个人介绍
农田土壤-作物系统建模及其应用 李保国
提供学校: 中国农业大学
专业大类: 农业资源利用

李保国教授说:“土壤很复杂,有固体,有水,有孔,有空气,上面还长有植物。譬如农田土壤与作物形成的这个系统,物质在其中运转。我们做的工作就是用方程来表达这一系统中物质的运转过程,即定量模型化。这是一个很基础的工作,对农业生产、环境保护会产生重大的影响。”本系列以植物-土壤相互作用教育部重点实验室、农业部土壤和水重点实验室为依托,针对农业可持续发展这一重大国家需求,从微观到宏观,从理论到实践,在土壤过程、土壤-作物系统中的物质和能量转化的理论方面进行开拓创新性研究。

教师团队

李保国 教授

单位:中国农业大学

部门:资源与环境学院

职位:副院长、常务理事

作物的起源和传播

野生植物被驯化栽培成为作物大约有10000 年左右的历史。最初被人类栽培利用的植物物种,经过长期有意识或无意识的选择和隔离,形成了许多比原始种更适合人类需要的品种和类型。如以当今的栽培稻、粟、玉米和栽培大豆分别与它们的野生祖先野生稻、狗尾草、墨西哥类蜀黍和野生大豆相比,彼此的外形与实用价值都已有很大区别,分类学家也将它们区分为两个不同的物种。但实际上它们的亲缘关系很近,染色体数目甚至染色体组都相同,相互杂交很易结实。不过前者经过了人类的培育与选择,后者仍处于野生状态而已。

当然,现有栽培品种形成的途径不尽相同。如亚麻的纤维用和油用两个类型均系由野生灰亚麻通过人工选择而分化成的;向日葵可能由多种野生向日葵杂交形成。有些作物则是人类利用天然形成的异源多倍体驯化而成,如世界上栽培面积最大的普通小麦就是由3种二倍体小麦(或山羊草)合成的六倍体;陆地棉也是由亚洲棉或草棉与秘鲁棉天然合成的异源四倍体。各种作物各有不同的来源与形成途径,但迄今并未全部了解清楚。

关于世界上栽培作物起源的地理位置和传播过程,植物学家们的见解不一。一般认为全世界有12个作物变异中心,每种作物即起源于其中一个或几个中心,或由原生起源中心产生的次生起源中心。从起源中心出发,作物又由于各种因素而不断向外传播。除水力、风力等自然原因外,如中国、埃及、希腊、罗马、波斯等古代文化中心的兴起及其影响范围的扩大,不同地区之间的贸易往来,以及战争和民族迁移等,都加速了各地所产不同作物的相互传播。近代交通事业和国际间经济交往的发达,尤其为作物的传播增加了机会。

哥伦布在15世纪到达美洲,对于结束新旧两大陆之间的长期隔绝状态,沟通许多作物物种之间的交流,改变世界农业生产面貌,起了重要作用。21世纪以来,具有重要经济意义的许多作物已经散布到全球可能栽培的地方,并形成了新的已远离其原生起源地的生产中心。

作物生长与土壤水氮运移联合模拟的研究背景

土壤——作物系统模型的研究已经有40多年的历史,早在20世纪60年代,就已经开发了大量的研究农业系统单个过程和功能的模型。

到20世纪70年代,从土壤——作物——大气连续体出发,建立了两类系统模拟模型:一类是以土壤水氮运移及转化利用为中心的模型,建立了从简单的水均衡模型到复杂的水动力学机理模型,并逐步应用于农田水肥管理,其中以美国的HYDRUSID模型为代表,已经在土壤水和溶质运移领域得到了广泛的应用,但它没有将作物生长过程考虑在内;另一类是以作物生长发育为中心的模拟模型,研究作物生长发育和耕作栽培措施,主要是土壤水分和养分条件对作物生长的影响。荷兰和美国在这方面的研究处于领先地位。

以荷兰教授为首的研究小组,先后建立和完善了在不同生产力水平下的作物生长模拟模型,其中以PS123模型为代表,特点是强调作物的共性,与作物的生理生态机理结合较紧,但对水分与作物生长关系的主要环节,根系生长和根系吸水机理的处理尚需进一步完善。以美国Ritchie教授为首的专家组完成了CERES系列作物生长模型,并广泛应用于国际农业推广项目。

与国外相比,我国这方面的研究起步较晚,在土壤水氮运移方面,黄元仿等建立了小麦、玉米地水氮运移的模型,张瑜芳等建立了稻田土壤氮素的转化迁移模型。李保国等建立了农田水分运动与作物生长的耦合模型,丛振涛等建立了冬小麦生长与水热运移的耦合模型。在作物模型方面,高亮之提出了水稻的“钟模型”,冯利平等建立了小麦生长模型(WheatSM);严美春等建立了小麦发育过程 及生育期机理模型;潘学标建立了棉花生长发育模型等。

农田土壤有机质含量与农作物产量关系

长期以来,人们普遍认为农田土壤有机质含量越高农作物产量就越高,并把大力提高土壤有机质含量作为增加粮食产量的重要手段。中科院东北地理与农业生态研究所最近的一项科研进展无疑将修正人们的这一传统认识。 

无论是退化农田土壤的培育还是基本农田的保护,土壤有机质含量都是衡量农田质量的重要指标,但土壤有机质是如何影响作物产量的、有机质含量指标的权重多大、指数多高最为合理,此前尚无定论。在以往对土壤有机质与作物生产力关系的研究中,大多是在不同的土壤类型区或同一土壤类型区的不同区域进行实验,这就难以剔除各种环境因素对作物生产力的影响,而外界环境因素,尤其是气候因素直接影响着有机质功能的发挥。因此,如何采取有效方法对有机质与环境因素对作物生产力的影响进行定量化研究不仅具有理论意义,而且具有重要的实践意义。 

中科院东北地理与农业生态所张兴义博士在国家和黑龙江省自然科学基金的支持下,利用3年多时间将横跨8个纬度带的土壤有机质含量梯度为1.7%~11%的5个农田黑土,分别运至黑龙江省海伦市和吉林省德惠市进行田间试验,并在两个不同纬度带同时进行量化比较研究,终于明确揭示了土壤有机质含量与作物生产力的关系。

他们在研究中发现,在施肥和不施肥的情况下,东北黑土区土壤有机质对作物生产力的影响存在阈值,均为6%。当土壤有机质低于此阈值时,作物产量随有机质的升高而增加,当土壤有机质高于此阈值时,作物产量随土壤有机质的升高而降低。土壤有机质的增加可降低土壤容重,同时也可提高土壤田间持水量和饱和含水量。当土壤有机质高于6%时,土壤温度显著降低,主要是由于土壤含水量高导致土壤热容量增加所致,这也是造成北方寒区高有机质含量土壤作物生产力下降的主要原因。该研究的实践意义在于,修复退化黑土时,不应过度追求有机质高含量,只要达到阈值即可。

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