孙志刚研究组在农业系统结构与区域农业布局协同优化研究方面取得阶段性进展----中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室

由于气候、土壤、水资源、耕作制度、田间管理措施的差异性，农田生态系统结构和功能表现出强烈的空间异质性。近5年，研究团围绕农田生态系统多尺度监测平台建设、作物与水土资源监测诊断、农田生态系统要素变化新特征、空间制图与分析方法、农业系统优化等方面系统开展研究工作，取得阶段性研究成果，为区域农田生态系统监测、研究和区域示范提供了扎实的理论和方法。在本领域国内外知名期刊发表论文26篇，授权发明专利2个、软件著作权2个，形成示范模式2个。

1. 建立了近地面与无人机遥感观测及田间胁迫生境遥感试验研究平台，形成结合了地面与无人机遥感的农田生态系统空天地多尺度观测方法，为农田生态系统多维信息获取提供解决方案。基于禹城站与中科院黄河三角洲科研基地，目前已经形成了地面传感器网络、地基高光谱、多无人机平台多载荷、卫星遥感的多尺度试验观测与研究平台，开展农田水分、养分、病虫害、自然灾害等胁迫生理生态多尺度试验观测与模拟研究。依托以上平台，已与多个科研团队和企业合作，联合开展试验观测和相关研究工作，支撑中科院先导专项、STS项目、国家重点研发计划项目的实施。

2. 揭示了典型农区水（水面蒸发）、碳（土壤有机碳）、氮（土壤养分）的变化特征及其驱动机制，为农田生态系统管理提供理论支撑。基于禹城站大型蒸发皿测定的30年长期数据，发现2008以来由于极端气候事件黄河下游水面蒸发的速率快速反弹，水面蒸发增长速度达到了25.2 mm/年，是以前下降速率的5倍，证明了极端气候期间改变了该地区地气水汽交换速率，为农业生产和水资源管理应对极端气候事件提供了科学支撑。通过数据系统收集、整理、分析，证明了20世纪80年代以来的农耕环境的提升（中低产田改造、去盐渍化、化肥大量施用）及农业政策的支撑是华北平原农田土壤有机碳大幅提升的主要原因；通过合理土壤碳管理，未来华北平原农田土壤还将继续扮演碳汇角色，为区域农田可持续发展发挥重要作用。运用作物-土壤模型SPACSYS进行模拟分析，揭示了我国北方不同气候区、不同施肥措施下小麦-玉米典型农田的作物产量、氮吸收量和氮肥利用率变化特征，研究证明施用有机肥可以减缓因为气候变化引起的氮肥利用率下降的趋势，指导农田养分管理，提升土壤有机碳含量和土壤质量。

3. 集成研发了基于多源数据的农业关键要素空间制图与分析方法，揭示了研究区的水土资源时空格局，同时开发了农业优化系统，为农业系统优化和区域农业布局优化提供方法支撑。综合评价多种土壤质量评价方法，提出基于国家土壤普查数据的最小指标集土壤质量评价方法，并应用于黄河三角洲和华北平原土壤质量制图和评价。基于多期遥感数据，采用局部空间自相关和空间聚类相结合的方法定量绘制我国农牧交错带空间分布，定量分析了其时空格局演变特征，定量评估了退耕还林还草等一系列生态环境保护政策的实施效果。通过交叉团队合作，联合开发了多目标优化的农业生产结构优化方法，服务于不同规模经营主体农场设计和评估。

以上研究工作得到中科院STS项目、中科院“粮食安全”重点部署项目、中国科学院Ａ类战略性先导科技专项（XDA19040303）、国家自然科学基金项目（31570472, 31870421）、国家重点研发计划（2017YFC0503805）等资助。

代表性论文：

1. Sun, Z.*, Ouyang, Z., and et al. (2018). Recent rebound in observational large-pan evaporation driven by heat wave and droughts by the Lower Yellow River. Journal of Hydrology, 565, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.08.014.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169418306115

2. Li, S., Sun, Z.*, Tan, M., Guo, L., and Zhang, X. (2018). Changing patterns in farming–pastoral ecotones in China between 1990 and 2010. Ecological Indicators, 89, 110-117.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X18300748

3. Zhang, X., Sun, Z.*, and et al. (2018). Simulating greenhouse gas emissions and stocks of carbon and nitrogen in soil from a long-term no-till system in the North China Plain. Soil & Tillage Research, 178, 32-40.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198717302386

4. Liang, S., Li, Y., Zhang, X., Sun, Z., and et al. (2018). Response of crop yield and nitrogen use efficiency for wheat-maize cropping system to future climate change in northern China. Agricultural and Forest Meteorology, 262, 310-321.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192318302387

5. Han, D., Wiesmeier, M., Conant, R., Kuhnel, A., Sun, Z., and et al. (2017). Large soil organic carbon increase due to improved agronomic management in the North China Plain from 1980s to 2010s. Global Change Biology, 24 (3), DOI: 10.1111/gcb.13898.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.13898

6. Dong, W., et al., and Sun, Z. (2017). Ridge and furrow systems with film cover increase maize yields and mitigate climate risks of cold and drought stress in continental climates. Field Crops Research, 207, 71-78.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037842901630329X

7. Guo, L., Sun, Z*, Ouyang, Z., Han, D., and Li, F. (2017). A comparison of soil quality evaluation methods for Fluvisol along the lower Yellow River. Catena, 152, 135-143.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S034181621730022X

8. Han, D., Sun, Z., and et al. (2016). Changes and controlling factors of cropland soil organic carbon in North China Plain over a 30-year period. Plant and Soil, DOI: 10.1007/s11104-016-2803-7.

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-016-2803-7