中国科学院黑土区农业生态重点实验室
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  中国科学院黑土区农业生态重点实验室

概况

中国科学院黑土区农业生态重点实验室成立于2009年12月,依托单位为中国科学院东北地理与农业生态研究所,实验室分别坐落于我国典型黑土区的哈尔滨市和长春市,建有海伦黑土农业生态实验站、大安碱地生态试验站、长春综合农业实验站等5个长期定位实验站。实验室以我国东北黑土为研究对象,以土壤生态学、农田生态学、作物生理学为学科基础,融合地理学、环境科学、生态学等学科理论和方法,围绕黑土区农业可持续发展中的耕地保育、环境健康、生态优化等重大科学问题,开展基础性、战略性、前瞻性及学科交叉研究,为国家粮食安全和生态安全做出重要科技贡献。

 

总体定位、目标与研究方向

1. 总体定位

面向国家粮食安全、生态安全重大科技需求,针对黑土区农业发展面临的耕地质量下降、黑土退化、农田水土调控能力降低等关键科学问题,开展土壤生态、农田生态系统过程与管理、作物生理生态等学科领域研究,揭示黑土农业生态过程及驱动机制,阐明黑土农田生态系统物质循环及与作物潜力的生理生态机制,攻克黑土地力提升、作物资源高效新型种植模式、盐碱地高效治理等关键技术难题,推进黑土区高产、优质、高效、生态农业发展,为实现黑土资源可持续利用,为黑土区农业可持续发展提供科技支撑。

 

2.目标

以中国东北黑土农业生态为重点研究领域,形成基于地表系统过程农业生态学自主创新体系,保障国家生态安全和粮食安全,为东北区域农业可持续发展提供理论基础和技术支撑的能力,建成具有国际先进水平的东北区域农业研究中心,建成特色鲜明的农业生态学人才培养基地。

 

3.研究方向

研究方向一:黑土区土壤质量演变与驱动机制

重点研究黑土质量退化关键过程与时空变异、黑土侵蚀营力作用过程与关键控制因子、土壤盐渍化过程及障碍机理,揭示土壤水肥气热耦合过程及机理、侵蚀沟空间分布特点及发展趋势、盐渍土的空间分布规律及主控因子,发掘土壤质量保育和定向培育理论与方法,构建黑土质量动态数据库和时空分异预测模型,建立水土保持耕作技术体系、盐渍土生态恢复及综合治理关键技术体系。

研究方向二:作物生产力与生理生态机制

针对作物产量性能优化过程中的物质生产、分配和产品器官形成三大关键过程,重点研究作物高产群体营养体结构与物质有效生产贮运的关系,探讨作物高产群体受容系统结构与高收获性能的调节机制,明确作物高产高效理想群体定向调控途径,揭示作物光合物质生产、贮存与调运的高效机理,建立作物高产高效新型种植模式和技术体系。

研究方向三:农田与草地生态系统过程与管理

重点研究黑土农田和草地生态系统生产力稳定增长机理与优化管理,建立黑土区水土资源动态评价指标体系和预测模型,探讨全球气候变化对农田和草地生态系统的影响并提出管理对策;研究黑土农田和草地生态系统植物—土壤生物间关系及其相互作用机制,明确土壤生物对农艺措施的响应与适应机制及在农田生态系统恢复中的作用,定量描述黑土中微生物、动物和线虫等种类和变化特征,挖掘黑土微生物对作物病虫害的生物防治潜力。

 

技术支撑

1.仪器设备

实验室拥有各类仪器500余件套,总价值2000余万元。随着近年来对科研力度的加强,实验室设备的投资力度不断加大,仪器的更新率和保有率也不断提高。仪器的配备按照实验室的研究发展方向日趋合理化,仪器设备的管理也更加规范化和科学化。

30万元以上仪器设备一览表

 

2.平台

实验室包括海伦农业生态实验站、大安碱地生态试验站、长岭草地农牧业实验站、黑土水土保持监测研究站、长春综合农业实验站。海伦农业生态实验站是国家野外观测研究站和中科院CERN核心台站,长期聚焦黑土农田基础和应用基础研究,是我国乃至国际上开展黑土研究的重要基地,也是农业部大豆、甜菜产业体系的重要台站;大安碱地生态试验站以解决区域生态和农业生产关键问题为特色,得到国内同行的高度评价,2015年实验站被评为中科院先进集体;海伦黑土水土保持监测研究站进入了水利部水土流失监测网络重点台站系列。每年有众多国内外学者赴各实验站开展合作研究。

 

承担主要项目及成果展示

1.当前承担主要项目

2.主要成果(2011-2015) 

SCI论文

131篇

CSCD论文

142篇

授权专利

87项

出版著作

8部

国家奖

2项

省部级奖

16项

3. 创新成果

 (1)黑土农田地力提升基础理论及其关键技术研究

进一步揭示了黑土地力变化的物理、化学过程及其生物驱动机制,解析了黑土生物群落结构、功能地理分布及其与黑土有机碳变化的关系,阐明了黑土高生产力维持机制,构建了黑土耕地保育和地力提升的关键技术指标;建立了侵蚀黑土水土保持耕作技术、退化黑土肥沃耕层构建技术等系列技术体系并在黑土保护工程中得到推广应用,累积示范推广10万亩以上。研究成果获得省级自然科学一等奖2项,在《Soil Biology and Biochemistry》、《Applied and Environmental Microbiology》、《Plant and soil》等Ⅰ区和Ⅱ区国际主流期刊发表高水平SCI论文10篇;撰写了“以技术创新和集成助推黑土资源保护与可持续利用”咨询报告。

 大豆根系活动与土壤相互作用的生态学机制。通过长期定位试验,①明确了种植大豆改变土壤物理结构的机理,揭示了大豆根系生长控制土壤养分供应强度和容量的机制、以及土壤物理结构特征控制大豆根系生长的内在关系;②量化了土壤不同速效氮素含量对大豆联合固氮能力的影响,解析了不同土壤条件对大豆根瘤菌丰度和群落结构的影响机制;③阐明了基于大豆根系生长发育的土壤生态系统生物链和食物网特征,以及线虫、细菌和真菌控制土壤碳、氮、磷循环的速度和方向。研究成果对大豆培肥土壤功能进行了理论阐述,创建了“大豆根-土互作生态学”,丰富了耕作学理论体系,在国际上产生了重大影响,并对黑土区调整作物结构、设计合理的作物轮作体系具有重要意义。成果获得2015年度黑龙江省自然科学一等奖。

 菌根真菌与宿主植物互作机制研究。阐明了丛枝菌根真菌与植物间的营养“对话”途径,发现了碳、氮、磷等元素在菌根真菌和植物间的代谢转运过程、及其相互影响规律,发展完善了菌根真菌与植物间碳、氮耦合模型;揭示了丛枝菌根真菌提高植物抗胁迫能力的生理生化机制,特别是如何通过提高植物的光合速率、保护酶的表达等实现抗逆效应;解析了植物与丛枝菌根真菌间相互作用的信号调控机制,阐释了各信号物质的作用及其调控方式;探明了菌根共生体对人类活动的响应及其生态学特征。对于提高农田生态系统养分利用、提高作物抗逆性具有重要意义。成果获得2015年度吉林省自然科学一等奖。

(2)东北苏打盐碱地高效治理的理论和技术体系

针对苏打盐碱地障碍因素以及开发种稻的关键技术难题,在作物耐盐碱生理机制研究方面取得新进展,创建了苏打盐碱地改土增粮关键技术,筛选和培育出耐盐碱水稻品种进而破解了苏打盐碱地以稻治碱品种匮乏的瓶颈。申请新型盐碱地土壤改良剂发明专利2项,完成“生物炭与微生物菌肥改良盐碱地操作技术规程”、“生物炭改良盐碱地操作技术规程”。技术在松嫩平原西部累计推广8647万亩,增产粮食39.2亿kg,新增经济效益105亿元。实现了盐碱地大规模增产增收和环境友好治理双赢,极大地推动了盐碱地治理的技术进步。成果“苏打盐碱地大规模以稻治碱改土增粮关键技术创新及应用”获得2015年度国家科技进步二等奖。同时,实验室作为第一承担单位获得2015年国家“973”项目“人工草地生产力形成机理与调控途径”支持。

(3)东北主要作物新型种植模式与作物生产力提升理论与技术体系

针对东北主要作物相互遮阴、光合效率低、产量潜力难以发挥的科学问题,以优化作物群体结构、提高光资源利用率为目标,创建了作物高光效新型种植模式。该模式依据经纬度、太阳高度角、方位角、植株高度等参数,科学量化了作物最佳种植垄向(东北黑土区磁南偏西18-23度)和垄距(玉米160cm+40cm,160cm为通风透光带,40cm种植两行玉米,6-7万株/hm2;水稻50cm+20cm,50cm通风透光带,20cm种植两行水稻,20-25穴/m2);构建了玉米垄间苗带交替休闲耕作、留高茬和秸秆全株还田、高效水肥管理等系列技术,即:160cm通风透光带内每年种植40cm两行玉米、交替种植3年、第4年重复第1年苗带、休闲3年,收获后留茬30-35cm,其余秸秆放在40cm行间,按玉米需水需肥规律和土壤供水供肥能力及自然降水实施田间水肥管理。该模式促进了耕地地力恢复,降低了土壤侵蚀,提高了土壤保水保肥能力,明确了作物群体受光环境优化、光合性能提高是高光效新型种植模式的主要增产机制(作物PPDK等5种光合关键酶活性提高及持续时间延长机理,糖、淀粉等光合产物分配和转运规律)。玉米和水稻光能利用率分别提高0.19%、0.14%,玉米和水稻产量分别提高6-15%、5-10%。技术模式累计示范1273万亩,增产粮食84.46亿kg,增收10.37亿元。成果“作物高光效新型种植模式及配套技术研究与应用”获得2015年度吉林省科学技术进步一等奖、2014年度中国科学院科技促进发展一等奖。撰写了“加快免耕播种机产业化,推行秸秆全覆盖还田”的建议报告。

 

人才培养与国内外合作交流

1. 人才培养 

5年间(2011-2015)已培养毕业研究生48人,其中博士28人,硕士20人。目前实验室在读研究生 41 人,其中硕士 10人、博士 31 人。在培养的研究生中有10%的研究生在国外高水平大学进行了联合培养。同时实验室同东北农业大学、东北林业大学、八一农垦大学等高校联合培养研究生百余人。 

 

2.合作交流

组织举办会议

    

实验室构成: 

主任:李秀军 研究员 

副主任:王光华 研究员,田春杰 研究员 

人员组成: 

实验室现有固定人员62人,其中正高级职称20人,副高级职称26人,中级职称16人。实验室还有41名研究生,其中硕士10人、博士31人,和4名博士后流动人员。人员老中青结合,以中青年科技人员为主体,研究队伍比例合理。 

    

研究团队: 

黑土退化与修复 

土壤物质循环 

黑土有机碳与保护性耕作 

盐渍土生态与改良 

土壤微生物与养分循环 

农田分子生态 

作物生理与栽培 

草地农牧业 

农田有害生物控制 

 

 
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