一、项目目的和意义简述

    我国农作物生产和安全供应面临严峻挑战。我国目前人均耕地仅1.2亩，且随着城镇化程度加快，耕地面积还在逐年减少；我国水资源严重缺乏，人均占有量为世界平均水平的1/4，是全球13个缺水国家之一；我国农业对自然环境的依赖性强，农业生产收成没有摆脱靠天吃饭的状况，而农业生态环境相对恶劣，自然灾害发生频繁；我国农业生产机械化程度较低，农业劳动生产效率低；此外，全球气候变化对温度、降水和灾害性气候发生频度带来显著影响，未来50-100年还将进一步加剧。
    确保我国粮、棉、油安全供给的任务日趋艰巨，迫切需要依靠科技进步全面提高作物生产能力。进入二十一世纪我国作物生产处于历史关键时期，粮食产量经历了四年减产、七年恢复的生产周期，粮食综合生产能力达到了5000亿公斤以上，但年际波动较大，稳定性较差。今后我国粮食总需求量还将继续增长。依据《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划（2009-2020年）》，到2020年全国粮食需求总量将达到5725亿公斤，在保持粮食播种面积基本稳定和国内粮食自给率95%的条件下，2020年粮食综合生产能力需要达到5450亿公斤。我国油料作物生产的自给率不足40%，棉花不足60%。面对未来人口增加、耕地减少、水资源短缺以及保护环境的压力，靠现有作物栽培理论与技术难以满足可持续高产高效的新需求。
    增加主要农作物总产量可以通过扩大种植面积和提高单产来实现，目前提高单产是最主要的途径，甚至是唯一可行的途径。提高单产可以通过品种改良提高产量潜力，建立配套的栽培技术体系实现良种良法使品种产量潜力充分发挥以提高实际收获产量。目前主要农作物（如粮食作物水稻、小麦、玉米和马铃薯，油料作物如油菜，纤维作物如棉花）在品种改良方面获得了长足进步，品种的产量潜力显著提高并进入平台期，通过品种改良提高作物产量的空间越来越小。相对而言，主要农作物栽培生理研究滞后于遗传改良研究，通过优化作物栽培管理技术提高作物产量的潜力非常大。
    传统的作物高产栽培采用劳动集约型，水分和养分用量大，资源利用效率低，稳产性差；随着现代农村劳动力结构变化和劳动力成本增加，作物生产比较效益低；同时全球气候变化导致显性和隐性的自然灾害发生的频次和程度增加。因此，系统地研究主要农作物高产高效的生理基础，探索与现阶段农民生产模式相匹配新型栽培理论和技术将为农作物增产增效提供强有力的科技支撑。
 

二、项目研究主要内容

1. 主要农作物高产高效形成的生理基础研究
研究不同生态区主要农作物生长与资源利用的相互关系，明确产量形成过程与高产高效协调的生理基础。具体研究内容包括：
（1）不同生态区主要农作物的产量潜力和最大资源利用效率及其与气候因子的关系；
（2）不同生态区主要作物生长发育和产量形成过程、养分吸收和积累、水分吸收和利用、主要生理指标的动态变化规律及内在生化特征；
（3）作物群体结构、源库流的特征及其交互作用和碳氮代谢特征对产量潜力和资源利用效率的影响；
（4）作物高产与高效协同的生理过程；
（5）主要农作物不同基因型产量潜力和资源利用效率差异形成的生理机制。
2. 主要农作物产量差的形成机理及缩小产量差的措施
作物产量差可以从两方面定义，其一为产量潜力（作物产区高产品种通过优化管理和严格控制病虫害获得的最高产量）、试验示范高产（高产创建或品比试验中的高产品系的产量）和大面积实际产量（大面积农民平均收获产量）之间的差值；其二为同地区不同地力（高、中、低产田）种植作物的产量差。目前生产上水稻、小麦、玉米、棉花和油菜等的示范试验产量分别约为产量潜力的75%、75%、41%、65%和80%，实际产量约为产量潜力的58%、51%、30%、49%和53%。具体研究内容包括：
（1）主要农作物产量差形成机理。从产量形成过程、资源投入、栽培调控、品种特性等方面分析产量潜力、可实现高产和实际产量之间的差异形成的机理；
（2）不同地力田块产量差形成的关键制约因素。建立高、中、低产田的评价体系，比较研究不同地力田块间土壤理化性质、栽培管理措施对主要农作物产量和资源利用效率的影响；
（3）不同农作物品种稳产性和适应性比较。通过多点联合试验，比较不同品种的稳产性和广适性，阐明高产稳产广适品种的农艺特性及内在生理生化特征；
（4）建立减小产量差的关键栽培技术。针对产量潜力、试验示范高产和农民实际产量差以及不同地力水平的产量差形成的机理，研究和集成缩小产量差的关键栽培技术。
3、作物抗逆和耐逆机理与调控
研究主要作物对干旱、低温冷害、高温热害、阴雨寡照、涝渍等隐性灾害的响应机制，在此基础上建立相应的抗逆减灾稳产调控技术。具体研究内容包括：
(1)研究全球气候变化条件下作物种植区主要逆境的发生规律和变化趋势；
(2)比较研究不同基因型对主要逆境的抗（耐）逆特性，筛选抗（耐）逆品种或种质；
(3)阐明主要作物对逆境抗（耐）响应机理，建立作物抗（耐）性鉴定方法和研究平台；
(4)主要农作物抗逆减灾稳产调控技术研究与应用。
4、不同生态区作物种植模式比较研究
通过不同生态区多点联合试验，比较研究不同种植模式下主要农作物生长发育和产量形成规律，以及对温光资源、水分和养分利用效率的差异。拟选择的种植模式包括河北小麦-玉米、棉花单种、小麦-棉花（套种）；山东和河南小麦-玉米、小麦-棉花（套种）、小麦-水稻（河南信阳）、油菜-玉米（河南信阳）；长江中游地区油菜-水稻、油菜-水稻-水稻、小麦-水稻、马铃薯-水稻、马铃薯-玉米；西南地区小麦-玉米、小麦-水稻、小麦-大豆（玉米）复种、油菜-水稻等种植模式。具体研究内容包括：
（1）不同生态区作物种植模式对产量和品质的影响；
（2）作物种植模式对周年温光以及养分和水分资源利用效率的影响；
（3）不同生态区作物的合理配置与资源高效利用；
（4）作物种植模式对土壤理化性质及可持续生产力的影响。
5、主要农作物高产稳产和资源高效利用新型栽培技术与耕作制度研究
围绕我国主要农作物生产的重要需求，以作物高产稳产和资源高效利用为核心，重点开展主要农作物的合理群体构建、土壤耕层优化、肥水定量控制、新型耕作制度等高产稳产和资源高效技术与耕作制度研究。具体研究内容包括：
（1）主要农作物机械化栽培配套技术研究；
（2）主要农作物新型高产高效轻简栽培技术模式；
（4）耕作制度对主要农作物产量和水肥利用效率的影响；
（5）不同耕作制度对土壤耕层的影响及地力定向培育技术；
（6）主要农作物农田生态环境保护的新型耕作制度研究。