【正文】 對策研究 高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性機(jī)制與不同尺度的調(diào)控對策 以上述生態(tài)過程研究結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合自然環(huán)境、土壤質(zhì)量、景觀格局、遙感資料、 GIS 信息和長期試驗(yàn)聯(lián)網(wǎng)，對以定點(diǎn)研究基地為中心的典型地區(qū)和水熱兩個(gè)梯度帶高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)制、調(diào)控理論與對策進(jìn)行研究，為區(qū)域和國家尺度的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理提供重要的理論依據(jù)和調(diào)控對策。主要研究內(nèi)容包括： （ 1）高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)制； （ 2） 典型地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、資源利用效率和環(huán)境質(zhì)量協(xié)同提高的調(diào)控途徑與驗(yàn)證； （ 3）水熱梯度帶農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程的演變規(guī)律與區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定性保持的調(diào)控對策。 二、預(yù)期目標(biāo) （一） 總體目標(biāo) （ 1）本項(xiàng)目以提高我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)能力為目標(biāo)，通過對我國主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要過程進(jìn)行定點(diǎn)長時(shí)間序列和聯(lián)網(wǎng)研究， 闡明影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 、資源利用率 、 環(huán)境質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵生態(tài)過程及相互作用機(jī)制。打破高產(chǎn)必須以降低資源利用率和犧牲環(huán)境為代價(jià)的觀點(diǎn)，發(fā)展高產(chǎn)、資源高效、環(huán)境友好的多目標(biāo)協(xié)調(diào)發(fā)展的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控理論，提出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的調(diào)控對策，為國家糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全建設(shè)提供新的理論體系，為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論研究做出重 要貢獻(xiàn)。 （ 2）鞏固和強(qiáng)化國家主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外研究平臺，大幅度提升我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究能力和水平。凝聚和 造就一支多學(xué)科、跨部門、高水平的農(nóng)田生態(tài)學(xué)戰(zhàn)略研究隊(duì)伍 ，引領(lǐng)國際高強(qiáng)度利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究。 （二）五年 預(yù)期 目標(biāo) （ 1）重點(diǎn)闡明水 碳氮磷鉀 循環(huán)過程、相互作用機(jī)制及影響因子，并在碳氮耦合循環(huán)和轉(zhuǎn)化機(jī)制、磷鉀有效性機(jī)制研究方面獲得突破，為高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)資源利用效率的提高、環(huán)境質(zhì)量的改善提供新的理論依據(jù)。 （ 2）闡明主要農(nóng)區(qū)不同管理模式下的土壤生物群落特征與演變規(guī)律，揭示土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物學(xué)機(jī)制及關(guān) 鍵生物群落，作物－土壤相互作用過程 ，土 壤生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定性機(jī)制，為高強(qiáng)度利用的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤生產(chǎn)力持續(xù)提高提供理論指導(dǎo)。 （ 3）揭示作物產(chǎn)量形成的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制，構(gòu)建主要作物高產(chǎn)的群體結(jié)構(gòu)，建立作物生長與水分養(yǎng)分循環(huán)的耦合模型，優(yōu)化作物高產(chǎn)、資源高效的管理方案，并在主要農(nóng)區(qū)得到驗(yàn)證。 （ 4）闡述我國東北、黃淮海、黃土高原、長江中下游等農(nóng)區(qū)主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 生產(chǎn)力、資源利用效率和環(huán)境質(zhì)量協(xié)同提高的調(diào)控途徑，并建立示范區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。 （ 5）闡明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程在南北熱量梯度帶和東西水分梯度帶上的演變規(guī)律， 解析 影響我國不同地帶主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵生態(tài)過程和主要控制因子，在宏觀尺度上提出保持我國主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的調(diào)控對策。 （ 6）五年內(nèi)，發(fā)表 SCI 收錄論文 120 篇以上，并爭取在有重要影響的國際學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表高水平論文 15 篇。出版專著 3 部以上。培養(yǎng) 5－ 10 名在國際農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)界有競爭力的中青年科學(xué)家，造就一支在我國能引領(lǐng)高強(qiáng)度利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究的高水平研究骨干群體。建立 5 個(gè)野外研究基地，鞏固和強(qiáng)化國家野外研究平臺。大幅度提升我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究能力。 三、研究方案 （一） 總體 學(xué)術(shù) 思路 本項(xiàng) 目的總體學(xué)術(shù)思路是：以中國科學(xué)院和中國農(nóng)科院臺站網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建設(shè)時(shí)空坐標(biāo)（以長期試驗(yàn)的時(shí)間序列為時(shí)間坐標(biāo)，以東西水分梯度帶和南北熱量梯度帶為空間坐標(biāo)），研究水分、重要生命元素循環(huán)過程、重要污染物轉(zhuǎn)化積累過程、關(guān)鍵土壤生態(tài)學(xué)過程以及主要作物產(chǎn)量形成過程，及其它們之間的相互作用機(jī)制和對生產(chǎn)力、資源利用率和環(huán)境效應(yīng)影響，并在時(shí)間坐標(biāo)上探索長期變化規(guī)律及影響因子，在空間坐標(biāo)上探索水熱梯度帶上的演變規(guī)律及控制因子，在不同時(shí)間和空間尺度上揭示作物高產(chǎn)、資源高效和環(huán)境友好的調(diào)控機(jī)理，提出保持我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)能力持續(xù)提高的調(diào)控對策（如下圖）。 圖 1 總體學(xué)術(shù)思路 （二）技術(shù)途徑 研究區(qū)域、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)類型、定點(diǎn)系統(tǒng)研究基地和典型研究地區(qū)的選擇 為了使研究在解決國家需求上具有重要作用，本研究擬選擇黃土高原農(nóng)區(qū)（生態(tài)脆弱區(qū)）、東北農(nóng)區(qū)（糧食生產(chǎn)基地）、黃淮海農(nóng)區(qū)（糧食生產(chǎn)基地）及長江中下游農(nóng)區(qū)（水稻主產(chǎn)區(qū)）為研究區(qū)域，前 2 個(gè)農(nóng)區(qū)主要為旱地農(nóng)業(yè)，后 2 個(gè)農(nóng)區(qū)主要為灌溉農(nóng)業(yè)。長江中下游農(nóng)區(qū)擬選擇以水稻種植為基礎(chǔ)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其它農(nóng)區(qū)擬選擇以小麥、玉米種植為基礎(chǔ)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主要研究對象。 以中國科學(xué)院和中國農(nóng)科院 的農(nóng)業(yè)臺站網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，分別在每個(gè)農(nóng)區(qū)選擇 1 個(gè)有區(qū)域代表性的國家或院級試驗(yàn)站為定點(diǎn)系統(tǒng)研究基地，其所在的縣市為典型研究地區(qū)，而長江中下游農(nóng)區(qū)選擇 2 個(gè)（ 1 個(gè)位于下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)， 1 個(gè)位于中游水稻主產(chǎn)區(qū)）研究基地。這 5 個(gè)定點(diǎn)系統(tǒng)研究基地（或典型研究地區(qū)）的 3 個(gè)分布于我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，自北向南從 1 季作物到 2 季到 2－ 3 季作物，而另外的 2 個(gè)分布在環(huán)境問題較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)和自然條件差的生態(tài)脆弱區(qū)。通過在上述 5 個(gè)定點(diǎn)基地和典型地區(qū)的研究，對鞏固和提高糧食生產(chǎn)基地的生產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)脆弱區(qū)的農(nóng)業(yè)，改善經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的農(nóng)田環(huán)境都具有重 要的指導(dǎo)作用。 長期試驗(yàn)、長期觀測、研究結(jié)果、歷史資料和樣品的繼承、挖掘與聯(lián)網(wǎng) 中國科學(xué)院和中國農(nóng)科院臺站網(wǎng)絡(luò)在上世紀(jì) 80年代就在分布于全國 8個(gè)農(nóng)區(qū)的試驗(yàn)站上，按統(tǒng)一要求陸續(xù)布置了一批不同管理模式下養(yǎng)分、有機(jī)肥長期試驗(yàn)，并對相關(guān)的環(huán)境條件如氣象、水文等進(jìn)行了監(jiān)測。 90 年代末中國科學(xué)院又在臺站網(wǎng)絡(luò)上按統(tǒng)一規(guī)范和指標(biāo)體系，對不同地區(qū)的主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、作物生長、土壤水體污染物及氣象進(jìn)行長期觀測。這些長期試驗(yàn)、長期觀測，研究結(jié)果、歷史資料和樣品為本研究揭示生態(tài)過程在不同時(shí)間尺度上的演變規(guī)律 及其對生產(chǎn)力和環(huán)境的影響提供了非常關(guān)鍵性的試驗(yàn)平臺和基礎(chǔ)工作。也為聯(lián)網(wǎng)對比研究大尺度生態(tài)過程與調(diào)控，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果提供了基礎(chǔ)。 研究的總體技術(shù)途徑 以長期試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在中國科學(xué)院海倫試驗(yàn)站（黑龍江）、封丘試驗(yàn)站（河南）、長武試驗(yàn)站（陜西）、常熟試驗(yàn)站（江蘇）和中國農(nóng)科院祁陽試驗(yàn)站（湖南）建立 5個(gè)野外研究基地，并布置相關(guān)的補(bǔ)充試驗(yàn)，以長時(shí)間序列系統(tǒng)研究 5 個(gè)典型地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 5 個(gè)重要過程及其調(diào)控理論。而另一方面，通過常熟、封丘和長武研究基礎(chǔ)連線并向新疆延伸，構(gòu)成水分梯度帶，通過海倫、封丘和祁陽的連線，構(gòu)成熱 量梯度帶，將分布梯度帶的長期試驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，研究水熱梯度帶上的關(guān)鍵生態(tài)過程的演變規(guī)律及主控因子，發(fā)展不同尺度上的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展調(diào)控理論與對策，并在 5 個(gè)研究基地構(gòu)建優(yōu)化示范模式，進(jìn)行驗(yàn)證（圖 2 總體研究技術(shù)途徑）。 圖 2 研究的總體技術(shù)途徑 研究的總體技術(shù)方案 重要生命元素（ C、 N、 P、 K）循環(huán)、水循環(huán)和污染物轉(zhuǎn)化傳遞的機(jī)理過程的研究。利用實(shí)驗(yàn)室和上述 5 個(gè)野外研究基地的研究平臺，對尚未清楚的機(jī)理部分進(jìn)行控制條件下的研究。利用水分、養(yǎng)分長期試驗(yàn)平臺，綜合研究在不同地區(qū)不同管理模式下，水和生命元素 （ C、 N、 P、 K）在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)過程、機(jī)制和長期變化規(guī)律及控制因子，污染物（重金屬、農(nóng)藥）在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化、積累過程及控制因子。對長期試驗(yàn)設(shè)計(jì)不足的進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)研究。保證在田塊尺度上獲得系統(tǒng)的資料，同時(shí)結(jié)合歷史資料和樣品的分析，將研究的時(shí)間序列拉長，研究長期變化趨勢、各個(gè)因素協(xié)同作用以及機(jī)理過程模型。 生產(chǎn)力形成過程、關(guān)鍵土壤生態(tài)過程和資源環(huán)境效應(yīng)研究。 以上述同樣的方法，定點(diǎn)研究生產(chǎn)力形成過程、土壤生態(tài)過程（遺傳信息、養(yǎng)分庫、 C 庫、污染物累積等）、資源環(huán)境效應(yīng)，及與物質(zhì)、水分循環(huán)過程的耦合 互為作用機(jī)制及其影響因子，以及土壤生態(tài)過程演變對生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，并建立它們之間的關(guān)系。 高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)制與不同尺度的調(diào)控對策研究。 （ 1） 典型地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、資源利用效率和環(huán)境質(zhì)量協(xié)同提高的調(diào)控途徑。 通過上述兩個(gè)層次的研究，在系統(tǒng)掌握田間尺度重要農(nóng)田生態(tài)過程變化規(guī)律及其對生產(chǎn)力、環(huán)境效應(yīng)、資源利用率和土壤質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，分別對以定點(diǎn)研究基地為中心的（長江下游、長江中游、黃淮海、東北、黃土高原農(nóng)區(qū)）典型地區(qū)自然條件、土壤質(zhì)量、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、景觀對生態(tài)過程的影響、遙感和 GIS 信息進(jìn)行分析，研究和解析典型地區(qū)影響生產(chǎn)力、資源環(huán)境效應(yīng)、土壤質(zhì)量的主要生態(tài)過程以及地區(qū)特殊過程（鹽堿化、酸化等），并根據(jù)“模型－ GIS”進(jìn)行優(yōu)化，提出調(diào)控對策，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。 （ 2）水熱梯度帶農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程的演變規(guī)律與區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定性保持的調(diào)控對策。 沿東西水分梯度帶和南北熱量梯度帶進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。在聯(lián)網(wǎng)的長期試驗(yàn)地布置研究需要測定的項(xiàng)目和試驗(yàn)，并共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析水熱梯度帶農(nóng)田生態(tài)系