成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農田系統能值分析
2015-03-18 00:54:35鄧良基
水土保持通報 2015年2期
黃 春， 鄧良基， 楊 娟， 周 偉
(1.四川農業大學 資源學院， 四川 溫江 611130； 2.四川省土地資源信息實驗室， 四川 溫江 611130)
成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農田系統能值分析
黃 春1,2， 鄧良基1,2， 楊 娟1,2， 周 偉1,2
(1.四川農業大學 資源學院， 四川 溫江 611130； 2.四川省土地資源信息實驗室， 四川 溫江 611130)
摘要：[目的] 探索成都平原高產條件下稻麥輪作農田系統適宜的秸稈還田模式，為區域秸稈資源的農業循環再利用和農田系統的可持續發展提供一定的實踐指導與科學依據。[方法] 在田間定位試驗中，設置了常規施肥(CF)、秸稈半量還田(CFS1)、秸稈全量還田(CFS2)和秸稈1.5倍量還田(CFS3)4種施肥模式，應用能值分析方法探討了不同農田系統的能值投入產出總量、結構及綜合指標的變化。[結果] (1) 從能值結構看，較CF模式，秸稈還田模式降低了農田系統能值投入中工業輔助能的比重，增強了系統的自給能力，并提高了系統總能值產出； (2) 從能值指標看，較CF模式，秸稈還田模式提高了農田系統的凈能值產出率、能值投入率、能值反饋率、能值生產力和能值—勞動生產率，降低了環境負載率，有效提升了農田系統的可持續發展性能，增強了系統的發展潛力，其中CFS2和CFS3模式的養分物質內部循環利用率較高，環境負載率較小，有利于農田系統的持續、高效運行。[結論] CFS2和CFS3模式是成都平原稻麥輪作農田較優的秸稈還田生產模式。
關鍵詞：能值分析； 秸稈還田； 稻麥輪作； 成都平原
農作物秸稈是重要的有機肥源物質[1-2]。在農業生產的基本循環中，秸稈還田對保持土地肥力、防止土壤侵蝕、維持作物可持續生產具有重要作用[3]。然而，長期以來秸稈作為一類資源并沒有得到充分合理的利用，大量的秸稈被胡亂丟棄、無控焚燒，不僅造成了巨大的資源浪費(全國約23%的秸稈被露天焚燒[4]，而每燃燒1.00×106t秸稈約損失自然肥力5.00×104t[5])，使本就短缺的資源更加緊張，而且導致了嚴重的環境污染，使區域生態環境日趨惡化[6]。成都平原作為我國主要的糧油生產基地之一，其農田系統建設直接關系到我國農業綜合生產能力的提高和糧食安全的保障。近年來，隨著農業現代化、集約化程度的提高以及化肥工業的迅速發展，現代“石油農業”所特有的高投入和農田污染問題，已在成都平原糧區出現，由此導致了區域農田系統過度開發利用，土壤肥力不高、酸化加劇以及復合性污染日趨嚴重[7]，極大地制約了農田系統的可持續發展。同時，由于區域農作物秸稈產出量大，且小春作物收獲后，茬口緊，導致農作物秸稈，特別是小春作物秸稈不能及時合理利用，秸稈就地焚燒、棄置亂堆現象時有發生[8]。近年來，隨著循環農業理念的引領，成都平原二、三圈層的各個區(市)縣均建立了較大面積的秸稈還田核心示范區，以帶動區域秸稈資源的還田利用。但還田后的農田系統功能效益如何，目前還鮮見系統的分析報道。因此，本研究以農田系統為邊界，利用能值分析這一生態經濟學研究方法，定量分析成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農田系統的投入、產出水平，揭示不同農田系統的生產效率、環境負荷等狀況，探討秸稈還田下農田系統的可持續性，進而為高產條件下科學選擇秸稈還田模式及區域農田可持續發展提供一定的實踐指導與科學依據。
1材料與方法
1.1 田間定位試驗
田間定位試驗于2011年5月在成都市都江堰市天馬鎮金陵村四川農業大學試驗田開展(30°57′0.99″N，103°44′3.69″E)。選取2012年11月至2013年9月的稻麥輪作試驗數據進行分析。試驗區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年均氣溫15.2 ℃，年均降水量1 200 mm，無霜期多年平均為280 d。供試土壤為長期免耕的淹育型水稻土(由灰色沖積物發育而成)。土壤0—20 cm土層的主要化學性質詳見表1。
表1 供試土壤主要化學性質
表2為各試驗處理的具體施肥情況。試驗共設4個處理(表2)： (1) 常規施肥處理(CF)； (2) 秸稈半量還田處理(CFS1，按草谷比1∶1計，下同)； (3) 秸稈全量還田處理(CFS2)； (4) 秸稈1.5倍量還田處理(CFS3)。小區面積為20 m2(4 m×5 m)，重復3次，隨機排列，四周設保護行。每個小區均單設進、排水口，田埂用6絲的薄膜相互間隔至犁底層，以防肥、水相互滲透。
表2 試驗處理施肥配方 kg/hm2
注：所有無機肥均為折純后的施用量；秸稈施用量根據區域稻麥常年產量計算(草谷比1∶1計)。
供試無機肥料為市售尿素(46.4%N)，過磷酸鈣(12%P2O5)和氯化鉀(60%K2O)。根據當地小麥(水稻)種植的施肥習慣，在小麥季，磷、鉀肥和稻草均以基肥形式一次性施入，而氮肥50%作為基肥，50%作為拔節期追肥；在水稻季，除50%的鉀肥在水稻揚花前施用外，其余無機肥在水稻移栽后立即施入各小區，而麥稈則在水稻移栽4 d后施入。所有肥料的施用均為表施(秸稈為粉粹后表施)，并根據當地水稻和小麥種植的田間管理措施對試驗區進行統一管理，且作物收割時秸稈留茬高度低于5 cm。小麥種植品種為內麥863；水稻種植品種為福優310(大田育秧)。小麥于2012年11月5日播種，按150 kg/hm2麥種均勻播撒，于2013年5月6日收割測產。水稻于2013年3月29日播種育秧，5月13日移栽，株距×行距為13.3 cm ×26.7 cm，每穴3苗，在9月8日收割測產。在水稻生長過程中各小區均為獨立灌排。在水稻和小麥生長過程中，適時防治病、蟲害。水稻和小麥均生長正常。
1.2 能值分析方法
能值分析方法是由美國生態學家Odum經過長期的研究，綜合系統生態、能量生態和生態經濟原理，于20世紀80年代末提出的。它是在傳統能量分析的基礎上，將任何資源、產品或勞務形成所需的直接和間接的太陽能量稱為其所具有的太陽能值(solar emergy)，從而把各種形式的能量轉化為統一的能值標準單位(太陽能焦耳，solar emjoule，sej)，解決了傳統能量分析方法中不同能量類別難于比較分析的瓶頸[9]。該方法不但對認識生態系統能量的貯藏、流動及轉化起到了很大的促進作用，而且提供了一個可以把生態系統和經濟系統進行定量分析的共同尺度，從而為復合生態系統開拓了一條定量研究途徑[10]。農田系統的能值分析可分為6個步驟[11-12]。
(1) 確定系統邊界和內容。界定農田系統邊界，明確系統的主要能量來源，并確定系統的主要成分及其相互間的能量流動關系。
(2) 資料收集與整理。通過調查、測定、計算和文獻搜索，收集與所研究農田系統的自然地理、經濟狀況、統計數據等各種資料，獲取系統的投入產出情況并整理分類。
(3) 繪制能量系統圖。運用Odum提出的“能量系統語言”圖例和生態系統圖解方法，繪制能量系統圖(圖1)，形成包括系統主要組分及相互關系的系統圖解，以求對研究對象有個整體觀念。
(4) 編制能值分析表。列出所研究農田系統的主要能量輸入和輸出項目，其中能量輸入項目包括可更新環境資源(太陽能、風能、雨水勢能、雨水化學能等)、不可更新環境資源(土壤表土層損失等)、不可更新工業輔助能(化肥、農藥、農膜、農機具等)和可更新有機能(人力、種子、秸稈等)。按照不同類別的資源進行歸類，并根據各類資源的能值轉換率，將不同度量單位的物質或能量轉換為統一的能值計算單位，編制系統能值分析表。需要指出的是，在可更新環境資源投入中，太陽光、雨水、風、地熱等是同樣氣候、地球物理作用引起的不同現象，為避免重復計算，只取其中能值投入量最大的一項帶入計算。
(5) 建立能值綜合指標體系。在能值分析表和能值綜合系統圖的基礎上，進一步建立和計算出一系列反映農田系統的能值指標體系，如太陽能值轉換率、凈能值產出率、能值投入率、能值密度、環境負荷力和可持續發展指數等。
(6) 系統發展評價和策略分析。根據能值指標體系分析結果，辨識所研究農田系統的優缺點和演變趨勢，制定正確可行的農田系統管理措施和發展策略，以指導農田系統的可持續發展。
1.3 數據來源
原始數據主要來源于3個方面：一是通過走訪都江堰市氣象局，收集田間試驗區氣象方面的基礎資料；二是收集、整理試驗區農田生產過程中的各類物力、人力投入數據；三是通過田間定位試驗，獲取農田生產中農作物籽粒和秸稈的產出數據。
2結果與分析
2.1 能值投入產出分析
根據Odum創立的能量系統符號語言，繪制出農田系統能量系統圖(以秸稈全量還田模式為例，圖1)。按照能值分析方法的有關概念及分析步驟，結合研究數據，分析得出不同施肥模式下農田系統的能值投入和產出結構，具體結果詳見表3—4。為了更直觀地觀察分析數據，將不同施肥模式的能值分析數據進行匯總編制，得出不同模式下農田系統能值分析匯總表(表5)。
2.1.1能值投入結構分析
(1) 可更新環境資源投入。投入到農田系統中的可更新環境資源包括太陽光、雨水、風和地熱，其能值投入主要與試驗區的面積大小、氣候條件有關[16]。由于可更新環境資源中的幾種輸入能量是同樣氣候、地球物理作用引起的不同現象，因而為避免重復計算，只取其中能值投入量最大的一項帶入計算。由此，在不同施肥模式下的農田系統中，可更新環境資源的能值投入量相同，均為3.26E+15 sej/hm2，即雨水化學能投入。
(2) 不可更新工業輔助能投入。農田系統的不可更新工業輔助能投入主要包括工業化肥、農藥、柴油等工業消耗品投入。4個農田系統中不可更新工業輔助能投入均約為1.74E+16 sej/hm2，僅在柴油投入上有一定的差異。在施肥管理模式下，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的系統不可更新工業輔助能投入分別占其總輔助能值的91.62%，75.39%，64.09%和55.74%，占到其總能值投入的78.18%，66.06%，57.22%和50.47%，表明隨著秸稈還田量的增加，能值投入中工業輔助能的比重逐漸降低，系統生產對于化肥等工業消耗品的依賴作用逐漸下降。
圖1 CFS2處理下農田系統能量系統示意圖
(3) 可更新有機能投入。可更新有機能主要包括種子、勞動力、稻草和麥稈等。4個農田系統中可更新有機能投入的差異主要在于還田秸稈的投入。在施肥管理模式下，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的系統可更新有機能投入隨著秸稈還田量的增加而增大，相應的其可更新有機能投入占總輔助能值和總能值投入的比例也逐漸增大，分別為8.38%，24.61%，35.91%，44.26%和7.15%，21.57%，32.06%，40.07%。需要指出的是，CFS1，CFS2和CFS3處理的有機肥能值投入分別占其可更新有機能的71.17%，82.95%和87.79%，表明秸稈還田處理的有機肥能值投入較高，提升了農田系統的物質內部循環利用率，有利于系統的自我維持。
2.1.2能值產出結構分析由于不同管理模式下農田系統的經濟產量和秸稈產量不同，因而系統產出能值也存在較大差異。不同處理的總能值產出依次為：CFS3>CFS2>CFS1>CF，能值產出量分別為2.95E+16 sej/hm2，2.87E+16 sej/hm2，2.85E+16 sej/hm2和2.40E+16 sej/hm2，即總能值產出隨著秸稈還田量的增加而增大。從能值產出結構來看，各處理的作物籽粒能值(有效能值產出)表現為：CFS3>CFS1>CFS2>CF，分別占其總能值產出的68.21%，70.58%，69.39%和71.57%，表明較CK處理，秸稈還田處理提高了作物經濟產量和秸稈產量，更有利于區域農業生產發展。
表3 不同施肥處理下農田系統的輔助能量投入與產出
注：農田生產中投入產出項的能量計算方法來自參考文獻[12-15]； 由于氮肥、磷肥、鉀肥和農藥的能值轉換率單位為sej/g，因為在此表中未對此4項進行能量折算。各處理的具體配施情況詳見表2。下同。
表4 不同施肥處理下農田系統能值分析
注：能值轉換率來自參考文獻[11-12,14-15]； 太陽能值轉換率基于新的全球能值基線：15.83E+24 sej/a，即2000年前測算的太陽能值轉換率需乘以1.676 9進行校正。
表5 不同施肥處理下農田系統能值分析匯總
2.2 能值指標分析
根據不同管理模式下農田系統的能值投入產出狀況，計算出農田系統的主要能值指標(表6)。由表6可以得出：(1) 凈能值產出率。凈能值產出率(EYR)是農田系統中的產出能值與經濟投入能值(購買能值)的比值，其值越高，說明系統相對產出量越大，系統經濟效益越好，市場競爭力越強。分析結果表明，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農田系統EYR隨著秸稈還田量的增加而增大，分別為1.27，1.50，1.51和1.54。4個農田系統的EYR均高于1，說明各系統均存在能值利潤，生產過程具有經濟效益。與CF模式相比，秸稈還田模式下的農田系統具有更高的EYR，這是由于秸稈還田模式提高了作物經濟產量和秸稈產量，系統經濟效益更好。因此，秸稈還田模式具有更強的市場競爭力。 (2) 能值投入率。能值投入率是農田系統中的經濟投入能值(購買能值)與從自然環境資源中無償輸入能值的比值，用于衡量系統經濟發展程度，其值越大，表明系統經濟發展水平越高。分析結果顯示，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農田系統能值投入率隨著秸稈還田量的增加而增大，分別為5.82，5.84，5.85和5.86。這表明較CF模式，秸稈還田模式對于每單位無償環境資源的利用投入了相對較多的購買能值，其差異主要體現在勞動力投入上，因為定量秸稈還田比秸稈不還田花費了更多的人力，而這也說明秸稈還田模式對自然資源的開發程度更高。 (3) 能值反饋率。能值反饋率是農田系統中還田有機肥的能值與經濟投入能值(購買能值)的百分比，用以衡量系統的自組織能力。由于秸稈還田模式下農田系統增加了有機肥能值投入(秸稈覆蓋還田)，提升了系統物質循環強度，形成了循環農業生產模式，因而CFS1，CFS2和CFS3處理的系統能值反饋率逐漸提高，分別為21.24%，42.42和63.55%，系統自組織能力逐漸增強。較秸稈還田模式，CF模式下農田系統無有機肥還田，因此其能值反饋率為0。 (4) 能值生產力。能值生產力是農田系統單位土地面積的有效能值產出(作物籽粒能值)，其值越大，說明系統有效能值產出越大，系統經濟效益越好。在施肥管理模式下，農田系統能值生產力并未隨著秸稈還田量的增加而增大，具體表現為CFS3>CFS1>CFS2>CF，其中CFS3處理的系統能值生產力最高，達2.01E+12 sej/hm2，CF處理的最低，為1.72E+12 sej/hm2。這與整個稻麥輪作周期各施肥處理的作物產量變化規律相吻合。 (5) 能值—勞動生產率。能值—勞動生產率以太陽能值來表示勞動成果，比傳統的勞動生產率更能全面和真實地反映與評價生產者的勞動效率。分析結果表明，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農田系統能值—勞動生產率分別為2.70E+14 sej/h，2.97E+14 sej/h，2.90E+14 sej/h和2.89E+14 sej/h，可見盡管定量秸稈還田比秸稈不還田花費了更多的人力，但其系統能值產出更大，因而系統勞動效率得以提高。需要指出的是，在秸稈還田模式下，系統能值—勞動生產率隨著秸稈還田量的增加而下降，但三者間差異不明顯。 (6) 環境負載率。環境負載率(ELR)是農田系統中投入的不可更新資源能值量與不可更新工業輔助能之和與可更新環境資源能值量的比值，用以衡量由于不可更新資源的輸入和使用，對環境造成的壓力和脅迫作用。從過去的研究案例中所得到的經驗表明，ELR<2，表明生態經濟系統運行產生了相對較低的環境影響；2
從表6中可以發現，CF，CFS1，CFS2和CFS3模式下農田系統ESI分別為0.35，0.77，1.13和1.52，表明隨著秸稈還田量的增加，農田系統的可持續發展性能不斷增強，系統發展潛力不斷增大。需要指出的是，按照以能值可持續發展指數對生態經濟系統的分類標準，CF和CFS1處理的農田系統屬于消費驅動型生態經濟系統，購入能值特別是工業輔助能在能值總投入中所占比重較大，系統運行對不可更新資源的利用率較高，系統發展不可持續，而這也在一定程度上與兩個系統生產過程中農田養分(如鉀素)呈現虧缺的狀況相印證(該成果尚未發表)；相比之下，CFS2和CFS3處理的農田系統則是可持續的，并具有較大的發展潛力。
表6 不同施肥處理下農田系統能值評價指標體系
3結果討論
能值分析把環境資源的價值定量化，從而闡明自然環境資源與經濟的本質關系，是以往單純的能量和經濟分析所不能達到的，這對于各類資源的合理利用、制定經濟發展方針及實施可持續發展戰略具有重要意義[19]。近年來，能值分析方法在農田系統研究上的應用也得到了廣泛的關注和發展。邢開成等[20]、熊凱等[21]、趙桂慎等[22]均應用能值分析方法評價了我國不同地區農田系統的發展水平，并針對性地提出了調控策略。可見，能值分析在研究農田系統運行效率上的作用已日益明顯。本研究中，成都平原稻麥輪作農田系統在CF模式下的環境負荷率達到3.58，高于2005年江蘇省農田系統(2.83)[23]、2006年華北平原高產糧區(2.63)[22]以及2007年湖北省集約農區(3.29)[21]的環境負荷水平。這表明CF模式下成都平原稻麥輪作農田系統的發展已處于一種高投入高產出的狀態，同時也反映出該模式下農田系統未來發展的環境壓力較大。根據能值理論，系統外界能值過度輸入以及對非更新資源高強度使用是導致系統環境惡化的一個重要原因[24]。因此，CF模式下農田系統環境負荷水平較高與大量不可更新資源如化肥、農藥、燃油等投入比重較高有直接的關系，并由此導致了該農田系統的可持續發展能力相對較差。
秸稈是一種農田系統有機廢棄物，然而其蘊藏著巨大的養分資源，作物吸收的養分近一半留在秸稈中[2]。大量研究已表明，秸稈還田后在土壤微生物作用下發生腐解，釋放出大量碳、氮、磷、鉀以及中微量營養元素，從而能有效提升土壤肥力，促進作物增產[25-27]。本研究中，較CF模式，秸稈還田模式提升了稻麥輪作農田系統的可更新有機能投入水平，使系統具有了良好的物質內部循環利用率和能值反饋特性，降低了系統生產對于不可更新工業輔助能的依賴，環境負荷較小，有利于系統的維持。這一規律在高雪松[5]和蔣碧等[16]的研究中也有體現。需要指出的是，秸稈還田量的不同，其腐解速率及釋放的養分量也不同，隨之對農田系統的影響也會存在差異。本試驗條件下，秸稈還田提高了農田系統的氮素、磷素和鉀素物流強度，但在CFS1模式下農田系統鉀素仍呈現出虧缺狀態，虧缺量為-76.69 kg/hm2，土壤鉀庫消耗較大，不利于系統的維持(該成果尚未發表)。因此，在本試驗的施肥水平和常規田間管理條件下，無論從農田系統可持續發展能力還是養分平衡狀況來看，CFS2和CFS3模式都具有更優的系統運行結構，更有利于農田系統生產發展，是區域稻麥輪作農田較優的秸稈還田生產模式。
此外，鑒于秸稈還田后農田系統環境演變的長期效應以及對農作物生長影響的復雜性，農田系統的可持續性比較及適宜秸稈還田量的選擇還需進行長期的定位試驗研究。
4結 論
(1) 從能值結構看，CF，CFS1，CFS2和CFS3模式下農田系統不可更新工業輔助能投入占到其總能值投入的78.18%，66.06%，57.22%和50.47%，秸稈還田模式降低了能值投入中工業輔助能的比重，增強了系統的自給能力，并提高了系統總能值產出。
(2) 從能值指標看，較CF模式，秸稈還田模式提高了農田系統的凈能值產出率、能值投入率、能值反饋率、能值生產力和能值—勞動生產率，降低了環境負載率，有效提升了農田系統的可持續發展性能，增強了系統的發展潛力，其中CFS2和CFS3模式的養分物質內部循環利用率較高，環境負載率較小，有利于農田系統的持續、高效運行，是成都平原稻麥輪作農田較優的秸稈還田生產模式。
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Emergy Analysis of Farmland Eco-system with Different Straw Returning Modes of Rice-Wheat Rotation in Chengdu Plain
HUANG Chun1,2, DENG Liangji1,2, YANG Juan1,2, ZHOU Wei1,2
(1.CollegeofResources,SichuanAgriculturalUniversity,Wenjiang，Sichuan611130,China; 2.KeyLaboratoryofLandInformationinSichuanProvince,Wenjiang，Sichuan611130,China)
Abstract：[Objective] To find out a suitable straw returning mode for the rice-wheat rotation ecosystem with high yield in Chengdu Plain, and to offer a scientific basis for the efficient operation of regional farmland system. [Methods] Four treatments in field experiment was designed according to applied straw quantities, i.e., chemical fertilizer only(CF), chemical fertilizer plus a half of straw returning(CFS1), chemical fertilizer plus total straw returning(CFS2), chemical fertilizer plus 1.5 times of straw returning(CFS3). Based on emergy analysis method, we studied the changes of total amount of emergy input and output, the structure of emergy input and output and the emergy indexes among different fertilization treatments. [Results] (1) The results showed that, as compared to CF mode, other straw returning modes lowered the proportion of the non-renewable industrial assistant emergy to the total emergy input and increased the level of self-supply ability and the total emergy output. (2) From the perspective of the emergy indexes, as compared to the CF mode, straw returning modes had higher levels of net emergy yield ratio, emergy input ratio, emergy feedback ratio, emergy productivity and emergy-labor productivity, and had lower levels of environmental load ratio. Straw returning modes effectively improve the sustainable development ability of farmland system, especially CFS2and CFS3modes had the lower environmental load ratio and the higher emergy sustainable index. [Conclusion] Modes of CFS2and CFS3are the suitable straw returning modes under a rice-wheat rotation in Chengdu Plain.
Keywords:emergy analysis; straw returning; rice-wheat rotation; Chengdu Plain
文獻標識碼：A
文章編號：1000-288X(2015)02-0336-08
中圖分類號：X712， S181
通信作者：鄧良基(1957—),男(漢族),四川省瀘縣人,教授,主要從事農業資源利用方面的研究。E-mail:auh6@sicau.edu.cn。
收稿日期：2014-03-06修回日期：2014-03-28
資助項目：四川省科技支撐計劃項目“農田有機質提升關鍵技術應用與推廣”(2013NZ0027)
第一作者：黃春(1985—),男(漢族),四川省江安縣人,博士,主要研究方向為農業廢棄物循環利用。E-mail:79412310@qq.com。
