我国农田生态系统重要过程与调控对策研究Word文件下载.docx

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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、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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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5－10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（以长期试验的时间序列为时间坐标，以东西水分梯度带和南北热量梯度带为空间坐标），研究水分、重要生命元素循环过程、重要污染物转化积累过程、关键土壤生态学过程以及主要作物产量形成过程，及其它们之间的相互作用机制和对生产力、资源利用率和环境效应影响，并在时间坐标上探索长期变化规律及影响因子，在空间坐标上探索水热梯度带上的演变规律及控制因子，在不同时间和空间尺度上揭示作物高产、资源高效和环境友好的调控机理，提出保持我国农田生态系统粮食生产能力持续提高的调控对策（如下图）。

图1总体学术思路

（二）技术途径

1、研究区域、农田生态系统类型、定点系统研究基地和典型研究地区的选择

为了使研究在解决国家需求上具有重要作用，本研究拟选择黄土高原农区（生态脆弱区）、东北农区（粮食生产基地）、黄淮海农区（粮食生产基地）及长江中下游农区（水稻主产区）为研究区域，前2个农区主要为旱地农业，后2个农区主要为灌溉农业。

长江中下游农区拟选择以水稻种植为基础的农田生态系统，其它农区拟选择以小麦、玉米种植为基础的农田生态系统为主要研究对象。

以中国科学院和中国农科院的农业台站网络为基础，分别在每个农区选择1个有区域代表性的国家或院级试验站为定点系统研究基地，其所在的县市为典型研究地区，而长江中下游农区选择2个（1个位于下游经济发达区，1个位于中游水稻主产区）研究基地。

这5个定点系统研究基地（或典型研究地区）的3个分布于我国的粮食主产区，自北向南从1季作物到2季到2－3季作物，而另外的2个分布在环境问题较严重的经济发达区和自然条件差的生态脆弱区。

通过在上述5个定点基地和典型地区的研究，对巩固和提高粮食生产基地的生产，保护生态脆弱区的农业，改善经济发达区的农田环境都具有重要的指导作用。

2、长期试验、长期观测、研究结果、历史资料和样品的继承、挖掘与联网

中国科学院和中国农科院台站网络在上世纪80年代就在分布于全国8个农区的试验站上，按统一要求陆续布置了一批不同管理模式下养分、有机肥长期试验，并对相关的环境条件如气象、水文等进行了监测。

90年代末中国科学院又在台站网络上按统一规范和指标体系，对不同地区的主要农田生态系统的水分、养分、有机质、作物生长、土壤水体污染物及气象进行长期观测。

这些长期试验、长期观测，研究结果、历史资料和样品为本研究揭示生态过程在不同时间尺度上的演变规律及其对生产力和环境的影响提供了非常关键性的试验平台和基础工作。

也为联网对比研究大尺度生态过程与调控，验证试验结果提供了基础。

3、研究的总体技术途径

以长期试验为基础，在中国科学院海伦试验站（黑龙江）、封丘试验站（河南）、长武试验站（陕西）、常熟试验站（江苏）和中国农科院祁阳试验站（湖南）建立5个野外研究基地，并布置相关的补充试验，以长时间序列系统研究5个典型地区农田生态系统5个重要过程及其调控理论。

而另一方面，通过常熟、封丘和长武研究基础连线并向新疆延伸，构成水分梯度带，通过海伦、封丘和祁阳的连线，构成热量梯度带，将分布梯度带的长期试验进行联网，研究水热梯度带上的关键生态过程的演变规律及主控因子，发展不同尺度上的农田生态系统持续发展调控理论与对策，并在5个研究基地构建优化示范模式，进行验证（图2总体研究技术途径）。

图2研究的总体技术途径

4、研究的总体技术方案

重要生命元素（C、N、P、K）循环、水循环和污染物转化传递的机理过程的研究。

利用实验室和上述5个野外研究基地的研究平台，对尚未清楚的机理部分进行控制条件下的研究。

利用水分、养分长期试验平台，综合研究在不同地区不同管理模式下，水和生命元素（C、N、P、K）在农田生态系统中的循环过程、机制和长期变化规律及控制因子，污染物（重金属、农药）在农田生态系统中迁移、转化、积累过程及控制因子。

对长期试验设计不足的进行补充试验研究。

保证在田块尺度上获得系统的资料，同时结合历史资料和样品的分析，将研究的时间序列拉长，研究长期变化趋势、各个因素协同作用以及机理过程模型。

生产力形成过程、关键土壤生态过程和资源环境效应研究。

以上述同样的方法，定点研究生产力形成过程、土壤生态过程（遗传信息、养分库、C库、污染物累积等）、资源环境效应，及与物质、水分循环过程的耦合互为作用机制及其影响因子，以及土壤生态过程演变对生产力和生态系统功能的影响，并建立它们之间的关系。

高产农田生态系统的稳定性机制与不同尺度的调控对策研究。

（1）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。

通过上述两个层次的研究，在系统掌握田间尺度重要农田生态过程变化规律及其对生产力、环境效应、资源利用率和土壤质量影响的基础上，分别对以定点研究基地为中心的（长江下游、长江中游、黄淮海、东北、黄土高原农区）典型地区自然条件、土壤质量、农田生态系统稳定性、景观对生态过程的影响、遥感和GIS信息进行分析，研究和解析典型地区影响生产力、资源环境效应、土壤质量的主要生态过程以及地区特殊过程（盐碱化、酸化等），并根据“模型－GIS”进行优化，提出调控对策，进行田间试验验证。

（2）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。

沿东西水分梯度带和南北热量梯度带进行联网。

在联网的长期试验地布置研究需要测定的项目和试验，并共享网络数据中心的长期监测数据，分析水热梯度带农田生态系统的稳定性、生产力调控潜力、资源环境效应的变化规律及其关键控制因子和生态过程。

在国家尺度上提出农田生态系统宏观调控对策。

（三）创新点与特色

生态过程研究是生态学的前沿和核心内容，依据生态过程对生态系统的演变进行预测、预警、调控，即过程模拟与优化调控，也是国际上发展最快的研究领域。

由于生态过程在不同时空尺度上存在差异，小尺度的生态过程不能代替大尺度的生态过程，短时间尺度的生态过程不能代替长期生态过程早已被学术界认识。

要揭示不同时空尺度上的生态过程变化规律，在空间上布点进行长期观测，研究其在空间上和时间上变化趋势，并进行模拟、预测将是国际上采用的最主要方法，如IGBP在全球布置长期观测网，研究全球的温室气体的排放过程，生物地球化学循环过程，水循环过程等。

目前国内外已有的关于农田生态过程的研究由于野外研究平台条件没有跟上，多以单点和短期研究为主，难以揭示区域尺度生态过程和长期生态过程，导致研究结果有很大的局限性和不确定性，以至于在国家决策方面难以发挥作用。

农田生态系统由于受人为干扰，是最不稳定的生态系统，从长期观测中发现生态过程的变化规律更加重要。

英国洛桑农业试验站和美国凯洛格试验站通过长期观测试验，发现了许多生态过程在时间序列上的变化规律，并在NATURE和SCIENCE杂志上发表，但由于没有其它类似的长期试验，难以在空间上扩展出去，研究生态过程在空间上的变化规律。

美国国家基金会在2002年已经启动国家生态系统监测网计划，在不同尺度上研究森林、农田、水体的初级生产力演变过程、生命元素循环过程、水循环过程、生物复杂性演变过程等等，但尚在起步阶段。

本项目将依托中国科学院和中国农科院台站网络野外设施和在上世纪80年代在全国主要农区布置的不同管理模式下的水分、养分长期试验，对典型地区农田生态系统中重要生态过程进行延伸时间序列的系统研究，并通过在水热梯度两个方向的联网研究，探索重要生态过程在不同时空尺度上的演变规律。

以此为基础，建立生态过程模拟和调控理论不仅对典型地区农田生态系统调控提供指导，而且对国家决定提供依据。

另一方面，中国农业集约化程度高，农田生态系统的人为干扰超过世界许多国家，研究高度集约化农田生态系统重要生态过程的变化规律和调控理论，对世界未来的农业健康发展能提供重要理论。

因此，本研究无论是与国内、还是与国外同类研究相比，具有明显的创新性、前瞻性和战略性。

1、在研究方法上的创新与特色

（1）基于长期试验的生态过程长时间序列系统研究。

依靠长期试验平台，利用历史资料和样品，并增加强化试验，能在田间尺度上对各个生态过程进行多时间尺度的系统研究。

（2）基于大尺度联网的水热梯度带农田生态系统过程演变规律研究。

将分布在水热梯度带上的系列采样测定、同位素标记试验和长期定位试验结合起来，通过联网对比研究大尺度的生态过程和控制因子及演变规律。

为利用分散的、有限的单点过程研究成果，分析区域上的问题提供一个定量方法。

2、在学术思路上的创新与特色

突出可调控的对农田生态系统影响大的重要生态过程研究，并以“生命元素循环、水循环、污染物转化传递的机理过程—生产力形成过程、土壤生态过程、资源环境效应—典型地区农田生态系统调控理论与对策—我国水热梯度带农田生态系统调控与对策”为主线展开，尺度转换贯穿于每一个层次之中。

强调对比研究，长期过程和区域演变规律研究。

克服了过去以块设置研究内容，最终难以在国家层次上提出对策的区域攻关模式的缺陷。

3、创新点

（1）碳氮循环过程中的相互作用与耦合转化机制。

（2）土壤物质转化的生物学机制、关键生物群落识别与系统稳定性保持与提高机理。

（3）作物生长与水分养分循环耦合模型。

（4）农田生态系统重要过程的空间演变规律及主控因子。

（5）农田生态系统高产、资源高效、环境质量改善的多目标调控理论。

（四）取得重大突破的可行性分析

1、研究的技术路线为突破提供了技术保障

本项目针对国家粮食安全需求以及我国农田生态系统的管理现状，提出了保障我国农田生态系统持续生产需要解决的4个关键科学问题，围绕这4个科学问题又提出了6项研究内容，并制定了目的在于获得农业生态学核心基础理论－生态过程研究，以及国家粮食安全建设重要理论－农田生态系统调控理论研究双重突破的技术路线，即以中国科学院台站网络和中国农科院长期肥料监测网络为基础，在我国粮食生产和生态环境建设具有关键性作用的4农区选择5个点，对重点生态过程进行长时间序列的定点系统研究，并通过尺度展开，研究典型地区的农田生态系统调控对策。

同时以定点研究基地为中心，在水热梯度带上与其它试验站进行联网对比研究，从多时空尺度揭示重要生态过程变化规律与驱动机制，以此为基础，研究我国大尺度上的农田生态系统的调控理论。

通过这样的技术路线获取重大研究成果，在国际生态学界早就认识到，但由于没有哪一个国家有这样的野外长期观测试验网络平台和包括的地带类型，而无法实施。

鉴于中国科学院台站网络和中国农科院长期肥料监测网络的长期观测和试验已经超过15年以上，通过实施这样的技术路线，已有获得重大突破的可能。

2、基础研究工作、重点实验室和野外网络研究平台为突破提供了资料和条件的保证

中国科学院自1988年建立中国生态系统研究网络（CERN），在我国主要生态类型区建立了包括农、林、草、湿地、荒漠等类型的生态站36个，其中农业生态站12个，主要分布在我国东北、黄淮海、黄土高原、甘新、长江中下游、西南6个农业区，对包括水、土、气候、生物等资源以及环境要素进行了长期的动态监测；

对各种现代农业管理模式下农田生态系统中的水分养分动态进行了长期监测，获得了大量的数据，储存了大量的样本。

“八五”期间，以网络为基础，实施了中国科学院重大研究计划，研究不同农业生态区的生产力、水循环、养分循环。

农业部中国农科院从1991年起，在我国的东北、甘新、黄土高原、黄淮海、长江中下游、华南和西南7个农区，建立了由9个监测基地组成的土壤肥力和肥料效益监测网，及相关数据和标本库。

我国的许多地方农业部门也建立了土壤肥力和肥料效益监测试验。

这些研究虽然没有做深层次的研究，但为本研究提供了很好的平台。

项目申请单位的“土壤与农业可持续发展”国家重点实验室，为室内微观研究能提供重要的基础研究条件。

3、研究队伍优势为突破提供了人才资源保障

本项目组织了中国科学院、农业部、教育部的优势单位，形成了一支多学科交叉、老（院士）中青（专家）结合、以优秀青年科学家为骨干的研究群体，为该项目取得重大突破提供了高水平的人才保证。

现申请项目被推荐的首席科学家长期负责中国生态系统网络农业组的研究工作，主持过国家“863”课题、“973”课题、中国科学院知识创新项目，具有较强的协调组织管理重大项目的能力，为