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：2011.1至2015.8依托部门：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SCI收录论文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⑤调控关键生物过程,挖掘生物学提升潜力④扩增土壤水养容量,提高土壤缓冲性能③加大有机补偿,促进土壤有机质积累②消减土壤障碍因子,挖掘中低产田地力潜力①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(973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⑤调控关键生物过程,挖掘生物学提升潜力④扩增土壤水养容量,提高土壤缓冲性能③加大有机补偿,促进土壤有机质积累②消减土壤障碍因子,挖掘中低产田地力潜力①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(973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③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(973项目)农田地力形成与演变规律及其主控因素水肥效应②土壤障碍因子消减与次生化过程阻控机理①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①②③④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③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(973项目)农田地力形成与演变规律及其主控因素水肥效应②土壤障碍因子消减与次生化过程阻控机理①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①②③④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、GIS和模型技术研究时间坐标上的长期演变规律，空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