農(nóng)牧一體化農(nóng)田系統(tǒng)可利用生產(chǎn)資源分析

關(guān)法春，邊步云，黃立華，張永鋒，李曉輝，張立春

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長春130033；2.“農(nóng)牧一體化”農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（延軍農(nóng)場），黑龍江蘿北154200；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；4.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102）

縱觀我國現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，部分地區(qū)出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象[1]，創(chuàng)新現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)理論與生產(chǎn)模式是解決上述問題的一條重要途徑[2]。生態(tài)農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)資源循環(huán)利用，增加單位面積的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出[3]，并促進(jìn)土壤肥力的改善[4]；同時(shí)，基于畜禽糞便還田的傳統(tǒng)生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式還可控制農(nóng)業(yè)面源污染[5]，減輕環(huán)境壓力[6]。已有的研究表明，農(nóng)牧結(jié)合等多種復(fù)合生態(tài)農(nóng)業(yè)模式在經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益上取得了良好的綜合效果[7-9]。

同時(shí)進(jìn)行玉米種植和畜禽養(yǎng)殖的農(nóng)牧一體化生產(chǎn)能夠利用同一塊玉米田內(nèi)的生物資源，從而充分利用光能，提高生產(chǎn)力，并實(shí)現(xiàn)糞肥的高效就地還田[10]。以往關(guān)于農(nóng)牧一體化生產(chǎn)在能量利用與轉(zhuǎn)化[11]、生物多樣性維持[12]、土壤物質(zhì)循環(huán)[13]、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益倍增[14]等方面的研究取得了一些進(jìn)展。農(nóng)牧一體化能夠提升經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵就在于田間多樣化生物資源的利用，它是在保持農(nóng)田系統(tǒng)較高生物多樣性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的倍增[15-16]，但關(guān)于農(nóng)牧一體化生產(chǎn)中農(nóng)田可利用生產(chǎn)資源的組成和數(shù)量研究尚未見系統(tǒng)報(bào)道。為此，本文以農(nóng)牧一體化生產(chǎn)為研究對(duì)象，研究田間生物資源的形成特點(diǎn)，明確農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)可利用資源的組成和數(shù)量特征，探討資源利用的后效應(yīng)，為今后穩(wěn)定提升農(nóng)田生產(chǎn)力、優(yōu)化農(nóng)牧一體化生產(chǎn)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省蘿北縣（130°51′E,47°43′N），屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫1.6℃，年平均無霜期128 d，年平均降水量729 mm，年總?cè)照諘r(shí)長約2 100 h，全年平均太陽輻射量4 350 MJ/m2。試驗(yàn)區(qū)原為農(nóng)田，主要雜草種類為水稗草（Echinochloa crusgalliL.）、反枝莧（Amaranthus retroflexusL.）、灰綠藜（Chenopodium glaucumL.）和狗尾草（Setaria viridisL.）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

自2016年春季開始進(jìn)行長期定位試驗(yàn)。玉米品種為‘德美亞1號(hào)’，5月初進(jìn)行耙地、播種，機(jī)械播種的播量控制范圍為25～30 kg/hm2，株距為18～22 cm，平均行間距約為65 cm；底肥、種肥和追肥按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

試驗(yàn)設(shè)置玉米田養(yǎng)鵝（raising geese in cornfields,RGICF）處理，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)玉米農(nóng)田為對(duì)照（CK），每小區(qū)面積約500 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)設(shè)計(jì)。RGICF處理農(nóng)田不除草，小區(qū)四周用120 cm寬的尼龍網(wǎng)圍封，用于放養(yǎng)幼鵝（體質(zhì)量均為1.5 kg/只），玉米秸稈經(jīng)機(jī)械收集后，黃貯喂牛并收集牛糞；對(duì)照農(nóng)田按照當(dāng)?shù)卣Ｉa(chǎn)進(jìn)行，播種后即使用除草劑做封閉處理，收獲后秸稈不收集。RGICF處理于8月初開始放牧幼鵝，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田每年雜草萌發(fā)特點(diǎn)，RGICF處理放養(yǎng)的幼鵝為54只，在3個(gè)小區(qū)間輪牧，輪牧周期為3 d（即每小區(qū)放牧?xí)r間為3 d）。早晨6：00放入鵝，白天分別于午前和午后2次供水；傍晚約6：00趕回鵝，投喂復(fù)合飼料[m（玉米面）∶m（濃縮飼料）＝7∶3，其中，濃縮飼料含粗蛋白≥36.0%，粗纖維≤10.0%，粗灰分≤26.0%，總磷≥0.6%，鈣1.5%～4.5%]，平均每天幼鵝補(bǔ)飼量不超過50 g/只，9月末（即將收獲前）放牧結(jié)束。在RGICF處理中，將鵝舍內(nèi)外收集的鵝糞集中作堆肥并自然發(fā)酵，翌年4月中旬拋灑于小區(qū)內(nèi)。將收集的牛糞與未被采食的秸稈一并作堆肥發(fā)酵，腐熟還田。田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體流程如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)采集

7月下旬至8月初開始對(duì)田間雜草生長狀況進(jìn)行放牧前調(diào)查，采用五點(diǎn)取樣法，單個(gè)樣方面積1 m×1 m，3次重復(fù)，采集并記錄雜草的種類、株數(shù)（以根莖結(jié)合處為基準(zhǔn)）、高度和蓋度，從貼地表根部剪取植株并分類裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，于105℃烘箱中恒溫殺青30 min，后于80℃條件下烘至恒量，并使用電子天平稱量（精確到0.01 g）。將1 m×1 m的樣方框埋于田間地表平面，每3 d收集一次樣方框內(nèi)的鵝糞，傍晚收回鵝時(shí)將5只鵝放入2 m×2 m的圍網(wǎng)內(nèi)，每天收集鵝舍糞便1次，風(fēng)干后于80℃恒溫條件下烘干并稱量，換算得出整個(gè)鵝群每天的鵝糞產(chǎn)量。

圖1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Field trial design diagram

9月末放牧結(jié)束后，同樣按照放牧前的方法進(jìn)行放牧后雜草和地上枯落物調(diào)查。每小區(qū)隨機(jī)選取30株玉米植株（小區(qū)邊2行除外），采用米尺測量葉長、葉寬、穗位高和株高（精確至0.1 cm），用游標(biāo)卡尺測量莖粗（精確至0.05 mm），用植物營養(yǎng)測定儀（TYS-4N型）測定玉米穗位葉葉綠素含量。人工掰棒，裝入尼綸網(wǎng)袋中，待自然風(fēng)干脫粒后稱量（精確到0.01 g）；將掰棒后的植株根部截取并裝入采樣袋中，于80℃條件下烘干，稱取單株干物質(zhì)量。10月末采用莖穗兼收機(jī)（4YZBQ-3L型）收獲秸稈，從黃儲(chǔ)窖中隨機(jī)采集秸稈于80℃條件下烘干，統(tǒng)計(jì)秸稈量。每天收集牛舍糞便，在塑料膜上進(jìn)行初步風(fēng)干，采用四分法選取5 kg左右置于80℃條件下烘干并稱量，換算成牛糞干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

雜草種類的重要值=（相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度+相對(duì)高度+相對(duì)生物量）/5。雜草多樣性評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]：多度（Pi）、Margalef物種豐富度指數(shù)（DMG）、Pielou均勻度指數(shù)（E）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）和Simpson多樣性指數(shù)（D）。公式如下：

式中：Ni為樣地某種雜草的重要值；N為樣地雜草的總重要值；S為樣地雜草群落總物種數(shù)。

利用Excel 2003統(tǒng)計(jì)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算雜草多樣性指標(biāo)、玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量效益；采用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧前后的雜草種類與密度

由表1可知：放牧前，RGICF處理的雜草總密度為 5.39×105株/hm2，是 CK（3.81×105株/hm2）的 1.41倍，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其中RGICF處理的馬唐密度是CK的14.09倍（P＜0.05）；放牧后，CK雜草總密度為2.93×105株/hm2，是RGICF（1.24×105株/hm2）的 2.36 倍（P＜0.05）。其中，在RGICF處理下雜草總密度比放牧前降低了76.99%，這主要是鵝采食等活動(dòng)的結(jié)果，而CK雜草在后期與玉米植株競爭中處于劣勢，導(dǎo)致雜草密度與放牧前相比也減少了23.10%。

2.2 放牧前后系統(tǒng)雜草群落地上部生物量

雜草是農(nóng)田系統(tǒng)可利用資源的重要組成部分之一。由圖2可知，放牧后RGICF處理與對(duì)照處理的雜草地上部生物量均呈下降趨勢，RGICF處理和對(duì)照在放牧前與放牧后雜草地上部生物量均差異顯著，2個(gè)處理在放牧后分別下降了845.09和418.21 kg/hm2（P＜0.05）。與CK相比，在RGICF處理下放牧后雜草生物量下降更為明顯，說明大量雜草被鵝所采食利用。

表1 玉米農(nóng)田內(nèi)雜草種類和密度調(diào)查結(jié)果Table 1 Investigation result of weed species and density in corn croplands

2.3 放牧前后系統(tǒng)雜草生物多樣性

由于不同處理改變了雜草群落物種結(jié)構(gòu)和密度，因此田間雜草群落的生物多樣性也發(fā)生了相應(yīng)的改變。從表2中可以看出：放牧前，RGICF處理雜草群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)分別為2.32、0.87和2.98，分別比CK高0.19、0.04和0.23，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；CK的Pielou均勻度指數(shù)為0.86，比RGICF高0.07，處理間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），這是由于CK使用除草劑導(dǎo)致特異性雜草種類被滅殺，雜草群落物種均勻度提高。放牧后，RGICF處理的雜草群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)分別是CK的1.13倍和1.16倍，處理間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而Pielou均勻度指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)分別是CK的1.06倍和1.05倍，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。這是由于在RGICF處理下鵝采食、踐踏雜草，使得雜草空間格局重新分配，雜草群落均勻度指數(shù)增加。因此，相對(duì)于CK運(yùn)用除草劑導(dǎo)致的特異性雜草被滅殺，在RGICF處理的養(yǎng)鵝措施控制下田間雜草呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。

圖2 放牧前和放牧后不同處理雜草地上部生物量Fig.2 Aboveground biomass of weeds in pre-grazing and post-grazing

表2 不同處理下雜草群落的生物多樣性指數(shù)Table 2 Biodiversity index of weed communities under different treatments

2.4 放牧后的玉米植株性狀

玉米田養(yǎng)鵝對(duì)玉米植株性狀有一定的影響，進(jìn)而對(duì)玉米植株資源量產(chǎn)生直接影響。由表3可知，雖然RGICF處理的玉米植株株高為297.73 cm，略高于CK 0.92%，但莖粗、穗位高、葉面積和葉綠素含量均分別比CK低2.43%、0.10%、6.43%和1.18%，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）?？傮w上，RGICF處理的玉米植株生長狀況低于對(duì)照。

玉米收獲后可利用資源量包括秸稈干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量。放牧后，RGICF處理的玉米單株干物質(zhì)量和單株籽粒產(chǎn)量分別為83.33和224.18 g，相對(duì)CK分別降低了13.80%和8.22%，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。說明RGICF處理的玉米資源量低于CK。

表3 不同處理下放牧后的玉米植株性狀Table 3 Post-grazing characteristics of corn plants under different treatments

2.5 農(nóng)田系統(tǒng)地上部潛在田間資源

玉米收獲后，農(nóng)牧一體化生產(chǎn)均可將雜草在內(nèi)的田間秸稈、枯落物等用于養(yǎng)牛。由表4可知：RGICF處理收獲的秸稈量（未計(jì)收集、中途運(yùn)輸、加工等損失）為6 167.33 kg/hm2，比對(duì)照低638.00 kg/hm2，處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；RGICF處理的新鮮雜草經(jīng)過鵝大量采食后，雜草量僅為52.22 kg/hm2，明顯低于對(duì)照的 116.67 kg/hm2，但處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；地表的枯落物包括地表的枯萎雜草和玉米植株的枯枝落葉，RGICF處理由于地表大量枯萎雜草和枯落物的存在，其地表枯落物量為174.39 kg/hm2，是CK的1.18倍，但處理間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表4 不同處理下的田間資源量Table 4 Field resource quantity under different treatments kg/hm2

3 討論

3.1 農(nóng)牧一體化農(nóng)田系統(tǒng)的資源生產(chǎn)力

鵝采食雜草，將大量雜草轉(zhuǎn)化為鵝飼料而提升了系統(tǒng)生產(chǎn)力[14]，從而表現(xiàn)在直接生產(chǎn)效益上。據(jù)當(dāng)年生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)（表5），盡管RGICF處理的玉米減產(chǎn)8.22%，但鵝養(yǎng)殖收益達(dá)28 957.50元/hm2，彌補(bǔ)了玉米減產(chǎn)造成的損失，整個(gè)系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)凈收益達(dá)到27 020.94元/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照的6 411.19元/hm2，處理間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），這與沙志鵬等[14]的研究結(jié)論一致。說明農(nóng)牧一體化生產(chǎn)能夠維持較高的雜草植株密度和較高的生物多樣性，增加了田間可利用資源量，從而提升了生產(chǎn)效益。

表5 不同處理下的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益分析Table 5 Economic benefit analysis of production under different treatments yuan/hm2

在玉米收獲后，對(duì)照處理的玉米秸稈通過機(jī)械粉碎后覆蓋還田，秸稈還田量為6 805.33 kg/hm2（表4），但由于試驗(yàn)所在地處于第4積溫帶，年平均氣溫1.6℃，秸稈直接還田由于土壤水分不均衡出現(xiàn)出苗率降低[17]、秸稈不容易腐爛[18]、碳/氮腐解與作物爭氮[19]以致作物減產(chǎn)[20]等多種弊端，而RGICF處理的鵝糞在水熱同季時(shí)節(jié)直接就地還田，鵝舍和田間的鵝糞還田量達(dá)到3 457.30 kg/hm2（表6），參照以往研究結(jié)果[13]計(jì)算，還田的鵝糞中含N、P2O5、K2O分別為29.4、5.48和33.1 kg/hm2，這種方式克服了畜禽糞便還田困難的弊端，有效實(shí)現(xiàn)了糞肥還田和培肥土壤；同時(shí)，RGICF處理將玉米秸稈用作飼料喂牛，測算可產(chǎn)生1 379.45 kg/hm2的牛糞，牛糞在田間經(jīng)堆肥發(fā)酵后還田，有利于培肥土壤[21]，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[22]，增產(chǎn)增收[23]。說明對(duì)系統(tǒng)資源的充分利用，更進(jìn)一步地提高了農(nóng)田生產(chǎn)潛力。

表6 不同處理下的糞肥產(chǎn)量Table 6 Manure quantity under different treatments kg/hm2

3.2 農(nóng)牧一體化農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)潛力的形成

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在時(shí)間、空間上存在冗余資源，系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性的增加，可以通過不同方式，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間資源的有效轉(zhuǎn)化和利用，從而產(chǎn)生更多的可利用生物質(zhì)資源，這往往成為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力提高的基礎(chǔ)[24]。與對(duì)照通過噴施除草劑控制雜草的萌發(fā)和生長相比，RGICF處理在放牧前更高的雜草密度和多樣性特征，能夠發(fā)揮各物種優(yōu)勢，充分利用系統(tǒng)生態(tài)位空間和資源，從而為積累更高的地上生物量奠定了基礎(chǔ)[16,25]。

群落生產(chǎn)力隨著物種多樣性的增加而增加[26-27]，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的維持在很大程度上依賴于植物群落的生物多樣性[28]，系統(tǒng)具備更多資源時(shí)生物多樣性對(duì)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)更突出[24]。農(nóng)牧一體化生產(chǎn)通過放牧鵝來控制雜草而非通過除草劑滅殺方式，系統(tǒng)具有較高的生物多樣性，田間雜草等資源得以支撐一定數(shù)量鵝的生長發(fā)育，加之糞肥資源的還田利用，從而為充分利用農(nóng)田系統(tǒng)資源、提升系統(tǒng)生產(chǎn)（潛）力奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

與采用除草劑滅殺雜草的對(duì)照相比，RGICF處理的雜草具有較高的植株密度，并保持了較高的生物多樣性，且RGICF處理在放牧前后雜草生物量相差顯著，大量雜草為鵝所采食利用，從而增加了系統(tǒng)雜草群落生產(chǎn)力；RGICF處理的玉米植株總體生長狀況低于對(duì)照（CK），其玉米資源量也低于CK，其中玉米產(chǎn)量減產(chǎn)8.22%，但RGICF處理的養(yǎng)鵝收益足以補(bǔ)償減產(chǎn)損失，系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)凈收益顯著高于對(duì)照（P＜0.05）；同時(shí)，在RGICF處理下，有機(jī)肥（鵝糞和牛糞）總量達(dá)4 836.75 kg/hm2，可用于還田和培肥土壤。因此，農(nóng)牧一體化生產(chǎn)在維持較高雜草生物多樣性的基礎(chǔ)上，提高了農(nóng)田可利用資源量，這為農(nóng)田生產(chǎn)力提升和生產(chǎn)效益倍增奠定了基礎(chǔ)。