中国科学院常熟农业生态实验站(以下简称“常熟站”)隶属于中国科学院南京土壤研究所,前身为中国科学院南京土壤研究所太湖农业生态试验站。20世纪50—80年代,中国科学院南京土壤研究所在太湖平原实施了一系列卓有成效的土壤改良、合理施肥、丰产试验等科研任务。由南京土壤研究所承担的“六五”国家科技攻关计划“太湖地区高产土壤的培育与合理施肥的研究”结束后,南京土壤研究所明确把水稻土、红壤、潮土三类主要农业土壤作为以后的研究工作重点,所领导与长期在太湖地区的研究人员认为,要把太湖地区工作延续下去,必须建立一个相对稳定的试验站,作为水稻土、经济发达地区农业与生态环境变化的研究基地,在此背景下,常熟站于1987年6月应运而生。常熟站于1992年被选为中国生态系统研究网络(CERN)的29个基本站之一(同时更名为中国科学院常熟农业生态实验站),2005年入选国家生态系统研究网络重点野外科学观测研究站(CNERN),被命名为江苏常熟农田生态系统国家科学野外观测研究站。
常熟站位于江苏常熟市辛庄镇,地处长江三角洲太湖平原腹地、苏锡常都市圈核心位置,距离南京市198 km,上海市110 km,交通条件便利,区位优势明显,是中国科学院部署在长江三角洲地区唯一从事农业、资源与生态环境观测、研究与示范的多学科综合试验平台。
1 研究目标与定位研究目标。针对“美丽中国”、“藏粮于地、藏粮于技”、“乡村振兴”和“碳达峰、碳中和”等国家战略需求,聚焦长江三角洲经济发达区农业与生态环境问题,继续整合资源,优化布局,集聚多学科人才,持续深化土壤物质循环与功能演变、农田养分高效与精准施肥、农区土壤健康与生态环境提升3个方面观测研究,力争建成国际知名、国内一流的农业生态系统土壤与生态环境科学监测、研究、示范与科普共享服务平台,为重大科技任务顺利实施提供重要保障,为区域乃至全国土壤健康、粮食安全、生态环境保护与农业高质量发展提供科技创新支撑。
研究定位。常熟站自建站以来始终坚持以服务农业、资源与生态环境国家重大战略需求和长江三角洲区域农业高质量发展与生态环境保护为己任,开展土壤物质循环与功能演变、农田养分高效与精准施肥、农区土壤健康与生态环境提升等方面的科技创新工作。
主要研究方向。①土壤碳氮磷迁移转化过程及其生态足迹;②作物丰产提质增效与土壤固碳减排协同管理;③稻/菜/果绿色缓控释肥料创制与施肥智慧决策;④农业有机废弃物资源化利用与污水生态处理;⑤农业面源污染治理与精准管控;⑥污染耕地/场地修复与安全利用。
2 研究成果与科学贡献近40年来,常熟站面向水稻土碳氮循环及其农学与环境效应、农田固碳减排及全球气候变化、农业面源污染治理等国家或区域重大需求及国际科技前沿,率先开展系统、长期的观测研究,为我国持续推动农业减污降碳增效协同作出重要贡献。
(1)率先开展低产水稻土改良和熟制改革研究,揭示水稻土质量状况及其生态服务功能。早在20世纪中期,常熟站即提出了“以磷增氮”,冬种绿肥轮作,稻草还田和有机、无机肥料配合施用的低产水稻土地力提升措施,提交了著名的“三三得九,不如二五一十”的熟制改革建议,纠偏当时盛行的双季稻三熟制,使之回归一年两熟制,为粮食增产和劳动力解放作出贡献。提出了稻田是人工湿地生态系统的概念,系统阐明其生态系统服务功能,据此发起“保护稻田是长三角可持续发展的基础”的全国倡议。先后出版《水稻丰产的土壤环境》《中国太湖地区水稻土》《中国水稻土》《中国稻田生态系统》 《水稻土物质变化与生态环境》等专著,为全国水稻土保护与可持续发展奠定重要基础。
(2)率先开展稻田土壤氮素研究,不断创新和发展稻田优化施氮的基础理论与技术。自20世纪50年代起,以朱兆良院士为首的大批科研人员开展了水稻土供氮、稻田肥料氮去向、优化施氮等系统观测研究,开创了氮素研究的系列方法,从理论上证实当前增加施氮量已不再增加产量,只能导致利用率降低、损失增加、环境压力加大的后果。在此基础上,创建了以经济和环境经济指标为依据的全国水稻适宜施氮量分区确定方法。先后出版《中国土壤氮素》《土壤氮循环实验研究方法》《论中国农田氮素良性循环》等专著,在《自然》《科学通报》等期刊发表系列文章,持续推动了我国稻田氮循环理论与技术研究,为全国水稻生产体系优化施氮、降低环境风险奠定重要理论依据与技术支撑。
(3)率先开展稻田温室气体排放与主粮生产体系碳减排技术途径研究,助力农业碳中和行动。20世纪90年代,常熟站率先开展农田温室气体排放研究,揭示了稻田CH4和N2O排放的关键因素,在国际上首次报道稻田CH4和N2O排放的相互消长关系,为联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估和国际谈判提供重要依据。近年来,进一步明确我国水稻、小麦和玉米生产过程的碳排放时空格局,研发了以碳、氮、水优化管理为核心的固碳减排集成技术体系,量化了不同技术集成方案的固碳减排潜力,提出我国粮食生产碳中和的技术路径。在《自然—食品》《美国科学院院刊》等国际期刊发表文章,引起国内外同行广泛关注。
(4)率先提出面源污染治理“4R”理论,构建了南方稻作流域农业面源污染本土化模型。20世纪80年代常熟站即开展田间实验与野外调查,完成《苏南太湖水系农业非点源氮污染及其控制对策研究》。之后率先在全国提出面源污染治理的“4R”理论与技术体系,即源头减量(Reduce)、过程阻断(Retain)、养分再利用(Reuse)和生态修复(Restore),开展了广泛的工程化应用。近10年来,以面源污染成污机制的方法学研究为基础,提出了耦合景观格局和生态过程的面源污染新模型,模型参数少、操作简单、结果可视化,目前已开展了从小流域到全国的多尺度应用,可实现流域面源污染的智慧管理如生态湿地选址、农场选址、污染物路径追踪、减排策略分析、风险评估等。
3 人才培养与队伍建设常熟站现有固定人员19人,特别研究助理7人。固定人员中,研究员7人,副研究员4人,高级工程师2人,高级实验师2人,助理研究员1人,工程师3人。包括国家杰出青年基金获得者1人,国家自然科学基金优秀青年科学基金(海外)1人,国家高层次人才计划青年拔尖人才1人,江苏省“333”高层次人才2人,江苏省杰出青年基金获得者1人,中国科学院青年创新促进会2人,中国科学院青年创新促进会优秀会员1人,中国科协青年人才托举工程入选人才1人。近5年来,常熟站培养硕士、博士和博士后55人,获中国科学院百篇优秀博士学位论文奖、中国科学院院长特别奖和院长优秀奖各1人次。目前在读研究生43人,其中博士15人,硕士28人。
4 科研能力与技术平台常熟站已建设成为拥有良好的实验样地、科研设施、仪器设备、实验室及后勤保障条件的国际科研平台,完全具备承担和开展各类重大研究项目的能力和条件。常熟站本部总面积55亩,其中实验样地45亩。另外,常熟站宜兴基地有实验样地40亩,备用试验地40亩。常熟站现有各类生态要素长期监测样地20余块,观测设施30余处,科研样地30余块,建有Venlo型半自动控制玻璃温室280 m2,网室400 m2,试验区建有国家标准气象站1个、开路涡度相关水汽通量观测系统1套、开顶箱土壤温室气体通量监测系统2套、作物生长节律自动观测系统3套、土壤温湿度盐自动监测系统(TDR)6套。实验室拥有全自动化学分析仪、元素分析仪、气相色谱、旱地反硝化培养测定系统(Reflow)、膜进样质谱仪(MIMS)等有各类仪器50余台(套),能满足水、土、气、生等多要素监测分析,年积累长期生态要素监测数据50 GB以上,出版专业数据集2部。建有各类实验室、样品室等1 000 m2以上;建有标准客房,会议室等700 m2以上;建有厨房、食堂、研究生学习室、健身室、篮球场等配套设施,具有为来站开展工作的科研人员提供完善的工作平台和生活条件的能力。
5 开放与交流经过近40年来的沉淀和积累,常熟站已成为水稻土物质循环过程研究和长江三角洲地区农业生态环境研究的区域中心。近年来,常熟站紧密围绕地方需求,在水稻栽培和科学施肥、化肥减施增效、耕地地力培育、轮作休耕和美丽乡村建设等方面开展技术指导、进行了上百次技术培训,年累计培训3 000多人次,为当地农业经济、环境和生态的协调发展提供了重要支撑。常熟站作为国际上水稻土研究的重镇,与来自美国、德国、英国、澳大利亚和新西兰等国家的科研院所和高校,在古水稻土、水稻土氮素转化过程和城郊地球关键带等方面开展项目合作研究和学术交流,与国内众多高校和科研院所在人才培养和教育实习实践上建立了合作关系。常熟站广大职工一直秉持“贡献、责任、无私、情怀、专注、极致、创新、引领”精神,努力为国家和地方科技需求提供一流的科研成果,为来自世界各地的科学家提供一流的科研服务。
6 发展规划未来5年规划为:①立足土壤物质循环与功能演变基础研究,持续开展土壤碳氮循环基础理论与技术创新,促进可持续农业土壤管理;②以经济发达区城郊型复合生态系统为特色,系统开展生态要素长期定位监测和污染修复研究,为区域生态治理和美丽乡村建设提供数据技术支撑,助推南方河网平原区精致农业模式和千村美居示范;③面向国家重大战略需求,利用土壤碳中和与气候变化应对试验设施平台,研究全剖面土壤碳氮等物质循环过程对气候变化的响应机制,解析土壤固碳、减排、增产的互馈作用原理,为长江三角洲农田生态系统“碳达峰、碳中和”提供理论支撑;以盐碱地综合利用为契机,开展滨海滩涂盐碱地消障提质与产能提升科技攻关,为苏北滨海盐碱地高效治理与特色利用提供有效方案。