作物栽培学是连接作物遗传潜力和生产实践的桥梁，是实现粮食高产高效的关键学科。然而，长期以来，作物生产研究多局限于单一因素、单一技术的局部优化，缺乏从系统层面整合气候、土壤、作物、管理等多要素协同作用的理论框架。中国农业科学院作物科学研究所赵明研究员经过40余年的系统研究，围绕作物高产高效协同提高，立足于环境―作物―措施协同优化的理论与技术创新，在粮食作物两熟制资源优化配置、冠层耕层协同优化和产量性能定量化方面取得重要科技成就，并在此基础上构建了以“气候―作物协同、土壤―作物协同、群体―个体协同”为核心的“三协同”作物栽培理论体系。此外，其在组织国家粮食安全科技规划、实施国家粮食丰产科技工程、推动学科条件建设、开展研究生教育、促进国际交流以及服务“三农”等方面，亦作出了大量卓有成效的工作和突出贡献，对我国作物栽培学发展及粮食生产实践产生了深远影响。
1 理论构建：从局部优化到系统整合的范式突破
针对作物生产研究多局限于单一因素、单一技术的局部优化的问题，赵明将作物生产系统视为一个由多层次、多要素耦合的复杂系统，提出了“三协同”的理论框架[1]，推动了作物栽培学从传统经验描述向系统化、定量化方向实现重要转变。
1.1 气候―作物协同：光温资源优化配置的定量基础
周年资源优化配置始终是两熟制发展的核心，但气候变化的复杂性给两熟制光温资源合理利用带来严峻挑战。赵明研究员基于我国粮食主产区多年气象与作物数据分析，首次建立了以热量资源为核心的周年资源优化配置指标体系，明确了我国两熟模式积温分配规律。提出的“光温生产潜力当量”概念，将不同作物的资源利用效率置于同一尺度下比较，为不同资源禀赋区域挖掘光温生产潜力提供定量参考指标[5]。该理论为两熟制模式优化和区域布局提供了科学依据，使“调品种、改模式”的技术创新有了明确的定量目标。
1.2 土壤―作物协同：耕层―冠层耦合的机制阐明
20世纪80年代以来，在我国主要农区常采用免耕或浅旋耕的耕作方式，导致土壤耕层变浅，并产生坚硬的犁底层，制约了作物产量和水肥利用效率的进一步提升。赵明研究员通过多年根系原位观测和土壤剖面分析，深入探究了地上与地下协同的机制，提出了“深耕层、低容重、匀分布、培肥力”的耕层优化标准。在此基础上，创建了“冠层生产力”与“耕层供给力”的评价方法，实现了地上地下协同程度的定量诊断[4]。该理论将作物地上和地下视为一个有机整体，为后续“深耕层―密冠层”技术的构建奠定了科学基础。
1.3 群体―个体协同：产量性能的定量表达
2 技术创新：理论指导下的技术突破
赵明研究员围绕“三协同”理论框架，突破了一系列关键核心技术，并集成为可在生产中大面积应用的技术体系，取得了显著的经济和社会效益。赵明研究员共授权专利21项，其中发明专利6项，实用新型专利15项，涵盖了密植栽培方法、条带耕作播种机具、根土取样器等多个关键环节，形成了完整的技术链条。
2.1 光温资源优化配置技术体系
依据气候―作物协同理论，创新了基于积温分配率的两熟制资源优化配置技术，优化了麦玉周年光温高效种植模式，创新了“强C4调C3”的双季玉米和玉米―水稻等资源高效种植模式。核心思路是：通过调整作物布局和品种类型，提高作物的资源需求与区域资源供给的匹配度，从而提高系统的资源利用效率。基于以上研究，构建了光温资源优化配置技术体系，核心成果获2013年中国农业科学院科学技术成果奖一等奖和2018- 2019年度神农中华农业科技奖一等奖。
2.2 冠层耕层协同调控技术体系
2.3 产量性能协同调控技术体系
依据群体―个体协同理论，发明了小双行错位种植、大小行免耕精播交错、四穴成方等新型种植方法，建立了作物高产群体动态监测系统，实现产量性能各指标的协同调控。研制出智能光合测定系统、光合蒸腾仪、根系雾化培养箱、小立方根土取样器等产品，为高光效群体调控研究提供了有力支撑。基于以上研究，构建了作物高产高效群体调控技术体系，核心成果获2012年中国农业科学院科学技术成果奖一等奖和2013年北京市科技进步二等奖。
3 学科建设：从个体研究到体系构建
赵明研究员的学术贡献不仅体现在个人研究成果上，更体现在他推动整个作物栽培耕作学科发展的战略视野和实践能力上。
3.1 国家粮食安全战略规划与重大工程实施
3.2 学科平台建设与人才培养
赵明先后负责中国农业大学和中国农业科学院作物栽培与耕作学科的建设，牵头创建了农业农村部作物生理生态重点实验室和黄淮海小麦工程中心，建设了多个长期试验基地，为我国作物栽培耕作研究提供了高水平平台。在人才培养方面，他长期主讲研究生核心课程“作物高产理论与实践”，参编了《作物生理学导论》[13]、《作物栽培学各论（北方本）》[14]等教材，培养研究生70余名（其中博士31名），许多人已成为作物栽培学领域的骨干力量。他还作为主要参与者成功组织了第七届国际作物科学大会在北京召开，提升了我国作物学的国际地位。他长期深入一线，服务“三农”，开展生产培训、应急指导和科普宣传。这些工作共同构成了一个“科研―教学―平台―队伍”四位一体的完整学科生态体系。
4 结语
赵明研究员40余年来扎根作物栽培学研究，以系统思维重构作物生产理论，以工程技术突破生产瓶颈，以学科建设引领行业发展。他创立的“三协同”理论体系、创新的高产高效关键技术、推动的国家重大工程和学科平台，共同构成了他在作物科学领域完整而深刻的学术贡献。他的工作不仅提升了我国作物栽培学的学术水平，也为保障国家粮食安全、促进农业可持续发展作出了重要贡献。
周宝元执笔
张宾、李建国、孙雪芳、丁在松、侯海鹏、葛均筑提供素材并参与修改
参考文献
粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式
DOI:10.3724/SP.J.1006.2019.83051
[本文引用: 1]
当今作物生产正在向高产、高效、环境友好等多目标协同方向发展, 进一步深化和完善作物生产调控理论与技术体系是实现多元化目标协同, 促进作物生产可持续发展的重要途径。本文对当前作物生产调控理论与技术的研究进展进行了总结, 并结合当今作物生产发展形势, 在全面总结前人成果和笔者30余年研究结果的基础上, 提出了从作物生产系统的整体性角度出发, 通过定量分析作物生产系统气候、土壤、作物三要素的协同关系, 将“气候-作物”、“土壤-作物”和“群体-个体”三者协同优化的作物高产高效调控途径, 构建了作物生产系统气候-土壤-作物“三协同”定量优化体系, 并对其生产应用和未来发展进行了探讨与展望, 以期为实现我国主要粮食作物高产高效可持续生产提供理论指导。
作物产量“三合结构”定量表达及高产分析
针对目前作物产量水平长期徘徊难以突破，产量分析理论缺乏量化指标体系，可操作指导作用小等问题，依据“三合结构”模式二级结构层各因素的关系，建立了“三合结构”定量表达式，并通过田间试验与模型模拟相结合的方法，对春玉米、夏玉米、水稻和冬小麦高产实例进行定量化分析，明确了限制产量进一步提高的关键因素，提出了高产突破的可能方向。结果表明，提高叶片平均净同化率（MNAR），改善群体的物质生产能力，是水稻产量进一步提升的关键；适当提高平均叶面积指数（MLAI）或经济系数（HI）可能会进一步增加冬小麦产量；春玉米籽粒产量主要伴随着MLAI和单位面积穗数（EN）的增加而提高，其实质是平均作物生长率（MCGR）的提高增加了单位面积上总粒数（TGN）。进一步研究确定了“三合结构”定量表达式参数间的函数关系式，通过公式代换可推导出某一参数与目标参数的函数关系。作物产量“三合结构”定量表达式的建立为作物群体定量化研究提供了新的思路和方法，有助于全面掌握群体参数变化与产量形成的定量关系，为指导作物生产进行有效的技术调控提供依据。
黄淮海麦玉两熟区周年光温资源优化配置研究进展
DOI:10.3724/SP.J.1006.2021.13012
[本文引用: 1]
在不增加任何成本前提下, 优化麦玉两熟周年光温资源配置是提升黄淮海区产量及资源利用效率的重要途径之一。从20世纪80年代开始, 国内学者便从播/收期调整、不同生育期品种选育及新型种植模式创建等方面开展了黄淮海麦玉两熟区周年光温资源高效利用途径探索。研究了小麦和玉米生长发育与光温资源的匹配关系, 提出了以强化“C<sub>4</sub>玉米”高光效优势为核心的周年光温资源优化配置途径, 在冬小麦-夏玉米一年两熟基础上, 创新了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式, 构建了冬小麦/春玉米/夏玉米、冬小麦/春玉米/夏玉米/秋玉米和双季玉米等种植模式, 实现了周年高产和光温资源高效利用。本文综述了黄淮海麦玉两熟种植模式周年光温资源优化配置研究进展及其在麦玉两熟基础上的新型种植模式探索, 并提出了以积温分配为主的麦玉两熟制周年光温资源定量优化配置途径, 建立了黄淮海区冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源优化配置定量指标及其相应标准, 以期为进一步挖掘该区周年产量及光温资源利用潜力提供新的思路及理论支撑。
