基于循環(huán)模式下氮、磷、鉀流動分析
——以河西走廊涼州示范區(qū)為例

于安芬，李瑞琴，趙有彪，車宗賢，蘇永生

(1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州730070;2. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州730070)

物質(zhì)循環(huán)的研究有助于調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)養(yǎng)分的平衡，掌握生產(chǎn)中養(yǎng)分的投入效率［1］。氮、磷、鉀是物質(zhì)的基本組成元素，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的基本物質(zhì)循環(huán)主要通過氮、磷、鉀元素的流動實現(xiàn)。探明物質(zhì)循環(huán)規(guī)律是管好、用好農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的合理性，探明系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)路徑及轉(zhuǎn)化效率，評價系統(tǒng)生態(tài)效應，探求系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳功能狀態(tài)，并為提高養(yǎng)分利用率提供科學依據(jù)。目前，國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟效益分析評價的研究較多［2－15］，但有關(guān)氮、磷、鉀循環(huán)的研究仍很少，我國河西走廊地區(qū)綠洲灌區(qū)農(nóng)林復合系統(tǒng)中的氮、磷、鉀循環(huán)研究尚未見報道。因此，以甘肅省河西走廊綠色農(nóng)業(yè)示范區(qū)涼州區(qū)為試驗基點，對當?shù)亟鼛啄晷屡d的綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)模式“小麥－雙孢菇－肥－葡萄”中氮、磷、鉀的循環(huán)及投入產(chǎn)出率進行研究，探求系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳資源配置量，明確我國綠洲灌區(qū)綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的物質(zhì)循環(huán)特征。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 模式簡介

“小麥－雙孢菇－肥－設(shè)施葡萄”是在改變傳統(tǒng)種植方式的基礎(chǔ)上，利用小麥秸稈種植雙孢菇，雙孢菇廢基料作為肥料，栽培紅提葡萄，并實行家庭式中小規(guī)模經(jīng)營的綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。模式是以甘肅省武威市涼州區(qū)謝河綠色農(nóng)業(yè)試驗站為核心示范區(qū)域構(gòu)建的。該區(qū)域地處河西走廊沿山冷涼灌區(qū)，海拔1 720 m，年均降水量161 mm，年蒸發(fā)量2 020 mm，年平均氣溫7.9 ℃，日溫差15 ℃，年無霜期155 d，年日照時數(shù)2 968 h。耕地面積年配水量4 800 m3·hm－2。屬溫帶大陸性干旱氣候，太陽輻射強，日照充足，夏季炎熱，冬季嚴寒，空氣干燥，晝夜溫差懸殊。

1.2 試驗簡介

試驗分別測定“小麥－雙孢菇－肥－設(shè)施葡萄”模式中大田小循環(huán)、設(shè)施小循環(huán)以及整個模式的物質(zhì)投入產(chǎn)出，計算氮、磷、鉀的輸入輸出量，分析物質(zhì)循環(huán)特征。

小麥品種:寧春39 號;春季隨播種一次施肥為:有機肥7 500 kg·hm－2，純N 225 kg·hm－2(留20%作追肥)，純P2O5150 kg·hm－2，純K2O 90 kg·hm－2，折磷二銨330 kg·hm－2，尿素262.5 kg·hm－2，K2SO4247.5 kg·hm－2。

雙孢菇品種:雙2796。紅提葡萄品種:美國紅提。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測定項目。①單位面積春小麥投入化肥、有機肥的總量，小麥籽粒、秸稈的產(chǎn)出量。②單位面積雙孢菇生產(chǎn)投入的小麥秸稈、菜籽餅、牛糞量及化肥總量。雙孢菇產(chǎn)出量。③雙孢菇栽培后產(chǎn)生的廢基料量。④紅提葡萄栽培中投入的雙孢菇廢基料量。⑤有機肥、小麥籽粒、秸稈、牛糞、雙孢菇、雙孢菇廢基料中的全量N、P、K。

1.3.2 測定方法。①農(nóng)田小循環(huán)物質(zhì)輸入輸出計算方法。以春小麥示范田為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，對全年小麥生產(chǎn)中的投入產(chǎn)出作詳細調(diào)查，并從數(shù)據(jù)中去除極端樣本，進行分析。氮磷鉀養(yǎng)分平衡分析中，以投入產(chǎn)出比來衡量。②設(shè)施小循環(huán)中物質(zhì)輸入、輸出。本循環(huán)中只計算雙孢菇培養(yǎng)基所有的投入物料，產(chǎn)出的雙孢菇產(chǎn)品及培養(yǎng)基廢料進行氮、磷、鉀測定，結(jié)合示范區(qū)平均產(chǎn)量進行分析。因為設(shè)施葡萄在移栽2 年后才進入盛果期，而研究的數(shù)據(jù)是以一年為生產(chǎn)周期進行試驗統(tǒng)計的，因此，在總的循環(huán)模式中未納入葡萄的產(chǎn)出，雙孢菇即是設(shè)施小系統(tǒng)的輸出、輸出，也是總的循環(huán)系統(tǒng)的輸入、輸出。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田單作系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)分析

農(nóng)田投入項以“化肥投入量+有機肥施入量”含某一元素折合計，產(chǎn)出項以“作物籽實含量+秸桿帶出量”含某一元素折合計算，結(jié)果見表1。其中當年作物根茬養(yǎng)分吸持量，假定與上年殘留根茬相抵消，化肥施入量、化肥含氮量、購買有機肥施入量、還田比例、灌溉量、作物主產(chǎn)品產(chǎn)量和副產(chǎn)品還田比例通過實地調(diào)查獲得;有機肥含氮量參考《中國有機肥料養(yǎng)分數(shù)據(jù)集》［14］;灌溉水含氮量參考劉宏斌［15］和李玉堂［16］等研究成果;大氣沉降輸入氮量來源于Zhang［17］和Shen［18］;生物固氮量參考魯如坤等研究結(jié)果［19］。根據(jù)以上數(shù)據(jù)來源，淋溶、滲漏、揮發(fā)等氮損失量與降雨、灌溉水攜入、生物固氮等基本可以互相抵消。

小麥籽粒、秸稈氮、磷、鉀量通過實驗室測定。小麥秸稈籽粒比采用常用的1.1 和1.2［20］。

2.1.1 氮、磷、鉀養(yǎng)分的投入。為計算方便，K、P、K 投入只計算施肥的養(yǎng)分量。

2.1.2 氮、磷、鉀養(yǎng)分的產(chǎn)出。產(chǎn)出以小麥籽粒、秸稈產(chǎn)量為依據(jù)。

表1 小麥生產(chǎn)投入有機肥純N、P、KTab.1 The N，P，K content of organic fertilizer input in wheat production

表2 小麥籽粒、秸稈N、P、K 含量Tab.2 The content of the N，P and K in grain and stem of wheat

2.1.3 氮、磷、鉀養(yǎng)分的平衡。K、P、K 的平衡以N 、P、K 的投入產(chǎn)出之比來計算。為計算方便，K、P、K 投入只計算施肥的養(yǎng)分量，產(chǎn)出則以小麥籽粒、秸稈、根茬產(chǎn)出量為據(jù)。依作物收獲后養(yǎng)分的測定數(shù)據(jù)，得出每生產(chǎn)100 kg 小麥籽粒所吸收的養(yǎng)分為:氮2.06 kg，磷0.37 kg，鉀0.29 kg。

從表3 看出，示范區(qū)每產(chǎn)出1 個單位氮、磷、鉀，養(yǎng)分投入至少分別為0.76、0.13 和0.14 個單位。

表3 農(nóng)田單作系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)Tab.3 Nutrient cycle in the small circulation of farmland

2.2 設(shè)施單作系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)分析

2.2.1 雙孢菇。雙孢菇生產(chǎn)需要投入物質(zhì)的量為:牛糞15 萬kg·hm－2，小麥秸稈15 萬kg·hm－2，菜籽餅5 400 kg·hm－2，過磷酸鈣2 700 kg·hm－2，尿素2 700 kg·hm－2。

2.2.2 設(shè)施葡萄。雙孢菇培養(yǎng)基廢料的氮、磷、鉀輸入量分別為165.60 kg、89.28 kg、50.40 kg。產(chǎn)生的培養(yǎng)基廢料全部還田，每年可栽培設(shè)施葡萄0.214 hm2。

表5 說明，在設(shè)施單作中每產(chǎn)出1 個單位氮、磷、鉀，養(yǎng)分至少需要投入0.99、0.49 和0.22 個單位。

表4 雙孢菇生產(chǎn)投入物質(zhì)N、P、K 含量Tab.4 The N，P，K content of input in agaricus bisporus production

表5 設(shè)施單作系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)Tab.5 Nutrient cycle in the small circulation of sunlight greenhouse

2.3 模式循環(huán)系統(tǒng)中N、P、K 循環(huán)

表6 農(nóng)田、設(shè)施單作及模式循環(huán)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)Tab.6 Nutrient cycle in the circulation of sunlight greenhouse，farmland and ecological systems

農(nóng)田單作系統(tǒng)氮、磷、鉀的產(chǎn)投比最低，分別為0.78、0.13、0.16，設(shè)施單作系統(tǒng)氮、磷、鉀的產(chǎn)投比位居第二，分別為0.99、0.89、0.22，模式循環(huán)系統(tǒng)氮、磷、鉀的產(chǎn)投比最高，分別為0.95、0.97、0.75。

氮循環(huán)中，從土壤中帶出的純N 占總輸入量的85%，通過秸稈進入雙孢菇循環(huán)的純N 占總輸入量的17.7%，即還田純N 占總輸入的27%。

磷循環(huán)中，從土壤中帶出的純P 占總輸入量的12%，通過秸稈進入雙孢菇循環(huán)的純P 占總輸出量的8%，還田純P 占總輸入的60%。

鉀循環(huán)中，從土壤中帶出的純K 占總輸入量的70%，通過秸稈進入雙孢菇循環(huán)的純K 占總輸入量的60%，還田純K 占總輸入的39%。

3 結(jié)論與討論

①“小麥－ 雙孢菇－ 肥－ 設(shè)施葡萄”模式循環(huán)系統(tǒng)中，氮、磷、鉀的產(chǎn)投比分別為0.95、1.12、0.75，遠遠高于農(nóng)田單作系統(tǒng)和設(shè)施單作系統(tǒng)。

②在模式循環(huán)系統(tǒng)中，氮、磷、鉀的還田量分別占總輸入量的27%、60%、39%。高于農(nóng)田單作系統(tǒng)，同時又低于設(shè)施單作系統(tǒng)，可見在模式循環(huán)系統(tǒng)中，設(shè)施子系統(tǒng)物質(zhì)的輸入和輸出占整個系統(tǒng)的主要部分。

③在涼州示范區(qū)，利用小麥秸稈種植雙孢菇，雙孢菇廢基料作為肥料，栽培紅提葡萄，構(gòu)建家庭式中小規(guī)模經(jīng)營的“小麥－雙孢菇－肥－設(shè)施葡萄”綠色農(nóng)業(yè)循環(huán)模式，充分合理地利用了當?shù)厮Y源及農(nóng)業(yè)廢棄資源。

④“小麥－雙孢菇－肥－設(shè)施葡萄”循環(huán)模式建設(shè)的最初目的是合理開發(fā)當?shù)剞r(nóng)業(yè)資源，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廢棄資源的綜合利用，促進養(yǎng)分的良性循環(huán)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。本研究發(fā)現(xiàn)雙孢菇生產(chǎn)規(guī)模是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵因子，而同時，雙孢菇生產(chǎn)規(guī)模又受制于研究區(qū)的秸稈量產(chǎn)出量，目前示范區(qū)的資源配置結(jié)構(gòu)尚欠合理。建議示范區(qū)的最佳資源配置結(jié)構(gòu)為:小麥產(chǎn)出的秸稈約1 萬kg·hm－2，可栽培雙孢菇0.066 7 hm2，產(chǎn)生的培養(yǎng)基廢料全部還田，可栽培設(shè)施紅提葡萄0.214 hm2。如此配置，不但可以緩解化肥投入帶來的環(huán)境壓力問題，還可節(jié)約資源，使物質(zhì)的輸入和輸出向良性發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和良性循環(huán)。

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