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摘要:1978年召开的全国科学技术发展规划会议,将建立农业现代化综合科学实验基地列为国家的重点项目之一。这一年,经党中央批准,中国科学院与湖南、河北、黑龙江三省合作,分别在湖南桃源、河北栾城和黑龙江海伦3个县建立了3个不同区域类型的农业现代化综合科学实验基地,并同时组建了3个农业现代化研究所,以探索适合中国国情的农业现代化道路,阐释有关的重大理论、科学技术、生态和经济问题,摸索不同类型区域的农业发展模式。
摘要:稻田是我国重要的农田生态系统,对农业生态环境保护和国家粮食安全具有举足轻重的作用。水稻土有机碳循环既是土壤物理、化学、生物过程和土壤肥力的基础,又与土壤固碳功能、温室气体产生和排放密切相关。近10年来,本研究团队以探讨水稻土固碳(肥力提升)与减排科学原理为目标,瞄准土壤有机碳矿化的“控制阀”假说与“激发效应”、水稻土固碳与温室气体排放的生物地球化学过程机理等前沿性的重要基础科学问题,遵照以典型案例(典型景观单元和长期定位试验监测)揭示区域水稻土有机碳演变基本规律与固碳潜力,借助模拟试验阐明水稻土长期固碳的生物地球化学机理的整体研究思路,运用同位素示踪和生物分子技术,系统研究了亚热带水稻土碳的生物地球化学循环特点与长期固碳效应。研究表明,过去30年间,水稻土有机碳处于持续增加状态,增幅达60%,年平均固碳速率为0.28t/hm2,具有明显固碳效应;且水稻同化“新碳”的输入抑制了水稻土原有有机碳的矿化,表现出明显的负激发效应,证实了亚热带水稻土的“阻滞效应”。量化了水稻生长期间光合碳对土壤有机碳各组分的贡献及其对氮素的响应特征;发现水稻光合碳向土壤微生物快速转移,同化根际碳的微生物主要为真菌和革兰氏阴性菌。发现稻田土壤具有微生物光合同化大气CO2并将其转化为土壤有机碳的能力;农田土壤固碳功能种群主要包括固碳细菌和藻类。阐明了稻田土壤有机质周转过程的生态化学计量学特征,揭示了“水稻-微生物-土壤”相互作用的养分调控机理,以及土壤C、N、P等元素耦合的微生物计量学调控机制。基于微流控芯片技术,构建土壤芯片并实现了土壤微界面生物地球化学过程的动态模拟和监测。提出基于丘陵区稻草“易�
摘要:土壤有机碳是衡量生态系统稳定性、土壤健康与肥力水平的重要指标。喀斯特峰丛洼地土壤具有土被不连续、土层浅薄、高钙、微碱性等特点,造成其有机碳分布、积累与稳定机制有别于其它岩性发育的土壤。基于此,我们在过去10年研究中,建立了基于探地雷达技术的喀斯特非连续性土壤及其有机碳分布的研究方法,研究了土壤微生物总量及其群落、碳氮循环相关功能微生物群落对喀斯特生态系统退化的响应,探讨了喀斯特土壤丛枝菌根真菌群落分布特征及其对岩性、坡位等立地条件的响应,明确了外源有机碳和无机碳(碳酸钙)输入对喀斯特土壤有机碳矿化和积累的影响,从团聚体稳定性、有机碳矿化、激发效应、微生物生物量碳周转角度明确了土壤有机碳的稳定性以黑色石灰土〉棕色石灰土〉红壤,初步阐明了喀斯特土壤有机碳的稳定性机制,并研发了土壤垂直漏失阻控技术、桑枝原位快速腐熟技术等喀斯特区土壤改良的关键技术。其结果对于揭示喀斯特生态系统土壤有机碳积累与稳定机制、评估喀斯特区土壤固碳的效应与潜力、提升喀斯特生态系统的可持续性有重要科学意义。
摘要:评估生态系统氮状况对预测全球变化背景下生态系统的固碳潜力及生态演替的方向与进程均具有重要的意义。近年我们开展了比较系统的研究以回答二个关键科学问题,即氮是否限制喀斯特区植被恢复,以及喀斯特森林氮状况与邻近的非喀斯特森林相比有何差异?基于多尺度演替序列研究,发现退耕后喀斯特土壤总氮快速累积。氮的累积相应促进土壤有机碳快速累积,且有机碳累积的相对速率高于总氮累积的相对速率。恢复初期(草丛阶段)植被受氮限制,而在次生林阶段则表现出明显的氮饱和特征。基于土壤初级氮转化速率和胞外酶活性化学计量特征的证据表明氮饱和是喀斯特森林的独有特征,而邻近的非喀斯特森林普遍受氮限制。我们的研究意味着:1)西南喀斯特山区退耕后的生态恢复仅在早期受氮限制,而中后期则不受氮限制;2)充足的氮供应可保障生态恢复工程的固碳效应;3)喀斯特森林氮循环具有其独特性,在全球变化背景下,其响应与适应性也可能异于其他区域/类型森林。
摘要:氧化亚氮(N2O)是第三大温室气体,对全球气候变化具有显著影响。稻田是重要的N2O排放源,追踪稻田N,O产生及排放关键过程的微生物调控机制,可以为农田土壤氮素循环研究以及稻田N2O减排提供有价值的信息。微生物调控的硝化作用和反硝化作用是稻田N2O排放的主要来源。基于此,我们在过去十年的研究中,依托中国科学院桃源农业生态试验站,以水稻田淹水.落干和施肥为关键过程,从水稻根际、土层深度、反应底物浓度等方面探明了土壤硝化反硝化过程和N2O排放特征及其微生物调控机制;提出了开发稻田土壤微生物资源,提高土壤N2O消纳能力的可能策略;构建了可以有效降低稻田氮素损失和N2O放的基于化肥一次性深施的减氮控磷施肥技术,并在实际农业生产中进行了示范推广。本文对上述研究取得的成果,以及国内外相关研究结果进行了全面综述。结合分子生物技术在土壤科学研究中的应用,今后的研究工作将会从以下几个方面开展:1)解析土壤微生物与土壤生产力和生态环境之间的关系;2)在基因组和转录组水平构建农田土壤碳氮循环功能微生物分析平台;3)解析土壤微生物分布与生态功能之间的关联机制;4)根系一土壤一微生物之间的协同机制以及植物一内生菌一土壤微生物之间相互影响的分子机制;5)加强对实用技术的研发,把基础研究成果转化为生产力,服务农业生产和生态文明建设。
摘要:喀斯特地区地表关键带结构十分复杂,土层浅薄且持水能力弱,地下裂隙多而渗透速率快,导致地表水分亏缺频繁、生态脆弱、污染物扩散快速等一系列生态环境问题。喀斯特地区的合理开发利用和生态环境保护,对深刻理解其生态水文过程有着极大的诉求。迄今为止,喀斯特生态水文学已经获得了重要进展,极大地提升了人们对植被水分来源与耗散机理、坡面水文快速过程、环境变化的生态水文效应等方面的认识,并构建了多种模型,为喀斯特地区生态治理、环境保护和水资源合理利用等提供了理论依据和技术支撑。但受限于喀斯特地表结构的复杂性,目前所获得的结论也存在很多不足和不确定性。本文从喀斯特生态水文过程与机理、喀斯特流域生态水文和喀斯特生态水文模型研究三个方面概述了喀斯特生态水文研究进展,介绍了课题组在相关方面的主要成果,并提出了未来研究中应进一步重视的问题。
摘要:湿地植被格局是湿地生态学研究的主要内容之一。湿地植被格局的变化是湿地植物生物学特性与外部环境变化共同作用的结果。洞庭湖湿地作为我国长江中下游典型通江湖泊湿地,具有重要的生态服务功能。三峡工程运行后,洞庭湖湿地水文情势变化明显,进而影响湿地植被格局。本文通过文献梳理,系统总结了三峡工程运行后洞庭湖湿地植被格局的演变规律,同时对驱动湿地植被演变的水文成因及湿地植物生物学机制进行了归纳。研究发现三峡工程运行后,洞庭湖不同植被类型面积发生明显变化,具体表现为湖草群落面积呈下降趋势,芦苇(荻)和林地群落的总面积呈上升趋势。湿地植被格局的变化是水位、淹水时间、泥沙淤积等多种水文情势综合作用的结果,而湿地植物还可以通过繁殖对策、生态生理、种内种间关系变化等多个生物学策略来适应变化的外部环境,进而维持植被格局的稳定性。最后以杨树种植和冬候鸟多样性变化为案例,分析了洞庭湖湿地植被格局变化的生态学效应,以期为洞庭湖湿地的保护及退化湿地的恢复提供一定理论依据。
摘要:十多年来,我们围绕中国南方水稻生产遇到的主要逆境因素,开展了水稻种质挖掘和创新研究。克隆或优化了耐旱基因AtDREBlA和CbDREBlA,抗除草剂基因Epsps#、Pat#和Mat#,抗螟虫基因Cry2Aa#和CrylCa#,以及植酸酶.牛乳铁蛋白肽融合基因PhyLfo培育出了抗除草剂早籼稻新种质Bar68,抗2种除草剂水稻新种质EB7001S,抗除草剂、具植酸酶和抗菌肽活性的水稻新种质BPL9K,抗螟虫、抗除草剂的水稻新种质B2A4008S、B2A68、B1C893和B1C106,以及一些耐旱、耐盐、耐低温并抗除草剂的水稻新种质。从爪哇稻、籼爪交重组自交系、粳稻中筛选出了一些耐高温、耐旱性较好的种质资源。改良了华占、岳恢9113、Y58S、广占63S等骨干杂交稻亲本的褐飞虱和白叶枯病抗性。培育出了耐涝中间材料Sub-1BS。这些耐逆境新种质的创制,将为水稻耐逆境育种提供有力的技术支撑。
摘要:繁殖库由土壤基质中有活力的种子(种子库)和具有营养繁殖潜力的芽(芽库)共同组成。繁殖库是潜在的植物群落,其物种组成、密度和动态直接影响地表群落组成、更新潜力及演替方向。当前湿地植物繁殖库研究主要关注种子库,而对芽库研究较少,限制了对湿地植物群落更新和演替机理的认识。根据最新研究成果,本文从以下三个方面对湿地植物繁殖库进行了归纳研究。1)繁殖库的建成机制,主要包括种子库和芽库的形成方式、寿命和扩散能力。2)繁殖库的规模、空间格局和季节动态。繁殖库主要分布在表层土壤中(0.10cm),物种组成及密度呈明显季节性变化。种子库密度一般高于地表群落,但芽库密度可能会低于地表群落,表明地表群落更新和替代可能会受到芽库限制。3)繁殖库对水位、泥沙淤积、土壤含水量以及动物取食等湿地生境变化的响应。植物可通过调节繁殖库中种子和芽的产生、萌发、休眠和死亡等适应一定程度的湿地生境变化。将来应加强种子库与芽库生产的权衡、预测模型、繁殖库在湿地演变中的作用机理及其在湿地植被恢复中的应用等方面的研究。
摘要:我国生猪养殖业目前主要面临两大瓶颈问题,即蛋白饲料资源匮乏和氮排放对环境的污染,而采用低蛋白日粮配方技术能有效节约养殖业对蛋白饲料资源的利用,同时也能提高猪肠道对蛋白的消化利用效率,进一步减少氮排放对生态环境的破坏。本研究团队在过去10年关于猪低蛋白日粮调控技术的研究中,建立了尤斯灌流系统评估营养物质吸收和转运能力技术、猪肠道原位结节灌流评估氨基酸净吸收量技术和猪胃和回肠末端同时安装“T”型瘘管评估胃肠道营养素消化技术等低蛋白日粮营养消化代谢测定技术方法,研究了低蛋白日粮对猪胃肠道消化系统和猪肉品质的调节作用,初步阐明了低蛋白日粮模式下氨基酸(赖氨酸和支链氨基酸)的响应机制,这些功能性氨基酸可有效改善猪的肠道、免疫系统和肌肉与脂肪组织的能量分配,其结果对于低蛋白日粮在生猪健康养殖中的科学应用具有重要的指导意义。
摘要:肠道生长是仔猪生长发育的核心和快速生长的基础。新生仔猪肠道发育不健全,断奶引起肠黏膜结构和功能变化,导致绒毛萎缩、通透性增加、消化吸收和屏障功能受损。氨基酸是小肠优先利用的重要营养物质,通过转运载体进入肠上皮细胞内作用于相应的受体,启动细胞信号,调控细胞内生理过程。氨基酸作为肠黏膜主要能量来源以及合成蛋白质和多种信号分子的前体物,对促进肠道生长发育、维持肠道结构功能具有重要作用。本文围绕仔猪肠道发育和氨基酸利用,揭示猪肠黏膜形态结构发育和断奶适应性变化规律,阐明猪肠道氨基酸感应利用机制以及氨基酸促进仔猪肠道结构功能发育的作用机制,为调控肠道氨基酸代谢、提高饲料氨基酸利用效率提供了理论基础,对促进仔猪肠道健康、提高生产效率具有重要的科学意义。
摘要:界面物理化学是研究物质在多相体系中的表面特征和表面发生的物理与化学过程及其规律的科学。其研究方法目前广泛应用于材料学、环境学、土壤学、高分子化学、日用化工、精细化工、生命科学和药学等领域。针对反刍动物营养研究中饲料底物、消化道微生物,以及微生物生存媒介(如瘤胃液)间的相互关系,通过查阅和汇总饲料降解或消化过程中底物、微生物,以及媒介界面物理化学特性变化规律,及其对饲料消化与发酵的影响文献,总结和分析了饲料底物、微生物及瘤胃液环境的界面物理化学特性在动物营养研究中的应用现状。研究表明,饲料底物界面物理特性(比表面积和阳离子交换量)与饲料消化密切相关,优化媒介(瘤胃液或消化液)表面张力可提高饲料干物质降解率和微生物蛋白产量;微生物表面电荷、通透性及表面疏水性通过影响微生物对饲料底物的粘附过程及其生理学功能进而影响对饲料营养的消化。然而目前对饲料消化过程与界面物理化学特性间关系的研究还相当缺乏,今后应加强对界面物理化学特性评价指标的发掘、测定方法的优化,以及界面物理化学特性评价指标在营养消化与利用中作用的研究,进而建立营养消化利用过程中界面物理化学评价指标体系,丰富动物营养学研究理论。
摘要:以“社会-经济-自然复合生态系统”思维处理当今社会遇到的各类问题是维持可持续发展的需要。鼠类是地球上种类与数量最多的哺乳动物,虽在生态系统中起着重要作用,但也有一些种类对社会经济和人类健康会产生危害,有效控制害鼠种群数量是很有必要的。基于“社会-经济-自然复合生态系统”的思维,分析影响洞庭湖区主要害鼠群落结构及其种群数量变化的主要因素,探讨有效的控制策略。结果表明,害鼠受本身生物学特性以及所处环境自然因素的影响,种群数量呈现出一定的季节动态和年度动态;同时,当地的洪涝灾害、人工灭鼠、农房结构变化、农业生产活动、重大社会生态工程等的影响在一定时期也发挥非常重要的作用,是导致鼠类群落演替发生较大变化关键因素。近期而言,退田还湖和三峡工程对洞庭湖洲滩的鼠类群落均有非常明显的影响,农田的一些种类大量侵入洲滩生境。因此害鼠的成灾原因上有社会的、经济的、自然的因素。据此,在鼠害大面积暴发的情况下提出的“全栖息地毒鼠技术”,以及源于洞庭湖区东方田鼠生态学特性和暴发成灾机理的“阻断迁移通路”防治方法,均是适合于洞庭湖区域当时社会、经济、自然条件的鼠害治理实用技术,比单纯化学灭鼠方法的经济效益和生态效益有明显地提升和改善。
摘要:洞庭湖流域包含众多河流、沼泽、湖泊以及人工湿地生态系统,在涵养水源、调蓄洪水、生物多样性保育等方面具有巨大的生态服务价值。然而,由于长期以来的人为干扰,洞庭湖流域湿地退化严重,针对洞庭湖流域不同类型湿地开展生态修复已成为当前国家生态文明建设和长江经济带建设的重大需求。本文从洞庭湖流域的湿地概况、退化现状和原因出发,总结了洞庭湖流域湿地生态修复的关键技术,包括水环境修复技术、水文修复技术、生境修复技术、生物修复技术和土壤修复技术;提出了洞庭湖流域湿地生态修复的一般修复模式,即环境评价——目标制定——规划编制——修复实施——管理维护——反馈调节,最终形成持续稳定、健康的湿地生态系统。最后,通过洞庭湖流域四种典型湿地类型(湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地和人工湿地)的生态修复案例分析,提出了对应的生态修复模式。未来应从不同类型湿地的退化过程及机理、流域尺度下的湿地生态修复、小微湿地建设、生态修复后的生态监测与适应性管理等方面加强研究。
摘要:日益剧增的农业面源污染使得亚热带流域环境可持续管理面临巨大挑战。亚热带红壤丘陵地区的丰富降水、复杂多样土地利用方式和高强度氮磷投入,导致了该地区水文过程、氮磷元素生物地球化学过程、以及氮磷污染物迁移转化规律的复杂性。从“十一五”至今,我们以亚热带丘陵区典型金井小流域为对象,研究建立流域多尺度环境监测系统,准确定量流域氮磷平衡特征,精确解析流域氮磷迁移规律与输出通量;构建以水文和氮磷过程为主要对象的分布式栅格流域生源要素管理模型(CNMM),制定流域氮磷环境安全控制标准,开发流域环境安全评价和污染源头防控决策支持系统;研发针对农田养分流失、分散型农村生活污水和养殖业废水的绿狐尾藻生态湿地消纳技术,探索农业氮磷减控关键途径,构建流域面源污染源头防控技术体系,并进行了大规模的推广应用与示范。这些结果将巩固和加强亚热带区域农业面源污染流域源头防控的应用基础研究,为实现流域环境的生态管理、质量恢复和生态系统服务功能提升提供理论依据。
摘要:当前,解决我国农业农村日趋严峻的水污染问题是美丽乡村建设重中之重的任务。本文总结了近年来中国科学院亚热带农业生态研究所研发的农业农村水污染生态处理与资源化利用综合技术体系的研究进展。其中,以绿狐尾藻湿地技术为核心,重点介绍了绿狐尾藻的生理生态特征和生态竞争力,从绿狐尾藻的氮磷吸收能力及绿狐尾藻湿地系统中功能微生物群落结构特征等方面阐明了绿狐尾藻湿地中氮磷和有机污染物的主要去除机理;结合绿狐尾藻的营养特征及动物(鸡、鸭、猪等)生长试验,分析了其饲料化技术的可行性,并探讨了其肥料化和能源化等途径的发展前景;最后,对后期的研究工作包括绿狐尾藻和附生微生物的协同作用机理、绿狐尾藻湿地治理技术的集成与优化以及资源化利用设备研发等进行了展望。
摘要:日益加剧的土壤重金属污染问题是目前严重制约我国农业可持续稳健发展的重要因子。如何实现区域性大面积的重金属污染耕地农业安全利用,已成为全球农业环境科学研究领域的难题与热点。中国科学院亚热带农业生态研究所自2006年起,将其该领域的研究重点聚焦在以镉为代表的重金属污染耕地农业安全利用方面,按照“摸清家底、因地制宜、分区治理、科学施策”的总体思路和“边生产、边治理、边修复”的技术路径,系统地开展了重金属污染动态长期定位监测与典型重金属污染地区详查、重金属低积累型与强耐性的农作物主栽品种筛选、削减农作物重金属积累的农艺调控、阻控农作物重金属吸收的原位钝化,以及替代种植作物的耐受性及其修复潜力等研究,初步探明了湖南耕地环境和其主要农产品重金属污染的现状、成因与发展趋势,筛选出了一批适于不同污染程度耕地种植的农作物主栽品种供应急性应用,明确了肥水管理、叶面阻控、秸秆离田等农艺调控措施削减农作物重金属积累,和施用炉渣、生石灰、海泡石、农作废弃物生物质炭、腐植酸矿粉等单一物料及其复配制剂钝化土壤重金属的效果,阐明了以苎麻为代表的麻类作物对镉等重金属的耐受性及其修复潜力与机理,确立了南方稻田土壤有效态镉及镉污染稻田钝化效果评价的提取方法,构建了一套较完整的以“轻度污染农艺调控-中度污染钝化降活-重度污染断链改制”为核心的重金属污染耕地农业安全利用综合技术与多种实用模式,并在典型污染地区建成了“重金属污染耕地农业安全利用技术研究开放平台”和多处新技术新产品的中试基地,产生了巨大的社会反响。
摘要:推广镉低积累品种是重金属污染农田安全利用的前提,筛选和培育镉低积累水稻品种已经成为水稻育种家的一个重要任务。近年来人们对镉低积累品种的筛选和培育工作投入较大的精力,但是由于稻米镉积累是一个复杂性状,受环境和基因型共同调控,人们对重金属低积累品种的定义、特征、筛选认定方法等并没有形成一致意见。本文主要介绍了最近几年国内外在镉低积累水稻品种筛选和定向培育方面的最新成果。在此基础上,从遗传学和农学角度提出了我们对镉低积累品种的定义及其特征的理解:镉低积累品种是指在相同环境条件下稻米镉积累量相对较低的品种,其在高镉(有效态)背景下稻米镉含量相对较低,中低镉背景下能达标,而低镉土壤背景下不超标。虽然稻米镉积累受环境和遗传因素共同调控,但镉积累特性遗传率高,降低稻米镉积累量不影响水稻的生育期、产量及其他必需微量元素的含量。镉低积累品种和镉高积累品种稻米镉积累量的差异随环境变化而变化,在高镉背景下相差较大,而在低镉土壤背景下差异变小。因此筛选认定镉低积累品种时,我们建议先在高镉背景下比较不同品种的相对镉含量,筛选镉积累相对较低的品种,然后在低镉条件下评价其产品的达标频率,确定其安全生产所需的环境条件。