不同耕作模式對農(nóng)田系統(tǒng)能值的影響

李帥 梁偉 賈龍 莊順龍 孫鳳娟 柳新偉

摘要：基于能值理論分析體系，比較不同耕作模式下農(nóng)田系統(tǒng)的生態(tài)指標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展性，為篩選出適合本地區(qū)應(yīng)用的農(nóng)田耕作模式提供理論依據(jù)。本試驗共設(shè)置農(nóng)民傳統(tǒng)耕作（CK）、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田（T1）、深松耕作+秸稈還田（T2）、免耕+秸稈還田（T3）4 個處理。農(nóng)田能值系統(tǒng)分析可知，CK模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展活力低，屬于消費型生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，環(huán)境負載率超過T1模式的4倍，說明秸稈還田能有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境負載率，降低農(nóng)田對不可更新環(huán)境資源依賴程度，減輕農(nóng)田環(huán)境壓力;同時秸稈還田能提高土地面積的能值投入量，T1、T2、T3處理能值投入率分別為農(nóng)民傳統(tǒng)耕作的1.57、1.63、1.59倍，增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度;四種不同處理（CK、T1、T2和T3）下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分別為0.31、0.91、1.01、1.02，說明T1、T2、T3處理均能顯著提高農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平，其中T2、T3為更適合本地區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)耕作模式。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;深松;免耕;系統(tǒng)能值

中圖分類號：S181.6 ?文獻標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）01-0094-06

Abstract Based on the emergy theory analysis system， the ecological indexes and sustainable development of farmland system under different tillage modes were compared to provide theoretical bases for selecting suitable tillage mode for local application. In this study， four treatments were set as traditional tillage （CK）， traditional tillage + straw returning （T1）， deep loosening+straw returning （T2），and no-tillage + straw returning （T3）. The results showed that the farmland ecosystem had low economic development vitality under CK mode， which belonged to consumption type of ecological economic system with the emergy loading rate as 4 times more than that of T1 mode. It indicated that straw returning could effectively reduce the loading rate of farmland ecological system， reduce the dependence of farmland on unrenewable resources， and reduce the pressure of farmland environment. At the same time， straw returning could increase the input of emergy of land area. The emergy input rates of T1， T2 and T3 treatment was 1.57， 1.63 and 1.59 times of that of CK， respectively， and the intensification of farmland ecosystem could be enhanced. The sustainable development index of farmland ecosystem under the four different treatments was 0.31， 0.91， 1.01 and 1.02 respectively， which indicated that T1， T2 and T3 treatments could significantly improve the sustainable development level of farmland system. Among which， T2 and T3 tillage modes were more suitable for the local agricultural ecology.

Keywords Tillage mode;Straw returning; Deep loosening; No tillage; System emergy

資源衰竭和環(huán)境惡化是我國農(nóng)業(yè)面臨的嚴峻問題。農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展和對生態(tài)環(huán)境的影響一直是備受關(guān)注的問題，因此建立一個農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)性評價指標(biāo)十分必要。能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，也是能值理論的主要研究內(nèi)容。Odum等[1]已研究總結(jié)出不同的養(yǎng)分管理系統(tǒng)可持續(xù)指標(biāo)，其中可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（enviroment sustainable development index，ESI）是衡量系統(tǒng)可持續(xù)性的一個重要指標(biāo)。李忠芳等[2]研究表明，農(nóng)田系統(tǒng)ESI值隨作物種類、施肥等不同而呈顯著性差異。孫利軍等[3]研究隴中黃土高原地區(qū)幾種耕作措施的經(jīng)濟評價后得出，該地區(qū)免耕配合秸稈覆蓋還田能達到生態(tài)經(jīng)濟效益最優(yōu)值。

土壤是作物生長的基礎(chǔ)，不同耕作方式對土壤的影響結(jié)果不同。農(nóng)業(yè)耕作模式的不斷進步及其技術(shù)的應(yīng)用，是為了避免傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作中不合理的耕作方式對土壤和生態(tài)環(huán)境造成不可逆且對人類不利的危害[4，5]。耕作技術(shù)無論是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是在環(huán)境保護上都有重要意義[6]。覆蓋的作物殘茬秸稈能夠起到保墑、減少風(fēng)蝕、減少地表徑流侵蝕等作用[7-9]。

深松是改良傳統(tǒng)耕翻土層的模式，在不翻轉(zhuǎn)土層基礎(chǔ)上打破犁底層、加深耕作層、降低土壤緊實度，對改善耕層以下土壤結(jié)構(gòu)有顯著效果，且可增強土壤的蓄水保墑能力，為農(nóng)作物生長提供優(yōu)良環(huán)境 [10]。

本試驗以青島市保護性耕作試驗區(qū)土壤為研究對象，應(yīng)用能值理論體系，從生態(tài)角度綜合分析傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田、深松+秸稈還田、免耕+秸稈還田4種耕作模式對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來的能值產(chǎn)出投入，并從能值角度深入探討該地區(qū)能量流動特征和能值循環(huán)結(jié)構(gòu)，比較不同耕作模式下農(nóng)田系統(tǒng)的生態(tài)和經(jīng)濟效益，為評價不同耕作模式對青島地區(qū)土壤生態(tài)效益的影響、探索適合青島地區(qū)的可持續(xù)利用的耕作模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與田間管理

本試驗于2016年在青島市平度蘭底鎮(zhèn)進行。共設(shè)置農(nóng)民傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田、深松耕作+秸稈還田、免耕+秸稈還田4 個處理（表1），重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積330 m2。

種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，其中小麥品種為魯麥23，播種量150 kg/hm2，玉米品種為鄭單958，播種量30 kg/hm2。小麥季基施氮磷鉀含量各為15%的復(fù)合肥1 200 kg/hm2、阿維菌素生物肥600 kg/hm2，返青期人工追施尿素270 kg/hm2。玉米季基施氮磷鉀含量各為15%的復(fù)合肥1 200 kg/hm2，之后不再施肥。玉米季和小麥季均滴灌3次，每次灌溉量450 m3/hm2。小麥季在返青期用無人機噴施除草劑（二甲四氯異辛酯，等）1次，用量為20 kg/hm2;玉米季在播種后和出苗后用無人機噴施（40%乙·莠SE，等）2次，每次用量為30 kg/hm2。

1.2 測定項目及方法

環(huán)境負載率（emergy loading ratio，ELR）=不可更新能量總值/可更新能量總值;

能值投入率（emergy input ratio，EIR）=經(jīng)濟反饋能值/環(huán)境無償能值;

能值產(chǎn)出率（emergy yield ratio，EYR）=系統(tǒng)總產(chǎn)出能值/經(jīng)濟反饋能值;

能值自給率（emergy self-sufficiency ratio，ESR）=系統(tǒng)環(huán)境能源總投入/系統(tǒng)投入總能值;

凈能值產(chǎn)出率（net emergy yield ratio，NEYR）=系統(tǒng)產(chǎn)出總能值/系統(tǒng)總輔助能投入;

能值投入密度（emergy input density，EID）=系統(tǒng)能值總投入/面積;

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（enviroment sustainable development index，ESI）=凈能值產(chǎn)出率/環(huán)境負載率。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素ANOVA分析，用LSD法進行多重比較（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入產(chǎn)出分析

農(nóng)田能量流動如圖1所示。青島市平度蘭底鎮(zhèn)年平均太陽總輻射量為5 174.48 MJ/m2，平均海拔高度77.2 m，年平均降水量680 mm?？紤]到蘭底鎮(zhèn)保護性耕作試驗區(qū)灌溉水和降雨均不會形成徑流，故表層土損失不計入能值計算。能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)為輪作系統(tǒng)中輸出的產(chǎn)物，包括作物秸稈和作物籽粒。能值轉(zhuǎn)化率參考Odum等[1]的方法計算，四種不同耕作方式和秸稈還田能量能值產(chǎn)投情況參見表2、表3和表4。

從表2中數(shù)據(jù)可知，在玉米小麥輪作系統(tǒng)中，從能值投入來看，不同耕作模式之間表現(xiàn)為T1﹥CK，T2﹥T1﹥T3，主要差異體現(xiàn)在機械、人工和作物秸稈投入方面。由于傳統(tǒng)耕作模式不投入秸稈，故能值投入量最小，T1較傳統(tǒng)耕作的能值投入增加52.28%，說明秸稈還田模式比傳統(tǒng)耕作前期能值投入要高出很多，主要表現(xiàn)在機械和作物秸稈投入，這也決定了保護性耕作前期投入大、見效慢的特點。而在秸稈還田模式下，T1能值投入最少，T2和T3較T1能值總投入分別增長3.76%和1.48%，處理間差異不明顯。

從表3可以看出：從能值投入構(gòu)成來看，在購買能值中，主要以不可更新工業(yè)輔助能為主，可更新有機能為輔。不可更新工業(yè)輔助能投入表現(xiàn)為T2>CK>T1>T3;可更新有機能中以作物秸稈投入為主，其中T2處理下秸稈投入最多，四種不同模式下可更新有機能投入為T2>T3>T1>CK，可見秸稈還田使可更新有機能增加，農(nóng)民傳統(tǒng)耕作的可更新有機能投入最少。

從表4可以看出，總能值投入，包括可更新環(huán)境資源、工業(yè)輔助能、可更新有機能、環(huán)境資源總投入、總輔助能投入五部分，投入大小依次為T2﹥T3﹥T1﹥CK，其中T1處理較CK能值投入增長51.69%;總能值產(chǎn)出，包括作物籽粒和作物秸稈兩部分，產(chǎn)出大小依次為T3﹥T2﹥T1﹥CK，說明秸稈還田能增加作物籽粒和秸稈產(chǎn)出。其中T1處理較CK能值產(chǎn)出增長6.70%，其它耕作模式中T3處理能值產(chǎn)出最大，T2處理次之，T1處理最小。小麥能值產(chǎn)出均高于玉米的能值產(chǎn)出，作物籽粒能值產(chǎn)出均高于作物秸稈能值產(chǎn)出。

2.2 能值投入結(jié)構(gòu)分析

由圖2可以看出，不同耕作模式下各類型能值占總能值投入的比重，以不可更新工業(yè)輔助能F占比最大，其次是可更新有機能T，可更新環(huán)境資源R占比最小，說明這四種耕作模式對現(xiàn)代化機械依賴程度較大。其中CK能值投入主要依賴于不可更新工業(yè)輔助能，占比為84.18%（沒有秸稈還田），可更新有機能占比只有7.45%;而秸稈還田模式下的三種處理，可更新有機能占比分別為39.29%、41.37%、40.24%，比CK高出4～5倍，說明秸稈還田能有效增加能值投入中的可更新有機能占比，更利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有利于保護生態(tài)環(huán)境。

2.3 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)水平分析

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)水平可以通過能值自給率（ESR）、環(huán)境負載率（ELR）、購買能值比率等指標(biāo)來分析[11]。分析數(shù)據(jù)（表5）可知，四種不同耕作模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境負載率為CK﹥T1﹥T3﹥T2，T2最小，為1.14，說明深松處理是減小環(huán)境壓力、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的良好模式;而對照（CK）的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境負載率是T1的4倍多，為5.32。這說明農(nóng)民傳統(tǒng)耕作給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成巨大環(huán)境壓力，對不可更新自然環(huán)境資源依賴程度高，不利于環(huán)境資源可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)注意環(huán)境資源的合理利用和保護，而秸稈還田各耕作模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對不可更新環(huán)境資源利用少，主要依靠可更新有機能值投入，達到增加能值產(chǎn)出目的，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境壓力較小。整體上來看，秸稈還田能有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境負載率，可通過提高秸稈資源利用率和機械使用，來降低農(nóng)田對不可更新環(huán)境資源依賴程度，減輕農(nóng)田環(huán)境壓力，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

能值自給率（ESR）是指環(huán)境資源總投入占能值總投入的比重，可以反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對自然資源依賴程度，能值自給率值越小，表明農(nóng)田系統(tǒng)對自然環(huán)境資源依賴程度越高[12]。由表5可知，四種處理模式下蘭底試驗區(qū)能值自給率普遍較低，農(nóng)民傳統(tǒng)耕作模式最高為0.08，其它三種處理均為0.05，說明該地區(qū)對自然環(huán)境資源依賴程度高。

2.4 能值投入率分析

由表5可知，四種不同耕作模式的能值投入率表現(xiàn)為T2﹥T3﹥T1﹥CK，農(nóng)民傳統(tǒng)耕作的農(nóng)田系統(tǒng)能值投入率最小，為10.95，T1、T2、T3處理的能值投入率分別為CK的1.57、1.63、1.59倍。這說明T1、T2、T3處理均能有效提高農(nóng)田系統(tǒng)能值投入率，其中T2效果最好，能值投入率最高為17.87，T3處理次之，T1最小。

由于不同處理間總輔助能值投入差異體現(xiàn)在作物秸稈和勞動力上，而T1、T2、T3處理增加了作物秸稈還田投入，總輔助能值增大，相當(dāng)于提高每單位環(huán)境能值中經(jīng)濟購買能值占比，進而提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入率。與CK相比，秸稈還田能加強對自然環(huán)境資源開發(fā)利用程度，即在相同自然環(huán)境資源條件下， 能為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供更多經(jīng)濟購買能值，增強該地區(qū)競爭能力和經(jīng)濟發(fā)展水平;而CK的農(nóng)田系統(tǒng)能值投入率小，農(nóng)田系統(tǒng)對經(jīng)濟購買能值的依賴程度較低，主要來自于從自然環(huán)境資源中無償獲得能值，對自然資源條件依賴程度高，不利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展（圖3）。這說明傳統(tǒng)耕作模式不利于提高自然環(huán)境資源對社會經(jīng)濟活動的承受能力，比較可知，秸稈還田技術(shù)可以有效提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入率，增強農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平。

2.5 凈能值產(chǎn)出率分析

凈能值產(chǎn)出率（NEYR）是指系統(tǒng)能值總產(chǎn)出與經(jīng)濟能值反饋之比[12]。由表5、圖3可知，四種不同耕作模式的凈能值產(chǎn)出率為CK>T3>T2>T1，其中農(nóng)民傳統(tǒng)模式下凈能值產(chǎn)出率最高為1.66，相比T1處理，CK模式無作物秸稈投入，系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率更高。這說明前期秸稈還田增加系統(tǒng)能值投入，使系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率降低;而在秸稈還田下，凈能值產(chǎn)出率為T3>T2>T1，說明免耕技術(shù)有利于提高系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率。因此在系統(tǒng)能值投入同等條件下，免耕處理生產(chǎn)出的商品經(jīng)濟效益更好，在市場競爭中更具優(yōu)勢。

2.6 能值投入密度分析

能值投入密度（EID）是能值總投入與土地面積的比值，即單位土地面積的能值投入量，是反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度高低的能值指標(biāo)，能值投入密度值越大，說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度越高[13]。由表5可知，四種不同處理方式下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入密度大小次序依次為T2﹥T3﹥T1﹥CK，即T2處理下農(nóng)田系統(tǒng)能值投入密度最大為1.86E+12，T3次之，為1.82E+12，常規(guī)耕作最小，為1.79E+12。從秸稈還田方面來看，相較于農(nóng)民傳統(tǒng)秸稈不還田模式，T1處理能值投入密度就能增加51.7%，說明秸稈還田模式的農(nóng)田系統(tǒng)能值集約化程度和能值投入強度都大于傳統(tǒng)不還田模式，能提高土地面積的能值投入量、增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度。

2.7 可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分析

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ESI）是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負載率的比值，是評價區(qū)域內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的指標(biāo)[14]。由表5、圖3可知，CK、T1、T2、T3處理下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分別為0.31、0.91、1.01、1.02。從耕作方式方面看，T2和T3模式下農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)都大于1，說明這兩種模式下該地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)具有良好的經(jīng)濟生產(chǎn)活力，可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Ω撸舱f明深松和免耕技術(shù)都有利于促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平。從秸稈還田方面分析，CK的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)僅為0.31，表示該模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展活力低、環(huán)境負載率大，屬于消費型生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)展不可持續(xù);而秸稈還田后T1處理的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為0.91，約是農(nóng)民傳統(tǒng)耕作模式的3倍，接近可持續(xù)發(fā)展指數(shù)合理范圍，表明秸稈還田可以有效提高資源利用率、促進農(nóng)田系統(tǒng)經(jīng)濟產(chǎn)出、增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力。

3 討論

從農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)水平指標(biāo)來看，本研究四種處理下農(nóng)田能值自給率均未能達到國內(nèi)平均水平，說明平度市蘭底鎮(zhèn)試驗區(qū)農(nóng)田自給程度較低，對外界環(huán)境資源依賴性較強，也反映出該試驗區(qū)農(nóng)業(yè)資源利用率較低，沒有合理挖掘出自然環(huán)境資源有效價值。其原因：為了盡快獲得經(jīng)濟產(chǎn)出，該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要依靠化肥、農(nóng)藥等可更新工業(yè)輔助能的投入，這雖在短期內(nèi)提高作物籽粒產(chǎn)量、帶來較高經(jīng)濟效益[15]，但長此以往，會對自然環(huán)境帶來更大壓力，農(nóng)田自給程度降低，不利于環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。所以蘭底鎮(zhèn)試驗區(qū)應(yīng)合理利用自然環(huán)境資源，減少對環(huán)境造成的壓力。

從可持續(xù)發(fā)展水平看，秸稈還田能有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境負載率，可通過提高秸稈資源利用率和機械使用，來降低農(nóng)田對不可更新環(huán)境資源依賴程度，減輕農(nóng)田環(huán)境壓力，同時秸稈還田還能提高土地面積的能值投入量，增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度[16]。四種不同處理（CK、T1、T2和T3）的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分別為0.31、0.91、1.01、1.02。傳統(tǒng)耕作模式的能值投入過度依賴于購入能值特別是不可更新工業(yè)輔助能的投入，造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對不可更新資源依賴程度高[17]，農(nóng)業(yè)發(fā)展可持續(xù)水平低，而秸稈還田可增加可更新輔助能在能值總投入中的比重，減少不可更新工業(yè)輔助能的投入，使環(huán)境負載率降低[18]，且秸稈還田后經(jīng)過深松或免耕處理作物生長良好，作物秸稈和籽粒經(jīng)濟產(chǎn)出能值增加，繼而促進了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)耕作模式的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展活力低，屬于消費型生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，環(huán)境負載率超過秸稈還田模式的4倍。秸稈還田能有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境負載率，降低農(nóng)田對不可更新環(huán)境資源依賴程度，減輕農(nóng)田環(huán)境壓力，同時還能提高土地面積的能值投入量，增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)集約化程度。四種不同耕作模式（CK、T1、T2和T3）的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分別為0.31、091、1.01、1.02，秸稈還田、深松、免耕均能顯著提高農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平，其中深松和免耕處理可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均大于1，是適合本地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的良好耕作模式。

參 考 文 獻：

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