有機物還田方式對小麥玉米兩熟種植系統(tǒng)能值效率的影響

劉 振,華則科,寧堂原*,李增嘉

1.山東農業(yè)大學 農學院,作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安 271018 2.萊陽市農業(yè)技術推廣中心,山東 萊陽 265200

有機物還田方式對小麥玉米兩熟種植系統(tǒng)能值效率的影響

劉 振1,華則科2,寧堂原1*,李增嘉1

1.山東農業(yè)大學 農學院,作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安 271018 2.萊陽市農業(yè)技術推廣中心,山東 萊陽 265200

本研究利用能值方法分析了不同秸稈還田處理方式對小麥玉米兩熟農田生態(tài)系統(tǒng)能值效率的影響。以小麥玉米兩熟農田為研究系統(tǒng)，以常規(guī)施肥為對照(CK)，設置了秸稈粉碎還田、沼液還田和有機肥(牛糞)還田3種有機物還田方式，運用能值分析方法對農田生態(tài)系統(tǒng)的能值產出率(EYR)、能值投資率(EIS)、環(huán)境負載率(ELR)、可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)和基于能值的產品安全性指標(EIPS)進行了比較。結果顯示：4種有機物還田方式沼液還田的能值產出率(EYR)是常規(guī)施肥的1.13倍（最大），而有機肥(牛糞)還田的農田系統(tǒng)的能值投資率(EIR)是對照的24.58倍，常規(guī)施肥方式的農田系統(tǒng)的環(huán)境負載率(ELR)是有機肥還田方式的19.5倍，對環(huán)境的壓力是最大的，秸稈粉碎還田和沼液還田的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)基本相同，沼液還田的最高，是常規(guī)施肥的1.43倍，有機肥(牛糞)還田的農田系統(tǒng)產出的產品基于能值的產品安全性指標為-0.008，其安全性最高，常規(guī)施肥的農田系統(tǒng)產品存在一定的安全隱患。綜上所述，在等氮量條件下，對于農田生態(tài)系統(tǒng)，沼液還田方式的能值效益和可持續(xù)發(fā)展能力要高于其他處理，應值得推廣。

有機物還田;農田生態(tài)系統(tǒng);土壤肥力;能值

當前中國種植業(yè)持續(xù)高產過程中形成的廢棄物種類繁多，數(shù)量巨大，其中秸稈資源總量達7×1011kg以上，經過綜合技術處理后利用的約為1.6×1010kg，僅占總量的2.7%[1]；而且隨著糧食單產水平的提高，使秸稈的剩余量越來越多[2]。秸稈是循環(huán)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，作為物質、能量和養(yǎng)分的載體，是一種寶貴的自然資源[3]。但人們對秸稈的再循環(huán)利用方式如秸稈直接還田還是過腹還田仍看法不一[4,5]。因此，為秸稈尋找合理的還田方式是關系到土壤肥力保持進而影響農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大問題。目前，中國循環(huán)農業(yè)的研究無論是理論還是技術還處于初級階段[6]，尹昌斌等[7-9]認為循環(huán)農業(yè)是循環(huán)經濟理念在農業(yè)生產中的具體應用，目的是提高資源和環(huán)境承載能力，實現(xiàn)經濟和環(huán)境協(xié)調發(fā)展?！澳苤怠崩碚撌?0世紀80年代美國著名系統(tǒng)生態(tài)學家Odum H.T.為首創(chuàng)立的[10]，經過30多年的發(fā)展，已成為成熟的生態(tài)經濟評價方法，并被廣泛應用于自然生態(tài)系統(tǒng)、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、工業(yè)生產系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展可持續(xù)性的分析、評價與比較研究[11]。由于化肥的大量施用，有機肥的用量越來越少，不利于土壤肥力的保持和提高。玉米秸稈既可直接還田，又可發(fā)酵后產生廢液還田，也可過腹還田。因此，分析秸稈不同利用還田方式對農田生態(tài)系統(tǒng)能值效率的影響，對秸稈合理利用有重要理論和實踐意義。本研引入能值理論探討了其對農田生態(tài)系統(tǒng)能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力的影響及其作用機制，以期為秸稈資源化高效利用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究試驗點設在山東省德州市平原縣胡莊村，位于東經116°26′，北緯37°09′，地處黃淮海平原,屬東亞暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫12.1～13.1℃，年均降水量578.2～623.3 mm。耕層土壤類型為輕鹽化草甸土，含有機質1.18%、全氮0.138%、堿解氮77.5 mg/kg、速效磷26.9 mg/kg、速效鉀145.2 mg/kg，pH為7.7。種植制度為冬小麥夏玉米一年兩熟。

1.2 試驗設計

選擇當?shù)匦←?玉米一年兩熟標準農田，設置4個處理，每個處理3次重復，完全隨機區(qū)組布置，小區(qū)面積980 m2。在小麥(濟麥22)季，按照同等施氮量原則，以常規(guī)施肥為對照(CK)，分別設置玉米秸稈粉碎還田、沼液還田、有機肥(牛糞)還田3種有機物還田方式。

圖1 不同有機物料還田方式的能量流程圖Fig.1 Diagram of energy flow of different organic materials incorporation

圖1為本文所要研究的農田生態(tài)系統(tǒng)能量流程圖，其中4種有機物還田處理方式中，其能值輸入主要為太陽能、雨水能、N、P、K肥、種子、勞動力、機械、沼液、有機肥等，能值輸出為小麥、玉米、玉米秸稈等，因小麥秸稈作為反饋能值回到大田中，不屬于能值輸出。4種處理中，玉米根茬全部還田，且在玉米季(鄭單958)的施肥情況均為小麥秸稈全部還田。

（1）常規(guī)施肥：在玉米收獲后，玉米秸稈全部運出，然后進行常規(guī)施肥，將化肥均勻撒施于試驗小區(qū)中，該試驗處理記為CK；

（2）秸稈粉碎還田：本試驗小區(qū)產玉米秸稈4000 kg，在播種前翻地，深度為20 cm，將玉米秸稈2000 kg粉碎后進行翻壓還田，剩余秸稈作為飼料出售至附近奶牛場。該試驗處理記為SR；

（3）沼液還田：在玉米收獲后，將試驗小區(qū)中的玉米秸稈全部運至沼氣池進行厭氧發(fā)酵，往沼氣池內投入菌種、尿素等，產出的沼氣作為能源用于居民做飯、照明、取暖等日常生活，剩余的殘渣進入到試驗小區(qū)中，該試驗處理記為BR；

（4）有機肥還田：在玉米收獲后，將試驗小區(qū)中的玉米秸稈運送至牛場青貯處理做成青貯飼料，20 d之后，在牛場中選擇年齡、品種、體型、健康狀況一致的奶牛20頭，每天每頭奶牛飼喂20 kg青貯飼料，產出的牛奶出售，牛糞等廢棄物重新回到該試驗小區(qū)中，該試驗處理記為OR。

全年施肥量如表1所示。

表1 不同有機物還田方式的全年施肥量Table1Theannual applicationratesof organicmanureandmineralfertilizerindifferentorganicmatterreturningmodes

1.3 研究方法

1.3.1 能值方法 本研究為探討農田生態(tài)系統(tǒng)能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力，引入了“能值方法”進行分析。能值方法是以產生某一資源或勞務的過程中直接或間接消耗的另一種能量的多少進行評價，此分析方法綜合考慮了自然因素和經濟因素，可對各類生態(tài)經濟系統(tǒng)進行有效評估。由于太陽能是最原始的能源形式，應用中常以太陽能為標準度量，單位為太陽能焦耳(Solar emjoules，縮寫為sej)[12]。本研究中能值轉換率的全球能值基準為15.83×1024sej/a[13,14]。通過繪制能值分析表，列出能值的投入和產出，計算能值指標。

本研究中主要計算以下能值指標：

(1)能值產出率(EYR):能值產出率是衡量系統(tǒng)產出對經濟貢獻大小和系統(tǒng)生產效率的指標，它是系統(tǒng)產出能值與總輔助能值投入的比率。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)EYR值越高，系統(tǒng)的生產效率越高，越具有區(qū)域競爭力。表達式為：EYR=系統(tǒng)產出能值Y/經濟反饋能值(F+R2)[15]

(2)能值投資率(EIR):能值投資率是指生態(tài)系統(tǒng)的反饋能值與環(huán)境無償能值比。它是計量經濟發(fā)展程度和環(huán)境負載程度的指標。其值越大表明系統(tǒng)經濟發(fā)展程度越高，而對環(huán)境的依賴越弱。表達式為：EIR=經濟反饋能值(F+R2)/環(huán)境的無償能值(R1+N)[15]

(3)環(huán)境負載率(ELR):通常用來自系統(tǒng)的購買能值與系統(tǒng)不可更新環(huán)境資源能值之和除以系統(tǒng)可更新環(huán)境資源能值。一般來說，環(huán)境負載率越小，表明農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境承載壓力越小，發(fā)展?jié)摿υ酱?。表達式為：ELR=系統(tǒng)不可更新能值總量(F+N)/系統(tǒng)可更新能值總量(R1+R2)[15]

(4)基于能值的產品安全性指標(EIPS)：此指標用于評估系統(tǒng)的產品安全性，定義為農業(yè)生產系統(tǒng)施用化肥、農藥的能值(C)和經濟反饋能值之比的負值，0值為最安全，負值越大，說明產品的安全性越差，-1為最不安全。表達式為：EIPS=－[化肥、農藥能值(C)/經濟反饋能值(F+R2)][16]

(5)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI):能值可持續(xù)發(fā)展指標是系統(tǒng)凈能值產出率與環(huán)境負載率的比值。表達式為：ESI=凈能值產出率EYR/環(huán)境負載率ELR[15]

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 能量換算指數(shù)等通過實地調查與資料收集的方法獲得整年度系統(tǒng)能值分析的原始數(shù)據(jù)，能值轉化率參考相關文獻[13-17]。

2 結果與分析

2.1 能值輸入與輸出

從表2中可以看出，常規(guī)施肥(CK)、玉米秸稈粉碎還田（SR）、沼液還田(BR)、有機肥還田(OR)4種不同的農田生態(tài)系統(tǒng)的能值分別為1.78E+15Sej/a、1.77E+15Sej/a、1.74E+15Sej/a、1.97E+16Sej/a，秸稈粉碎還田農田系統(tǒng)能值投入比對照略少，差異不顯著;沼液還田農田系統(tǒng)的能值投入最少，有機肥還田農田系統(tǒng)能值的輸入最多，是常規(guī)施肥的11倍，這是因為牛糞中的能值遠遠大于化肥、秸稈和沼液的能值。其中可更新自然資源、不可更新自然資源、不可更新工業(yè)輔助能、可更新有機能占總輸入能值的比例，常規(guī)施肥農田系統(tǒng)分別占到了總能值投入的55.96%、0.28%、27.81%、16.01%，秸稈粉碎還田系統(tǒng)分別占到了56.27%、0.28%、22.82%、20.73%，沼液還田農田系統(tǒng)分別占到了57.24%、0.29%、23.51%、18.91%，而有機肥還田農田系統(tǒng)可更新自然資源、不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機能占到了總能值輸入的5.06%、2.03%、92.89%，常規(guī)施肥、秸稈粉碎還田和沼液還田農田系統(tǒng)中可更新自然資源所占比例最高，說明這3種處理對環(huán)境的依賴性比較大，而且3種處理對不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機能的依賴程度相差不大。有機肥還田中可更新有機能所占比例最高，幾乎全部依賴可更新有機能的投入，這是因為牛糞的太陽能值轉化率非常高。4種有機物還田處理的輸出產品為玉米、小麥和玉米秸稈，常規(guī)施肥、秸稈粉碎還田、沼液還田和有機肥還田能值輸出量分別為2.14E+15Sej/a、2.38E+15Sej/a、2.36E+15Sej/a、2.52+15Sej/a，其中有機肥還田處理的輸出能值最大，常規(guī)施肥的輸出能值最小。

表2 4種有機物還田方式的農田生態(tài)系統(tǒng)能值流匯比較Table 2 Comparison of the emergy flows under different organic matter returning modes

2.2 能值評價比較與分析

從表3中看出，4種有機物還田方式中沼液還田的能值產出率(EYR)是常規(guī)施肥的1.13倍，是最大的，說明沼液還田處理的能源生產與利用效率最高，顯示更強的經濟活動競爭力，有機肥(牛糞)還田的能值產出率僅為0.13，這是因為在農田試驗中，牛糞的能值投入太高，遠遠高于產出能值，而有機肥還田的農田系統(tǒng)的能值投資率(EIR)是對照的24.58倍，這也是因為牛糞的能值轉換率非常高，投入到農田系統(tǒng)的能量遠遠高于秸稈和沼液等能值轉換率較低的肥料。常規(guī)施肥處理的農田系統(tǒng)的環(huán)境負載率(ELR)是有機肥還田處理的19.5倍，對環(huán)境的壓力是最大的，這是因為常規(guī)施肥處理更多的依賴環(huán)境和不可更新工業(yè)輔助能，而有機肥還田方式幾乎全部依賴可更新有機能中有機肥的能量投入，因此對環(huán)境的壓力的最小的，充分顯示出了以可再生資源投入為主的生產特征。秸稈粉碎還田和沼液還田的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)基本相同，沼液還田的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)最高，是常規(guī)施肥的1.43倍，ESI越大，表示系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力越強[18,19]。說明沼液還田方式的農田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力是最強的?；谀苤档漠a品安全性指標(EIPS)檢驗了系統(tǒng)產出產品的安全性，在數(shù)軸上負值越接近0，產品安全性越高，越遠離0，產品安全性越低。由表3可以看出，有機肥(牛糞)還田的農田系統(tǒng)產出的產品基于能值的產品安全性指標為-0.008，其安全性最高，常規(guī)施肥的農田系統(tǒng)產品存在一定的安全隱患。

表3 4種有機物方式的農田生態(tài)系統(tǒng)能值評價指標比較Table 3 Comparison of the emergy indicators under different organic matter returning modes

3 討論

本研究為探討農田生態(tài)系統(tǒng)的能值效應及作用機制，引入了“能值”理論，計算了農田生態(tài)系統(tǒng)中主要的能值指標。藍盛芳認為，開發(fā)能值產出率高的資源將更具有競爭力和經濟效益，而低能值產出率的能源開發(fā)將會消耗更多的能量和資源，因此只有在較高能值產出率高的資源使用完了，才有可能開發(fā)低能值產出率的能源[20]。本研究分析表明，沼液還田的農田系統(tǒng)的能值產出率是最高的，且能值投資率是最低的，說明沼液還田處理的生態(tài)系統(tǒng)在經濟上可行性更強。從生態(tài)學角度看，在一個生態(tài)系統(tǒng)中，系統(tǒng)排出的廢棄物質及其能量仍具有價值，但由于技術等限制，并不是所有廢棄物質及其能量都能被有效利用，而這些不能被有效利用的廢棄物質就是極其有害的負效益產出，將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。即能值產出率可能較高，但因為既包括有益產出，也包括有害產出，所以產出對人類不一定都是有益的，因此引入可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，為能值產出率與環(huán)境負荷率之比，其值越高，表明系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)越高[18,19]。從結果來看，4種施肥處理中生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均高于中國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的平均值0.27，秸稈粉碎還田和沼液還田的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較高，且兩農田生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境的壓力相對也是較低的，進一步說明該秸稈利用方式的農田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力更強。所以從這個角度講，應該發(fā)展秸稈發(fā)酵產生沼液還田的利用方式。而有機肥還田（牛糞）的農田生態(tài)系統(tǒng)的能值產出率是極低的，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)也比其他還田方式要低，這是因為牛糞是能值轉換率極高的有機肥料，對于農田生態(tài)系統(tǒng)來說，像牛糞這類高能值的有機肥中，大部分能量都沒有得到有效利用，農田生態(tài)系統(tǒng)并不能完全接納這些能量，而且作物的產量在一定范圍內不能實現(xiàn)大的提高，系統(tǒng)產品有限，這樣極大影響了農田生態(tài)系統(tǒng)的能值效益和可持續(xù)發(fā)展能力，但是其對環(huán)境壓力是最小的，而且產品的安全性是最高的，因此，我們可以考慮延伸種植業(yè)產業(yè)鏈，把初級生產和次級生產結合起來，在物質循環(huán)利用過程中，把“土壤-動物-植物”結合起來，使物質循環(huán)能量利用更趨向合理。

4 結論

本研究引入了“能值”分析方法，對小麥玉米兩熟農田生態(tài)系統(tǒng)進行了分析，結果表明：同等施氮量條件下，4種不同有機物還田方式相比較其能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力大小順序均為：沼液還田＞秸稈粉碎還田＞常規(guī)施肥＞有機肥還田，可以看出在本地區(qū)沼液還田是4種有機物還田方式中最優(yōu)的，玉米秸稈粉碎還田比沼液還田能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力略低，而有機肥（牛糞）能值很高，

但是不能完全被土地所容納，且系統(tǒng)產品有限，因此高能值有機物料投入到農田生態(tài)系統(tǒng)中，并不一定能實現(xiàn)能值效益的最大化和可持續(xù)發(fā)展能力的增強。

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Effects of Organic MatterReturning Methods on EmergyEfficiency ofWheat-Corn Double Cropping

LIU Zhen1,HUAZe-ke2,NING Tang-yuan1*,LI Zeng-jia1
1.State Laboratory of Crop Biology,College of Agronomy/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China 2.Agricultural Technology Extension Center,Laiyang 265200,China

In this study,emergy method was used to analyze the effects of different straw application on the emergy efficiency of wheat-corn double cropping farmland ecosystem.Wheat-corn double cropping fields were used as the research system,the conventional fertilization as the control(CK),three kinds of organic matter returning methods were adopted, including straw crushing and returning to field,biogas slurry returning and organic fertilizer(cow dung)returning to field, emergy analysis was used to compare the emergy yield ration(EYR),emergy investment rate(EIR),environmental load rate (ELR),sustainable development index(ESI)and emergy based product safety index(EIPS).The results showed among the four kinds of organic matter returning methods,EYR of biogas slurry returning was 1.13 times that of conventional fertilization,which was the the highest one.EIR of the organic fertilizer(cow dung)returning system was 24.58 times that of the the control group.ELR of the farmland system with conventional fertilization was 19.5 times that of the organic fertilizer returning system,this way had the greatest pressure on the environment.ESI of straw crushing-returning to field and biogas slurry returning was basically the same,biogas slurry returning had the highest,about 1.43 times that of the conventional fertilization.Organic fertilizer(cow dung)returning system had the highest security with the highest EIPS among the four systems,-0.008.The products of the conventional fertilization system had a certain hidden trouble,in conclusion,under the condition of equal nitrogen content,emergy benefit and sustainable development ability of biogas slurry returning method were superior to the others and worth of spreading.

Organic matter returning;field ecosystem;soil fertility;emergy

S345

:A

:1000-2324(2017)03-0321-06

2015-06-01

:2015-09-08

“十二五”國家科技支撐項目(2012BAD14B07);公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項經費項目(201503121-05)

劉 振(1986-),男,碩士研究生.研究方向:生態(tài)循環(huán)農業(yè).E-mail:zliu18@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:ningty@163.com