國家社會科學(xué)基金項目申請書-我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程與調(diào)控對策研究

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1、項目名稱：我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程與調(diào)控對策研究首席科學(xué)家：張佳寶中國科學(xué)院南京土壤研究所起止年限：2005.12至2010.11依托部門：中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)部一、研究內(nèi)容（一）擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題面對國家糧食、生態(tài)與環(huán)境安全的多重需求，促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)量形成，削弱對生態(tài)環(huán)境有影響的環(huán)境過程是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的主要目標(biāo)。物質(zhì)循環(huán)過程是引起上述雙重效應(yīng)的最主要過程，本項目要解決的第一個關(guān)鍵科學(xué)問題是物質(zhì)（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。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

2、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(guān)鍵科學(xué)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。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與外界環(huán)境產(chǎn)生的物質(zhì)交換過程是引起生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和響應(yīng)主要原因，但至今我們還尚未建立好交換通量的測定或估算方法，因而限制了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的定量研究（如向水體、大氣的排放清單等），本項目要解決的第三個關(guān)鍵科學(xué)問題是農(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。為了滿足國家需求－糧食安全、生態(tài)環(huán)境安全，依據(jù)科學(xué)原理，建立調(diào)控理

3、論，提出不同尺度上的調(diào)控對策，是本項目的最終目標(biāo)，因此本項目要解決的第四個關(guān)鍵科學(xué)問題是基于重要生態(tài)過程的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控原理。1、物質(zhì)（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(zhì)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。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。本項目將進一步研究物質(zhì)循環(huán)過程中的機理問題，主要包括物理機理、化學(xué)機理、生物機理等。重點研究物質(zhì)循環(huán)過程與生物過程耦合作用下的產(chǎn)量形成過程以及產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的環(huán)境過程，如溫室氣體的排放過程及主控因子。揭示物質(zhì)循環(huán)與生物

4、過程既相互促進又相互制約的關(guān)系，以闡述物質(zhì)循環(huán)對生產(chǎn)力和資源環(huán)境效應(yīng)的影響機制。建立物質(zhì)循環(huán)過程與作物生長的耦合模型，優(yōu)化調(diào)控措施。并通過聯(lián)網(wǎng)研究，在宏觀尺度上尋求這些過程的變化規(guī)律及主控因子。2、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土壤庫不僅為植物提供有效的水分養(yǎng)分物質(zhì)，而且本身也擁有豐富的生物，進行著多種地下生態(tài)過程，與植物一起共同維持著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的各種功能。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。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(dǎo)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。

5、本項目將對土壤生物群落、遺傳物質(zhì)的復(fù)雜性、區(qū)域的分異性、對物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的作用、與作物的關(guān)系等方面進行研究，并對由水、熱、人工調(diào)控驅(qū)動下的土壤生態(tài)系統(tǒng)的長期演替規(guī)律，以及由此引起的土壤養(yǎng)分庫、有機碳庫、環(huán)境質(zhì)量的長期演變過程及其對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的影響進行重點研究。為發(fā)展土壤生態(tài)學(xué)，明確地下與地上部分的生態(tài)學(xué)關(guān)系，建立有效的調(diào)控理論提供基礎(chǔ)內(nèi)容。3、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。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

6、態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。針對與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換密切相關(guān)的全球氣候變化、水體污染、大氣酸沉降、水資源消耗等重大問題，通過對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與水體、大氣界面的主要物質(zhì)（與大氣的界面主要包括C、N、S、水分；與水體界面主要包括N、P、重金屬、有機污染物、水分等）交換速率、通量及關(guān)鍵控制因子的研究，建立界面物質(zhì)交換通量的測定或估算方法，為定量評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供關(guān)鍵手段。4、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性機制及其調(diào)控原理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能是各種生態(tài)過程發(fā)展與相互作用的體現(xiàn)。在認識農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合景觀、GIS和遙感

7、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)定性評價的指標(biāo)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(yīng)”之間的定量關(guān)系。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(jié)構(gòu)等的調(diào)控對策，為國家決策和實際調(diào)控提供理論支撐。（二）研究內(nèi)容圍繞5個重要生態(tài)過程及4個關(guān)鍵科學(xué)問題，以承擔(dān)單位實驗室設(shè)施、中國科學(xué)院和中國農(nóng)科院的臺站網(wǎng)絡(luò)野外研究設(shè)施、長

8、期觀測、長期試驗、歷史樣品以及原有工作為基礎(chǔ)，對我國最重要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（水稻、小麥、玉米），通過定點、典型地區(qū)和水熱梯度方向聯(lián)網(wǎng)的研究方式（即在長江中游－下游農(nóng)區(qū)、黃淮海農(nóng)區(qū)、東北農(nóng)區(qū)、黃土高原農(nóng)區(qū)選擇5個代表試驗站進行定點系統(tǒng)深入研究；以站為中心的典型地區(qū)研