973项目－我国农田生态系统重要过程与调控对策研究

973项目－我国农田生态系统重要过程与调控对策研究内容摘要：

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 2020 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。 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。 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。 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 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。 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。 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，为本项目的顺利实施打下了良好的基础。 （五）课题设置 课题设置 本项目设置以下 8 个研究课题： 第一层次：物质循环或转化传递过程研究 课题 1 碳氮循 环过程、协同转化机制 与影响因素 课题 2 磷钾循环过程、有效性机制及其影响因素 课题 3 水循环与作物－水分耦合作用机制及水分高效利用 课题 4 主要污染物的转化、传递和积累过程及作物产地环境安全 第二层次：物质循环或转化与土壤生态过程、生产力形成过程的相互作用机理研究 课题 5 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 课题 6 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 第三层次：不同尺度调控理论与对策研究 课题 7 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 课题 8 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 课题 碳氮循环过程、协同转化机制 与影响因素 研究内容： 利用室内试验、田间试验和长期试验，并通过联网，研究（ 1） C、 N 在土 水 植物 大气系统中的循环过程、界面交换机制及影响因素；（ 2） C、 N 元素循环的协调机制及对产量的影响；（ 3）不同管理模式下土壤 C、 N 含量、形态、有效性变化及其对农田土壤质量和生态环境的影响；（ 4）水热环境因素驱动下农田 C、 N 循环的空间分异特征和主控因子；（ 5）区域尺度下，土壤 C、 N、 S 库演变规律的定量评估理论和方法；（ 6）典型农 田生态系统 C、 N 优化管理模式与调控原理。 研究目标： 系统阐明我国主要农田生态系统中，不同耕作、施肥、轮作等管理模式下C、 N 元素的循环过程、机理、相互作用，及其对生产力和环境的影响机制，提出水热梯度驱动下 C、 N、 S 元素循环的地带性规律及主控因子，为评估和调控不同农区农田生态系统 C、 N、 S 库潜力及建立管理模式提供理论、方法和途径。 承担单位： 中国科学院南京土壤研究所 中国科学院东北地理与农业生态 研究 所。