新疆南部農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)能流特征分析

周正立 呂瑞恒 梁繼業(yè)

(塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地

能量既是生態(tài)系統(tǒng)的動力基礎(chǔ), 也是其基本功能，應(yīng)用能流的方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行分析, 能夠明確物質(zhì)與能量的交換、轉(zhuǎn)化、傳遞過程，客觀、全面和定量地反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各成分間最本質(zhì)的關(guān)系[1-3]。隨著新疆南部環(huán)塔里木盆地特色林果業(yè)種植面積的不斷擴(kuò)大，林果種植已由低產(chǎn)田、綠洲邊緣及外圍向農(nóng)區(qū)中心挺進(jìn)，逐漸形成了 “果中有農(nóng)，農(nóng)中有果”的鑲嵌型復(fù)合系統(tǒng)——農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)。在此背景下，如何協(xié)調(diào)種植業(yè)與林果業(yè)之間的布局與比例關(guān)系，構(gòu)建功能穩(wěn)定、生態(tài)安全、效益良好、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是當(dāng)前和今后一個時期科學(xué)研究的重點。為此，本文以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師、第二師、第三師、第十四師農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)為研究對象，了解農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能量構(gòu)成特征，揭示農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)生產(chǎn)中存在的問題，為干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定合理的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料收集

收集新疆南部第一師、二師、三師、十四師各團(tuán)場農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)、果業(yè)子系統(tǒng)、畜牧業(yè)子系統(tǒng)各項指標(biāo)信息。其中農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)、果業(yè)子系統(tǒng)統(tǒng)計指標(biāo)包括:主要種植對象、種植面積、有機(jī)能投入情況(種子、有機(jī)肥、人力)、無機(jī)能投入情況(氮肥、磷肥、鉀肥、農(nóng)藥、機(jī)械、柴油、農(nóng)用電、農(nóng)膜等)，畜牧業(yè)子系統(tǒng)統(tǒng)計指標(biāo)包括:飼養(yǎng)種類、存欄數(shù)、能量投入指標(biāo)(人力、飼料投入量)、能量產(chǎn)出指標(biāo)(肉、蛋、奶、糞便)等指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)分析計算

1.2.1 能量投入統(tǒng)計：單位面積作物(或果樹)年有機(jī)能、無機(jī)能的能量投入量是按各作物某物質(zhì)的投入及消耗水平與其折能系數(shù)的乘積計算而得，計算公式如下[4]：

式中：Ei為第i種作物的能量投入量，Iij為第i種作物中輸入的j物質(zhì)的量，ηj為j物質(zhì)的折能系數(shù)。

1.2.2 能量產(chǎn)出統(tǒng)計:產(chǎn)出的物質(zhì)是各種作物(或果樹)各器官的生產(chǎn)力與其相應(yīng)熱值的乘積。各器官能量合計即為該作物(或果樹)的能量總產(chǎn)出。計算公式如下[5]：

式中：E'i為第i種作物(或果樹)的能量產(chǎn)出量，Pij為第i種作物(或果樹)j器官的生產(chǎn)力，ej為j器官的熱值。

1.2.3 農(nóng)業(yè)(或果業(yè))子系統(tǒng)能量產(chǎn)投分析:根據(jù)各師作物(或果樹)種植面積與單位面積作物(或果樹)能量產(chǎn)投情況進(jìn)行計算，得各師農(nóng)業(yè)(或果業(yè))子系統(tǒng)能量產(chǎn)投分析表。計算公式如下[6]:

產(chǎn)投比=E產(chǎn)/E投CREF=E有/E投

式中:E有為子系統(tǒng)有機(jī)能投入，E無為子系統(tǒng)無機(jī)能投入，E投為子系統(tǒng)總投能(×1010J)，E產(chǎn)為子系統(tǒng)總產(chǎn)能(×1010J)，Ei有為第i種作物(或果樹)單位面積有機(jī)能投入量(×1010J/hm2)，Ei無為第i種作物(或果樹)單位面積無機(jī)能投入量(×1010J/hm2)，E'i為第i種作物(或果樹)單位面積能量產(chǎn)出(×1010J/hm2)，Ai為第i種作物種植面積(單位hm2)，CREF為能流循環(huán)指數(shù)。

1.2.4 畜牧業(yè)子系統(tǒng)能量產(chǎn)、投分析:實地調(diào)查各師的牲畜種類、數(shù)目，按李中魁、王幼民[7,8]的方法計算各畜種的飼料、飼草消耗量及糞便產(chǎn)量，再乘相應(yīng)的折能系數(shù)，可得畜牧業(yè)子系統(tǒng)能量投入、產(chǎn)出情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)能量流

由表1可知，人工輔助能投入較低。一師、二師、三師、十四師人工輔助投能平均分別為4. 49×1010J/hm2、4. 37×1010J/hm2、3. 40×1010J/hm2、3. 80×1010J/hm2，均低于1979年的全國平均水平6. 43×1010J/hm2。同國內(nèi)其他省區(qū)相比，只有江浙高產(chǎn)區(qū)12. 44×1010J/hm2的36. 12%、35. 14%、27. 33%和28. 02%，山東省中產(chǎn)區(qū)7. 65×1010J/hm2的58. 72%、57. 13%、44. 43%和45. 55%，安徽省低產(chǎn)區(qū)5. 46×1010J/hm2的82. 27%、80. 04%、62. 25%和63. 81%(各省均系1979年數(shù)據(jù))。因此，對于各師來說，均應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)人工輔助能的投入。

各師由于生產(chǎn)經(jīng)營水平不同，其投能結(jié)構(gòu)及數(shù)量是不同的。一、二、三師有機(jī)能與無機(jī)能投入比例相當(dāng)，均為0. 04∶1；十四師有機(jī)能與無機(jī)能投入比例為0.12∶1。各師有機(jī)能投入數(shù)量分別為1 917. 29MJ / hm2·a、1 865. 32 MJ / hm2·a、1 409. 84 MJ / hm2·a和3 004. 12 MJ / hm2·a ，而1979年全國平均有機(jī)能投入已達(dá)49 600MJ/hm2·a，高產(chǎn)區(qū)達(dá)到86 200 MJ/hm2·a，可見各師農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)有機(jī)能投入只相當(dāng)于80年代以前的全國平均水平的3. 86%、3. 76%、2. 84%和6. 05%，高產(chǎn)區(qū)的2. 22%、2.16%、1. 63%和3. 49%。這一方面說明有機(jī)肥源不足，勞動力投入不足，另一方面說明種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)能量結(jié)構(gòu)不合理，有機(jī)能利用效率低。

在人工輔助能投入中，有機(jī)能的投入占總能量投入的比例稱為能流循環(huán)指數(shù)(CREF)。能流循環(huán)指數(shù)反映了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部亞系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)關(guān)系和能量利用狀況，是反映系統(tǒng)穩(wěn)定性、自我維持能力和持續(xù)發(fā)展的一個指標(biāo)。有機(jī)能投入低，能流循環(huán)指數(shù)低，穩(wěn)定性差，抗災(zāi)能力低。由表1可以看出，一、二、三、十四師能流循環(huán)指數(shù)分別為0. 043、0. 043、0. 042和0. 086，而1979年能流循環(huán)指數(shù)全國平均0. 77。可見各師農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)能流循環(huán)指數(shù)分別相當(dāng)于全國平均的5. 54%、5. 54%、5. 38%、11. 17%，由此也說明各師應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)有機(jī)能的投入，以提高系統(tǒng)對外界干擾的抵抗能力，并把用地和養(yǎng)地結(jié)合起來，促進(jìn)農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比是經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)出與總投能的比值，是反映系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)，產(chǎn)投比低于1，即產(chǎn)出的能量低于輸入的能量，則系統(tǒng)中存在有障礙性因素，如干旱、低溫、水土流失、粗放耕作等，妨礙了能量轉(zhuǎn)換功能的正常發(fā)揮，或者能量作無效消耗。我國糧食高中產(chǎn)地區(qū)能量產(chǎn)投比在1. 08～1.32之間，全國平均1. 08。而所調(diào)查的農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)中各種作物的經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比以棉花的最高，平均5. 99∶1；水稻3. 40∶1，小麥2. 18∶1，玉米2. 75∶1。各師農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比表現(xiàn)為三師(5. 94∶1)>一師(5. 08∶1)>二師(5. 01∶1)>十四師(3. 26∶1)。因此，在進(jìn)行作物種植時，應(yīng)根據(jù)各區(qū)域?qū)嶋H情況，確定各作物的種植面積及比例。

表1 農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)能量產(chǎn)投分析(單位∶1012J)

由表1、表2可知，無機(jī)能投入相對較高。一、二、三、十四師農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)無機(jī)能投入平均分別為4. 30×1010J/hm2、4. 18×1010J/hm2、3. 26×1010J/hm2、3. 18×1010J/hm2，相當(dāng)于1979年全國平均水平1. 47×1010J/hm2的292. 51%、284. 61%、221. 62%和216. 59%，高產(chǎn)地區(qū)3. 82×1010J/hm2的112. 56%、109. 52%、85. 28%和83. 35%，中產(chǎn)地區(qū)2. 04×1010J/hm2的210. 78%、205. 08%、159. 70%和156. 07%。在無機(jī)能的投入中，氮肥分別占54. 81%、58. 51%、55. 45%和62. 96%，磷肥分別占13. 02%、7. 22%、6. 50%和12. 48%，鉀肥分別占1. 35%、1. 19%、0. 84%和1. 35%，農(nóng)藥占1. 45%、2. 07%、1. 47%和1. 88%，農(nóng)田機(jī)械占0. 08%、0. 08%、0. 07%和0. 09%，燃油分別占12. 74%、13. 73%、19. 68%和18. 30%，電能占0. 003%、0. 005%、0. 003%和0. 003%，薄膜分別占16. 54%、17. 19%、15. 97%和2. 94%?？梢?，無機(jī)能投入較高，主要是大量施用化肥的結(jié)果。

表2 農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)無機(jī)能量投入(單位:1012J)

2.2 果業(yè)子系統(tǒng)能量流

果業(yè)子系統(tǒng)能量投入包括有機(jī)能與無機(jī)能，各師能量投入情況見表3。由表中可以看出，各師(一、二、三、十四師)果業(yè)子系統(tǒng)的有機(jī)能投入仍然是以有機(jī)肥投能為主，平均分別占有機(jī)能投入的99. 70%、99. 32%、98. 93%和99. 16%。在無機(jī)能投入中，化肥投能分別占無機(jī)能投入的69. 18%、66. 93%、61. 09%和76. 80%；其次是燃油和農(nóng)膜，分別占12. 74%、13. 73%、19. 15%、18. 30%和16. 54%、17. 19%、18. 26%、2. 94%；再次是農(nóng)藥和機(jī)械，分別占1. 45%、2. 07%、1. 43%、1. 88%和3. 04%、1. 63%、1. 18%、0. 49%；而農(nóng)用電所占的比重最少，僅0. 002 9%-0. 005 5%。

表3 果業(yè)子系統(tǒng)能量投入(單位:1012J)

由表4可知，果業(yè)子系統(tǒng)中各師果樹種植種類主要以紅棗為主，分別占各師果樹種植面積的76. 56%、54. 14%、84. 89%、96. 92%。各師無機(jī)能投入比重較大，有機(jī)能與無機(jī)能投入比例為十四師(0. 040∶1)>一師(0. 020∶1)>二師(0. 016∶1)>三師(0. 007∶1)。各師果業(yè)子系統(tǒng)能量產(chǎn)投比遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)，果業(yè)子系統(tǒng)不同種植種類經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比在各師中分別以紅棗(2. 46)、蘋果(1. 41)、梨(4. 61)、紅棗(4. 00)最高，因此根據(jù)各自氣候、土壤條件適當(dāng)調(diào)整種植種類，保證經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的穩(wěn)定性。同時，果業(yè)子系統(tǒng)中能流循環(huán)指數(shù)較低，抵抗外界環(huán)境能力較差，應(yīng)加大有機(jī)能的投入，豐富經(jīng)濟(jì)林種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

表4 果業(yè)子系統(tǒng)能量產(chǎn)投分析(單位:1012J)

2.3 畜牧業(yè)子系統(tǒng)能量流

各種畜禽由于本身的遺傳特性和生理活動的需要，人們對其進(jìn)行飼養(yǎng)和管理的方法是不同的，具體表現(xiàn)在人工投能和各種飼料的組成結(jié)構(gòu)上。各種家畜、家禽的產(chǎn)出物也是不同的。由表可以看出，不同的畜禽種類，其能量產(chǎn)投比是不同的。各種畜禽能量產(chǎn)投比平均表現(xiàn)為羊(5. 25∶1)>肉牛(4. 68∶1)>奶牛(4. 30∶1)>馬(3. 56∶1)>兔(3. 59∶1)>驢(3. 02∶1)>豬(2. 17∶1)>雞(1. 63∶1)>駱駝(0. 65∶1)。因此，對于各師來說，在發(fā)展畜牧業(yè)時，應(yīng)盡可能發(fā)展羊、牛、馬等大牲畜，以提高整個系統(tǒng)的能量產(chǎn)出。

在總產(chǎn)能中，畜禽糞占了很大比例，各種畜禽糞便產(chǎn)能分別占總產(chǎn)能的98. 64%、74. 18%、99. 35%、99. 21%、66. 20%、93. 44%、98. 56%、94. 25%、97. 59%。各師畜牧業(yè)子系統(tǒng)由于畜種結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比表現(xiàn)為三師(3. 92∶1)>一師(3. 86∶1)>十四師(3. 63∶1)>二師(3. 31∶1)，這種變化與三師、一師、十四師草食性牲畜羊的數(shù)量較多有關(guān)，而在二師由于豬的比重較大，致使系統(tǒng)能量產(chǎn)投比最低。

表5 畜牧業(yè)子系統(tǒng)能量投入、產(chǎn)出

續(xù)上表

單位項目肉蛋、奶糞便數(shù)量折能數(shù)量折能數(shù)量折能(t)1012J(t)1012J(t)1012J總產(chǎn)能總投能1012J1012J產(chǎn)投比第三師肉牛232027.11--84.701730.421757.53374.984.69奶牛--6.8016.851943963.423980.28932.194.27馬0.0400.47--4.7296.4396.927.273.55驢0.1301.53--23.00469.89471.42156.813.01駱駝00--0.387.797.7912.120.64豬7460187.73--135.802774.442962.1613682.17羊7120113.371.183.97466.419528.79646.0418405.24雞9404.201.7013.6415.27311.89329.72203.251.62兔1200.44001.0521.4821.926.143.57系統(tǒng)18130334.859.6834.46925.33189041927349213.92第十四師肉牛3403.91--14.63298.89302.864.774.68馬120.14--1.7736.1636.310.233.55驢1301.53--10.00204.3205.8368.183.02駱駝750.88--3.0562.3363.2196.960.65豬53013.21--11.41233.18246.39114.972.14羊211033.560.020.06788.741812.961846.58350.065.27雞2301.050.594.75.26107.42113.17701.62兔380.140.418.298.432.373.56系統(tǒng)347054.420.614.77135.272763.532822.71777.543.63

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況反映了系統(tǒng)中環(huán)境資源利用的合理性和系統(tǒng)內(nèi)部生態(tài)經(jīng)濟(jì)關(guān)系的協(xié)調(diào)性，從而決定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的功能水平[9,10]。農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)與果業(yè)子系統(tǒng)人工輔助能投入較低，無機(jī)能投入大于有機(jī)能投入，導(dǎo)致能流循環(huán)指數(shù)較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。兵團(tuán)大部分團(tuán)場地處沙漠邊緣和邊境線，自然土壤肥力條件差，因此，增大有機(jī)能投入，特別是有機(jī)肥的投入對于改善土壤肥力條件，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。同時，在農(nóng)業(yè)、果業(yè)子系統(tǒng)中，各師化肥投能占無機(jī)能投入比重均超過60%，為避免造成速效肥料浪費與次生污染問題，結(jié)合種植種類生長特性、土壤肥力條件等因素，應(yīng)實施精準(zhǔn)施肥。然而，由于地域自然條件和經(jīng)濟(jì)條件限制，新疆南部各師農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并不一致，農(nóng)業(yè)、果業(yè)子系統(tǒng)第一、二、三、十四師能流循環(huán)指數(shù)均處于極低水平，遠(yuǎn)低于其他區(qū)域農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)[11-13]。其中，農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)各作物經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比均以棉花最高，各師果業(yè)子系統(tǒng)各經(jīng)濟(jì)林種經(jīng)濟(jì)能量產(chǎn)投比第一師、第十四師以紅棗最高，第二師、第三師分別以蘋果、梨最高，各師應(yīng)根據(jù)市場需求狀況進(jìn)行宏觀調(diào)控，控制種植結(jié)構(gòu)比例，避免供需不平衡。

構(gòu)建農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)極大地依賴動植物多樣性的存在[14]。與其它復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)相比[15-17]，新疆南疆區(qū)域種植結(jié)構(gòu)單一，過度依賴于水肥投入，難以實現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營。因此，應(yīng)大力發(fā)展畜牧業(yè)，尤其是產(chǎn)投比較高的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模諸如羊(5. 25∶1)、肉牛(4. 68∶1)、奶牛(4. 30∶1)、馬(3. 56∶1)等，同時也可促進(jìn)農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)有機(jī)能投入，向循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性。

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