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1、项目名称：我国农田生态系统重要过程与调控对策研究首席科学家：张佳宝 中国科学院南京土壤研究所起止年限：2005.12至2010.11依托部门：中国科学院 农业部一、研究内容（一）拟解决的关键科学问题面对国家粮食、生态与环境安全的多重需求，促进农田生态系统的产量形成，削弱对生态环境有影响的环境过程是农田生态系统调控的主要目标。物质循环过程是引起上述双重效应的最主要过程，本项目要解决的第一个关键科学问题是物质（重要生命元素、水）循环机理及与生物过程和环境过程的耦合互动机制。土壤库是农田生态系统的最重要的生态库，土壤库功能的演变不仅是决定农田生态系统能否持续发展的关键因素，而且也是农田生态系统演变的
2、写照，过去对土壤生态过程的研究明显不足，本项目要解决的第二个关键科学问题是土壤生态过程、长期演变规律及与作物的相互作用机制。农田生态系统与外界环境产生的物质交换过程是引起生态环境效应和响应主要原因，但至今我们还尚未建立好交换通量的测定或估算方法，因而限制了农田生态系统的生态环境效应的定量研究（如向水体、大气的排放清单等），本项目要解决的第三个关键科学问题是农田生态系统与外部环境的物质交换通量的量化方法。为了满足国家需求粮食安全、生态环境安全，依据科学原理，建立调控理论，提出不同尺度上的调控对策，是本项目的最终目标，因此本项目要解决的第四个关键科学问题是基于重要生态过程的农田生态系统的调控原理。
3、1、物质（重要生命元素和水）循环机理及与生物过程和环境过程的耦合互动机制物质循环是维持和促进农田生态系统运行发展的最主要过程。已有的工作更多地集中在农田生态系统中的养分平衡和水量平衡。本项目将进一步研究物质循环过程中的机理问题，主要包括物理机理、化学机理、生物机理等。重点研究物质循环过程与生物过程耦合作用下的产量形成过程以及产生生态环境效应的环境过程，如温室气体的排放过程及主控因子。揭示物质循环与生物过程既相互促进又相互制约的关系，以阐述物质循环对生产力和资源环境效应的影响机制。建立物质循环过程与作物生长的耦合模型，优化调控措施。并通过联网研究，在宏观尺度上寻求这些过程的变化规律及主控因子。2
4、、土壤生态过程、长期演变规律及与作物的相互作用机制土壤库不仅为植物提供有效的水分养分物质，而且本身也拥有丰富的生物，进行着多种地下生态过程，与植物一起共同维持着农田生态系统的各种功能。土壤生态系统的演变是整个农田生态系统的演变反映。过去的工作主要集中在养分水分，而从生态过程的角度研究较少，导致土壤生态过程在农田生态系统中的功能难以确定。本项目将对土壤生物群落、遗传物质的复杂性、区域的分异性、对物质能量转化的作用、与作物的关系等方面进行研究，并对由水、热、人工调控驱动下的土壤生态系统的长期演替规律，以及由此引起的土壤养分库、有机碳库、环境质量的长期演变过程及其对农田生态系统功能的影响进行重点研究
5、。为发展土壤生态学，明确地下与地上部分的生态学关系，建立有效的调控理论提供基础内容。3、农田生态系统与外部环境的物质交换通量的量化方法 农田生态系统界面物质交换，既改变着系统功能，又不断冲击着水、气环境。但不同尺度界面物质交换通量的量化方法至今尚未很好建立，严重影响着农田生态系统的生态环境效应研究。针对与农田生态系统物质交换密切相关的全球气候变化、水体污染、大气酸沉降、水资源消耗等重大问题，通过对农田生态系统与水体、大气界面的主要物质（与大气的界面主要包括C、N、S、水分；与水体界面主要包括N、P、重金属、有机污染物、水分等）交换速率、通量及关键控制因子的研究，建立界面物质交换通量的测定或估算
6、方法，为定量评价农田生态系统的生态环境效应提供关键手段。4、农田生态系统稳定性机制及其调控原理农田生态系统功能是各种生态过程发展与相互作用的体现。在认识农田生态系统重要生态过程的基础上，结合景观、GIS和遥感信息分析，在典型地区、水热梯度方向上，研究农田生态系统稳定性的生态结构特征，稳定性评价的指标体系及其量化表达方法；影响区域农田生态系统稳定性和大气、水环境的主控因子、耦合作用机制；建立保持农田生态系统稳定的“自然条件/管理模式重要生态过程农田生产力资源环境效应”之间的定量关系。创立农田生态系统调控理论与方法，提出包括对养分投入、水分管理、农田生态系统结构等的调控对策，为国家决策和实际调控提
7、供理论支撑。（二）研究内容围绕5个重要生态过程及4个关键科学问题，以承担单位实验室设施、中国科学院和中国农科院的台站网络野外研究设施、长期观测、长期试验、历史样品以及原有工作为基础，对我国最重要的农田生态系统（水稻、小麦、玉米），通过定点、典型地区和水热梯度方向联网的研究方式（即在长江中游下游农区、黄淮海农区、东北农区、黄土高原农区选择5个代表试验站进行定点系统深入研究；以站为中心的典型地区研究；在东西水分梯度和南北热量梯度两条线上的联网对比大尺度研究），进行下列三个层次的主要内容研究：第一层次：物质循环或转化传递过程及其资源环境效应研究1、重要生命元素循环过程、相互作用及其对生产力和环境的影
8、响机制通过定点方式，对我国不同农区的主要类型农田生态系统，在不同耕作、施肥、轮作等管理模式下的重要生命元素（C、N、P、K）的循环过程、机理、相互作用及其对生产力形成的生物过程和引起区域环境变化的环境过程进行系统研究。建立我国主要农田生命元素转化模型，为不同农区农田生态系统生命元素调控与管理模式的建立提供理论。主要研究内容包括：（1）C、N、P、K的循环过程、界面交换机制及影响因素；（2）多种元素循环的相互作用机制及对产量和资源环境效应的影响；（3）C、N、P、K的循环过程模型。2、水循环与作物水分耦合作用机制及水分高效利用建立系统界面水分交换通量监测和计算新方法，定点研究不同水分管理模式下的
9、田块和小流域尺度的水分小循环过程和水分大循环过程及其对人为调控的响应，探索农田节水潜力空间和调控途径，并通过研究水分生物传输和作物生长耦合机制，揭示生理节水机制。主要研究内容包括：(1)田块和小流域尺度水循环过程与系统界面水分交换通量的监测和计算的新方法；(2)作物水分养分耦合作用与生理节水；(3)物质水分联合传输机制与环境效应；(4)水循环过程与作物生长耦合模型及基于GIS系统的区域预测模型。3、主要污染物的转化、传递和积累过程及作物产地环境安全通过典型区域的调查，对我国不同农田生态系统中主要污染物（重金属和农药）的时空演变和分异规律，及污染来源和污染途径进行解析。通过实验室和定点研究，对主
10、要污染物的转化、传递、积累过程，对作物产地环境安全的影响及污染物削减的新理论和新方法进行研究。主要研究内容包括：（1）不同农田生态系统中主要污染物的时空演变和分异规律，及污染来源和途径；（2）主要污染物在不同土壤植物农田生态系统中的转化、传递和积累过程、主要影响因子；（3）农田主要污染物行为过程的区域性差异及作物产地环境安全与削减对策措施。第二层次：物质循环作用下的土壤生态过程、生产力形成过程与系统持续生产力研究4、保持系统持续稳定的关键土壤生态学过程与主要控制因子通过实验室和野外定点方式，研究不同管理模式下的土壤生物(细菌、真菌、放线菌、线虫)群落特征及长期演变规律及其与土壤肥力的关系，并利
11、用分子生态技术和同位素示踪技术研究物质转化的关键生物学过程及主要微生物种类，土壤作物相互作用，揭示系统持续稳定性机制。主要研究内容包括：（1）土壤生物群落特征、演变规律及与土壤肥力质量的关系；（2）土壤养分物质转化的关键生物学过程及主要微生物种类；（3）土壤作物相互作用机制；（4）保持土壤生产力持续稳定的生态学机制与重要控制因子。 5、主要作物产量形成的生理生态学机制与水肥供需协调原理基于定点试验和观测，研究不同区域主要农田生态系统物质积累与运转分配机制，探明主要作物产量形成的生理生态学机制。通过对不同冠层形成的生产力差异分析，塑造作物高产的群体结构，提高整体光合效能、增加有效积累、改善物质分
12、配。建立作物生长与水分养分循环的耦合模型，优化提高作物生产力的光、温、水、肥供需协调过程。主要研究内容包括：（1）农田生态系统作物高产形成机理；（2）作物高产群体结构的塑造与水肥供需协调的原理；（3）作物生长与水分养分循环的耦合模型的构建与高产、资源高效调控对策的优化；（4）光、热、水等要素和农田管理措施驱动下的农田生态系统生产力分异规律与主控因子。第三层次：不同尺度调控理论与对策研究6、高产农田生态系统的稳定性机制与不同尺度的调控对策以上述生态过程研究结果为基础，结合自然环境、土壤质量、景观格局、遥感资料、GIS信息和长期试验联网，对以定点研究基地为中心的典型地区和水热两个梯度带高产农田生态
13、系统的稳定性机制、调控理论与对策进行研究，为区域和国家尺度的农田生态系统管理提供重要的理论依据和调控对策。主要研究内容包括：（1）高产农田生态系统的稳定性机制；（2）典型地区农田生态系统生产力、资源利用效率和环境质量协同提高的调控途径与验证；（3）水热梯度带农田生态系统重要过程的演变规律与区域系统稳定性保持的调控对策。二、预期目标（一）总体目标（1）本项目以提高我国农田生态系统持续生产能力为目标，通过对我国主要农田生态系统的重要过程进行定点长时间序列和联网研究，阐明影响农田生态系统生产力、资源利用率、环境质量和系统稳定性的关键生态过程及相互作用机制。打破高产必须以降低资源利用率和牺牲环境为代价
14、的观点，发展高产、资源高效、环境友好的多目标协调发展的农田生态系统调控理论，提出农田生态系统持续发展的调控对策，为国家粮食安全和生态环境安全建设提供新的理论体系，为农业生态学基础理论研究做出重要贡献。 （2）巩固和强化国家主要农田生态系统野外研究平台，大幅度提升我国农田生态系统研究能力和水平。凝聚和造就一支多学科、跨部门、高水平的农田生态学战略研究队伍，引领国际高强度利用农田生态系统的研究。（二）五年预期目标（1）重点阐明水碳氮磷钾循环过程、相互作用机制及影响因子，并在碳氮耦合循环和转化机制、磷钾有效性机制研究方面获得突破，为高产农田生态系统资源利用效率的提高、环境质量的改善提供新的理论依据。
15、（2）阐明主要农区不同管理模式下的土壤生物群落特征与演变规律，揭示土壤物质转化的生物学机制及关键生物群落，作物土壤相互作用过程，土壤生态系统持续稳定性机制，为高强度利用的农田生态系统土壤生产力持续提高提供理论指导。（3）揭示作物产量形成的生理生态学机制，构建主要作物高产的群体结构，建立作物生长与水分养分循环的耦合模型，优化作物高产、资源高效的管理方案，并在主要农区得到验证。（4）阐述我国东北、黄淮海、黄土高原、长江中下游等农区主要农田生态系统生产力、资源利用效率和环境质量协同提高的调控途径，并建立示范区进行验证。（5）阐明农田生态系统重要过程在南北热量梯度带和东西水分梯度带上的演变规律，解析影响我国不同地带主要农田生态系统稳定性的关键生态过程和主要控制因子，在宏观尺度上提出保持我国主要农田生态系统可持续发展的调控对策。（6）五年内，发表SCI收录论文120篇以上，并争取在有重要影响的国际学术杂志上发表高水平论文15篇。出版专著3部以上。培养510名在国际农业生态学界有竞争力的中青年科学家，造就一支在我国能引领高强度利用农田生态系统研究的高水平研究骨干群体。建立5个野外研究基地，巩固和强化国家野外研究平台。大幅度提升我国农田生态系统研究能力。三、研究方案（一）总体学术思路本项目的总体学术思路是：以中国科学院和中国农科院台站网络为基础，建设时空坐标（以长期试验的时
