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2016-2017基础农学学科发展研究综合报告

时间:2018年04月18日  来源:  点击量:      【 】  

  一、引言

  基础农学学科是农业科学的基础,基础农学的发展促进了农业科技的进步和创新,推动了农业和农村经济持续稳定协调发展,在我国农业科技中具有基础性、前瞻性、战略性的重要作用。

  当前,全球农业发展变革与升级加速,世界各国抢占农业科技发展制高点的竞争加剧,农业基础研究与农业科学技术研究将成为基础农学学科科技进步的核心竞争要素。顺应科学与技术、经济的加速融合的新常态,必须抢占原始创新的科技制高点,要创新农业科研方法、揭示农业科学原理,力争突破一批重大基础理论和方法,要协同优势力量攻关,突破技术瓶颈,解决一批核心关键技术,为农业科技进步提供源头活力,驱动本领域创新水平整体跃升,促进解决基础农学学科一些长期悬而未决的重大关键技术问题。

  从2006年起,中国农学会在中国科协的长期支持下,组织多位院士和专家牵头,全国农业科研机构、高等院校的顶级专家和教授参与的基础农学学科的发展研究。从各年度选择基础农学一、二级学科的分支领域,深入开展基础农学学科的研究进展、重大成果、国内外研究比较、发展趋势和展望的研究。

  “2006-2007年”基础农学学科发展研究报告,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报告,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报告,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报告,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。“2014-2015年”基础农学学科发展研究报告,确定了动物生物技术、植物生物技术、微生物生物技术、农业信息技术、农业信息分析、农业信息管理等6个分支领域进行专题研究。

  当前,我国正处于深入贯彻落实创新驱动发展战略、加快建设创新型国家的关键时期,事业单位分类改革、科技体制改革、中央财政科技计划改革等不断深化,农业科技创新的进步持续加快,对基础农学学科的研究显现出更加重要的地位和影响。“2016-2017年基础农学学科发展报告”是在前期五次基础农学学科发展研究的基础上进行的,首席科学家为刘旭,主持人为梅旭荣、邹瑞苍,确定了农业环境保护、农产品加工、农业耕作制度等3个分支领域进行专题研究,其中农业环境保护领域、农产品加工领域作为农业科技中的热点、难点和焦点问题,直接影响到城乡居民生活和民生质量,引起了社会的普遍关注,农业耕作制度领域是传统的研究领域,在新的历史时期被赋予了新的内容和使命。

  在研究过程中,各专题和综合组召开了多次研讨会,广泛征求各个领域专家的意见与建议,在多位专家的共同执笔下,经反复研讨和修改,几易其稿,形成各专题学科发展报告。在各专题学科发展报告基础上,综合组形成了“2016-2017基础农学学科发展报告”。该报告的成稿包含了农业领域广大科技人员的集体智慧。由于研究时间短,资料数据收集有限,对部分领域的前沿研究和国内外对比研究等还不够充分,不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。

  二、最新研究进展

  2016-2017年,围绕国际科技前沿、国家重大需求、“三农”主战场,坚持需求导向和问题导向,在农业环境保护、农产品加工和农业耕作制度等基础农学领域研究均取得了理论、方法、技术以及技术集成模式等方面的重要进展,科技创新能力快速提升,涌现出了一批农业生产急需、科学意义重大、社会经济效益显著的科技成果,缩小了与国际先进水平的差距,为我国农业可持续发展保驾护航。

  (一)农业环境保护

  近年来,我国农业按照“五位一体”总体布局,大力加强生态文明建设和农业环境保护工作,治理农业突出环境问题,推进农业绿色发展,提高农业适应气候变化能力,实施了 “一控两减三基本” 农业污染治理和农业绿色发展“五大行动”,不断开拓生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。与此相对应,农业环境保护作为新兴交叉学科领域,紧跟国际科技前沿和国内重大需求,聚焦面源污染治理、产地环境保护、农业应对气候变化、环境控制等重点学科方向和科学问题,加强应用基础研究和技术研发,探索农业绿色低碳循环发展模式,不断丰富学科内涵和推动学科发展,引领和支撑了农业领域的生态文明建设。

  1.研究进展

  (1)产地环境质量控制与修复

  产地环境质量控制与修复重点研究农业投入品、大气沉降、灌溉等带入的外源污染物和农业生产自身产生的内源污染物对农产品产地土壤、水、大气和农田生态等污染的控制和以及退化产地环境的修复。近年来,随着人民生活水平的不断提高,农产品的增长由数量型转向质量型,人们对农产品和食品的质量提出更高的要求,农产品产地环境质量问题受到政府和社会的高度重视,全面改善和控制农产品产地环境质量势在必行,相关科研工作也日益受到各方面关注,取得了明显进展。

  平原河网区农田面源污染系统控制4R技术。即源头减量(Reduce)、过程阻断(Retain)、养分回用(Reuse)和生态修复(Restore),以源头减量为根本,以减少排放和过程拦截为重点,以养分回用为抓手,以生态修复和水质改善为目标,沿着氮磷在农田系统内的运移过程,实现农田面源污染的全过程防控和全空间覆盖。

  山地丘陵区种植业氮磷流失综合控制技术。研发了适合山地丘陵区种植业保护性耕作、增效环保肥研发与减量施用、节水灌溉与养分管理联合调控、径流收集再利用等技术,构建以农业清洁生产为基础、养分全程调控、水田湿地消纳为核心的山地丘陵种植业氮磷减排技术体系。

  北方灌区农田面源污染流域控制与管理技术。以农田化肥氮磷合理减量作为源控突破点,以农田排水安全循环利用为流域末端控制突破口,实施全过程多个节点的联控联防,并结合区域水质目标管理的要求,实现农田面源污染的流域防控,切实改善灌区水体环境质量。

  复合污染土壤的联合修复技术。克服了单一的生物、物理、化学等修复手段对复合污染的修复效果的局限,很大程度上提高了复合污染土壤的修复效率、降低了修复成本。

  地膜回收机具的关键技术。开发出了滚筒式、弹齿式、齿链式、滚轮缠绕式和气力式等残膜回收机具,提高残膜的回收和利用,并在光—生物全降解膜研制方面取得了进展,但仍需要在降解的可控性和稳定性方面提高技术的就绪度。

  畜禽养殖污染防治新技术模式。发展了微生物发酵床污染源头控制模式,利用植物废弃物如谷壳、秸秆、锯糠、椰糠等材料制作发酵床垫层,接种微生物,猪养殖在垫层上,排出的粪便由微生物分解消纳,原位发酵成有机肥。随着实践的发展,异位发酵床养殖模式改变了原位发酵床的畜禽养殖模式,将畜禽养殖与发酵床分离,可以解决畜禽通过垫料携带病原菌发生病害的隐患和便于机械化翻堆的问题,同时也避免了由于床体温度过高不利于畜禽生长的问题。

  畜禽养殖废水碳氮磷协同处理技术。基于废水生物处理碳氮转化与碳源碱度耦联机制,通过系统集成微动力曝气、碳源配置、反硝化除磷等技术和“厌氧-微好氧”SBR运行模式,构建养殖废水“UASB-原水分步控制-厌氧/微好氧SBR”碳源碱度自平衡技术体系,显著降低了畜禽养殖废水处理工程投资和处理成本,实现了养殖废水处理的高效低耗稳定运行与达标排放。

  农业应对气候变化  “十二五”以来,党中央国务院高度重视应对气候变化工作,把推进绿色低碳循环发展作为生态文明建设的重要内容,作为加快转变经济发展方式、调整经济结构的重大机遇,有效控制温室气体排放,增强适应气候变化能力。与此相对应,应对气候变化各项科技工作均取得了重大进展。

  气候变化对农业影响及其适应:历史气候变化对农业影响研究取得新认识,我国四种主要作物水稻、小麦、玉米、大豆对主要气候变量(气温、降雨、辐射以及气候总体)的变化趋势敏感性正负并存。未来气候变化及适应措施评价,转向多模式、多模型比较方式。

  农业减缓气候变化:近年来,国家提出了“一控两减三基本”的政策方针,对化肥减施增效和有机废弃物利用等提出了新要求,这为农业固碳减排研究提出了新挑战,带来了新机遇。农业固碳减排的机理研究从单一的土壤学机制向生物信息学、农学、植物学和地理学等多学科交叉的领域扩展。今后的趋势是点面结合,试验与模型结合,试验与集成化数据分析结合。

  气候智慧型农业:近年来,我国气候智慧型农业在向多目标与集成化的方向发展,形成了一批适应不同区域特点和农作制发展方向的新型模式,如南方水稻主产区的稻田多熟高效农作制模式、麦-稻两熟区高产高效及环保农作制模式、麦-玉两熟区节本高效农作制模式、东北平原地力培育与持续高产农作制模式以及西北地区水土资源高效利用农作制模式等。

  (3)农业气象与减灾

  农业气象灾害风险管理研究成为我们国家重大自然灾害风险综合防范研究领域的重要内容,在农业气象灾害成灾机理、农业气象灾害指标体系建立、监测预警、风险评估、风险转移等方面取得重要进展。

  农业气象监测预警:随着现代信息技术在农业气象领域的深入渗透和快速发展,农业气象监测预警展现出创新性发展势头。农业气象观测服务已经从单一指标、单一技术和单一平台提升至目前的空―天―地一体化集成创新式立体监测预警体系,农业气象监测预警平台的信息化程度向更广泛、更深入的方向发展,从简单技术向综合性信息集成、智慧化方面发展,监测预警服务内容涵盖从作物种植、生产、管理到农业投入产出等各个环节。

  作物生长模拟模型:作物模型的研究与应用,是传统农业从粗放经验管理向数字化、模式化、信息化管理转变的必由之路。随着计算机模拟能力的提高,作物系统相关学科的发展,以及环境信息获取技术的进步等成果相继被应用于模型研究中,作物模拟模型资料获取方法日益成熟,模拟的准确性日益提高,模型与计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术等的结合应用更加紧密,模型的应用领域更加广泛。

  农业气候资源利用:研究气候变化变化背景下的农业气候资源利用问题成为全球热点,我国利用气候和地理信息资料,建立了农业气候资源的空间分析模型,综合应用“3S”技术进行精细网格气候资源推算与分析,使县级区划工作的精度可达到村一级水平;与此同时,农业气候区划的内涵与范畴、理论与方法在实践中也相应地被延伸与扩展,突破与更新,为农业气候资源的高效利用提供了方法。

  农业气象灾害评估与减灾技术:作物模拟模型、数值模式、数学仿真技术以及数理统计新技术、新方法等的引入、融合和创新发展,成为灾害风险评估技术方法发展的重点;在灾害风险形成机制、致险机理等基础理论研究、风险量化、评估模型构建等技术方法研究方面取得重要突破。基于农业气象灾害监测预警、风险评估的结果,农业气象减灾技术更加有针对性,将逐步形成减损保产节本增效农业减灾技术体系。

  农业气象灾害风险管理:目前我国农业气象灾害风险管理从单灾种向多灾种和复合灾种的风险研究转变,从关键灾变过程到灾变全过程转变,从区域影响向全球影响转变,风险处置手段从单一手段向综合手段转变。农业气象灾害风险管理逐步从单一的风险防范手段转向建设综合防范体系,逐步建立综合性灾害风险管理体系,进一步完善农业气象灾害预警机制,建立和完善农业气象灾害保险制度,建立科学合理的生态环境补偿机制。

  (4)设施栽培农业

  20世纪80年代以来,随着现代工业向农业的渗透,设施栽培农业发展迅速,并成功突破了气候、资源限制,实现果蔬、花卉等产品的周年供给。截至2016年底,我国设施栽培面积已达462.7万公顷,总产值9800多亿元,并创造了4300多万个就业岗位。相关领域的科学研究在近几年取得明显进展,引领和支撑了设施农业的发展。

  设施结构改进与创新:在设施结构工程方面,开发出多个系列的新型温室结构,制定出设施区域标准,形成了独具特色的结构体系。目前日光温室已经成为中国北方最为重要的温室类型,其结构优化也成为研究热点。

  节能型设施环境调控技术:设施环境调控与智能化管理技术取得重大进展,温室节能与新能源应用研究受到普遍重视。通过技术引进,自主创新,我国大型连栋温室的通风、降温、加温、补光、CO2施肥等环境调控技术得到全面提升,显著提高了日光温室环境控制性能、降低能耗与运行成本等。

  设施无土栽培模式与配套技术:设施蔬菜优质高产高效轻便起垄内嵌式基质栽培技术,提高了根区蓄热保温能力,有效应对冬季低温。有机生态型无土栽培技术,在生产过程中应施用有机肥,用清水进行灌溉,从而达到低耗能、无污染的目的。立体多层栽培,充分利用温室空间和太阳能,提高土地利用率3-5倍,同时提高单位面积产量2-3倍。

  2.重大成果

  (1)养殖废弃物微生物发酵床处理—资源化技术

  该成果主要通过微生物发酵模式控制养殖废弃物外排,以源头控制理念,采用多途径的协同处理,将养殖场废弃物全部收集。原位发酵床+固体一体化发酵技术主要是利用发酵床内的微生物将养殖粪尿进行原位分解;异位发酵床+固体一体化发酵技术主要是利用发酵床内的微生物将养殖粪尿进行原位分解,从而降低污染物的外排;一体化发酵技术针对养殖场的固体和液体废弃物污染问题采用一体化发酵装置,实现对废液的大规模连续发酵;种养一体化模式主要是将沼液或者养殖废水收集后堆置于发酵池内,并添加生物腐植酸菌剂进行微生物发酵;保氮除臭免通气槽式堆肥发酵是在畜禽粪便等有机固体废弃物原料中,添加筛选的高效腐熟菌剂和调理剂等最终将其转化为无臭无味、富含有机质和植物营养元素的优质有机肥。微生物发酵床具有“五省、四提、三无、两增、一少、零污染”的优点。“五省”即省水、省工、省料、省药、省电;“四提”即提高品质、提高猪抗病力、提早出栏、提高肉料比;“三无”即无臭味、无蝇蛆、无环境污染;“两增”即增加经济效益,增加生态效益;“一少”即减少猪肉药物残留;“零污染”即猪粪尿微生物在猪舍内原位降解,污水零排放。该技术实现养殖废弃物的全循环,获得了一定的社会和生态效益。

  (2)气候变化农业影响及其应对:气候智慧型农业

  建立了气候变化影响评估技术体系。国家科技支撑计划“全球环境变化应对技术研究与示范”项目,完成主要农业种植区域适应气候变化的能力和障碍因素,在宁夏、黑龙江、甘肃、新疆和西藏建立适应气候变化示范基地,形成一套完整的适应框架,对全国各省市制定气候变化适应框架和适应行动具有指导意义。适应气候能力得到提升,制定并实施了《国家适应气候变化战略》。在生产力布局、基础设施、重大项目规划设计和建设中考虑气候变化因素,适应气候变化特别是应对极端气候事件能力逐步加强。开展适应气候变化技术的研发和应用示范。发展适应方法学与工具模型、实用适应技术清单,开展适应政策制定与实施机制的方法学研究,研发适应政策的动态监控与评估关键技术,构建适应决策支持系统,探索增强适应能力技术的途径。定量评价农田有机碳动态演变及固碳潜力。在建成中国农田土壤有机碳(2000个数据)及温室气体排放(350个实测数据)数据库基础上,定量评价了农田土壤有机质对作物生产力的控制作用,定量评估了农田土壤有机碳固定及其自然与农业技术潜力,延伸发展了农业固碳减排计量方法学并应用于中国农业碳足迹分析评价。突破反刍动物饲养及粪便废弃物管理温室气体监测和减排技术。建立了从畜禽饲养到其粪便管理全链条饲养效率提升、温室气体减排的技术体系;探寻粗精料搭配的最佳比例,达到保证动物健康又减少温室气体排放的目的。

  2015年“全球环境基金—中国气候智慧型主要粮食作物生产项目”正式实施,这是在我国实施的首个气候智慧型农业项目。项目围绕水稻、小麦、玉米三大作物生产系统,在主产区安徽和河南建立10万亩示范区,开展小麦-水稻和小麦-玉米生产减排增碳的关键技术集成与示范、配套政策的创新与应用、公众知识的拓展与提升等活动,探索建立气候智慧型作物生产体系的技术模式与政策创新,增强作物生产对气候变化的适应能力,推动中国农业生产的节能减排,为世界作物生产应对气候变化提供成功经验和典范。

  (3)农业气象灾害监测预警、风险评估与防控关键技术

  “十二五”以来,实施了“重大突发性自然灾害预警与防控技术研究与应用”和“农林气象灾害监测预警与防控关键技术研究”两个国家科技支撑计划项目,以及针对季节性干旱、涝渍、高温等主要农业气象灾害防御关键技术的3个农业行业专项,在重大农业气象灾害农田尺度地面监测技术、立体监测与动态评估技术、预测预警技术、风险评估与管理技术以及防控技术方面取得一系列突破性的研究成果。灾害监测的时效性和准确率得到进一步提高,灾害影响动态评估水平得到明显提升,形成了迄今有关农业气象灾害风险领域最全面和系统的研究成果,同时建立了分区域、分作物、分灾种、分季节的适合当地农业特点的干旱与低温防控技术体系,为各地区重大农业气象灾害应急和防控提供科技支撑。开展了基于天气指数的农业气象灾害保险研究,通过天气指数量化农业灾害损失,研发保险产品,作为农业气象灾害风险转移的重要手段,创新性的研究成果已经得到比较广泛的应用。在2016年“中央一号”文件中,提出探索开展天气指数保险试点。

  (4)作物生长模拟模型集成应用

  近年来,农业气象模拟模型主要以广泛而深入的应用为目的,评价和预测不同环境条件下作物生长发育与产量形成过程,评价作物气候年景、农业对气候敏感性、作物生长的动态预测等。 “作物生长模拟模型资源构建机制与集成模式”,提高了作物生长模型的共享与集成能力。 “基于墒情和苗情结合的麦田旱情预警与高效节灌技术”,实现了麦田旱情的多尺度图示化实时评价与预报,以及节灌技术指导方案的可视化发布。 “设施作物生产智慧决策与集群控制关键技术研究应用”,研制了集智慧决策、智能管控为一体的软硬件系统。

  (5)中国农业气候资源图集

  在国家科技基础性专项的支持下,开展了气候变化背景下农业气候资源分析与利用的研究,利用信息技术手段,按照农业气候资源统一的规范标准,整合农业气候资源数据,规范农业气候资源指标生成方法,完成了中国农业气候资源数字化图集的编制工作。在此基础上,精选1000余图幅,编辑出版了《中国农业气候资源图集》四卷(包括综合卷、光温资源卷、作物水分资源卷和农业气象灾害卷),以及《中国主要农作物生育期图集》一卷。该系列图集系统反映了气候变化引起的农作物种植区域、作物生育期和各作物生育期气候资源变化的特征,并首次编制了作物水分资源和农业气象灾害卷,为合理利用农业气候资源、优化农业布局、加强农业风险管理提供了科学依据,在我国农业气象研究领域具有里程碑意义。

  (6)设施蔬菜连作障碍防控关键技术及其应用

  该成果获得2016年度国家进步奖二等奖,创建“除障因、增抗性、减盐渍”三位一体连作障碍防控系统解决方案,为设施蔬菜安全可持续生产提供了技术保障。近三年该成果在鲁、豫、冀、浙和闽等省推广1346.6 万亩,亩增效益550-2722元,经济效益达220.64 亿元,农药化肥节支27.9亿元,辐射近二十省70%设施蔬菜连作障碍高发区,实现了蔬菜稳产高效、安全和生态环保多赢。

  (7)智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术

  中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所杨其长研究员等牵头完成的“智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术”获得2016年北京市科技进步二等奖;该成果实现了植物工厂核心技术的重大突破,使我国成为国际上少数掌握植物工厂高技术的国家,率先在国际上提出了植物“光配方”思想,发明了多光质组合(R/G/B/FR)植物LED节能光源、基于室外冷源与空调协同调温的植物工厂节能环境控制技术及配套装备以及基于物联网的植物工厂智能化管控技术,实现对植物工厂温度、湿度、CO2浓度以及营养液EC、pH、DO等要素的在线检测、远端访问、程序更新及其基于网络的远程智能化管控。项目成果已在北京等20多个省市自治区和部队系统的200多个园区和农业企事业单位推广应用,经济、社会效益显著。

  (二)农产品加工

  1.研究进展

  (1)食品加工

  粮油加工:快速无损检测技术发展迅速,以近红外光谱技术为代表的粮油品质快速检测技术和装备较好地解决了原粮质量快速检测及分等分级问题。在油脂加工领域,一批前沿技术已经得到应用。新型低碳链烷烃浸出技术已获得生产企业认可,在连续进料、逆流浸出、低温脱溶等技术方面取得突破。

  肉类加工:生鲜肉加工技术方面,形成了羊胴体分割分级技术、肉牛胴体分级技术、高阻隔真空热收缩包装新型技术、冷冻畜禽肉高湿变频解冻技术,大大降低了宰后的损失率。

  果蔬加工:“十二五”期间,科研机构集中力量研究果蔬干燥的前沿技术,对果蔬变温压差膨化干燥技术、中短波红外干燥技术、玻态干燥技术、热泵干燥技术、真空微波干燥技术、滚筒干燥技术等进行了系统研究。果蔬制汁方面,以超高压技术为代表的非热加工技术的发展,使果蔬汁低温灭菌成为可能。制粉方面,喷雾干燥仍然在果蔬制粉产业上占据优势地位。

  (2)农产品加工质量安全

  农产品加工质量安全风险评估:风险评估技术在我国呈现迅速发展的态势,目前已经建立和开发了基于中国居民膳食消费习惯的暴露概率评估模型与软件,实现了与CAC食品编码协调桥梁数据库的有效衔接,使我国成为继美国、欧盟之后第3个实现概率性评估的国家,提高了我国食品安全风险评估的精度;研究建立的食物消费量高端暴露中国人群参数,成为联合国粮农组织、世界卫生组织短期膳食暴露国际评估软件中的重要参数,结束了过去依赖欧、美、加、日、澳等少数发达国家的历史。

  农产品加工质量安全检测与标准化:检测与危害识别技术开始由定向检测到非定向检测初步转变,精度和广度得到一定提升。快速检测试剂和装备产业化水平明显提升,市场监管和应对突发事件能力显著增强。在标准方面,我国共牵头和参与制定了 11 项国际标准。主导并参与了二噁英、氯丙醇、丙烯酰胺、真菌毒素等国际控制操作规范的制定,提升了我国农产品加工质量安全地位,保护了我国经济利益。

  农产品加工质量安全溯源:初步构建了牛、羊产地溯源的同位素指纹、矿物元素指纹、虹膜识别技术以及猪个体DNA指纹溯源技术。

  农产品加工质量安全过程控制:加工过程危害物控制。近年来,我国对加工过程中的危害因子的形成机理、检测方法、风险评估以及有效的抑制措施等展开了大量研究,突破了粮油、蔬果、畜禽及其制品、水产、茶叶等生产、加工和运输过程中的控制技术,形成了操作规范。加工过程营养品质保持。在油脂加工领域,新型低碳链烷烃浸出技术已获得生产企业认可。酶法制油方面,开展了膨化预处理-水酶法提油技术在大豆加工中的应用。果蔬制汁方面,以超高压技术为代表的非热加工技术的发展,使果蔬汁低温灭菌成为可能。

  (3)食物营养与功能

  营养功能成分活性保持与递送:随着营养功能食品在食品领域中受到越来越广泛的关注,设计构建运载体系结构,实现食品中功能活性物质体内靶向释放及定向分布,促进其体内生物活性的发挥,是近年来营养功能成分活性稳态化保持与有效递送技术研究的重要进展。

  营养功能成分分析检验技术:当前,检测技术灵敏度、准确度不断提高、快速检测技术实时化、现场化、仪器小型化趋势不断加强,量子化学、光谱学、质谱学、分子生物学、纳米科学、高分子材料学等学科中的新理论新技术不断应用其中。大数据分析、新数学模型的建立与引入、新兴信息技术对风险分析、风险评价、风险预警、风险信息交流等风险评估阶段的影响日益深远。

  基于大数据的个性化营养功能性食品设计:通过应用大数据的相关理论,结合我国营养健康领域的实际情况,探讨了大数据对慢性病防控、疾病预测、个性化健康管理、食品风险评估等方面的影响,为营养健康领域的研究提供了新的视角。

  营养功能食品功效评价技术:近年来,国内开展食物及其营养组分、活性功能因子活性评价,研究食品中营养成分、功能因子对于人体健康及疾病特征指标的影响的技术手段与方法已然逐渐成熟,开展多组学功效评价与精准化营养干预效果验证研究也不乏其例,有关膳食-肠道菌群-人体健康关系的研究成果凸显出广阔的发展前景。

  (4)农产品贮藏与保鲜

  MCP技术在果蔬贮藏保鲜中的应用:可显著减缓香蕉、苹果、番木瓜、梨、猕猴桃和壶瓶枣等呼吸跃变型果实的后熟和软化进程,抑制跃变型果实乙烯的合成,阻止或延缓乙烯作用的发挥,从而延缓果实的成熟衰老大大地提高贮藏品质。

  短波紫外线在鲜切果蔬保鲜中的应用:采用适宜剂量的UV-C照射处理,改善鲜切即时果蔬的保鲜品质。通过减少表面微生物、非生物胁迫效应等来延长果蔬贮藏保鲜期,同时在产品表面形成一层干燥的薄膜,减少果蔬汁液的流失和风味物质的散失,改善产品品质。

  气调贮藏对高附加值果蔬的保鲜:气调包装工艺可以在不使用化学添加剂的情况下有效延长果蔬食品的货架期,维持果蔬较高的品质,因此在果蔬贮藏保鲜方面得到迅速发展。

  果蔬预冷技术与应用:开发了国内分体式、一体式压差预冷装置,果蔬从采收温度冷却到目标温度只需要1-6 h,具有冷却均匀,兼做冷藏库,适宜多种果蔬预冷。

  2.重大成果

  (1)食品加工系列关键技术

  在工业化连续高效分离提取、非热加工、低能耗组合干燥等食品绿色制造技术装备上取得了重大突破;开发了具有自主知识产权的高效发酵剂与益生菌等;方便营养的谷物食品、果蔬制品及低温肉制品等一批关系国计民生、量大面广的大宗食品的产业化开发,大幅度提高了农产品的加工转化率和附加值;在超高压杀菌、无菌灌装、自动化屠宰、在线品质监控和可降解食品包装材料等方面研究取得重大突破,开发了一批具有自主知识产权的核心技术与先进装备;食品物流从“静态保鲜”向“动态保鲜”转变,在快速预冷保鲜、气调包装保藏、适温冷链配送等方面取得了显著成效。“油料功能脂质高效制备关键技术与产品创制”“果蔬益生菌发酵关键技术与产业化应用”“黑茶提质增效关键技术创新与产业化应用”“黄酒绿色酿造关键技术与智能化装备的创制及应用”“重要脂溶性营养素超微化制造关键技术创新及产业化”、“中国葡萄酒产业链关键技术创新与应用”、“金枪鱼质量保真与精深加工关键技术及产业化”、“番茄加工产业化关键技术创新与应用”等成果荣获2016-2017年国家科学技术奖。

  (2)贮藏加工过程真菌毒素形成机理及防控技术

  开展了我国主要粮油农产品储藏过程中真菌菌群变化规律、真菌毒素形成的分子机理、真菌毒素的防控策略研究,研发出真菌毒素解毒菌制剂和酶制剂,企业应用解毒效率高。

  (3)农产品加工过程安全控制理论与技术

  开展了危害物产生途径和转化规律的分子基础、加工安全性预警机制与风险等级确定依据、安全加工全程优化原理与控制策略研究。构建了针对典型加工单元过程的农产品加工质量安全研究平台,开发出针对食品加工过程产生危害物的毒理学信息数据库,发展了基于多学科交叉消除导致食品安全的危害物的理论体系。

  (4)农产品加工标准化体系

  在农产品加工标准化科技创新、技术推广、成果转化等方面均取得了明显进步,基本实现了科技创新体系“从建到用”的转变。完成制定农产品加工标准122项,搭建完成“农产品加工质量安全舆情监测分析平台”,跟踪信息逾50万条,发布舆情分析报告24份。

  (5)营养功能成分活性保持与递送:近年来,纳米技术在食品级运载体系构建中的应用越来越广泛,利用纳米技术构建包载转运β-胡萝卜素和维生素E的纳米运载体系,能有效的保持体系中所包载的β-胡萝卜素和维生素E。

  (6)营养功能食品功效评价:营养基因组和肠道菌群研究在国际相关领域中占据一席之地,建立了人肠道元基因组大于330万个非冗余基因的参照图谱,该成果被Science在2011年评出的21世纪前十年“重大科学突破”之一,并将基因集扩展到了约1000万个基因。

  (7)多项绿色安全果实采后腐烂防治技术

  采用安全绿色的果实乙醇熏蒸防腐技术,既有效控制果实腐烂,又不影响果实品质与食用安全,技术成果应用已覆盖浙江、四川、福建、江苏、云南和重庆等主产省市,近三年累计推广应用果实192万吨,取得经济效益46.6亿元。获得了多种对水果采后真菌有强烈抑制作用的生物源物质,创新了水果采后保鲜处理工艺,研创出防治果实腐烂的生物保鲜技术,并在柑桔、杨梅、荔枝和番木瓜等果蔬品种上进行了应用,采后腐烂率比传统保鲜技术减少了25%以上,化学杀菌剂使用量减少了50%以上。

  (8)高效果蔬品质劣变控制技术:阐明了果蔬采后损失的机理及控制机制,研发出利用信号分子(1-MCP、NO和AiBA)抑制衰老激素合成和诱导耐冷性的技术,使果蔬(柑桔、叶菜类、果菜类)保质期延长了60%以上。

  (三)农业耕作制度

  1.研究进展

  “十二五”以来,针对制约我国主要农作物“优质、高产、高效、生态、安全” 一系列关键性、全局性、战略性的重大技术难题,从创新材料、创新技术、创新栽培理论的角度出发,作物耕作与栽培关键技术及理论创新研究取得重大突破,为我国作物增产增收和提质增效提供了重要技术支撑与储备。

  (1)作物栽培与生理发展

  作物高产高效栽培理论与技术:1)水稻高产高效栽培理论与技术。阐明了系统优化水稻群体生长动态,精确稳定前期生长量,合理增加中期高效光合生产量,增强后期物质生产积累能力、籽粒灌浆充实能力和群体支撑能力的超高产形成规律。2)小麦高产高效栽培理论与技术。在利用非叶器官光合耐逆机制构建高效群体和周年水氮一体高效利用技术方面研究处于国际领先水平。3)玉米冠层耕层优化高产栽培理论与技术。通过揭示生态因素(光、温、水)对玉米生长发育和高产优质高效的影响,明确限制玉米产量提高的主要障碍因素,通过“扩库、限源、增效”,挖掘玉米高产潜力的栽培理论和“促、稳、促”超高产调控技术。4)棉花大面积高产栽培技术的集成与应用。攻克和突破了棉花高产优质高效栽培、水肥高效利用耦合调控、重大虫害综合防治、关键机具和全程机械化、专用棉区域布局标准化生产等理论和技术的一系列重大难题。

  作物精确化与标准化栽培技术:随着生育进程、群体动态指标、栽培技术措施的精确定量的研究不断深入,推进了栽培方案设计、生育动态诊断与栽培措施实施的定量化和精确化,有效地促进我国栽培技术由定性为主向精确定量的跨越,为统筹实现作物“高产、优质、高效、生态、安全”提供了重大技术支撑。

  作物栽培机械化与轻简化:1)稻栽培机械化。2016年全国水稻机械化种植水平35%以上,其中东北垦区水平最高,已基本实现全程机械化,以毯苗机插为主。南方稻区,形成了毯苗机插、钵苗机插(摆)、机械直播等3套机械化高产栽培方式与技术。2)小麦深松少免耕镇压节水栽培新技术,节水增效、增产稳产效果显著。不同小麦主产区针对自身特点,研究形成了多种本土化的小麦机械化栽培技术。3)玉米机械化栽培技术。2016年我国玉米机械化收获比例提高到83%左右,提升了我国玉米机械化收获装备技术水平,推动了玉米收获技术进步和机械化水平的提高。

  作物肥水高效生理与技术:1)作物肥料高效利用技术。近年来,大田作物缓/控释肥、生物肥、有机复合肥、功能性肥等新型肥料研究和推广加快。缓/控释肥料被认为是最为快捷方便的减少肥料损失、提高肥料利用率的有效措施。2)作物水分高效利用技术。通过研究发现,水稻花后适度土壤干旱可以协调植株衰老、光合作用与同化物向籽粒转运的关系,促进籽粒灌浆,为解决水稻植株衰老与光合作用的矛盾以及既高产又节水的难题提供了新的途径和方法。

  作物信息化与智能化栽培:随着现代作物栽培学与新兴学科领域的交叉与融合,作物栽培管理正从传统的模式化和规范化,向着定量化和智能化的方向迈进。重点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三个方面取得了显著的研究进展,推动我国数字农作的发展。

  保护性耕作与秸秆还田栽培:近几年来,在水稻、小麦和玉米秸秆还田的机械与耕作栽培农艺上,都取得了较为显著进展。玉米秸秆还田和小麦秸秆还田均能提高土壤有机质含量,玉米秸秆还田培肥效应大于小麦秸秆还田。

  抗逆减灾生理与栽培技术:加强研究了作物对逆境响应的机制和应对逆境的调控技术,创建了一批抗逆减灾栽培技术。在大气CO2浓度升高与作物(品种、病虫和杂草)和非生物因子(肥料、水分、温度和臭氧)关系研究上取得重要进展, 并提出水稻生产的应对策略。

  (2)作物生态与耕作

  作物轮作:针对不同区域、不同作物的轮连作生产模式及配套技术开展了大量研究,从农田尺度上对轮作种植方式的作物生长、土壤肥力、水分和养分利用、土壤环境、温室气体排放以及病虫害等多方面的效应开展了系统研究,相关机理研究也在不断深入。

  作物间套作:在耕作栽培技术研究的基础上更加关注生态学原理的挖掘和应用,研究重点由地上部相互作用向地下部相互作用转移,从现象观察到更多的关注机制和过程的理解,以高产为目的向以降低环境风险、促进农业可持续发展为目的转变,研究方法不断发展和完善。

  土壤耕作:1)机械化土壤耕作将成为我国土壤耕作的主体,目前适宜我国不同区域不同作物的机械化土壤耕作技术的已经初具规模;2)区域保护性耕作技术研究成为土壤耕作研究的重点;3)土壤耕作技术的多功能性及生态系统服务价值的研究成为了研究热点,关于土壤耕作技术的固碳减排、生物多样性的影响及生态系统服务价值的评估成为我国该方向的重要方面;4)土壤轮耕制的研究成为土壤耕作研究的新热点,构建以少、免耕为主体的翻、旋、免、松等适宜不同种植制度的土壤轮耕制当前研究的重要内容。

  农田固碳减排:我国学者在种植模式、水肥管理以及耕作措施的固碳减排潜力与途径方面开展了大量研究。发现通过禾本科和豆科作物的轮作/间作,可以起到一定的固碳减排效应,通过合理选用氮肥品种可有效降低N2O排放,不同水分管理方式对稻田CH4排放有显著影响,还研究了秸秆还田对增加土壤有机碳含量的影响。

  2.重大成果

  (1)获奖情况

  1)扬州大学,杨建昌等,适度土壤干旱促进水稻同化物转运和籽粒灌浆,国家自然科学二等奖,2017.

  2)中国农业科学院作物科学研究所, 赵明等. 玉米冠层耕层优化高产技术体系研究与应用,国家科技进步二等奖,2015. 赵明研究员率领研究团队围绕着密植高产挖潜,构建了玉米冠层耕层协调优化理论体系,创新了“三改”深松、“三抗”化控及“三调”密植等关键技术,充分发挥关键技术的集成效应,创新了多种密植高产高效技术模式,有效的解决了密植倒伏、早衰等生产问题。

  3)新疆农业科学院棉花工程技术研究中心等, 新疆棉花大面积高产栽培技术的集成与应用,国家科技进步二等奖,2015.

  4)南京农业大学曹卫星,朱艳等,稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术,国家科技进步二等奖,2015. 明确了稻麦主要生长指标的特征光谱波段及敏感光谱参数;建立了多路径的稻麦生长实时诊断与精确调控技术;研制了简便适用的稻麦生长监测诊断产品;开展了作物生长监测诊断技术体系的规模化示范应用。

  5)中国农业科学院作物科学研究所, 李少昆等. 玉米田间种植系列手册与挂图,国家科技进步二等奖,2015. “玉米田间种植系列手册与挂图”,充分考虑种植户的接受习惯和水平,准确把握国内外玉米产业发展方向和区域生产特点,以生动灵活的表现形式,向种植户推广现代玉米生产新理念、新技术,推动了我国现代玉米生产理念与技术的普及,社会、生态和经济效益显著,截至2014年12月,手册重印21次,合计出版91万册;挂图重印16次,合计出版165.4万张,已推广应用至我国所有玉米产区。

  6)中国农业科学院作物科学研究所,赵广才等主持完成的“小麦高产创建技术集成与示范推广”荣获2016年度全国农牧渔业丰收奖一等奖。

  7)中国农业大学王志敏等主持的“冬小麦节水省肥高产栽培技术体系及其应用”,2015年通过中国农学会评价,整体技术处于国际先进水平,在利用非叶器官光合耐逆机制构建高效群体和周年水氮一体高效利用技术方面研究处于国际领先水平。

  (2)作物高产高效栽培理论与技术

  创新水稻高产高效栽培理论,形成超高产栽培技术模式,在云南、江苏和新疆等地创造了一批超高产典型或纪录。“小麦高产创建技术集成与示范推广”荣获2016年度全国农牧渔业丰收奖一等奖,提出实现小麦超高产共性技术和重穗型品种实施“窄行密植匀播”、多穗型品种实施“氮肥后移”等关键技术。构建了玉米冠层耕层协调优化理论体系,创新了“三改”深松、“三抗”化控及“三调”密植等关键技术,建立了“深耕层-密冠层”、“控株型-促根系”及“培地力-高肥效”的密植高产高效技术模式。棉花大面积高产栽培技术得到集成与应用,以传统“矮密早”实践为基础,创建了“适矮、适密、促早”、水肥精准、增益控害、机艺融合等为要点的棉花高产栽培标准化技术体系;建立了攻关田—核心区—示范区—辐射区“四级联动”的技术集成与推广体系,有力支撑了棉花产业技术的健康持续发展。

  (3)作物精确化与标准化栽培技术

  创立了生育进程、群体动态指标、栽培技术措施“三定量”与作业次数、调控时期、投入数量“三适宜”为核心的水稻丰产精确定量栽培技术体系。创立的“作物产量分析体系构建及其高产技术创新与集成”成果,以玉米为主建立不同区域特色的技术体系,取得了显著的经济与社会效益。

  (4)作物信息化与智能化栽培:创建了具有动态预测功能的作物生长模型及具有精确设计功能的作物管理知识模型,推进精确栽培和数字农作的发展。集成建立了基于反射光谱的作物生长光谱监测与定量诊断技术体系,在江苏、河南、江西、安徽、浙江、河北、湖南等我国主要稻麦生产区进行了示范应用,节氮约7.5%,增产约5%,累计推广4920.21万亩,新增效益24.28亿元。

  (5)抗逆减灾生理与栽培技术:建立了以调整播期、调整基本苗和省水、省肥为核心内容的冬小麦高产高效应变栽培技术体系。玉米生产上突出了抗旱、耐温度逆境以及弱光的相关形态与生理机制的研究,建立了不同区域玉米抗逆减灾的配套技术。

  (6)作物周年高产高效栽培模式与配套技术区域化集成应用:在作物周年协调高产高效关键技术上取得了重大的突破,建立了进一步挖掘资源内涵两(多)熟制协调高产高效理论与技术体系,有效地提高资源利用率和作物周年产量。

  (7)作物轮作与间套作技术

  利用间套作控制病害,研究系统地揭示了稻瘟病敏感品种和抗病品种间作可以显著控制敏感品种糯稻的稻瘟病,合理的作物种间搭配能够降低病害,研究结果在云南及西南地区大面积推广应用,取得了良好的生态和社会效益。

  (8)土壤耕作关键技术

  构建了适宜不同区域保护性耕作制度。在我国的东北平原、华北平原、农牧交错风沙区、南方长江流域均开展了保护性耕作技术攻关和示范推广,建立了与不同区域气候、土壤及种植制度特点相适应的新型保护性耕作技术体系,为大面积应用保护性耕作技术提供了示范样板和技术支撑,取得了显著的经济、生态和社会效益。明确了土壤耕作措施的缓解气候变化的技术效应,提出发展以保护性农业为核心的气候智慧型农业,为我国农业低碳和可持续发展提供理论支撑。

  (9)稻田固碳减排技术

  阐明了稻田温室气体排放机制,明确了保护性耕作的温室减排效应,形成了水稻高产与稻田减排的耕层调控关键技术及配套栽培模式,开展了高产低碳稻作模式的技术集成和示范推广,以实现水稻高产和稻田减排的协同。

  三、国内外研究进展比较

  结合农业学科有关国际重大研究计划和重大研究项目,研判国际学科发展新趋势与新特点,比较分析我国农业环境保护、农产品加工、耕作与栽培等学科在国际上的总体水平和学科发展状态,明确与国际水平相比的优势与差距,为制定学科发展战略、确定未来发展重点方向提供必要的基础支撑。

  (一)农业环境保护

  1.产地环境质量控制与修复

  种植业产地环境质量控制与修复方面:美国建立和实施了由一系列标准与关键控制技术组成的集成技术模式,大力推进操作简单、价格低廉、环境友好的替代技术,积极研发生物环境控制工程技术,落实农业生态环境补偿制度。欧盟通过加强环境立法和落实共同农业政策来控制种植业污染。日本大力提倡发展循环性农业,重视农业面源污染的治理方面的立法,提出“有机农业”、“绿色农业”、“自然农业”等多种可持续农业,健全政策法律体系和技术体系。韩国致力于积极促进农业与生物技术、信息技术和环境技术接轨。近年来,我国集中围绕农业部提出的“一控、两减、三基本”目标和粮食“绿色增产增效”理念,加大产地环境质量控制与修复方面的技术研发与集成,对农业面源污染控制起到了重大的技术支撑作用;在法律制度方面,多部法律中涉及防治农业污染,但对法律责任的规定较为模糊,内容不够具体。

  畜禽养殖业产地环境质量控制与修复方面:美国主要通过严格细致的立法来防治畜禽养殖业污染,分点源性污染和非点源性污染进行分类管理,从源头治理畜禽粪污污染,同时十分注重利用农牧结合来化解畜禽养殖业的污染问题。欧盟于20世纪90年代通过了新的环境法,规定了每公顷载畜量标准、畜禽粪便废水农用限量标准,限制养殖规模的扩大。20世纪70年代后,针对严重的畜禽养殖业环境污染,日本制定了《废弃物处理与消除法》、《防止水污染法》等7部法律,对畜禽污染防治和管理做了明确的规定。我国在微生物发酵床、种养一体化的畜禽养殖模式等方面进行了大量的研究,实现“五省、四提、三无、两增、一少、零污染”的优点。“五省”即省水、省工、省料、省药、省电;“四提”即提高品质、提高猪抗病力、提早出栏、提高肉料比;“三无”即无臭味、无蝇蛆、无环境污染;“两增”即增加经济效益,增加生态效益;“一少”即减少猪肉药物残留;“零污染”即猪粪尿微生物在猪舍内原位降解,污水零排放,达到了资源良性循环的目的。

  2.农业应对气候变化

  气候变化对农业影响及其适应方面:国际科学理事会(ICSU)等国际学术组织极为重视气候变化研究,自20世纪80年代以来持续推动气候变化国际研究计划。美国近年发布了国家全球变化研究计划(USGCRP),欧盟“地平线2020”规划(2014-2020年)中也将气候变化领域作为重点内容之一。我国通过实施《“十二五”应对气候变化科技发展专项规划》,建立了一批相关研究机构和基地,形成了一支颇具规模的研究队伍,初步构建了气候变化观测和监测网络框架,在气候变化的规律、机制、区域响应等方面取得了一批国际公认的研究成果。

  农业减缓气候变化方面:我国学者从20世纪80年代开始了农业固碳减排技术的探索,部分相关技术已居国际先进水平。然而,传统的固碳减排研究仍面临较多挑战,有待建立高频在线观测系统与研究网络并进行与生态系统模型的结合,分子生物学与稳定同位素技术相结合的研究方法应用不够,宏观减排固碳措施落实不足。

  气候智慧型农业方面:国外农业发达国家通常制定详细的气候智慧型农业发展目标与实施计划,注重新材料、新技术与新方法在气候智慧型农业实践中的整合与应用,采用全球化的合作方式,对相关研究进行长期稳定的资金投入。我国也已经启动了气候智慧型农业相关项目,但项目实施面临着农业生产组织化程度低、劳动力老龄化、科技意识和环境意识不高等制约因素。

  3.农业气象与减灾

  在俄罗斯、美国、加拿大、英国、荷兰、德国等国家,农业气象基础研究和应用研究并重,试验研究方法与监测技术手段更加先进,应用水平进一步提高,服务能力明显增强。目前农业气象研究由单纯学术问题研究向解决农业生产重大问题靠拢,农业气象理论也在发展中完善,同时促进了农业气象向农学各分支的渗透,农业气象有向微观结构深入、向宏观综合联系扩展的趋势,更加关注全球性农业气候问题的研究,农业生产人工环境小气候调控的研究有加强的趋势。我国农业气象研究形成了分支学科齐全的专业结构,实用技术的开发研究有了很大进展,主要作物农业气象模拟模式研究形成特色,在农业气候、农业气象灾害、农业气象预报等领域和其它领域个别环节上达到国际先进水平。但总体来看,在研究设备和手段、基础资料积累、基础理论研究等方面还需要进一步加强。

  4.设施栽培农业

  我国已经成为世界上设施栽培面积最大的国家,研究开发了具有自主知识产权、我国独有的节能日光温室,在结构、材料、栽培以及配套装备等关键技术不断取得进展。先后突破植物工厂LED光源创制等关键技术,实现了植物工厂成套装备的完全国产化,显著提升我国在该领域的国际地位。但与荷兰、以色列、日本、美国等发达国家相比,仍有差距。具体表现为:1)设施结构简陋,单体规模小,环控水平低,抗灾能力弱,大型化连栋温室、智能化环境调控等关键技术亟待突破;2)机械化水平低,劳动强度大,劳动生产率不高;3)设施产量低,生产效率不高,水肥利用效率偏低。

  (二)农产品加工

  1.食品加工

  随着国际现代食品加工产业的发展变化,食品加工学科发展总体呈现国际化、全球化趋势,科技创新驱动产业升级特征明显。欧美日等发达国家在资源高效利用、节能减排、生物制造、精准适度加工等现代与新型制造技术方面引领发展方向,其创新投入高,技术基础扎实,装备先进性、成套化率、技术配套性高,排放与污染控制严格,并由数控化、自动化转向智能化。当前,我国食品加工学科发展的科技研发投入强度不足,基础性研究相对薄弱,产业核心技术与装备大部分处于“跟跑”或“并跑”阶段,企业自主研发能力明显不足,与世界第一食品制造大国的地位不相匹配。

  2. 农产品加工质量安全

  欧盟先后在其“框架计划项目”及“地平线2020”项目中对农产品加工质量安全领域的研究进行了优先支持,传统发达国家如德国、荷兰、法国等在危害物鉴定评价、污染规律研究、检测预警、防控治理与安全质量保障体系基础理论等方面的研究和应用处于世界一流。当前国际农产品加工质量安全研究呈现多学科交叉、融合与渗透日益加强,研究对象由单一化危害因子向多元化转变等趋势。我国农产品加工质量安全学科正在迅速成长,但整体发展水平与国外还存在较大差距,主要表现在学科基础理论研究较弱,对于我国特色加工过程对农产品加工质量安全影响的研究不足,新型加工方式对农产品加工质量安全的研究不够,整体科研成果转化率较低,核心领军人才相对缺乏。

  3.食品营养与功能

  随着生物学、医药学等相关学科的发展,食品营养与功能学科不断涌现新的研究热点,如营养功能成分活性保持与递送、营养功能成分分析检验技术、基于大数据的个性化营养功能性食品设计、营养功能食品品质改良与制造技术等。我国在营养功能成分包埋运载体系构建、食品功能成分检测分析等方面的技术处于世界水平,但在新型运载体系结构创制及新型递送技术开发、食品营养及功能物质作用机制研究、营养功能性食品开发等方面相对落后。近年来,美国、日本和英国等发达国家建立了较为完善的食品营养与功能的研究和评价体系,投入大量的人力和物力从事食品组分间相互作用及作用机理的研究,并已取得了卓越的进展,我国相关研究起步较晚,缺乏系统深入的研究,与国际水平差距较大。

  4. 果蔬贮藏保鲜

  目前我国果蔬采后保鲜技术在一些方面与国际差距较大。一是冷链设施普及率低。发达国家采后贮藏保鲜的果实在总产量的80%以上,而我国不足20%,管理制度缺失、技术手段不足、技术设施落后、损耗严重、物流效率低下。二是保鲜技术执行标准化程度低,保鲜剂过量使用、保鲜技术非规范化使用,造成后期农产品品质大幅降低。三是传统保鲜技术已不能满足现代人们对果蔬安全和品质的需求,一些早期技术有待逐步被新的杀菌剂或保鲜技术所取代。

  (三)农业耕作制度

  1. 作物栽培与生理

  由于生产条件和栽培技术等原因,作物良种的增产潜力未被充分挖掘,现实作物产量与高产纪录差距悬殊。日本东京大学、德国霍恩海姆大学等在环境友好型作物高产、氮高效利用机制、作物水分胁迫生理等方面取得了大量研究成果。

  我国在水分胁迫等逆境生态生理、作物同化物高效转运和籽粒灌浆、作物生长发育与产量品质的关系等方面进行了大量研究,为高产高效栽培与育种提供了理论与技术支撑。随着生物技术、信息技术等新技术向作物学领域不断渗透和交融,作物栽培学研究已从作物个体、群体逐步上升到农田生态系统,同时,通过与信息学、工程科学等的交叉融合,形成了精确化、数字化、轻简化和工程化的全新栽培管理体系。随着分散经营快速向规模化经营转变,我国的作物栽培技术将以机械化生产为特征,加快机械化、信息化、规范化、定量化、规模化、集约化栽培技术研究,以及设施农业栽培、化学调节剂应用等技术突破,推进作物生产现代化。

  2.作物生态与耕作

  作物轮作方面:国外相关研究实验地可控性强、轮作周期长,机械化配套技术成熟,机理研究较为深入,模型构建较为成熟,理论研究与生产实践结合紧密。我国研究优势在于作物轮作类型与模式丰富,技术体系相对多样,但轮作效应机制与微观机理方面尚处于“跟跑”阶段,研究内容创新性及方法手段创新度不够,对轮作模式的机械化配套技术研究不足。

  作物间套作方面:云南农业大学在间套作控制作物病害研究和应用方面,中国农业大学在作物种间相互作用提高氮、磷和铁的利用效率方面,均居国际领先地位。但与发达国家相比,我国农作系统对气候变化反应的研究较为薄弱,缺乏在不同区域上的长期定位试验来研究间套作的长期效应,间套作模拟模型研究差距大,间套作如何通过地上地下互反馈调节影响土壤肥力还有待深入研究。欧盟于2017年启动了“应用间作套种重新设计欧洲的农作体系”重大研究项目,我国尚无此方面的重大项目部署。

  土壤耕作方面:与国外研究相比存在差距的方向主要有:与土壤耕作技术相配合的表土覆盖技术、作物轮作以及土壤养分管理措施配套技术研究不足,缺乏保护性耕作技术规范、标准以及全国布局和整体效果的评价研究,土壤耕作技术研究试验方法与监测标准存在差异,试验手段和设备较为落后,相关技术推广应用较为迟缓。

  农田固碳减排方面:我国近年来在农田土壤固碳减排的机制、途径以及单项技术模式方面取得了较大进展,但农田系统的综合固碳减排效应、土壤碳周转对气候变化的反馈机制、农田固碳减排政策研究等较为薄弱。

  四、发展趋势及展望

  在分析农业环境保护、农产品加工、耕作与栽培等农业学科未来发展趋势的基础上,提出新的战略需求,分析未来5年学科发展的重点领域及优先方向,明确有待解决的重大科学问题和核心关键技术难题,提出战略思路与对策措施,有助于促进农业基础学科快速可持续发展。

  (一)农业环境保护

  1.产地环境质量控制与修复

  战略需求和重点发展方向:种植业产地环境质量控制与修复方面,针对水肥药一体化发展、污染物迁移的生态控制、土壤污染控制与修复、地膜污染控制等战略需求,重点发展:1)环境友好肥药研发,促进肥药减量增效,源头减少污染物的产生;2)污染物的资源化循环利用技术研发,促进农作物秸秆的资源化利用,实现氮磷水等的循环利用;3)加强土壤污染与修复机理研究和技术研发,加深土壤污染物在不同环境条件下的迁移转化机制的认识,开发土壤污染修复产品,发展功能修复材料和联合修复技术,对其应用条件、长期效果、生态影响和环境风险等开展持续研究;4)生物降解地膜和残膜回收机具研发,重点研发能够兼顾农事作业和地膜回收的农机具,突破实现生物降解地膜替代普通PE地膜的关键环节,形成适应不同区域和不同作物的专用产品。畜禽养殖业产地环境质量控制与修复方面,针对优化产业布局和结构、实施源头控制,转变生产模式、构建畜禽养殖业循环经济体系的战略需求,重点发展:1)新型生态饲料研发,积极研发、推广和应用畜禽生态饲料和水产新型饲料;2)畜禽废弃物无害化处理与资源化利用新技术及产品研发,研发畜禽粪便和养殖废水处理新技术与新设备,研发畜禽粪便生物降解技术与新型肥料,研发畜禽粪污厌氧消化产沼气新技术,建立规模化养殖场集成技术体系。

  战略思路与对策措施:种植业产地环境质量控制与修复方面,建议:1)应加快出台种植业面源污染治理条例,从法律制度上对农业面源污染治理相关活动提供保障,加快制定符合地方农业生产特点的农业面源防治方面的地方性标准;2)强化源头和不同类型区的精准控制,在农田源头实行优化平衡施肥、环境友好型肥料施用等措施,对于不同类型区域采取针对性的防治措施;3)推广节约型地膜使用和残膜回收技术,尽量减少地膜的投入量,达到少用地膜和少污染的目的。畜禽养殖业产地环境质量控制与修复方面,建议:1)针对气候特点、种植水平、养殖方式、污染物排放特点以及经济发展水平等,开展养殖业环境管理分区工作,实施区域差异化管理;2)推行生态种养农业环境技术和管理示范工程,科学配置养殖业规模,建立种养平衡农业环境管理示范;3)建立以微生物发酵床养殖等技术为核心的循环产业园区,通过循环经济模式实现养殖污染控制与产业升级;3)完善畜禽养殖业污染负荷核算,研究规模化养殖水处理和排放标准体系,为污染物排放控制技术体系研发提供基础数据支撑。

  2.农业应对气候变化

  战略需求和重点发展方向:气候变化对农业影响及其适应方面,针对应对气候变化科技创新顶层设计不足,原始创新能力不强,减缓与适应技术尚不能满足国家紧迫需求的现状,重点要发布实施《城市适应气候变化行动方案》,加强基础设施建设,加强水资源管理和海洋灾害防护能力,完善气候变化监测预警体系等,全面提高适应气候变化能力。农业减缓气候变化方面,农业固碳减排技术研发要与国家粮食安全及“一控两减三基本”等战略需求保持高度一致,重点发展丰产低碳作物品种选育、“4R”肥料管理、高效节水灌溉、保护性耕作、畜禽日粮饲料精准控制、废弃物管理、种养结合等方面的关键技术。气候智慧型农业方面,建议因地制宜,研究建立不同的农作制度发展模式,如在东北地区应重点研发增强农田固碳潜力技术,在水稻主产区应重点研发稻田温室气体减排技术,在西北等生态脆弱地区应重点研发提高水肥资源利用效率、保持农田生物多样性技术,在牧区应重点研发草原生态建设、提升畜产品生产效率技术。

  战略思路与对策措施:气候变化对农业影响及其适应方面,建议:1)面向国家需求与国际前沿,对我国应对气候变化的科技创新进行整体规划布局;2)突出全球视野与原始创新,兼顾传统优势与新生长点,统筹考虑减缓与适应、当前利益与长远战略,对我国有明显优势和具有中国特色的领域予以持续支持;3)基础理论创新与应对实践相互促进,发展应对气候变化的方法学,以基础理论创新促进应对气候变化行动深入开展。农业减缓气候变化方面,建议:1)完善并规范农业温室气体排放监测、报告、核查制度;2)科学调整肥料施用结构,创新耕作制度,推广旋耕、少耕、免耕,优化水肥配比,推行节水灌溉;3)优化畜禽饲养过程,调配日粮精粗比,增加微生物生物添加剂的应用,推广沼气厌氧发酵工程,推行种养结合;4)加强草原生态保护补助奖励机制等政策的推行,推广围栏、轻牧、禁牧等措施。气候智慧型农业方面,建议:1)健全应对气候变化体制、机制与法制,建立信息共享与资源整合机制;2)尽快出台气候智慧型农作制度发展规划与配套激励政策措施,调动农民、企业等生产主体的参与程度;3)针对可能面临的障碍和潜在社会风险,国家相关部门应开展培训、加强技术服务,加速整体性、制度性技术推广应用;4)加强气候智慧型农业的国际合作与交流,学习他国经验,分享气候智慧型农业成果,与世界共同应对气候变化挑战。

  3.农业气象与减灾

  战略需求和重点发展方向:《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》、《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”农业农村科技创新专项规划》中,均对农业气象发展的目标、方向和重点作出了明确的指示。粮食丰产增效、作物提质增效、资源高效利用、农林智能装备以及智慧农业等方面,都对农业气象与减灾提出了战略需求。在农业气象监测预警方面,重点发展农业气象精准监测与预警、农业气象标准化与信息化服务、农业气象物联网,建立农业气象大数据平台与综合监测、预警、评估系统,实现作物模型与遥感技术耦合;农业气候资源利用方面,重点发展农业小气候调控与设施农业、农业气候资源高效利用、农业适应气候变化技术,开展精细化农业气候资源区划;农业气象灾害评估与减灾技术方面,重点发展农业气象灾害风险防范、环境友好型农业抗逆减损、农业气象减灾与生态安全技术,建立农业气象灾害风险防范技术体系。

  战略思路与对策措施:1)找准学科发展定位,探索学科战略规划与前沿方向;2)注重成果应用的综合集成,加强学科前沿探索、关键技术研发与技术集成配套,提高研究成果在相关部门的应用;3)稳定农业气象与减灾领域的研究机构与队伍,科研、业务、教学、推广形成良性互动的有机整体;4)加快本领域引进的国际先进仪器设备的国产化和国产仪器的创新研制;5)加强农业气象观测试验网络建设,重视基础性技术工作,加强农业气象信息资源的共享,鼓励农业气象科技人员深入生产第一线,积极探索向农民服务的有效手段;6)加强优秀农业气象学科人才引进和培养。

  4.设施栽培农业

  战略需求和重点发展方向:设施栽培农业技术针对大幅度提高资源利用效率、单位土地产出率和可持续发展的战略需求,需要在设施新品种选育、结构工程与新材料开发、节能工程、环境模拟与智能控制、营养液栽培、植物工厂以及管理机器人等关键技术领域取得突破,形成具有中国特色的设施结构类型和配套技术体系,实现由设施栽培农业大国向强国迈进。重点发展:1)温室结构优化与新型材料的研究与开发;2)基于作物模型的温室数据采集与智能化控制系统软硬件的开发;3)温室高效生产综合配套技术关键设备的研制与开发;4)温室节能与资源高效利用技术的研究;5)以设施工程、环境控制以及无土栽培等为重点的植物工厂高技术研发;6)温室管理机器人的研究与开发。

  战略思路与对策措施:1)科学规划,合理布局,构建设施栽培农业优势产业区。积极优化设施栽培农业区域布局规划,制定针对不同地区与条件状况的优惠政策,引导设施栽培农业向优势区域转移,同时制定设施农产品市场体系建设和出口创汇等政策措施,形成我国设施栽培农业优势产业带。2)加大政府的财政扶持力度,进一步提高我国设施栽培农业装备水平。建议政府以专项资金形式实施扶持政策,补贴设施栽培农业种植企业和农户购置农机具,提升设施栽培农业装备水平。3)加大科技支撑和技术推广的支持力度。建议国家以重大项目的形式将设施栽培农业关键技术纳入农业科技创新体系,加大资金和项目的投入力度,同时加快设施栽培农业技术的推广普及。

  (二)农产品加工

  1.食品加工

  战略需求和重点发展方向:1)食品加工制造方面,针对产业整体上处于能耗和水耗高、资源利用率低、技术相对落后、加工副产物综合利用相对不足、前沿性基础研究相对薄弱等问题,在食品加工过程组分结构变化、风味品质修饰、加工适应性与品质调控等方面开展前沿性基础研究,实现食品加工制造理论的新突破。2)食品机械装备方面,重点开展食品装备的机械材料特性与安全性、数字化设计、信息感知、仿真优化等新技术、新方法、新原理和新材料的基础研究,开展智能化、数字化、规模化、自动化、连续化、工程化和成套化核心装备与集成技术研发,创制中华传统食品工业化专用装备。3)食品加工颠覆性技术方面,重点研发“云技术、大数据和互联网+” 、“非热加工、冷杀菌和生物膜分离”、“生物转化、高效制取和分子修饰”等新型加工理论与技术,积极开展“合成生物、分子食品、3D制造”等概念食品制造理论与技术的探索研究。

  战略思路与对策措施:1)面向国家战略和产业发展需求,瞄准世界高技术前沿,重点围绕食品加工制造、机械装备等主要领域,全面实施创新驱动食品产业发展战略,深入研究与集成开发食品绿色加工与低碳制造技术,提升产业整体技术水平。2)大力加强自主研发,驱动机械装备更新换代。重点提升设备的智能化、规模化和连续化能力,降低高端成套装备对国外的长期依赖,全面提升我国食品机械装备制造的整体技术水平。3)中式主餐工业化发展迫切需要学科技术引领。发展适合我国居民饮食习惯的主餐加工食品, 建立与发展标准化、科学化的中式菜肴检测技术,突破关键共性技术问题,提升中式菜肴生产技术的自动化水平。4)以全球视野谋划和推动食品科技创新国际合作交流。主动布局和融入全球创新网络,打造国际食品科技交流与合作基地,加大食品先进制造技术和高端智力引进力度,统筹推进中国食品产业科技走出去,提升我国在全球食品科技创新领域的地位。

  2.农产品加工质量安全

  战略需求和重点发展方向:1)营养品质评价与保持方面,针对我国大宗和特色农产品,重点开展化学物质基础研究,针对特征营养成分和功能因子在贮运、保鲜、加工、烹饪过程中的变化规律、化学修饰、营养及有害中间物质产生开展过程评价研究。2)加工过程危害物评估与控制方面,以加工过程产生的内源危害物及农产品内源产生的危害物为研究对象,重点研究评估产生机制与转化规律,建立阻断、控制、去除技术。3)农产品加工在线监测技术与装备方面,重点开展典型加工、储藏过程中主要危害物在线监测、农产品成分分析、损伤探测理论、技术及装备研究。

  战略思路与对策措施:1)全面推进协同创新,依托农产品加工、农产品质量安全领域多个农业科技创新联盟,依托农业部产业技术体系的农产品加工、质量安全与营养评价专家岗位,全面推进协同创新,强化基础理论与技术在农产品加工领域具体问题中的应用。2)深化国际交流合作,在重点学科领域建立稳定、通畅的国际合作渠道,形成政府间、机构间、实验室间多层次合作交流模式,积极主动参与国际科学研究计划。3)大力助推产业升级,学科发展全面对接产业,针对产业中急需解决的共性问题,阐明机制规律、突破关键技术、研制装备设施、配套技术标准,大力开展示范应用,形成农产品加工质量安全管控综合方案。

  3.食品营养与功能

  战略需求和重点发展方向:立足“健康中国2030”的背景,大力发展营养健康膳食和功能食品相关产业,保障国民营养健康、增强国民身体素质,是我国未来几十年经济升级转型、产业换代发展的战略机遇。未来重点发展方向主要有:1)加强营养功能成分活性保持与递送关键核心技术研发,在加工和贮运过程中实现营养功能组分的活性保持;2)加强营养功能成分分析检验技术研发,采用不断更新和进步的分析技术手段及装备,实现功能成分的精准定量和定性分析;3)构建我国食品原料及制成品营养健康的大数据库,突破基于大数据的个性化营养功能性食品设计技术,实现营养健康需求精准对接、产品靶向设计;4)营养功能食品品质改良与制造技术方面,重点开展高功能活性食品原料筛选、食品配方的靶向设计、加工过程中营养功能品质调控研究、加工装备先进制造;5)营养功能食品功效评价技术方面,重点开展营养组学研究,解析食品营养功能组分对健康影响的作用机制,建立基于个体基因组特征的膳食干预方法和营养保健措施。

  战略思路与对策措施:1)加强协同科研工作机制,融合上下游产业链,覆盖食品加工原料选育和种养殖、加工、营养健康评价和工作机制探讨等多个环节,构建食品营养与功能学科创新体系。2)加强基础理论和共性关键技术攻克,构建营养功能成分的基础理论体系,攻克营养功能组分高效运载及靶向递送、营养代谢组学大数据挖掘等核心关键技术,开发多样性和个性化营养健康食品,实现营养靶向设计和健康食品精准制造,满足不同层次消费人群的需求。3)结合现代食品加工技术,加快特殊人群营养功能食品创制,拓宽营养功能食品的产业范畴。4)加快营养健康食品智能化制造技术突破,实现智能制造技术融入营养健康食品的加工设备、生产和管理,推动食品工业转型升级。5)注重食品营养功能领域高端人才引进和培养,培养具有国际影响力的学科领军人物,打造一流学科人才团队。

  4.农产品贮藏保鲜

  战略需求和重点发展方向:1)农产品贮运减损基础理论与共性关键技术研究,研究不同物流环境条件及新型保鲜技术下农产品产后生物学变化规律与机理,开发物流环境精准调控、产品品质控制、质量安全监测预测等核心技术。2)农产品贮运减损新材料新装备研制,研究天然、生物、高效的新型保鲜剂,开发绿色、智能、活性保鲜包装,研制符合我国农产品产后流通体系的保鲜装备。3)生物防治技术,由于具有环境友好、贮藏环境小,贮藏条件较好控制,处理目标明确,避免紫外线和干燥的破坏作用等优点,生物防治技术将成为贮运保鲜综合技术的重要内容。4)农产品物联技术集成,研发全生产环节与物联网融合的新技术和新装备,集成食用农产品绿色供应链综合保障技术。

  战略思路与对策措施:1)加强精准控温装备设备硬件建设。目前我国冷藏设施装备的温度精度不高,限制了农产品长期贮存,加强精准控温装备设备等硬件建设是提高农产品贮藏保鲜的关键。2)实用保鲜技术应同时注重商业可行性与技术有效性,结合区域经济情况与果蔬种类、品种特性和生产成本等因素。3)进一步加强我国特色果蔬保鲜技术的应用规模,做好专利授权应用、技术转让和技术服务,促进果蔬产业良性发展。

  (三)农业耕作制度

  1.作物栽培与生理

  战略需求和重点发展方向:1)作物高产高效栽培技术及理论的研究,开展主要粮食作物高产高效栽培理论与技术,挖掘作物更高产与高效的潜力,实现作物高产、优质、高效、绿色生态技术的集成和标准化。2)作物质量安全与优质栽培技术研究,在作物无公害、绿色、有机栽培关键技术上取得新突破。3)作物机械化与轻简化栽培技术研究。加强作物高产高效全程机械化生产技术研究和推广,研究轻简栽培原理与精确定量化技术。4)作物节水抗旱与高效施肥技术研究,提高农业水资源和肥料资源的利用效率。5)作物抗逆减灾栽培技术研究。重点研究作物生产力对气候变化的响应与适应,建立抗逆、安全、高效新型农作制模式与技术。6)作物信息化智能化栽培技术研究。重点研发作物实用栽培管理信息系统、远程和无损检测诊断信息技术、生长模拟与调控技术等。7)作物栽培生态生理生化研究,及从激素、酶学、分子等微观角度开展作物生长发育、产量品质形成等的分子机理研究。

  战略思路与对策措施:1)加强学科现代化建设,加强作物栽培生理与高新技术及相关学科相互交叉渗透,提高基础理论创新水平与科技成果转化能力。2)抓住作物生产中迫切需要解决的难点与热点问题,不断加强攻关创新。3)不断提高区域化作物生产集成技术水平,推动我国作物高产高效与绿色可持续发展。

  2.作物生态与耕作

  战略需求和重点发展方向:1)作物轮作方面,重点研究构建新型轮作休耕模式,阐明轮作制度效应机理与机制,研究轮作休耕的绿色补贴政策和制度区划。2)作物间套作方面,重点突破全程机械化和配套除草技术,研究作物种间相互作用与产量优势、光热、水分和养分高效利用的关系,加强相关基础性长期性工作,研究间套作对气候变化的适应性、间套作病虫害控制机制,建立间套作作物结构功能模型。3)土壤耕作方面,重点研发区域土壤耕作制以及相配套机具,构建区域土壤轮耕制,开展保护性农业长期效应研究与评价、技术推广的组织机制与偿政策研究。4)农田固碳减排方面,重点加强农田碳循环和碳汇效应研究,创新农田管理技术体系,加强农田生物固碳减排技术研究等。

  战略思路与对策措施:1)作物轮作方面,进一步强调“轮作休耕”是落实国家“藏粮于地”重大战略的重要举措,坚持轮作为主、休耕为辅,加大政策扶持、强化科技支撑;分类实施、突出重点区域,逐步构建国家耕地轮作休耕制度整体规划。2)作物间套作方面,因地制宜开展生态型复合种植,充分发挥豆科作物的生物固氮潜力和培肥地力的作用,增加农田生物多样性。3)土壤耕作方面,针对不同区域气候、土壤和种植制度的差异,通过农艺措施的改良带动农业机械全程化、规模化使用,改善土壤耕层结构、维持和促进作物生长、降低农业生产的环境代价。4)农田固碳减排方面,推动实施“到2020年化肥使用量零增长行动”和“到2020年农药使用量零增长行动”,推动农村沼气转型升级,提高秸秆综合利用水平,实施保护性耕作等。

  参考文献

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  [4] 李家洋等. “跨越2030”农业科技发展战略[M],中国农业科学技术出版社,2016.

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  撰写人:梅旭荣、刘布春、吕国华

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