项目名称旱区生态与生产耦合系统研究

项目名称:旱区生态与生产耦合系统研究推荐单位:兰州大学申报奖种：自然科学奖项目简介:本项目总结了课题组过去二十年来的基础研究工作和技术推广进展。基础研究包括作物水分生理生态学、植物营养与土壤生态学、全球变化生态学和生态系统设计与管理等几个方面，研究内容从个体尺度到全球尺度、从自然层面到社会层面均有涉及。推广应用进展情况主要与甘肃省农业技术推广总站和甘肃省农业科学研究院合作，尤其是最近十年大面积推广田间微集雨技术，取得重要的增产增收效果。牵头单位兰州大学与主要参加单位宁夏大学、甘肃省农业技术推广总站、甘肃农业大学和甘肃省农业科学研究院等单位分别承担了基础理论研究、技术研发和推广应用工作。课题组成员有十多年的合作研究基础，提出了旱区生态系统管理与生产实践的耦合关系及圈层管理理论，包括西北半干旱雨养农业区和绿洲灌溉农业区。系统研究了黄土高原生态恢复与农业生产之间的权衡关系、河西绿洲农户生计与生态管理之间的关系、作物水分高效利用与可持续管理等，为西北旱区生态与生产可持续管理提供理论基础，技术应用到甘肃、宁夏、新疆等地。发表论文480篇，专著10部。学科范围涉及农村社会生态学、土壤学、农业生态学、可持续性科学、景观生态学等等。1）拓展和完善旱区生态与生产耦合理论（圈层管理）。西北干旱绿洲和半干旱黄土高原雨养农业区的农业生产与生态保护之间存在尖锐的矛盾，在总结过去三十多年的工作基础上，融合旱地系统发展范式（DDP）、人与自然耦合系统理论（CHANS）和脆弱生态系统差别分层管理理论（SFDM）,拓展了旱区生态功能区和生产功能区分层管理理论，为"大面积搞生态、小面积搞生产”实践提供理论支撑（EcologicalEconomics、PlantandSoil、Crop&PastureSciences、HumanEcology、生态学报和生态学杂志等）。以黄土高原与西北干旱绿洲生态系统为研究对象，揭示干旱农业生态系统的结构与功能关系，为研发节水农业技术和生态系统管理系统提供知识创新基础。2）较为系统地开展了旱地作物根冠通讯理论和进化机制研究，包括根源信号作用的土壤水分阈值区间"Z"模型及弱化假说、旱地作物株型演变规律、山黧豆毒素与干旱适应性之间的关联性等（见JAFC、PlosOne、EEB、PlantandSoil、JPGR等），揭示旱地麦类作物根源信号特征、产量形成和需水规律、系统提出旱地小麦生物量分配、水分利用和新陈代谢之间的协同关系规律，为麦类作物节水栽培和高产稳产技术提供理论支撑。3）较为系统地开展了绿洲农业灌溉区水土资源管理与农户生计改善研究，研究了气候变化下荒漠-绿洲复合体盐碱土发生规律及水盐运移机理，以及压减灌溉条件下农户生计与土壤质量维持之间的博弈与权衡关系，为绿洲农业区生态可持续管理和农户生计改善提供科学基础（见JEM、PJB、AEE和生态学报等）。4）以我国西北五省为为例，在人与自然耦合理论和生态足迹理论框架下，采用地统计学方法和GIS空间处理技术，以可持续发展思想为指导，在区域、县市、省级等不同尺度上开展了生态承载力空间分析，揭示了生态承载力的空间异质性，并在异质性的基础上进一步揭示了不同尺度不同赤字规律，以及生态承载力和人口密度之间的关系，首次揭示了生态承载力尺度依赖性的理论，为西北旱区生态系统管理"大面积搞生态、小面积搞生产"提供理论指导（JEM、EcologicalEconomics、PJB生态学杂志等）。5）开展和深化了生态型集水农业和生态可持续性的理论基础和技术应用范围。尤其是田间微集水技术在我国西北半干旱区的大面积应用，为确保粮食增产和生态恢复提供了理论支撑。仅就甘肃省为例，全膜双垄沟播技术推广面积达到两千万亩，主要应用到玉米和马铃薯两类大宗作物上（见FCR、AJ、EJA和JACS等）。另外，课题组将我国西北业已大面积应用的田间微集雨技术引进到非洲，作物水分利用效率和产量大幅度提高，论证了"用肯尼亚三分之一的耕地养活整个肯尼亚人口"的论断（UNEP和肯尼亚农业部评估报告）。主要完成人情况表“主要完成人情况表”中公示姓名、排名、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献、曾获科技奖励情况。姓名排名技术职称工作单位完成单位对本项目技术创造性贡献曾获科技奖励情况熊友才1教授兰^州大学兰^州大学研究主要工作是融合旱地系统发展范式（DDP）、人与自然耦合系统理论（CHANS）和脆弱生态系统差别分层管理理论（SFDM），以黄土高原与西北干旱绿洲生态系统为研究对象，揭示干旱农业生态系统的结构与功能关系，为研发节水农业技术和生态系统管理系统提供知识创新基础。教育部自然科学一等奖岳东2教授兰^州大学兰^州以我国西北五省为研究对象，在传统的生态足迹理论框架下，以高分辨率遥感影像为支撑，采用地统计学方法甘肃省科技进

霞大学和GIS空间处理技术，以可持续发展思想为指导，在区域、县市、省级等不同尺度上开展了生态承载力空间分析。步奖三等奖肖国举3教授宁夏大学兰^州大学围绕西北干旱半干旱区作物对气候变化的响应方式、响应机制及其评价技术进行了深入的研究。通过代表区域野外定位试验和资料分析揭示了西北地区作物生理生态对气候变化的响应特征，系统研究了气候变暖对西北地区作物播种期、发育期、产量、越冬作物的死亡率和病虫害等的影响，及其成因和机理，针对性的研究适应西北半干旱地区气候变化的农业技术对策。全国优秀气象科普作品图书类三等奖孙、国钧4教授兰^州大学兰^州大学基于特定区域自然及社会经济地理空间数据库，对特定农业措施的实施可能造成的潜在环境、经济和社会影响进行实时、在线分析与评估。研发登记了生态-农业评估管理系统，构建了生态-农业评估管理缶人乂）网站，实现了数据交互采集和更新，实现了利用过程和经验模型对生态-农业数据进行评估分析。无刘慧明5高级工程师环境保护部卫星环境应用中心兰^州大学以西北干旱绿洲生态系统为研究对象，基于流域未来气候变化情景和流量的变化趋势，以流域的水、土资源为可持续发展的限制条件，以"抓中间"绿洲生产，"保两头"山地和荒漠生态环境为指导思想，采用多目标线性规划方法，进行了流域内部的农业结构调整，得出流域实现社会、生态和经济效益最优化的农林牧种植结构。无熊春蓉6研究员甘肃省农业技术推广总站兰^州大学致力于旱作农业创新集成与研究示范、马铃薯高产创建技术集成与示范推广、全膜双垄沟播玉米秸秆还田技术研究与示范、微生物有机肥在马铃薯生产上的推广与应用、农作物抗冻避灾研究与示范以及职业技能鉴定等项目和领域，三年累计创新集成适宜我省多区域的旱作农业新技术十多项，引进抗灾新材料10多项，并在我省多县（区）组织开展试验示范，取得了阶段性成果。全国农牧渔业丰收奖一等奖张健7博士生兰^州大学兰^州大学以我国典型水源涵养区祁连山地区作为研究对象，基于传统的生态足迹理论，以可持续发展理论为背景，以高分辨率遥感影像为支撑，采用GIS空间技术和社会调研方法，对西北地区的水源涵养区祁连山保护区的生态健康情况进行评估。明确揭示了半干旱地区的生态保育和农户生计的关系，并参与研究了西北半干旱区的圈层理论模型的构建，为半干旱地区的农业生产生活方式提供了一个有效的调整方案。10篇代表性论文:中文专著：熊友才、李凤民、熊春蓉、肖国举、刘慧明.气候变化下旱区农事技术.兰州大学出版社，41.7万字，2014年1月，兰州，ISBN978-7-311-04266-0.Pu-FangLi,Zheng-GuoCheng,Bao-LuoMa,JairoAPalta,Hai-YanKong,FeiMo,Jian-YongWang,YingZhu,Guang-ChaoLv,AsfaBatool,BaiXue,You-CaiXiong*.2014.Drylandwheatdomesticationchangedthedevelopmentofabovegroundarchitectureforamoreself-Structurecanopy.PloSONE9(9):e95825.doi:10.1371/journal.pone.0095825Dong-ShanGong,You-CaiXiong*,Bao-LuoMa,Tian-MingWang,Jian-PingGe,Xiao-LiangQin,Pu-FangLi,Hai-YanKong,Zi-ZhenLi,Feng-MinLi.2010.EarlyactivationofPMH+-ATPaseanditsrelationtoosmoticadjustmentanddehydraulicadaptationintwocontrastingoatcultivars(AvenasativaL.).EnvironmentalandExperimentalBotany.69:1-8.(*Correspondingauthor)Guo-JuXiao,QiangZhang,You-CaiXiong,Mao-ZhiLin,JingWang.2007.Integratingrainwaterharvestingwithsupplementalirrigationintorain-fedspringwheatfarming.Soil&TillageResearch.93(2):429-437.Shao-MingWang,Hui-MingLiu,ZhengZheng,Jian-YongWang,JianZhang,Guang-QiangFu,Xu-ZheZhao,Zheng-HuaZhangandYou-CaiXiong*.2012.Endangeredecosystemconservation:A30-yearlessonfromtheevolutionofsaline-alkalisoilmanagementinManasiRiverwatershed,China.PakistanJournalofBotany,44:19-22.DongxiaYue,XiaofengXu,ZizhenLi,CangHui,WenlongLi,HequnYang,JianpingGe.2006.SpatiotemporalanalysisofecologicalfootprintandbiologicalcapacityofGansu,China1991-2015:Downfromtheenvironmentalcliff.EcologicalEconomics,58(2：393―406.XiaoGuoju,ZhengFengju,QiuZhengji,YaoYubi.2013.Impactofclimatechangeonwateruseefficiencybywheat,potatoandcorninsemiaridareasofChina.Agriculture,Ecosystems&Environment,181,108-114.Dong-XiaYue,ShengZhang,Xu-ZheZhao,FeiMo,JianZhang,RanWang,Geng-RuiWang,GordonM.Hickey,Hui-LiWang,Yu-QiongWang,You-CaiXiong*.2012.PolicystrategyforecosystemconservationoftheMinqinOasisofnorthwestChina.PakistanJournalofBotany44:51-57.GangPan,Guo-JunSun,andFeng-MinLi.2009.UsingQuickBirdimageryandproductionefficiencymodeltoimprovecropyieldestimationinthesemi-aridLoessPlateau,China.EnvironmentalModellingandSoftware.24:510