業(yè)科學(xué)學(xué)科發(fā)展報(bào)告.png)
一、引言
以研究農(nóng)作物生長(zhǎng)、發(fā)育規(guī)律及其資源環(huán)境關(guān)系與調(diào)控途徑為主體的基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科,既是生物學(xué)的一個(gè)分支,也與資源環(huán)境學(xué)等密切關(guān)聯(lián),涵蓋的內(nèi)容非常廣泛。本報(bào)告在“2006-2007農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)科發(fā)展報(bào)告(基礎(chǔ)農(nóng)學(xué))”基礎(chǔ)上,重點(diǎn)進(jìn)行了作物種質(zhì)資源學(xué)、作物遺傳學(xué)、農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)、作物生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)資源學(xué)、農(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué)等7個(gè)分支學(xué)科的專題研究。
進(jìn)入21世紀(jì)以來,以生物技術(shù)和信息技術(shù)為先導(dǎo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新越來越受到重視,理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新不斷深化?;A(chǔ)研究是為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù),雖然在短期內(nèi)無法得到經(jīng)濟(jì)回報(bào),但一旦突破,將會(huì)引發(fā)農(nóng)業(yè)技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命;強(qiáng)化基礎(chǔ)研究和注重原始性創(chuàng)新,是世界各國(guó)農(nóng)業(yè)科技當(dāng)前普遍重視的領(lǐng)域。圍繞人口、資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求,生物技術(shù)、信息技術(shù)、材料技術(shù)等高技術(shù)不斷向農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域滲透和融合,衍生發(fā)展出以動(dòng)植物分子育種、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、新型食品加工、現(xiàn)代裝備等為代表的農(nóng)業(yè)高技術(shù)領(lǐng)域,它們已深刻改變著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的面貌,為保障糧食安全、生態(tài)安全和提高資源利用率提供了可靠支撐,另一方面為人類健康與生活質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與自然的和諧發(fā)展提供可靠保障。總體看,農(nóng)業(yè)科學(xué)的基礎(chǔ)研究近年來呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢(shì)是:基礎(chǔ)生物學(xué)研究發(fā)展為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究注入了強(qiáng)大活力,基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科與基因組學(xué)、分子生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、資源環(huán)境等學(xué)科的交叉滲透愈加明顯,推動(dòng)著基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)分支學(xué)科的交叉融合和快速發(fā)展;注重將生物技術(shù)、信息技術(shù)、新材料技術(shù)等新方法與常規(guī)方法有機(jī)結(jié)合,多學(xué)科、多層次研究農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)問題,使基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科的技術(shù)支撐能力不斷提高;以農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、抗逆育種和栽培耕作技術(shù)需求及基礎(chǔ)科學(xué)問題為目標(biāo),不斷創(chuàng)新和拓展研究領(lǐng)域,為農(nóng)作物高產(chǎn)潛力開發(fā)、新品種培育、資源高效利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供理論、方法和新技術(shù)支撐。
目前,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)不斷向縱深發(fā)展,農(nóng)作物基因資源的爭(zhēng)奪和發(fā)掘成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn),開發(fā)與應(yīng)用新型分子標(biāo)記、發(fā)展虛擬設(shè)計(jì)分子育種技術(shù)成為分子育種技術(shù)的重要發(fā)展方向;在資源利用技術(shù)領(lǐng)域,養(yǎng)分資源管理精準(zhǔn)化和肥料復(fù)合化、專用化、緩釋化,廢棄物處理無害化、利用資源化,生物節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、工程節(jié)水和管理節(jié)水有機(jī)結(jié)合,非傳統(tǒng)水資源開發(fā)與精準(zhǔn)灌溉技術(shù)等得到普遍重視;在生產(chǎn)領(lǐng)域,農(nóng)作物生產(chǎn)管理數(shù)字化及決策智能化,工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無害化栽培、生物防治、環(huán)境智能化控制發(fā)展進(jìn)程不斷加快;農(nóng)業(yè)有害生物預(yù)防與控制研究向有害生物監(jiān)測(cè)預(yù)警自動(dòng)化、防治決策信息化、農(nóng)藥高效安全友好化、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的最低化和治理效益最大化方向發(fā)展;農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源技術(shù)向優(yōu)先發(fā)展利用農(nóng)業(yè)廢棄物原料的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)和能源生物技術(shù)的方向發(fā)展。同時(shí),錨點(diǎn)保障糧食安全、生態(tài)安全、食品安全及公共衛(wèi)生安全,對(duì)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展提出越來越多的需求和挑戰(zhàn)。在全球人口劇增、資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)蛻變的嚴(yán)峻形勢(shì)下,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào),建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)成為主流趨勢(shì)。由于糧食安全成本劇增,耕地減少、水資源短缺和農(nóng)業(yè)面源污染等生態(tài)環(huán)境問題日趨加劇,農(nóng)田與農(nóng)產(chǎn)品的污染與健康質(zhì)量已開始成為制約農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的障礙,需要有效解決資源環(huán)境約束和轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)方式。這就要求農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步必須在更高層次和更廣泛領(lǐng)域取得新的突破,必須通過農(nóng)業(yè)科技成果的密集使用來提高農(nóng)業(yè)資源開發(fā)利用的廣度、深度和精度,從根本上改變農(nóng)業(yè)資源配置的機(jī)制、結(jié)構(gòu)和效率,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境改善。
從發(fā)展趨勢(shì)看,我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科需要圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求和科學(xué)前沿問題,不斷拓寬學(xué)科發(fā)展空間,促進(jìn)學(xué)科交叉融合,培育新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)。加強(qiáng)國(guó)際合作與交流,吸收國(guó)外先進(jìn)的研究方法和管理經(jīng)驗(yàn),在逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科與國(guó)際接軌的同時(shí),提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。努力加強(qiáng)科技創(chuàng)新和人才隊(duì)伍建設(shè),培養(yǎng)和造就一批優(yōu)秀基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科隊(duì)伍,切實(shí)增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力和解決制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸問題的能力。同時(shí),要加強(qiáng)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科發(fā)展平臺(tái)建設(shè),努力改善和提高研究條件。要積極推進(jìn)科技機(jī)制與體制創(chuàng)新,創(chuàng)造良好學(xué)科發(fā)展環(huán)境,提升基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科的自主創(chuàng)新能力和綜合實(shí)力,取得更多具有重大理論創(chuàng)新價(jià)值和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果,有力支撐我國(guó)農(nóng)作物持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。
二、學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀
(一)作物種質(zhì)資源學(xué)科
作物種質(zhì)資源是作物育種和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。作物種質(zhì)資源學(xué)作為作物科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科之一,近年來在我國(guó)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,學(xué)科建設(shè)越來越完善,人才隊(duì)伍逐漸壯大。在本學(xué)科理論指導(dǎo)下,在作物種質(zhì)資源的考察收集、整理編目、鑒定評(píng)價(jià)、種質(zhì)創(chuàng)新、安全保存和共享利用等方面都取得了顯著成效,產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
近年來,作物種質(zhì)資源資源學(xué)科的發(fā)展主要體現(xiàn)在作物種質(zhì)資源考察收集更加科學(xué)、系統(tǒng)和全面,注重了收集資源的遺傳完整性和多樣性;野生種質(zhì)資源的原生境保護(hù)鼓勵(lì)農(nóng)民參與,強(qiáng)調(diào)在利用中保護(hù),增加了可持續(xù)性;作物種質(zhì)資源的低溫庫保存與活力監(jiān)測(cè)更加規(guī)范;作物種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,目標(biāo)性狀更加符合育種需求;種質(zhì)創(chuàng)新更加注重引入遠(yuǎn)緣基因,拓寬遺傳基礎(chǔ);在種質(zhì)資源民族植物學(xué)方面,努力探索少數(shù)民族生存繁衍與種質(zhì)資源的相關(guān)性,為建立長(zhǎng)效保護(hù)和可持續(xù)利用機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
1、作物種質(zhì)資源考察收集更加科學(xué)、系統(tǒng),成效顯著。
作物種質(zhì)資源考察收集是本領(lǐng)域基礎(chǔ)性的工作,全面、系統(tǒng)地考察收集分布于不同的生態(tài)環(huán)境,如沿海地區(qū)的耐鹽堿種質(zhì)資源、西部干旱地區(qū)的抗旱種質(zhì)資源、邊遠(yuǎn)山區(qū)的古老農(nóng)家品種和野生種質(zhì)資源,是保護(hù)我國(guó)生物多樣性的重要組成部分,對(duì)維系人類生存繁衍和生態(tài)平衡發(fā)揮著不可替代的作用。在作物種質(zhì)資源考察收集方法與技術(shù)上,借鑒和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)考察實(shí)際,形成了作物種質(zhì)資源考察收集技術(shù)規(guī)范。野生種質(zhì)資源的收集以居群取樣代替?zhèn)€體取樣,更加注重群體的遺傳完整性。野生資源通常以居群為生存繁衍群體,居群內(nèi)形成遺傳平衡,居群間遺傳變異明顯。因此,收集取樣時(shí),每一居群構(gòu)成一份樣品,而非過去以單株為單位采集取樣。GPS 定位已廣泛應(yīng)用于野生資源的調(diào)查和收集,樣品收集和信息(含圖像)采集同步進(jìn)行,建立野生資源分布、生境、特性數(shù)據(jù)庫,一方面為野生資源的研究利用和原位保護(hù)提供更多信息,同時(shí)也為有效監(jiān)測(cè)野生資源的消長(zhǎng)和變異進(jìn)化奠定了良好基礎(chǔ)。
我國(guó)大規(guī)模作物種質(zhì)資源考察收集和國(guó)外引種工作始于20世紀(jì)80年代初,截止2008年,通過直接考察,收集各類作物種質(zhì)資源99000余份,從世界120余個(gè)國(guó)家引進(jìn)作物種質(zhì)資源47200余份,極大地豐富了我國(guó)作物種質(zhì)資源的遺傳多樣性。近年來,在國(guó)家有關(guān)重大項(xiàng)目的支持下,正在實(shí)施“云南及周邊地區(qū)生物資源調(diào)查”,主要圍繞云南及周邊地區(qū)少數(shù)民族生存繁衍所依賴的農(nóng)作物、家養(yǎng)動(dòng)物、食用菌、藥用植物等,深入調(diào)查和分析其生物多樣性與少數(shù)民族社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,收集種質(zhì)資源6000份;我國(guó)沿海地區(qū)抗旱耐鹽堿農(nóng)作物種質(zhì)資源調(diào)查,旨在全面了解沿海地區(qū)作物種質(zhì)資源的分布及變化現(xiàn)狀,收集抗旱耐鹽堿農(nóng)作物種質(zhì)資源3000份,為抗旱耐鹽堿農(nóng)作物育種,開發(fā)利用鹽堿地奠定材料基礎(chǔ);另外,還開展了與糧食安全密切相關(guān)的作物野生種、邊遠(yuǎn)地區(qū)的古老農(nóng)家品種、近10年新推廣種植的育成品種的考察收集、整理編目等。作物種質(zhì)資源的考察收集,進(jìn)一步豐富了國(guó)家種質(zhì)資源基因庫,保護(hù)了生物多樣性,必將為我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極作用。
2、 作物種質(zhì)資源保存與監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟,安全保存得以實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過近20多年的不斷發(fā)展和完善,我國(guó)已基本建立起長(zhǎng)期庫、復(fù)份庫、中期庫、種質(zhì)圃、原生境保護(hù)點(diǎn)等相配套的作物種質(zhì)資源保護(hù)體系,研究制定了一整套種子入庫操作技術(shù)和貯藏標(biāo)準(zhǔn),并入庫(圃)保存了39.2萬份作物種質(zhì)資源,長(zhǎng)期貯藏?cái)?shù)量位居世界首位,其成果獲得了2003年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。主要作物野生種質(zhì)資源原生境保護(hù)取得重要進(jìn)展。系統(tǒng)研究了原生境保護(hù)的位點(diǎn)選擇原則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、隔離方式、保障措施,形成了比較完善的原生境保護(hù)技術(shù)規(guī)范。在此規(guī)范指導(dǎo)下,建立了野生稻、小麥野生近緣植物、野生大豆、野生蔬菜、野生蘋果等86個(gè)原生境保護(hù)保護(hù)點(diǎn)。另外,制定了鼓勵(lì)農(nóng)民參與的作物種質(zhì)資源策略,在開發(fā)利用中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)保護(hù)的意識(shí)和觀念逐漸被接受,農(nóng)民參與式保護(hù)取得一定成效。
另外,我國(guó)在云南、貴州、川西、湘西等地區(qū),通過鼓勵(lì)農(nóng)民多樣化種植,控制病蟲害,降低生產(chǎn)成本,增加經(jīng)濟(jì)收益,實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)資源的“農(nóng)場(chǎng)保護(hù)”。 研究和發(fā)展了作物種質(zhì)資源異位保存理論與技術(shù),制定了作物種質(zhì)資源繁殖更新與保存技術(shù)規(guī)范,包括種質(zhì)資源繁殖更新和入庫保存技術(shù)程序、技術(shù)指標(biāo)和描述規(guī)范。完成了25萬份中期庫種質(zhì)資源的繁殖更新和3萬份無性繁殖作物的更新復(fù)壯,極大地提高了種質(zhì)資源的供種能力,顯著提高了資源利用率。同時(shí),首次在世界上研究制定了低溫種子庫、種質(zhì)圃、試管苗庫和超低溫庫的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與建設(shè)技術(shù)規(guī)范。依據(jù)這些規(guī)范,完善了19座中期庫(包括國(guó)家和省級(jí))、32個(gè)種質(zhì)圃保存設(shè)施條件,新建了8座低溫種質(zhì)庫和7個(gè)種質(zhì)圃,有效改善了我國(guó)作物種質(zhì)資源的保存設(shè)施條件和種質(zhì)保存質(zhì)量。
低溫庫種子安全的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論與技術(shù)獲得突破性進(jìn)展。通過對(duì)不同貯藏條件下種子生活力和遺傳完整性的大量檢測(cè),首次發(fā)現(xiàn)在低溫貯藏條件下,種子生活力存活曲線呈反S型,生活力快速下降 “拐點(diǎn)”為73%~75%,為安全預(yù)警提供了技術(shù)和信息支撐。
3、作物種質(zhì)資源鑒定初步實(shí)現(xiàn)了由表現(xiàn)型向基因型的跨越。
遺傳多樣性評(píng)價(jià)與核心種質(zhì)建立取得重大進(jìn)展。綜合利用形態(tài)學(xué)、蛋白質(zhì)、DNA標(biāo)記等分析方法,重點(diǎn)開展了不同年代育成品種的遺傳多樣性變化、地方品種的遺傳構(gòu)成、多樣性的地理分化等方面的研究,建立了水稻、小麥、玉米、大豆、食用豆、棉花等核心種質(zhì)和應(yīng)用核心種質(zhì),以5%~10%的樣品代表了80%~90%的全部種質(zhì)的遺傳多樣性,極大地方便了研究和利用。表型鑒定呈現(xiàn)精準(zhǔn)化。對(duì)主要農(nóng)作物種質(zhì)資源開展了多年多點(diǎn)的精準(zhǔn)鑒定,并依據(jù)各類作物種質(zhì)資源描述標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)控制規(guī)范,鑒定性狀,采集和處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了作物種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)的規(guī)范化、科學(xué)化,提高了鑒定數(shù)據(jù)和信息高效共享。同時(shí),利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù),在表型鑒定的基礎(chǔ)上,開展了大規(guī)模的基因型鑒定,明確了控制不同性狀的基因及其遺傳規(guī)律,初步實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)資源鑒定由表現(xiàn)型向基因型的跨越,鑒定數(shù)據(jù)和信息更加準(zhǔn)確,利用更加方便和有效。新基因發(fā)掘初步走向高通量和規(guī)?;?。
現(xiàn)代分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展,為高通量和規(guī)?;男禄虬l(fā)掘提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。標(biāo)記定位和部分克隆了許多農(nóng)作物重要性狀基因/數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL),分離克隆了有關(guān)產(chǎn)量、抗病蟲、抗逆、品質(zhì)、養(yǎng)分高效等相關(guān)基因300余個(gè),其中包括水稻白葉枯病抗性基因 Xa26、Xa26、單稈基 因 Monoculm 1 和 脆 稈 基 因 Brttleculm1等。另外等位基因發(fā)掘已成為種質(zhì)資源研究的重要領(lǐng)域。對(duì)水稻、小麥、大豆和玉米等作物的一些重要基因進(jìn)行了單倍型分析,通過與表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,發(fā)掘出了一批等位基因。這些基因的發(fā)掘,將為常規(guī)育種和轉(zhuǎn)基因育種提供基因源泉。
4、種質(zhì)創(chuàng)新更加注重引入外源基因,創(chuàng)新種質(zhì)得到有效利用。
優(yōu)異種質(zhì)是育種的直接親本來源,創(chuàng)新質(zhì)量好、數(shù)量足的種質(zhì),將極大地促進(jìn)作物育種的快速發(fā)展。當(dāng)前的種質(zhì)創(chuàng)新技術(shù)也從傳統(tǒng)的利用基因自然突變、種內(nèi)雜交、遠(yuǎn)緣雜交、組織培養(yǎng)、無性系變異、人工誘變等手段,擴(kuò)展到借助分子標(biāo)記輔助改良、通過基因工程直接轉(zhuǎn)移外源基因、3個(gè)以上優(yōu)異基因(包括數(shù)量性狀基因)聚合等,以此創(chuàng)造新的變異類型,培育新種質(zhì)。為了拓寬育種遺傳基礎(chǔ),通過遠(yuǎn)緣雜交等手段,將外源物種的期望基因轉(zhuǎn)入栽培種,并在方法和材料創(chuàng)新方面取得顯著進(jìn)展。圍繞高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆、高效利用水肥等育種目標(biāo),創(chuàng)造出一批育種新材料和遺傳材料,例如,將普通野生稻的yld1.1 和yld2.1兩個(gè)高產(chǎn)基因位點(diǎn)轉(zhuǎn)入栽培稻,創(chuàng)造出超級(jí)稻骨干親本“Q611”(恢復(fù)系),并開始提供育種家利用;通過普通小麥與冰草(Agropyron cristatum (L.) Gaertn)雜交,已創(chuàng)造出包含冰草多花多粒、抗旱、抗白粉病和條銹病等基因的普通小麥-冰草異源易位系30余個(gè),育種家利用后已培育出普通小麥新品種2個(gè);利用輻射誘變技術(shù),創(chuàng)造出大鈴、纖維品質(zhì)優(yōu)異的棉花新材料,培育出大鈴優(yōu)質(zhì)雜交棉“中棉所48”,這些新品種目前正在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用,產(chǎn)生了很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
5、努力探索作物種質(zhì)資源與少數(shù)民族社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性,為建立作物種質(zhì)資源長(zhǎng)效保護(hù)和可持續(xù)利用機(jī)制奠定基礎(chǔ)。 通過云南及周遍地區(qū)少數(shù)民族生物資源調(diào)查,基本查清了該地區(qū)作物種質(zhì)資源的分布狀況、多樣性程度與變化趨勢(shì),以及少數(shù)民族對(duì)作物種質(zhì)資源的認(rèn)知、利用與保護(hù)措施。探索了作物種質(zhì)資源與少數(shù)民族社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性,為建立作物種質(zhì)資源長(zhǎng)效保護(hù)和可持續(xù)利用機(jī)制奠定了良好的基礎(chǔ)。
云南部分科研單位還探索了民族植物學(xué)與作物起源和進(jìn)化的關(guān)系,以及在作物種質(zhì)資源保護(hù)和開發(fā)利用中的作用。認(rèn)為民族知識(shí)對(duì)種質(zhì)資源特性鑒定、發(fā)掘名特優(yōu)產(chǎn)品、研究制定高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)技術(shù)有重要作用。
6、作物種質(zhì)資源學(xué)科對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)顯著
作物種質(zhì)資源學(xué)科最新研究成果對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響,主要體現(xiàn)在:一是建立和完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)平臺(tái),為作物育種、生命科學(xué)研究和政府決策提供材料和信息,充分體現(xiàn)了本學(xué)科的社會(huì)公益性特點(diǎn);二是建立和完善了作物種質(zhì)資源保護(hù)體現(xiàn),考察收集、安全保護(hù)了大量瀕臨消失的珍貴種質(zhì),減緩了因人口增加、生態(tài)環(huán)境惡化、城市化發(fā)展等造成的生物多樣性快速下降的趨勢(shì),對(duì)維系生態(tài)平衡,確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ);三是新基因的發(fā)掘和種質(zhì)創(chuàng)新,極大地促進(jìn)了作物育種的發(fā)展,對(duì)解決我國(guó)糧食安全、確保生態(tài)安全發(fā)揮了巨大作用。
?。?)建設(shè)作物種質(zhì)資源技術(shù)規(guī)范與服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)資源實(shí)物與信息的社會(huì)共享。近年來,研究制定了110種作物的描述規(guī)范、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范;研究制定了110種作物種質(zhì)資源技術(shù)指標(biāo)3824個(gè),重點(diǎn)涵蓋了品質(zhì)(營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、感官品質(zhì)、加工品質(zhì)、貯藏保鮮品質(zhì)等)、抗病蟲、抗逆性等新的技術(shù)指標(biāo),集成創(chuàng)新了1793個(gè)技術(shù)指標(biāo),改進(jìn)規(guī)范了9436個(gè)技術(shù)指標(biāo);首次統(tǒng)一了作物種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、樣本數(shù)、取樣方法、計(jì)量單位、精度和允許誤差、等級(jí)劃分規(guī)則等10大類度量指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物種質(zhì)資源收集、整理、保存、評(píng)價(jià)和利用全過程的規(guī)范化和數(shù)字化,創(chuàng)建了作物種質(zhì)資源科學(xué)分類、統(tǒng)一編目、統(tǒng)一描述的技術(shù)規(guī)范體系。以規(guī)范化和數(shù)字化帶動(dòng)作物種質(zhì)資源共享和利用,標(biāo)準(zhǔn)化整理、數(shù)字化表達(dá)了20萬份種質(zhì)資源,實(shí)現(xiàn)了實(shí)物和信息的共享。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),利用分發(fā)的11.18萬份種質(zhì)育成的新品種累計(jì)推廣面積9.17億畝,極大提高了資源利用效率和效益。另外,為國(guó)家制定作物種質(zhì)資源保護(hù)和開發(fā)利用戰(zhàn)略提供了信息服務(wù),得到了國(guó)家有關(guān)部門的認(rèn)可。
?。?) 建立和完善了作物種質(zhì)資源安全保存體系,有效保護(hù)了我國(guó)生物多樣性。我國(guó)已經(jīng)建立和完善了作物種質(zhì)資源安全保存體系。其作用主要體現(xiàn)在:一是加強(qiáng)了各類作物種質(zhì)資源的保護(hù)力度,野生種質(zhì)資源、古老農(nóng)家品種以及分散在全國(guó)各地的瀕臨丟失資源得到了比較妥善的保存,防止了國(guó)家戰(zhàn)略性資源的丟失;二是有效保護(hù)了生物多樣性,維系了生態(tài)平衡,遏制了因人口增加、生態(tài)環(huán)境惡化、城市化發(fā)展等造成的生物多樣性快速下降的趨勢(shì),為確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ);三是作物種質(zhì)資源保存體系中各種質(zhì)庫、種質(zhì)圃、原生境保護(hù)點(diǎn)作為科普基地,為提高全民尤其是中心學(xué)生保護(hù)生物多樣性意識(shí)發(fā)揮了積極作用;四是為廣大科研人員提供了研究基地和材料,極大地促進(jìn)了我國(guó)作物種質(zhì)資源學(xué)科的發(fā)展。
?。?)創(chuàng)新種質(zhì)為作物育種提供了優(yōu)良基礎(chǔ)材料,產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。種質(zhì)創(chuàng)新是為生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和作物育種應(yīng)用研究提供材料的,前者可以發(fā)表高水平論文,后者可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。例如,利用水稻“野敗型”不育系,實(shí)現(xiàn)了水稻三系配套,培育出幾百個(gè)雜交水稻新品種,單產(chǎn)提高了15%以上;以小麥矮孟牛新種質(zhì),育成了13個(gè)小麥品種,1983~1996年累計(jì)推廣3.09億畝,1997年獲國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)。近5年來,作物種質(zhì)資源保存體系各單位共向4076個(gè)單位提供了505752份次的種質(zhì)資源,直接利用這些種質(zhì)資源已經(jīng)育成了29個(gè)新品種,分別通過了國(guó)家、?。ㄊ校┘?jí)審定。上述新品種的培育和推廣應(yīng)用,為解決我國(guó)乃至世界人民的糧食供給問題做出了突出貢獻(xiàn)。
(二)作物遺傳學(xué)
作物遺傳學(xué)是一門發(fā)展極快的科學(xué),差不多每十年就有一次重大的突破。現(xiàn)階段的作物遺傳學(xué)在廣度上和深度上都有著飛躍的發(fā)展,已從孟德爾、摩爾根時(shí)代的細(xì)胞學(xué)水平,深入發(fā)展到現(xiàn)代的分子水平。
1、作物雜種優(yōu)勢(shì)及其利用的遺傳學(xué)基礎(chǔ)研究取得重要進(jìn)展。
20世紀(jì)作物雜交品種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的大規(guī)模推廣和應(yīng)用,產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。最近,我國(guó)科學(xué)家采用“永久F2群體”這一新穎的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)以水稻、玉米、小麥和油菜等作物的QTL互作方式與玉米雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),所有類型的遺傳效應(yīng),包括單位點(diǎn)的部分顯性,完全顯性和超顯性以及二位點(diǎn)間的三種類型互作都對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)有所貢獻(xiàn)。對(duì)不同作物雜種優(yōu)勢(shì)位點(diǎn)的比較分析發(fā)現(xiàn),性狀QTL和雜種優(yōu)勢(shì)QTL位于相同位點(diǎn)的現(xiàn)象很少,一般在30%以下,表明大部分性狀QTLs和雜種優(yōu)勢(shì)QTLs由不同位點(diǎn)所控制。另外,還完成了一些重要性狀及其雜種優(yōu)勢(shì)QTLs的精細(xì)定位或物理定位。我國(guó)經(jīng)過長(zhǎng)期系統(tǒng)地對(duì)當(dāng)代雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)和油分的花粉直感效應(yīng)的研究,提出了利用普通玉米雜交種生產(chǎn)高油玉米的新方法,即“普通玉米高油化三利用技術(shù)”,在不降低普通玉米產(chǎn)量的情況下生產(chǎn)高油玉米,實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)的結(jié)合,這是雜種優(yōu)勢(shì)利用方式的一個(gè)新的途徑。我國(guó)雜交水稻的研究和利用處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
我國(guó)學(xué)者闡明了水稻CMS-BT型雄性不育和育性恢復(fù)的分子機(jī)理。在包臺(tái)型細(xì)胞質(zhì)雄性不育水稻的一個(gè)異常的線粒體的開放讀碼框orf79與atp6基因共轉(zhuǎn)錄,編碼一個(gè)細(xì)胞毒素肽。orf79在水稻中表達(dá)導(dǎo)致花粉呈雄配子體雄性不育。在第10號(hào)染色體Rf-1遺傳位點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)一個(gè)編碼PPR蛋白的多基因簇,其中有2個(gè)成員Rf1a和Rf1b被證明對(duì)BT型有育性恢復(fù)功能。兩個(gè)基因的蛋白(RF1A和RF1B)均為線粒體定位,RF1A以內(nèi)切方式切斷B-atp6/orf79 mRNA來阻止ORF79蛋白的產(chǎn)生而使育性恢復(fù),而RF1B則通過降解B-atp6/orf79 mRNA使育性恢復(fù)。我國(guó)學(xué)者在第1染色體的秈粳雜種花粉不育基因座Sa克隆了2個(gè)相鄰的基因:SaM+(秈型indica)或SaM-(粳型japonica)、SaF+ (indica)或SaF-(japonica),提出Sa座位雜種不育與親和的分子作用機(jī)理模型:雙基因/三因子互作模型, 揭示了植物的雜種雄性不育的分子基礎(chǔ)。由于光(溫)敏核不育系基因的發(fā)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了雜交水稻生產(chǎn)由三系到兩系的轉(zhuǎn)變和突破。最近,我國(guó)又相繼發(fā)現(xiàn)了新型油菜生態(tài)型細(xì)胞質(zhì)雄性不育兩用系、顯性和隱性細(xì)胞核雄性不育兩系及新型的小麥光溫敏不育系。
2、在作物細(xì)胞遺傳學(xué)的某些研究領(lǐng)域取得創(chuàng)新性的發(fā)展。
我國(guó)學(xué)者發(fā)明了在單細(xì)胞水平進(jìn)行的小麥與近緣及遠(yuǎn)緣野生種高頻率的體細(xì)胞雜交技術(shù),并首次通過調(diào)控染色質(zhì)的消減和漸滲,使不同親緣關(guān)系植物的微量染色質(zhì)轉(zhuǎn)移到小麥基因組,創(chuàng)制了12種小麥體細(xì)胞雜種漸滲系以及小麥與長(zhǎng)穗偃麥草遺傳多樣、快速穩(wěn)定的特異6大類新種質(zhì)及耐鹽、耐旱推廣新品種山融3號(hào),揭示出小麥體細(xì)胞雜交的染色質(zhì)消減及漸滲的主要影響因素是射線和親緣關(guān)系,在國(guó)際上率先建立了普通小麥/禾草體細(xì)胞雜交創(chuàng)建小麥漸滲系的技術(shù)體系。
另外,我國(guó)學(xué)者建立了甘薯、馬鈴薯、柑橘等植物的體細(xì)胞雜交技術(shù)體系,獲得大批種間體細(xì)胞雜種植株。我國(guó)率先培育出的高油型單倍體誘導(dǎo)系,已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于玉米育種中,從而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)育種程序的革新,大大加快了育種進(jìn)程。
3、作物數(shù)量遺傳學(xué)研究取得重要進(jìn)展。
20世紀(jì)80年代,我國(guó)學(xué)者提出了不同于質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的質(zhì)量-數(shù)量性狀,之后又提出了質(zhì)量-數(shù)量性狀的聚類分析法、F2群體混合遺傳分析的最大似然方法、多個(gè)世代的聯(lián)合分析方法,在提出參數(shù)估計(jì)的EIM算法基礎(chǔ)上拓展了兩對(duì)主基因+多基因的分離分析法并研制了相應(yīng)的軟件包。最近提出了基于混合線性模型的一對(duì)主基因+多基因的混合遺傳方法,拓展了多性狀的分離分析法。我國(guó)學(xué)者將最小范數(shù)二次無偏估計(jì)法用于成對(duì)數(shù)量性狀遺傳協(xié)方差的估計(jì),并建議協(xié)方差初值取0而方差初值取1,這稱為MINQUE(0/1)方法,并將其應(yīng)用于作物數(shù)量性狀遺傳分析和QTL定位研究。
最近,又利用方差組分估計(jì)的Henderson III法進(jìn)行QTL定位研究,將遺傳模型推進(jìn)至包括主效、互作和環(huán)境效應(yīng)的全模型并研制了QTLNetwork軟件包,推動(dòng)了我國(guó)數(shù)量遺傳學(xué)的發(fā)展。我國(guó)分子數(shù)量遺傳學(xué)理論研究已基本與國(guó)際同步,在理論與應(yīng)用研究中都有一定影響,近10年有不少應(yīng)用研究成果,如成功克隆了一因多效的野生型Ghd7基因。Ghd7基因可使抽穗期大大延遲、株高和每穗粒數(shù)顯著增加,且莖桿粗壯抗倒和單株產(chǎn)量提高50%。
4、作物基因工程技術(shù)日趨成熟,部分轉(zhuǎn)基因作物已經(jīng)或即將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
自1996年轉(zhuǎn)基因作物規(guī)?;瘧?yīng)用以來,10年間,全球轉(zhuǎn)基因作物研究迅速發(fā)展,被譽(yù)為“人類歷史上應(yīng)用最為迅速的重大技術(shù)”??钩輨?、抗蟲的轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花等已大規(guī)模商業(yè)化,轉(zhuǎn)基因作物的全球種植面積從1996年的170萬公頃增至2005年的9000萬公頃,連續(xù)10年增長(zhǎng)了53倍。近年來,我國(guó)已經(jīng)建立了模式植物擬南芥和水稻突變體庫及功能基因組研究技術(shù)平臺(tái),初步建立起了一個(gè)包含80000個(gè)單株的擬南芥突變體庫,構(gòu)建了含50000個(gè)條件性功能獲得和缺失性水稻突變體庫。在轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究方面,初步建立了主要作物基因研究的技術(shù)平臺(tái),獲得了具有重要應(yīng)用價(jià)值并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新基因390余個(gè);創(chuàng)制了大批轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗病、抗逆、品質(zhì)改良、抗除草劑等水稻、玉米、小麥、棉花、油菜、大豆、甘薯、馬鈴薯以及主要蔬菜、林草等新材料;在遺傳轉(zhuǎn)化核心技術(shù)創(chuàng)新方面,初步建立了棉花、水稻、油菜、玉米、大豆、甘薯等主要作物高效、安全轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系,如無選擇標(biāo)記技術(shù)、選擇標(biāo)記基因刪除技術(shù)和目的基因產(chǎn)物定時(shí)降解技術(shù)等。
目前,我國(guó)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻處于世界領(lǐng)先水平,高油轉(zhuǎn)基因油菜等已向發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓,抗蟲玉米和抗病小麥等已蓄勢(shì)待發(fā)。目前,我國(guó)生物安全評(píng)價(jià)體系已經(jīng)初步建立,已對(duì)水稻、玉米、油菜、大豆等轉(zhuǎn)基因作物中外源基因向相關(guān)物種漂流頻率、最大距離、Bt作物種植區(qū)棉鈴蟲庇護(hù)所進(jìn)行了定量評(píng)價(jià),探索了在模擬胃腸道消化試驗(yàn)、轉(zhuǎn)基因生物(產(chǎn)品)非期望效應(yīng)的檢測(cè)方法,建立了我國(guó)主要商業(yè)化轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的篩選檢測(cè)方法。經(jīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全委員會(huì)評(píng)審,共批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)基因生物中間試驗(yàn)456項(xiàng)、環(huán)境釋放211項(xiàng)、生產(chǎn)性試驗(yàn)181項(xiàng),安全證書176項(xiàng)。其中最顯著的例子是轉(zhuǎn)基因棉,培育了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力并通過商品化生產(chǎn)審批的轉(zhuǎn)基因棉花新品種58個(gè),新品種累計(jì)推廣1億多畝。
5、作物基因組學(xué)研究取得了迅速進(jìn)展,部分研究領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
我國(guó)在水稻等主要作物基因組研究上的進(jìn)展順利,繼獨(dú)立完成秈稻全基因組測(cè)序和粳稻第4號(hào)染色體測(cè)序,結(jié)果在《科學(xué)》和《自然》上發(fā)表后,抗病、耐鹽、抗旱、氮磷高效利用、分蘗、脆桿、莖桿伸長(zhǎng)、高產(chǎn)、不定根生長(zhǎng)等一批有潛在應(yīng)用價(jià)值的重要農(nóng)藝性狀基因的克隆取得了突破,獲得上百個(gè)功能明確的基因,21個(gè)在優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和抗逆品種改良方面具有應(yīng)用前景的功能基因,確立了我國(guó)在世界水稻科技方面的領(lǐng)先地位。在小麥和玉米等作物上精細(xì)定位了多個(gè)控制抗病、生育期和高產(chǎn)等重要農(nóng)藝性狀的基因,為進(jìn)一步的基因克隆和開展標(biāo)記輔助育種奠定了基礎(chǔ);完整地測(cè)定了水稻染色體著絲粒的DNA序列,為進(jìn)一步分析著絲粒結(jié)構(gòu)與功能、染色體的穩(wěn)定性和染色體的復(fù)制提供了必要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),也為開發(fā)可新型轉(zhuǎn)化載體 “人工水稻或植物染色體”的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。
近年來,我國(guó)科學(xué)家在作物比較遺傳作圖、基因結(jié)構(gòu)區(qū)域的微共線性、ESTs和蛋白質(zhì)水平的比較以及基于比較基因組學(xué)的基因和QTL的克隆等方面開展了研究,并在水稻栽培稻秈粳兩個(gè)亞種的比較基因組學(xué)研究上取得了重要突破。在國(guó)際上率先完成了秈稻4號(hào)染色體基因組精確測(cè)序,并系統(tǒng)地對(duì)秈、粳稻4號(hào)染色體基因結(jié)構(gòu)、組成和順序的異同進(jìn)行分析和比較,同時(shí)包括對(duì)單核苷酸的多態(tài)性和插入或缺失的比較分析,獲得了秈粳基因組差異的重要遺傳信息;鑒定了兩個(gè)主要栽培稻亞種間的親緣和進(jìn)化關(guān)系;完成了水稻4號(hào)染色體特異DNA芯片的研制及部分表達(dá)譜分析,并結(jié)合精確的4號(hào)染色體序列信息,鑒定和驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的基因表達(dá)信息,獲得了一個(gè)完整系統(tǒng)的單條染色體所含基因的表達(dá)分析。
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生物信息學(xué)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)特別是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)密切結(jié)合,在與農(nóng)業(yè)相關(guān)的基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行深入應(yīng)用和分析,稱為農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)(Agro-bioinformatics)。生物信息學(xué)作為多學(xué)科交叉的新興學(xué)科,有利于生命過程的定量研究和系統(tǒng)整合,農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)將成為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究工作中必不可少的技術(shù)手段和支撐平臺(tái),將進(jìn)一步推動(dòng)動(dòng)植物遺傳改良,有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
1、從本世紀(jì)初開始,隨著我國(guó)在農(nóng)業(yè)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方面開始大規(guī)模獨(dú)立產(chǎn)出數(shù)據(jù)(其標(biāo)志是水稻(秈稻)基因組“工作框架圖”的發(fā)布),農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)在我國(guó)才真正進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的階段。鑒于我國(guó)在植物科學(xué)研究領(lǐng)域扎實(shí)基礎(chǔ),我們?cè)谝运緸橹鬓r(nóng)作物方面的生物信息方面的積累和進(jìn)展都在國(guó)際上占有一席之地。
2、近幾年來,隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累,與水稻功能基因組學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫數(shù)量也在不斷上升:目前釋放的水稻突變體庫數(shù)據(jù)庫至少有三個(gè),分別在上海、武漢、和杭州,均包括查詢、定位等功能,有的數(shù)據(jù)庫還提供表型的查詢。為水稻基因注釋和表達(dá)分析的EST或全長(zhǎng)cDNA 數(shù)據(jù)也有多個(gè)來源,目前可以查詢到的自主采集的全長(zhǎng)cDNA已有上萬條。服務(wù)于水稻表達(dá)譜分析的數(shù)據(jù)庫、分析算法和注釋系統(tǒng)也有多家,如秈稻全基因組微陣列數(shù)據(jù)庫,粳稻cDNA微陣列數(shù)據(jù)庫,水稻全基因組芯片注釋數(shù)據(jù)庫等等。關(guān)于水稻比較基因組學(xué)方面,針對(duì)水稻秈粳兩個(gè)亞種之間的基因組差異也有較為深入的研究。另外,我國(guó)在水稻種子發(fā)育過程的蛋白組學(xué)和水稻脅迫條件下小RNA的表達(dá)譜方面也有一定的數(shù)據(jù)積累。同時(shí),針對(duì)植物/作物數(shù)據(jù)整合、查詢、分析的農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)平臺(tái)也有長(zhǎng)足發(fā)展。其中包括EasyGO(基于Gene Ontology的功能注釋歸類工具),可以支持15個(gè)農(nóng)業(yè)相關(guān)物種,多達(dá)40種數(shù)據(jù)類型的功能注釋與分析;GOEAST(GO分析軟件),可以支持多物種、多平臺(tái)、自定義的Gene Ontology的功能注釋分析服務(wù);KOBAS(基于代謝途徑分類分析)可以通過KO傳遞的方法對(duì)多種物種(包括農(nóng)業(yè)物種)進(jìn)行KO注釋以及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析網(wǎng)絡(luò)化服務(wù);擬南芥基因相互作用網(wǎng)絡(luò)和稻瘟菌蛋白相互作用預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等等。另外,基于農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)挖掘,得到了一些有意義的結(jié)果:通過對(duì)動(dòng)物基因組G4 DNA元件的分析,包括其保守性、分布規(guī)律、與基因分布的相關(guān)性以及與基因表達(dá)水平的相關(guān)性,探討了G4 DNA元件調(diào)控潛能和可能的作用機(jī)理。
(四)作物生理學(xué)
上個(gè)世紀(jì)上半葉,我國(guó)作物學(xué)和植物生理學(xué)家已開展了作物生理學(xué)方面的探索性研究。新中國(guó)建立以后,大批植物生理學(xué)家與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合,發(fā)展了具有中國(guó)特色的作物生理學(xué)科----作物栽培生理。20世紀(jì)50年代系統(tǒng)總結(jié)了各地勞??疵缭\斷進(jìn)行肥水管理的高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),探討了葉色變化與碳、氮代謝的關(guān)系;將作物一生劃分為若干生育階段和生育時(shí)期,研究了不同階段、不同時(shí)期生育特性和形態(tài)特征。20世紀(jì)60年代廣泛開展了群體生理研究,提出合理群體動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)概念,分析了作物與環(huán)境、個(gè)體與群體的辯證關(guān)系,揭示了群體自動(dòng)調(diào)節(jié)規(guī)律,提出了高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)特征和合理密植原則。圍繞產(chǎn)量形成過程,研究了產(chǎn)量構(gòu)成因素與器官建成的關(guān)系、器官同伸規(guī)律及其調(diào)節(jié)控制原理。20世紀(jì)70年代,從提高作物光能利率出發(fā),進(jìn)一步開展了作物光合性能、物質(zhì)生產(chǎn)與分配研究;在對(duì)作物需肥、需水規(guī)律和肥水效應(yīng)研究基礎(chǔ)上提出作物肥水促控原則與指標(biāo);組織全國(guó)力量,系統(tǒng)研究了主要作物溫光反應(yīng)特性;針對(duì)各地作物生產(chǎn)中的問題開展了逆境生理與抗逆增產(chǎn)途徑研究。20世紀(jì)80年代,作物高產(chǎn)機(jī)制與高產(chǎn)途徑研究深入發(fā)展,總結(jié)出稻麥高產(chǎn)幾條基本生物學(xué)規(guī)律,高產(chǎn)途徑從以擴(kuò)大群體規(guī)模為主轉(zhuǎn)向優(yōu)化群體、強(qiáng)化個(gè)體;研究了主要作物群體光合特征;開展了作物源庫關(guān)系研究,特別是對(duì)水稻品種源庫類型劃分及小麥品種源庫生態(tài)型的研究,為分區(qū)因種栽培提供了新的理論依據(jù);在多種作物上建立了葉齡模式;出版了多種作物的栽培生理著作。20世紀(jì)90年代以來,圍繞高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效目標(biāo),作物生理學(xué)研究向深度和廣度發(fā)展,在高光效生理、產(chǎn)品器官形成與退化機(jī)理、水肥高效利用生理、超高產(chǎn)株型與栽培生理、品質(zhì)形成生理、激素調(diào)節(jié)與化控生理、根-冠關(guān)系、抗逆生理、生長(zhǎng)模擬、群體質(zhì)量與源庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能優(yōu)化協(xié)調(diào)機(jī)理等多方面研究取得重要進(jìn)展。近期的進(jìn)展突出表現(xiàn)在如下方面:
1、在作物生育生理與調(diào)控方面,闡明了主要作物高產(chǎn)生育規(guī)律,建立了多種作物生育進(jìn)程“葉齡模式”,作物高產(chǎn)栽培與管理提供了重要理論依據(jù)和調(diào)控指標(biāo);進(jìn)一步明確了小麥等作物的光溫發(fā)應(yīng)特牲,在一些作物上發(fā)現(xiàn)了光溫敏不育種質(zhì)材料,探討了育性轉(zhuǎn)換機(jī)制;作物生育的化學(xué)調(diào)控理論與技術(shù)研究有較大發(fā)展,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位建立的“棉花化控栽培理論與技術(shù)體系”,獲得重要成果。
2、在作物光合生理方面,圍繞作物光合性能開展了深入研究。中國(guó)科學(xué)院植物所等單位,對(duì)我國(guó)小麥、水稻不同年代大量品種的測(cè)定表明,高產(chǎn)品種光合速率高于低產(chǎn)品種。許多單位對(duì)作物光合午休機(jī)理開展了探討,初步明確光抑制與午休的關(guān)系。通過基因工程改善作物的耐光抑制特性的研究,也取得了較好的效果。在水稻、大豆上篩選出具有高光效特性或?qū)V譜光強(qiáng)有較強(qiáng)適應(yīng)性的種質(zhì)資源材料。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院植物研究所對(duì)小麥非葉器官(穗、莖、鞘等)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,并發(fā)現(xiàn)這些非葉器官具有較強(qiáng)的C4代謝酶活性,并具有比葉片較強(qiáng)的光合耐逆性,充分發(fā)揮作物非葉器官的光合耐逆功能,對(duì)提高作物整體光合能力具有重要意義。江蘇農(nóng)科院對(duì)轉(zhuǎn)PEPC基因水稻高光效機(jī)制開展了一系列有益的探索。圍繞作物后期葉片早衰與防衰機(jī)制開展了大量研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了“葉片光合速率高值持續(xù)期”的概念,并認(rèn)為現(xiàn)代品種高產(chǎn)的重要原因之一是延長(zhǎng)了葉片光合高值持續(xù)期。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)將小麥葉片衰老過程劃分為緩衰期和速衰期,認(rèn)為延長(zhǎng)緩衰期、推遲速衰期、保持較長(zhǎng)的光合速率高值持續(xù)期是高產(chǎn)向超高產(chǎn)發(fā)展的重要途徑,并通過研究表明,氮肥后移可以延緩葉片衰亡,以此為基礎(chǔ),建立了“冬小麥超高產(chǎn)技術(shù)體系”。
3、在作物源庫關(guān)系及其調(diào)控方面,已在多種作物上已開展了不同品種、不同生態(tài)環(huán)境下產(chǎn)量源庫關(guān)系分析,為高產(chǎn)栽培實(shí)踐提供了指導(dǎo)。源庫生理的研究也更加深入,如在源庫形成的激素調(diào)控與酶學(xué)機(jī)制、主要谷類作物籽粒灌漿特性及其與葉片光合功能協(xié)調(diào)性、強(qiáng)勢(shì)粒與弱勢(shì)粒庫活性差異機(jī)理、莖鞘貯藏物再運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、源庫層次分析及其數(shù)量與質(zhì)量指標(biāo)、源庫信息聯(lián)系與互作機(jī)制等方面開展了有益探索。同時(shí),源庫關(guān)系的研究對(duì)象也已從單純碳同化物擴(kuò)展到氮素及其他物質(zhì)。源庫生理與源庫生態(tài)研究的結(jié)合及其模擬模型研究已成為下一步工作的重要方向。
4、在作物營(yíng)養(yǎng)與養(yǎng)分高效利用方面,圍繞水稻、小麥、玉米、水稻、棉花等作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、超高產(chǎn)形成的養(yǎng)分吸收、分配、再利用等,開展了了大量細(xì)致的工作。另外,對(duì)于S、Zn、Mo、Mn、B等元素在產(chǎn)品形成中的生理功能、運(yùn)輸、分配等也有了新的認(rèn)識(shí)。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育所從細(xì)胞、染色體和分子水平,較為系統(tǒng)而深入地開展了植物磷高效吸收關(guān)鍵基因功能與調(diào)控研究,探討了小麥磷高效的生理學(xué)機(jī)制。對(duì)作物體內(nèi)在養(yǎng)分平衡和農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的研究已受到更多關(guān)注,并開展了相關(guān)研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在作物根區(qū)養(yǎng)分調(diào)控、養(yǎng)分資源綜合管理、輪作與間作系統(tǒng)養(yǎng)分高效機(jī)制方向開展了多年系統(tǒng)研究,取得重要成果。作物營(yíng)養(yǎng)狀況(主要是氮營(yíng)養(yǎng))速測(cè)診斷技術(shù)有了較大發(fā)展。
5、在作物水分關(guān)系與節(jié)水機(jī)理方面,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院水土保持研究所、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位開展了較為深入的研究,圍繞適度水分虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)、物質(zhì)分配、根-冠關(guān)系等的調(diào)控效應(yīng)及其補(bǔ)償機(jī)制的研究取得重要進(jìn)展。作物抗旱生理理論研究促進(jìn)了節(jié)水灌溉理論與技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展,以非充分灌溉、調(diào)虧灌溉、局部灌溉、分根區(qū)交替灌溉和部分根干燥等技術(shù)為代表,通過時(shí)間(生育期)或空間(水平或垂直方向的不同根系區(qū)域)上的主動(dòng)的水分調(diào)控,可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和提高水分利用效率之目的。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)將小麥非葉器官光合性能與抗逆性的理論研究應(yīng)用于節(jié)水生產(chǎn)實(shí)踐,提出“控制葉面積,增加穗數(shù),構(gòu)建大群體、小個(gè)體、高穗/葉比(穗數(shù)/群體葉面積)結(jié)構(gòu),擴(kuò)大群體非葉光合面積,充分發(fā)揮非葉器官光合耐逆機(jī)能,實(shí)現(xiàn)節(jié)水與高產(chǎn)的統(tǒng)一”的技術(shù)思想,建立了“冬小麥節(jié)水高產(chǎn)技術(shù)體系”,已在華北地區(qū)推廣應(yīng)用。
6、在作物品質(zhì)生理與調(diào)控方面,近年來的研究取得較大進(jìn)展。例如:制定了主要作物品質(zhì)生態(tài)區(qū)劃;棉花纖維發(fā)育形態(tài)與生理機(jī)制及相關(guān)基因克隆、環(huán)境影響效應(yīng)研究較快發(fā)展;創(chuàng)新了高油、高蛋白、高糖等玉米種質(zhì)并對(duì)其遺傳生理特性進(jìn)行了研究;開發(fā)了“雙低”油菜品種并開展了相關(guān)生理研究;山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等針對(duì)不同類型小麥,從植株碳和氮代謝、籽粒蛋白質(zhì)和淀粉組分含量與相關(guān)酶活性、強(qiáng)弱勢(shì)粒代謝差異、環(huán)境與措施效應(yīng)等方面較系統(tǒng)研究了籽粒品質(zhì)形成的生理基礎(chǔ),并建立了優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù),取得重要成果。國(guó)家農(nóng)業(yè)信息工程研究中心、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位開展了有關(guān)作物品質(zhì)的遙感檢測(cè),已取得較好進(jìn)展。
7、在作物群體生理與株型研究方面,突出的成就是揚(yáng)州大學(xué)建立的“群體質(zhì)量”理論,提出了稻、麥、棉、玉米、油菜等作物高產(chǎn)群體應(yīng)具有的幾項(xiàng)共性形態(tài)生理綜合質(zhì)量指標(biāo),主要是:(1)提高經(jīng)濟(jì)器官生長(zhǎng)期群體光合生產(chǎn)積累量;(2)花期達(dá)到適宜葉面積值;(3)在適宜葉面積條件下,擴(kuò)大總庫容量;(4)在適宜葉面積 范圍內(nèi)提高粒葉比或鈴葉比;(5)調(diào)整葉系組成,提高有效和高效葉面積率;等。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)提出理想株形和雜種優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的稻作育種策略,對(duì)直立穗形高產(chǎn)、超高產(chǎn)水稻品種的培育和生理基礎(chǔ)的研究獨(dú)具特色,產(chǎn)生了很大影響。袁隆平提出超級(jí)雜交稻株型特征:高冠層,上三葉長(zhǎng)、直、窄、凹、厚, 矮穗層,中大穗。我國(guó)學(xué)者殷新佑將作物生長(zhǎng)模擬與QTL 定位結(jié)合,并用于理想株型選擇,具有重要意義。
8、我國(guó)在作物抗逆栽培及其生理研究方面有較多成就。根據(jù)不同地區(qū)環(huán)境限制因素,有針對(duì)性地研究了不同時(shí)期旱害與澇害、熱害與寒害、鹽堿、土壤缺素或低營(yíng)養(yǎng)、病蟲害及其他災(zāi)害對(duì)作物的影響機(jī)理,并提出相應(yīng)栽培對(duì)策措施,為大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了支持。
(五)作物生態(tài)學(xué)
作物生態(tài)學(xué)主要研究作物與環(huán)境的相互關(guān)系及其作用機(jī)制,從分子、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體到種群、群落甚至生態(tài)系統(tǒng)等都可以開展有關(guān)研究,但核心是探討作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)機(jī)智與調(diào)控途徑。隨著現(xiàn)代生態(tài)學(xué)、生理學(xué)、信息學(xué)理論與方法的不斷創(chuàng)新和拓展,作物生態(tài)學(xué)的理論和技術(shù)正在得到不斷的充實(shí)和提高,并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與環(huán)境資源利用方面發(fā)揮著日益顯著的作用。
1、從作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)形成與環(huán)境要素關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的作物生態(tài)適應(yīng)性研究,為推進(jìn)我國(guó)作物品質(zhì)生態(tài)區(qū)劃、優(yōu)勢(shì)農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)帶建設(shè)等奠定良好理論基礎(chǔ)和科技支撐。近年來,隨著GIS等地理信息技術(shù)在作物生態(tài)學(xué)的應(yīng)用,使得作物生態(tài)適應(yīng)的評(píng)價(jià)和布局上更為直觀和準(zhǔn)確,我國(guó)開展了大量的區(qū)域作物生產(chǎn)潛力和品質(zhì)氣候生態(tài)領(lǐng)域的研究,取得的相關(guān)研究成果對(duì)指導(dǎo)國(guó)家及各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)優(yōu)化布局及優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)帶建設(shè)等起到積極作用,對(duì)實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全做出重要貢獻(xiàn)。在作物生產(chǎn)潛力研究方面,已經(jīng)從最初的作物的光合潛力研究,逐步在充分考慮光照、溫度、水分等綜合因素考慮作物的生產(chǎn)潛力,并開始將農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力數(shù)值模擬與資源量化評(píng)價(jià)結(jié)合,模擬一定氣候因子背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所能達(dá)到的最高產(chǎn)量;利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源信息的有效管理,并分析和評(píng)估光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源配置對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的影響,為農(nóng)業(yè)氣候資源的有效利用提供了基礎(chǔ)。近年來,大氣CO2濃度升高為主題的全球變化問題成為熱點(diǎn)領(lǐng)域,圍繞作物對(duì)全球變化中的生理生態(tài)響應(yīng),植物適應(yīng)和進(jìn)化的機(jī)理以及對(duì)有限資源的合理利用等問題,已經(jīng)開展了人工模擬CO2增加的大氣環(huán)境中對(duì)作物生理、生長(zhǎng)的變化進(jìn)行研究,或在實(shí)驗(yàn)室或野外進(jìn)行控制條件的實(shí)驗(yàn)或觀測(cè),研究種群生長(zhǎng)與競(jìng)爭(zhēng)、群落結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力及生態(tài)系統(tǒng)功能等;另一方面,將全球氣候變化模型GCMs與作物模擬模型結(jié)合起來,對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)進(jìn)行敏感性分析,包括溫度升高和CO2濃度升高對(duì)作物光合作用、蒸騰作用、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率的生態(tài)生理變化影響,以及作物生育期、熟制及復(fù)種指數(shù)變化等。此外,針對(duì)作物之間的化感作用研究已經(jīng)步入了理論與應(yīng)用相結(jié)合的全面發(fā)展階段, 在化感作用的遺傳、化感物質(zhì)分離與鑒定、作用方式及其機(jī)制等方面研究不斷深入,并取得了重要研究進(jìn)展,尤其在運(yùn)用現(xiàn)代系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)研究非生物因子的化感作用方面不斷深入。
2.近年來,復(fù)合群體在提高資源利用效率的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛證實(shí),并被作為解決糧食安全、實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)品多樣化、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及解決農(nóng)村剩余勞動(dòng)力的重要手段而大面積推廣應(yīng)用。作物復(fù)合群體生態(tài)作為我國(guó)特色和優(yōu)勢(shì)研究領(lǐng)域,針對(duì)復(fù)合群體的光能利用、作物競(jìng)爭(zhēng)與產(chǎn)量的關(guān)系及生產(chǎn)潛力的系統(tǒng)研究、多熟種植模式的田間小氣候的特征、調(diào)控技術(shù)的研究及群體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究等方面都取得了許多重要的成果,并在指導(dǎo)多熟制生產(chǎn)實(shí)踐方面發(fā)揮了重要作用。在充分利用不同作物生態(tài)位差異與互補(bǔ)原理,發(fā)揮作物復(fù)合群體在時(shí)間、空間資源集約高效利用特點(diǎn),建立高產(chǎn)高效多熟種植模式原理及技術(shù)方面取得突出進(jìn)展。在應(yīng)用基礎(chǔ)研究上,系統(tǒng)深入地研究了主要作物間套作復(fù)合群體結(jié)構(gòu)中田間光能分布與利用,復(fù)合群體農(nóng)田微氣象因子動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,土壤水分、養(yǎng)分、生物活性的動(dòng)態(tài)變化,土壤培肥與養(yǎng)分平衡,復(fù)合群體作物間的養(yǎng)分、水分競(jìng)爭(zhēng)及互利關(guān)系及對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響機(jī)理;基于多樣性種植系統(tǒng)中作物種間相互作用對(duì)根際養(yǎng)分、土壤養(yǎng)分、作物養(yǎng)分吸收的影響,揭示多樣性種植系統(tǒng)中養(yǎng)分資源吸收利用與病蟲害控制間的內(nèi)在關(guān)系和相互作用等;研究提出了不間斷復(fù)合傘形結(jié)構(gòu)、復(fù)合群體共生作物的主輔換位、復(fù)合群體的時(shí)空協(xié)調(diào)統(tǒng)一等多熟種植復(fù)合群體的理想動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建規(guī)則等。在技術(shù)應(yīng)用上,基于農(nóng)田多熟制復(fù)合群體構(gòu)建規(guī)則與關(guān)鍵調(diào)控技術(shù),提出多熟群體的品種搭配優(yōu)化,種植帶型、間距、行比、密度優(yōu)化,以及配套栽培管理技術(shù)等,在大幅度提高農(nóng)田產(chǎn)生力同時(shí),促進(jìn)資源利用效率提高。近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田作物及品種混合種植的病蟲害防治、水分養(yǎng)分高效利用等開展了較為深入的研究。如通過不同抗性水稻品種多樣性種植系統(tǒng)中養(yǎng)分吸收利用的基本規(guī)律及其與稻瘟病控制、水稻產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)形成的相互作用研究,從分子水平上探索農(nóng)作物多樣性機(jī)理及其應(yīng)用已經(jīng)取得進(jìn)展;通過研究大麥/蠶豆、油菜/蠶豆、玉米/魔芋、玉米/辣椒等多樣性種植系統(tǒng)中作物種間相互作用,及其對(duì)根際養(yǎng)分、土壤養(yǎng)分、作物養(yǎng)分吸收的影響效果,揭示了多樣性種植系統(tǒng)中養(yǎng)分資源吸收利用特征與提高資源利用效率途徑。此外,
3.作物信息生態(tài)是隨著計(jì)算機(jī)及信息科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展背景下開展的,目前已經(jīng)是作物生態(tài)學(xué)研究和應(yīng)用中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。作物信息生態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中主要采用作物生態(tài)系統(tǒng)信息采集、信息處理技術(shù)、信息管理和利用技術(shù)等;作物生產(chǎn)系統(tǒng)模擬技術(shù)是指采用系統(tǒng)分析方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)具有不同時(shí)空尺度的作物生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各成分的狀態(tài)、相互關(guān)系及隨時(shí)間的變化過程進(jìn)行定量表達(dá)和動(dòng)態(tài)模擬,包括從宏觀的作物分布、種植制度、土壤與氣候分布到微觀的作物光合作用、干物質(zhì)與養(yǎng)分積累和分配、產(chǎn)量與品質(zhì)形成過程的定量描述與模擬。20世紀(jì)80年代以來,我國(guó)學(xué)者引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的建模思想和一些模型(如CERES),在水稻、小麥、玉米、棉花等主要作物的模擬模型及個(gè)別生理過程模擬研究方面取得了一定成績(jī),已經(jīng)研制出了一些具有自主版權(quán)的大型實(shí)用模型。 近年來,在作物生長(zhǎng)模擬模型基礎(chǔ)上開發(fā)作物知識(shí)模型,以及利用模擬模型與知識(shí)模型的集成應(yīng)用方面已經(jīng)取得突出進(jìn)展。作物知識(shí)模型作為描述作物與環(huán)境之間定量關(guān)系的動(dòng)態(tài)量化模型技術(shù),受到國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究的普遍重視。一方面,知識(shí)模型的開發(fā)為機(jī)理性的模擬模型與實(shí)用系統(tǒng)接軌創(chuàng)造了橋梁,彌補(bǔ)了模擬模型在實(shí)際應(yīng)用上的局限性;另一方面,知識(shí)模型的解釋性和通用性強(qiáng),尤其在農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)的應(yīng)用上,克服了單純利用知識(shí)規(guī)則推理的功能單一性。作物管理知識(shí)模型系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用,將作物生長(zhǎng)模擬研究中的系統(tǒng)分析原理和動(dòng)態(tài)建模方法應(yīng)用于作物生產(chǎn)管理知識(shí)體系的定量化分析和數(shù)字化表達(dá),有效解決了傳統(tǒng)作物管理專家系統(tǒng)和作物栽培模式經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、適應(yīng)性窄、定量化弱等難題,實(shí)現(xiàn)了作物栽培管理知識(shí)表達(dá)的模型化和數(shù)字化,以及作物栽培管理決策的精確化和科學(xué)化。近年來,在作物管理知識(shí)模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)框架、作物管理知識(shí)模型的定量化算法、基于知識(shí)模型的作物管理決策支持系統(tǒng)及精確農(nóng)作管理決策系統(tǒng)等方面,取得了較為突出的創(chuàng)新性進(jìn)展,開發(fā)的小麥、水稻、棉花等主要農(nóng)作物的智能化作物生產(chǎn)信息管理系統(tǒng),已經(jīng)有效服務(wù)于生產(chǎn)決策管理,推動(dòng)了我國(guó)作物栽培學(xué)科理論和技術(shù)創(chuàng)新。
4.協(xié)調(diào)作物與土壤環(huán)境間的關(guān)系,提高資源的利用效率,在保證糧食安全,改善環(huán)境質(zhì)量,推動(dòng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是作物養(yǎng)分生態(tài)的重要任務(wù)。近年來,我國(guó)科學(xué)家先后在農(nóng)田養(yǎng)分利用及其高效利用上作了大量的工作,通過對(duì)華北平原與太湖地區(qū)作物-土壤系統(tǒng)的氮素利用,揭示了施氮量增加,當(dāng)季氮吸收率下降以及損失增加的規(guī)律,闡述了不同形態(tài)的氮損失與栽培條件的關(guān)系;圍繞“產(chǎn)量效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)相協(xié)調(diào)”的要求,提出了“區(qū)域宏觀控制與田塊微調(diào)相結(jié)合”的施氮量推薦原則,建立了以根層氮素調(diào)控為理論基礎(chǔ),土壤硝態(tài)氮測(cè)試手段的氮素實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)及相應(yīng)的控制指標(biāo),運(yùn)用模型計(jì)算與GIS系統(tǒng),建立了基于縣域的氮素管理系統(tǒng)。隨著人們對(duì)作物養(yǎng)分生態(tài)研究的深入,提出了最佳養(yǎng)分管理技術(shù)。最佳養(yǎng)分管理是基于作物養(yǎng)分需求,是發(fā)達(dá)國(guó)家為了解決高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的矛盾在長(zhǎng)期生產(chǎn)時(shí)間中探索出來一套集成技術(shù)。最佳養(yǎng)分管理強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮作物品種的生物學(xué)潛力,通過綜合利用土壤、植物和環(huán)境養(yǎng)分,最大限度地提高各種養(yǎng)分自用的利用效率。我國(guó)先后實(shí)施了配方施肥等項(xiàng)目,有效地提高了作物養(yǎng)分利用效率。目前最佳養(yǎng)分管理技術(shù)已經(jīng)得到相應(yīng)管理部門的重視,并給予了支持,推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣,對(duì)于我國(guó)養(yǎng)分資源地高效利用起到了積極的推動(dòng)作用。提高作物水分生態(tài)適應(yīng)性和水分利用效率一直是作物生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域,隨著水分短缺問題日趨突出,如何用好有限得水資源,對(duì)降雨、土壤水以及地下水的充分合理利用已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重大問題。多年來,圍繞作物水分利用參數(shù)作物需水量、耗水量及其與自然降水的耦合度及生態(tài)適應(yīng)指數(shù)等研究不斷完善,為明確作物對(duì)水分的吸收、利用和需水規(guī)律,對(duì)作物布局、種植模式及水分生產(chǎn)管理提供理論指導(dǎo)。另一方面,結(jié)合對(duì)作物水分脅迫生理及非充分灌溉效應(yīng)研究,對(duì)農(nóng)田保墑、培肥地力、水肥耦合、建立適宜種植制度、選育抗旱品種、化學(xué)制劑保水、灌溉制度和灌溉模式等農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)研究也取得顯著進(jìn)展,為我國(guó)旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)有力和技術(shù)支持。近年來,基于“土壤-作物-大氣連續(xù)體(SPAC)概念的作物水分生態(tài)研究在不斷深入,借用數(shù)學(xué)方法定量分析農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)的水分循環(huán)與平衡過程,并描述水分在SPAC系統(tǒng)中不同部分得能量狀態(tài)及運(yùn)移規(guī)律,為深入分析農(nóng)田實(shí)際蒸散、作物蒸騰奠定良好基礎(chǔ),并推動(dòng)了作物水分生態(tài)模型模擬的發(fā)展。
5、隨著分子生物學(xué)技術(shù)的普遍應(yīng)用,從分子水平研究作物與環(huán)境的關(guān)系及其作用規(guī)律是近年來的一個(gè)作物生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。一方面,探索作物相關(guān)基因的遺傳分子生態(tài)特性,即作物基因功能通過特定環(huán)境條件及其作用模式完成的分子信息傳遞的機(jī)制,相關(guān)基因在不同發(fā)育階段或特定基因在不同環(huán)境條件下的分子行為等。另一方面,在分子水平上解釋作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中環(huán)境因素的變化規(guī)律、成因、機(jī)制及其生態(tài)效果,并由此影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的相應(yīng)變化及其分子響應(yīng)機(jī)理與調(diào)控技術(shù)。隨著基于基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的研究成果的不斷涌現(xiàn),對(duì)作物表觀遺傳學(xué)與環(huán)境之間的關(guān)系研究逐步取得突破,對(duì)作物分子適應(yīng)與分子進(jìn)化的理解不斷深入。從分子水平上解析作物形態(tài)建成及生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)制,對(duì)明確作物生理生態(tài)作用機(jī)理及進(jìn)行分子水平調(diào)控,提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及抗逆能力有重大意義和發(fā)展前景。如探討作物光周期現(xiàn)象、春化現(xiàn)象的分子機(jī)理已經(jīng)取得顯著進(jìn)展,通過研究作物生理生態(tài)過程的信號(hào)傳遞、功能基因定位等,能夠深入解釋其作用機(jī)理和調(diào)控途徑。針對(duì)作物對(duì)逆境響應(yīng)的分子機(jī)理研究也是近年來廣泛重視的研究領(lǐng)域,對(duì)作物溫度脅迫、水分脅迫、鹽分脅迫、營(yíng)養(yǎng)脅迫的響應(yīng)基因及其蛋白質(zhì)識(shí)別,與作物抗性有關(guān)的調(diào)控元件和因子分析,對(duì)各類脅迫信號(hào)的傳導(dǎo)途徑及基因定位等,對(duì)提高作物分子調(diào)控水平和挖掘作物抗逆能力有重大意義。近幾年,研究氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響受到廣泛重視,對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生的成因及其對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的分子生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了大量研究,對(duì)紫外線 輻射增強(qiáng)和CO2濃度提高的環(huán)境分子生態(tài)學(xué)過程與機(jī)理,以及作物對(duì)其響應(yīng)的遺傳分子生態(tài)學(xué)特性與調(diào)控對(duì)策等國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量研究成果。
?。┺r(nóng)業(yè)資源學(xué)
近年來,農(nóng)業(yè)資源學(xué)在資源時(shí)空分布與配置、資源高效利用等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)取得較大突破,我國(guó)耕地資源、水資源、農(nóng)業(yè)氣象資源、社會(huì)資源等的開發(fā)利用均達(dá)到較高水平,農(nóng)業(yè)廢棄物資源的循環(huán)利用得到了快速發(fā)展,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展奠定了十分堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1、在農(nóng)業(yè)土壤資源開發(fā)利用方面,完成了覆蓋我國(guó)各主要農(nóng)區(qū)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立了適合我國(guó)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)的耕地質(zhì)量培育技術(shù)模式和技術(shù)體系;探索了不同類型區(qū)后備耕地開發(fā)適應(yīng)性評(píng)價(jià)已取得初步的進(jìn)展;采取深耕和適度免耕等技術(shù)以及應(yīng)用土壤改良劑快速熟化后備耕地已受到廣泛關(guān)注;初步明確了我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀及成因,提出了土壤污染優(yōu)先控制區(qū)及控制對(duì)象;開展了土壤污染綜合防控體系和土壤環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)?,F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的使用促進(jìn)了農(nóng)業(yè)土壤學(xué)的應(yīng)用更加模式化、數(shù)字化、智能化、準(zhǔn)確化和網(wǎng)絡(luò)化,有力地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)土壤學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。全球變化與土壤過程的相互作用機(jī)制已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)土壤資源研究的熱點(diǎn)。
2、在農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域,近年來多尺度理論、動(dòng)力學(xué)理論和系統(tǒng)工程理論已在水資源高效利用與作物節(jié)水等研究方面得到廣泛應(yīng)用,與現(xiàn)代信息、生物和材料工程學(xué)的交叉融合也日益廣泛。農(nóng)田-區(qū)域-流域多尺度降水轉(zhuǎn)化過程機(jī)制模擬與調(diào)控技術(shù)得到較快發(fā)展,降水資源利用技術(shù)已從過去的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)向高技術(shù)應(yīng)用和工業(yè)化技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)邁進(jìn)。與集蓄雨水高效利用相配套的免耕技術(shù)及機(jī)械化機(jī)具的應(yīng)用,在一定程度上解決了半干旱地區(qū)作物播種出苗和抗旱補(bǔ)灌問題。作物WUE基因工程改良研究開始受到廣泛重視,通過基因工程改良培育高WUE型和抗旱節(jié)水型作物新品種,已成為農(nóng)業(yè)水資源學(xué)研究的一個(gè)新亮點(diǎn)。作物高效用水生理調(diào)控與非充分灌溉理論研究不斷深入,相應(yīng)的調(diào)控制劑研發(fā)日新月異,原材料開始由傳統(tǒng)的化工原料轉(zhuǎn)向綠色環(huán)保天然生物材料,功能由單一化向多功效轉(zhuǎn)變。灌溉新理論、新技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)速度顯著加快,低成本、高效的微灌、噴灌及移動(dòng)式抗旱灌溉機(jī)具逐步走向市場(chǎng)并實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用,產(chǎn)品日趨標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)水資源現(xiàn)代化管理中的應(yīng)用日益廣泛,3S技術(shù)的應(yīng)用提升了農(nóng)業(yè)水管理的現(xiàn)代化水平,數(shù)字渠道、數(shù)字灌區(qū)的發(fā)展大大促進(jìn)了精準(zhǔn)灌溉和農(nóng)業(yè)水資源高效調(diào)度。農(nóng)業(yè)水資源管理系統(tǒng)更加重視工程措施、農(nóng)藝生物措施與管理措施的有機(jī)結(jié)合,并向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、模式化、定量化和智能化方向邁進(jìn)。
3、在農(nóng)業(yè)氣候資源利用與減災(zāi)方面,通過對(duì)特定區(qū)域(國(guó)家或省、市、縣)從定性或半定量方面進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)間與空間特征分析,為研究相應(yīng)區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的充分利用和評(píng)價(jià)分析提供了有效依據(jù)。在區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,探索特定區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物的適宜種植程度和作物本身及作物之間的組合、熟制以及復(fù)種指數(shù)等,已受到研究者的廣泛重視。同時(shí),根據(jù)區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候條件以及作物的氣候生態(tài)適宜性來確定區(qū)域的種植制度和作物區(qū)劃,以從時(shí)間上充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源,也是近年的研究熱點(diǎn)。根據(jù)“最適因子律”和“最低因子限制率”,通過定量分析,分別從光能生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、光溫水生產(chǎn)潛力和農(nóng)業(yè)自然生產(chǎn)潛力等不同層次,研究、模擬一定氣候因子背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所能達(dá)到的最高產(chǎn)量,是近年受到研究者關(guān)注的重要方向;利用數(shù)學(xué)方法在多年平均氣候資料的基礎(chǔ)上,通過建立量化的指數(shù)或數(shù)學(xué)模型來綜合評(píng)價(jià)與分析區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源,在近年農(nóng)業(yè)氣候資源量化評(píng)價(jià)與分析研究方面開始得到廣泛應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)據(jù)庫,對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源信息進(jìn)行有效管理,分析和評(píng)估光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源配置對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的影響,為農(nóng)業(yè)氣候資源的有效利用提供了基礎(chǔ)。應(yīng)用GIS定量采集、管理、分析具有空間特性的氣候資源,如數(shù)字高程模型、GIS農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)據(jù)、空間分析模型、農(nóng)業(yè)氣候資源分析計(jì)算、氣候分區(qū)與定量分析及評(píng)價(jià)等,以及利用GIS技術(shù)快速方便地進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候資源小網(wǎng)格推算模式研究,也逐步受到重視。
4、在農(nóng)業(yè)微生物資源開發(fā)和應(yīng)用方面,目前我國(guó)共收藏了菌種166屬510種約4000株,促進(jìn)了食用菌、根瘤菌、生物肥料、生物飼料、生物農(nóng)藥等領(lǐng)域研究和生產(chǎn)的迅速發(fā)展,但土壤中仍約有80%-99%的微生物還未被認(rèn)識(shí)和鑒別,細(xì)菌、真菌及病毒的已知種占估計(jì)種的比例分別僅5%、10%和4%。微生物肥料研究與制造取得較快發(fā)展,固氮菌肥、磷細(xì)菌肥、鉀細(xì)菌肥、復(fù)合微生物肥料均已得到一定規(guī)模應(yīng)用。有益微生物資源如抗病蟲害的農(nóng)用抗菌素和殺蟲劑,輕工產(chǎn)品蛋白酶制劑、多糖、食用菌等,微生物發(fā)酵生產(chǎn)的燃料乙醇以及天敵生物的研究和利用等,也得到較快發(fā)展。根際微生物生態(tài)研究得到廣泛重視,利用分子生態(tài)學(xué)方法與同位素標(biāo)記技術(shù)對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能及其與植物-土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。此外,微生物農(nóng)藥研究和應(yīng)用也取得了突破性進(jìn)展,開發(fā)了細(xì)菌、真菌和病毒殺蟲劑,比較典型的有Bt殺蟲劑、白僵菌和鏈霉菌等產(chǎn)品,在應(yīng)用病毒和放線菌代謝產(chǎn)物控制雜草研究方面也取得相應(yīng)進(jìn)展。
5、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用已成為近年來農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的重要內(nèi)容,其核心理論是農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的物質(zhì)循環(huán)利用原理,在可持續(xù)發(fā)展思潮的推動(dòng)下,形成以減量化、可控化、再利用、再循環(huán)為原則,以低消耗、低排放、高效率為基本特征的循環(huán)農(nóng)業(yè)體系,對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用產(chǎn)生了積極影響。此前,關(guān)于農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的相關(guān)理論還涉及到生態(tài)農(nóng)業(yè)、資源循環(huán)再生、食物鏈、農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)、無廢棄物生產(chǎn)體系、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展理論等,它們對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用有著重要影響。秸稈資源化技術(shù)包括秸稈還田、秸稈飼料化、秸稈多級(jí)利用與食用菌養(yǎng)殖、秸稈氣化、復(fù)合材料和化工產(chǎn)品等;畜禽糞便資源化利用技術(shù)主要包括沼氣工程、有機(jī)肥料化和飼料化等。農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)的發(fā)展,不僅對(duì)資源循環(huán)、高效利用,而且對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)等,均具有十分重要的促進(jìn)作用。
6、在農(nóng)業(yè)社會(huì)資源方面。目前我國(guó)化肥資源現(xiàn)狀一是總量不足,品種結(jié)構(gòu)不合理;二是平衡施肥水平低,肥料效益低;三是新型肥料研發(fā)進(jìn)展緩慢,科技水平不高;四是配方施肥等基礎(chǔ)工作薄弱,施肥盲目性大;五是植物營(yíng)養(yǎng)與肥料科學(xué)知識(shí)普及不足,將有機(jī)肥與化肥對(duì)立起來,把銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與酰氨態(tài)氮對(duì)立起來,導(dǎo)致土壤板結(jié)和土地生產(chǎn)力下降。當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi),在化肥資源利用方面一是要借助信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)肥料資源在全國(guó)和區(qū)域內(nèi)的合理配置與高效利用;二是加快土壤養(yǎng)分信息化管理決策系統(tǒng)和精準(zhǔn)平衡施肥技術(shù)的推廣和應(yīng)用;三是解決規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖下糞便的無害化、資源化利用,以及作物秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理等,減輕環(huán)境壓力;四是開發(fā)低成本、高性能緩/控釋作物專用肥料;五是加快作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效施肥理論與信息化施肥技術(shù)的集成與提升。
7、生物農(nóng)藥由于其生產(chǎn)原料來源廣泛,對(duì)非靶標(biāo)生物安全、毒副作用小、對(duì)環(huán)境兼容性好等特點(diǎn),已成為全球農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。由于生物農(nóng)藥具有的節(jié)能、環(huán)保、保護(hù)資源等優(yōu)越特性,因此,近年來已逐步成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn),我國(guó)在生物農(nóng)藥研制方面具有一定的優(yōu)勢(shì),農(nóng)抗120、中生菌素、白僵菌、綠僵菌等已在生產(chǎn)實(shí)際中得到較廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在植物源農(nóng)藥研究與開發(fā)方面,目前皂素?zé)焿A可溶性乳劑、魚藤酮乳油、雙素堿水劑、油酸煙堿、茴蒿素水劑、楝素殺蟲乳油已取得登記或小規(guī)模商品化生產(chǎn)。
8、我國(guó)70年代末才開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用塑料地膜覆蓋技術(shù),但目前塑料農(nóng)膜產(chǎn)量和使用量均居世界第一,大致相當(dāng)于世界其他國(guó)家總和的1.6倍。地膜覆蓋栽培已在80多種作物上均獲得成功,有實(shí)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益的覆蓋栽培作物有40多種,通過地膜覆蓋栽培,使作物產(chǎn)量提高30%-50%,經(jīng)濟(jì)效益增加40%-60%。農(nóng)用塑料薄膜主要是棚膜和地膜,另外還包括遮陽網(wǎng)、防蟲網(wǎng)、飼草用膜以及農(nóng)用無紡布等,2004年我國(guó)農(nóng)用塑料薄膜使用量達(dá)168萬噸,其中棚膜耗用量達(dá)90萬噸,覆蓋面積400萬公頃;地膜年消耗量約78萬噸,覆蓋面積1500萬公頃。我國(guó)大面積使用地膜歷史較長(zhǎng),地膜殘留也相當(dāng)嚴(yán)重,殘留量平均達(dá)60 kg?6?1hm-2,最高達(dá)135 kg?6?1hm-2,由于缺乏有力的殘膜回收措施,再加上使用的農(nóng)膜越來越?。?lt; 0.008mm),造成地膜強(qiáng)度低,易破碎,土壤中殘留多和回收難,殘留在土壤中的農(nóng)膜嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)和土壤耕作,已成為較嚴(yán)重的環(huán)境問題。
8、近年來我國(guó)農(nóng)業(yè)資源領(lǐng)域的重大成果有:全國(guó)農(nóng)業(yè)資源現(xiàn)狀與區(qū)劃、配置;測(cè)土配方與平衡施肥技術(shù);作物生理節(jié)水灌溉技術(shù)與膜下滴灌;作物氣候生產(chǎn)潛力理論與重大氣象災(zāi)害減災(zāi)技術(shù);微生物農(nóng)藥;農(nóng)林廢棄物循環(huán)利用技術(shù);硫銨包膜肥和雜交水稻制種專用包膜復(fù)合肥;農(nóng)用地膜覆蓋技術(shù)等。
?。ㄆ撸┺r(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué)
近半個(gè)世紀(jì)以來,農(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué)在全球變化農(nóng)業(yè)影響、農(nóng)業(yè)污染控制與清潔生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染與修復(fù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境工程、生物多樣性農(nóng)業(yè)利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息管理等方面取得了重要進(jìn)展,為國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供了有效保障。
1、我國(guó)在全球氣候變化背景下的農(nóng)作物生理生態(tài)反應(yīng)、全球氣候變化對(duì)土壤演變影響等方面研究取得了顯著成果。研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖伴隨著蒸發(fā)加劇,將導(dǎo)致北方一些地區(qū)土壤鹽漬化加劇,長(zhǎng)江以南亞熱帶丘陵和低丘地帶紅壤砂化、地力衰退,東北黑土肥力迅速下降,西北地區(qū)鹽堿危害進(jìn)一步加重,濕地的地理分布也可能會(huì)隨溫度和降水的變化而遷移。為研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響,科學(xué)家們引入了脆弱性和敏感性的概念及其相關(guān)評(píng)估方法,分析了氣候變化對(duì)特定區(qū)域造成影響的可能性、范圍和程度,劃分了脆弱地域及分布特征,并給出了減緩不利影響的對(duì)策和建議。同時(shí),利用相關(guān)模型估算了氣候變化情景下農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量的變化,認(rèn)為我國(guó)農(nóng)業(yè)甲烷排放主要來源于飼養(yǎng)家畜、種植水稻、動(dòng)物排泄物,農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放主要來源于化肥使用和動(dòng)物排泄物。
2、在農(nóng)業(yè)污染控制和清潔生產(chǎn)方面,研究者從源頭控制入手,近年在優(yōu)化配方施肥技術(shù)、高效廉價(jià)緩/控釋肥料研究方面取得較大進(jìn)展,初步建立了一批適合中國(guó)農(nóng)村和農(nóng)民的農(nóng)田養(yǎng)分管理與施肥技術(shù),如區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分管理技術(shù)、診斷施肥技術(shù)等。圍繞氮磷等物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、流域環(huán)境治理及實(shí)用型水處理技術(shù)等方面開展了大量工作,開發(fā)了生態(tài)溝渠、人工濕地等新型模式,取得了一定進(jìn)展。
3、在產(chǎn)地環(huán)境保護(hù)與修復(fù)方面,研究并頒布了產(chǎn)地環(huán)境構(gòu)成要素(水、土、氣)的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn),對(duì)不同安全等級(jí)的產(chǎn)地環(huán)境實(shí)行分級(jí)分區(qū)管理,逐步實(shí)施農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證制度,并在不適宜的種植地帶設(shè)立禁止生產(chǎn)區(qū),推動(dòng)了一批無公害農(nóng)產(chǎn)品、綠色食品和有機(jī)食品生產(chǎn)示范基地的建立。同時(shí),針對(duì)特征污染物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化與歸趨、污染物環(huán)境化學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)、人體健康效應(yīng)、生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)及特征污染物的修復(fù)過程與機(jī)理方面開展研究。近年來,農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)研究重點(diǎn)逐漸從單一污染向復(fù)合污染、從單一修復(fù)技術(shù)向多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)合并重的方向發(fā)展,由多種重金屬、持久性有機(jī)污染物(POPs)等形成的有機(jī)無機(jī)復(fù)合污染及其修復(fù)問題,已日漸成為研究熱點(diǎn)。
4、圍繞農(nóng)業(yè)環(huán)境工程調(diào)控技術(shù),在農(nóng)業(yè)環(huán)境控制機(jī)理、環(huán)境安全生產(chǎn)、可控環(huán)境農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模擬、現(xiàn)代設(shè)施環(huán)境控制機(jī)理及關(guān)鍵設(shè)備、集約化養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境控制工程、農(nóng)村廢棄物無害化處理等領(lǐng)域取得了一系列新理論和新方法。超高亮度LED開發(fā)成功,并被廣泛應(yīng)用于植物設(shè)施栽培和設(shè)施園藝,以及在光形態(tài)發(fā)生、光合作用及葉綠素合成等植物生理或栽培的研究中。種苗工廠的材料、環(huán)境控制系統(tǒng)、包括溫度和濕度控制、營(yíng)養(yǎng)液供液系統(tǒng),空氣循環(huán)系統(tǒng)等植物種苗工廠建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)展。在規(guī)?;竽翗I(yè)“清潔生產(chǎn)”工藝、設(shè)施技術(shù)、養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體排放與減排技術(shù)、畜禽廢棄物無害化與資源化利用技術(shù)、畜禽場(chǎng)排出空氣凈化技術(shù)等方面做了大量研究,并取得一系列新方法和新技術(shù)。
5、生物多樣性農(nóng)業(yè)利用與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康方面,重點(diǎn)開展了物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性及其利用、外來物種入侵及其防控方面的研究。利用物種多樣性進(jìn)行作物病蟲草害防治以及利用特定地段不同農(nóng)業(yè)生物多層次配置的垂直空間開發(fā)技術(shù),使資源和養(yǎng)分得到最優(yōu)化利用;開展了生態(tài)系統(tǒng)多樣性調(diào)查與編目、生物群落多樣性的測(cè)度方法、生物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響、人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的影響及相關(guān)的理論研究,并取得相應(yīng)的進(jìn)展。此外,通過制定外來物種防治的法律法規(guī),建立了防治和控制外來物種的管理制度和技術(shù)體系,采用多學(xué)科、預(yù)防性的措施對(duì)外來入侵物種進(jìn)行管理。
6、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息與管理方面。研究構(gòu)建了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu),逐步建成了從農(nóng)業(yè)部至各省、重點(diǎn)地縣的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),能夠反映農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量狀況、發(fā)展趨勢(shì)的各類監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系逐漸完善;監(jiān)測(cè)對(duì)象從工業(yè)源的“三廢”污染到農(nóng)業(yè)源的氮磷富營(yíng)養(yǎng)化、農(nóng)藥殘留以及重金屬超標(biāo),檢測(cè)技術(shù)和手段由傳統(tǒng)的化學(xué)分析法轉(zhuǎn)向高、精、尖的儀器分析方法,在線監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用逐步普及,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量得以整體提升。研究并頒布了農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)、采樣方法標(biāo)準(zhǔn)等,促進(jìn)了相關(guān)研究的標(biāo)準(zhǔn)化。
7、我國(guó)在“氣候變化對(duì)主要脆弱領(lǐng)域的影響閾值及綜合評(píng)估”和“溫室氣體排放貿(mào)易及京都議定書相應(yīng)對(duì)策”研究方面取得顯著進(jìn)展,綜合評(píng)估了氣候變化對(duì)我國(guó)的影響和脆弱性,分析了《京都議定書》批準(zhǔn)生效后對(duì)世界經(jīng)濟(jì)和政治可能產(chǎn)生的影響,為我國(guó)政府代表團(tuán)參加聯(lián)合國(guó)《氣候變化框架公約》締約方大會(huì)和重大國(guó)際談判提供了有針對(duì)性的科學(xué)支持。
8、圍繞農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題,在各大湖泊、主要流域、糧食主產(chǎn)區(qū),點(diǎn)面結(jié)合開展了污染治理和退化修復(fù)研究與示范、污染物阻控與消減關(guān)鍵技術(shù)、污染物減排和廢棄物資源循環(huán)利用等研究,其研究結(jié)果對(duì)改善農(nóng)田環(huán)境、減少農(nóng)田溫室氣體排放,污染農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)與預(yù)警等發(fā)揮了重要作用。以污染物“源頭控制-過程阻斷-末端治理”為主體思路,強(qiáng)化了對(duì)農(nóng)業(yè)污染鏈的研究,并在理論、技術(shù)上取得一定突破,為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)提供了有效的技術(shù)保障。
9、通過多年發(fā)展,初步建立了農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法,確立了農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到餐桌全過程控制和農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)理念。以物理方法(吸附、萃取、蒸餾、汽提)、化學(xué)方法(濕式氧化法、超臨界水氧化、光催化氧化、聲化學(xué)氧化法)、生物方法(利用微生物、植物、菌根)為代表的POPs污染修復(fù)技術(shù)發(fā)展迅速且日益成熟,已篩選出艾氏劑降解菌、狄氏劑降解菌,以白腐真菌為主的DDT降解菌、梭狀芽胞桿菌等,對(duì)土壤中農(nóng)藥殘留具有較好修復(fù)效果。研究發(fā)現(xiàn)蜈蚣草(Pteris vittata)對(duì)As、東南景天(Sedumalfredii)對(duì)Zn、海州香薷(Elsholtaia splendes)對(duì)Cu、寶山堇菜(Viola baoshanensis)對(duì)Cd具有良好的超富集效果。同時(shí),將重金屬生物有效性控制、種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)藝輔助措施等途徑相結(jié)合,在解決重金屬高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田的安全農(nóng)用方面取得一定進(jìn)展,為深入開展多種聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究與運(yùn)用推廣奠定良好基礎(chǔ)。
10、近年來,高新技術(shù)在環(huán)境控制方面得到應(yīng)用得到突破性進(jìn)展,如利用圖像處理和信息技術(shù),研發(fā)了新的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督與檢測(cè)技術(shù);通過研究綜合環(huán)境因子對(duì)動(dòng)物行為和生產(chǎn)性能及品質(zhì)的影響,研發(fā)了生態(tài)型新型建筑材料和工藝設(shè)備,并綜合環(huán)境、畜牧、營(yíng)養(yǎng)、工程等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了畜禽生產(chǎn)的精準(zhǔn)控制。在廢棄物處理和綜合利用方面,相繼完成了畜禽養(yǎng)殖廢水處理工藝和配套設(shè)備,并取得良好效果,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞水處理工藝得到有效改進(jìn)與提高。通過研究,開發(fā)出國(guó)內(nèi)第一批用于植物工廠育苗的紅藍(lán)LED光環(huán)境控制裝置,并進(jìn)行了人工光與自然光環(huán)境下的作物栽培與育苗試驗(yàn),為植物工廠的研究提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。
三、學(xué)科國(guó)內(nèi)外比較分析
由于我國(guó)農(nóng)業(yè)生物資源及作物生產(chǎn)系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性突出,我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科研究的理論提升和技術(shù)創(chuàng)新與生產(chǎn)需求結(jié)合比較緊密,在許多領(lǐng)域具有特色和優(yōu)勢(shì),許多獨(dú)特之處。但總體比較,我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科與國(guó)外同類學(xué)科仍存在明顯差距,主要表現(xiàn)在: 理論研究深度與原始創(chuàng)新性不足,缺乏長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究積累和知識(shí)發(fā)現(xiàn);在研究方法與技術(shù)的創(chuàng)新方面相對(duì)落后,隨著分子生物學(xué)、現(xiàn)代信息學(xué)和新材料學(xué)等現(xiàn)代學(xué)科的快速發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域不斷挖掘新的方法和技術(shù),我國(guó)多數(shù)是以引進(jìn)和集成應(yīng)用為主;學(xué)科交叉創(chuàng)新能力不足,學(xué)科之間的聯(lián)合協(xié)作較少,導(dǎo)致有國(guó)際影響力的研究成果缺乏。
(一)作物種質(zhì)資源
我國(guó)作物種質(zhì)資源研究起步較晚,但進(jìn)展較快。經(jīng)過廣泛調(diào)研和實(shí)際考察,深入分析比較了與國(guó)外同類學(xué)科的差距,認(rèn)為我國(guó)作物種質(zhì)資源在研究的廣度和深度方面還有不足之處,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1. 作物種質(zhì)資源考察收集尚未建立長(zhǎng)效機(jī)制。截止目前,我國(guó)已收集農(nóng)作物種質(zhì)資源39.2萬份。但因受項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)的限制,并沒有進(jìn)行全面系統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查和收集。據(jù)估計(jì),國(guó)內(nèi)還有15%的作物種質(zhì)資源尚未收集保存。國(guó)外,尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家,一般都具有比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的考察收集計(jì)劃,收集過的地區(qū),10-15年后還需要進(jìn)行再次收集,因?yàn)?,這里的種質(zhì)資源可能又發(fā)生了新的變異。另外,我國(guó)一直沒有重視對(duì)特殊遺傳材料特別是基因組學(xué)研究材料的收集保存,如何收集、如何保存都急需研究。我國(guó)還基本沒有開展國(guó)外作物種質(zhì)資源的實(shí)地考察收集,國(guó)外資源占有比例(約18%)遠(yuǎn)比美國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)低。
2. 作物種質(zhì)資源保護(hù)體系還需繼續(xù)完善。目前,我國(guó)雖然已經(jīng)建立了原生境保護(hù)與非原生境保護(hù)(長(zhǎng)期庫、復(fù)份庫、中期庫、種質(zhì)圃等)相結(jié)合的作物種質(zhì)資源保護(hù)體系,但與美國(guó)、日本、印度相比,離體保存規(guī)模小、技術(shù)還不成熟,DNA保存設(shè)施尚未建立。標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;?、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的安全保護(hù)技術(shù)體系尚不完善。另外,對(duì)原生境保護(hù)和長(zhǎng)期庫保存種質(zhì)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警機(jī)制還有待進(jìn)一步完善。
3. 作物種質(zhì)資源的基因型鑒定任重道遠(yuǎn)。我國(guó)雖然已經(jīng)完成了39.2萬份種質(zhì)資源的基本農(nóng)藝性狀初步鑒定,但對(duì)其深入鑒定,尤其是基因型鑒定仍處于起步階段,優(yōu)異基因發(fā)掘也僅限于水稻、小麥、玉米、大豆等少數(shù)作物。近年來,通過構(gòu)建重組近交系、近等基因系、創(chuàng)建突變體,開展了大規(guī)模新基因發(fā)掘和基因型鑒定以及等位基因多樣性分析和發(fā)掘工作,但整體水平遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平。
4. 作物種質(zhì)資源利用效率不高。我國(guó)雖然對(duì)現(xiàn)有的作物種質(zhì)資源進(jìn)行了初步鑒定評(píng)價(jià),建立了部分作物的核心種質(zhì)和應(yīng)用核心種質(zhì),大力開展種質(zhì)創(chuàng)新和新基因挖掘,并不斷提供生命科學(xué)和作物育種利用,但總體看,作物種質(zhì)資源的利用率偏低,僅為3-5%,有效利用率僅為2.5-3.0‰。如何加速開發(fā)庫存種質(zhì)資源,提高起利用效率,已成為我國(guó)政府和科學(xué)界高度關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。
?。ǘ┳魑镞z傳學(xué)
1、中國(guó)的雜交水稻、雜交油菜、雜交玉米、雜交小麥、雜交大豆的研究和利用在世界上產(chǎn)生了重要影響,處于國(guó)際領(lǐng)先水平或先進(jìn)水平。我國(guó)分子數(shù)量遺傳學(xué)理論研究已基本與國(guó)際同步,在理論與應(yīng)用研究中都有一定影響。
2、我國(guó)在水稻等作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和抗逆基因克隆方面做了不少工作,克隆出一批基因,但對(duì)基因功能的解析及應(yīng)用有待加強(qiáng)。我國(guó)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻處于世界領(lǐng)先水平,但是主要作物的大規(guī)?;蜣D(zhuǎn)化技術(shù)同美國(guó)等國(guó)家有較大差距;抗除草劑、抗蟲轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、油菜等尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
3、我國(guó)作物基因組學(xué)研究起步較晚,但是同美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距正在逐步縮小,特別是我國(guó)在水稻基因組學(xué)研究方面處于世界先進(jìn)行列,但在玉米和小麥等其他作物基因組學(xué)上的研究相對(duì)滯后。
(三)農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)
長(zhǎng)期以來,國(guó)際上生物學(xué),尤其是分子生物學(xué)信息的主要數(shù)據(jù)庫由美國(guó)的NCBI、歐洲的EBI和日本的DDBJ控制,我國(guó)在生物信息科學(xué)數(shù)據(jù)和生物信息資源方面嚴(yán)重依賴國(guó)外。直到20世紀(jì)末,我國(guó)參與到人類基因組計(jì)劃和水稻第四條染色體測(cè)序計(jì)劃后,才開始有了我國(guó)自己的生物信息科學(xué)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫。
國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)信息學(xué)發(fā)展與美歐日等領(lǐng)先國(guó)家仍有較大差距,包括數(shù)據(jù)積累與整合、數(shù)據(jù)庫的種類與規(guī)模、與產(chǎn)業(yè)化鏈條的銜接等等。相比較而言,農(nóng)業(yè)生物學(xué)的研究在我國(guó)的信息化水平較低,很多國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究方法和思路仍然停留在基因組時(shí)代之前。我國(guó)政府和學(xué)術(shù)管理機(jī)構(gòu)應(yīng)該加大對(duì)農(nóng)業(yè)信息學(xué)的推動(dòng)和支持,才能防止與國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的差距的進(jìn)一步增大。
(四)作物生理學(xué)
作物生理學(xué)是優(yōu)良品種培育和栽培技術(shù)合理化的基礎(chǔ),與作物生產(chǎn)密切相關(guān)。21世紀(jì)需要興起新的綠色革命,新的綠色革命包括三大重要目標(biāo):一是生產(chǎn)率目標(biāo), 即大幅度提高作物單產(chǎn),確保人類糧食安全;二是可持續(xù)性目標(biāo),即在提高產(chǎn)量的同時(shí),提高水肥資源利用效率,保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展; 三是營(yíng)養(yǎng)安全目標(biāo),即改善食物營(yíng)養(yǎng)成分,特別是提高微營(yíng)養(yǎng)含量,解決“隱性饑餓”問題。作物生理學(xué)將在這場(chǎng)革命中發(fā)揮重要作用。如何提高作物產(chǎn)量潛力、突破產(chǎn)量限制、特別是在資源限制條件下實(shí)現(xiàn)作物的可持續(xù)高產(chǎn)?如何調(diào)節(jié)品質(zhì)形成過程、改善品質(zhì)性狀、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)的同步提高?如何提高作物抗逆性,提高資源利用效率,并實(shí)現(xiàn)水肥有限投入下的高產(chǎn)高效生產(chǎn)?這是新世紀(jì)作物生理學(xué)需要重點(diǎn)研究的三大方向與問題。在這些方向,目前國(guó)際上研究十分活躍,并已取得許多重要進(jìn)展。
與國(guó)外同類學(xué)科相比,我國(guó)作物生理學(xué)科研究具有與大田栽培實(shí)踐密切結(jié)合的傳統(tǒng)和特色,并且在作物高產(chǎn)生育規(guī)律、高產(chǎn)群體創(chuàng)建及調(diào)控指標(biāo)等方面具有研究?jī)?yōu)勢(shì),但總體而言,在理論研究的深度與創(chuàng)新性等方面還存在明顯差距,突出表現(xiàn)在:(1)作物生理研究低水平重復(fù)現(xiàn)象相當(dāng)普遍,對(duì)重要理論問題缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性研究;(2)作物生理學(xué)研究與分子生物學(xué)的結(jié)合不夠,分子生理研究方面有待加強(qiáng);(3)作物生理學(xué)研究與計(jì)算機(jī)模擬模型研究結(jié)合較少,作物生理模擬方面需要拓展;(4)作物生理學(xué)研究與作物育種的結(jié)合不夠,作物生理育種方面需要重視。
(五)作物生態(tài)學(xué)
由于我國(guó)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性突出,我國(guó)作物生態(tài)研究的理論提升和技術(shù)創(chuàng)新與生產(chǎn)需求結(jié)合很緊密,尤其在作物生產(chǎn)生態(tài)學(xué)、作物復(fù)合群體生態(tài)學(xué)等方向有許多獨(dú)特之處,與國(guó)際同類學(xué)科相比優(yōu)勢(shì)突出。但與國(guó)外同類學(xué)科比較也存在明顯不足,主要表現(xiàn)在:
1、作物生態(tài)基礎(chǔ)研究與原始創(chuàng)新方面不足。隨著分子生物學(xué)、現(xiàn)代信息學(xué)和新材料學(xué)等現(xiàn)代學(xué)科的快速發(fā)展,以及社會(huì)對(duì)作物產(chǎn)品品質(zhì)、資源利用、質(zhì)量安全、生態(tài)安全、應(yīng)對(duì)全球氣候變化等要求越來越高,國(guó)際上作物生態(tài)學(xué)學(xué)科發(fā)展方向得到了快速拓展。作物分子生態(tài)、作物信息生態(tài)、等是近年來國(guó)際上新興研究熱點(diǎn)領(lǐng)域,我國(guó)的總體研究水平相對(duì)落后,原創(chuàng)性的模擬模型、實(shí)驗(yàn)方法較少,基本以引進(jìn)、消化和集成應(yīng)用為主。
2、學(xué)科交叉創(chuàng)新能力不足。與國(guó)外一流研究機(jī)構(gòu)比較,我國(guó)作物生態(tài)學(xué)科的人員組成、專業(yè)人員組合和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)的綜合性劣勢(shì)明顯。我國(guó)作物生態(tài)學(xué)科的學(xué)術(shù)隊(duì)伍多數(shù)源于農(nóng)業(yè)氣象、作物栽培與耕作、農(nóng)業(yè)生態(tài)等傳統(tǒng)專業(yè),新興學(xué)科方向的高水平人才少;學(xué)科之間的聯(lián)合協(xié)作較少,學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)專業(yè)背景多樣性差。
3、缺乏有國(guó)際影響力的學(xué)科帶頭人。我國(guó)作物生態(tài)學(xué)的學(xué)科隊(duì)伍多數(shù)是在國(guó)內(nèi)培養(yǎng)成長(zhǎng)的,對(duì)國(guó)內(nèi)作物生產(chǎn)非常熟悉,在理論研究上多針對(duì)具體的生產(chǎn)實(shí)際問題,但在基礎(chǔ)理論與技術(shù)創(chuàng)新方面缺乏優(yōu)秀人才,整體上與國(guó)際接軌的研究相對(duì)教少。
?。┺r(nóng)業(yè)資源學(xué)
與國(guó)外農(nóng)業(yè)資源學(xué)應(yīng)用先進(jìn)理論和技術(shù),在相關(guān)方面已取得全面、快速發(fā)展相比較,我國(guó)在農(nóng)業(yè)資源學(xué)的某些領(lǐng)域盡管具有一定的特色和優(yōu)勢(shì),但總體比較仍然落后,在今后的發(fā)展中必須結(jié)合我國(guó)國(guó)情,注重農(nóng)業(yè)資源高效利用理論、方法和技術(shù)的創(chuàng)新,逐步形成具有中國(guó)特色的農(nóng)業(yè)資源學(xué)科。
1、發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視現(xiàn)代土壤科學(xué)方法論與技術(shù)的研究,如微觀物理觀察手段(同步輻射等)、分子生態(tài)學(xué)與基因組技術(shù)的應(yīng)用,并且重視多尺度的模型與信息系統(tǒng)技術(shù)研究,以及基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。我國(guó)在農(nóng)業(yè)土壤學(xué)的某些分支,如土壤表面化學(xué)、土壤電化學(xué)、土壤水分、鹽漬土、紅壤發(fā)生與利用等,目前尚處于領(lǐng)先地位,但從整體看,學(xué)科發(fā)展缺乏明確的戰(zhàn)略研究前沿與方向,且發(fā)展不平衡,學(xué)科間缺乏綜合、交叉與融合,同時(shí),在農(nóng)業(yè)土壤學(xué)新技術(shù)的研究與應(yīng)用等方面也缺乏全面安排。
2、近年來,我國(guó)在農(nóng)田水量轉(zhuǎn)化與最優(yōu)調(diào)控技術(shù)研究方面取得了較大的發(fā)展,尤其是在基于作物生理特性的虧缺灌溉、膜下滴灌和旱地雨水資源高效利用方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,但與農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的要求相比還有較大的差距。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制,我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用技術(shù)總體落后發(fā)達(dá)國(guó)家20-30年,特別是在灌溉設(shè)備研發(fā)、雨水資源化利用、作物水分高效利用改良和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水管理等領(lǐng)域還存在較大差距。
3、與發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)氣候資源研究方面全面推進(jìn)相比較,盡管目前我國(guó)在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候資源利用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位,其中尤以農(nóng)業(yè)區(qū)域布局、橡膠種植界線北移為代表,但在基礎(chǔ)理論研究與氣候模式、農(nóng)業(yè)氣候資源全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、農(nóng)業(yè)氣候資源監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備、農(nóng)業(yè)氣候資源利用技術(shù)等方面還有較大差距。
4、國(guó)外在病毒殺蟲劑、植物殺蟲劑等研制和應(yīng)用以及轉(zhuǎn)基因抗病蟲育種的開發(fā)已取得了重要的進(jìn)展和突破,并且十分注重微生物肥料的研究和應(yīng)用,特別是在根瘤菌肥及有益微生物的研究和應(yīng)用方面做了大量工作。近年來,我國(guó)在病毒殺蟲劑、植物殺蟲劑研制方面已取得了初步成果,一些成果已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用,但整體研究與發(fā)達(dá)國(guó)家比較尚有一定差距,特別是在利用真菌代謝產(chǎn)物防治害蟲研究方面較薄弱,需要大力加強(qiáng)研究和開發(fā)。
5、在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化研究方面,發(fā)達(dá)國(guó)家在廢棄物能源化、肥料化、飼料化和材料化等四個(gè)方面具有較大優(yōu)勢(shì),且在農(nóng)業(yè)廢棄物利用與管理政策、立法方面較為成熟。我國(guó)在廢棄物能源化、特別是在秸稈氣化和畜禽糞便發(fā)電方面相對(duì)落后,但在農(nóng)村戶用沼氣技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位。目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物開發(fā)利用的難點(diǎn)主要是廢棄物數(shù)量多、利用難度大且開發(fā)成本高,同時(shí)缺乏政策引導(dǎo)及資金投入不足,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。
6、盡管我國(guó)在新型肥料和生物農(nóng)藥研制方面已做了不少探索性工作,并在緩/控釋肥料、納米肥料研制與開發(fā)等方面取得一定進(jìn)展,但與發(fā)達(dá)國(guó)家比較,在施肥信息化技術(shù)、降解地膜(如光降解膜、植物纖維基地膜和液態(tài)噴灑式可降解地膜等)等研究方面尚有較大差距,需要通過加強(qiáng)與發(fā)達(dá)國(guó)家的合作盡快提高相關(guān)領(lǐng)域的研究水平。
(七)農(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué)
1、我國(guó)針對(duì)氣候變化農(nóng)業(yè)影響與適應(yīng)對(duì)策的研究方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家比較還存在一定差距。主要表現(xiàn)在對(duì)氣候變化脆弱性的評(píng)價(jià)目前還停留在定性水平,對(duì)其定量評(píng)估缺乏更為客觀的基礎(chǔ);適應(yīng)性措施研究方面多停留在有限的理想適應(yīng)戰(zhàn)略和措施探討,尚未制定出農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化的技術(shù)清單,缺乏長(zhǎng)期固定的溫室氣體排放監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)需要重點(diǎn)加強(qiáng)的研究領(lǐng)域包括:氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的新特征,農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化的新技術(shù)、新策略,不同區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化的對(duì)策和技術(shù)清單;農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放規(guī)律與減排技術(shù)、溫室氣體排放監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。
2、近年我國(guó)在農(nóng)業(yè)環(huán)境污染控制研究方面雖取得了較大進(jìn)展,但尚未形成具有中國(guó)特色的理論與方法體系,而發(fā)達(dá)國(guó)家最重要的控制原則是對(duì)點(diǎn)源污染和面源污染實(shí)行分類控制與監(jiān)測(cè),推行農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理。因此,未來需圍繞農(nóng)業(yè)環(huán)境污染控制及作物清潔生產(chǎn)技術(shù)中的科學(xué)問題,以污染物“源頭控制-過程阻斷-末端治理”為主體思路,重點(diǎn)研究并揭示農(nóng)田質(zhì)量演變規(guī)律與調(diào)控機(jī)制,研究污染物在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)途徑和機(jī)制,探討其源頭阻控技術(shù)與措施;研究農(nóng)田質(zhì)量提高與綜合生產(chǎn)力提升的技術(shù)與方法,探索農(nóng)田質(zhì)量培育的技術(shù)模式及產(chǎn)品。
3、我國(guó)在退化農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)研究方面目前多限于實(shí)驗(yàn)室階段,在實(shí)際應(yīng)用方面明顯不足,相關(guān)理論創(chuàng)新性明顯不夠;過于側(cè)重單一修復(fù)技術(shù),對(duì)多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用研究較少,嚴(yán)重制約了研究成果的推廣應(yīng)用。因此,當(dāng)前和今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),必需圍繞農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康、產(chǎn)地環(huán)境安全與農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)中的科學(xué)問題,重點(diǎn)開展產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)的理論與方法、產(chǎn)地環(huán)境污染源解析、污染物(POPs及重金屬)在多界面間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及生物地球化學(xué)循環(huán)研究;探討植物、微生物對(duì)污染農(nóng)業(yè)環(huán)境的修復(fù)機(jī)理,以及高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田的耕作、種植制度等農(nóng)藝修復(fù)與調(diào)控措施,開發(fā)相應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品和模式,保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。
4、盡管多年來我國(guó)以環(huán)境控制、信息采集、系統(tǒng)模擬為主線,通過研究獲得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)及產(chǎn)品,對(duì)可控環(huán)境農(nóng)業(yè)的升級(jí)換代起到了重要作用,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大,主要表現(xiàn)為設(shè)施水平低、抗御自然災(zāi)害能力差,距離產(chǎn)業(yè)“零”排放和潔凈生產(chǎn)差距大,基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)利用、環(huán)境調(diào)控等技術(shù)有待突破,畜禽環(huán)境工程基礎(chǔ)研究亟待加強(qiáng)。今后一段時(shí)期,圍繞國(guó)家對(duì)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略需求,需要重點(diǎn)開展設(shè)施環(huán)境下作物與環(huán)境因子交互作用規(guī)律與仿真模型研究,并力求在設(shè)施環(huán)境與作物系統(tǒng)模型構(gòu)建、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制、植物逆境生理模擬與控制、植物工廠、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境條件控制以及關(guān)鍵技術(shù)等方面取得突破。
5、我國(guó)在農(nóng)業(yè)生物多樣性保護(hù)與利用方面與國(guó)外同類學(xué)科比較尚有較大差距,主要表現(xiàn)在生物多樣性研究的理論創(chuàng)新性不夠、生物多樣性信息系統(tǒng)建設(shè)差距大、生物多樣性農(nóng)業(yè)利用研究有待拓展和深入等方面。未來需要圍繞利用物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性進(jìn)行作物病蟲草害防治等問題,研究開發(fā)不同農(nóng)作制度(間、套、輪作)、多熟/立體種植、生物防治的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)模式。研究探討農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系,揭示外來入侵生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控途徑,保障農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康。
6、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息與管理方面,發(fā)達(dá)國(guó)家一直十分重視農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),研發(fā)了大量應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法,并建立了多種以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的事故處理模型和仿真系統(tǒng),而我國(guó)在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)模型建立等方面還相當(dāng)落后,雖然已初步建立了相關(guān)法律法規(guī),但尚缺乏操作層面上的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)程,未將環(huán)境成本納入整個(gè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行體系中。因此,今后需要針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物種類繁多、環(huán)境基質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn),優(yōu)先開發(fā)各類農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn);根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染動(dòng)態(tài)變化特征,研究更靈敏、專一的環(huán)境指示物和指標(biāo)體系;針對(duì)不同的污染物,研究開發(fā)在線檢測(cè)的技術(shù)和方法;以現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),形成全國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量安全發(fā)布信息系統(tǒng);圍繞提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。通過加強(qiáng)相關(guān)研究,盡快縮小我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,為農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供有效保障。
四、學(xué)科展望與對(duì)策
(一)趨勢(shì)展望
1、新的世界性農(nóng)業(yè)科技革命正在興起并向縱深發(fā)展,農(nóng)業(yè)科學(xué)已呈現(xiàn)出與生物技術(shù)、信息技術(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科的更深層次的交叉、融合與滲透,學(xué)科發(fā)展綜合化的趨勢(shì)十分顯著。其次,各類科學(xué)問題、經(jīng)濟(jì)問題、社會(huì)問題等往往都帶有多學(xué)科特點(diǎn),要解決制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展重大科學(xué)與技術(shù)問題,必須依靠多學(xué)科的集成才能承擔(dān)起這一重任。如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)上,培育新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn),推進(jìn)學(xué)科相互交叉、滲透,提升學(xué)科綜合實(shí)力和解決重大科技問題的能力,構(gòu)建優(yōu)勢(shì)學(xué)科群及學(xué)科發(fā)展平臺(tái),是基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科發(fā)展面臨的重大任務(wù)。
2、基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科承擔(dān)著國(guó)家農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新、開展前瞻性研究的重要使命,起著支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的核心作用,也是聚集和培養(yǎng)高級(jí)農(nóng)業(yè)科研人才和進(jìn)行農(nóng)業(yè)科技國(guó)際合作與交流的主要依托。因此,基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科除生產(chǎn)知識(shí)、理論、方法、技術(shù)等原始創(chuàng)新活動(dòng)外,還要更好地服務(wù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展重大戰(zhàn)略需求,圍繞國(guó)家糧食安全、食物安全、營(yíng)養(yǎng)健康、農(nóng)民增收、資源高效利用、環(huán)境保護(hù)、新能源新材料等我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展長(zhǎng)期面臨的重大問題,開展自主創(chuàng)新研究,為建設(shè)具有中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供理論、方法、途徑和技術(shù)指導(dǎo)。
3、《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006━2020年)》提出了從增強(qiáng)國(guó)家創(chuàng)新能力出發(fā),加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新;堅(jiān)持有所為、有所不為,選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)、關(guān)系國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域,集中力量、重點(diǎn)突破,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展;從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā),著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù),支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展;著眼長(zhǎng)遠(yuǎn),超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究,創(chuàng)造新的市場(chǎng)需求,培育新興產(chǎn)業(yè),引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略部署。在《綱要》確定的11個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域、68項(xiàng)優(yōu)先主題、16個(gè)重大專項(xiàng),以及重點(diǎn)安排的8個(gè)技術(shù)領(lǐng)域27項(xiàng)前沿技術(shù)和18個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題和4個(gè)重大科學(xué)研究計(jì)劃中,有一半以上都涉及到基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科。
(二)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域
1、作物種質(zhì)資源學(xué):積極開展國(guó)外作物種質(zhì)資源收集與引進(jìn)工作,深入開展作物種質(zhì)資源安全保護(hù)與監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究,研究建立庫存資源生活力變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系,以及原生境、種質(zhì)庫、種質(zhì)圃、試管苗和DNA庫相配套的完整的現(xiàn)代化保存體系,確保我國(guó)作物種質(zhì)資源的基因多樣性和長(zhǎng)期安全保存。加速作物種質(zhì)資源重要性狀鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)研究及其應(yīng)用,建立和完善作物種質(zhì)資源表型評(píng)價(jià)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范,開展針對(duì)性的作物種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià),構(gòu)建我國(guó)主要農(nóng)作物的“核心優(yōu)異資源庫”。大規(guī)模開展作物種質(zhì)資源等位基因多樣性分析與新基因發(fā)掘,綜合運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù),以我國(guó)特有和具有重要價(jià)值的作物種質(zhì)資源為對(duì)象,進(jìn)行系統(tǒng)的基因型分析,明確等位基因的多樣性變異范圍,并闡明其遺傳、生理生化特性和育種利用價(jià)值。發(fā)掘在高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、抗病蟲、營(yíng)養(yǎng)高效等方面具有重大應(yīng)用前景的功能基因及其分子標(biāo)記,創(chuàng)造具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、高效等多個(gè)優(yōu)異基因聚合、綜合性狀良好的突破性新種質(zhì),為新品種培育和基礎(chǔ)理論研究提供必需的關(guān)鍵基因,并實(shí)現(xiàn)基因資源主權(quán)保護(hù)。建立和完善我國(guó)作物種質(zhì)資源的電子基因庫、分子指紋圖譜數(shù)據(jù)庫,建立快捷的作物種質(zhì)資源信息分析、管理和查詢系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信息共享。
2、作物遺傳學(xué):繼續(xù)開展農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理及利用新途徑研究,我國(guó)有可能在雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理這個(gè)重大生物學(xué)問題研究上取得突破,使我國(guó)在雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理及利用途徑研究上在國(guó)際上占有重要的地位。加強(qiáng)多QTL與上位性QTL檢測(cè)、作物分子設(shè)計(jì)育種方法、種質(zhì)資源新基因發(fā)掘方法和組學(xué)數(shù)據(jù)分析方法等理論研究。以培育抗病蟲、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等新品種為中心,重點(diǎn)突破功能基因克隆與驗(yàn)證、規(guī)?;D(zhuǎn)基因操作、生物安全評(píng)價(jià)三大核心技術(shù);與常規(guī)育種技術(shù)結(jié)合,建立和完善優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)新、新品種培育和規(guī)?;品N三大技術(shù)平臺(tái);健全生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、生物安全評(píng)價(jià)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用三大體系。加強(qiáng)作物基因組學(xué)中重要的理論和方法學(xué)等的基礎(chǔ)研究,主要農(nóng)作物重要經(jīng)濟(jì)性狀的分子機(jī)理和分子改良的基礎(chǔ)研究,重要性狀形成的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)解析和作物的分子設(shè)計(jì)育種等。
3、農(nóng)業(yè)生物信息學(xué):利用當(dāng)前國(guó)際上已有的生物信息學(xué)研究成果并結(jié)合我國(guó)實(shí)際,建立一批重要?jiǎng)又参锕δ芑蚪M數(shù)據(jù)平臺(tái),研制并整合數(shù)據(jù)挖掘與分析的算法和軟件,構(gòu)建基因功能注釋分析系統(tǒng)。選擇與農(nóng)業(yè)分子育種生產(chǎn)實(shí)踐關(guān)系密切的一些基因家族,根據(jù)這些基因的特點(diǎn),在表達(dá)調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、或蛋白結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘,建立一批跨物種、跨平臺(tái)的二次數(shù)據(jù)庫。利用農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)對(duì)生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究,通過對(duì)大規(guī)?;虮磉_(dá)譜的分析,尋找未知的與相關(guān)的基因及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控途徑,運(yùn)用系統(tǒng)方法和計(jì)算機(jī)算法建立動(dòng)植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型;應(yīng)用比較基因組研究分析手段,尋找不同作物種類中的同源基因,預(yù)測(cè)并驗(yàn)證關(guān)鍵基因的功能及生物學(xué)效應(yīng)。
4、作物生理學(xué):圍繞提高作物產(chǎn)量潛力及資源限制條件下作物可持續(xù)高產(chǎn),調(diào)節(jié)品質(zhì)形成過程、改善品質(zhì)性狀、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)的同步,以及提高作物抗逆性和資源利用效率等需求,重點(diǎn)開展作物高光效機(jī)理與調(diào)節(jié)機(jī)制研究,作物產(chǎn)品器官物質(zhì)貯積與代謝調(diào)控機(jī)理研究,提高主要糧食作物微量營(yíng)養(yǎng)素含量的遺傳生理研究,提高作物水分利用效率的生理生態(tài)研究,提高作物養(yǎng)分利用效率的生理生態(tài)研究,作物抗逆栽培生理機(jī)制研究,作物激素生理與信息調(diào)控研究,作物高效根群結(jié)構(gòu)、機(jī)能及其調(diào)控研究,作物源庫關(guān)系的生理與生態(tài)研究,作物發(fā)育特性的分子機(jī)理與生育調(diào)控研究,作物葉片衰亡機(jī)理與“持綠性”的調(diào)控研究,作物生理模擬及高產(chǎn)高效新株形設(shè)計(jì)與群體優(yōu)化調(diào)控機(jī)理研究。
5、作物生態(tài)學(xué):開展作物對(duì)氣候變化響應(yīng)與適應(yīng)的地上地下相互作用的生物學(xué)機(jī)制研究,明確未來氣候模式下我國(guó)作物生產(chǎn)的應(yīng)對(duì)技術(shù)途徑和發(fā)展策略。開展作物產(chǎn)品質(zhì)量安全的生態(tài)環(huán)境調(diào)控理論與技術(shù)研究,明確主要作物類型對(duì)典型污染物的生態(tài)響應(yīng)特征,作物產(chǎn)品對(duì)典型污染物的富集特征,并通過作物系統(tǒng)調(diào)控、產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境調(diào)控,降低產(chǎn)地污染物的生物有效性,阻隔污染物在人類食物鏈中的傳遞,確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。充分運(yùn)用現(xiàn)代作物生理學(xué)、作物生化與分子生物學(xué)的原理與研究手段,研究作物產(chǎn)量與品質(zhì)形成、資源高效利用、抗(耐)非(耐)生物逆境(溫度、水分、污染物等)脅迫的生態(tài)學(xué)機(jī)理及調(diào)控原理。將系統(tǒng)科學(xué)和信息技術(shù)應(yīng)用于作物生長(zhǎng)及生產(chǎn)系統(tǒng)的定量化分析和數(shù)字化表達(dá),構(gòu)建基于作物生態(tài)過程的作物生育與產(chǎn)品(產(chǎn)量和品質(zhì))形成的機(jī)理模型,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)作管理決策系統(tǒng)。加強(qiáng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)的構(gòu)建理論與技術(shù)研究,為單一作物長(zhǎng)期連作下形成的土壤理化障礙、病蟲草害、品種退化等問題的解決提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。
6、農(nóng)業(yè)資源學(xué):建立適合區(qū)域水資源特點(diǎn)的節(jié)水型農(nóng)作制度,突破節(jié)水抗旱超級(jí)品種選育的重大基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建挖掘作物節(jié)水抗旱生物潛能的應(yīng)用基礎(chǔ)理論與技術(shù),創(chuàng)建節(jié)水高效農(nóng)業(yè)技術(shù)模式的設(shè)計(jì)平臺(tái)。加快信息技術(shù)、生物技術(shù)和材料科學(xué)在農(nóng)業(yè)水資源研究中的應(yīng)用,優(yōu)先開發(fā)灌溉、旱作與生物綜合配套技術(shù),重點(diǎn)突破精量灌溉技術(shù)、智能化農(nóng)業(yè)用水管理技術(shù)及設(shè)備。重點(diǎn)開展氣候變化、極端氣候事件和農(nóng)業(yè)氣候資源變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響研究,開展農(nóng)作物對(duì)氣候變化及極端天氣事件的響應(yīng)機(jī)制、應(yīng)對(duì)氣候變化戰(zhàn)略研究,發(fā)展應(yīng)對(duì)氣候變化的理論和技術(shù)體系等研究。建立規(guī)?;?、成熟、高效的植物遺傳轉(zhuǎn)化再生體系,加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的安全性評(píng)估,盡快開展重要農(nóng)作物功能性基因組研究。開展改善肥料利用率用于農(nóng)業(yè)的控制釋放肥等新型專用肥料研究,開發(fā)低濃度、低能耗、低排放和零排放的肥料工藝,開發(fā)城市垃圾新肥源,開發(fā)具有抗蟲、殺菌、增產(chǎn)和抗旱等功能的新型復(fù)合肥料。
7、農(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué):開展農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放規(guī)律與減排技術(shù)、溫室氣體排放監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。研究并揭示農(nóng)田質(zhì)量演變規(guī)律與調(diào)控機(jī)制,污染物在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)途徑和機(jī)制,農(nóng)田質(zhì)量提高與綜合生產(chǎn)力提升的技術(shù)與方法。開展產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)的理論與方法、產(chǎn)地環(huán)境污染源解析、污染物(POPs及重金屬)在多界面間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及生物地球化學(xué)循環(huán)研究;探討植物、微生物對(duì)污染農(nóng)業(yè)環(huán)境的修復(fù)機(jī)理,以及高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田的耕作、種植制度等農(nóng)藝修復(fù)與調(diào)控措施。開展設(shè)施環(huán)境下作物與環(huán)境因子交互作用規(guī)律與仿真模型研究,并力求在設(shè)施環(huán)境與作物系統(tǒng)模型構(gòu)建、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制、植物逆境生理模擬與控制、植物工廠、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境條件控制以及關(guān)鍵技術(shù)等方面取得突破。研究探討農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系,揭示外來入侵生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控途徑,保障農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康。開發(fā)各類農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
(三)對(duì)策建議
1、在保持我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科有效服務(wù)生產(chǎn)的特色和優(yōu)勢(shì)同時(shí),快速提升在基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)方面的自主創(chuàng)新能力,加快與國(guó)際同類學(xué)科接軌步伐。我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科在指導(dǎo)我國(guó)作物高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)中也發(fā)揮了重要作用,應(yīng)該在進(jìn)一步加強(qiáng)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科方向建設(shè)力度的基礎(chǔ)上,吸納現(xiàn)代生物學(xué)科和現(xiàn)代信息學(xué)科的先進(jìn)理論、技術(shù)和研究手段,將生物技術(shù)、信息技術(shù)等新方法與常規(guī)方法有機(jī)結(jié)合,多學(xué)科、多層次研究農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)問題,大力提高基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究水平。使基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科在為國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全、環(huán)境健康、產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮更重要作用同時(shí),快速提升國(guó)家影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。
2、加大學(xué)科調(diào)整力度,拓寬學(xué)科發(fā)展空間,促進(jìn)學(xué)科交叉。世界學(xué)科發(fā)展總的趨勢(shì)是更加走向綜合化,呈現(xiàn)出高度交叉、滲透、融合的趨勢(shì)?;A(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科要適應(yīng)跨學(xué)科合作以及復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求,促進(jìn)學(xué)科之間相互交流和滲透,處理好傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科與新型特色學(xué)科的關(guān)系,營(yíng)造具有中國(guó)特色的學(xué)科生態(tài),構(gòu)建一個(gè)學(xué)科特色更加鮮明、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加突出、結(jié)構(gòu)布局更加合理的學(xué)科體系。要瞄準(zhǔn)學(xué)科前沿和國(guó)家重大需求,準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì),積極發(fā)展新興學(xué)科和邊緣學(xué)科,培養(yǎng)新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)學(xué)科建設(shè)的跨越發(fā)展,使更多的重點(diǎn)學(xué)科進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。
3、加強(qiáng)人才培養(yǎng)和學(xué)科團(tuán)隊(duì)建設(shè),精心打造高素質(zhì)學(xué)科隊(duì)伍。針對(duì)目前我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科隊(duì)伍綜合實(shí)力較弱,優(yōu)秀人才持續(xù)向分子生物學(xué)、現(xiàn)代信息學(xué)等學(xué)科轉(zhuǎn)移的現(xiàn)實(shí),要?jiǎng)?chuàng)造良好環(huán)境和條件,吸引和凝聚國(guó)內(nèi)外高水平科技人才從事基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)研究。首先要構(gòu)建有利于創(chuàng)新人才成長(zhǎng)的文化環(huán)境,樹立求真務(wù)實(shí)、勇于創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作的科學(xué)精神,倡導(dǎo)學(xué)術(shù)自由和民主;建立并完善一種數(shù)量、質(zhì)量并重,個(gè)人、團(tuán)隊(duì)兼顧,短期、長(zhǎng)效結(jié)合,以質(zhì)量為主的學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)機(jī)制。其次,圍繞學(xué)科發(fā)展加大高層次拔尖創(chuàng)新人才引進(jìn)力度,造就一大批具有創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科帶頭人和學(xué)術(shù)骨干,有針對(duì)性地組建一批本學(xué)科學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。要在保障現(xiàn)有隊(duì)伍穩(wěn)定與提高的同時(shí),應(yīng)著力挖掘青年學(xué)術(shù)骨干和研究生的培養(yǎng)潛力,為學(xué)科發(fā)展提供更多的后備力量,增強(qiáng)發(fā)展后勁。
4、加強(qiáng)國(guó)際交流合作,推進(jìn)學(xué)科人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新與國(guó)際接軌,提升我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科的國(guó)際影響力。開展多層次、多渠道的國(guó)際合作與交流,有效吸收國(guó)外先進(jìn)的研究方法、技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn),利用全球科技資源提升學(xué)科的科技創(chuàng)新能力,促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)農(nóng)學(xué)學(xué)科的跨越式發(fā)展和自主創(chuàng)新,提高學(xué)科國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。一方面,要不斷尋求國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛參與區(qū)域和國(guó)際合作研究的機(jī)會(huì)和渠道,能夠在更多領(lǐng)域與國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和一流專家共同開展相關(guān)研究,融入國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)中;另一方面,大力促進(jìn)與國(guó)際高水平大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)建立實(shí)質(zhì)性合作,為學(xué)術(shù)帶頭人和青年教師創(chuàng)造條件到國(guó)外進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和開展合作研究,鼓勵(lì)和吸引國(guó)際優(yōu)秀科學(xué)家到國(guó)內(nèi)兼職,開展教學(xué)和科研活動(dòng),聯(lián)合培養(yǎng)研究生等。
撰稿人:陳阜
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