【基金标书】2011CB100500-粮食主产区农田地力提升机理与定向培育对策

项目名称： 粮食主产区农田地力提升机理与定向培育对策 首席科学家： 张佳宝 中国科学院南京土壤研究所 起止年限： 托部门： 中国科学院 农业部 二、预期目标 （一）总体目标 解析决定农田地力提升的关键过程和主控因素；揭示能突破土壤障碍因子和高强度种植制约，促进农田地力提升的关键过程和重要调控机制；阐明农田集约化生产与地力培育共济的原理和途径；建立高强度种植农田地力提升的理论体系；提出我国粮食主产区农田地力定向培育的对策和建议。为挖掘地力提升的水涨船高效应 ，促进农田生产力和资源利用效率持续提高提供理论和决策支持；为国家 1000 亿斤增粮计划的实现和未来粮食的持续生产做出重要贡献；为现代土壤学发展提供创新理论。 同时，巩固和强化国家农业野外研究平台，凝聚和造就一支跨部门、高水平的土壤学研究队伍，提升我国在农田持续生产力研究方面的理论水平和解决实际问题的能力，引领国际农田持续生产力研究方向。 （二）五年预期目标 1、阐明我国粮食主产区农田地力的演变规律，解析决定农田地力的关键要素和限制农田地力提升的主控因素和关键过程， 为探索高强度种植条件下农田地力提升的有效机制与途 径提供科学依据。 2、揭示土壤主要障碍因子的形成和消减机理，阐明次生化过程的产生和阻控机制，建立以修复障碍土壤地力为核心的中低产田地力长效恢复方法和培育途径。 3、在揭示高强度种植条件下土壤有机质积累过程，土壤水养源汇容量扩增机理，以及促进农田地力提升的生物学调控机制等研究方面取得重要突破，为高强度种植农田地力提升理论体系的建立提供创新内容，为技术途径的发展提供最有力的理论支持。 4、解剖我国粮食主产区典型区域中低产田和地力水平分布特征，量化典型区地力培育潜力，构建适应典型区域地力提升的综合理论体系，提出典 型地区地力定向培育的综合技术方案，并进行多点验证和示范。为我国粮食主产区农田地力提升提供可借鉴的范例。 5、发表能佐证上述研究的 录论文 120 篇（或总影响因子在 200）以上，其中 15篇发表在有重要影响的国际学术杂志上。出版上述总结性专著 3部。培养 5 8名在国际土壤学界有竞争力的中青年科学家和 50名博士研究生，造就一支在我国能引领农田持续生产力研究的高水平研究骨干群体。巩固和强化国家野外研究平台。提升我国农田生态系统研究能力。 三、研究方案 （一）总体学术思路 本项目的总体设想是通过挖掘农田基础地 力提升的水涨船高效应，实现农田生产力和资源利用效率的提高。然而，我国农田高强度种植现实，不仅难以采用发达国家 “养用结合、保育优先 ”的用地模式，而且更难大规模重演费工费时的 “家家户户堆沤肥、精耕细作保地力 ”传统地力培育模式，这就需要寻找出新的突破口和途径，克服农田高强度种植的限制因素，提升农田基础地力。为此，本项目针对高强度种植农田基础地力提升这一重大难题，在已有的工作基础上提出下列总体学术思路进行突破（图 2）： 1、通过农田地力演变规律的揭示，明确高强度种植农田地力提升的限制因素和突破口。 高强度种植与低地力 水平是否存在必然联系，是否存在解除限制的突破口，是本项目首先要解决的问题。通过解剖我国粮食主产区不同地力水平的关键组成要素、控制地力变化的关键过程与主要因素，将能寻找出不同立地条件和管理模式下农田地力提升的限制因素和突破口。 2、通过消减土壤障碍因子和阻控次生化过程，挖掘中低产田巨大地力提升潜力。 原生土壤障碍因子并非来自高强度种植，而次生障碍因子多数情况源于不适宜的管理。如果对原生障碍因子成因和次生障碍因子形成过程进行追溯，就能通过逆向还原，揭示土壤障碍因子消减和次生化过程阻控的机理，提出障碍土壤地力恢复的 长效途径，为中低产田地力的进一步培育提升奠定基础； 3、通过加大有机补偿，促进土壤有机质的积累。 我们的研究已经发现，不同管理模式拥有不同的土壤有机质矿化与积累平衡点和饱和度，增加有机培育，加大对矿化的补偿，将能促进土壤有机质不断积累。问题是农田有机培育需要与作物生产同时进行，这就需要研究不同管理模式下土壤有机质形成与品质、不同有机培育（不同品质有机肥和秸秆）下有机物转化过程与产物，揭示有利于作物生长的土壤有机培育机制，实现作物生长与土壤有机质积累的同舟共济。 4、通过扩增土壤水分养分源汇容量，有效提升土壤缓 冲性能。 土壤供给和接纳水分养分的能力是决定地力水平的一项重要指标，如果能揭示土壤结构形成机制、土体构型形成过程以及土壤有机质、土壤生物对土壤水养源汇的作用机理，将能提出农田土壤水养源汇容量扩增途径，实现高水养缓冲协调能力持续保持。 5、通过调控土壤生物过程，推进农田地力向提升方向发展。 生物作为农田地力演变的重要驱动因素，蕴藏着巨大的调控潜力，通过认识促进有机质累积、土壤结构形成、生物共生互助和根际协调等方面的生物学机制，将能提出关键生物过程的调控途径，推进农田地力的不断提升。 6、最终通过对典型地区研究， 提出农田地力定向培育的对策。 地力水涨船高效应产量和水肥利用率协同提升挖掘基础地力提升的水涨船高效应挖掘重要过程调控的增产增效潜力基础地力基础地力提升过程调控效应水肥生产力水肥利用效率和生产力水肥效应地力效应 调控关键生物过程 , 挖掘生物学提升潜力 扩增土壤水养容量 , 提高土壤缓冲性能 加大有机补偿 , 促进土壤有机质积累 消减土壤障碍因子 , 挖掘中低产田地力潜力 揭示地力演变规律 , 明确地力提升突破口农田地力提升思路农田生态系统重要过程与调控对策 (97 3 项目 )提出定向培育对策地力水涨船高效应产量和水肥利用率协同提升挖掘基础地力提升的水涨船高效应挖掘重要过程调控的增产增效潜力基础地力基础地力提升过程调控效应水肥生产力水肥利用效率和生产力水肥效应地力效应 调控关键生物过程挖掘生物学提升潜力 扩增土壤水养容量提高土壤缓冲性能 加大有机补偿促进土壤有机质积累 消减土壤障碍因子挖掘中低产田地力潜力 揭示地力演变规律明确地力提升突破口农田地力提升思路农田生态系统重要过程与调控对策 项目提出定向培育对策图 2 本项目总体学术思路示意图 （二）技术途径 1、总体技术路线 根据上述总体学术思路，本研究将以 “剖析限制因素明确障碍因素消减原理揭示地力提升机理提出定向培育对策实现科学与国家目标 ”的分层推进、逐级提高、综合突破技术路线开展研究，即首先对旨在解析控制粮食主产区主要土壤类型地力的关键过程和主要因素（科学目标）、明确高强度种植农田地力提升的主要突破口（应用目标）的 “农田地力形成与演变规律及其主控因素 ”进行研究；其次对旨在阐明障碍土壤修复原理（科学目标）、找出挖掘中低产 田地力潜力途径（应用目标）的 “农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 ”进行研究；第三对旨在揭示土壤有机质 /水养源汇容量 /生物活性提升机制（科学目标）、指出改善地力要素和有效推进地力提升途径（应用目标）的 “农田土壤有机质、水养容量和生物活性协同增进机制与地力提升 ”进行研究。在上述三个层面不断推进和突破的基础上，选择代表我国粮食主产区的典型区域，开展 “我国粮食主产区 农田地力定向培育理论 与 技术对策 ”的综合研究，提出典型地区农田地力定向培育理论和技术综合对策（科学目标），为我国粮食主产区农田地力提升可行方案制定提供理论 和决策依据（应用目标）。最终攻克关键科学问题，实现本项目“揭示农田地力提升机理，提出农田地力定向培育对策，为我国粮食主产区地力、产量、资源利用率协同提高提供理论支撑 ”的总体科学目标和国家目标（图 3）。 典型地区农田地力定向培育理论技术对策水肥利用效率和生产力促进地力提升的土壤培育和生物学机制基础地力效应基础地力水涨船高效应解析关键过程与控制因素揭示障碍土壤地力修复原理揭示 有机质 / 水养容量 /生物活性协同增进机理提出地力定向培育对策基础地力地力提升农田生态系统重要过程与调控对策 (97 3 项目 )农田地力形成与演变规律及其主控因素水肥效应土壤障碍因子消减与次生化过程阻控机理控制地力演变的关键过程和因子过程调控效应促进地力提升的关键生物过程与调控途径土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径农田土壤障碍因子消减机理与地力修复土壤有机质转化累积机制与提高途径明确地力提升突破口指出中低产田地力恢复途径指出农田 地力有效提升 的途径为国家方案制定提供依据攻克关键科学问题主要研究内容关键科学问题研究对象我国粮食主产区：( 长江中下游 ) 水稻土( 南方 ) 红壤( 黄淮海 ) 潮土( 东北 ) 黑土总体目标实现总体目标各层次目标揭示地力提升机理提出定向培育对策为主产区地力产量资源利用率提高提供理论支撑剖析限制因素明确障碍因素消减机制揭示地力提升机理提出定向培育对策实现科学与国家目标典型地区农田地力定向培育理论技术对策水肥利用效率和生产力促进地力提升的土壤培育和生物学机制基础地力效应基础地力水涨船高效应解析关键过程与控制因素揭示障碍土壤地力修复原理揭示 有机质 水养容量生物活性协同增进机理提出地力定向培育对策基础地力地力提升农田生态系统重要过程与调控对策 项目农田地力形成与演变规律及其主控因素水肥效应土壤障碍因子消减与次生化过程阻控机理控制地力演变的关键过程和因子过程调控效应促进地力提升的关键生物过程与调控途径土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径农田土壤障碍因子消减机理与地力修复土壤有机质转化累积机制与提高途径明确地力提升突破口指出中低产田地力恢复途径指出农田 地力有效提升 的途径为国家方案制定提供依据攻克关键科学问题主要研究内容关键科学问题研究对象我国粮食主产区：长江中下游 水稻土南方 红壤黄淮海 潮土东北 黑土实现总体目标各层次目标揭示地力提升机理提出定向培育对策为主产区地力产量资源利用率提高提供理论支撑剖析限制因素明确障碍因素消减机制揭示地力提升机理提出定向培育对策实现科学与国家目标图 3 本项目总体技术路线图 2、总体研究方案 （ 1）研究区域和研究平台 研究区域 ：面对国家增粮需求，本项目将选择我国粮食主产区的东北农区、黄淮海农区和长江中下游农区为研究区域，并以分布最广，对我国粮食生产具有举足轻重作用的东北黑土、黄淮海潮土、长江中下游水稻土和红壤为主要研究对象。 研究平台 ：驱动农田地力 形成的物理、化学、生物等过程由于所需时间尺度的跨度并不大，其研究平台可在田间、温室和实验室通过建立模拟系统、控制试验和田间定点试验实现。但对农田地力演变和提升过程来说，却是一个漫长的过程，本研究将选择中国科学院和中国农科院分布在上述地区的野外长期试验网络为长时间序列的研究平台。 中国科学院和中国农科院台站网络于上世纪 80 年代开始，在全国 8个农区，按统一要求陆续布置了一批土壤肥力、施肥（化肥和有机肥）、保护性耕作、秸秆还田、轮作、种植模式、中低产田整理等长期试验和观测系统。上世纪 90 年代末中国科学院制定了统一规 范的指标体系，对上述试验进行统一监测。这些长期试验、长期观测结果资料和样品为本研究揭示地力及其关键要素演变规律、验证研究结果提供了非常关键的平台。为了保证研究的系统性和可集成性，本项目将选择装备精良、拥有大量长期试验、历史样品和资料以及研究成果的海伦（黑龙江、黑土）、封丘（河南、潮土）、鹰潭（江西、水稻土、红壤）和祁阳（湖南、水稻土、红壤）四个国家试验站为研究基地。其他分布在研究区域内的长期试验将作为补充。 （ 2）研究技术方案 各主要内容的研究技术方案如下： 内容 1、农田地力形成与演变规律及其主控因素 以中 国科学院和中国农科院长期试验网络为基础，建立时空坐标（以长期试验的时间序列为时间坐标，以东西水分梯度带和南北热量梯度带为空间坐标），增加沿梯度带的农田地力、立地条件、管理方式调查和定点观测试验，研究不同立地条件和管理模式下形成的农田生产力、基础地力和地力要素，及它们的驱动过程和内在关系，基础地力对生产力的贡献率，各关键要素在基础地力组成中的权重。以多元统计分析方法解析影响生产力、基础地力和地力关键要素水平的关键过程和因素。以同位素示踪技术、 间坐标上的水热梯度带 演变规律，从而解剖出不同地区限制地力提升的关键过程、主控因素，以及解除这些限制的突破口，并通过模拟控制试验进行验证，最终提出不同地区地力提升的解决方案。本内容的研究方案和技术路线见图4。 时间序列人为投入作用立地条件地力关键要素基础地力生产力利用模式( 改造与管理 )自然条件作用水分梯度带演变变演带度梯量热（气候 / 地形 / 地貌 / 水文/ 成土母质 / 土壤性状）我国粮食主产区长期试验网络平台梯度带调查 / 定点观测田间定点试验模拟控制试验模型 / / 主成分分析同位素示踪技术主要研究方法 主要研究内容控制地力演变的关键过程与重要因素科学问题明确限制因素突破口关键控制过程因素要素对生产力贡献基础地力和各关键相互之间内在联系形成时空演变规律时间序列地力关键要素我国粮食主产区长期试验网络平台梯度带调查 定点观测田间定点试验模拟控制试验主成分分析同位素示踪技术主要研究方法 主要研究内容控制地力演变的关键过程与重要因素明确限制因素突破口关键控制过程因素要素对生产力贡献基础地力和各关键相互之间内在联系形成时空演变规律图 4 “农田地力形成与演变规律及其主控因素 ”的研究方案和技术路线 内容 2、农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 针对高强度农业利用加速土壤酸化、次生盐渍化、还原性有害物质积累等限制农田地力提升的土壤障碍因子，依托我国长期定位试验网站，结合长期定位观测、田间试验、实验室模拟等方法，研究我国粮食主产区中低产田土壤主要障碍因 子的驱动因素、形成机理及时空演变规律；重点剖析人为加速土壤酸化、次生盐渍化、还原性有害物质积累等次生障碍因子的致害途径、贡献率及演变趋势；研究我国粮食主产区土壤障碍因子的消减、次生化阻控、修复及地力长效 保持的途径与 理论。本内容的研究方案和技术路线见图 5。 研究技术手段长期试验网站田间定位观测田间小区试验实验室模拟数值模拟空间分析主要研究内容中低产田土壤障碍因子解析中低产田土壤障碍因子解析酸化酸化1 2 3还原性有害物质还原性有害物质次生盐渍化次生盐渍化酸源解析致酸机理阻控机制修复途径害源识别耦联机理消减途径农艺调控驱动因素盐渍机理逆向还原次生防抑科学问题东北黄淮海长江中下游 高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径研究技术手段长期试验网站田间定位观测田间小区试验实验室模拟数值模拟空间分析主要研究内容中低产田土壤障碍因子解析中低产田土壤障碍因子解析酸化酸化还原性有害物质还原性有害物质次生盐渍化次生盐渍化酸源解析致酸机理阻控机制修复途径害源识别耦联机理消减途径农艺调控驱动因素盐渍机理逆向还原次生防抑科学问题东北黄淮海长江中下游高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径主要研究内容中低产田土壤障碍因子解析中低产田土壤障碍因子解析酸化酸化还原性有害物质还原性有害物质次生盐渍化次生盐渍化酸源解析致酸机理阻控机制修复途径害源识别耦联机理消减途径农艺调控驱动因素盐渍机理逆向还原次生防抑科学问题东北黄淮海长江中下游高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径高强度农业利用过程中农田土壤主要次生障碍因子的解析、形成机理、防控修复与地力长效保持的原理与途径图 5 “农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 ”的研究方案和技术路线 内容 3、农田土壤有机质、水养容量和生物活性协同增进机制与地力提升 本内容研究技术方案主要从下列 3个方面说明： 1） 土壤有机质转化累积机制与提高途径 选择我国粮食主产区有代表性的农田土壤类型 （黑土、潮土、红壤、水稻土）和同一土壤类型不同地力水平的土壤，通过田间试验和室内模拟实验，在对土壤及团聚体中有机 质 组成和结构特征研究、秸秆还田和施用有机物料提高土壤有机质含量研究的基础上，利用同位素标记、 核磁共振、显微分析、分子生物学和模型模拟等技术手段，分析 参与不同物料 转化的微生物类群以及形成的有机质特征， 找出 不同地力水平土壤有机质转化累积的关键控制因素， 筛选出 能够与提升土壤有机质数量和改善土壤有机质品质相匹配的有机物料和秸秆还田新途径， 评价土壤有机质组分的地力功能和 有机物料转化为土壤有机质的效率 ，提出土 壤有机质调控理论与 技术途径 。 本内容的研究方案和技术路线见图 6。 科学问题 主要研究方法 农田基础地力水平 农田管理水平 有机质 与地力提升 长期定位试验平台 核磁共振技术 同位素示踪技术 显微分析 分子生物学技术 模型模拟 主要研究内容 土壤 破解有机质提升 难问题 有机质 更新与积累机制 和驱 动因素 不同地力土壤有机质特征 有机质 更新与累积规律 有机肥提升机制 / 途径 秸秆快腐生物机制 / 技术 图 6 “土壤有机质转化累积机制与提高途径 ”研究方案与技术路线 2） 土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径 以中国科学院和中国农业科学院的长期定位试验站为依托，针对土壤水分养分源汇容量降低和缓冲能力下降的实际，结合室内模拟、田间辅助试验和长期定位试验，开展粮食主产区不同管理模式下土壤结构改善对团聚体组成及稳定性、土体构型、有机质数量质量、土壤生物量及活性的影响研究，进而研究团聚体、压实层、有机质、土壤生物对土壤水养源汇容量及缓冲能力的作 用机理。应用核磁共振技术研究土壤缓效态养分汇容量及其组成，应用土壤生物化学方法调控土壤缓效态养分库的供应，应用生态化学计量学方法研究土壤生物过渡性养分库容量及其扩增途径。 最终 揭示土壤团聚体形成及稳定机制、土体构型形成机理以及有机质和土壤生物对土壤水养源汇的作用机理，提出农田土壤水养源汇容量扩增途径，实现高水养缓控协调能力持续保持。 本内容的研究方案和技术路线见图 7。 土壤生物对养分增容机制有机质对水养增容机理土体构型形成机制团聚体组成及稳定性土壤水养源汇库容和缓冲能力扩增机理探明机理、提出改善途径土壤养分源汇容量水溶态交换态缓效态矿化解吸有效水土壤孔隙比例调节土壤水分源汇容量主要研究内容科学问题主要研究方法长期定位试验田间辅助试验模拟培养试验核磁共振技术土壤生物化学生态化学计量学土壤结构团 聚 体土体构型有 机 质土壤生物土壤生物对养分增容机制有机质对水养增容机理土体构型形成机制团聚体组成及稳定性土壤水养源汇库容和缓冲能力扩增机理探明机理、提出改善途径土壤养分源汇容量水溶态交换态缓效态有效水土壤孔隙比例土壤水分源汇容量土壤养分源汇容量水溶态交换态缓效态有效水土壤孔隙比例水溶态交换态缓效态水溶态交换态缓效态水溶态交换态缓效态有效水土壤孔隙比例有效水土壤孔隙比例土壤水分源汇容量主要研究内容科学问题主要研究方法长期定位试验田间辅助试验模拟培养试验核磁共振技术土壤生物化学生态化学计量学土壤结构团 聚 体土体构型有 机 质土壤生物主要研究方法长期定位试验田间辅助试验模拟培养试验核磁共振技术土壤生物化学生态化学计量学土壤结构团 聚 体土体构型有 机 质土壤生物主要研究方法长期定位试验田间辅助试验模拟培养试验核磁共振技术土壤生物化学生态化学计量学主要研究方法长期定位试验田间辅助试验模拟培养试验核磁共振技术土壤生物化学生态化学计量学土壤结构团 聚 体土体构型有 机 质土壤生物土壤结构团 聚 体土体构型有 机 质土壤生物图 7 “土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径 ” 研究方案与技术路线 3） 促进地力提升的关键生物过程与调控途径 以我国粮食主产区的东北 黑土、华北潮土、长江中下游水稻土和红壤为研究对象， 利用长期和短期定位试验、温室和实验室模拟试验相结合的方法， 应用一系列生物地球化学和分子微生物生态领域的常规和最新研究技术， 着重研究不同地力水平下 自然和人为因素对土壤微生物群落结构和生态功能的扰动机制， 用同位素示踪和稳定同位素探针相结合的手段， 研究土壤 C、 N、 P、 S、 研究根际微生物（菌根真菌、根瘤菌等）与作物之间的互反馈作用，解析促进土壤有机质积累和改进土壤结构的生物作用机制。研究耕作管理措施（水、肥、间套作、轮作等）对 关键生物过程的调控作用，用多变量分析技术解析我国粮食主产区农田地力提升与土壤生物过程协调的关系。 最终提出促进农田地力恢复和提升的生物调控措施和途径 。 本内容的研究方案和技术路线见图 8。 不同地力水平农田我国粮食主产区促进地力提升的关键生物过程与调控途径主要研究方法长期或短期定位试验温室盆栽与模拟试验实验室模拟控制试验微生物分子生态技术同位素示踪分析技术主要研究内容土壤关键生物过程及功能群落演替作物进土壤有机质积累的生物机理改进土壤物理结构的生物机制推进地力提升的生物调控措施植物 - 土壤 - 微生物相互作用生命要素微生物转化过程有机质积累和土壤结构改善的生物机制图 8 “促进地力提升的关键生物过程与调控途径 ”研究方案与技术路线 内容 4、 我国粮食主产区 农田地力定向培育理论与技术对策 在我国粮食主产区的东北地区、黄淮海地区、南方红壤地区分别选择有代表性的区域，以典型黑土、潮土、水稻土和红壤为主要研究对象，在前述三个内容研究的基础上，利用 黑龙江海伦、河南封丘、江西鹰潭和湖南祁阳 四个国家试验站长期研究结果和观测数据，采用长期定位试验、田间短期试验、温室和实验室模拟、技术集成和田间综合验证的方法， 以内容一、二、三的理论研究成果为基础， 系统研究： 1） 典型区域中低产田和农田基础地力分布特征与提升潜力； 2）典型地区中低产田主要障碍因子和限制地力提升的关键因素；在此基础上，结合对整个粮食主产区中低产田特征和地力水平的分析，制定我国粮食主产区中低产田治理和地力提升的技术标准； 3）高产田地力退化阻控和可持续利用机理； 4）典型区高中低产田地力定向培育的综合理论体系和技术方案及验证。最终将建立典型地 区地力定向培育的理论体系并提出综合技术对策。本内容的技术方案和技术路线见图 9。 中低产田研究方法基 础 地 力 分 布 特征 与 提 升 潜 力地 力 定 向 培 育综 合 理 论 体 系中 低 产 田 治 理 和 基 础地 力 提 升 的 技 术 标 准关键科学问题内容 1 ： 地 力 形 成 与 演 变 规 律 及 其 主 控 因 素内容 2 ： 障 碍 因 子 消 减 机 理 与 地 力 修 复内容 3 ： 有 机 质 、 水 养 容 量 和 生 物 活 性 协 同 增 进 机 制 与 地 力 提 升基础田间验证示范目标主 要 障 碍 因 子 和 限 制地 力 提 升 的 关 键 因 素高产田地 力 退 化 阻 控 与可 持 续 利 用综 合 技 术 对 策建 立 理 论 和 提 出 技 术 对 策长 期 定 位 实 验模拟试验地 理 信 息 系 统技术集成1. 中低产田主要土壤障碍因子消减和地力培育机理2 . 高产田地力退化阻控和可持续机理3. 典型区域地力定向培育的综合技术对策图 9 “我国粮食主产区 农田地力定向培育理论与技术对策 ”研究方案与技术路线 （五）课题设置及相互间的关系 1、课题的设置及设置思路 根据需要解决的 3个关键科学问题、 4项主要研究内容和预期目标，本项目将设置 6个课题开展研究： 课题 1、农田地力形成与演变规律及其主控因素 课题 2、农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 课题 3、土壤有机质转化累积机制与提高途径 课题 4、土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径 课题 5、促进地力提升的 关键生物过程与调控途径 课题 6、典型地区农田地力定向培育理论与技术对策 其中，内容一 “农田地力形成与演变规律及其主控因素 ”主要瞄准国家对提升农田地力需求的基本目标，即从机理上阐述不同地区影响农田地力提升的原因、主要限制因素和关键过程，明确指出解决地力提升问题的主要突破口。将设 “课题 1、农田地力形成与演变规律及其主控因素 ”进行研究。内容二 “农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 ”主要针对恢复我国大面积中低产田地力的国家目标，研究重点在揭示主要土壤障碍因子消减和次生化过程阻控机理方面。将设 “课题2、 农田土壤障碍因子 消减机理与地力修复 ”开展研究。内容三 “农田土壤有机质、水养容量和生物活性协同增进机制与地力提升 ”主要针对国家对 提升农田地力需求的重点目标 ，即从机理上揭示如何提升地力 ， 也是本项目的重点，分别从提高土壤有机质、扩增土壤水养源汇容量、调控生物推进过程 3个方面设置 3个课题，即 “课题 3、 土壤有机质转化累积机制与提高途径， 课题 4、 土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径， 课题 5、 促进地力提升的关键生物过程与调控途径 ”。内容四 “我国 粮食主产区农田地力定向培育理论与技术对策 ”主要针对我国粮食主产区农田地力提升所面临的多 重问题，基于上述研究成果，提出农田地力定向培育的综合理论和技术方案。将设 “课题 6、典型地区 农田地力定向培育理论与技术对策 ”对分布在东北、黄淮海和长江中下游的 3个典型区域进行研究。 2、各课题的研究内容和预期目标 课题 1、农田地力形成与演变规律及其主控因素 预期目标： 阐明我国粮食主产区农田地力的演变规律，解析不同区域决定农田地力的关键要素和限制农田地力提升的主控因素和关键过程， 为探索高强度种植条件下农田地力提升的有效机制与途径提供科学依据。 研究内容： 针对 我国 粮食主产区 高强度种植制度下农田地力生产消耗与 地力培育补偿不相匹配的突出问题，以解析高强度种植农田地力形成过程和影响因素为突破口， 以中国科学院和中国农科院长期试验网络为基础，采用地理信息系统技术、模型技术、示踪技术、多元统计分析等方法，系统研究：（ 1）农田地力形成与时空演变规律： 农田基础地力和农田生产力的长期演变规律、水热梯度带上的变化趋势。 （ 2） 农田地力时空演变驱动机制： 农田生产力和基础地力 长期 变化趋势与立地条件、土壤性状、管理模式的关系；不同地力水平下农田地力的生产消耗与培育补偿的动态平衡规律。 （ 3） 农田地力关键要素构成特征： 农田基础地力关键要素构 成的区域特征；不同区域农田基础地力及其 关键要素 对农田生产力的制约和 权重 。（ 4）地力 关键要素 演变的关键过程及主控因素：农田地力关键要素的时空演 变特征 ；不同区域限制地力提升的关键过程及主控因素； 基于地力关键要素的农田地力调升机制及其潜力评价。 经费比例： 承担单位： 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 课题负责人： 王小彬 学术骨干： 徐明岗、张会民、张文菊 课题 2、农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 预期目标： 阐明我国主要粮食主产区中低产田土壤次生障碍因子的发生规律及区域特征；揭示人为加速土壤 酸化、次生盐渍化和还原性有害物质积累的驱动因素、致害机理及演变趋势；提出农田土壤次生障碍因子的阻控与消减途径；发展农田土壤主要次生障碍因子修复与地力长效保持的原理和技术。 研究内容： 针对我国粮食主产区中低产田土壤的主要障碍因子，重点进行以下研究：（ 1）中低产田土壤主要障碍因子的解析。研究主要障碍因子的驱动因素及演变过程，建立次生障碍因子识别与定量诊断理论和技术；（ 2）土壤酸化过程、驱动因素、阻控机制与修复途径。研究高强度农业利用加速土壤酸化的途径、致酸机理和区域变异特征；解析自然和人为管理因素的致酸源、 致酸过程及致酸贡献率，探讨土壤致酸因子阻控和土壤缓冲容量提高的机制，提出酸化农田土壤修复原理与地力恢复技术。（ 3） 稻田次生 还原性有害物质的形成、驱动因素、消减机制与修复途径。研究稻田土壤人为加速还原性有害物质（铁、锰、硫和有机还原物质）积累的过程及机理；分析其动态变化特征、驱动因子及其与农田地力发挥及作物生产的消长关系；提出农田土壤中还原性物质消减、降解机制及农艺修复技术。（ 4）土壤次生盐渍过程、驱动因素、防抑机制与地力修复途径。研究 不同管理模式下土壤次生盐渍化的发生过程、形成机理、季节性变化特征及驱动因素 ；探明地下水控盐区盐分逆向还原防抑次生盐渍化的理论与途径；提出气候控盐区土壤农艺措施控盐与修复次生盐渍化的途径与地力长效保持的对策。 经费比例： 承担单位： 浙江大学 课题负责人： 徐建明 学术骨干： 卢升高、刘杏梅、张玉龙 课题 3、土壤有机质转化累积机制与提高途径 预期目标： 阐明不同农田基础地力水平土壤及不同粒级团聚体中有机质的特征及其对农业措施的响应机制；明确不同有机物料对土壤有机质有效积累的作用；提出与提升土壤有机质数量和改善土壤有机质品质相匹配的地力提升技术途径。 研究内容： 针对我国粮 食主产区土壤有机质数量提升和质量改善难的特点，以不同区域、不同类型有机肥和无机肥长期定位试验为基地，采用同位素示踪、核磁共振、显微分析和分子生物学等技术，重点研究：（ 1）不同地力土壤有机质特征。土壤及团聚体中有机质形态、组成和结构特征的本底差异及影响因素；新形成有机质组分的特征及其在团聚体中的分配；土壤有机质质量特征与数量特征的匹配关系。（ 2）土壤有机质更新和累积机制。耕作、管理措施等对土壤及团聚体中易变和稳定有机质的累积 /损失过程的影响，利用模型模拟估算土壤有机质平衡点，提出不同地力土壤有机质提升潜力和适 宜的有机组分；（ 3）土壤有机质的提升途径。适宜作物秸秆快速降解的微生物类群，适合特定作物秸秆快速降解的 “秸秆伴侣 ”技术 ;不同有机物料来源堆肥提升土壤有机质有效积累的作用机制，筛选适宜提升有机质的有机肥。 经费比例： 承担单位： 南京农业大学 课题负责人： 冉炜 学术骨干： 窦森、丁维新、沈标、余光辉 课题 4、土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径 预期目标： 揭示土壤结构改善对水养增容和缓冲能力提高的作用机制，阐明土壤有机质数量质量对水分养分增容和缓冲能力提高的影响机理，探明土壤生物对养分的增容机理，提出土壤水分养分增容、持续保持及缓冲能力提高的有效途径。 研究内容： 针对东北旱作区、黄淮海灌区和长江中下游地区 土壤水分养分源汇容量降低和缓冲能力下降 的实际问题，系统研究：（ 1）土壤团聚体组成及稳定性对水养源汇容量的作用机制与调控：团聚体的组成比例对水养源汇容量的作用机制，团聚体稳定性对水养源汇容量和缓冲能力的作用机制；（ 2）土体构型对水养源汇容量的影响机制及扩增途径：土壤剖面不同层次孔隙组成对水养源汇容量和缓冲能力的作用机制，压实层对水养源汇容量的影响及调控途径；（ 3）土壤有机质数量和质量对水养 源汇容量和缓冲能力的扩展机理：土壤有机质数量对水养源汇容量和缓冲能力的影响机制，土壤有机质的腐殖化和老化程度对水养源汇容量和缓冲能力的影响机制；（ 4）土壤生物对养分的增容机制：土壤生物过渡养分库容量及其与土壤有效养分库之间的关系 。 经费比例： 承担单位： 中国科学院沈阳应用生态研究所 课题负责人： 梁文举 学术骨干： 张斌、陈利军、李琪、尧水红 课题 5、促进地力提升的关键生物过程与调控途径 预期目标： 阐明不同地力水平土壤微生物多样性和群落组成特征，明确生命要素在土壤中的转化过程及关键微生物种群， 揭 示关键生物过程对养分转化和农田地力提升的作用，剖析不同地力水平下作物 计农田地力提升的根际调控措施；针对我国粮食主产区不同地力水平 农田， 提出 农田地力提升的生物学综合调控措施和途径 。 研究内容： 以东北黑土、华北潮土、长江中下游水稻土和红壤为研究对象， 应用 一系列生物地球化学和分子微生物生态领域的先进研究技术，重点开展以下四个方面的研究工作：（ 1）不同地力水平下土壤微生物多样性和群落结构的演变规律， C、N、 P、 S、 质转化微生物之间 的相互作用和协同过程对地力提升的作用机制；（ 2）驱动根际物质转化的关键微生物种群和功能，生物互作（菌根真菌、根瘤菌等）对根际界面过程的调控及促进地力提升的机制；（ 3）土壤有机质积累和土壤结构改善的生物机制，不同有机物料的生物降解和土壤归属规律，土壤动物和真菌等促进土壤团聚体形成和稳定的机理；（ 4）不同区域土壤农田地力提升的生物调控途径和 措施，耕作管理措施（ 间套作、轮作、保护性耕作等）和有机物料添加等对土壤生物地力功能的调控作用。 经费比例： 承担单位： 中国农业大学 课题负责人： 陆雅海 学术骨干： 范明生、胡君利、马可 课题 6、典型地区农田地力定向培育理论与技术对策 预期目标： 解剖我国粮食主产区典型区域中低产田和地力水平分布特征，量化典型区域地力提升潜力，建立典型地区地力定向培育的理论体系并提出综合技术方案，并进行多点验证和示范。为我国粮食主产区农田地力提升提供可借鉴的范例。 研究内容： 在我国粮食主产区东北、黄淮海、长江中下游分别选择一个典型区域，针对中低产田的障碍层次和障碍性因素及土壤贫瘠化加重、高产田退化速度加快的问题，重点研究中低产田地力提升和高产田退化阻控的理论体系和综合技术对策。具体研究：（ 1）典型区域中低产田基础地力分布特征与提升潜力，研究中低产田空间分布特征和与之对应的农田基础地力，及其与农田管理水平、立地条件、土壤剖面理化性状的关系；（ 2）典型地区中低产田主要障碍因子和限制地力提升的关键因素，高分辨率解析中低产田土壤主要障碍因子，限制土壤有机质、水养源汇容量和生物活性提升的 关键因素；（ 3）结合对整个粮食主产区中低产田特征和地力水平的分析，制定我国粮食主产区中低产田治理和地力提升的技术标准；（ 4）典型区高中低产田地力定向培育的综合理论体系和技术方案及验证，系统研究典型区中低产田主要土壤障碍因子消减和地力培育、高产田地力退化阻控和持续保持的综合理论体系，提出典型地区地力定向培育的综合技术方案，并以田间多点试验进行验证和示范。 经费比例： 承担单位： 中国科学院南京土壤研究所 课题负责人： 张佳宝 学术骨干： 孙波、韩晓增、李勇、赵炳梓、刘建立、朱安宁、马东豪 3、各课题间 的有机联系及与 项目目标的关系 各课题间的有机联系及其与项目目标的关系如图 10 所示。课题 1（农田地力形成与演变规律及其主控因素）主要针对项目的第一个关键科学问题 “控制地力演变的关键过程和因子 ”和第一个科学目标 “明确地力提升限制因素和突破口 ”，从面上和时间序列上开展研究，其研究结果除了向课题 2（农田土壤障碍因子消减机理与地力修复）和课题 3（土壤有机质转化累积机制与提高途径）、课题 4（土壤水养源汇容量和缓冲能力拓展机理与扩增途径）、课题 5（促进地力提升的关键生物过程与调控途径）以及课题 6（典型地区农田地力定向培育 理论与技术对策）提供指导和基础资料外，还可以直接用来说明我国粮食主产区目前地力的现状、演变规律、控制过程和因素以及从哪里着手推进我国农田地力的提升，属第一层面的研究。课题 2 主要针对项目的第二个关键科学问题 “农田土壤障碍因子消减机理与地力修复 ”和第二个科学目标 “阐明中低产田地力恢复原理与途径 ”，在课题 1 的指导下，开展特别问题（土壤障碍因素消减）研究，如果这些障碍因素不消除，地力就不能恢复，更不能培育提升。其结果将为课题 3、4、 5 开展中低产田地力培育部分提供指导和基础资料，同时也能直接为我国中低产田工程治理提供 理论指导。属第二层面的研究。课题 3、 4、 5针对项目第三个关键科学问题 “促进地力提升的土壤培育和生物学机制 ”和第三个科学目标 “揭示高强度种植农田地力提升机理 ”，在课题 1、课题 2的指导下，从土壤有机质、水养容量和生物活性三个方面研究地力提升机制，而课题 3、课题 4、课题 5 之间在研究内容方面有交叉，但不重复，研究进程需要相互推进、密不可分，研究结果需要相互支持、相互验证。如课题 3对有机质积累研究需要课题 4对结构研究结果的支持，反之，研究结构和水养容量又需要有机质研究结果的支撑，而无论是结构还是有机质研究都离不开生物 转化研究的支持，生物过程研究也需要有机质碳源和结构环境结果的支持等。属第三层面的研究。课题 6需要上述 5个课题的支撑，同时又对上述 5个课题的研究结果进行验证。属综合层面的研究。 土壤有机质团聚体生物耦合推进机制 土壤障碍因子形成、消减和次生化过程阻控机理 农田地力及其关键要素演变规律与主控因子建立地力提升理论体系提出定向培育对策为主产区地力产量资源利用率提高提供理论支撑农田地力形成与演变规律及其主控因素课题一农田土壤障碍因子消减机理与地力修复课题二课题三土壤有机质转化累积机制与提高途径土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径课题四促进地力提升的关键生物过程与调控途径课题五典型地区农田地力定向培育理论技术对策课题六农田地力形成与演变规律及其主控因素农田土壤障碍因子消减机理与地力修复农田土壤有机质、水养容量和生物活性协同增进机制与地力提升明确地力提升限制因素和突破口阐明中低产田地力恢复原理与途径揭示高强度利用农田地力提升机理提出典型地区农田地力定向培育对策粮食主产区农田地力定向培育理论与技术对策课题设置研究内容科学问题 科学目标 总目标课题间有机联系及与项目目标的关系 土壤有机质团聚体生物耦合推进机制 土壤障碍因子形成、消减和次生化过程阻控机理 农田地力及其关键要素演变规律与主控因子建立地力提升理论体系提出定向培育对策为主产区地力产量资源利用率提高提供理论支撑农田地力形成与演变规律及其主控因素课题一农田地力形成与演变规律及其主控因素课题一农田土壤障碍因子消减机理与地力修复课题二农田土壤障碍因子消减机理与地力修复课题二课题三土壤有机质转化累积机制与提高途径土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径课题四促进地力提升的关键生物过程与调控途径课题五课题三土壤有机质转化累积机制与提高途径土壤有机质转化累积机制与提高途径土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径课题四土壤水养容量和缓冲能力扩增机理与途径课题四促进地力提升的关键生物过程与调控途径促进地力提升的关键生物过程与调控途径课题五典型地区农田地力定向培育理论技术对策课题六农田地力形成与演变规律及其主控因素农田土壤障碍因子消减机理与地力修复农田土壤有机质、水养容量和生物活性协同增进机制与地力提升明确地力提升限制因素和突破口阐明中低产田地力恢复原理与途径揭示高强度利用农田地力提升机理提出典型地区农田地力定向培育对策粮食主产区农田地力定向培育理论与技术对策课题设置研究内容科学问题 科学目标 总目标课题间有机联系及与项目目标的关系图 10 各课题间的有机联系及其与项目目标的关系 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 1、 农田 地力 形成与 演变规律及其 主控因素 （ 1）农田土壤生产力、关键地力要素长期演变规律及其与管理模式、土壤剖面性质、立地条件之间的关系 2、 农田 土壤障碍因子消减 机理 与地力修复 （ 1）中低产田障碍因子解析与溯源 （ 2）土壤主要 障碍因子（盐渍化、板结粘闭化、酸化、还原有害物质）形成机理及次生化过程 3、 农田 土壤有机质、水养容量和生物活性 协同增进机制 与 地力提升 （ 1）不同地力水平下有机质数量和质量 （ 2）不同土壤类型原生性水养源汇容量和缓冲能力 （ 3） 不同地力水平 下 土壤微生物多样性和群落组成特征 4、 我国粮食主产区农田 地力定向培育理论与技术 对策 （ 1）粮食主产区典型区域地力、中低产田障碍因子和农田基础信息解析 1、揭示粮食主产区主要土壤类型在不同管理模式下的土壤生产力、关键地力要素 15年以上的演变规律。阐明土壤生产力与关键地力要 素的关系，以及立地条件（土壤剖面性质、地形、地貌、水文）和管理模式对土壤生产力、关键地力要素形成的影响 2、明确东北、黄淮海及长江中下游地区中低产田主要障碍因子及其产生源。揭示盐渍化、板结粘闭化、酸化、还原有害物质等障碍的形成机理和治理区次生化原因及其与立地条件、管理模式的关系 3、阐明不同地力水平下有机 质 数量特征、组成特征、稳定性及其与管理模式、立地条件的关系 4、揭示不同类型土壤属性 性质 （矿物胶体类型、质地组成、有机质含量、电化学性质等）对土壤水养源汇本底容量的影响机制 5、基于土壤宏基因图谱阐明 不同地力水平 下 土壤微生物多样性和群落组成特征 及其与管理、立地条件关系 6、完成东北海伦、黄淮海封丘、长江中下游余江 3 个县域的 统建立，并高分辨率解析出地力、中低产田及障碍因子、土壤属性、水文、气象和农田基础建设空间分布特征 7、出版佐证上述研究进展的 8篇（或总影响因 子达 30），培养研究生 10名 研究内容 预期目标 第 二 年 1、 农田 地力 形成与 演变规律及其 主控因素 （ 1）农田土壤生产力、关键地力要素在水热梯度带上的演变规律 （ 2）决定农田地力及其关键要素水平的主要过程和主控因素 2、 农田 土壤障碍因子消减 机理 与地力修复 （ 1）盐渍化、板结粘闭化、酸化、还原有害物质等障碍形成机理及次生化过程的验证 （ 2）土壤主要障碍因子消减和次生化过程阻控机理 3、 农田 土壤有机质、水养容量和生物活性 协同增进机制 与 地力提升 （ 1） 不同地力水平下土壤有机质的更新速率 （ 2）土壤结构形成及其对水养源汇容量的扩增 机制 （ 3）土壤养分转化功能微生物群落识别及其在地力提升中的作用 4、 我国粮食主产区农田 地力定向培育理论与技术 对策 （ 1）农田地力分布规律及控制地力关键过程和主要因素的区域验证 （ 2）中低产田分布规律及伴随的主要障碍因子分析 5、中期总结和评估 1、 揭示 农田土壤生产力、关键地力要素的地带性（水热梯度带）变化规律，阐明不同水热梯度带土壤生产力和关键地力要素的提升潜力。不同水热梯度带基础地力对农田生产力的贡献率 2、解析出不同区域控制农田地力和关键要素的主要过程与主控因素，阐明不同立地条件、不同管理模式形成地力