【正文】 保持系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的關鍵土壤生態(tài)學過程與主要控制因子 研究內(nèi)容： 基于長期試驗研究： （ 1） 不同 農(nóng)田生態(tài)模式下土壤動物（如線 蟲、小節(jié)肢動物） 種類、數(shù)量、分布特征、生態(tài)功能及特點， 細菌、真菌、放線菌的群落特征及 演變規(guī)律； （ 2）土壤養(yǎng)分 物質轉化的關鍵生物學過程及關鍵微生物；（ 3）對不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重要微生物種 、尤其是已知其生態(tài)功能的種群進行培養(yǎng)，或直接進行 宏基因組克隆，或通過凝膠電泳（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－作物相互作用的過程與機制； （ 5）保持系統(tǒng)生產(chǎn)力持續(xù)穩(wěn)定的生物學機制與重要控制因子。典型 農(nóng)田 生態(tài)系統(tǒng)中主要污染物的作 物根際鈍化、降解過程和機理；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） 的長期動態(tài)變化及其驅動因子；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、污染強度及其時序變化。 研究目標： 揭示主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷、鉀長期積累或虧缺規(guī)律，土壤難溶性磷、鉀的活化機理和途徑；闡明不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷、鉀素的遷移機制、影響因素和生態(tài)環(huán)境效應；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；建立基于磷、鉀肥高效利用的多養(yǎng)分耦合定量關系模型和精準管理模式，為提高生產(chǎn)力和保障環(huán)境安全提供理論依據(jù)?，F(xiàn)申請項目被推薦的首席科學家長期負責中國生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡農(nóng)業(yè)組的研究工作，主持過國家“ 863”課題、“ 973”課題、中國科學院知識創(chuàng)新項目，具有較強的協(xié)調(diào)組織管理重大項目的能力，為本項目的順利實施打下了良好的基礎。我國的許多地方農(nóng)業(yè)部門也建立了土壤肥力和肥料效益監(jiān)測試驗。鑒于中國科學院臺站網(wǎng)絡和中國農(nóng)科院長期肥料監(jiān)測網(wǎng)絡的長期觀測和試驗已經(jīng)超過 15 年以上，通過實施這樣的技術路 線，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)境質量改善的多目標調(diào)控理論。 創(chuàng)新點 （ 1） 碳氮 循環(huán)過程中的相互作用與耦合轉化機制。為利用分散的、有限的單點過程研究成果，分析區(qū)域上的問題提供一個定量方法。 在研究方法上的創(chuàng)新與特色 （ 1）基于長期試驗的生態(tài)過程長時間序列系統(tǒng)研究。 本項目將依托中國科學院和中國農(nóng)科院臺站網(wǎng)絡野外設施和在上世紀 80 年代在全國主要農(nóng)區(qū)布置的不同管理模式下的水分、養(yǎng)分長期試驗，對典型地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重要生態(tài)過程進行延伸時間序列的系統(tǒng)研究，并通過在水熱梯度兩個方向的聯(lián)網(wǎng)研究，探索重要生態(tài)過程在不同時空尺度上的演變規(guī)律。目前國內(nèi)外已有的關于農(nóng)田生態(tài)過程的研究由于野外研究平臺條件沒有跟上，多以單點和短期研究為主，難以揭示區(qū)域尺度生態(tài)過程和長期生態(tài)過程，導致研究結果有很大的局限性和不確定性，以至于在國家決策方面難以發(fā)揮作用。在國家尺度上提出農(nóng)田 生態(tài)系統(tǒng)宏觀調(diào)控對策。 通過上述兩個層次的研究，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、資源利用率和土壤質量影響的基礎上，分別對以定點研究基地為中心的（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、土壤質量的主要生態(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”進行優(yōu)化，提出調(diào)控對策，進行田間試驗驗證。 生產(chǎn)力形成過程、關鍵土壤生態(tài)過程和資源環(huán)境效應研究。利用實驗室和上述 5 個野外研究基地的研究平臺，對尚未清楚的機理部分進行控制條件下的研究。也為聯(lián)網(wǎng)對比研究大尺度生態(tài)過程與調(diào)控，驗證試驗結果提供了基礎。通過在上述 5 個定點基地和典型地區(qū)的研究，對鞏固和提高糧食生產(chǎn)基地的生產(chǎn)，保護生態(tài)脆弱區(qū)的農(nóng)業(yè)，改善經(jīng)濟發(fā)達區(qū)的農(nóng)田環(huán)境都具有重 要的指導作用。 圖 1 總體學術思路 （二）技術途徑 研究區(qū)域、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)類型、定點系統(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 個農(nóng)區(qū)主要為旱地農(nóng)業(yè)，后 2 個農(nóng)區(qū)主要為灌溉農(nóng)業(yè)。培養(yǎng) 5－ 10 名在國際農(nóng)業(yè)生態(tài)學界有競爭力的中青年科學家，造就一支在我國能引領高強度利用農(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)境質量協(xié)同提高的調(diào)控途徑，并建立示范區(qū)進行驗證。凝聚和 造就一支多學科、跨部門、高水平的農(nóng)田生態(tài)學戰(zhàn)略研究隊伍 ，引領國際高強度利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究。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)境質量協(xié)同提高的調(diào)控途徑與驗證； （ 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。 通過 對不同冠層 形成的生產(chǎn)力差異分析，塑造 作物高產(chǎn)的群體結構 ，提高整體光合效能、增加有效積累、改善物質分配。主要研究內(nèi)容包括： （ 1）不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中 主要污染物 的時空演變和分異規(guī)律，及 污染來源和途徑； （ 2）主要污染物在不同土壤－植物 農(nóng)田生態(tài) 系統(tǒng)中的 轉化、傳遞和積累過程、主要影響因子； （ 3）農(nóng)田主要污染物行為過程的區(qū)域性差異及 作物產(chǎn)地環(huán)境安全與削減對策措施 。 水循環(huán)與作物－水分耦合作用機制及水分高效利用 建立系統(tǒng)界面水分交換通量監(jiān)測和計算新方法，定點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)過程和水分大循環(huán)過程及其對人為調(diào)控的響應，探索農(nóng)田節(jié)水潛力空間和調(diào)控途徑，并通過研究水分生物傳輸和作物生長耦合機制，揭示生理節(jié)水機制。創(chuàng)立農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控理論與方 法，提出包括對養(yǎng)分投入、水分管理、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結構等的調(diào)控對策，為國家決策和實際調(diào)控提供理論支撐。但不同尺度界面物質交換通量的量化方法至今尚未很好建立，嚴重影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應研究。過去的工作主要集中在養(yǎng)分水分，而從生態(tài)過程的角度研究較少，導致土壤生態(tài)過程在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的功能難以確定。建立物質循環(huán)過程與作物生長的耦合模型，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。土壤庫是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的最重要的生態(tài)庫，土壤庫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)展的關鍵因素，而且也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變的寫照，過去對土壤生態(tài)過程的研究明顯不足，本項目要解決的第二個關鍵科學問題是 土壤生態(tài)過程、長期演變規(guī)律及與作物的相互作用機制。物質循環(huán)過程是引起上述雙重效應的最主要過程，本項目要解決的第一個關鍵科學問題是物質（重要生命元素、水）循環(huán)機理及與生物過程和環(huán)境過程的耦合互動 機制。 物質（重要生命元素和水）循環(huán)機理及與生物過程和環(huán)境過程的耦合互動機制 物質循環(huán)是維持和促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)運行發(fā)展的最主要過程。揭示物質循環(huán)與生物過程既相互促進又相互制約的關系，以闡述物質循環(huán)對生產(chǎn)力和資源環(huán)境效應的影響機制。土壤生態(tài)系統(tǒng)的演變是整個農(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)境的物質交換通量的量化方法 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)界面物質交換， 既改變著系統(tǒng)功能，又不斷沖擊著水、氣環(huán)境。在認識農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)過程的基礎上，結合景觀、 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)結構特征，穩(wěn)定性評價的指標體系及其量化表達方法；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)過程－農(nóng)田生產(chǎn)力－資源環(huán)境效應”之間的定量關系。主要研究內(nèi)容 包括： （ 1） C、 N、 P、 K 的循環(huán)過程、界面交換機制及影響因素； （ 2）多種元素循環(huán)的相互作用機制及對產(chǎn)量和資源環(huán)境效應的影響； （ 3） C、 N、 P、 K 的循環(huán)過程模型。通過實驗室和定點研究，對 主要污染物的 轉化、 傳遞 、積累 過程，對 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行研究 。 主要作物產(chǎn)量形成的生理生態(tài)學機制與水肥供需協(xié)調(diào)原理 基于定點試驗和觀測，研究 不同區(qū)域主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 物質積累與運轉分配機制 ，探明 主要作物產(chǎn)量形成的生理生態(tài)學機制。 第三層次：不同尺度調(diào)控理論與對策研究 高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性機制與不同尺度的調(diào)控對策 以上述生態(tài)過程研究結果為基礎，結合自然環(huán)境、土壤質量、景觀格局、遙感資料、 GIS 信息和長期試驗聯(lián)網(wǎng)，對以定點研究基地為中心的典型地區(qū)和水熱兩個梯度帶高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性機制、調(diào)控理論與對策進行研究，