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2018年  第26卷  第10期

不忘初心 砥砺奋进 植根农业40年历程:祝贺中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心成立40周年
胡春胜
2018, 26(10): 1423-1428. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180797
摘要(731) HTML (6) PDF(678)
摘要:
本文回顾总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(原石家庄农业现代化研究所)成立40年来的主要科研历程与业绩。40年来,不忘初心,不断探索我国农业现代化发展道路与模式,20世纪70年代末探索了农业机械化示范模式,80年代开展了恢复型生态农业模式示范,90年代开展了资源节约型农业模式示范,21世纪初探索了智慧农业和生态循环农业模式;砥砺奋进,不断创新农业系统调控理论与技术体系,创建了农田SAPC水分传输与界面调控理论,量化了农田氮素通量过程,建立了农业面源污染防控理论与技术,发展了咸水安全灌溉理论,建立了林业生态工程理论,创建了食物链模型,创新小麦育种体系;扎根农业,组织了渤海粮仓科技示范工程等大规模区域农业示范,不断引领开展区域示范服务;放眼世界,不断拓展国际合作与创新平台,为我国农业绿色发展做出重大贡献。
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心的研究热点与研究方向变化分析——基于文献计量学分析方法
李荣娥, 冯学赞, 谢志霞, 马宝珍
2018, 26(10): 1429-1442. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180736
摘要(620) HTML (11) PDF(506)
摘要:
采用中国知网(CNKI)和Web of Science核心合集(WoS)两大数据库的文献计量分析工具,统计分析了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(以下简称"农业资源研究中心")创建40年来科技论文发表情况,从文献角度,分析农业资源研究中心的研究基础、研究热点和研究趋势的变化历程。共检索到论文2 052篇,中文文献1 467篇、英文文献585篇。论文发文总量呈逐年增长趋势,前20年以中文论文为主,2005年达到峰值,之后出现回落的趋势,但年发文量基本保持在50篇左右。2002年以后,英文论文呈快速增长态势,2003-2017年以26.85%的年均增长率增加。被CNKI引用≥50次的论文有118篇,被WoS引用≥50次的论文有44篇。中文论文发表在235种期刊上,英文论文发表在237种期刊上;发文量前10的中文来源刊平均影响因子1.022,英文来源刊平均影响因子3.411。论文的资助基金主要来源是中国科学院知识创新工程基金、国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技支撑计划等。国际合作基金项目呈逐年上升趋势,资助基金机构达到73个,出现频率较多的是中国科学院的国际合作项目、澳大利亚国际农业研究中心基金、国家留学基金和欧共体基金等。合作研究机构主要集中在河北、北京、山东、山西等地。与国外合作的研究单位主要集中在美国、日本、荷兰、澳大利亚、丹麦、巴基斯坦等国家。CiteSpace关键词共现分析显示,创建初期农业资源研究中心的研究内容少且较分散,体现在关键词数量少、相互联系弱。之后,研究主题不断增多,2000年左右达到峰值,关键词之间联系逐渐紧密。研究作物以小麦、玉米为主,研究区域集中在华北平原。目前气候变化的大背景下,研究内容主要集中于作物栽培、育种与分子生物学,农业水资源及其利用,农田生态系统及其碳、氮循环,及盐碱地土壤、水和植物的利用等方面。总之,农业资源研究中心在过去40年的发展中,取得了显著的研究成果,研究水平不断提高,形成了鲜明的研究特色。
水资源与节水农业
海河流域水资源演变与驱动机制
杨永辉, 任丹丹, 杨艳敏, 田菲, 胡玉昆, 韩淑敏
2018, 26(10): 1443-1453. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180658
摘要(708) HTML (31) PDF(541)
摘要:
海河流域含京津冀及周边三省,是我国水资源短缺和用水矛盾最突出的地区。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心团队围绕不断加剧的水资源短缺,研究了流域水资源演变的关键驱动机制:山区径流变化、农业需水和虚拟水外输,分析了流域水资源演变的主要原因,并对未来的可能调控提出了建议。研究首先选取海河流域的八大山区子流域,分析了20世纪60年代以来的径流变化,确认70年代开始山区来水逐渐减少,径流减少的关键时期是1978-1985年,推断农业用水增加是径流减少的核心驱动因素;其次,基于作物模型、作物系数法和遥感等手段,量化了海河平原农业用水的时空格局和区域水量平衡,通过对比农业耗水量、地下水水位变化和南水北调中线供水量,确立了山前平原区南水北调实施后为实现水量平衡需控制用水的进一步扩大、低平原区仍然亏缺的未来水资源态势;最后,通过粮食贸易的虚拟水分析,指出本地区外输虚拟水达90亿m3,是造成水资源短缺的重要原因,减缓虚拟水外输或输入一定虚拟水是缓解区域水资源压力的可选方案。
华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究
张喜英
2018, 26(10): 1454-1464. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180636
摘要(929) HTML (16) PDF(602)
摘要:
本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。
作物高效用水生理生态调控机制研究
董宝娣, 刘会灵, 王亚凯, 乔匀周, 张明明, 杨红, 靳乐乐, 刘孟雨
2018, 26(10): 1465-1475. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180687
摘要(634) HTML (2) PDF(617)
摘要:
提高作物对水分的高效利用是解决我国农业水资源短缺的根本出路。本文从作物高效用水的品种差异、作物不同生育时期对水分的响应差异、气孔导度对作物叶片奢侈蒸腾的调控、不同抗旱类型作物在应对水分胁迫的生理生态策略差异等4个方面,主要对国内研究进展及发展趋势进行了综述。根据本研究组多年研究结果,提出了3项作物高效用水的配套栽培技术,主要包括:1)调整种植结构,提高作物周年用水效率技术。利用作物及品种的用水特性、产量差、效率差,根据地下水压采目标,构建合理的作物种植结构与轮作方式,提高作物周年对水资源的利用效率。以太行山前高产区为例,冬小麦-夏谷子/春甘薯两年3熟制是一种产量、水分经济利用效率均较高的种植结构。2)活化播期,拓宽播种阈值,提高作物雨水利用效率技术。通过选用合适品种拓宽播期、等墒、找墒、保墒拓展利用土壤水分的时空范围、播量变量调节等,提高作物雨水利用效率。通过技术组装与配套,冬小麦只要在11月底之前播种,产量与常规种植没有显著差异。3)覆盖保墒,提高旱地作物高效用水技术。其中,小麦-玉米土下覆膜一膜两用丰产节水模式通过调节土壤温度、水分、盐分、抑制杂草等多项调控,显著提高了雨养农田作物产量与水分利用效率。在环渤海低平原沧州地区,该技术模式在没有任何灌溉条件下的周年产量达15 910.20~16 965.90 kg·hm-2,比对照增产10.52%~41.44%。深入探讨作物高效用水的生理生态基础、进一步研发提高作物水分利用的新技术、统一作物高效用水的量化标准和充分利用非常规水将是今后相当长一段时期的重点研究方向。
华北农区浅层地下水硝酸盐分布特征及其空间差异性
王仕琴, 郑文波, 孔晓乐
2018, 26(10): 1476-1482. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180639
摘要(726) HTML (12) PDF(454)
摘要:
华北平原地下水硝酸盐污染备受关注,然而受地貌类型、土地利用、土壤结构、含水层水文地质条件等因素差异性的影响,对区域尺度上农区浅层地下水硝酸盐污染程度和特征尚没有统一定论。本文通过综述过去华北平原地下水硝酸盐污染程度的相关研究,并结合近年来对华北平原农业种植区浅层地下水硝酸盐研究所取得的认识,指出补给源区(太行山低山丘陵区)、山前平原和低平原3个典型地貌类型区浅层地下水硝酸盐研究存在的问题:补给源区土地利用变化多样、土壤和含水层渗透性好,要重视对源区氮输入的控制,加强低山丘陵区气候变化对水文过程和氮迁移过程影响机制的研究;山前平原区是农业高产区,地下水埋深较深且包气带厚度大,较高的浅层地下水硝酸盐浓度除了与点源、污水渗漏以及污水灌溉等直接影响因素有关外,农田过量肥料施用对地下水硝酸盐影响的程度、水氮迁移路径以及未来潜在风险是农区地下水硝酸盐研究中亟需关注的问题;低平原区较细的土壤沉积结构减缓了氮向下迁移的速度,但地下水埋深较浅,二者的制约关系决定了地下水硝酸盐浓度,因此应在理解地表水-土壤-地下水转化关系的基础上评估地下水硝酸盐污染的风险。
高水效农业的微观和宏观研究
张正斌, 徐萍
2018, 26(10): 1483-1493. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180431
摘要(29) HTML (9) PDF(6)
摘要:
针对华北平原节水农业的方向,保障水资源和粮食及生态安全的目标,开展了高水分利用效率农业(简称高水效农业)微观和宏观等学科交叉研究。在微观研究方面,先后开展了小麦节水品种鉴定和选育、小麦水分高效利用生理遗传调控、相关基因克隆和功能及转基因、分子标记辅助选择育种研究,最近又向水分高效利用分子设计育种和基因编辑等新技术进军;选育出7个小麦品种,其中两个国审品种;出版代表性著作《小麦遗传学》和《作物抗旱节水的生理遗传育种基础》;获国家科技进步二等奖2项。在宏观研究方面,开展了旱地和高水效农业,水资源和粮食安全,作物适应气候变化,绿色农业,粮食丰产增效等研究;撰写了建设黄淮南片第二粮仓等重要咨询报告30多份,得到国家和地方政府采用和国家领导人批示;第二粮仓科技创新工程成为科技部2017年四大创新工程,中国科学院"十三五"重大突破项目;出版代表性著作《中国旱地和高水效农业的研究与发展》、《中国水资源和粮食安全与现代农业发展》、《应对气候变化与水资源高效利用以及粮食安全和绿色农业协同发展》和《中国第二粮仓发展战略与实践》等。在微观和宏观方面推动了我国高水效农业的深入发展,成为中国科学院在华北节水农业方面的一个特色学科领域。
生态与环境
中国食物链养分流动与管理研究
马林, 马文奇, 张福锁, 柏兆海, 侯勇
2018, 26(10): 1494-1500. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180668
摘要(907) HTML (7) PDF(567)
摘要:
为寻求食物生产与消费系统中粮食安全、资源高效和环境友好的协调和农业绿色发展途径,研究团队构建了"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"(简称食物链系统)研究体系,运用物质流动和养分代谢理论方法创立了养分流动模型,深入研究了该系统养分流动规律及调控机理,经过近十多年系统研究,获得结果如下:(1)提出食物链养分流动金字塔概念模型,创建了食物链系统养分流动模型。通过分析养分在"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"系统的行为特征,发现养分从"土壤-作物-畜牧"向"家庭"的流动呈金字塔状,其形状决定了系统生产力、养分效率和环境效应。处于金字塔顶端的"家庭"消费驱动了系统养分流动,决定了养分效率;"土壤-作物-畜牧"位于金字塔底层,支撑顶层"家庭"消费,决定了系统养分通量,也是养分调控的核心。在此基础上,开发了食物系统养分流动模型——UFER,构建了参数体系,实现了国家和区域尺度食物链氮磷流量、利用效率和环境排放的定量分析。(2)揭示了食物链系统氮磷养分流量、利用效率及其资源环境代价的时空变化特征。阐明了我国土壤-作物系统、农牧系统和整个食物链系统氮磷养分流量、养分效率和环境排放的时空分异特征;明确了土壤作物、畜牧和家庭各子系统对整个食物链养分环境排放的贡献;提出了食物氮(磷)代价概念,发现我国食物生产和消费的资源环境代价增速很快,已远远超过发达国家。(3)明确了食物链系统养分流动的驱动因素,阐明了提高养分效率和降低环境排放的调控机理。明确了决定食物链系统养分效率的关键环节,发现城镇化、食物结构变化和畜牧业发展是食物链养分流动加速的主要驱动因子;阐明了增加粮食和饲料进口、优化膳食结构和改善农牧业养分管理技术等对食物链系统优化的效应及作用机制。发现农牧结合和粪尿资源化利用是大幅度减少化肥需求和环境排放的关键途径,是实现农业绿色发展和食物链养分优化管理的重要突破口。
华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究
胡春胜, 张玉铭, 秦树平, 王玉英, 李晓欣, 董文旭
2018, 26(10): 1501-1514. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180633
摘要(947) HTML (5) PDF(835)
摘要:
华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。
华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究
胡春胜, 王玉英, 董文旭, 张玉铭, 李晓欣, 陈素英
2018, 26(10): 1515-1520. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180617
摘要(929) HTML (3) PDF(690)
摘要:
本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m-2·a-1的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40 cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO2产生和CH4吸收的主要发生层。
环渤海缺水区盐碱地改良利用技术研究
刘小京
2018, 26(10): 1521-1527. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180725
摘要(836) HTML (36) PDF(466)
摘要:
针对淡水资源匮乏制约盐碱地改良利用难题,自1982年以来,中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心在环渤海低平原和滨海平原开展了缺水盐渍区盐碱地改良利用研究与示范工作,取得了以下研究成果:1)研究明确了低平原缺水盐渍区盐碱地改良的浅层地下水埋深调控深度,建立了井灌代排、蓄雨淋盐的盐碱地改良技术模式;2)揭示了咸水结冰融水咸淡水分离在滨海盐土的入渗规律,发明了冬季咸水结冰灌溉改良滨海重盐碱地技术;3)提出了耦合盐碱区土壤水盐运移-气候条件-植物生长发育规律的盐碱地改良思路,建立了微域降盐、秸秆隔盐的盐碱地农艺改良技术模式;4)探讨了盐生植物适应盐渍环境的机理,建立了滨海盐碱地盐渍资源高效利用技术模式。形成了以咸水、雨水、耐盐植物高效利用为核心的工程措施、农艺措施与生物措施相结合的盐碱地改良利用技术体系,为环渤海缺水盐渍区农业发展和生态环境建设提供了科技支撑。
盐碱地水盐调控研究
孙宏勇, 刘小京, 张喜英
2018, 26(10): 1528-1536. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180607
摘要(632) HTML (7) PDF(599)
摘要:
高效安全利用咸水资源是提高环渤海低平原区农业生产可持续发展的重要保障。本文针对该区淡水缺乏、咸水充沛和土壤盐碱贫瘠等因素制约农业生产的问题,回顾了20世纪80年代以来在以中国科学院南皮生态农业试验站为典型代表站点的黄淮海缺水盐渍区开展的以盐碱地治理和农田生产力提升为目标的农田水盐运移过程及调控研究成果。20世纪50-60年代,该区域的工作主要是通过建立排水系统减少区域洪涝灾害发生。20世纪80年代,通过研究提出了控制盐碱的合理浅层地下水水位阈值,形成了以浅层地下水优化治理盐碱地提高农业生产的技术体系;20世纪90年代以来形成了微咸水资源安全灌溉理论及技术体系,冬小麦咸水灌溉阈值从3 g·L-1提升到5 g·L-1,并阐述了微咸水灌溉阈值提升的理论基础;近10年来研究并阐明了农田生态系统水盐运移过程及主要限制因子调控机理,研发了以集蓄雨水、咸水利用、合理引水和节约淡水为核心的农田多水源综合利用技术,集成了农田多水源综合利用模式。根据多年的研究积累,以突破水土资源限制农业生产的问题为导向,实施了国家区域战略性增粮工程渤海粮仓科技示范工程,取得了明显的社会、经济和生态效益。在农田水盐研究方面,未来将以提高综合效益和资源利用效率为核心,开展基于生态平衡的作物产量、质量和资源利用效率的协同提升研究,适应区域水土资源的农业绿色发展研究,微咸水高效安全利用的机理过程、技术研发及示范工作,为该区农业可持续健康发展提供理论依据和技术支撑。
华北平原缺水区保护性耕作技术
胡春胜, 陈素英, 董文旭
2018, 26(10): 1537-1545. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180615
摘要(680) HTML (10) PDF(470)
摘要:
针对华北平原缺水地区农田生产效益偏低和地下水严重超采导致的生态环境问题,以建立节水、高产、固碳的华北平原缺水区保护性耕作集成技术为目标,在国家科技支撑计划长期支持下,建立了华北平原历时最长的保护性耕作长期定位试验平台(2001年-),开展了小麦/玉米两熟制保护性耕作理论和关键技术研究,集成了农机农艺结合的高产节水型保护性耕作技术体系,并在河北省进行广泛示范推广。主要结果:1)华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作具有固碳、减排、节水、提高土壤质量等生态效应。长期保护性耕作具有土壤养分分层表聚现象:0~5 cm土层的土壤C、N、P、K、有机质含量高于5~10 cm土层,旋耕(RT)和免耕(NT1:秸秆直立免耕;NT2:秸秆粉碎免耕;NT3:整秸秆覆盖免耕)处理土壤有机碳(SOC)的层化比率为1.74~2.04,显著高于翻耕处理(CK和CT)的1.37~1.45。保护性耕作的固碳效应与机制:保护性耕作实施9年后不同耕作方式年固碳量(0~30 cm)NT2处理为840 kg·hm-2·a-1、RT处理为780 kg·hm-2·a-1、CT处理为600 kg·hm-2·a-1,14年后土壤有机碳(0~30 cm)发生了变化,NT2处理为540 kg·hm-2·a-1、RT处理为720 kg·hm-2·a-1、CT处理为710 kg·hm-2·a-1;长期免耕减少了土壤的扰动而降低了土壤碳的矿化率,土壤碳的累积主要固定在土壤大团聚体的颗粒有机碳中,固定态碳首先进入活性易分解有机碳库,然后缓慢转入稳定碳库。保护性耕作的减排效应:不同耕作系统全球增温潜力的计算结果表明,免耕是大气增温的碳汇,而其他耕作系统为碳源。NT处理每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm-2;CK、CT和RT每年向大气分别排放等当量碳3 364 kg(C)·hm-2、989 kg(C)·hm-2和343 kg(C)·hm-2。保护性耕作的土壤微生物多样性机制:保护性耕作显著提高了土壤中真菌、细菌、氨氧化古菌和亚硝酸还原酶(nirK)基因的反硝化微生物的多样性,但对氨氧化细菌与含nirS基因的反硝化微生物的多样性影响不大。保护性耕作节水保墒的土壤结构与水力学机制:常规耕作对土壤有压实的作用,而保护性耕作改善了土壤结构,有效提高了储水孔隙、导水率、田间持水量和有效水含量,秸秆覆盖又能有效减少土壤蒸发,具有开源与节流双重节水机制。2)建立了趋零蒸发的麦田玉米整秸覆盖全免耕种植模式。在小麦/玉米一年两熟种植区,首次提出了玉米整秸秆覆盖小麦全免耕播种的种植模式,实现了小麦玉米全程全量秸秆机械化覆盖,形成土壤无效蒸发趋于零的保护性耕作体系与方法;研制了实现趋零蒸发的4JS-2型梳压机和2BMF-6型小麦全免耕播种机组,比目前推广的2BMFS-6/12小麦免耕播种机减少作业动力45.2%,降低作业费用33.3%。3)建立了3年一深松(翻)的少免耕-深松轮耕模式,集成了节水高产保护性耕作技术体系。制定了华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作技术体系等河北省地方标准,与农业、农机部门联合示范,推动了河北省保护性耕作技术的推广和应用。成果在河北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区进行了示范推广,社会效益和生态效益显著,2013年获河北省科技进步一等奖。
北方土石山区生态修复与水源涵养研究进展与展望
曹建生, 张万军, 阳辉, 郝小华, 刘秀萍, 王贺辉
2018, 26(10): 1546-1554. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180663
摘要(741) HTML (1) PDF(538)
摘要:
生态文明建设与生态环境保护是人与自然和谐相处与和谐共生的必然要求,是实现经济社会可持续发展和人民群众对美好生态环境的现实需要、建设美丽中国的实际需要。针对太行山区生态系统严重退化、环境容量与承载力低下、基础设施薄弱、自然条件与资源禀赋较差、贫困程度较深等问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心从20世纪80年代开始在太行山中段东坡的低山丘陵区进行生态修复与可持续发展的研究,通过30年的研究实践,提出并建立了较为完整的北方土石山区生态修复治理体系,为山区生态文明建设和生态环境保护,以及扶贫攻坚和社会经济可持续发展提供了经验与示范。本文通过30年研究历程回顾、研究与展望,总结了土石山区生态修复与水源涵养的进展与展望。太行山林业生态工程建设主要经历了3个阶段:一是研究初始阶段(1986-1996年),确定了退化山地生态系统恢复的途径与技术理论,建立了以水土富集为中心的林业生态工程。二是提升发展阶段(1997-2007年),这一阶段主要是研究了影响退化山地生态系统恢复与重建的关键因子与影响机制,并提出了有效的技术措施与解决方案。具体说来,在径流林业研究方面,研制出了太行山水土富集工程带间距计算公式;在降水资源转化与水分运移规律研究方面,明晰了岩土二元结构体的降水-土壤水-裂隙水的基本补给路径,揭示了岩土界面"优先流"与裂隙网络"优先流"的运行转化规律,阐明了浅层风化裂隙岩体渗流的动态变化特征及对植被耗水过程的响应关系;在降水资源调控利用研究方面,研制出了生物集雨新材料、营养调理剂和生物集雨面建造施工工艺。三是全面创新阶段(2008年-),重点探讨了山区生态产业开发与区域可持续发展问题,研发了经济林土壤扩蓄增容技术、石质山地困难立地造林技术、经济林生态隔离带调控技术、京津风沙源治理工程区沙产业开发技术,以及林下经济、循环经济、生态旅游等生态产业化技术体系。下一步将在目前研究的基础上,向人口密度较大、人类活动频繁的雄安新区上游山区扩展,重点开展以国土绿化、景观建设、水源涵养、水土流失治理、污染防治为主要内容的山水林田湖草一体化生态环境与气候变化监测,研究现代干扰条件下山地灌丛生态系统向森林生态系统的演替过程及主要驱动因素,山地水旱灾害形成机制、降水资源调控与水源涵养,以及以产业生态化和生态产业化为主体的山地生态经济体系,为构建结构稳定、功能完善的京津冀生态环境支撑体系与水源涵养功能体系提供科学依据和技术支撑,为山地生态系统经营管理,实现其生产、生态功能和系统稳定性提供科学参考。
重金属污染农田安全利用:进展与展望
杨树深, 孙衍芹, 郑鑫, 李小方
2018, 26(10): 1555-1572. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180573
摘要(827) HTML (13) PDF(754)
摘要:
我国耕地土壤污染面积广,污染情况复杂,农产品重金属超标问题已经关系到国计民生。常用的物理化学修复方法成本高,不适用于大面积的中低污染农田。植物提取修复方法成本低,环境友好,但修复时间长,推广困难。总的来讲,基于重金属移除的诸技术在解决农田重金属污染方面还没有太大优势。相较而言,农田安全利用在不移除或缓慢移除土壤重金属的条件下,以生产安全农产品为目标,具有更加坚实的现实意义和推广价值。种植低吸收农作物是安全利用的重要措施,基因工程手段在低吸收农作物品种筛选中具有巨大的潜力,但其可能带来的生态环境风险使得这些通过基因工程得到的低吸收作物的田间种植面临着巨大挑战。土壤添加剂可以改变土壤重金属形态,降低重金属的生物有效性,但会对土壤质量产生影响。微生物尤其是土著微生物的利用越发受到关注,改变微生物的生存环境与基因工程手段能够强化微生物的钝化效果。施肥、水分管理、间作等农艺措施也能改变土壤重金属的形态,抑制作物对重金属的吸收。未来以加强推广为目的,多种技术手段的联合应用是重金属污染农田安全利用的重要发展方向,其中以生物技术为核心的利用模式具有十分重要的意义。
植物遗传与育种
植物花分生组织终止发育机制的研究进展
张科, 郭鑫鑫, 刘西岗, 郭琳
2018, 26(10): 1573-1584. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180653
摘要(698) HTML (9) PDF(673)
摘要:
植物花的发育依赖于花分生组织(floral meristem,FM)活性的维持与分化。当FM完成各轮花器官原基的起始后,其活性会程序性地终止(termination),这个过程就是FM的终止发育过程(FM determinacy)。FM的终止发育是一个复杂精细且多步骤的调控过程。WUSCHEL(WUS)是一个具有同源异型结构域(homeodomain)的转录因子,其对FM的活性维持及终止发育发挥着重要作用。越来越多的研究表明许多转录因子以及环境信号、激素信号和表观遗传相关因子通过对WUS及其调节基因的调控来影响FM终止发育过程。本研究组首次在组织水平阐明了生长素和细胞分裂素调控FM活性的分子机制:AUXIN RESPONSE FACTOR3(ARF3)能够整合AG、APETALA2AP2)和生长素(auxin)的信号通过抑制细胞分裂素(cytokinin)信号系统调控FM终止发育;还首次证实光信号对FM活性调控的分子机制:FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3(FHY3)通过PHYTOCHROME APHY A)信号途径介导光信号对WUS表达的调控;在基因水平上首次揭示了染色质构象变化对FM终止发育的调控作用:AGAMOUS(AG)可以直接结合到WUS的调控区并招募PcG蛋白对WUS5'-TSS和WUS3'-CRE的结合,以介导WUS染色质环状结构(chromatin loop)的形成,进而抑制WUS的转录,而DNA TOPOISOMERASE 1 TOP1α(TOP1α)对染色质的高级结构的重塑作用也是该染色质环形成的基础。随着3D基因组(three dimensional genomics)时代的到来为我们进一步理解FM终止发育机制提供了新的窗口,而FM终止发育机制在农业生产上的运用也体现了其巨大的应用价值。本文首先简述了拟南芥(Arabidopsis thaliana)花发育研究的发展史,介绍了花发育相关领域所关心的3个科学问题,并着重阐述了FM终止发育调控的研究进展与前景。
植物PTI天然免疫信号转导研究进展
杨俊, 吕东平
2018, 26(10): 1585-1592. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180533
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摘要:
病害是危害农业生产的重要因素之一,植物对于病原菌的抗性依赖于植物的天然免疫(plant innate immunity)系统。因此,对于植物天然免疫的研究将为农作物抗病育种提供重要理论基础。植物天然免疫系统包含彼此相互关联的两个层面,即PTI(PAMP-triggered immunity)和ETI(effector-triggered immunity)。近年来,国内外对于PTI的研究取得了一系列重要进展。PTI是由病原物相关分子模式PAMP(pathogen-associated molecular pattern)所诱发的植物免疫反应。PAMP被位于植物细胞表面的受体识别后,将免疫信号通过胞质类受体激酶BIK1(Botrytis-induced kinase 1)、MAPK级联、CDPK(calcium-dependent protein kinase)等向下游传递,诱导活性氧的爆发、气孔的关闭、免疫基因的表达等,从而抑制病原微生物的生长。免疫信号在传递过程中会在多个层次上被精细调控,以保证合适的反应强度和持续时间。本文从植物免疫受体FLS2及其他免疫受体的发现、免疫信号转导组分的发现以及其生物学功能、参与天然免疫的转录因子、植物免疫反应的负调控及植物天然免疫在抗病育种中的应用等方面综述了近年来植物PTI天然免疫的分子机理和信号转导方面的研究进展。并对该领域的发展提出展望,我们认为农作物天然免疫信号转导和作物与致病真菌互作系统的研究将会是未来研究的重点和主要方向,天然免疫的重要理论与基因编辑技术的结合,必将使作物抗病育种迎来新时代。
高通量测序技术在微生物分子生态学研究中的应用
王新珍, 王凤花, 孙瑞波, 刘彬彬
2018, 26(10): 1593-1600. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.180695
摘要(955) HTML (12) PDF(1271)
摘要:
微生物在众多的自然和人工生态系统中发挥着核心的作用,但能够被培养分离的微生物在大部分生态系统中只占极少一部分,极大地限制了人们对微生物组成、功能及其潜在应用的认识。分子生物学方法,尤其是高通量测序技术应用到微生物生态学研究中,为认识微生物多样性、群落结构组成及其生态功能提供了有利手段。高通量测序作为一种新兴的免培养分子生物学技术,具备检测快速、准确、信息全面丰富等特点。随着高通量测序技术的不断升级换代,测序通量、读长和准确度的不断提升以及成本的大幅下降,该技术在过去十几年间被迅速应用于土壤、水体和肠道等微生物区系的研究中。本文简述了基于高通量测序技术的PCR产物测序技术和宏基因组学测序技术的原理、发展历程、数据分析方法与应用,以及宏基因组学测序技术在病毒学领域的应用,以期为微生物分子生态学研究提供参考。