智能农机正在进行无人作业
初冬的黑土地上，秋收的喧嚣逐渐散去。在中国极北的大豆之乡黑龙江省海伦市，记者看到，地里的大豆已完成收获，刚刚深翻、深松后的新鲜黑土在阳光下油黑发亮。秋收后的大地即将上冻，为下一年的播种积累能量。
海伦市位于黑龙江中部，松嫩平原北端，小兴安岭西麓。境内多丘陵、漫岗、高地平原，这里还是黑土地的中心地带，是黑土地保护利用整建制推进的试点区域。黑土地被誉为我国“耕地中的大熊猫”，东北黑土地则被誉为我国粮食安全的“压舱石”。但“黑土粮仓”也面临着很多问题，其中“变薄”“变瘦”“变硬”最为突出。“把黑土地用好养好”，事关国家粮食安全与生态安全。
习近平总书记在黑龙江考察时强调“中国粮食，中国饭碗”，指出“要加快绿色农业发展，坚持用养结合、综合施策，确保黑土地不减少、不退化”。国家高度重视东北黑土地的保护与利用，陆续实施了黑土地保护治理工程、生态高标准农田建设、黑土地保护利用试点等一系列举措，也在技术模式、工作机制、政策体系等方面进行了积极探索。
推进科技创新，提升科技支撑能力。要针对不同土壤类型、不同区域，加强黑土地保护技术研究，特别是加快推进技术集成优化、农机农艺结合。为此，在保护黑土地行动中，国家及省级黑土保护重大科技专项设立，组织调动全国优势科研力量开展科技攻关，在土壤改良利用、粮食丰产增效、模式推广应用方面打出一套“科技组合拳”。
保护“耕地中的大熊猫”迫在眉睫
“黑土地肥到家，捏把泥土冒油花，一两黑土二两油，插根筷子也发芽。”我国黑土地总面积109万平方千米，包括其在内的黑土区在全球仅有4块，占全球陆地面积不到7%，养活了占世界18%的人口，创造了世界的奇迹。奇迹背后便是我国耕地无法实行免耕休耕的保护措施。因此，黑土地保护的关键在于如何解决好“用”和“养”的问题。
“全国人民每3碗饭中就有1碗出自东北。”中科院东北地理与农业生态研究所所长姜明说，我国东北黑土区涉及黑龙江省、吉林省、辽宁省及内蒙古自治区东部部分地区，粮食的产量和调出量占全国总量的1/4和1/3，是我国粮食生产的“压舱石”和“稳压器”。
落叶、枯枝……经过年复一年的累积、沉淀逐渐形成黑土地。姜明介绍，黑土地之所以“黑”，就是因为覆盖着一层黑色或暗黑色的腐殖质，土质疏松，富含有机质，最宜耕作。有研究表明，形成1厘米厚度的黑土层需要数百年。
黑土地的珍贵使其被比作“耕地中的大熊猫”，但更重要的原因则与黑土地的“亚健康状态”有关。东北黑土区呈现中部平原、三面环山的盆地状地形，区内山地、平原、丘陵和台地分布面积相当。东北黑土区雨热同季、降水集中，加上黑土表层松软，坡度大于0.5°的耕地就存在土壤水力侵蚀风险，且坡度越大侵蚀风险越高。“黑土地退化的特点是变‘薄’、变‘瘦’、变‘硬’了，面积也变‘少’了。”姜明说，黑土地沙化、盐碱化、水土流失等趋势严重，已经到了非治理不可的地步。
中国科学院发布的《东北黑土地白皮书（2020）》显示，近60年，东北黑土耕作层土壤有机质下降了三分之一，部分地区下降了50%。黑龙江省水保所的定位观测显示，坡耕地年土壤流失厚度为0.6至1厘米，保护黑土地迫在眉睫。
科技“良方”护航黑土粮仓
科技创新是保护好、利用好黑土地的根本出路。2021年3月， 中国科学院启动“黑土粮仓”科技会战。称其为“会战”，是因为它集结了中科院院内的34家研究所和院外的89家单位，共同组成了一支汇聚各专业1400余人的“集团军”。中科院先后与吉林省、辽宁省、黑龙江省、内蒙古签署框架协议。并派遣青年骨干担任科技副职，结合不同示范区特色，挂职不同岗位，将示范区攻关任务与地方农业工作结合，推广技术和模式，已打造7个万亩级示范区，形成主推技术41项，示范推广面积累计约1.7亿亩。
“‘黑土粮仓’科技会战针对的就是黑土地‘变薄、变瘦、变硬’问题！”姜明介绍了“会战”的阶段性成果——针对不同区域的农业资源禀赋与气候特征，构建了“梨树模式2.0”“龙江模式”“大安模式”和“大河湾模式”等区域适宜性的黑土地保护与利用技术模式。
其中，“梨树模式2.0”和“龙江模式”支撑了国家黑土地保护工程的实施；“大安模式”实现了盐碱地高效改良与综合利用的结合，为吉林省“千亿斤粮食”工程提供了有力的科技支撑；以“数字化智能决策+无人化精准执行”的“大河湾模式”保护黑土地模式创建了信息技术与农业技术高度融合的黑土地保护利用现代农业新范式。
“大河湾模式”服务于规模化种植的大型农垦集团，在保护黑土地的同时，综合考虑与信息技术、智能装备技术、农业模型与算法等技术的充分融合，提升综合效益。既然是“会战”，就有“战区”，更要有战略。来自牵头单位的中科院计算所科研人员从军工任务中，借用了 “OODA理论”，即“观察—判断—决策—行动”的循环程序。
对应OODA理论，大河湾地区的黑土地保护与利用也分成四步——利用多种信息技术手段来感知黑土地本底数据，在信息空间模拟黑土演变与利用方式的变化关系，给出黑土地保护与利用的最佳决策，用智能化农业装备来高效执行。系统可以根据每个地块实际采用的保护性耕作农艺技术体系，同时结合数据采集体系中实时感知的作物的生长状态，建立作物生长状态与环境之间的动态模拟，并形成最优的农事作业决策。
会战一载 “农业智慧化”成效初显
科技和企业“牵手”，让保护的黑土地焕发出最大价值。今年9月底，中国科学院发布“黑土粮仓”科技会战阶段性成果，专题发布《东北黑土地保护与利用报告（2021年）》、“鸿鹄”T300智能农机以及“东生”系列大豆新品种推广与应用成效。“黑土粮仓”科技会战实施一年以来，取得了重要进展和阶段性成效，在7个示范区建立了空天地一体化监测与感知系统，创建了“地理学+大数据+现代农业”的“黑土粮仓”全域定制模式，我国自主研发的400马力新能源智能农机下线，可实现耕种管收全程无人作业。
大河湾示范区位于呼伦贝尔农垦集团公司辖区，是全国第三大农垦集团。通过利用遥感、无人机、传感器，以及人工取样等多种手段，信息技术、人工智能技术与农艺技术充分结合，开发了土壤养分反演算法、地物识别模型等8种模型与算法，实现了土壤物理性质、养分、有机质、地界、作物、水蚀沟分布、气象等全面信息在区域的反演。如今，呼伦贝尔农垦大河湾农牧场公司全域16.8万亩黑土已经形成数据一张图，为保护黑土地的科学种植起到重要支撑。
与此同时，大河湾示范区还利用新一代智能农机装备，高效、智能执行系统做出决策。呼伦贝尔农垦集团针对农机装备作业的九大环节，提出“二精、三变、三减、一用”的理念，即：精准整地、精量播种，变量施水、肥、药，在收获、运输、存储过程中减损以及秸秆利用。
此外，示范区投入了计算所研发的清洁能源可全程无人化自主作业（自主路径规划、路径跟踪、无人作业）的“鸿鹄”系列智能农机，以及来自中科院多家科研院所的智能农业机械，可实现定制化的多功能免耕播种、可精准变量作业的施药机、定向分层一次性施肥机等。这些智能农机在执行作业时，还会搭载土壤能谱探测仪，可以在作业的同时，对土壤数据进行感知探测，将数据流向整个闭环系统。
目前大河湾模式已经初步打通相应模块的数据流，已经取得阶段性的成果。未来，“科技会战”将进一步强化生物、信息、空天遥感等多学科技术与农业的有机融合，打造“用得上、有影响”“推得开、留得下”的黑土地保护与利用硬核技术，形成“智能农机社会化服务+保护性耕作农业大数据社会化服务”方式，面向蒙东四盟市8000万亩黑土地进行全面推广。
