【正文】 保持系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵土壤生態(tài)學(xué)過(guò)程與主要控制因子 研究?jī)?nèi)容： 基于長(zhǎng)期試驗(yàn)研究： （ 1） 不同 農(nóng)田生態(tài)模式下土壤動(dòng)物（如線(xiàn) 蟲(chóng)、小節(jié)肢動(dòng)物） 種類(lèi)、數(shù)量、分布特征、生態(tài)功能及特點(diǎn)， 細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌的群落特征及 演變規(guī)律； （ 2）土壤養(yǎng)分 物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物學(xué)過(guò)程及關(guān)鍵微生物；（ 3）對(duì)不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重要微生物種 、尤其是已知其生態(tài)功能的種群進(jìn)行培養(yǎng)，或直接進(jìn)行 宏基因組克隆，或通過(guò)凝膠電泳（如 TGGE/DGGE）分析后克隆不同譜帶，建立不同條件下的克隆文庫(kù)并探討不同條件下遺傳信息演變的特征；（ 4）土壤－作物相互作用的過(guò)程與機(jī)制； （ 5）保持系統(tǒng)生產(chǎn)力持續(xù)穩(wěn)定的生物學(xué)機(jī)制與重要控制因子。典型 農(nóng)田 生態(tài)系統(tǒng)中主要污染物的作 物根際鈍化、降解過(guò)程和機(jī)理；典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要污染物削減的農(nóng)藝措施；典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤 作物 微生物聯(lián)合體削減主要污染物的新原理和新方法。 主要研究我國(guó)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要污染物（ 重金屬和農(nóng)藥類(lèi)） 的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)因子；典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要污染源及其區(qū)域特征；典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要污染物的污染途徑、污染強(qiáng)度及其時(shí)序變化。 研究目標(biāo)： 揭示主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷、鉀長(zhǎng)期積累或虧缺規(guī)律，土壤難溶性磷、鉀的活化機(jī)理和途徑；闡明不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷、鉀素的遷移機(jī)制、影響因素和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；提出不同區(qū)域農(nóng)田土壤中磷、鉀余缺的閾值和診斷技術(shù)；建立基于磷、鉀肥高效利用的多養(yǎng)分耦合定量關(guān)系模型和精準(zhǔn)管理模式，為提高生產(chǎn)力和保障環(huán)境安全提供理論依據(jù)。現(xiàn)申請(qǐng)項(xiàng)目被推薦的首席科學(xué)家長(zhǎng)期負(fù)責(zé)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)組的研究工作，主持過(guò)國(guó)家“ 863”課題、“ 973”課題、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目，具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)組織管理重大項(xiàng)目的能力，為本項(xiàng)目的順利實(shí)施打下了良好的基礎(chǔ)。我國(guó)的許多地方農(nóng)業(yè)部門(mén)也建立了土壤肥力和肥料效益監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。鑒于中國(guó)科學(xué)院臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)農(nóng)科院長(zhǎng)期肥料監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期觀測(cè)和試驗(yàn)已經(jīng)超過(guò) 15 年以上，通過(guò)實(shí)施這樣的技術(shù)路 線(xiàn)，已有獲得重大突破的可能。 （ 5）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高產(chǎn)、資源高效、環(huán)境質(zhì)量改善的多目標(biāo)調(diào)控理論。 創(chuàng)新點(diǎn) （ 1） 碳氮 循環(huán)過(guò)程中的相互作用與耦合轉(zhuǎn)化機(jī)制。為利用分散的、有限的單點(diǎn)過(guò)程研究成果，分析區(qū)域上的問(wèn)題提供一個(gè)定量方法。 在研究方法上的創(chuàng)新與特色 （ 1）基于長(zhǎng)期試驗(yàn)的生態(tài)過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間序列系統(tǒng)研究。 本項(xiàng)目將依托中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)農(nóng)科院臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)野外設(shè)施和在上世紀(jì) 80 年代在全國(guó)主要農(nóng)區(qū)布置的不同管理模式下的水分、養(yǎng)分長(zhǎng)期試驗(yàn)，對(duì)典型地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重要生態(tài)過(guò)程進(jìn)行延伸時(shí)間序列的系統(tǒng)研究，并通過(guò)在水熱梯度兩個(gè)方向的聯(lián)網(wǎng)研究，探索重要生態(tài)過(guò)程在不同時(shí)空尺度上的演變規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于農(nóng)田生態(tài)過(guò)程的研究由于野外研究平臺(tái)條件沒(méi)有跟上，多以單點(diǎn)和短期研究為主，難以揭示區(qū)域尺度生態(tài)過(guò)程和長(zhǎng)期生態(tài)過(guò)程，導(dǎo)致研究結(jié)果有很大的局限性和不確定性，以至于在國(guó)家決策方面難以發(fā)揮作用。在國(guó)家尺度上提出農(nóng)田 生態(tài)系統(tǒng)宏觀調(diào)控對(duì)策。 通過(guò)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(guò)程變化規(guī)律及其對(duì)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(duì)以定點(diǎn)研究基地為中心的（長(zhǎng)江下游、長(zhǎng)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(duì)生態(tài)過(guò)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(guò)程以及地區(qū)特殊過(guò)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(duì)策，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。 生產(chǎn)力形成過(guò)程、關(guān)鍵土壤生態(tài)過(guò)程和資源環(huán)境效應(yīng)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(tái)，對(duì)尚未清楚的機(jī)理部分進(jìn)行控制條件下的研究。也為聯(lián)網(wǎng)對(duì)比研究大尺度生態(tài)過(guò)程與調(diào)控，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果提供了基礎(chǔ)。通過(guò)在上述 5 個(gè)定點(diǎn)基地和典型地區(qū)的研究，對(duì)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。 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(lèi)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(guó)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(zhǎng)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)。培養(yǎng) 5－ 10 名在國(guó)際農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)界有競(jìng)爭(zhēng)力的中青年科學(xué)家，造就一支在我國(guó)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。 （ 4）闡述我國(guó)東北、黃淮海、黃土高原、長(zhǎng)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。凝聚和 造就一支多學(xué)科、跨部門(mén)、高水平的農(nóng)田生態(tài)學(xué)戰(zhàn)略研究隊(duì)伍 ，引領(lǐng)國(guó)際高強(qiáng)度利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究。主要研究?jī)?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(guò)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(duì)策。 通過(guò) 對(duì)不同冠層 形成的生產(chǎn)力差異分析，塑造 作物高產(chǎn)的群體結(jié)構(gòu) ，提高整體光合效能、增加有效積累、改善物質(zhì)分配。主要研究?jī)?nèi)容包括： （ 1）不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中 主要污染物 的時(shí)空演變和分異規(guī)律，及 污染來(lái)源和途徑； （ 2）主要污染物在不同土壤－植物 農(nóng)田生態(tài) 系統(tǒng)中的 轉(zhuǎn)化、傳遞和積累過(guò)程、主要影響因子； （ 3）農(nóng)田主要污染物行為過(guò)程的區(qū)域性差異及 作物產(chǎn)地環(huán)境安全與削減對(duì)策措施 。 水循環(huán)與作物－水分耦合作用機(jī)制及水分高效利用 建立系統(tǒng)界面水分交換通量監(jiān)測(cè)和計(jì)算新方法，定點(diǎn)研究不同水分管理模式下的田塊和小流域尺度的水分小循環(huán)過(guò)程和水分大循環(huán)過(guò)程及其對(duì)人為調(diào)控的響應(yīng)，探索農(nóng)田節(jié)水潛力空間和調(diào)控途徑，并通過(guò)研究水分生物傳輸和作物生長(zhǎng)耦合機(jī)制，揭示生理節(jié)水機(jī)制。創(chuàng)立農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控理論與方 法，提出包括對(duì)養(yǎng)分投入、水分管理、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的調(diào)控對(duì)策，為國(guó)家決策和實(shí)際調(diào)控提供理論支撐。但不同尺度界面物質(zhì)交換通量的量化方法至今尚未很好建立，嚴(yán)重影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。過(guò)去的工作主要集中在養(yǎng)分水分，而從生態(tài)過(guò)程的角度研究較少，導(dǎo)致土壤生態(tài)過(guò)程在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的功能難以確定。建立物質(zhì)循環(huán)過(guò)程與作物生長(zhǎng)的耦合模型，優(yōu)化調(diào)控措施。已有的工作更多地集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分平衡和水量平衡。土壤庫(kù)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的最重要的生態(tài)庫(kù)，土壤庫(kù)功能的演變不僅是決定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而且也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變的寫(xiě)照，過(guò)去對(duì)土壤生態(tài)過(guò)程的研究明顯不足，本項(xiàng)目要解決的第二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是 土壤生態(tài)過(guò)程、長(zhǎng)期演變規(guī)律及與作物的相互作用機(jī)制。物質(zhì)循環(huán)過(guò)程是引起上述雙重效應(yīng)的最主要過(guò)程，本項(xiàng)目要解決的第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是物質(zhì)（重要生命元素、水）循環(huán)機(jī)理及與生物過(guò)程和環(huán)境過(guò)程的耦合互動(dòng) 機(jī)制。 物質(zhì)（重要生命元素和水）循環(huán)機(jī)理及與生物過(guò)程和環(huán)境過(guò)程的耦合互動(dòng)機(jī)制 物質(zhì)循環(huán)是維持和促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展的最主要過(guò)程。揭示物質(zhì)循環(huán)與生物過(guò)程既相互促進(jìn)又相互制約的關(guān)系，以闡述物質(zhì)循環(huán)對(duì)生產(chǎn)力和資源環(huán)境效應(yīng)的影響機(jī)制。土壤生態(tài)系統(tǒng)的演變是整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的演變反映。 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與外 部環(huán)境的物質(zhì)交換通量的量化方法 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)界面物質(zhì)交換， 既改變著系統(tǒng)功能，又不斷沖擊著水、氣環(huán)境。在認(rèn)識(shí)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合景觀、 GIS 和遙感信息分析，在典型地區(qū)、水熱梯度方向上，研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的生態(tài)結(jié)構(gòu)特征，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系及其量化表達(dá)方法；影響區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和大氣、水環(huán)境的主控因子、耦合作用機(jī)制；建立保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的“ 自然條件 /管理模式－重要生態(tài)過(guò)程－農(nóng)田生產(chǎn)力－資源環(huán)境效應(yīng)”之間的定量關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容 包括： （ 1） C、 N、 P、 K 的循環(huán)過(guò)程、界面交換機(jī)制及影響因素； （ 2）多種元素循環(huán)的相互作用機(jī)制及對(duì)產(chǎn)量和資源環(huán)境效應(yīng)的影響； （ 3） C、 N、 P、 K 的循環(huán)過(guò)程模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和定點(diǎn)研究，對(duì) 主要污染物的 轉(zhuǎn)化、 傳遞 、積累 過(guò)程，對(duì) 作物產(chǎn)地環(huán)境安全的影響及 污染物削減的新理論和新方法進(jìn)行研究 。 主要作物產(chǎn)量形成的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制與水肥供需協(xié)調(diào)原理 基于定點(diǎn)試驗(yàn)和觀測(cè)，研究 不同區(qū)域主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 物質(zhì)積累與運(yùn)轉(zhuǎn)分配機(jī)制 ，探明 主要作物產(chǎn)量形成的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制。 第三層次：不同尺度調(diào)控理論與對(duì)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(duì)策 以上述生態(tài)過(guò)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(zhǎng)期試驗(yàn)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)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(duì)策進(jìn)行研究，