗肥的精准比例,以及穗肥高效施用叶龄期,率先提出氮肥后移技术,并配套建立了以早搁田为特征的“浅、搁、湿”精确定量灌溉模式;进而创立了“三定量”的原理与方法,构建了“三适宜”为核心的水稻丰产精确定量栽培技术体系,使水稻生产管理“生育依模式、诊断有指标、调控按规范、措施能定量”,促进了我国水稻栽培技术由定性为主向精确定量的跨越。

  (6)生态安全、环境友好型作物栽培技术

  通过多种策略和技术途径,科学合理保护、利用水肥资源,转变农业生产方式,集成农田水肥一体精准化管理技术,探索出一条不牺牲粮食和环境资源代价之路,是实现作物栽培可持续发展的必然选择。近年来,在科技支撑计划支持下,开展了主要粮食作物丰产节水节肥技术集成与示范、玉米膜下滴灌节水高产高效技术,主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究等研究工作,集成作物丰产节水栽培模式10余套,制定技术规程1套,实现节水10%以上,节肥15%以上,提高肥水利用效率18%左右,增效100多亿元。

  (7)作物机械规模化生产技术集成创新

  实现作物生产规模化和全程机械化,装备研发农业装备数字化、智能化以及绿色制造等核心技术,为粮食生产管理提供简便适用、节本节能、大面积应用的机械化作业新机具及其配套技术,是实现作物增产的重要措施,是作物栽培可持续发展的重要途径。近年来,在玉米、水稻、小麦等主要粮食作物相继开展了机械化技术研究,如玉米条深旋精量播种一体化保全苗技术、适应玉米全程机械化作业的高产高效栽培技术、超高产夏玉米机械化高质量播种技术、油后中稻机播、机插配套技术体系研究、小麦、玉米周年垄作高产栽培技术等,集成机械化栽培技术多套,制定机械化生产技术规程。为推进我国作物机械规模化生产提供技术支撑。

  2. 重大成果

  超级稻高产栽培。2015年,中国农业科学院作物科学研究所朱德峰研究员主持完成的“超级稻高产栽培关键技术及区域化集成应用”荣获2014年度国家科技进步二等奖。该项成果通过不同稻区、季别和类型的超级稻与普通水稻品种生长特性及产量形成比较研究,揭示了超级稻品种高产生长特性,明确了超级稻高产形成的共性规律;提出了超级稻高产生物学基础是稳定前期物质生产量,提高拔节到抽穗及抽穗到成熟的物质生产量;明确了群体足够总颖花量是超级稻高产形成的库容基础,研明了超级稻品种穗粒数与每穗一次枝梗数相关较小,而与每穗二次枝梗数相关密切,形成大穗主要依靠增加每穗二次枝梗数,上述观点的阐明为超级稻高产栽培促进大穗形成提供了理论依据。2011-2013年本成果应用面积达11891万亩,亩增产59.7公斤,增产稻谷640.0万吨,实现增产增效116.5亿元,通过节本增效实现节支20.9亿元,累计增效137.4亿元。

  玉米高产栽培。中国农业科学院作物科学研究所作物栽培与生理创新团队长期开展玉米高产理论与技术研究,该团队研究出增密增穗、促控两条线,培育高质量抗倒群体,增加花后群体物质生产与高效分配为核心的高产栽培技术路线。2013年9月26-29日,由新疆生产建设兵团农业局和科技局组织,农业部玉米专家组对中国农业科学院作物科学研究所与石河子大学、兵团农六师农业局、农四师农业局、奇台总场、71团合作开展的玉米高产研究与示范田进行了测产验收。测产结果,设在奇台总场八道滩社区一队2斗3号地的30亩高产田,经实打实收,其中最高的1.3亩亩产达到1511.74公斤,再次刷新了全国玉米高产新纪录,实现了单季亩产吨半粮的突破。

  数字农作。近两年来,在作物栽培方案的定量设计、作物生长指标的光谱监测、作物生产力的模拟预测,以及相关的软、硬件产品研发等得了显著的进展,推动我国数字农作的发展。数字农业测控关键技术产品与系统研究在作物与环境信息传感探测上,研究了农作物个体生命信息无损监测方法,研制了叶片/茎秆/果实等7种生命信息传感器,开发了农作物营养、病害、水分胁迫等监测技术产品和诊断系统;提出了集光学传感/农学模型于一体的作物群体生物量/叶面积指数、氮素/水分营养生理指标的监测方法,研制了小麦/水稻便携式作物综合长势信息测定仪,可实现作物群体长势信息的无损探测及诊断,填补了国内空白。

  (十二)耕作学与农作制度

  农作制度也称耕作制度,是农业生产的基本性制度,指一个地区或生产单位作物种植制度以及与之相适应的养地制度的综合技术体系,内容包括熟制、作物布局、种植方式、轮连作等种植制度,以及土壤耕作、地力培育、农田保护等养地制度。

  耕作制度有很强的地域性,其形成与发展取决于自然环境条件、社会经济与科学技术水平,以及人类对农产品需要的变化。一个区域耕作制度合理与否,首先要看是否充分利用了当地的农业资源与生产、技术条件,区域比较优势是否得到体现;其次,是否最大限度地提高经济效益和农民收入,满足社会经济发展需求;第三,是否具有可持续发展能力,资源环境与生态能否保持良性循环。任何一个地区,随着社会经济环境变化、生产条件和科技水平提高,耕作制度都需要不断调整和优化。

  作物种植制度与养地制度是耕作制度(耕作学)研究的重要内容。作物种植制度包括一个地区作物组成、配置、熟制与种植方式等内容,决定着区域农作物种植结构与布局、种植模式及生态经济效益等,是促进农业增产增收的根本性措施和重要标志。农田养地制度是与种植制度相适应的以地力培育及保护为中心的技术体系。农田养地制度主要目的是为农作物生长发育提供所需的水、肥、气、热等生活因素,保证地力常新和作物持续高产。

  1.研究进展

  (1) 作物高产高效耕作模式研究

  高产高效耕作模式研究是农作制度研究中一项重要内容,对推进农业可持续发展具有重要意义。近年来,科研人员对东北玉米高产高效耕作模式、东北水稻高产高效耕作模式、华北冬小麦-夏玉米轮作高产高效耕作模式、长江中下游双季稻高产高效耕作模式等进行了大量的研究。研究内容主要包括作物大面积高产高效的关键限制因子,大面积增和水肥增效的耕作栽培技术途径,以及耕作栽培对作物高产高效关系的协调机制等。

  (2)农田固碳减排研究

  农田固碳减排的动态变化是全球的研究热点,它对于正确评价农业产业对全球气候变化的影响具有重要的意义。耕作措施是影响农田固碳减排的重要因素,密围绕作物物高产与资源高效、耕作措施温室气体排放以及作物高产与土壤增碳等农作技术开展研究,积极探索作物生产系统低碳栽培耕作技术体系构建和推广应用。目前,已经形成机械化秸秆还田与保护性耕作固碳技术、保护性耕作的配套栽培技术、化肥减量施用技术、优化灌溉技术等一系列成熟的技术,推动农业发展发展的转变,障粮食安全、资源生态安全和增强农业综合生产能力。

  (3)气候变化对农作制度的影响研究

  气候变化与气候波动对种植制度和作物生产的可能影响已经引起了科学家的高度关注。近两年,农业科研人员对我国气候变化背景下气候变暖对我国多熟种植北界和粮食产量的影响、对中国冬小麦种植北界影响、对东北三省玉米种植界限和产量的影响研究的基础上,进一步研究节水节肥农作制、防灾减灾农作制,以及基于气候变化脆弱性和适应性评估的农作制应对策略、种植制度调整优化。

  (4)保护性耕作研究进展

  当前国际上保护性耕作研究已经从单项技术的研究上升为一项系统工程的研究,更加注重技术的集成和综合应用,逐步向保护性农业的研究发展。具体变化趋势如下:一是由以研制少免耕机具为主向农艺农机结合并突出农艺措施的方向发展;二是由单纯的土壤耕作技术向综合性可持续技术方向发展;三是由单一作物、土壤耕作技术研究逐步向轮作、轮耕体系发展;四是由单纯技术效益向长期效应及理论机制研究发展;五是由简单粗放技术逐步向规范化、标准化方向发展;六是保护性耕作的环境效应及其应对气候变化成为研究的热点。

  (5)熟制与种植方式

  紧紧围绕国家粮食安全与现代农业建设,针对不同区域特点和农作制发展存在的问题与需求,开展的作物高产高效耕作模式研究,取得了突出成果:一是双季稻三熟区稻田多熟高效农作制模式与配套技术。从稳定南方双季稻种植和开发利用南方冬闲田出发,重点研究示范“早晚双季超级稻—冬季作物”三熟制高产高效关键技术与配套技术体系,有效集成保护性耕作技术、土壤养分优化管理技术、轻型栽培耕作技术、机械化作业技术等。二是麦-稻两熟区高产高效及环保农作制模式与配套技术研究。重点针对长江下游麦稻两熟区农田集约化、专业化、规模化及环境污染严重等突出问题,研究示范水稻—小麦全程机械化模式及周年高产技术、水稻—油菜和水稻—蔬菜高产优质及机械化生产技术、集约农田污染控制种植模式及关键技术。三是麦-玉两熟区节本高效农作制模式及配套技术研究。重点针对黄淮海平原小麦-玉米两熟周年高产与水、肥资源高效利用关键技术进行研究示范,有效集成品种优化搭配、一体化水肥高效运筹、全程机械化栽培管理及秸秆还田保护性耕作等技术,建立小麦玉米一体化高产高效机械化生产模式与配套技术。四是华南地区多熟高效农作制模式及配套技术研究与示范。针对华南地区外向型农业发达,以及传统双季稻区冬春闲田多和长期蔬菜产区夏闲田多等问题,重点研究示范粮-菜轮作、粮食-香蕉轮作及冬闲田高效利用的多熟农作制模式及关键技术。

  2.重大成果

  玉米高产高效耕作模式研究。最近几年,中国农业科学院作物科学研究所张卫建研究员主持开展了国家重大基础研究计划(973项目) “春玉米密植高产与水热高效的协调机制与途径”的研究工作。研究团队在我国东北开展了一系列高产高效耕作栽培的区域联网试验研究,明确了影响东北玉米大面积高产高效的关键限制因子,阐明了大面积增产15%和水肥增效20%的耕作栽培技术途径,揭示了耕作栽培对密植群体地上地下关系的协调机制,取得了丰硕的研究成果,理论研究上,在国内外核心期刊上发表了91篇论文,其中SCI/EI收录26篇,并出版专著12部;技术途径探索上,颁布了6项技术规程,获得了2项发明专利,相关成果获得省级科技进步奖5项。研制的“一增二改三防”(科学增加密度,改春整地为秋整地和夏深松,改“一炮轰”施肥为配方分次深施,构建防倒防衰防病的健康群体)的耕作栽培模式,通过多年多点的大面积试验示范,取得了单产平均递增18.6%、水热增效18.6%、氮肥增效36.6%的显著效果,新模式正在东北玉米主产区大面积推广应用。

  2012年2月,中国农业科学院作物科学研究所李少昆主持的“玉米高产高效生产理论及技术体系研究与应用”项目,荣获国家科技进步二等奖。获奖项目构建了玉米产量差(潜力)模型,明确了我国主要生态区玉米高产潜力突破和大面积高产高效生产的主要制约因素及技术优先序,提出了增穗、增加花后物质生产与高效分配的高产突破途径与关键技术,建立了13套适应不同生态区域的玉米高产高效生产技术体系,发布实施地方标准9部,10项技术模式被遴选为农业部主推技术,创造了一批玉米高产纪录。

  小麦优质高产综合技术集成模式。中国农科院作物科学研究所承担的“小麦优质高产综合技术集成与高效生产模式研究”项目取得显著成果。“小麦优质高产综合技术集成与高效生产模式研究”分别在山东、河南、河北、江苏和安徽等地建立示范片15个,其中万亩区1个、千亩片4个、百亩方10个,集成示范中国农科院相关研究所研发的新品种、新肥料、新技术等一系列科研成果。新乡市延津县和新乡县的两个千亩片,通过将优良品种“轮选988”和“中麦895”与新型肥料、测土配方施肥、节水栽培、墒情监测、病虫草害综合防治等技术成果集成应用,取得了良好的增产效果。经当地农业技术管理部门测产,两个示范片平均亩产分别为629.2公斤和600.2公斤,预计增产10%以上。

  麦茬夏大豆免耕覆秸精量播种技术。近年来,中国农业科学院作物科学研究所开发了“麦茬免耕覆秸精量播种技术”。“麦茬免耕覆秸精量播种技术”是黄淮海夏大豆绿色增产增效技术模式示范的首要核心技术。该技术及其机具由国家大豆产业技术体系专家历经8年的探索研究和联合攻关研发成功,有效解决了长期困扰黄淮海地区农业生产的麦秸处理难题,不仅带来了显著的生态社会效益,而且产生了明显的经济效益。研究表明,应用该技术可产生蓄水保墒、减少化肥与农药用量、培肥土壤的作用,实现苗早、苗齐、苗匀、苗壮,同时由于该技术一次作业即可完成全部作业环节,大幅度减少了人工和动力投入,大豆种植效益明显提高。据测算,应用该技术可使大豆亩均增产15-20公斤,增效70-140元。从2012年起,该技术被农业部推介为主推技术,在山东、河南、河北、江苏、安徽等夏大豆主产区进行全面示范推广。

  节能减排稻作模式及丰产栽培技术。中国农业科学院作物科学研究所主持的“江淮稻区节能减排稻作模式及丰产栽培技术研究与示范”课题取得重要进展。课题团队集成创新耕作模式与栽培技术,初步形成了以秸秆覆盖全量还田、土壤条带旋耕、机械化旱直播、化肥定位深施、浸润灌溉和病虫草害综合防治为关键技术的耕作栽培技术体系,研制成功了秸秆全量还田下稻田少耕、旱直播和深施肥的一体化作业及配套开沟机具2套;新型耕作模式下,水稻根系健壮,抗倒防衰;水稻亩产550-600公斤,与当地常规高产稻作模式的单产持平,但节能20%以上,节本60-100元/亩,CH4的理论减排量30%以上。

  三、学科发展的基本特点

  基础农学学科是认识与农业有关的自然现象、揭示农业客观规律及其原理,研究农业生产体系中的自然现象及其现象本质的学科。其目的是为充分开发利用和保护农业自然资源,协调作物与环境之间的关系,防止有害生物和不良环境对农业的破坏,以期获得农业生产最佳组合,提高农产品产量和品质及其生产效率,促进高产、优质、高效、生态、安全农业的发展,有效保障国家食物安全、生态安全,持续增加农民收入,提高农产品的国际竞争力。

  基础农学学科概念是一个综合、动态、发展的概念,随着经济和科学技术的快速发展,在不同历史时期有着不同的内涵。人类生产、生活实践,催生了基础农学的形成与发展。进入21世纪以来,随着新一轮科技革命和产业变革的孕育兴起,一些重要科学问题和关键技术、核心技术呈现出革命性突破的先兆,带动了现代科学技术交叉融合、综合发展,变革突破的能量正在不断积累,成为推动基础农学创新发展的强大潜力。基础科学对基础农学渗透日趋明显,不断产生新的边缘学科、交叉学科和综合学科,带动了基础农学学科的快速进展;同时,基础农学研究与农业科技和生产结合越来越密切,正在走向一体化、集成化和综合化,加速了农业持续发展和新兴产业升级。

  基础农学研究向微观和宏观两个方向发展,既结合又促进,加快了科研进展与突破;基础农学研究借助现代实验工具和理论方法,实现了试验研究手段的现代化;基础农学研究国际间竞争与合作、交流与限制并存,形成了十分复杂的态势。随着基础农学研究驱动创新发展及其成果转移、转化与推广,必将在新一轮科技革命浪潮中为解决全球人口高峰期的食物安全问题做出重要贡献。

  四、未来发展趋势和展望

  目前,随着我国基础农学学科及分支学科(领域)的快速发展,已初步形成了门类比较齐全的学科体系,并产生了相关的新理论、新方法、新技术,涌现出一些新思路、新观点、新亮点,在一些领域接近或达到世界先进水平。但是,从基础农学学科研究整体水平来看,我国同欧美发达国家比较还有较大差距。

  面向未来,我国基础农学学科呈现出新的快速驱动创新发展之势,其主要表现:作为社会基础性、公益性事业,国家公共财政投入大幅增加;微观与宏观研究结合,加快了科研进展与新的突破;现代生物技术、信息化技术等将成为现代农业新的生长点;研究成果转移、转化与推广速度明显提升,推动现代农业可持续发展;国际间的合作与交流进一步得到加强等。

  我们要在“自主创新,重点跨越,支撑发展,引领未来”方针指引下,通过深化科研体制改革,培养精干、高效的创新队伍,加快重点实验室和基地平台建设,积极推进国际间双边和多边的交流与合作,创造有利于基础农学研究持续稳定发展的社会环境等政策措施,实现跨越式发展,为我国现代农业和社会主义新农村建设奠定坚实的技术基础。

  撰稿人:许世卫、邹瑞苍、信乃诠、周向阳

  [1]文中所引资料来自于中国农业科学院各所网站、科技部网站以及相关机构网站。

  

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