黃 春， 鄧良基， 楊 娟， 周 偉

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院， 四川 溫江 611130； 2.四川省土地資源信息實(shí)驗(yàn)室， 四川 溫江 611130)

成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)能值分析

黃 春1,2， 鄧良基1,2， 楊 娟1,2， 周 偉1,2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院， 四川 溫江 611130； 2.四川省土地資源信息實(shí)驗(yàn)室， 四川 溫江 611130)

摘要：[目的] 探索成都平原高產(chǎn)條件下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)適宜的秸稈還田模式，為區(qū)域秸稈資源的農(nóng)業(yè)循環(huán)再利用和農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)與科學(xué)依據(jù)。[方法] 在田間定位試驗(yàn)中，設(shè)置了常規(guī)施肥(CF)、秸稈半量還田(CFS1)、秸稈全量還田(CFS2)和秸稈1.5倍量還田(CFS3)4種施肥模式，應(yīng)用能值分析方法探討了不同農(nóng)田系統(tǒng)的能值投入產(chǎn)出總量、結(jié)構(gòu)及綜合指標(biāo)的變化。[結(jié)果] (1) 從能值結(jié)構(gòu)看，較CF模式，秸稈還田模式降低了農(nóng)田系統(tǒng)能值投入中工業(yè)輔助能的比重，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自給能力，并提高了系統(tǒng)總能值產(chǎn)出； (2) 從能值指標(biāo)看，較CF模式，秸稈還田模式提高了農(nóng)田系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率、能值投入率、能值反饋率、能值生產(chǎn)力和能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率，降低了環(huán)境負(fù)載率，有效提升了農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?，其中CFS2和CFS3模式的養(yǎng)分物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用率較高，環(huán)境負(fù)載率較小，有利于農(nóng)田系統(tǒng)的持續(xù)、高效運(yùn)行。[結(jié)論] CFS2和CFS3模式是成都平原稻麥輪作農(nóng)田較優(yōu)的秸稈還田生產(chǎn)模式。

關(guān)鍵詞：能值分析； 秸稈還田； 稻麥輪作； 成都平原

農(nóng)作物秸稈是重要的有機(jī)肥源物質(zhì)[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本循環(huán)中，秸稈還田對(duì)保持土地肥力、防止土壤侵蝕、維持作物可持續(xù)生產(chǎn)具有重要作用[3]。然而，長(zhǎng)期以來(lái)秸稈作為一類資源并沒(méi)有得到充分合理的利用，大量的秸稈被胡亂丟棄、無(wú)控焚燒，不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)(全國(guó)約23%的秸稈被露天焚燒[4]，而每燃燒1.00×106t秸稈約損失自然肥力5.00×104t[5])，使本就短缺的資源更加緊張，而且導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境日趨惡化[6]。成都平原作為我國(guó)主要的糧油生產(chǎn)基地之一，其農(nóng)田系統(tǒng)建設(shè)直接關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高和糧食安全的保障。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、集約化程度的提高以及化肥工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代“石油農(nóng)業(yè)”所特有的高投入和農(nóng)田污染問(wèn)題，已在成都平原糧區(qū)出現(xiàn)，由此導(dǎo)致了區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，土壤肥力不高、酸化加劇以及復(fù)合性污染日趨嚴(yán)重[7]，極大地制約了農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，由于區(qū)域農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量大，且小春作物收獲后，茬口緊，導(dǎo)致農(nóng)作物秸稈，特別是小春作物秸稈不能及時(shí)合理利用，秸稈就地焚燒、棄置亂堆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[8]。近年來(lái)，隨著循環(huán)農(nóng)業(yè)理念的引領(lǐng)，成都平原二、三圈層的各個(gè)區(qū)(市)縣均建立了較大面積的秸稈還田核心示范區(qū)，以帶動(dòng)區(qū)域秸稈資源的還田利用。但還田后的農(nóng)田系統(tǒng)功能效益如何，目前還鮮見(jiàn)系統(tǒng)的分析報(bào)道。因此，本研究以農(nóng)田系統(tǒng)為邊界，利用能值分析這一生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究方法，定量分析成都平原不同秸稈還田模式下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的投入、產(chǎn)出水平，揭示不同農(nóng)田系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、環(huán)境負(fù)荷等狀況，探討秸稈還田下農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性，進(jìn)而為高產(chǎn)條件下科學(xué)選擇秸稈還田模式及區(qū)域農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)與科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　田間定位試驗(yàn)

田間定位試驗(yàn)于2011年5月在成都市都江堰市天馬鎮(zhèn)金陵村四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田開(kāi)展(30°57′0.99″N，103°44′3.69″E)。選取2012年11月至2013年9月的稻麥輪作試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.2 ℃，年均降水量1 200 mm，無(wú)霜期多年平均為280 d。供試土壤為長(zhǎng)期免耕的淹育型水稻土(由灰色沖積物發(fā)育而成)。土壤0—20 cm土層的主要化學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1　供試土壤主要化學(xué)性質(zhì)

表2為各試驗(yàn)處理的具體施肥情況。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理(表2)： (1) 常規(guī)施肥處理(CF)； (2) 秸稈半量還田處理(CFS1，按草谷比1∶1計(jì)，下同)； (3) 秸稈全量還田處理(CFS2)； (4) 秸稈1.5倍量還田處理(CFS3)。小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，重復(fù)3次，隨機(jī)排列，四周設(shè)保護(hù)行。每個(gè)小區(qū)均單設(shè)進(jìn)、排水口，田埂用6絲的薄膜相互間隔至犁底層，以防肥、水相互滲透。

表2　試驗(yàn)處理施肥配方　kg/hm2

注：所有無(wú)機(jī)肥均為折純后的施用量；秸稈施用量根據(jù)區(qū)域稻麥常年產(chǎn)量計(jì)算(草谷比1∶1計(jì))。

供試無(wú)機(jī)肥料為市售尿素(46.4%N)，過(guò)磷酸鈣(12%P2O5)和氯化鉀(60%K2O)。根據(jù)當(dāng)?shù)匦←?水稻)種植的施肥習(xí)慣，在小麥季，磷、鉀肥和稻草均以基肥形式一次性施入，而氮肥50%作為基肥，50%作為拔節(jié)期追肥；在水稻季，除50%的鉀肥在水稻揚(yáng)花前施用外，其余無(wú)機(jī)肥在水稻移栽后立即施入各小區(qū)，而麥稈則在水稻移栽4 d后施入。所有肥料的施用均為表施(秸稈為粉粹后表施)，并根據(jù)當(dāng)?shù)厮竞托←湻N植的田間管理措施對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一管理，且作物收割時(shí)秸稈留茬高度低于5 cm。小麥種植品種為內(nèi)麥863；水稻種植品種為福優(yōu)310(大田育秧)。小麥于2012年11月5日播種，按150 kg/hm2麥種均勻播撒，于2013年5月6日收割測(cè)產(chǎn)。水稻于2013年3月29日播種育秧，5月13日移栽，株距×行距為13.3 cm ×26.7 cm，每穴3苗，在9月8日收割測(cè)產(chǎn)。在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中各小區(qū)均為獨(dú)立灌排。在水稻和小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，適時(shí)防治病、蟲(chóng)害。水稻和小麥均生長(zhǎng)正常。

1.2　能值分析方法

能值分析方法是由美國(guó)生態(tài)學(xué)家Odum經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，綜合系統(tǒng)生態(tài)、能量生態(tài)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)原理，于20世紀(jì)80年代末提出的。它是在傳統(tǒng)能量分析的基礎(chǔ)上，將任何資源、產(chǎn)品或勞務(wù)形成所需的直接和間接的太陽(yáng)能量稱為其所具有的太陽(yáng)能值(solar emergy)，從而把各種形式的能量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的能值標(biāo)準(zhǔn)單位(太陽(yáng)能焦耳，solar emjoule，sej)，解決了傳統(tǒng)能量分析方法中不同能量類別難于比較分析的瓶頸[9]。該方法不但對(duì)認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)能量的貯藏、流動(dòng)及轉(zhuǎn)化起到了很大的促進(jìn)作用，而且提供了一個(gè)可以把生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析的共同尺度，從而為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)拓了一條定量研究途徑[10]。農(nóng)田系統(tǒng)的能值分析可分為6個(gè)步驟[11-12]。

(1) 確定系統(tǒng)邊界和內(nèi)容。界定農(nóng)田系統(tǒng)邊界，明確系統(tǒng)的主要能量來(lái)源，并確定系統(tǒng)的主要成分及其相互間的能量流動(dòng)關(guān)系。

(2) 資料收集與整理。通過(guò)調(diào)查、測(cè)定、計(jì)算和文獻(xiàn)搜索，收集與所研究農(nóng)田系統(tǒng)的自然地理、經(jīng)濟(jì)狀況、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等各種資料，獲取系統(tǒng)的投入產(chǎn)出情況并整理分類。

(3) 繪制能量系統(tǒng)圖。運(yùn)用Odum提出的“能量系統(tǒng)語(yǔ)言”圖例和生態(tài)系統(tǒng)圖解方法，繪制能量系統(tǒng)圖(圖1)，形成包括系統(tǒng)主要組分及相互關(guān)系的系統(tǒng)圖解，以求對(duì)研究對(duì)象有個(gè)整體觀念。

(4) 編制能值分析表。列出所研究農(nóng)田系統(tǒng)的主要能量輸入和輸出項(xiàng)目，其中能量輸入項(xiàng)目包括可更新環(huán)境資源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、雨水勢(shì)能、雨水化學(xué)能等)、不可更新環(huán)境資源(土壤表土層損失等)、不可更新工業(yè)輔助能(化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)機(jī)具等)和可更新有機(jī)能(人力、種子、秸稈等)。按照不同類別的資源進(jìn)行歸類，并根據(jù)各類資源的能值轉(zhuǎn)換率，將不同度量單位的物質(zhì)或能量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能值計(jì)算單位，編制系統(tǒng)能值分析表。需要指出的是，在可更新環(huán)境資源投入中，太陽(yáng)光、雨水、風(fēng)、地?zé)岬仁峭瑯託夂?、地球物理作用引起的不同現(xiàn)象，為避免重復(fù)計(jì)算，只取其中能值投入量最大的一項(xiàng)帶入計(jì)算。

(5) 建立能值綜合指標(biāo)體系。在能值分析表和能值綜合系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立和計(jì)算出一系列反映農(nóng)田系統(tǒng)的能值指標(biāo)體系，如太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率、凈能值產(chǎn)出率、能值投入率、能值密度、環(huán)境負(fù)荷力和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等。

(6) 系統(tǒng)發(fā)展評(píng)價(jià)和策略分析。根據(jù)能值指標(biāo)體系分析結(jié)果，辨識(shí)所研究農(nóng)田系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和演變趨勢(shì)，制定正確可行的農(nóng)田系統(tǒng)管理措施和發(fā)展策略，以指導(dǎo)農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3　數(shù)據(jù)來(lái)源

原始數(shù)據(jù)主要來(lái)源于3個(gè)方面：一是通過(guò)走訪都江堰市氣象局，收集田間試驗(yàn)區(qū)氣象方面的基礎(chǔ)資料；二是收集、整理試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)過(guò)程中的各類物力、人力投入數(shù)據(jù)；三是通過(guò)田間定位試驗(yàn)，獲取農(nóng)田生產(chǎn)中農(nóng)作物籽粒和秸稈的產(chǎn)出數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1　能值投入產(chǎn)出分析

根據(jù)Odum創(chuàng)立的能量系統(tǒng)符號(hào)語(yǔ)言，繪制出農(nóng)田系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖(以秸稈全量還田模式為例，圖1)。按照能值分析方法的有關(guān)概念及分析步驟，結(jié)合研究數(shù)據(jù)，分析得出不同施肥模式下農(nóng)田系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，具體結(jié)果詳見(jiàn)表3—4。為了更直觀地觀察分析數(shù)據(jù)，將不同施肥模式的能值分析數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總編制，得出不同模式下農(nóng)田系統(tǒng)能值分析匯總表(表5)。

2.1.1能值投入結(jié)構(gòu)分析

(1) 可更新環(huán)境資源投入。投入到農(nóng)田系統(tǒng)中的可更新環(huán)境資源包括太陽(yáng)光、雨水、風(fēng)和地?zé)?，其能值投入主要與試驗(yàn)區(qū)的面積大小、氣候條件有關(guān)[16]。由于可更新環(huán)境資源中的幾種輸入能量是同樣氣候、地球物理作用引起的不同現(xiàn)象，因而為避免重復(fù)計(jì)算，只取其中能值投入量最大的一項(xiàng)帶入計(jì)算。由此，在不同施肥模式下的農(nóng)田系統(tǒng)中，可更新環(huán)境資源的能值投入量相同，均為3.26E+15 sej/hm2，即雨水化學(xué)能投入。

(2) 不可更新工業(yè)輔助能投入。農(nóng)田系統(tǒng)的不可更新工業(yè)輔助能投入主要包括工業(yè)化肥、農(nóng)藥、柴油等工業(yè)消耗品投入。4個(gè)農(nóng)田系統(tǒng)中不可更新工業(yè)輔助能投入均約為1.74E+16 sej/hm2，僅在柴油投入上有一定的差異。在施肥管理模式下，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的系統(tǒng)不可更新工業(yè)輔助能投入分別占其總輔助能值的91.62%，75.39%，64.09%和55.74%，占到其總能值投入的78.18%，66.06%，57.22%和50.47%，表明隨著秸稈還田量的增加，能值投入中工業(yè)輔助能的比重逐漸降低，系統(tǒng)生產(chǎn)對(duì)于化肥等工業(yè)消耗品的依賴作用逐漸下降。

圖1　CFS2處理下農(nóng)田系統(tǒng)能量系統(tǒng)示意圖

(3) 可更新有機(jī)能投入?？筛掠袡C(jī)能主要包括種子、勞動(dòng)力、稻草和麥稈等。4個(gè)農(nóng)田系統(tǒng)中可更新有機(jī)能投入的差異主要在于還田秸稈的投入。在施肥管理模式下，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的系統(tǒng)可更新有機(jī)能投入隨著秸稈還田量的增加而增大，相應(yīng)的其可更新有機(jī)能投入占總輔助能值和總能值投入的比例也逐漸增大，分別為8.38%，24.61%，35.91%，44.26%和7.15%，21.57%，32.06%，40.07%。需要指出的是，CFS1，CFS2和CFS3處理的有機(jī)肥能值投入分別占其可更新有機(jī)能的71.17%，82.95%和87.79%，表明秸稈還田處理的有機(jī)肥能值投入較高，提升了農(nóng)田系統(tǒng)的物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用率，有利于系統(tǒng)的自我維持。

2.1.2能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析由于不同管理模式下農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量不同，因而系統(tǒng)產(chǎn)出能值也存在較大差異。不同處理的總能值產(chǎn)出依次為：CFS3>CFS2>CFS1>CF，能值產(chǎn)出量分別為2.95E+16 sej/hm2，2.87E+16 sej/hm2，2.85E+16 sej/hm2和2.40E+16 sej/hm2，即總能值產(chǎn)出隨著秸稈還田量的增加而增大。從能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)來(lái)看，各處理的作物籽粒能值(有效能值產(chǎn)出)表現(xiàn)為：CFS3>CFS1>CFS2>CF，分別占其總能值產(chǎn)出的68.21%，70.58%，69.39%和71.57%，表明較CK處理，秸稈還田處理提高了作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，更有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

表3　不同施肥處理下農(nóng)田系統(tǒng)的輔助能量投入與產(chǎn)出

注：農(nóng)田生產(chǎn)中投入產(chǎn)出項(xiàng)的能量計(jì)算方法來(lái)自參考文獻(xiàn)[12-15]； 由于氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥的能值轉(zhuǎn)換率單位為sej/g，因?yàn)樵诖吮碇形磳?duì)此4項(xiàng)進(jìn)行能量折算。各處理的具體配施情況詳見(jiàn)表2。下同。

表4　不同施肥處理下農(nóng)田系統(tǒng)能值分析

注：能值轉(zhuǎn)換率來(lái)自參考文獻(xiàn)[11-12,14-15]； 太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率基于新的全球能值基線：15.83E+24 sej/a，即2000年前測(cè)算的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率需乘以1.676 9進(jìn)行校正。

表5　不同施肥處理下農(nóng)田系統(tǒng)能值分析匯總

2.2　能值指標(biāo)分析

根據(jù)不同管理模式下農(nóng)田系統(tǒng)的能值投入產(chǎn)出狀況，計(jì)算出農(nóng)田系統(tǒng)的主要能值指標(biāo)(表6)。由表6可以得出：(1) 凈能值產(chǎn)出率。凈能值產(chǎn)出率(EYR)是農(nóng)田系統(tǒng)中的產(chǎn)出能值與經(jīng)濟(jì)投入能值(購(gòu)買能值)的比值，其值越高，說(shuō)明系統(tǒng)相對(duì)產(chǎn)出量越大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益越好，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。分析結(jié)果表明，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農(nóng)田系統(tǒng)EYR隨著秸稈還田量的增加而增大，分別為1.27，1.50，1.51和1.54。4個(gè)農(nóng)田系統(tǒng)的EYR均高于1，說(shuō)明各系統(tǒng)均存在能值利潤(rùn)，生產(chǎn)過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)效益。與CF模式相比，秸稈還田模式下的農(nóng)田系統(tǒng)具有更高的EYR，這是由于秸稈還田模式提高了作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益更好。因此，秸稈還田模式具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 (2) 能值投入率。能值投入率是農(nóng)田系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)投入能值(購(gòu)買能值)與從自然環(huán)境資源中無(wú)償輸入能值的比值，用于衡量系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，其值越大，表明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高。分析結(jié)果顯示，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農(nóng)田系統(tǒng)能值投入率隨著秸稈還田量的增加而增大，分別為5.82，5.84，5.85和5.86。這表明較CF模式，秸稈還田模式對(duì)于每單位無(wú)償環(huán)境資源的利用投入了相對(duì)較多的購(gòu)買能值，其差異主要體現(xiàn)在勞動(dòng)力投入上，因?yàn)槎拷斩掃€田比秸稈不還田花費(fèi)了更多的人力，而這也說(shuō)明秸稈還田模式對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)程度更高。 (3) 能值反饋率。能值反饋率是農(nóng)田系統(tǒng)中還田有機(jī)肥的能值與經(jīng)濟(jì)投入能值(購(gòu)買能值)的百分比，用以衡量系統(tǒng)的自組織能力。由于秸稈還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)增加了有機(jī)肥能值投入(秸稈覆蓋還田)，提升了系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)強(qiáng)度，形成了循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，因而CFS1，CFS2和CFS3處理的系統(tǒng)能值反饋率逐漸提高，分別為21.24%，42.42和63.55%，系統(tǒng)自組織能力逐漸增強(qiáng)。較秸稈還田模式，CF模式下農(nóng)田系統(tǒng)無(wú)有機(jī)肥還田，因此其能值反饋率為0。 (4) 能值生產(chǎn)力。能值生產(chǎn)力是農(nóng)田系統(tǒng)單位土地面積的有效能值產(chǎn)出(作物籽粒能值)，其值越大，說(shuō)明系統(tǒng)有效能值產(chǎn)出越大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益越好。在施肥管理模式下，農(nóng)田系統(tǒng)能值生產(chǎn)力并未隨著秸稈還田量的增加而增大，具體表現(xiàn)為CFS3>CFS1>CFS2>CF，其中CFS3處理的系統(tǒng)能值生產(chǎn)力最高，達(dá)2.01E+12 sej/hm2，CF處理的最低，為1.72E+12 sej/hm2。這與整個(gè)稻麥輪作周期各施肥處理的作物產(chǎn)量變化規(guī)律相吻合。 (5) 能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率。能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率以太陽(yáng)能值來(lái)表示勞動(dòng)成果，比傳統(tǒng)的勞動(dòng)生產(chǎn)率更能全面和真實(shí)地反映與評(píng)價(jià)生產(chǎn)者的勞動(dòng)效率。分析結(jié)果表明，CF，CFS1，CFS2和CFS3處理的農(nóng)田系統(tǒng)能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率分別為2.70E+14 sej/h，2.97E+14 sej/h，2.90E+14 sej/h和2.89E+14 sej/h，可見(jiàn)盡管定量秸稈還田比秸稈不還田花費(fèi)了更多的人力，但其系統(tǒng)能值產(chǎn)出更大，因而系統(tǒng)勞動(dòng)效率得以提高。需要指出的是，在秸稈還田模式下，系統(tǒng)能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率隨著秸稈還田量的增加而下降，但三者間差異不明顯。 (6) 環(huán)境負(fù)載率。環(huán)境負(fù)載率(ELR)是農(nóng)田系統(tǒng)中投入的不可更新資源能值量與不可更新工業(yè)輔助能之和與可更新環(huán)境資源能值量的比值，用以衡量由于不可更新資源的輸入和使用，對(duì)環(huán)境造成的壓力和脅迫作用。從過(guò)去的研究案例中所得到的經(jīng)驗(yàn)表明，ELR<2，表明生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生了相對(duì)較低的環(huán)境影響；210，則表明系統(tǒng)存在高強(qiáng)度的能值利用，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)保持著較大壓力，可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的退化或喪失[17]。分析結(jié)果顯示，隨著秸稈還田量的增加，施肥模式下農(nóng)田系統(tǒng)的ELR從3.58逐漸下降至1.02，可見(jiàn)CF模式下農(nóng)田系統(tǒng)主要依靠不可更新工業(yè)輔助能的大量投入來(lái)獲得較高的產(chǎn)量，其農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境所受壓力相對(duì)較大，應(yīng)注意生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，減少環(huán)境污染，而秸稈還田模式的可更新有機(jī)能投入較高，系統(tǒng)生產(chǎn)對(duì)不可更新工業(yè)輔助能的依賴相對(duì)較低，其所受環(huán)境壓力也隨之下降。同時(shí)，這也表明秸稈還田模式下農(nóng)業(yè)環(huán)境資源還有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用的潛力，可通過(guò)加大能值投入，特別是機(jī)械化投入，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 (7) 能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)是農(nóng)田系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值，用以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能。根據(jù)已有研究成果，ESI<1，表明系統(tǒng)是高度發(fā)展的消費(fèi)驅(qū)動(dòng)型生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，購(gòu)入能值在能值總投入中所占比重較大，或?qū)Ρ镜夭豢筛沦Y源的利用率較高；110，表示經(jīng)濟(jì)不活躍，資源的開(kāi)發(fā)利用程度較低[18]。

從表6中可以發(fā)現(xiàn)，CF，CFS1，CFS2和CFS3模式下農(nóng)田系統(tǒng)ESI分別為0.35，0.77，1.13和1.52，表明隨著秸稈還田量的增加，農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能不斷增強(qiáng)，系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿Σ粩嘣龃?。需要指出的是，按照以能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，CF和CFS1處理的農(nóng)田系統(tǒng)屬于消費(fèi)驅(qū)動(dòng)型生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，購(gòu)入能值特別是工業(yè)輔助能在能值總投入中所占比重較大，系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)不可更新資源的利用率較高，系統(tǒng)發(fā)展不可持續(xù)，而這也在一定程度上與兩個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)田養(yǎng)分(如鉀素)呈現(xiàn)虧缺的狀況相印證(該成果尚未發(fā)表)；相比之下，CFS2和CFS3處理的農(nóng)田系統(tǒng)則是可持續(xù)的，并具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表6　不同施肥處理下農(nóng)田系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3結(jié)果討論

能值分析把環(huán)境資源的價(jià)值定量化，從而闡明自然環(huán)境資源與經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)關(guān)系，是以往單純的能量和經(jīng)濟(jì)分析所不能達(dá)到的，這對(duì)于各類資源的合理利用、制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展方針及實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義[19]。近年來(lái)，能值分析方法在農(nóng)田系統(tǒng)研究上的應(yīng)用也得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。邢開(kāi)成等[20]、熊凱等[21]、趙桂慎等[22]均應(yīng)用能值分析方法評(píng)價(jià)了我國(guó)不同地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)的發(fā)展水平，并針對(duì)性地提出了調(diào)控策略?？梢?jiàn)，能值分析在研究農(nóng)田系統(tǒng)運(yùn)行效率上的作用已日益明顯。本研究中，成都平原稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)在CF模式下的環(huán)境負(fù)荷率達(dá)到3.58，高于2005年江蘇省農(nóng)田系統(tǒng)(2.83)[23]、2006年華北平原高產(chǎn)糧區(qū)(2.63)[22]以及2007年湖北省集約農(nóng)區(qū)(3.29)[21]的環(huán)境負(fù)荷水平。這表明CF模式下成都平原稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的發(fā)展已處于一種高投入高產(chǎn)出的狀態(tài)，同時(shí)也反映出該模式下農(nóng)田系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的環(huán)境壓力較大。根據(jù)能值理論，系統(tǒng)外界能值過(guò)度輸入以及對(duì)非更新資源高強(qiáng)度使用是導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境惡化的一個(gè)重要原因[24]。因此，CF模式下農(nóng)田系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷水平較高與大量不可更新資源如化肥、農(nóng)藥、燃油等投入比重較高有直接的關(guān)系，并由此導(dǎo)致了該農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力相對(duì)較差。

秸稈是一種農(nóng)田系統(tǒng)有機(jī)廢棄物，然而其蘊(yùn)藏著巨大的養(yǎng)分資源，作物吸收的養(yǎng)分近一半留在秸稈中[2]。大量研究已表明，秸稈還田后在土壤微生物作用下發(fā)生腐解，釋放出大量碳、氮、磷、鉀以及中微量營(yíng)養(yǎng)元素，從而能有效提升土壤肥力，促進(jìn)作物增產(chǎn)[25-27]。本研究中，較CF模式，秸稈還田模式提升了稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的可更新有機(jī)能投入水平，使系統(tǒng)具有了良好的物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用率和能值反饋特性，降低了系統(tǒng)生產(chǎn)對(duì)于不可更新工業(yè)輔助能的依賴，環(huán)境負(fù)荷較小，有利于系統(tǒng)的維持。這一規(guī)律在高雪松[5]和蔣碧等[16]的研究中也有體現(xiàn)。需要指出的是，秸稈還田量的不同，其腐解速率及釋放的養(yǎng)分量也不同，隨之對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的影響也會(huì)存在差異。本試驗(yàn)條件下，秸稈還田提高了農(nóng)田系統(tǒng)的氮素、磷素和鉀素物流強(qiáng)度，但在CFS1模式下農(nóng)田系統(tǒng)鉀素仍呈現(xiàn)出虧缺狀態(tài)，虧缺量為-76.69 kg/hm2，土壤鉀庫(kù)消耗較大，不利于系統(tǒng)的維持(該成果尚未發(fā)表)。因此，在本試驗(yàn)的施肥水平和常規(guī)田間管理?xiàng)l件下，無(wú)論從農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力還是養(yǎng)分平衡狀況來(lái)看，CFS2和CFS3模式都具有更優(yōu)的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，更有利于農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)發(fā)展，是區(qū)域稻麥輪作農(nóng)田較優(yōu)的秸稈還田生產(chǎn)模式。

此外，鑒于秸稈還田后農(nóng)田系統(tǒng)環(huán)境演變的長(zhǎng)期效應(yīng)以及對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響的復(fù)雜性，農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性比較及適宜秸稈還田量的選擇還需進(jìn)行長(zhǎng)期的定位試驗(yàn)研究。

4結(jié) 論

(1) 從能值結(jié)構(gòu)看，CF，CFS1，CFS2和CFS3模式下農(nóng)田系統(tǒng)不可更新工業(yè)輔助能投入占到其總能值投入的78.18%，66.06%，57.22%和50.47%，秸稈還田模式降低了能值投入中工業(yè)輔助能的比重，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自給能力，并提高了系統(tǒng)總能值產(chǎn)出。

(2) 從能值指標(biāo)看，較CF模式，秸稈還田模式提高了農(nóng)田系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率、能值投入率、能值反饋率、能值生產(chǎn)力和能值—?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率，降低了環(huán)境負(fù)載率，有效提升了農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿Γ渲蠧FS2和CFS3模式的養(yǎng)分物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用率較高，環(huán)境負(fù)載率較小，有利于農(nóng)田系統(tǒng)的持續(xù)、高效運(yùn)行，是成都平原稻麥輪作農(nóng)田較優(yōu)的秸稈還田生產(chǎn)模式。

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Emergy Analysis of Farmland Eco-system with Different Straw Returning Modes of Rice-Wheat Rotation in Chengdu Plain

HUANG Chun1,2, DENG Liangji1,2, YANG Juan1,2, ZHOU Wei1,2

(1.CollegeofResources,SichuanAgriculturalUniversity,Wenjiang，Sichuan611130,China; 2.KeyLaboratoryofLandInformationinSichuanProvince,Wenjiang，Sichuan611130,China)

Abstract：[Objective] To find out a suitable straw returning mode for the rice-wheat rotation ecosystem with high yield in Chengdu Plain, and to offer a scientific basis for the efficient operation of regional farmland system. [Methods] Four treatments in field experiment was designed according to applied straw quantities, i.e., chemical fertilizer only(CF), chemical fertilizer plus a half of straw returning(CFS1), chemical fertilizer plus total straw returning(CFS2), chemical fertilizer plus 1.5 times of straw returning(CFS3). Based on emergy analysis method, we studied the changes of total amount of emergy input and output, the structure of emergy input and output and the emergy indexes among different fertilization treatments. [Results] (1) The results showed that, as compared to CF mode, other straw returning modes lowered the proportion of the non-renewable industrial assistant emergy to the total emergy input and increased the level of self-supply ability and the total emergy output. (2) From the perspective of the emergy indexes, as compared to the CF mode, straw returning modes had higher levels of net emergy yield ratio, emergy input ratio, emergy feedback ratio, emergy productivity and emergy-labor productivity, and had lower levels of environmental load ratio. Straw returning modes effectively improve the sustainable development ability of farmland system, especially CFS2and CFS3modes had the lower environmental load ratio and the higher emergy sustainable index. [Conclusion] Modes of CFS2and CFS3are the suitable straw returning modes under a rice-wheat rotation in Chengdu Plain.

Keywords:emergy analysis; straw returning; rice-wheat rotation; Chengdu Plain

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0336-08

中圖分類號(hào)：X712， S181

通信作者：鄧良基(1957—),男(漢族),四川省瀘縣人,教授,主要從事農(nóng)業(yè)資源利用方面的研究。E-mail:auh6@sicau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-06修回日期：2014-03-28
資助項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)田有機(jī)質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與推廣”(2013NZ0027)
第一作者：黃春(1985—),男(漢族),四川省江安縣人,博士,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用。E-mail:79412310@qq.com。