1、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
2、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
3、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 58 名在国际土壤学
4、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
5、，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
6、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。
7、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。 , , , , , (973)图 2 本项目总体学术思路示意图（二
8、）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
9、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）。 解 析 关 键 过
10、 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(973) 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()() 总 体目 标实 现 总体 目 标各层次目标剖 析 限 制 因 素 明 确 障 碍 因素 消 减 机 制 揭 示 地 力提 升 机 理
11、提 出 定 向培 育 对 策 实 现 科 学 与 国 家 目 标解 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 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 总 体目 标实 现 总体 目 标各层次目标剖 析 限 制 因 素 明 确 障
12、 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
13、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
14、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
15、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决方案。本内容的研究方案和技术路线见图4。 ()/ / /GIS/主 要 研 究 方 法 主 要 研 究 内 容 科 学 问 题 明确限制因素突破口主 要 研 究 方 法 主 要 研 究 内 容 科 学 问 题 明确限制因素突破口图 4 “农田
16、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
17、 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123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
18、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
19、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
20、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
21、 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
22、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。 农田基础地力水平 农 田 管 理 水 平 有 机 质 与 地 力 提 升 土 壤 / / 图
23、 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
24、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 养 分 源 汇 容 量 土 壤 水 分 源 汇 容 量 土 壤 养 分 源 汇 容 量土 壤 水 分 源 汇 容 量土 壤 养 分 源 汇 容 量土 壤 水 分 源 汇 容 量图 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
25、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、K 等重要元素的转化过程和关键微生物种群，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
26、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-根际微生物互作机制促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
27、 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。
