河西走廊綠洲灌區(qū)循環(huán)模式“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征

李瑞琴，于安芬，* ，趙有彪，車宗賢，蘇永生

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，蘭州 730070;3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州730070)

河西走廊綠洲灌區(qū)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快的同時(shí)，也帶來了水資源和生態(tài)環(huán)境的壓力。物質(zhì)循環(huán)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的因素，物質(zhì)循環(huán)的研究有助于調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)養(yǎng)分的平衡，掌握生產(chǎn)中養(yǎng)分的投入效率［1-3］。翁伯琦［4］探討了如何在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)高效循環(huán)生產(chǎn)體系，涉及了綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展理念，提出低碳農(nóng)業(yè)是一個(gè)復(fù)合技術(shù)體系、發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)之一、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是解決氣候變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾的有效途徑。我國20世紀(jì)80年代以來，各地以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)得到了較大發(fā)展，如南方出現(xiàn)了以廣西恭城、江西贛州和廣東梅州為代表的“豬-沼-果”生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)模式，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和資源綜合利用率［5-6］。氮、磷、鉀是物質(zhì)的基本組成元素，目前國內(nèi)外對(duì)土壤-植物單一系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)研究較多。孟慶巖等［7］研究了海南省文昌市膠-茶-雞農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)模式的N循環(huán)規(guī)律，系統(tǒng)N循環(huán)率為43%，N輸出量為196.5 kg/hm2，土壤N盈余量為237.6 kg/hm2。吳珊眉等［8］對(duì)有機(jī)-無機(jī)態(tài)氮肥在微型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移和循環(huán)進(jìn)行了研究，認(rèn)為在“土壤-黑麥草-兔”亞系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性和發(fā)育程度優(yōu)于單一種植系統(tǒng)，有機(jī)肥能明顯地促進(jìn)無機(jī)態(tài)肥料N從稻稈向稻谷運(yùn)輸，同時(shí)有機(jī)肥使無機(jī)態(tài)肥N在土壤中的固化作用增加，從而使無機(jī)肥料N向環(huán)境轉(zhuǎn)移量下降。陳金湘等［9］研究表明在棉田生態(tài)系統(tǒng)N循環(huán)中，低、中、高、超高產(chǎn)棉田N素的輸入與輸出不平衡，其棉田產(chǎn)物N輸出，分別為棉田生態(tài)系統(tǒng)總輸出N的54.4%，46.5%，44.9%和43.4%，若將8O%的棉鈴殼還田，則能大體保持棉田生態(tài)系統(tǒng)N素的平衡。杜會(huì)英等［10］研究了化肥氮在保護(hù)地土壤一蔬菜系統(tǒng)中的當(dāng)季利用與損失，在保護(hù)地萵苣種植系統(tǒng)中，施入土壤中的化肥氮有18.98%—42.5%損失。在保護(hù)地西芹種植系統(tǒng)中，有11.7%—18.9%損失。在保護(hù)地生菜種植系統(tǒng)中，施入土壤中的化肥氮有16.0%損失。曹兵等［11］研究發(fā)現(xiàn)小青菜生長期間有氮素淋溶，大白菜和番茄分別有9.2%—10.9%和10%—10.2%的標(biāo)記氮素被淋溶到40cm以下土層。對(duì)于農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的研究多集中在能流及效益分析上［12-16］。Velthof［17］和Oenema［18］等研究結(jié)果表明，通過綜合評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分流動(dòng)狀況，闡明養(yǎng)分流動(dòng)特征，對(duì)于解決其養(yǎng)分損失和環(huán)境污染問題具有重要指導(dǎo)作用。然而，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理的研究?jī)H局限于農(nóng)田等各體系內(nèi)，針對(duì)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式生產(chǎn)系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)的綜合評(píng)價(jià)尚不多見。闡明河西走廊典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分流動(dòng)規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化區(qū)域養(yǎng)分資源配置、協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)各產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系有著重要的指導(dǎo)意義。本文以甘肅省河西走廊綠色農(nóng)業(yè)示范區(qū)涼州區(qū)謝河村集約經(jīng)營戶和單一經(jīng)營示范戶為例，研究分析農(nóng)田單作、“農(nóng)田-食用菌”單戶模式及集約模式3個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素流動(dòng)特征，探討氮素資源優(yōu)化管理策略，從而為研究區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展的合理規(guī)劃、降低環(huán)境壓力以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選擇甘肅省武威市涼州區(qū)謝河綠色農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站為試驗(yàn)點(diǎn)。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2020 mm，年平均氣溫7.9℃，日溫差15℃，年無霜期155 d，年日照時(shí)數(shù)2968 h。耕地面積年配水量4800 m3/hm2。屬溫帶大陸性干旱氣候，太陽輻射強(qiáng)，日照充足，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，空氣干燥，晝夜溫差懸殊。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)類型和經(jīng)營方式的差異將試驗(yàn)點(diǎn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為以下3種類型:農(nóng)田、食用菌單作及“農(nóng)田-食用菌”集約循環(huán)模式3個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。一是農(nóng)戶單一種植糧食作物生產(chǎn)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是僅種植糧食作物。單一種植區(qū)主要包括兩個(gè)種植基地，分別為小麥種植基地和玉米良種培育基地，單一種植區(qū)農(nóng)田耕地面積240 hm2。二是單戶型“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是單個(gè)農(nóng)戶承包日光溫室栽培食用菌，還包括少量以設(shè)施辣椒、番茄栽培為主的小型農(nóng)戶，食用菌生產(chǎn)面積6.7萬 m2，設(shè)施果菜生產(chǎn)面積3.8 hm2。三是集約型“農(nóng)田-食用菌”循環(huán)模式生產(chǎn)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是生產(chǎn)經(jīng)營大戶承包日光溫室栽培食用菌及葡萄，同時(shí)還種植小麥、玉米等大田作物。試驗(yàn)點(diǎn)循環(huán)模式小麥種植60 hm2，雙孢菇生產(chǎn)面積6.7萬 m2，紅提葡萄栽培面積35 hm2。

1.2 系統(tǒng)的界定

本研究通過文獻(xiàn)資料分析、實(shí)地調(diào)研和專家建議構(gòu)建了“農(nóng)田-食用菌-果”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動(dòng)模式(圖1)?；?、購買有機(jī)肥、大氣沉降、灌溉、生物固氮和購買雙孢菇培養(yǎng)基配料為該系統(tǒng)的外源輸入項(xiàng)，作物產(chǎn)品、出售或運(yùn)出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物以及在儲(chǔ)藏處理過程中的損失為該系統(tǒng)的輸出項(xiàng)。“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)包括農(nóng)田和食用菌兩個(gè)子體系。子體系內(nèi)和子體系間也存在氮素的循環(huán)流動(dòng)，將其視為“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)。子體系內(nèi)氮素循環(huán)如農(nóng)田收獲副產(chǎn)品的還田，子體系間氮素循環(huán)如農(nóng)田收獲主副產(chǎn)品作培養(yǎng)基配料以及培養(yǎng)基廢料返還農(nóng)田。

1.3 模型算法和數(shù)據(jù)來源

1.3.1 農(nóng)田體系氮素流動(dòng)模型算法和數(shù)據(jù)來源

(1)輸入項(xiàng)

(2)輸出項(xiàng)

化肥施入量、化肥含氮量、購買有機(jī)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(shí)地調(diào)查獲得;購買有機(jī)肥含氮量參考《中國有機(jī)肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》［19］;灌溉水含氮量參考劉宏斌［20］和劉培財(cái)［21］等研究成果;大氣沉降輸入氮量參照崔健等［22］和 Shen［23］;生物固氮量參考王平等研究結(jié)果［24］;氮素?fù)p失參照王家玉等人的研究［25，26］。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?dāng)y入、生物固氮等基本可以互相抵消。

圖1 “農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)模式(kg·hm-2·a-1)Fig.1 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

小麥籽粒、秸稈含氮量通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定值得。小麥秸稈籽粒比采用1.1∶1.2［27］。

1.3.2 食用菌體系氮素流動(dòng)模型算法和數(shù)據(jù)來源

(1)輸入項(xiàng)

(2)輸出項(xiàng)

小麥秸稈施入量、小麥秸稈含氮量、購買培養(yǎng)基配料施入量、培養(yǎng)基廢基料還田比例、灌溉量、食用菌主產(chǎn)品產(chǎn)量通過實(shí)地調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定獲得。

1.4 氮、磷元素流動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究選用流量指標(biāo)來描述“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)各流動(dòng)項(xiàng)之間氮、磷素的轉(zhuǎn)移和交換狀況。此外，選擇效率指標(biāo)描述各養(yǎng)分庫中氮、磷素產(chǎn)出數(shù)量和投入數(shù)量的關(guān)系。在生產(chǎn)體系中，氮素利用效率是指作物主產(chǎn)品收獲帶走氮量占總輸入氮量的比率。廢棄物養(yǎng)分循環(huán)利用是減少系統(tǒng)養(yǎng)分環(huán)境排放的有效途徑，因此，本研究選用循環(huán)模式體系氮素循環(huán)效率，即循環(huán)到農(nóng)田的氮量占體系總輸入氮量的比率來描述系統(tǒng)氮素的循環(huán)利用狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)分析

3種類型“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積(農(nóng)田面積)氮素流動(dòng)情況見圖2—圖4所示。

圖2 “農(nóng)田-食用菌”集約生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)模式(kg·hm-2·a-1)Fig.2 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.1 “農(nóng)田-食用菌”集約生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)

“農(nóng)田-食用菌”集約生產(chǎn)模式中農(nóng)田體系氮素輸入量446.5 kg·hm-2·a-1，化肥氮貢獻(xiàn)率僅為42.3%;食用菌體系氮素輸入量281.1 kg·hm-2·a-1，主要來源于購買的培養(yǎng)基配料及基料牛糞、秸稈，添加的秸稈全部來源于農(nóng)田體系的副產(chǎn)品，秸稈氮占基料氮素輸入量的17.0%。與單戶模式不同的是農(nóng)田體系產(chǎn)生的全部秸稈氮素進(jìn)入食用菌體系中，食用菌體系的培養(yǎng)基廢料氮素全部進(jìn)入農(nóng)田體系中，還田氮占總輸入氮的37.1%。

圖3 “農(nóng)田-食用菌”單戶生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)模式(kg·hm-2·a-1)Fig.3 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.2 “農(nóng)田-食用菌”單戶生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)

“農(nóng)田-食用菌”單戶生產(chǎn)模式中農(nóng)田體系氮素輸入量380.0 kg·hm-2·a-1，化肥氮貢獻(xiàn)率達(dá)到56.58%;食用菌體系氮素輸入量246.1 kg·hm-2·a-1，主要來源于購買的培養(yǎng)基配料及基料牛糞、秸稈，秸稈氮占基料氮素輸入量的9.6%;子體系間除少部分秸稈進(jìn)入食用菌子體系外，沒有其它的養(yǎng)分循環(huán)。

2.1.3 農(nóng)田單一體系生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)

農(nóng)田單一種植區(qū)農(nóng)田體系氮素輸入量為330.9 kg·hm-2·a-1，化肥作為主要氮素輸入項(xiàng)其貢獻(xiàn)率高達(dá)72.53%;在輸出項(xiàng)中，作物主副產(chǎn)品收獲氮量占農(nóng)田氮素輸入量的54.5%。

2.2 各生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用效率的分析

圖4 農(nóng)田單一生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)模式(kg·hm-2·a-1)Fig.4 Demonstration of nitrogen flow in the single grain fields production system

由表1可見，“農(nóng)田-食用菌”集約模式的農(nóng)田體系氮素利用效率最低，但也在30%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)所報(bào)道的氮素利用率，主要原因是本研究未計(jì)算土壤淋失、滲漏及氮的揮發(fā)等各種生產(chǎn)過程中氮的損失。由于“農(nóng)田-食用菌”集約模式中秸稈的再循環(huán)利用使得食用菌體系氮素利用效率最高。

表1 各生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用效率Table 1 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

2.3 各生產(chǎn)系統(tǒng)中氮素產(chǎn)投比

由表2可見，“農(nóng)田-食用菌”集約模式的農(nóng)田體系氮素產(chǎn)投比最低，僅在0.50左右。食用菌體系氮素產(chǎn)投比最高，大于1.0?！稗r(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素產(chǎn)投比在0.7左右。由此可見，在循環(huán)模式中，投入和產(chǎn)出處于一個(gè)相對(duì)較均衡的水平。

表2 各生產(chǎn)系統(tǒng)氮的產(chǎn)投比Table 2 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

本研究區(qū)域各生產(chǎn)系統(tǒng)均出現(xiàn)農(nóng)田氮盈余現(xiàn)象，其中集約型“農(nóng)田-食用菌”循環(huán)模式農(nóng)田單位面積氮盈余量高達(dá)217.0 kg·hm-2·a-1，分別高出單戶型和糧田體系1.2倍和1.4倍。由此可見，集約型“農(nóng)田-食用菌”循環(huán)模式由于系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的物質(zhì)循環(huán)利用，雖然化肥氮減少了使用量，但農(nóng)田氮素仍有盈余，循環(huán)模式的氮素投入產(chǎn)出尚需進(jìn)一步研究。

3 討論

3.1 單戶型“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流量與流向分析結(jié)果表明，糧田子體系和食用菌子體系之間生產(chǎn)脫節(jié)。食用菌生產(chǎn)后產(chǎn)生的廢基料等有機(jī)資源未能得到循環(huán)利用，致使農(nóng)田體系氮素輸入全部依靠外源氮的投入，其中56.58% 的氮素來源于化肥，不必要的化肥投入增加了作物生產(chǎn)的成本，而且大量有機(jī)資源未能被利用也加劇了周圍環(huán)境的污染潛力。相比之下，集約型“糧田-食用菌”生產(chǎn)體系結(jié)合較緊密，食用菌廢基料氮還田比例達(dá)到37.1%，這也大大降低了農(nóng)田單位面積化肥氮輸入量。

3.2 本研究區(qū)域3種生產(chǎn)體系均存在不同程度的農(nóng)田氮素盈余，雖然原因各不相同，但主要原因均為肥料氮(化肥和糞肥)投入量超過了作物生長的需求量。一般認(rèn)為，農(nóng)田盈余的氮素去向有兩種可能，一是殘留在土壤中供下一季作物利用，二是排入大氣和水體造成環(huán)境污染。Sun［28］等研究建議采用農(nóng)田氮素年盈余量100 kg·hm-2·a-1和180 kg·hm-2·a-1，分別作為中國農(nóng)田評(píng)價(jià)潛在環(huán)境污染和高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境污染的指標(biāo)。從本研究結(jié)果看，有兩種生產(chǎn)體系氮盈余量超過了上述限量標(biāo)準(zhǔn)，糧田單作體系也接近這個(gè)限量指標(biāo)，研究區(qū)域均存在比較高的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究區(qū)域應(yīng)將氮素優(yōu)化管理放到重要位置，以降低氮素盈余量以及由此帶來的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 “農(nóng)田-食用菌”循環(huán)模式建設(shè)的最初目的是建立一個(gè)“大田作物-秸稈-食用菌-大田”的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，以提高秸稈資源的綜合利用，促進(jìn)養(yǎng)分的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。然而本研究發(fā)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)規(guī)模是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子，而同時(shí)，食用菌生產(chǎn)規(guī)模又受制于研究區(qū)的秸稈量，目前示范區(qū)最佳資源配置量為:1hm2小麥產(chǎn)出的秸稈約1萬kg，全部用于栽培雙孢菇，可栽培雙孢菇666.7m2，產(chǎn)生的培養(yǎng)基廢料全部還田，可栽培設(shè)施紅提葡萄3.2×666.7m2。如此配置，不但可以減少種植區(qū)化肥投入量，而且還能緩解化肥投入帶來的環(huán)境壓力問題。

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