中国生态农业学报

陆地生态系统碳-氮-水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨

于贵瑞, 高扬, 王秋凤, 刘世荣, 申卫军

于贵瑞, 高扬, 王秋凤, 刘世荣, 申卫军陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题, 而陆地生态系统碳-氮-水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前, 对陆地生态系统碳-氮-水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果, 预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳-氮-水循环的耦合过程基础上, 论述了制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制, 制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生物生理生态学机制, 以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳-氮-水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展, 包括: (1)植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳-氮-水耦合循环控制机制, 以及二者之间的关联与互作关系; (2)土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响; (3)生态系统碳-氮-水交换通量的时空变化规律, 以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目"森林生态系统碳-氮-水耦合循环的生物控制机制"的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。中国生态农业学报. 2013 21(1): 1-13.

农业生态学的国外发展及其启示

骆世明

骆世明国内外有关农业生态学的文献持续大幅度上升。国际上, 人们深刻认识到传统还原论思维主导的农业科研方法及其影响下的农业方式遇到的严峻危机, 认识到农业生态学的生命力正是由于运用了新的思维方式和新的农业方法。目前国外对农业生态学内涵的认识既有"硬农业生态学"和"软农业生态学"之分, 也有把农业生态学作为一个学科、一类实践或一个社会运动。农业生态学作为一个实践的做法类似我国的生态农业实践, 主要内容包括资源节约型技术、投入替代型技术、农业系统结构调整和食物供应体系关系调整4个层次。农业生态学作为一个社会运动, 在以拉丁美洲为代表的发展中国家和以美国为代表的发达国家发展迅速, 成为交流农业生态经验, 改善农民民生, 维护农民权益的重要组织形式。这个运动影响到了政府的政策取向。农业生态学作为一个严格意义上的学科范畴, 人们认为需要进一步强化层次上推的方法论研究, 以及进行更多定量的多学科综合研究。利用国际上农业生态学的发展态势反观我国的农业生态学发展, 可以发现很多优势和不足。论文进一步讨论了对我国农业生态学和生态农业发展的启迪。中国生态农业学报. 2013 21(1): 14-22.

以生物能源产业重新振兴中国生态农业

程序

程序 "中国生态农业"在国内外都是最早提出并实践循环经济原理的, 在生态工程的设计和应用上有很多创造。但随着农村经营方式的演变, 中国生态农业模式当今已显现出若干严重不适应之处。核心问题是, 经济活力严重不足, 一直未能及时形成一批对农村经济能起到重大作用的支柱型生态产业。本文用以生物能源为基础的生态产业的若干案例说明, 作为可再生能源、特别是惟一能提供最稀缺液体燃料的生物能源, 市场潜力无限, 为生态农业的高经济效益提供了根本性的保障。中国生物能源产业不仅有助于国家的能源安全, 还能够确实性地实现大规模的物质循环利用和能量多层次利用, 真正发挥出生物质经济在缓解我国土地、矿产和化石能源等方面存在的对农业和其他经济部门的巨大制约的重大作用, 社会效益巨大。现代生物能源产业的出现和崛起, 为生态与经济"联姻"和环保产业化的"两难"难题的破解, 以及重振中国生态农业, 都提供了难得的机遇。中国生态农业学报. 2013 21(1): 23-28.

生态农业未来的发展方向

曹志平

曹志平当今世界, 我们面临诸多挑战。全球性的人口、粮食、能源与环境危机互为因果, 正在形成一个越来越危险的恶性循环。在这一背景之下, 农业领域所面临的问题都是综合性问题。本文从农业生态系统的结构出发, 重点论述了农业环境、农业生物多样性、食物网、农业集约化-生态系统结构-功能之间相互关系等尚未解决的理论问题和将来要努力的方向。生态农业是建立在生态学、特别是农业生态学之上的实践活动。未来的生态农业要处理好"生物"、"环境"、"生物与环境"这几个概念模块之间的相互关系, 以及各个模块内部诸多要素之间的关系。近期内, 土壤质量普查、生态风险评估和种植业结构调整是需要优先研究和解决的问题。与此同时, 本文建议从一个更广阔的角度来研究生态-经济-社会复合体内部的深层关系, 如农产品价格的形成机制、农田基本建设投资规模、灾害控制和生态修复的经济成本、农村社会结构变化及生计和福祉等。总而言之, 我们要用整体的视野和方法来研究和解决生态农业所面临的困难。中国生态农业学报. 2013 21(1): 29-38.

用生态学思维重构传统农学学科: 以农业生态系统管理作为核心应用科目

王松良, ClaudeD.Caldwell

王松良, ClaudeD.Caldwell 传统农学体系源于近代实验科学浪潮，并在工业革命巨大成就的推动下不断细分，失去对农业生态系统的整体把握。导致人类重新面临粮食安全(农业生态系统破坏引发的生产力衰退)和食品安全(农业环境破坏导致食物污染物残留)的双重危机。在我国, 传统农学不论作为学科还是专业都属于生态系统以下的生物组织层次, 是现代化石农业带来的生产和环境问题的根源。因此，农学学科及其专业教育体系的再构极为紧迫。作者提出以农业生态学为核心理论科目, 以农业生态系统管理为核心应用科目而重构传统农学学科和教育体系。本文重点探讨了农业生态系统管理的基本框架和技术选择, 并深入讨论了农业生态系统管理科目的内涵、外延及其发展前景。中国生态农业学报. 2013 21(1): 39-46.

我国循环农业发展理论与实践

尹昌斌, 周颖, 刘利花

尹昌斌, 周颖, 刘利花发展循环农业是实现农业清洁生产、农业资源可持续利用的有效手段, 也是解决现代农业发展困境的必然选择。文章系统地阐述了循环农业的内涵、特征、理论基础与遵循原则, 指出其本质特征是资源节约和产业链条延伸，是遵循循环经济理念的生产方式、资源节约和高效利用的农业经济增长方式、产业链延伸的农业空间拓展路径和环境友好的新农村理念。分析了循环农业的发展动力与物质流程框架, 指出循环农业的产业链循环包括农业生产过程中农产品的顺时针外循环路径和可再生资源的逆时针内循环路径，其发展动力主要是产业链内固有的价格机制和竞争机制产生的拉动作用和产业链外资金、技术、政策等对产业发展产生的推动作用。文章总结了国内发展循环农业的实践和相关的模式, 提出了循环农业今后的研究重点包括循环农业的机理研究, 循环农业发展的制度创新和补偿机制研究以及循环经济闭合循环链条体系的构建。中国生态农业学报. 2013 21(1): 47-53.

农业系统中生物多样性利用的研究现状与未来思考

陈欣, 唐建军

陈欣, 唐建军 "现代农业"生产力高, 但生物多样性简单化、生物之间的相互作用及其生态学效应常常被忽略, 其生产力的稳定性主要依赖于化学肥料、农药、灌溉和高产品种等的投入。传统农业则是利用当地生物多样性(物种多样性和遗传多样性)和生物之间的相互作用来产出食物和维持系统的稳定。因而现代农业能否借鉴传统农业对生物多样性利用的经验, 将工业化模式的现代农业转换为生物多样性利用与现代技术相结合的农业受到关注。本文分析了农业系统中生物多样性的特点及农业方式对农业生物多样性的影响; 综述了农业系统中生物多样性利用模式与效应方面的研究进展; 讨论了在现代农业系统中, 利用生物多样性需要开展的研究, 即区域上如何布局农业景观多样性, 农田内如何根据生物之间的互惠关系配置物种多样性的种养体系, 如何建设与生物多样性利用相应的田间设施和发展新型的农业机械、并建立以信息化为基础的管理体系。中国生态农业学报. 2013 21(1): 54-60.

几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践

张仁陟, 黄高宝, 蔡立群, 罗珠珠, 李玲玲, 谢军红

张仁陟, 黄高宝, 蔡立群, 罗珠珠, 李玲玲, 谢军红自2001年起, 甘肃农业大学的研究者在甘肃省定西市安定区李家堡镇布设了不同保护性耕作措施下春小麦→豌豆和豌豆→春小麦轮作系统的定位试验, 以研究免耕不覆盖(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)和免耕地膜覆盖(NTP)等保护性耕作措施在黄土高原旱作农田生态系统中的效应。本文就近10年依托该试验获取的相关研究结果进行综述, 重点阐述特定土壤、气候、农作制度下土壤理化性状、土壤微生物及其酶活性、土壤温室气体排放、作物生理生态等对上述几种保护性耕作措施的响应。初步得到免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤养分利用效率、改善土壤微生物区系、增强作物光合效能、增加作物产量等结论, 对筛选出当地适宜的耕作模式、改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。在此基础上, 提出目前该项研究存在的问题和今后重点关注的方向: 1)保护性耕作土壤碳循环机理; 2)覆盖方式的创新; 3)温室气体排放测量方法的改进与完善。中国生态农业学报. 2013 21(1): 61-69.

近10多年来我国鸭稻共作生态农业技术的研究进展与展望

章家恩

章家恩近10多年来, 我国在鸭稻共作生态农业技术的理论研究和生产实践等方面均取得了长足进步, 因此有必要加以总结。其中, 在理论研究层面, 主要涉及鸭稻共作对稻田养分循环与能、物流特征的影响, 对病虫害的防控和天敌-害虫动态的影响, 对杂草群落结构的影响及其防控, 对水体环境与水体生物多样性的影响, 对土壤肥力特征及土壤生物多样性的影响, 对水稻生长性状及水稻群体结构形态建成的影响, 对温室气体排放及全球变化的影响, 对水稻品质、产量、综合效益与生态服务功能的影响, 利用鸭稻共作控制福寿螺的效果与机制等领域, 并取得了相应的研究进展。在技术层面, 主要开展了鸭稻共作生产技术规程、直播方式下鸭稻共作生产技术、免耕抛秧养鸭技术以及其他鸭稻共作新技术的探索与创新实践。在此基础上, 提出了4个方面的研究展望, 包括鸭稻共作的生态效应与机制及其长期定位研究、鸭稻共作关键技术的创新、系统集成与示范研究、鸭稻共作生产技术的标准化与产业化研究, 以及与全球变化和低碳农业发展的关联与接轨研究。中国生态农业学报. 2013 21(1): 70-79.

提高农田水分利用效率的调控机制

张喜英

张喜英提高作物水分利用效率是解决农业淡水资源匮乏的重要途径。本文从水氮调控作物叶片和群体耗水过程、根系调控提高土壤水分的有效性和遗传改良提升作物水分利用效率3个方面论述了国内外研究进展, 并提出华北粮食作物生产中通过上述3个方面提升农田水分利用效率存在的问题及对策, 为提升华北严重缺水区主要作物农田水分利用效率提供参考。主要包括: 1)通过调控有限灌溉农田水分的时空分布, 优化地上、地下干物质形成、分配, 提高单位农田耗水的生产效率, 是充分发挥农田节水潜力的一个重要途径; 2)在华北对于压实严重且影响作物生长的土壤上, 研究深耕深松结合轮作制度改良上层和下层土壤压实, 促进根系生长, 对改善长期大型机械耕种可能对作物产生的不利影响有重要意义; 3)华北主要作物冬小麦和夏玉米通过品种更新来实现水分利用效率提高的幅度在减小, 急需通过高水效品种选育突破, 降低品种的生理需水量, 实现进一步增产节水目标。中国生态农业学报. 2013 21(1): 80-87.

环境材料在农业生产及其环境治理中的应用

黄占斌, 孙在金

黄占斌, 孙在金环境材料是具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料, 近年在农业生产及其环境治理中的应用受到重视。在农业生产中, 环境材料主要为改善土壤微生态和促进作物生长的环境材料, 以及环境友好型的化肥、农药和地膜等新型农资材料; 在农业环境治理中, 主要为生态破坏和农业环境污染的治理材料。本文就环境材料内涵及其在农业生产和环境治理等方面的研究和应用进行分析, 包括农业抗旱节水、土壤重金属污染治理和盐碱地土壤改良等3个方面。(1)环境材料在农业抗旱节水中的应用主要是土壤保水剂和作物叶面抗蒸腾剂。土壤保水剂作用机理包括自身吸水、保水和释水原理、促进土壤改良和保持原理、提高肥料和农药等农化产品利用效率原理、调节植物生理节水效应原理, 其合成技术研究比较成熟, 但还需加强应用技术研究; 作物叶面抗蒸腾剂取得一些进展, 但仍处试验阶段, 仅黄腐酸类产品应用较快; (2)环境材料在土壤重金属污染治理中的应用研究广泛, 生物修复和化学固化修复技术进展较快, 但对环境材料修复重金属污染土壤的潜在风险研究不足; (3)环境材料在改良盐碱地中的应用主要是加钙环境材料(石膏)和加酸环境材料(腐植酸), 这些环境材料与聚丙烯酰胺(PAM)结合效果较好。此外, 本文指出了环境材料在农业生产及其环境治理中应加强的研究方向: 一是应加强新型环境材料的研发; 二是加强环境材料的应用基础研究与应用效果评价; 三是加强环境材料与生物技术和农业工程技术的结合。中国生态农业学报. 2013 21(1): 88-95.

我国农业面源污染治理技术研究进展

杨林章, 冯彦房, 施卫明, 薛利红, 王慎强, 宋祥甫, 常志州

杨林章, 冯彦房, 施卫明, 薛利红, 王慎强, 宋祥甫, 常志州随着我国经济社会的进一步发展, 农业面源污染已经成为造成我国环境污染尤其是水环境污染的主要因素, 农业面源污染治理技术的研究也越来越得到政府和科技工作者的重视。本文重点介绍了当前我国农业面源污染的状况、农业面源污染的成因及特征, 并从农村生活污水的治理技术、农村生活垃圾的处理处置技术、农田径流生态拦截技术以及包括化肥减量化技术和农药减量化与残留控制技术为主的农业化学品减量使用技术等方面介绍了我国农业面源污染治理研究的发展现状，提出未来我国农业面源污染治理的系统控制思想和相关技术研究的趋势, 包括系统控制与区域治理结合、技术研发与工程示范结合、面源污染控制与管理结合及建立健全国家级农业面源污染监测评价与预警体系等。中国生态农业学报. 2013 21(1): 96-101.

紫色土坡耕地氮素淋失通量的实测与模拟

朱波, 周明华, 况福虹, 汪涛

朱波, 周明华, 况福虹, 汪涛氮淋失是氮素循环研究中最重要的环节之一, 获得准确的氮淋失通量是当今农田氮循环研究中必不可少而又较为困难的工作之一。紫色土土层薄, 土壤氮素难以蓄存, 加之降水丰富, 下伏透水性较弱的母岩, 淋溶水达到母岩后难以垂直下渗而沿土壤岩石界面出流、汇流形成壤中流, 紫色土氮素淋失主要表现为氮素随壤中流迁移流失。DNDC模型是基于过程的一种土壤碳氮循环模型, 常用于农田温室气体排放模拟, 但其应用于氮素淋溶的验证与测试不足。本文利用大型坡地排水采集器(lysimeter), 测定紫色土坡耕地淋溶水量(壤中流流量)和氮素淋失通量, 并利用观测数据对DNDC模型进行验证。结果表明, 紫色土坡耕地小麦玉米季累积淋溶水通量为323.6 mm, 径流系数33.3%, 氮素淋失量为36.93 kg·hm^-2, 占全年氮素施用量的13.2%。壤中流流量与氮素淋失量实测值和模拟值的Pearson相关系数分别为0.944 (P<0.05)和0.972 (P<0.05), Theil不等系数分别为0.07和0.1, 降雨量、土壤孔隙率和施氮水平是氮流失模拟的高敏感性参数。DNDC模型应用于紫色土坡耕地氮素淋失通量的模拟具有较高的可靠性, 同时DNDC基于过程模型的优势可以描述持续降雨条件下的氮淋失过程, 未来可通过进一步的验证, 测试DNDC模型应用于氮淋失过程及区域氮淋失评估的可行性。中国生态农业学报. 2013 21(1): 102-109.

地下水硝酸盐去除中反硝化微生物的研究进展

李发东, 张妍, 李静

李发东, 张妍, 李静地下水硝酸盐污染已经成为一个全球问题, 由于饮用高硝酸盐含量的地下水会增加高铁血红蛋白症和癌症风险, 地下水硝酸盐污染受到越来越多的关注。反硝化脱氮是地下水硝酸盐脱氮的主要途径之一。本文就参与地下水硝酸盐去除的反硝化微生物种类、反硝化机理、碳源类型以及地下水污染中微生物作用的国内外研究现状进行了较全面系统的评述。在此基础上, 提出了该类研究中存在的不足, 包括实验室研究较多但野外研究较少, 野外原位应用中对特定微生物特性方面研究缺乏, 碳源利用率低和硝酸盐去除速度慢, 去除过程中有效微生物的代谢途径仍不清楚等问题。针对这些问题, 本文认为以后的研究应该进一步开发野外原位应用中反硝化微生物资源, 并借助先进的分子方法和功能基因鉴定此类特殊微生物的种类、功能及其生态学行为, 选择最佳碳源, 完整深入地了解地下水硝酸盐去除中微生物的代谢过程, 识别反硝化过程中氮的来源与去向, 为寻找提高处理效率的方法提供理论依据, 真正将理论和实践结合起来。中国生态农业学报. 2013 21(1): 110-118.

水稻对UV-B辐射增强的生理响应及其分子机制研究

林文雄

林文雄本文以水稻为研究对象, 从细胞、个体和群体水平系统分析了不同水稻品种对UV-B辐射增强差异响应的遗传生理与防卫机制。试从农业生态系统角度, 结合作者近期研究成果, 系统分析了近年来国内外的研究重点及其成就。已有研究认为水稻对UV-B辐射增强的生理响应存在明显的种间差异，通常认为起源于靠近赤道附近的低纬度地区的籼稻品种比高纬度地区的粳稻品种更抗(耐)UV-B辐射污染，但许多研究结果不支持这一假说，即在籼粳稻品种中均存在明显对UV-B辐射增强呈不同抗性的种质资源。进一步研究结果表明水稻对UV-B辐射的响应差异是可遗传的数量性状。QTL定位分析结果发现多数抗UV-B辐射相关性状的加性QTL主要集中在第1、2、3、6染色体上，并检测到一些加性QTL还存在加性×加性上位性及其与环境的显著互作效应。作者还深入分析了水稻抗UV-B辐射增强的分子生理与调控机制，提出适当增加植物的硅营养，可以有效提高其抗逆性。最后，作者提出从农田生态系统角度研究和评价UV-B辐射增强所带来的生态风险及其影响是今后研究的重点, 强调应重视研究田间条件下UV-B辐射增强及其与其他生态环境因子的互作对作物生长发育的综合影响, 在此基础上, 探索建立作物遗传改良与栽培调控的减灾防灾技术, 为应对全球环境变化, 制订相关防护策略提供理论依据和技术支撑。中国生态农业学报. 2013 21(1): 119-126.

中国土地资源研究进展与发展趋势

刘彦随

刘彦随简要评述了近年来我国土地资源调查、土地利用规划、土地综合整治、可持续土地利用、土地资源优化配置与集约利用、土地资源安全与生态利用等领域研究取得的新进展。分析评判了中国土地资源学科发展的战略需求、目标定位和主要趋势。梳理总结了土地资源学术研究趋向和重点领域, 探讨了面向国民经济与社会发展转型战略, 进一步深化中国土地资源研究的具体建议和对策。指出了适应转型发展新形势, 中国土地资源创新研究要加强土地多学科集成研究、创新土地工程与技术体系、支撑土地整治规划设计和探索土地民生机制与途径, 扎实推进土地资源问题工程化、工程问题科学化和科学问题精准化。中国生态农业学报. 2013 21(1): 127-133.

干旱区绿洲演变与适宜发展规模研究--以塔里木河流域为例

陈亚宁, 陈忠升

陈亚宁, 陈忠升绿洲是干旱区人类活动的载体, 水是绿洲存在和发展的核心, 干旱区绿洲规模及可持续性问题与水密切相关。本文以中国西北干旱区的塔里木河流域为研究对象, 依据水热平衡原理, 建立绿洲适宜规模数学模型, 结合现状气象水文资料, 测算绿洲适宜发展规模。结果表明: (1)在自然因素和人为因素的综合作用下, 绿洲一直处于时空演变的过程; (2)水资源的消长变化是影响绿洲时空演变的直接驱动力; (3)水资源是制约绿洲发展规模的根本原因, 在塔里木河流域水资源供给现状下, 可利用水资源量已达到所能维系的最大绿洲规模, 耕地面积不宜再扩大。最后, 结合对塔里木河流域水土资源开发和绿洲发展存在的问题, 提出在干旱区绿洲农业发展过程中, 要着力发展绿洲节水产业, 大力推广节水技术, 改进灌溉方式, 加快径流调节工程建设, 实现地表水和地下水联合调度和管理, 提高水资源利用率。为干旱区绿洲可持续管理提供科学参考依据。中国生态农业学报. 2013 21(1): 134-140.