魏文學 謝小立 秦紅靈 李鳳娜 陳安磊 張文釗 盛 榮陳焱國 侯海軍 尹春梅 陳春蘭 劉 毅 王 衛(wèi) 劉 飛

1 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室 長沙 410125 2 中國科學院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站 桃源 415700

紅壤是我國分布面積最廣的土類之一，主要分布在北緯 25°—31° 的中亞熱帶廣大低山丘陵地區(qū)，總面積達 5 690 萬公頃。南方紅壤丘陵區(qū)以長江中游洞庭湖流域為核心地帶，橫跨湘、鄂兩省，地處湖南北部，長江中游南岸，西南接湘、資、沅、澧四水，北納荊江四口分流。洞庭湖流域集水面積 26.3 萬平方公里；其中湖南省境內(nèi)面積 20.4 萬平方公里，湖北省境內(nèi) 5.9 萬平方公里，為我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，以“魚米之鄉(xiāng)”著稱。該區(qū)域年均溫 14℃—18℃，最冷月均溫 0℃—5.5℃，絕對最低氣溫 -10℃—-20℃，最熱月均溫 27℃—28℃，無霜期 210—270天，10℃ 以上活動積溫達 4 500℃—5 000℃。農(nóng)業(yè)一年二熟或三熟，年降水量 1 000—1 500 mm，季節(jié)分配較均，但有“伏旱”。土壤主要是紅壤、黃棕壤或黃褐土，平地大部為水稻土。紅壤生物富集作用十分旺盛，自然植被下的土壤有機質(zhì)含量可達 70—80 g·kg-1；由于不合理的耕作，土壤侵蝕嚴重，土壤肥力下降。黃棕壤有機質(zhì)含量也比較高，但經(jīng)過耕墾明顯下降。該地區(qū)的紅壤和黃棕壤一般質(zhì)地黏重，透水性差，地表徑流量大，若植被消失、土壤結(jié)構(gòu)破壞，極易發(fā)生水土流失，制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

中國科學院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（前身“中國科學院長沙農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所桃源實驗站”，自 1989 年5 月 1 日更名為現(xiàn)名，以下簡稱“桃源站”），由原中國科學院桃源農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所于 1979 年 6 月成立，是中國科學院設(shè)在我國江南丘陵地區(qū)，代表區(qū)域為亞熱帶江南紅壤丘陵復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)。桃源站的科學研究大致可分為 3 個階段：第一階段為 20 世紀 80 年代，科研任務(wù)主要是建設(shè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化基地縣，探索我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路；開展了探索基地縣實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中的科學技術(shù)研究、中間試驗、新技術(shù)運用和推廣及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟等課題研究。第二階段為 20 世紀 90 年代，主要開展了亞熱帶紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、演替及其調(diào)控，以及農(nóng)業(yè)資源高效利用和可持續(xù)發(fā)展的理論與技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化、區(qū)域農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展與生態(tài)建設(shè)、復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合觀測研究。21 世紀初至今為第三階段，科研任務(wù)主要是圍繞亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)格局與過程調(diào)控及發(fā)展模式等問題，重點開展區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理、農(nóng)業(yè)整體效益的提高、建立區(qū)域農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展的技術(shù)體系與優(yōu)化模式，以及復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境要素進行動態(tài)監(jiān)測與綜合研究。通過長期研究，桃源站為南方紅壤丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)耕地地力提升和水土流失治理，區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)環(huán)境改善提供重要理論和技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)分析了南方潛育性和次生潛育化水稻土的形成原因，并且創(chuàng)制了一系列改良措施，為我國潛育性水田的治理提供了技術(shù)支撐，為國家糧食安全作出了重要貢獻

根據(jù) 1978—1979 年桃源縣農(nóng)業(yè)資源綜合考察和第二次土壤普查，桃源縣潛育性稻田的面積高達 43.6 萬畝，占全縣稻田的 41.6%，比第一次土壤普查增加 28.6 萬畝[1,2]。南方各省約有潛育性稻田 1 億畝，是一個糧食產(chǎn)量提高的嚴重障礙。桃源站科學家首次提出了次生潛育化水稻土的概念，并應用化學、物理學、生物學等現(xiàn)代科學理論與研究手段，對潛育性和次生潛育化水稻土的形成條件與類型，以及土壤的物理學、化學、生物學及養(yǎng)分特性，進行了較為系統(tǒng)的研究。闡明了潛育性水稻土的主要缺陷是土壤通透性差、土溫低、還原物質(zhì)積累較多，土壤微生物數(shù)量少、活性低，有機物礦化分解和養(yǎng)分釋放緩慢，有效養(yǎng)分不足。根據(jù)其形成原因和特性，將潛育性水稻土劃分為 6 個類型，并提出了 3 項主要改良措施：① 針對潛育性水稻土的不同類型，采取挖明溝或暗溝的工程排水措施，排除土壤漬水[3]；② 實行水旱輪作等生物改良措施，縮短土壤漬水時間，改善土壤通氣性，改良土壤理化及生物性狀[4]；③ 合理施肥，以協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應狀況[5,6]。

從 1979 年開始，通過 5 年多的研究、試驗、示范和推廣，對潛育性水稻土的形成和改良途徑有了比較明確的認識和措施，桃源縣全縣潛育性水稻土的改良面積已達 20 萬畝，累計共增產(chǎn)稻谷 7 680 萬斤，按當時每百斤稻谷 11.5 元計算，共增加產(chǎn)值 883.2 萬元（若按平均價格每百斤 13.5 元計算，則增加產(chǎn)值 1 036.8 萬元），扣除工程措施成本 100 萬元，獲凈經(jīng)濟效益 783.2 萬元[6]。該項研究成果也為改良我國南方約 1億畝潛育性和次生潛育化稻田提供了經(jīng)驗。

2 系統(tǒng)研究紅壤稻田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)力與系統(tǒng)健康的協(xié)調(diào)機制，為稻田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)、高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐

為研究長江中游紅壤丘陵區(qū)施肥對水稻生產(chǎn)力及肥力的影響，桃源站設(shè)置了稻田施肥長期定位試驗（圖 1），主要設(shè)置了化肥、化肥配合有機物還田等施肥處理。通過分析稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力演變狀況，以及稻田生產(chǎn)力持續(xù)性特征、原因及其穩(wěn)產(chǎn)性的影響因素，證實稻田生態(tài)系統(tǒng)是一個自我維持能力較高的生態(tài)系統(tǒng)。氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分均衡施用是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基本條件，而稻草、綠肥等有機物的配合施用均表現(xiàn)出了產(chǎn)量增益效應，但是隨著 N、P、K 肥料配合程度的提高，有機物循環(huán)利用的增產(chǎn)效益呈明顯下降趨勢。施肥對水稻產(chǎn)量及其持續(xù)性影響的實質(zhì)主要體現(xiàn)在養(yǎng)分的均衡供應方面，在養(yǎng)分缺乏情況下，有機肥的施用能顯著提高水稻產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)性。但在均衡施肥（N、P、K 施肥模式）的基礎(chǔ)上，大量的有機物無機肥的施用反而降低了產(chǎn)量穩(wěn)定性[7-9]?？梢姡m量和平衡地提供水稻所需的營養(yǎng)元素是水稻穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，利用稻田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的有機物能實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和部分養(yǎng)分的替代功能。因此，控制化肥的投入或配合有機肥的施用是區(qū)域稻田生產(chǎn)力可持續(xù)性及系統(tǒng)健康的重要調(diào)控手段。

圖 1 稻田水肥高效利用長期定位試驗

由于稻田 N、P 等養(yǎng)分流失較其他土地利用方式嚴重[10]，且化肥撒施是導致稻田 N、P 流失的重要原因之一[11-13]，桃源站構(gòu)建了基于化肥一次性深施的減氮控磷施肥技術(shù)[14]，并建立了雙季稻減氮控磷長期定位試驗。連續(xù) 6 年的田間試驗結(jié)果表明，通過將雙季稻化肥施用方式由表面撒施改為深施，減少 30% 氮肥用量不僅可以維持雙季稻產(chǎn)量的穩(wěn)定，還可以增產(chǎn) 5%—10% 左右，且氮肥利用效率提高到 44% 左右，每年可減少雙季稻田氮肥投入 90 kg · hm-2。通過分析發(fā)現(xiàn)，該施肥技術(shù)可降低稻田表層水中 70%—90% 的氨氮和 20%—30% 的總磷，每年減少雙季稻田 N 流失 9 kg · hm-2，P 流失 0.15 kg · hm-2?；陔p季稻田減氮控磷施肥技術(shù)的研發(fā)，在桃源縣楓樹鄉(xiāng)開展了機械化大田示范。連續(xù) 2 年的試驗結(jié)果顯示，與當?shù)氐某Ｒ?guī)拋秧相比，該技術(shù)可以顯著降低控制稻田表面水層的氮、磷濃度，進而有效控制了氮、磷損失，顯著提高了氮肥利用效率。因此，通過進一步的技術(shù)改進和理論探究，該施肥技術(shù)可以在我國南方雙季稻田進行推廣應用。

近 10 年來，稻田面臨著休耕、棄耕等土地利用方式改變的風險。農(nóng)村勞動力不足和稻作經(jīng)濟收益較低是我國南方傳統(tǒng)稻作區(qū)棄耕日趨嚴重的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一。稻田土壤碳庫是在長期人為水耕條件下形成的，其棄耕前后土壤的物理、化學和生物學特征顯著改變[15,16]，且有別于其他農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)棄耕前后的改變，因此稻田棄耕后土壤碳庫的變化特征應不同于其他棄耕農(nóng)田。為弄清棄耕對稻田土壤碳庫影響，我們利用稻田棄耕長期定位試驗為研究平臺，從土壤有機碳、活性碳庫動態(tài)變化特征及其影響因素等角度開展了相關(guān)研究[17]。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，棄耕 8 年后稻田土壤有機碳及碳庫分別降低了 9.9%—20.9% 和 10.2%—20.8%，即平均年降低速率為 0.30—0.60 g·kg-1·yr-1和0.50—1.15 t·hm-2·yr-1，碳下降速率是碳積累速率的1.5—1.8 倍。高碳土壤對棄耕更為敏感，總體表現(xiàn)為棄耕前稻田碳含量越高，棄耕后下降的速度越快，棄耕 4 年是土壤碳快速下降的時間節(jié)點。研究還闡明了土壤有機碳顯著下降的關(guān)鍵原因：土壤由稻田的厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闂壐蟮暮醚醐h(huán)境，加速了有機物和土壤有機碳的分解，同時也降低了土壤團聚體、土壤礦物及鐵氧化還原過程對土壤碳的固持及保護作用，從而導致土壤碳形成量遠小于碳分解量。研究還顯示，棄耕后植被恢復并沒有彌補土壤碳庫的損失，稻田土壤從碳庫向碳源轉(zhuǎn)變?？梢?，稻田棄耕與傳統(tǒng)意義上的棄耕地力恢復結(jié)論不同，稻田土地利用方式轉(zhuǎn)變應采取配套措施防止土壤的退化，保持土壤的高肥力。

3 系統(tǒng)解析驅(qū)動稻田 N2O 和 CH4 排放關(guān)鍵過程的微生物作用機理，為我國農(nóng)田溫室氣體減排提供重要的科學依據(jù)。

由產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌參與的 CH4產(chǎn)生和氧化過程在很大程度上決定了土壤 CH4排放量[18,19]；而反硝化作用作為氮循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，是由土壤中具有反硝化能力的微生物所調(diào)控的生物化學過程，也是溫室氣體 N2O 排放的主要途徑之一[20,21]。因此，了解CH4和 N2O 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化過程的微生物作用機理對于今后的合理施肥以及控制溫室氣體排放起著至關(guān)重要的作用。

中期曬田（落干）是稻田管理過程中重要的農(nóng)藝措施，稻田淹水-落干過程排放大量 N2O，水稻土含水量為 80% 土壤孔隙含水量（water-filled pore space，WFPS）時 N2O 釋放量最大，含水量在 60% WFPS 時細菌比真菌對 N2O 排放的貢獻要大。接著采用典型水稻土進行了淹水-落干和干濕交替過程的室內(nèi)模擬試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淹水-落干過程中氧化還原電位（electric potential，Eh）的變化與 N2O 釋放動態(tài)顯著相關(guān)明確了氧化還原點位是調(diào)控 N2O 排放的主導因子。淹水-落干過程中 N2O 的釋放量主要是細菌作用產(chǎn)生，真菌的貢獻只占 10% 左右。narG 基因豐度和組成與土壤 Eh 和 N2O 排放速率間呈顯著相關(guān)，而 nosZ 基因沒有這種相關(guān)性。這表明水稻土淹水-落干過程中含 narG 基因的微生物種群組成和數(shù)量是驅(qū)動 N2O 排放的關(guān)鍵反硝化微生物種群，而含 nosZ 基因的微生物種群與 N2O 排放動態(tài)并無直接關(guān)系[22]。在此基礎(chǔ)上，進一步通過設(shè)計土壤培養(yǎng)試驗，系統(tǒng)研究了典型水稻土淹水-落干過程中 N2O 產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化與釋放的關(guān)鍵微生物驅(qū)動機制。結(jié)果表明，在水稻土落干過程中 0—3 cm土層是 N2O 排放的主要來源，落干過程中的硝化微生物與反硝化微生物的協(xié)同作用是導致表土層產(chǎn)生和釋放大量 N2O 的關(guān)鍵微生物驅(qū)動機制[23]。

在淹水-落干過程中水稻根系生長顯著提高了根際區(qū)域 N2O 排放速率，而在 N2O 排放過程中水稻根際區(qū)域土壤氨氧化細菌和含 narG 的硝酸還原菌的數(shù)量顯著增加。這說明落干過程中根際土壤比非根際土壤能釋放更多的 N2O 可能是由于根系生長導致了根際區(qū)域有更強硝化和反硝化微生物協(xié)同作用的結(jié)果[24]。通過功能基因的高通量測序分析進一步證實，根際土壤的β-變形菌綱（Betaproteobacteria）等反硝化種群豐度顯著高于非根際土壤，且不同水分條件和不同采樣時期均表現(xiàn)出同樣的趨勢。這說明水稻根際環(huán)境可能會刺激這些反硝化細菌的活性，從而增加土壤 N2O 釋放潛勢。

磷肥施用促進土壤 CH4排放，而氮肥顯著提高了土壤 N2O 排放。稻草還田處理會增加土壤 CH4和 N2O 排放。施肥顯著改變了土壤 CH4和 N2O產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化相關(guān)關(guān)鍵功能微生物種群結(jié)構(gòu)、豐度（DNA 水平）和表達種群結(jié)構(gòu)及豐度（mRNA 水平），尤其是其表達結(jié)構(gòu)，對施肥響應更加敏感。不同施肥制度影響土壤 CH4和 N2O 產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化可能主要是通過改變相關(guān)功能微生物的表達特征調(diào)節(jié)土壤 CH4和 N2O 的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化，從而控制土壤 CH4和 N2O 的排放量。

4 系統(tǒng)解析了我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤細菌和反硝化微生物的分布格局和主要驅(qū)動因素，為大尺度刻畫我國農(nóng)田土壤微生物群落組成機構(gòu)及生態(tài)功能奠定基礎(chǔ)

針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物是否存在著規(guī)律性的分布格局，以及驅(qū)動農(nóng)田土壤微生物種群分布的關(guān)鍵因素等關(guān)鍵科學問題，依托國家自然科學基金重大項目“典型稻田土壤關(guān)鍵生物地球化學過程與環(huán)境功能”，系統(tǒng)研究了我國南方典型水稻土的細菌組成與分布規(guī)律，揭示了土壤母質(zhì)特性對土壤細菌組成起決定性作用，長期水稻種植可以導致耕作層土壤細菌群落結(jié)構(gòu)在一定程度上發(fā)生改變，但這些變化并不足以改變土壤母質(zhì)性質(zhì)決定的土壤細菌組成結(jié)構(gòu)特征[25]。

進一步依托中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項任務(wù)，通過對我國南方紅壤、華北潮土和東北黑土等旱作土壤的系統(tǒng)采樣分析，揭示了土壤細菌種群組成結(jié)構(gòu)與土壤類型有緊密關(guān)系，表明大部分細菌類群對生境條件有強烈的選擇適應性，長期的人為耕作管理在不同土壤中均富集相同的優(yōu)勢細菌群類。但對于土壤氮素循環(huán)功能微生物種群而言，長期耕作可富集類似的反硝化微生物種群，且與土壤類型無關(guān)，其中包括反硝化細菌和反硝化真菌。這些研究結(jié)果對調(diào)控土壤氮素循環(huán)過程和增加氮肥利用效率具有重要的理論支撐價值。

5 研究豬日糧功能性氨基酸代謝與生理功能調(diào)控機制，提升我國科學養(yǎng)豬水平和養(yǎng)豬業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展

目前，養(yǎng)豬生產(chǎn)中，面臨的主要問題包括全球范圍內(nèi)蛋白質(zhì)飼料資源的日益短缺和現(xiàn)代規(guī)模化養(yǎng)豬排泄物中氮排放所引發(fā)的環(huán)境污染，這成為制約養(yǎng)豬生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[26]。隨著“理想蛋白質(zhì)”概念的發(fā)展和“理想蛋白質(zhì)的氨基酸模式”建立[27,28]，加之合成氨基酸工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的擴大，極大地推動了低蛋白日糧的研究和應用。以完善低蛋白氨基酸平衡日糧理論為出發(fā)點，深入探究肌肉組織中含氮物的周轉(zhuǎn)與利用機制及其伴隨的能量代謝規(guī)律，為在養(yǎng)豬業(yè)中推廣應用低蛋白日糧精準飼養(yǎng)技術(shù)提供理論依據(jù)[29]。

分析低蛋白日糧對不同階段豬腸道氨基酸轉(zhuǎn)運載體的表達，發(fā)現(xiàn)仔豬階段較生長豬和育肥豬階段腸道氨基酸轉(zhuǎn)運載體更容易受到低蛋白影響，同時低蛋白普遍上調(diào)酸性氨基酸轉(zhuǎn)運載體的表達，而對堿性氨基酸轉(zhuǎn)運載體的表達則具有一定的抑制作用，其機理可能受循環(huán)系統(tǒng)氨基酸含量的綜合反饋調(diào)節(jié)。此外，低蛋白日糧平衡支鏈氨基酸（BCAAs）可顯著改善腸道形態(tài)，促進腸細胞的增殖，提高腸道氨基酸轉(zhuǎn)運載體的表達水平，最終促進腸道氨基酸的吸收與利用，從而改善蛋白質(zhì)代謝[30]。低蛋白日糧平衡 BCAAs 比例可通過提高機體氨基酸轉(zhuǎn)運載體信號，促進肌肉組織對血液中游離氨基酸的吸收與利用，最終通過 mTORC1 信號途徑和 UPS 途徑調(diào)控肌肉組織蛋白質(zhì)代謝，從而促進肌肉組織生長（圖 2）[31]。低蛋白日糧合理平衡氨基酸（包括必需氨基酸尤其是 BCAAs 等）不影響豬的生產(chǎn)性能，還能改善豬的腸道健康、免疫系統(tǒng)和肉品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，并通過減少總氮排泄量，在一定程度上緩解養(yǎng)豬生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的污染，這對現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖和精準飼養(yǎng)有著重要啟示。

6 探明了多年蔬菜連作對土壤氮素轉(zhuǎn)化功能的影響及其微生物作用機制，并提出相應調(diào)控措施，為蔬菜土氮素的調(diào)控提供強有力理論依據(jù)和技術(shù)支持

圖2 低蛋白日糧平衡BCAAs 比例對豬肌肉組織蛋白質(zhì)代謝的調(diào)控機制圖

我國的蔬菜種植面積達 3 億畝，約占世界蔬菜種植面積的 35%，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占重要地位。然而，蔬菜生產(chǎn)中普遍存在不合理施肥的現(xiàn)象，單位面積肥料施用量一般是其他主要農(nóng)作物的數(shù)倍。大量化肥施用導致氮素在蔬菜和土壤中的殘留量高，一方面造成了蔬菜硝酸鹽含量超標和蔬菜品質(zhì)下降，另一方面也造成了溫室氣體（N2O）排放和 NO3-淋失等環(huán)境污染問題[32-36]。由于蔬菜土壤種植強度高、化肥投入量大以及氮肥利用效率低，那么在這種長期種植蔬菜的土壤中，氮肥的轉(zhuǎn)化過程和功能是否與大田作物土壤不同？土壤微生物在這些過程中扮演了什么角色？它們的作用機制又是什么？類似問題還不清楚。針對這些問題，通過系統(tǒng)采集河流沖積物發(fā)育的種植年限不同的蔬菜土壤樣品，利用分子生物學技術(shù)分析了土壤硝化功能微生物種群多樣性、群落組成的變化與硝化作用的偶聯(lián)關(guān)系[37,38]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期蔬菜連作顯著使得土壤中硝化細菌（AOB）優(yōu)勢種群富集，土壤硝化能力增強。土壤 pH 值以及 Olsen-P 含量的變化是影響 AOB 群落結(jié)構(gòu)的主要土壤因素。土壤中氨氧化古細菌（AOA）豐度明顯高于 AOB，平均為 AOB 豐度的 6 倍，但土壤硝化勢（PNF）與土壤中 AOB 豐度成顯著的正相關(guān)，而與 AOA 沒有顯著的相關(guān)性。

針對長期不合理高化肥投入量導致城郊區(qū)菜地土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)狀，為探討氮肥減施對城郊區(qū)菜地土壤氮磷累積及蔬菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響，我們應用田間小區(qū)試驗，研究了長沙市郊 2 種不同菜地土壤中不同減氮處理：① 氮肥減施 20%（80% N）；② 施緩釋尿素并減氮 20%（80% N(CRU)）；③ 氮肥減施 20% 并添加脲酶抑制劑/硝化抑制劑（80% N+QD）；④ 氮肥減施 20% 并添加土壤調(diào)理劑（80% N+SC）的環(huán)境和農(nóng)學效應。結(jié)果表明：與常規(guī)施肥處理相比，采用緩釋尿素減施 20% 化學氮肥（80% N+QD）有效降低了菜地土壤 Olsen-P 和 NO3--N的含量，減少了其面源污染風險，但該法處理后的蔬菜可食部分容易累積硝酸鹽，也增加了食用風險。通過添加脲酶抑制劑/硝化抑制劑減施 20% 化學氮肥（80% N+QD），生育中期土壤 NH4+-N 含量和蔬菜鮮樣產(chǎn)量分別增加了 69.2% 和 262.0%，對土壤 Olsen-P、NO3-- N以及可食部分硝酸鹽含量影響不顯著；減施 20% 化學氮肥配以添加土壤調(diào)理劑（80% N+SC）在 2 種種植年限的菜地中效果欠穩(wěn)定。兼顧經(jīng)濟、食用風險、生態(tài)環(huán)境等效益，建議在高肥力菜地土壤中，氮肥減量與脲酶抑制劑、硝化抑制劑配合施用[39]。

為進一步探明硝化抑制劑對氮素轉(zhuǎn)化過程及功能微生物的影響，我們選取長沙黃興鎮(zhèn)蔬菜基地 2 種蔬菜土，設(shè)置室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗，設(shè)置單施尿素（CK）和尿素與硝化抑制劑雙氰胺配合施用（DCD）2 個處理，通過系統(tǒng)監(jiān)測培養(yǎng)過程中土壤中 NH4+-N、NO3-- N含量變化以及土壤中氮素轉(zhuǎn)化功能微生物的響應發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)過程中 DCD 處理使 2 個供試土壤的 NH4+濃度穩(wěn)定在較高水平，而 NO3-濃度則明顯低于對照。施用 DCD 導致土壤中硝化基因 amoA 豐度顯著減少，而對 16S rRNA 和反硝化基因 nirK 豐度沒有產(chǎn)生明顯影響。因此，DCD 在菜地土壤中主要通過抑制氨氧化細菌的繁衍來抑制硝化作用[40,41]。

7 對比剖析了不同利用方式對紅壤坡地土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與遷移過程及其微生物機制，為加強紅壤坡地退化生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護和生態(tài)功能恢復提供理論依據(jù)，為丘崗地綜合治理與開發(fā)提供了科學依據(jù)和示范樣板

紅壤坡地是我國長江中下游地區(qū)主要的土地資源之一，目前主要利用方式是農(nóng)作物輪作，如植果、藥、茶以及經(jīng)濟林、草等。由于植被群落單一和農(nóng)事耕作，紅壤丘陵坡地成為中國南方面積最大、墾殖指數(shù)最高、水土流失最為嚴重的區(qū)域[42-44]。目前對紅壤地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化各項指標已有較多的論述與研究[45-47]，但針對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復這一生態(tài)學研究熱點的論述尚不多見，特別是針對土壤微生物群落多樣性和功能的研究還比較缺乏。因此，以桃源站不同土地利用方式長期定位試驗為平臺，應用 T-RFLP 和 RT-PCR 技術(shù)研究紅壤坡地利用方式對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，紅壤坡地 3 種土地利用方式土壤細菌多樣性指數(shù)農(nóng)田 > 茶園 > 自然恢復，但土壤細菌數(shù)量茶園 > 自然恢復 > 農(nóng)田，茶園土壤細菌數(shù)量是農(nóng)田的 8.76 倍。農(nóng)田與茶園和自然恢復土壤細菌種群結(jié)構(gòu)均存在顯著的差異，而茶園和自然恢復土壤細菌群落比較相似。不同土地利用方式土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀均對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。綜合考慮經(jīng)濟效益和保持紅壤坡地的可持續(xù)利用，認為茶園是中國南方紅壤丘陵坡地可持續(xù)利用的一種有效方式[48,49]。

采用高標準、規(guī)范化的水土保持措施開發(fā)坡度10°—15° 的丘崗坡地，在植被良好（森林覆蓋率 ≥ 85%）的前提下，降水的植被物攔截、土內(nèi)滲流與地表徑流量之比約為 3∶5∶2，比非水保坡地攔截的降水量增加 500—700 mm · yr-1，降水年徑流系數(shù)可控制在 10.0% 左右、土壤年侵蝕模數(shù)可控制在 200.0 t · hm-2· yr-1以下，作物（林果）產(chǎn)量或生物量提高 23.8%—83.3%，形成“土涵水”“水養(yǎng)土”“生物生長旺盛”的“土壤—水分—生物”資源利用的互利型模式（圖 3）。

8 研究典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分流失特征及影響因素構(gòu)建丘崗復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮磷攔截與生態(tài)消納模式和稻田流失氮磷生態(tài)濕地消納技術(shù)，為防控農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷面源污染提供技術(shù)支撐

圖3 坡地不同利用方式長期定位試驗（1996 至今）

基于桃源站養(yǎng)分流失長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了2001—2011 年典型丘崗復合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集水區(qū)氮、磷和鉀、鈣、鎂等養(yǎng)分輸出特征及影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集水區(qū)的養(yǎng)分流失現(xiàn)象較為嚴重。其中，集水區(qū)地表徑流中總氮濃度達到了 2.66 mg · L-1, 超過了國家地表水 V 類水質(zhì)標準，年均流失量為 9.40 kg · hm-2；總磷流失相對較輕，在地表徑流中的濃度為 0.09 mg · L-1，接近國家地表水 II 類水質(zhì)標準，年均流失量為 0.30 kg · hm-2。集水區(qū)中鉀、鈣、鎂等陽離子的流失程度較氮、磷嚴重，其中鈣的流失最為嚴重，年均流失量達到了 59.75 kg · hm-2，大量的鈣流失可能是導致我國亞熱帶地區(qū)酸性土壤進一步酸化的主要原因[50]。

典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集水區(qū)存在多種土地利用方式，明確不同土地利用方式對整個集水區(qū)的養(yǎng)分流失的影響程度，可為下一步開展針對性的調(diào)控措施提供科學依據(jù)。為此，我們構(gòu)建了不同土地利用方式養(yǎng)分流失監(jiān)測系統(tǒng)（圖 4），通過連續(xù) 2 年的監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，稻田的地表徑流產(chǎn)生次數(shù)和養(yǎng)分年均流失量遠大于旱地和果園，其中總氮的年均流失量占整個集水區(qū)的 60%，總磷的年均流失量占整個集水區(qū)的 30%。但強降雨條件下的旱地和果園的單次養(yǎng)分流失量遠大于稻田。因此，采取有效措施調(diào)控稻田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程是控制典型丘崗復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分流失的關(guān)鍵，同時也應重視旱地和果園的養(yǎng)分流失問題。

基于丘陵區(qū)不同土地利用方式氮磷等養(yǎng)分的流失特征及影響因素，結(jié)合該地區(qū)存在季節(jié)性干旱問題，以桃源站的典型丘崗地貌為基礎(chǔ)，通過修建蓄水池，構(gòu)建了以“坡地（茶園）-旱地（油菜）-水田（中稻）-生態(tài)濕地（綠狐尾藻）”為主線的丘崗復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮磷攔截與生態(tài)消納模式。該模式不僅可以實現(xiàn)流失氮、磷的梯級攔截和消納，還可以起到流失氮、磷和雨水循環(huán)利用的作用。連續(xù) 2 年的監(jiān)測結(jié)果表明，該模式每年可減少氮流失 26.01 kg · hm-2，磷流失 1.28 kg · hm-2，最終出水的氮和磷濃度分別降低到國家地表水 III 類和 II 類水質(zhì)標準。此外，該模式還可以有效提高水分利用效率 37%。生態(tài)濕地中的綠狐尾藻經(jīng)收割作為有機肥施用到茶園，每年可提供氮素 129.63 kg · hm-2，磷素 22.74 kg · hm-2。

針對稻田氮流失嚴重的問題，我們構(gòu)建了蓮藕-綠狐尾藻組合濕地系統(tǒng)。結(jié)果顯示，該濕地系統(tǒng)可消納稻田排放出的 50% 的氮和 80% 的磷，經(jīng)由濕地系統(tǒng)出水中的氮磷濃度可分別降低到國家地表水 III 類和 II 類水質(zhì)標準。根據(jù)連續(xù) 2 年的試驗結(jié)果推算，1 畝蓮藕-綠狐尾藻復合人工濕地可以消納 16 畝稻田排放出的氮、磷，使稻田出水達到國家水質(zhì) III 類排放標準。因此，在亞熱帶丘陵地區(qū)可以構(gòu)建小型的蓮藕-綠狐尾藻濕地消納農(nóng)田排出的氮磷，且兼具景觀優(yōu)化功能。

9 南方丘陵區(qū)坡地種草養(yǎng)羊與農(nóng)牧資源循環(huán)利用模式構(gòu)建與示范

我國南方丘陵區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟落后，青壯勞力進城務(wù)工致使農(nóng)村勞力匱乏，加之丘陵土壤貧瘠，經(jīng)營粗放，作物收益低下，導致拋荒嚴重，農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)迫在眉睫[51,52]。2017 年中央一號文件明確提出，擴大飼料作物種植面積，發(fā)展苜蓿等優(yōu)質(zhì)牧草，大力培育現(xiàn)代飼草料產(chǎn)業(yè)體系；大力發(fā)展牛羊等草食畜牧業(yè)；大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式。南方丘陵坡地分布廣、水源足和氣候宜，具備牧草種植條件；肉用草食動物市場需求旺盛，探索種草養(yǎng)羊與農(nóng)牧資源循環(huán)利用的現(xiàn)代種養(yǎng)模式時機成熟且潛力巨大。針對南方丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局不合理的現(xiàn)狀，桃源站初步構(gòu)建南方丘陵區(qū)坡地種草養(yǎng)羊生態(tài)高值技術(shù)模式；集成坡地果樹林下種草養(yǎng)羊技術(shù)，構(gòu)建南方丘陵區(qū)坡地種養(yǎng)結(jié)合型立體農(nóng)業(yè)模式；集成養(yǎng)羊廢棄物資源利用技術(shù)和坡地果樹林下種草養(yǎng)羊技術(shù)，構(gòu)建南方丘陵區(qū)坡地種草養(yǎng)羊與農(nóng)牧資源循環(huán)利用模式，開展示范與推廣。示范區(qū)坡地水土流失減少 50%，水分利用效率提高 30%，經(jīng)濟效益提高 30%（圖 5）。

圖4 丘陵區(qū)坡地養(yǎng)分流失梯級消納系統(tǒng)

圖5 農(nóng)林牧復合循環(huán)模式示范體

10 結(jié)束語

桃源站自1979年建站以來，圍繞南方紅壤丘陵區(qū)季節(jié)性干旱和水土流失造成的耕地質(zhì)量退化、農(nóng)業(yè)面源污染加重和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局不合理的現(xiàn)象，開展了一系列科學觀測和研究、技術(shù)集成和示范。在南方紅壤丘陵區(qū)復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化管理，流域農(nóng)業(yè)環(huán)境污染防控以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程機理研究等方面取得重大突破，為提高南方丘陵區(qū)紅壤耕地質(zhì)量，保證國家糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全作出了重大貢獻，為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。目前，桃源站通過完善野外長期定位試驗平臺，正在建設(shè)成農(nóng)林牧復合循環(huán)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。以“亞熱帶家畜養(yǎng)殖生態(tài)高值化技術(shù)體系”和“南方農(nóng)村水體污染綠狐尾藻生態(tài)治理技術(shù)”為主要核心技術(shù)服務(wù)當?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。未來，桃源站在中國科學院“率先行動”計劃指導下，將為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。