黄淮海平原是我国三大平原之一，跨越北京、天津、河北、山东、河南、安徽、江苏7省市，总面积达到300 000 km²，耕地面积占全国耕地总面积的1/6，是我国最重要的粮、棉、油、肉、果生产基地，在国家粮食安全和国民经济发展中有不可替代的战略地位。黄淮海平原主要由黄河、淮河、海河等多沙性河流冲积而成，历史上曾长期面临旱、涝、盐碱、风沙等系列阻碍区域农业发展的问题。1963年开始，以中科院南京土壤所熊毅院士为首的大批科研人员进驻黄淮海平原，创建了以“井灌井排”为核心的控水控盐碱增产技术，并于1965年取得大面积示范成功。从“六五”计划开始，国家将黄淮海平原区域治理列入国家科技攻关计划。在此背景下，中科院南京土壤所于1983年5月在河南省封丘县潘店乡建立了封丘农业生态实验站（简称“封丘站”），围绕农业生产与农村经济发展，开展了长期卓有成效的科学研究和生产实践，逐步形成了治理旱涝灾害和改良低产土壤的技术体系，使得旱、涝、盐碱等危害因素得到有效控制。20世纪80年代，封丘县潘店乡万亩试区的粮食单产由每亩194 kg增加到508 kg^{[1, 2]}。

尽管黄淮海平原农业综合整治方面取得了巨大成就，但是中低产农田比例仍然占到2/3，依然存在着限制作物产量进一步提升的诸多因素。主要问题有4个方面：（1）土壤有机质含量偏低。黄淮海平原每公斤土壤中有机碳含量只有6.40 g，低于全国旱地土壤平均水平9.60 g^[3]，仅为美国农田土壤的1/3。（2）土壤养分供应失衡。随着高产作物品种运用和农业集约化程度提高，重用化肥尤其是氮肥，轻视有机肥投入，导致土壤主要养分供应比例失调。（3）水分、养分利用效率低。由于土壤有机质含量低，土壤结构性差，保蓄水分养分能力尤其是无机氮有机化的能力弱，小麦和玉米的氮肥利用率平均只有24%（11%—45%）^[4]。这不仅远低于西方发达国家的利用率（>50%），也低于全国氮肥的当季利用率（30%—35%）^[5]。农民不得不增大氮肥用量以满足作物需求，导致大量无机氮在土体累积并向水体输出，增大了环境负荷。（4）盐渍化潜在威胁依然存在。经过多年治理，黄淮海平原盐渍化土壤的比例已经很小，但是由于盐分主要被淋洗到土壤的下层，一旦发生不合理的灌溉，极易诱发次生盐渍化。而滨海地区盐渍化土壤的面积依然很大，治理难度更高，挑战性更强。针对上述问题，封丘站面向国家重大需求，系统地开展了理论和技术创新，助力区域农业持续发展和地方经济建设。

1 构建长期定位试验体系，为理论创新和技术研发提供保障

土壤发育和肥力形成是一个漫长的过程，因此土壤学研究高度依赖长期定位试验样地。国际上最早的长期定位试验于1843年在英国洛桑试验站建立，迄今已有170多年的历史，不仅理论贡献突出（例如基于长期试验及其保存的土壤样品，Jenkinson和Rayner^[6]建立了世界上第一个土壤碳循环模型），同时还为当地农民提供示范，起到了直接的指导作用，有效推动了英国农业和生态的发展。

封丘站建站伊始就高度重视长期定位试验的建设，围绕建站的两个定位（一是中科院部署在黄淮海平原，特别是沿黄河及黄河泛滥地区，从事农业、资源、生态和环境研究的最主要野外试验基地；二是中国生态系统研究网络（CERN）布点在黄淮海平原，特别针对沿黄河及黄河泛滥地区生态环境演变进行长期监测的重点网站），开始有序规划，分阶段实施（图 1）。目前已经拥有大型水盐动态地下模拟实验室、群体称重式蒸渗仪系统、雨养农田生产潜力、有机无机肥长期施用效应、水分养分协同增效、耕作模式等定位试验（图 2），为封丘站研究成果产出和可持续发展奠定了坚实的基础。

2 揭示了区域土壤质量演替规律，创新和发展了土壤学基础理论 2.1 评估了区域水资源特征，研发了农田墒情无线监测网络系统，提出了农田灌溉策略

创建了拥有自主知识产权的中小流域分布式水循环模拟模型（INHAW）^[7]，以天然文岩渠小流域（2 514 km²）为案例区域，评估了区域水资源特征。该小流域多年平均水资源量为23.5×10⁸ m³，其中年均降雨总量14.08×10⁸ m³（相当于降水量559 mm，后同），引黄灌溉水量6.27×10⁸ m³（249 mm），黄河侧渗水量6.93×10⁸ m³（275 mm），大车集出口断面平均径流量3.78×10⁸ m³（149 mm），流域可用水资源为934 mm，因此沿黄灌区具有创高产的水分持续生产力。但是，潮土区降水少，季节分配不均，农业水资源利用效率低。基于封丘站大型蒸渗仪，对作物耗水过程进行了长期观测，明确了小麦-玉米轮作系统的耗水规律。发现要实现年亩产1 t以上，年度需水830 mm，其中玉米季需水358 mm，当前降水量基本能够满足需求；而小麦季需水473 mm，尚须通过灌溉补充亏缺的311 mm。

土壤水力特性是土壤水文过程模型的重要输入参数。由于土壤水力特性的空间变异大，如何在野外获得准确的土壤水力特性分布是制约土壤水文过程模拟的关键因素之一。为此发展了水平入渗方法快速测定扰动土壤水力特性模型参数的方法^[8-10]，建立了通过垂直入渗试验测定土壤水力特性参数的新理论^{[11, 12]}，实现了田间原位快速测定不同尺度土壤水力特性参数，为相关研究提供了新技术和新手段。

研制了新型土壤水分传感器和农田墒情无线监测网络系统（图 3）^[13]，实现了农田土壤水分、降水、水面蒸发量、地下水位等信息的时空动态自动监测以及农田墒情的预测和预报。建立了区域尺度水氮管理模型^[14]，提出了区域尺度的农田灌溉策略^[15]，实现了区域尺度农业水资源的优化利用。

2.2 揭示了潮土质量演变规律和基础地力本质，为土壤地力定向培育提供理论基础

基于有机无机肥长期定位试验，发现化肥长期施用，只要平衡不过量，作物可以持续高产，土壤肥力也不断提升，从而修正了国际上“长期施用化肥不可持续”这一一概而论的观点^[16]。利用田间原位测定技术，明确了我国旱地土壤有机质的稳定性和周转速率，以及潮土有机质快速分解的内在机制和两面性效应：高效提供养分和阻抑有机质累积^[17-19]。提出了潮土团聚体形成机制和关键控制因素，主要受控于微团聚体和粉黏粒组分中有机碳含量，随着粉黏粒组分中有机碳增加，该粉黏粒组分不断地团聚形成微团聚体或者大团聚体，微团聚体则通过自身或者与粉黏粒组分结合形成大团聚体^[20]。团聚化程度越高的土壤，小于4μm孔径孔隙的比例越高，导致土壤氧气有效扩散系数降低，阻抑好氧菌生长，促进兼性和厌氧菌繁殖，降低了好氧菌/厌氧菌比值，使芽孢杆菌（Bacillus asahii）成为优势微生物^[21]，减缓了单位有机碳的分解速率，这证明潮土有机质、团聚体和微生物群落之间存在着联动关系^[22]。采用碳-13示踪技术研究发现，外源碳在有机质含量高的土壤中残留率高于有机质含量低的土壤，这表明肥力水平低的土壤，有机质提升的难度相对更大，其潜在机制是该类土壤的微生物以好氧菌为主，高效分解外源碳^[23]，由此提出了潮土有机质有效提升的对策^[24]。

提升有机质含量是潮土地力定向培育的关键。有机无机肥长期试验表明，单施有机肥可以高效增加土壤碳，但会影响作物产量；而无机有机氮肥对半配施则可以实现产量和土壤碳的双提升。一般认为免耕可以增加土壤碳含量，但是在黄淮海平原，免耕后会发生土壤碳的表聚，削减土壤碳的增加效应，封丘站由此提出了“五季连免、一季深翻”的少免耕技术。采用碳-13自然丰度技术，发现秸秆制成的生物质炭具有负激发效应，能够减缓潮土活性有机碳的分解，实现土壤有机碳快速提升和农业废弃有机资源高效循环利用^[25]，而生物质炭生产成本降低将是大面积推广应用需要突破的关键。

3 创建了农田地力提升与作物高效栽培的技术体系，为区域农业发展提供科技支撑 3.1 土壤地力培育和大面积均衡增产栽培技术及其应用

在中科院-河南省合作项目“耕地保育与持续高效现代农业试点工程——封丘试区”“高产高效现代农业示范工程”“现代农业示范与区域创新集成计划”等的大力支持下，张佳宝研究员组织中科院和河南省相关科研单位的科研人员开展联合攻关，创建了“黄淮地区农田地力提升与大面积均衡增产技术”（图 4），并以封丘县为核心示范县，其他1市22县为扩展示范县，展开大面积推广应用。2011—2013年累计示范推广面积1 459万亩，新增粮食8.75×10⁸ kg，增收节支40.2亿元，全面提升了区域粮食生产潜力和农业生产水平，研究成果获得国家科技进步奖二等奖。

3.2 道地金银花规范化种植技术研发、示范与产业发展

随着河南农业结构调整的深入，封丘站围绕“确保粮食安全、提高农业增长质量和效益、增加农民收入”目标，以封丘县具有资源比较优势的特色经济作物——金银花为抓手，与地方政府通力合作，以高效种植模式为突破口，形成了具有区域特色的农业主导产品和支柱产业。通过对金银花物种和种内种质比较，筛选出了优良种质。系统研究了金银花的生物学特性和生长规律，甄别了影响产量和质量的关键因素，制订了金银花规范化种植的标准操作规程和金银花药材的质量评价标准。创建了金银花高产优质种植技术体系，建立了金银花规范种植技术示范基地。利用封丘县广播电视网，举办金银花规范化生产技术培训系列讲座，累计培训药农5万多人次，印发培训资料10多万册，并刻录了光盘赠送药农。建立了“企业+科研+基地+农户”的发展模式，封丘县已经成为哈药集团、金陵药业、佐今明药业等的金银花药源基地，种植面积达到10万多亩，年产值11亿元，为我国金银花等中药材规范化生产提供了借鉴样板（图 5）。

3.3 树莓产业化技术研发与示范

围绕封丘县树莓产业化，与地方政府合作，研发了种植-加工一体化的封丘县主导产业体系。通过对黑莓16个优良品种的引种，筛选出5个优质品种繁育推广，制定了树莓标准化种植技术规程和有机种植技术标准，累计培训农民1.5万人次，技术推广服务4万多亩（图 6）。“封丘树莓”已经取得“有机产品认证证书”和“国家地理标志保护产品”，封丘县也获得了“国家级树莓种植综合标准化示范区”“农业科技试验示范基地”“中国树莓之乡”等称号。与河南美日康农业发展有限公司合作，建立了树莓种植+加工基地，形成了树莓浓缩果汁、饮料、果酒、干果、果酱、干酒、果茶、精油等系列产品，解决了树莓种植农户的后顾之忧。目前封丘全县树莓种植面积4万多亩，5年后将发展到15万亩。每亩树莓鲜果产值1万余元，纯收益7 000多元。河南美日康农业发展有限公司年产值19亿元，利税3亿元。

4 结语

封丘站自1983年建站以来，围绕黄淮海平原农业生产和生态环境中的核心问题，开展了长期而卓有成效的监测、研究、技术研发和示范推广，为国家粮食安全保障体系和生态环境建设作出了重要贡献。通过承担国家和省部级重大项目，揭示了土壤的质量特征和演变规律，发展了土壤学基础理论，引领了我国土壤地力领域的研究，在国际上产生了广泛的影响。通过与地方政府合作，创建的土壤地力提升和作物均衡增产栽培技术体系实现大面积应用和示范推广，从而全面提升了粮食生产潜力，提高了区域农业生产水平，增加了农民收入。通过与企业合作，构建了“企业+科研+基地+农户”的发展模式，提升了企业利润空间，提高了农户收益。目前封丘站正在重点推进研究型野外基地科研设施建设，培养和引进优秀人才，进一步提升学术研究水平和技术研发能力，以期更好地发挥知识和技术创新平台与技术集成和转移平台的作用，为区域农业可持续发展和地方经济建设做出更大的贡献。