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基于生态农业的喀斯特地区砂糖橘树水-肥-粮-碳动态关系研究

申报人：陆瑞芳 申报日期：2025-05-12

基本情况

2025年批次
基于生态农业的喀斯特地区砂糖橘树水-肥-粮-碳动态关系研究 学生申报
创新训练项目
农学
自然保护与环境生态类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目针对喀斯特石漠化治理中砂糖橘树林水-肥-碳耦合与品质提升协同关系的科学问题，以广西桂林市灵川县扶田村为研究区，以砂糖橘树林为研究对象，运用贝叶斯方程、Century模型等方法，阐明砂糖橘树水-肥-碳的迁移与转化过程，揭示水-肥-碳耦合对砂糖橘树和果实品质的影响机制，在“双碳”背景下研究砂糖橘树在不同生长期下含有碳封存的水-能-粮-碳关系以及据不同时期的碳汇计算碳汇量进而促进碳交易市场，为石漠化治理生态产业可持续发展与实现乡村振兴提供科学依据和技术参考。
参与“岩溶小流域沟塘连通系统对氮迁移转化的影响研究”的立项与结题，在北务水控杯第三届中国国际“互联网+”生态环境科技创投大赛中获铜奖。
承担广西自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目3项；参与广西重点研发计划1项、广西自然科学基金2项。
对于项目进行指导，监督，提出合理的方案和建议，并提供配套经费，使得项目更具有丰富性，可靠性和相关性。在实施过程中进行技术上的指导，包括数据分析，可行性分析等，以及对于资料的查找来源进行教学补充。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陆瑞芳 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2022 总体规划与协调
郭松 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2024 室内试验及野外采样
谭嫣 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2024 室内试验及野外采样
郑钦文 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 实地调查与室内实验
刘志翔 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2023 实地调查与室内实验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
汤珊珊 环境科学与工程学院 否
金鑫 环境科学与工程学院 否

立项依据

喀斯特地区具有地表地下双层空间结构、土层浅薄且不连续、基岩裸露率高且渗透性强等特点，导致地表土壤水分赋存能力差、营养物质易于流失，土地生产力下降等现象，同时在“双碳”目标的指引下，我国政府明确提出通过增加林业碳汇的供给和进行碳交易市场来积极应对气候变化，以助减少碳排放，推动生态文明建设，实现可持续发展。提高土壤保水、保肥能力是喀斯特地区石漠化生态治理的重要任务，也是石漠化土壤生态系统可持续发展的研究热点。根据喀斯特石漠化治理中砂糖橘树水肥利用效率低、品质退化及其稳定性差的共性问题，石漠化治理中砂糖橘树水-肥-碳耦合与品质提升协同关系的国内外前沿科学问题，结合石漠化治理产业发展支撑乡村振兴的地方科技需求，阐明砂糖橘树水-肥-碳的迁移与转化过程、砂糖橘树水肥利用效率及其对果实品质的影响机理，揭示水-肥-碳耦合对砂糖橘树和果实品质的影响机制，突破石漠化治理中砂糖橘树品质退化的瓶颈，在“双碳”背景下研究砂糖橘树在不同生长期下含有碳封存的水-能-粮-碳关系，使用不同生长时期的碳汇量计算碳汇量，为石漠化治理生态产业可持续发展与实现乡村振兴提供科学依据和技术参考。 
1.砂糖橘树水分动态变化与水资源利用策略
通过监测不同生长时期砂糖橘树耗水、土壤水分、土壤蒸散的动态变化，了解砂糖橘树生长耗水与土壤水分在不同季节的供需关系。利用δD、δ18O和δ14C稳定同位素技术，测定降雨、土壤水、地下水与砂糖橘树样品同位素丰度，通过贝叶斯模型分析和计算，研究不同生长期砂糖橘树的水分来源与利用效率，并在此基础上确定砂糖橘树水分利用策略情况，为砂糖橘树种植的水分利用模式提供依据。
2.砂糖橘树水-能-粮-碳的动态变化特征
通过灌溉记录、土壤水分监测、施肥记录等分析砂糖橘树不同生长期的水资源利用效率和能量消耗，进一步探讨在不同生长期，水资源利用、能源消耗（灌溉、施肥）与碳封存之间的相互关系。期望能够提出符合喀斯特地区特点的低碳、高效的砂糖橘树种植模式。
1. 喀斯特地区生态水文过程
西南喀斯特地区地表地下二元结构明显，地表水渗漏、地下水深埋，即使降水充沛，但依然存在严重季节性干旱，土层浅薄、分布不连续，储水能力低，因此，水分亏缺是西南喀斯特地区植被迅速恢复与生态重建的主要障碍[1-3]。喀斯特地区特殊的地质背景和复杂的地形地貌，水分运移过程有别于其他地区，且不同类型喀斯特地貌类型土壤水分运移规律差异也很大[4-5]。喀斯特地区水资源的合理开发利用和生态环境保护[6]，对深刻理解其生态水文过程有着极大的诉求。虽然喀斯特地区生态水文学在植被水分来源与耗散机理、坡面水文过程、环境变化的生态水文效应等方面取得了重要进展，并构建了多种模型[7-9]，但在喀斯特地区植被-水分-土壤的耦合关系的响应机制方面的研究较少，无法为喀斯特地区生态治理、环境保护和水资源合理利用等提供更有利的理论依据和技术支撑。
2.喀斯特地区植被水分利用特征
在喀斯特地区，基岩裸露率高，渗透性强，土体零星，土层浅薄，以致岩石裂隙及浅薄土层中植物吸收和生长所需的储水量十分有限，水分条件成为植物生长的重要影响因子[10]。近年来，随着对生态系统的重视和对气候变化的关注，喀斯特地区植物水分利用的研究逐渐受到国内外学者的广泛关注。在喀斯特地区的水文学研究中，陈喜等[11]利用气象站、土壤水分监测仪等设备进行观测和实地调查，揭示了植物水分利用与气候、土壤水分等因素之间的关系。Nie[12]通过对植物根系结构、叶片特征等进行野外观察和实验研究，探索了喀斯特地区植物在水分胁迫下的生理和生态适应机制。Yi[13]通过对喀斯特地区不同植物群落的调查和实验研究，发现不同植物物种对水分的利用效率存在差异。一些物种具有较高的水分利用效率，能够在干旱条件下更好地存活和生长。同时，遥感技术、同位素分析等在喀斯特地区植物水分利用方面的应用[14-15]，为更好地对喀斯特地区植物水分利用进行研究提供了技术支持。
近年来，随着研究方法和观测手段的不断改进和日趋完善，特别是由于稳定同位素技术的快速发展和应用，为深入开展水分限制生态系统中植物对水分资源的利用、混生群落中物种间对水资源的竞争和共生关系以及根系对土壤水分的调节机理的研究提供了一种新的有效途径。氢氧同位素在水循环过程中存在分馏现象而产生不同的氢氧同位素值，可以作为水分迁移的天然示踪剂[16]，用于确定植物吸收土壤水分的来源[17-18]，在我国喀斯特地区环境特殊，生态水文过程对改善生态环境起着不可忽视作用，喀斯特地区土层浅薄，适用于其它区域的植物与水分之间关系的研究方法，在这一区域并不适用，而稳定同位素技术解决了这一难题；生长在这一区域的植物根系发达，它们对水分利用具有季节性变化，雨季时会利用浅表层土壤水，但旱季时利用表层岩溶带水或深层土壤水[19-20]。随着生态建设的加强，人工种植植被与水资源之间需要维持一个可持续发展的关系，氢氧稳定同位素技术可为植被恢复的物种选择提供可靠的方法，使其合理利用水资源，真正改善区域的生态水文环境。
3.水-粮安全研究进展
水安全、粮食安全和能源安全本质上是相互交织的。水土资源是粮食生产的基础条件，水除了用于农业灌溉外还用于发电和冷却火力发电[21-22]。在当前人类活动对生态系统的影响不断加深的背景下，生态系统中的各类自然资源与相应的服务都遭到了不同程度的破坏，极大影响了资源的可持续利用与社会经济的绿色发展[23]。Mo 等[24]借助 InVEST 模型量化了东江湖流域产水、水质净化、土壤保持、碳储存与粮食生产等主要服务功能，对不同功能在空间上的权衡与协同关系进行了探究；Zhu 等[25]从土地利用相应产生的生产、生活与生态服务功能的角度出发，对杭州市土地利用所产生的粮食生产、住宅建设、碳储存、生境质量等功能进行了量化，并评价了生产、生活与生态三类服务功能在空间上的权衡/协同关系；Niu 等[26]量化了黄河流域南段主要的粮食生产、土壤保持、产水与碳固定服务功能，对 1990 年以来各主要功能的时空变化进行了分析，并探讨了功能间权衡/协同关系的空间分布特点。伴随着当前对碳储存与碳排放的日益重视尤其是
我国 2060 年“碳中和”目标的提出，固碳等有关于森林生态系统的服务功能正在越来越多的被纳入到研究当中[27-28]。Zhai 等[29]从空间角度对黄河流域碳汇功能的供需平衡进行了分析，指出大部分区域供需不匹配，总体呈现供给过剩的情况；Peng 等[30]通过探究退耕还林对生态系统的影响，发现固碳和土壤保持与粮食生产和产水服务功能间存在较强的权衡关系，且退耕还林带来的固碳和土壤保持能力的增加是以粮食与水资源产出的大幅下降为代价的；Zeng 等[31]也以退耕还林工程为切入点，同样认为在此工程实施的背景下粮食生产与固碳之间存在权衡关系，并建议根据当地坡度与人口的分布等分区域实施植树造林与农作物种植；Yang 等[32]以土地利用变化较快的珠江流域为例，认为在城市化发展初期，固碳与产水服务之间的权衡作用较强烈。
主要参考文献
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针对喀斯特地区砂糖橘树种植，量化其碳封存能力及其与水、能、粮的动态关系。
技术路线
本项目针对喀斯特石漠化治理中砂糖橘树水-肥-碳耦合与品质提升技术研发中存在的关键科学问题，以广西桂林市灵川县扶田村砂糖橘树为研究对象，通过野外调查、样地选取、实验设计、数据分析等工作，研究砂糖橘树水分、养分来源，分别确定砂糖橘树灌溉与施肥剂量，通过实验研究砂糖橘树水-能-粮-碳动态关系。具体技术路线如图1。
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拟解决的问题：
1.水肥变量的控制
拟定解决方案：运用节水措施进行水肥一体化的灌溉，通过查阅历史资料，拟定的不同生长时期的水肥配比进行配比灌溉，并采集土壤和砂糖橘树各组成部位，测定土壤和砂糖橘树植株各组成部位的养分含量。
2.土壤碳汇测定
拟定解决方案：对不同生长时期的砂糖橘树土壤进行采样，进行土壤有机碳的测定之后，结合Century模型，将目标区域进行分类划分，结合模型模拟得到计算得到考虑土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量。
预期成果：
1.利用δD、δ18O和δ14C稳定同位素技术，测定降雨、土壤水、地下水与砂糖橘树样品同位素丰度，通过贝叶斯模型分析和计算，研究不同生长期砂糖橘树植株的水分来源与利用效率，并在此基础上确定砂糖橘树水分利用策略情况；
2.根据不同的水肥供给，根据砂糖橘树的不同生长期所需的水肥含量，研究不同生长期的水肥变量（水肥一体化）对砂糖橘树产量的影响，并测定固定碳和游离碳的含量，揭示砂糖橘树不同生长时期的水-能-粮-碳动态变化规律；
3.撰写相关小论文1篇，申请实用新型发明1项。
根据项目内容，拟定的年度研究计划如下:
1.2025年4月至 2025年 6月
(1)收集气象资料、土壤资料、降雨资料和植被资料:
(2)根据研究内容制定试验方案;
(3)实地考察并选择适合的样地。
2.2025年6月至 2026年2月
(1)采集不同水分条件下的砂糖橘树的根系及枝条进行同位素测定;
(2)采集砂糖橘树样地不同土层的土壤进行稳定氢氧同位素组成的测定:
(3)整理和分析试验数据，撰写小论文
3.2026年 3月至 2026年4月
(1)撰写结题报告;
(2)撰写小论文
已确定研究区域并已开展试验，目前已采集土壤样品384个并测定同位素、砂糖橘树的根、茎、叶样品各193个。
本项目目前已撰写小论文1篇。

无

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 无 2100.00 5900.00
1. 业务费 7000.00 无 1500.00 5500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 2500.00 野外采样、租车 1500.00 1000.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 4500.00 无 0.00 4500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 1000.00 购买塑封袋、封口膜、取样器等 600.00 400.00
结束

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