王琦明, 胡發(fā)龍, 柴 強(qiáng)**

保護(hù)性耕作對(duì)小麥/玉米間作系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的影響*

王琦明1,3, 胡發(fā)龍2,3, 柴 強(qiáng)2,3**

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070; 3. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070)

農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)是集約化農(nóng)作的有效途徑之一, 在增加生物多樣性和提高產(chǎn)量方面具有重要作用。干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 溫室氣體減排和作物耗水減量是發(fā)展高效可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要參考指標(biāo), 研發(fā)基于作物復(fù)合生產(chǎn)的模式是該區(qū)節(jié)水、減排和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。本研究以河西綠洲灌區(qū)長(zhǎng)期規(guī)?；N植的小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)為對(duì)象, 于2010—2012年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(武威站), 通過(guò)集成免耕立茬(NTS)、免耕秸稈覆蓋(NTM)、少耕秸稈翻壓(RTS)形成不同小麥/玉米間作復(fù)合系統(tǒng), 并以傳統(tǒng)間作(CTI)為對(duì)照, 重點(diǎn)研究了不同系統(tǒng)的土壤碳排放量和水分利用特征, 比較分析了其生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。結(jié)果表明, 小麥和玉米復(fù)合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)較單作小麥提高113%, 較單作玉米提高21%, 該系統(tǒng)基于生物熱能產(chǎn)的土地當(dāng)量比均大于1。農(nóng)田復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)能有效降低土壤CO2排放, 特別是集成免耕秸稈覆蓋的間作系統(tǒng), 土壤CO2排放量比單作玉米降低12%, 比傳統(tǒng)間作降低13%, 排放效率比單作玉米提高39%, 比傳統(tǒng)間作提高31%。此外, 農(nóng)田復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)還顯著降低了作物耗水, 與傳統(tǒng)間作相比, 集成免耕秸稈覆蓋的間作系統(tǒng)的棵間蒸發(fā)量、耗水總量和單位耗水碳排放量分別降低11%、5%和9%, 但單位耗水生物熱能產(chǎn)提高19%。農(nóng)田復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)間作具有更高的土地當(dāng)量比(1.78)、碳排當(dāng)量比(1.48)和耗水當(dāng)量比(1.22), 三者分別提高14%、28%和20%, 因而其可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)提高了13%。小麥/玉米間作集成免耕秸稈覆蓋的農(nóng)田復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)可作為河西綠洲灌區(qū)高效可持續(xù)農(nóng)作的可行模式。

小麥/玉米間作; 保護(hù)性耕作; 土壤CO2排放; 水分利用; 生物熱能產(chǎn)

集約化農(nóng)作是中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要方式, 各國(guó)根據(jù)其農(nóng)業(yè)生態(tài)特性積淀, 發(fā)展了各具特色的集約化農(nóng)作系統(tǒng)[1-2]。在這些系統(tǒng)中, 間作對(duì)增加生物多樣性和提高糧食安全具有重要作用, 同時(shí), 間作也是最具發(fā)展前景、應(yīng)用面積最為廣泛的種植模式之一[3]。究其主要原因, 是由于間作相比其他種植模式具有更高的資源利用效率和生產(chǎn)力[4]。因而, 間作也被看作是減小作物潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量差的重要途徑[5-6]。然而, 傳統(tǒng)間作在肥料和除草劑施用以及實(shí)現(xiàn)機(jī)械化等方面存在諸多弊端, 且間作中不合理的農(nóng)作措施可能會(huì)導(dǎo)致較多CO2排放, 加劇溫室效應(yīng)[7]。因此, 在間作系統(tǒng)中研究并集成具有良好表現(xiàn)的農(nóng)作措施顯得極為迫切和重要。

保護(hù)性耕作通常包括少免耕、秸稈覆蓋和作物輪作等[8], 且被廣泛用于解決土壤退化、生產(chǎn)力低下以及溫室氣體排放等農(nóng)業(yè)生態(tài)和環(huán)境問題[9-10]。其主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)減少土壤擾動(dòng)以及有機(jī)物還田來(lái)減少土壤CO2排放[11]并提高土壤碳匯[12]。同時(shí), 保護(hù)性耕作中秸稈還田能有效抑制蒸發(fā)[13], 減少地表徑流, 增加降水入滲[14], 從而提高作物水分利用效率[15]。在干旱和半干旱地區(qū), 水分是限制作物生長(zhǎng)的決定因子[16], 保護(hù)性耕作在節(jié)水方面的作用對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生了較好的保護(hù), 因而保護(hù)性耕作在這一區(qū)域發(fā)展?jié)摿薮骩17]。近年來(lái), 保護(hù)性耕作因其良好表現(xiàn)已在間作系統(tǒng)中進(jìn)行集成并取得可喜成果。有研究表明, 秸稈還田、一膜兩年用與間作集成在短期內(nèi)可以減少作物生育期內(nèi)碳排放[18], 同時(shí)免耕秸稈還田地膜再利用的間作模式較單作玉米可以增產(chǎn)14%~17%[19]。由此形成的農(nóng)田復(fù)合循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)在節(jié)水、減排和提高生產(chǎn)效率等方面具有重大優(yōu)勢(shì)[20]。

在應(yīng)對(duì)耕地面積銳減和用水矛盾突出等問題, 以及節(jié)水、減排等方面[2,5], 間作復(fù)合系統(tǒng)集成保護(hù)性耕作是可行途徑。然而, 有關(guān)農(nóng)田復(fù)合循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性研究尚未涉及。隨著農(nóng)業(yè)資源供需矛盾加劇, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性成為研究的焦點(diǎn)[7], 特別是在糧食產(chǎn)出較多的河西綠洲灌區(qū), 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性已成為該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待解決的首要問題[21]。為此, 本研究以試區(qū)主栽模式小麥()間作玉米()為對(duì)象, 通過(guò)集成應(yīng)用保護(hù)性耕作的理論與技術(shù), 建立小麥玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng), 重點(diǎn)探討復(fù)合系統(tǒng)的土壤CO2減排、水分利用和生產(chǎn)效率, 評(píng)價(jià)其可持續(xù)性, 以期為建立高效可持續(xù)的間作生產(chǎn)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2010—2012年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(武威站)進(jìn)行, 該站位于甘肅河西走廊東端(37°96′N, 102°64′E, 海拔1 506 m),屬寒溫帶干旱區(qū), 大陸性氣候, 太陽(yáng)輻射總量6 000 MJ?m-2, 年均日照時(shí)數(shù)>2 945 h, 年平均氣溫7.2 ℃, ≥0 ℃年積溫為3 513 ℃, ≥10 ℃年積溫為2 985.4 ℃, 干燥度5.85, 無(wú)霜期155 d, 土壤類型為厚層灌漠土, 0~90 cm土壤容重1.57 g?cm-3, 0~30 cm土層土壤全氮0.68 g?kg-1, 全磷1.41 g?kg-1, 有機(jī)質(zhì)14.31 g?kg-1, 常年降雨量不超過(guò)160 mm, 但年蒸發(fā)量大于2 400 mm, 2011年和2012年作物生育期各月氣溫、降雨量和參考蒸發(fā)量如表1所示。小麥間作玉米是該區(qū)長(zhǎng)期規(guī)?；瘧?yīng)用的高產(chǎn)高效種植模式。

表1 武威站2011—2012年作物生育期內(nèi)逐月氣象資料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2010年進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn), 為后續(xù)試驗(yàn)處理提供相應(yīng)的茬口處理, 2011—2012年對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整理。參試小麥品種為‘永良4號(hào)’, 玉米品種為‘武科2號(hào)’, 同種作物在單作和間作模式中的播種、收獲時(shí)間相同。小麥于2011年3月28日和2012年3月19日播種, 分別于7月22日和7月18日收獲; 玉米于2011年4月17日和2012年4月20日播種, 分別于9月29日和9月30日收獲。試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)(2011—2012年), 小麥播種到收獲期降水量分別為65.8 mm 和40.5 mm, 玉米播種到收獲期降水量分別為179.1 mm 和128.5 mm, 小麥間作玉米生育期降水量分別為200.6 mm 和146.9 mm。

試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同耕作和秸稈還田間作來(lái)構(gòu)成3種農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作系統(tǒng)。2010年小麥?zhǔn)斋@期間作小麥根據(jù)翌年處理需要進(jìn)行相應(yīng)收割, 即25 cm高茬收割、低茬收割留25 cm等量秸稈覆蓋(小麥帶)、低茬收割留25 cm等量秸稈翻壓(小麥帶)和低茬收割并移除秸稈; 玉米收獲后玉米秸稈全部移除, 并根據(jù)翌年處理需要, 對(duì)間作小麥帶進(jìn)行相應(yīng)耕作處理, 即免耕、少耕和傳統(tǒng)耕作, 而玉米帶全部翻耕, 并由此形成不同的帶狀耕作處理。2011年以上一年耕作和還田措施為基礎(chǔ)設(shè)不同農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作系統(tǒng): 25 cm高茬收割免耕小麥-玉米(免耕+高茬, NTS)、25 cm高等量秸稈覆蓋免耕小麥-玉米(免耕+覆蓋, NTM)、25 cm高等量秸稈翻壓小麥-玉米(少耕+翻壓, RTS)和低茬收割翻耕小麥-玉米(傳統(tǒng), CTI), 另設(shè)傳統(tǒng)收割單作小麥(CTW)和單作玉米(CTM)作為對(duì)照, 共計(jì)6個(gè)處理, 每個(gè)處理3次重復(fù), 共18個(gè)小區(qū)。玉米收獲后單作小麥、單作玉米和傳統(tǒng)間作全部翻耕, 并移除所有秸稈; 而保護(hù)性間作, 即NTS、NTM和RTS繼續(xù)采用帶狀耕作, 即玉米帶全部翻耕, 小麥帶則進(jìn)行相應(yīng)的留茬免耕、覆蓋免耕和淺耕翻壓。2012年, 單作和各間作處理小麥、玉米輪換種植, 即現(xiàn)年小麥次年輪種玉米, 現(xiàn)年玉米次年輪種小麥。小麥和玉米均采用平作, 玉米覆膜, 具體系統(tǒng)參數(shù)見圖1和表2。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

土壤呼吸速率(Rs): 土壤呼吸速率用土壤呼吸測(cè)定系統(tǒng)EGM-4(environmental gas monitor-4, UK, PP system)測(cè)定, 測(cè)定時(shí)將呼吸室置于小區(qū)作物行間, 收集從土壤釋放的CO2, 每點(diǎn)測(cè)定5個(gè)值。土壤呼吸速率日變化每2 h測(cè)定一次, 測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為全天; 季節(jié)變化在作物主要生育時(shí)期測(cè)定, 即在作物生育期內(nèi), 每隔2周測(cè)定一次[22]。對(duì)玉米帶測(cè)定前12 h, 將玉米帶地膜揭出呼吸室邊緣大小的裸區(qū), 讓膜內(nèi)累積的CO2排出, 測(cè)定時(shí)視為玉米帶土壤的呼吸值。間作群體分別測(cè)定不同作物帶土壤呼吸速率, 并將兩作物帶呼吸速率的均值作為整個(gè)小區(qū)的土壤呼吸速率。

土壤含水量(WC): 每20 d測(cè)定一次, 播前、收獲后、灌水前、灌水后加測(cè), 測(cè)深110 cm。測(cè)定時(shí), 前30 cm采用烘干法, 用土鉆人工取土, 每10 cm為一分層; 30~110 cm用中子水分儀測(cè)定, 其中, 30~50 cm為20 cm一分層, 50~110 cm每30 cm為一分層。單作處理中, 每小區(qū)設(shè)1個(gè)測(cè)定點(diǎn), 3個(gè)重復(fù)的平均值作為該處理土壤含水量測(cè)定值; 間作處理中, 每小區(qū)分別在小麥和玉米種植帶各設(shè)1個(gè)測(cè)定點(diǎn), 2點(diǎn)平均值作為小區(qū)土壤含水量測(cè)定值, 3個(gè)重復(fù)的平均值作為一個(gè)處理的土壤水分含量測(cè)定值。

棵間蒸發(fā)量(): 采用自制微型蒸發(fā)器(Micro-lysimeter, ML, 高15 cm, 直徑11 cm)進(jìn)行測(cè)定。ML中土樣每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.105 2 mm,用精度為0.01的LP3102型電子天平稱重以計(jì)算棵間蒸發(fā)量。為保證ML內(nèi)土體水分含量和結(jié)構(gòu)與大田相似, 每隔3~5 d更換器內(nèi)的原狀土體, 并且在下雨或灌水后加測(cè)。單作處理每小區(qū)安裝1個(gè)ML; 間作處理分別在小麥和玉米種植帶中部各安裝1個(gè)ML, 2點(diǎn)平均值作為小區(qū)蒸發(fā)量; 同一處理3個(gè)重復(fù)的平均值作為該處理的棵間蒸發(fā)量測(cè)定值。

圖1 小麥/玉米間作示意圖

表2 不同小麥/玉米間作復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)主要農(nóng)藝參數(shù)

生物熱能產(chǎn)(EY): 生物產(chǎn)量由籽粒產(chǎn)量(GY)和秸稈產(chǎn)量(SY)兩部分構(gòu)成, 籽粒產(chǎn)量分別于小麥和玉米成熟期按小區(qū)收獲, 單獨(dú)脫粒并記產(chǎn); 秸稈產(chǎn)量根據(jù)考種結(jié)果(小麥取20株, 玉米取15株)和種植密度計(jì)算。因此, 生物熱能產(chǎn)按公式(1)計(jì)算[21]:

EY=GY×g+SY×s(1)

式中:g和s分別表示不同作物籽粒和秸稈的熱能值, 小麥和玉米籽粒熱能值為16.3 MJ?kg-1, 秸稈熱能值為14.6 MJ?kg-1。

1.4 計(jì)算指標(biāo)

1.4.1 土壤CO2排放量與作物耗水量

土壤CO2排放量(CE)根據(jù)Qin等[22]公式計(jì)算:

式中:s表示土壤呼吸速率, 測(cè)定間隔為兩周;1和分別指上次和本次測(cè)定日期;表示播種后天數(shù); 0.158 4 是將μmol(CO2)?m-2?s-1轉(zhuǎn)換為g(CO2)?m-2?h-1的系數(shù); 24和10是將g(CO2)?m-2?h-1轉(zhuǎn)化為kg(CO2)?hm-2的系數(shù)。

作物耗水量(ET)根據(jù)Yang等[23]公式計(jì)算:

ET=e++(3)

式中:e為生育期內(nèi)有效降雨量,為灌溉量,表示播種前和收獲后土壤貯水量的差值。由于本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的灌水量相對(duì)較小, 且試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在30 m以下, 故忽略了滲漏量和地下上升水的影響。

1.4.2 系統(tǒng)生產(chǎn)效率

CO2排放效率(CEE)表示生育期內(nèi)農(nóng)田土壤每排放1 kg CO2所能生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn):

CEE=EY/CE (4)

式中: EY為不同作物系統(tǒng)單位面積生物熱能產(chǎn), CE為生育期內(nèi)土壤CO2排放總量。

水分利用效率(WUE)可分解為單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)和單位耗水碳排(WUECE)兩部分, 一個(gè)作物系統(tǒng)具有較高的WUEEY和較低的WUECE表示其對(duì)水分能進(jìn)行高效利用。二者分別表示每消耗1個(gè)單位土壤水分所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn)和產(chǎn)生的土壤CO2排放量, 計(jì)算公式為:

WUEEY=EY/ET (5)

WUECE=CE/ET (6)

式中: EY為不同作物系統(tǒng)生物熱能產(chǎn), 間作復(fù)合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)為兩種作物的總和; CE為不同作物系統(tǒng)生育期內(nèi)土壤CO2排放總量; ET為不同作物系統(tǒng)生育期總耗水量。

1.4.3 復(fù)合系統(tǒng)的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)

土地當(dāng)量比(LER)量化了間套作復(fù)合系統(tǒng)生產(chǎn)力及土地利用效率:

LER=EYWI/EYWM+EYMI/EYMM(7)

式中: EYWI和EYWM分別表示小麥在間作和單作時(shí)的生物熱能產(chǎn)(kg?hm-2), EYMI和EYMM分別表示玉米在間作和單作時(shí)的生物熱能產(chǎn)(kg?hm-2)。LER>1.0, 表明間作比單作的資源利用率高, 即間作優(yōu)勢(shì); 當(dāng)LER<1.0, 單作比間作資源利用高, 即間作劣勢(shì)。

碳排當(dāng)量比(CER)可量化單作模式產(chǎn)生與間作模式相同土壤碳排放所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn):

CER=CEEWI/CEEWM+CEEMI/CEEMM(8)

式中: CEEWI和CEEWM是小麥間作和單作土壤的CO2排放效率(kg?kg-1), CEEMI和CEEMM是玉米間作和單作土壤的CO2排放效率(kg?kg-1)。CER>1.0時(shí), 表明每產(chǎn)生1個(gè)單位土壤CO2排放時(shí), 間作具有比單作生產(chǎn)更多生物熱能產(chǎn)的潛力, 即間作具有降低土壤碳排的作用, 反之亦然。

耗水當(dāng)量比(WER)可量算單作模式消耗與間作模式相同單位的土壤水分時(shí)所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn)(生物熱能產(chǎn)耗水當(dāng)量比, WEREY)或產(chǎn)生的土壤CO2排放量(碳排耗水當(dāng)量比, WERCE):

WER=WUEWI/WUEWM+WUEMI/WUEMM(9)

式中: WUEWI和WUEWM是間作和單作小麥的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY, kg?hm-2?mm-1)或單位耗水碳排(WUECE, kg?hm-2?mm-1), WUEMI和WUEMM是間作和單作玉米的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY, kg?hm-2?mm-1)或單位耗水碳排(WUECE, kg?hm-2?mm-1)。WEREY>1.0, 表明每消耗1個(gè)單位土壤水分, 間作能比單作生產(chǎn)更多生物熱能產(chǎn), 即間作具有更高的水分生產(chǎn)效益, 反之亦然; WERCE<1.0時(shí), 表明每消耗1個(gè)單位土壤水分時(shí), 間作具有比單作減少土壤CO2排放的潛力, 從而實(shí)現(xiàn)水分高效利用。

1.4.4 作物生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性根據(jù)Chai等[21]建立的可持續(xù)性評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行比較, 該指數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算體系共由兩步構(gòu)成。

第一步:

式中:αx為表5第行×第列的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值(0<αx≤1),x為系統(tǒng)與參考指標(biāo)的實(shí)際值,max與min為每個(gè)參考指標(biāo)的最大值與最小值。

第二步:

式中:βx為標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù),為系統(tǒng)或參考指標(biāo)的最大數(shù)。

式中: Index為不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)指數(shù), 該指數(shù)的數(shù)值越大說(shuō)明系統(tǒng)的可持續(xù)性越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel整理匯總, 用SPSS 24.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和LSD分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)和土地當(dāng)量比

與單作系統(tǒng)相比, 間作系統(tǒng)能顯著提高小麥和玉米的生物熱能產(chǎn)(圖2A)。兩年平均顯示, 間作系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)比單作小麥提高113%, 比單作玉米提高21%。在比較凈占地面積上的作物生物熱能產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn), 間作使小麥生物熱能產(chǎn)提高55%, 使玉米提高54%。因此, 不同間作復(fù)合系統(tǒng)以生物熱能產(chǎn)計(jì)算的土地當(dāng)量比均大于1(圖2B), 表明間作系統(tǒng)對(duì)資源利用具有顯著優(yōu)勢(shì)。不同作物系統(tǒng)中, 以免耕秸稈覆蓋構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)(NTM)生物熱能產(chǎn)和土地當(dāng)量比最高。與傳統(tǒng)間作系統(tǒng)(CTI)相比, NTM的生物熱能產(chǎn)提高16%(2011年)和13%(2012年), 相應(yīng)地, 土地當(dāng)量比提高14%(2011年)和13%(2012年)。然而, 免耕立茬(NTS)和少耕秸稈翻壓(RTS)構(gòu)建的小麥玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)對(duì)作物生物熱能產(chǎn)和土地當(dāng)量比的影響沒有持續(xù)性。

2.2 不同小麥玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的土壤CO2排放特征

2.2.1 生育期內(nèi)土壤CO2排放總量

與傳統(tǒng)單作玉米相比, 間作復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)能顯著降低生育期內(nèi)土壤CO2排放總量(表3)?？傮w上, 小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)土壤CO2年排放總量為8.84 t?hm-2,較單作玉米(10.02 t?hm-2)降低11%。免耕結(jié)合秸稈覆蓋可顯著降低小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的土壤CO2排放總量, 與CTI相比, NTM的土壤CO2排放總量平均降低12%。少耕秸稈翻壓具有相似作用, 與CTI相比, RTS的土壤CO2排放總量平均降低9%。比較同種作物在相同占地面積下單作與間作復(fù)合系統(tǒng)土壤CO2排放總量差異發(fā)現(xiàn), 小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)CO2排放總量顯著降低。與單作小麥相比, NTM小麥帶降低13%, 玉米帶降低12%; RTS小麥帶降低6%, 玉米帶降低11%。

圖2 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)(A)和土地當(dāng)量比(B)

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。不同小寫字母表示同一年不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same year (< 0.05).

表3 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)土壤CO2排放特征

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。不同不寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.2.2 土壤CO2排放效率和碳排當(dāng)量比

由于小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)生物熱能產(chǎn)高但土壤CO2排放量低, 因而其CO2排放效率(CEE)顯著高于單作玉米(表3)。與單作玉米相比, 間作復(fù)合系統(tǒng)的CEE提高39%。因此, 不同間作復(fù)合系統(tǒng)的碳排當(dāng)量比(CER)均大于1, 且玉米組分的碳排當(dāng)量比明顯高于小麥, 其主要原因是間作玉米比單作具有更高的CEE。與單作玉米相比, 間作玉米的CEE提高52%, 說(shuō)明在生產(chǎn)相同單位數(shù)量的生物熱能產(chǎn)時(shí), 單作玉米比間作玉米要多釋放1.5 kg土壤CO2。因此, 間作系統(tǒng)不僅能有效利用土地資源, 更能顯著降低土壤CO2排放量。比較不同間作復(fù)合系統(tǒng)發(fā)現(xiàn), 由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)比傳統(tǒng)間作的CEE和CER均有提高, 特別是NTM系統(tǒng), 其CEE和CER最大, 分別比CTI提高31%和28%。

2.3 不同小麥玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的耗水特征

2.3.1 棵間蒸發(fā)量、E/ET和耗水總量

不同小麥玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)棵間蒸發(fā)按其對(duì)應(yīng)作物的生育期進(jìn)行測(cè)定, 因而間作系統(tǒng)的棵間蒸發(fā)顯著高于兩種單作系統(tǒng)(表4)。兩年平均發(fā)現(xiàn), 單作小麥年均棵間蒸發(fā)150 mm, 單作玉米年均蒸發(fā)267 mm, 間作系統(tǒng)年均蒸發(fā)287 mm。對(duì)小麥間作玉米集成少免耕和秸稈還田能有效降低其棵間蒸發(fā)和E/ET, 特別是NTM系統(tǒng), 其棵間蒸發(fā)和E/ET比CTI降低9%、8%(2011年)和13%、16%(2012年)。此外, 由于較少的棵間蒸發(fā)和較低的E/ET, NTM系統(tǒng)的耗水總量比CTI降低5%(2011年)和4%(2012年)。

表4 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的耗水特征

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。E: 蒸發(fā); ET: 蒸散發(fā); WUEEY: 單位耗水熱能產(chǎn); WUECE: 單位耗水碳排放。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. E: evaporation; ET: evapotranspiration; WUEEY: energy yield of per unit water use efficiency; WUEEC: carbon emission of per unit water use efficiency. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.3.2 水分利用效率和耗水當(dāng)量比

在由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)中除RTS外, NTM和NTS系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)均顯著高于傳統(tǒng)間作(表4)。其中, NTM系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)最高(年均793 MJ?hm-2?mm-1), 而單作小麥由于自身系統(tǒng)較小的生物熱能產(chǎn), 其單位耗水生物熱能產(chǎn)最低(年均606 ?hm-2?mm-1)。免耕相比少耕具有持續(xù)提高單位耗水生物熱能產(chǎn)的作用, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)平均提高19%, NTS系統(tǒng)平均提高11%。因此, 兩個(gè)系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)耗水當(dāng)量比(WEREY)較CTI均有顯著提高, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)平均提高了20%, NTS系統(tǒng)平均提高了11%(圖3)。

不同作物系統(tǒng)中, 單作小麥生育期內(nèi)土壤CO2排放量最小, 因而其單位耗水碳排(WUECE)最低, 且分別比單作玉米和間作復(fù)合系統(tǒng)降低35%和14%(表4)。比較間作復(fù)合系統(tǒng)和單作玉米的單位耗水碳排差異發(fā)現(xiàn), 間作比單作玉米平均降低29%。在小麥/玉米間作系統(tǒng)中集成保護(hù)性耕作措施構(gòu)建的NTM系統(tǒng)和RTS系統(tǒng)較CTI能顯著降低自身系統(tǒng)的單位耗水碳排。與CTI相比, NTM系統(tǒng)的單位耗水碳排平均降低9%, RTS系統(tǒng)平均降低8%。因此, 兩個(gè)系統(tǒng)的碳排耗水當(dāng)量比(WERCE)較CTI均有顯著降低, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)平均降低10%, NTS系統(tǒng)平均提高8%(圖3)。

2.4 不同小麥玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)體系參考指標(biāo)包括: 1)作物水分利用效率(GY/ET); 2)土地當(dāng)量比; 3)生物熱能產(chǎn); 4)單位耗水生物熱能產(chǎn); 5)土壤CO2排放量; 6)單位耗水碳排。一種作物系統(tǒng)的可持續(xù)評(píng)價(jià)系數(shù)越高, 說(shuō)明該系統(tǒng)的可持續(xù)性越好。由表5可知, 不同種植模式間可持續(xù)性指數(shù)具有較大差異, 且總體表現(xiàn)為間作最高, 單作小麥次之, 單作玉米最低。由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)能顯著提高其可持續(xù)性指數(shù), 與CTI相比, NTS、NTM和RTS分別提高5%、13%和5%。3種小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)中, NTM可持續(xù)性指數(shù)最高(0.78)。因此, 本研究推薦以免耕秸稈覆蓋構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)作為試區(qū)可持續(xù)性生產(chǎn)的重要模式。

3 討論

3.1 增產(chǎn)與農(nóng)田土壤CO2減排

作物通過(guò)光合作用將空氣中大量CO2吸收同化后進(jìn)行固定, 從而形成穩(wěn)定的碳庫(kù), 因此作物系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳庫(kù)的重要組成部分[24]。通常, 增加作物冠層的光能截獲、促進(jìn)光合作用能顯著提高作物的生物量碳[25], 即在增大碳庫(kù)的同時(shí)增加對(duì)光能的轉(zhuǎn)化固定。間作復(fù)合系統(tǒng)因其不同組分作物在形態(tài)、生態(tài)型和生育期上的錯(cuò)位搭配形成其在時(shí)間與空間上的生態(tài)位互補(bǔ)[26-27], 從而提高了對(duì)光能資源的有效利用[28]。本試驗(yàn)中間作復(fù)合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)比單作小麥提高113%, 比單作玉米提高21%, 且在凈占地面積上, 間作使小麥生物熱能產(chǎn)提高55%, 使玉米提高54%。說(shuō)明間作在截獲光能并轉(zhuǎn)化固定為生物熱能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。特別是以免耕秸稈覆蓋形成的小麥/玉米復(fù)合循環(huán)系統(tǒng), 其生物熱能產(chǎn)最高, 與傳統(tǒng)間作相比平均提高14%。

圖3 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作的生物熱能產(chǎn)耗水當(dāng)量比(WEREY)和碳排耗水當(dāng)量比(WERCE)

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作。不同小寫字母表示同一年份不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same year (< 0.05).

表5 不同耕作方式下小麥/玉米復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat.

光合作用生產(chǎn)的部分同化物在作物根系呼吸作用下會(huì)以CO2形式釋放出來(lái)[29], 并且較高的生物熱能產(chǎn)通常被認(rèn)為會(huì)引起較多的土壤CO2排放[30]。在間作復(fù)合系統(tǒng)中, 不同作物群體的種間相互作用調(diào)控著彼此對(duì)資源的利用和生物量累積[21], 因而也影響著不同組分作物的生理生態(tài)功能, 使間作可作為控制土壤CO2排放的一種有效途徑, 特別是在調(diào)控和優(yōu)化土壤呼吸影響因子方面作用顯著[11]。將保護(hù)性耕作的成熟理論集成在間作系統(tǒng)中能使間作復(fù)合系統(tǒng)增強(qiáng)對(duì)土壤碳排放的抑制作用。本研究中, 間作復(fù)合系統(tǒng)土壤CO2排放量比單作玉米減少11.8%, 其中免耕秸稈覆蓋農(nóng)田復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)土壤CO2排放量最少, 比傳統(tǒng)間作減少12%, 并且該系統(tǒng)CO2排放效率(CEE)最高, 比傳統(tǒng)間作提高31%。另外, 在凈占地面積下, 與單作小麥相比, NTM小麥帶土壤CO2排放量減少13%, 玉米帶減少12%。因此, 免耕秸稈覆蓋小麥/間作玉米農(nóng)田復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)是農(nóng)田CO2減排的重要參考模式。

3.2 水分高效利用

在干旱和半干旱地區(qū), 缺水嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展[31], 因而高效的農(nóng)業(yè)模式首先要解決水分高效利用。提高作物自身的水分利用效率將是實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵[32]。保護(hù)性耕作在節(jié)水方面具有顯著優(yōu)勢(shì), 特別是對(duì)抑制水分無(wú)效蒸發(fā)、增加降水入滲作用明顯[33]。本研究將保護(hù)性耕作與間作系統(tǒng)集成, 構(gòu)建的小麥/玉米復(fù)合系統(tǒng)對(duì)水分進(jìn)行了高效利用。在免耕秸稈覆蓋復(fù)合系統(tǒng)中, 棵間蒸發(fā)比傳統(tǒng)間作降低11%, 耗水總量降低5%, 同時(shí)E/ET降低12%, 說(shuō)明該系統(tǒng)優(yōu)化了作物對(duì)土壤水分的利用, 使無(wú)效蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為有效蒸騰。此外, 不同作物系統(tǒng)中免耕秸稈覆蓋復(fù)合系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)最高, 但單位耗水碳排(WUECE)最低, 與傳統(tǒng)間作相比, 該系統(tǒng)WUEEY提高19%, WUECE降低9%。比較不同間作復(fù)合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)耗水當(dāng)量比(WEREY)和碳排耗水當(dāng)量比(WERCE)具有相似結(jié)果, 即免耕秸稈覆蓋復(fù)合系統(tǒng)的WEREY比傳統(tǒng)間作提高20%, 但WERCE降低10%。這說(shuō)明, 小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)可有效調(diào)控系統(tǒng)耗水更多轉(zhuǎn)化為作物自身產(chǎn)出, 并降低在該轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的土壤CO2排放, 從而實(shí)現(xiàn)高效用水。

3.3 系統(tǒng)效率和可持續(xù)性

耕地面積銳減、土壤CO2排放和水資源短缺是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的三大問題[17], 這在人口眾多的發(fā)展中國(guó)家尤為突出[20]。因此, 集高產(chǎn)出、土壤CO2減排和節(jié)水于一體的作物生產(chǎn)系統(tǒng)亟待研發(fā)。本研究中, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米復(fù)合系統(tǒng)LER和CER均大于1, 比傳統(tǒng)間作分別提高14%和28%, 說(shuō)明該系統(tǒng)比相應(yīng)單作系統(tǒng)在生產(chǎn)相同單位的生物熱能產(chǎn)時(shí)占用了更少的土地、排放了更少的CO2。此外, 較高的生物熱能產(chǎn)耗水當(dāng)量比和較低的碳排耗水當(dāng)量比證明了該系統(tǒng)在水分利用方面的優(yōu)勢(shì), 使作物生產(chǎn)每消耗1單位水分時(shí)具有更多產(chǎn)出, 但降低CO2產(chǎn)生和排放。因而, 該系統(tǒng)在考慮以上3因素時(shí), 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米復(fù)合系統(tǒng)具有更高的可持續(xù)性, 其可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)為0.78, 顯著高于其他間作系統(tǒng)和單作系統(tǒng)。因此, 本研究推薦免耕秸稈覆蓋小麥玉米復(fù)合系統(tǒng)作為該區(qū)小麥和玉米可持續(xù)生產(chǎn)的重要參考體系。

4 結(jié)論

小麥/玉米間作復(fù)合系統(tǒng)是河西綠洲灌區(qū)典型的間作模式, 也是小麥和玉米生產(chǎn)的重要作物系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)集成保護(hù)性耕作措施, 構(gòu)建小麥/玉米復(fù)合系統(tǒng)在提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性上具有顯著作用, 特別是以免耕秸稈覆蓋復(fù)合系統(tǒng)為最優(yōu)。與傳統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)相比, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)生物熱能產(chǎn)和土地當(dāng)量比分別提高15%和14%。同時(shí)該系統(tǒng)土壤CO2排放低, 比單作玉米降低12%, 比傳統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)降低13%, 因而CO2排放效率比單作玉米提高39%, 比傳統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)提高31%。另外, 該系統(tǒng)顯著抑制了棵間無(wú)效蒸發(fā), 降低了作物耗水量, 但提高了單位耗水生物熱能產(chǎn), 并減少了單位耗水碳排。與傳統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)相比, 其棵間蒸發(fā)量、耗水總量和單位耗水碳排分別降低11%、5%和9%, 而單位耗水生物熱能產(chǎn)提高19%。由于該系統(tǒng)具有高生產(chǎn)效率和低碳排低耗水的特性, 其可持續(xù)性指數(shù)最高, 比傳統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)提高13%。因此, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米農(nóng)田復(fù)合系統(tǒng)不僅提高了生物熱能產(chǎn)、CO2排放效率和水分利用效率, 還顯著降低了土壤CO2排放和作物耗水量, 同時(shí)伴隨著間套生產(chǎn)配套農(nóng)機(jī)的研發(fā), 傳統(tǒng)間套作對(duì)勞動(dòng)力的大量需求被進(jìn)一步緩解, 農(nóng)村勞動(dòng)力得以進(jìn)一步解放。因此, 保護(hù)性耕作與小麥/玉米間作相集成是該區(qū)高效可持續(xù)農(nóng)作的重要模式。

[1] WANJARI R H, SINGH M V, GHOSH P K. Sustainable yield index: An approach to evaluate the sustainability of long-term intensive cropping systems in India[J]. Journal of Sustainable Agriculture, 2004, 24(4): 39–56

[2] ZHOU D, AN P, PAN Z, et al. Arable land use intensity change in China from 1985 to 2005: Evidence from integrated cropping systems and agro economic analysis[J]. The Journal of Agricultural Science, 2012, 150(2): 179–190

[3] BROOKER R W, KARLEY A J, NEWTON A C, et al. Facilitation and sustainable agriculture: A mechanistic approach to reconciling crop production and conservation[J]. Functional Ecology, 2015, 30(1): 98–107

[4] 柴強(qiáng), 胡發(fā)龍, 陳桂平. 禾豆間作氮素高效利用機(jī)理及農(nóng)藝調(diào)控途徑研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(1): 19–26 CHAI Q, HU F L, CHEN G P. Research advance in the mechanism and agronomic regulation of high-efficient use of nitrogen in cereal-legume intercropping[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(1): 19–26

[5] TILMAN D, CASSMAN K G, MATSON P A, et al. Agricultural sustainability and intensive production practices[J]. Nature, 2002, 418(6898): 671–677

[6] MUELLER N D, GERBER J S, JOHNSTON M, et al. Closing yield gaps through nutrient and water management[J]. Nature, 2012, 490(7419): 254–257

[7] HU F L, CHAI Q, YU A Z, et al. Less carbon emissions of wheat-maize intercropping under reduced tillage in arid areas[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(2): 701–711

[8] 張仁陟, 黃高寶, 蔡立群, 等. 幾種保護(hù)性耕作措施在黃土高原旱作農(nóng)田的實(shí)踐[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(1): 61–69 ZHANG R Z, HUANG G B, CAI L Q, et al. Dry farmland practice involving multi-conservation tillage measures in the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 61–69

[9] ARSLAN A, MCCARTHY N, LIPPER L, et al. Adoption and intensity of adoption of conservation farming practices in Zambia[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2014, 187: 72–86

[10] AL-KAISI M M, YIN X H. Tillage and crop residue effects on soil carbon and carbon dioxide emission in corn-soybean rotations[J]. Journal of Environmental Quality, 2005, 34(2): 437–445

[11] FUENTES M, HIDALGO C, ETCHEVERS J, et al. Conservation agriculture, increased organic carbon in the top-soil macro-aggregates and reduced soil CO2emissions[J]. Plant and Soil, 2011, 355(1/2): 183–197

[12] ALLETTO L, COQUET Y, BENOIT P, et al. Tillage management effects on pesticide fate in soils. A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2010, 30(2): 367–400

[13] GOVAERTS B, SAYRE K D, CEBALLOS-RAMIREZ J M, et al. Conventionally tilled and permanent raised beds with different crop residue management: effects on soil C and N dynamics[J]. Plant and Soil, 2006, 280(1/2): 143–155

[14] KIRKEGAARD J A, HUNT J R, MCBEATH T M, et al. Improving water productivity in the Australian Grains industry — a nationally coordinated approach[J]. Crop & Pasture Science, 2014, 65(7): 583–601

[15] HATFIELD J L, SAUER T J, PRUEGER J H. Managing soils to achieve greater water use efficiency[J]. Agronomy Journal, 2001, 93(2): 271–280

[16] ALTIERI M A, NICHOLLS C I, HENAO A, et al. Agroecology and the design of climate change-resilient farming systems[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(3): 869–890

[17] 胡發(fā)龍, 柴強(qiáng), 甘延太, 等. 少免耕及秸稈還田小麥間作玉米的碳排放與水分利用特征[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 49(1): 120–131 HU F L, CHAI Q, GAN Y T, et al. Characteristics of soil carbon emission and water utilization in wheat/maize intercropping with minimal/zero tillage and straw retention[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 49(1): 120–131

[18] 殷文, 史倩倩, 郭瑤, 等. 秸稈還田、一膜兩年用及間作對(duì)農(nóng)田碳排放的短期效應(yīng)[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(6): 716–724 YIN W, SHI Q Q, GUO Y, et al. Short-term response of farmland carbon emission to straw return, two-year plastic film mulching and intercropping[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(6): 716–724

[19] 殷文, 柴強(qiáng), 樊志龍, 等. 綠洲灌區(qū)典型種植模式的水熱利用與碳排放和能值分析[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 29(11): 3658–3668 YIN W, CHAI Q, FAN Z L, et al. Emergy analysis, water-heat utilization, and carbon emission of typical cropping patterns in the oasis irrigation area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(11): 3658–3668

[20] HU F L, GAN Y T, CUI H Y, et al. Intercropping maize and wheat with conservation agriculture principles improves water harvesting and reduces carbon emissions in dry areas[J]. European Journal of Agronomy, 2016, 74: 9–17

[21] CHAI Q, QIN A Z, GAN Y T, et al. Higher yield and lower carbon emission by intercropping maize with rape, pea, and wheat in arid irrigation areas[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2014, 34(2): 535–543

[22] QIN A Z, HUANG G B, CHAI Q, et al. Grain yield and soil respiratory response to intercropping systems on arid land[J]. Field Crop Research, 2013, 144: 1–10

[23] YANG C H, HUANG G B, CHAI Q, et al. Water use and yield of wheat/maize intercropping under alternate irrigation in the oasis field of northwest China[J]. Field Crops Research, 2011, 124(3): 426–432

[24] LORENZ A J, GUSTAFSON T J, COORS J G, et al. Breeding maize for a bioeconomy: A literature survey examining harvest index and stover yield and their relationship to grain yield[J]. Crop Science, 2010, 50(1): 1–12

[25] 王自奎, 吳普特, 趙西寧, 等. 作物間套作群體光能截獲和利用機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2015, 30(6): 1057–1066 WANG Z K, WU P T, ZHAO X N, et al. A review of light interception and utilization by intercropped canopies[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(6): 1057–1066

[26] 黃高寶, 張恩和. 調(diào)虧灌溉條件下春小麥玉米間套農(nóng)田水、肥與根系的時(shí)空協(xié)調(diào)性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2002, 18(1): 53–56 HUANG G B, ZHANG E H. Coordinating of root-water- fertilizer relation of spring wheat-spring corn intercropping system under regulated deficit irrigation[J]. Transactions of the CSAE, 2002, 18(1): 53–56

[27] 劉廣才, 楊祁峰, 李隆, 等. 小麥/玉米間作優(yōu)勢(shì)及地上部與地下部因素的相對(duì)貢獻(xiàn)[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 32(2): 477–484 LIU G C, YANG Q F, LI L, et al. Intercropping advantage and contribution of above-and below-ground interactions in wheat-maize intercropping[J]. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(2): 477–484

[28] AWAL M A, KOSHI H, IKEDA T. Radiation interception and use by maize/peanut intercrop canopy[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2006, 139(1/2): 74–83

[29] 李魯華, 陳樹賓, 秦莉, 等. 不同土壤水分條件下春小麥品種根系功能效率的研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2002, 35(7): 867–871 LI L H, CHEN S B, QIN L, et al. Study on root function efficiency of spring wheats under different moisture condition[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(7): 867–871

[30] LITHOURGIDIS A S, DHIMA K V, VASILAKOGLOU I B, et al. Sustainable production of barley and wheat by intercropping common vetch[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2007, 27(2): 95–99

[31] FASAKHODI A A, NOURI S H, AMINI M. Water resources sustainability and optimal cropping pattern in farming systems; a multi-objective fractional goal programming approach[J]. Water Resources Management, 2010, 24(15): 4639–4657

[32] 張鳳云, 吳普特, 趙西寧, 等. 間套作提高農(nóng)田水分利用效率的節(jié)水機(jī)理[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(5): 1400–1406 ZHANG F Y, WU P T, ZHAO X N, et al. Water-saving mechanisms of intercropping system in improving cropland water use efficiency[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(5): 1400–1406

[33] LI L L, HUANG G B, ZHANG R Z, et al. Benefits of conservation agriculture on soil and water conservation and its progress in China[J]. Agricultural Sciences in China, 2011, 10(6): 850–859

Effect of conservation tillage on natural resources utilization efficiency and sustainability of integrated wheat-maize intercropping system*

WANG Qiming1,3, HU Falong2,3, CHAI Qiang2,3**

(1. Faculty of Resources and Environment, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Faculty of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, China)

The integrated production system is effective for crop intensification and also plays an important role in improving biodiversity and grain yield. The reduction of greenhouse gas emissions and crop water consumption are important parameters in developing high-efficient and sustainable agriculture in arid areas. Researches on soil carbon emission, water use and characteristic of the integrated production system will benefit the productivity and sustainability of agricultural practices in this region. The experiment was carried out in 2011 and 2012 at the Oasis Agricultural Scientific Researching and Teaching Station of Gansu Agriculture University and Local Government, China. Wheat-maize intercropping system was used as the object of this study due to its long-term application in Hexi Oasis region. Through integration, different conservation practices, including no-till with stubble standing, no-till with stubble mulching, and reduced tillage with stubble incorporation were applied in wheat-maize intercropping system forming three integrated production systems (named NTS, NTM and RTS, respectively), with conventional intercropping (CTI), conventional monocropped maize (CTM) and wheat (CTW) as the control systems. The study mainly focused on soil carbon emission and water use characteristics of different cropping systems, and further compared the differences in system effectiveness and sustainability. Results showed that the energy yield of integrated wheat-maize intercropping system increased by 113% over monocropping wheat, and by 21% over monocropping maize, and the land equivalent ratios of integrated intercropping systems based on energy yield were greater than 1. The integrated system also significantly reduced soil CO2emission, especially for the NTM, of which, the soil CO2emission was reduced by 12% than CTM, and by 13% than CTI. Also, its’ CO2emission efficiency increased by 39% over CTM, and by 31% over CTI. In addition, the integrated system significantly reduced the crop water consumption. Compared to CTI, NTM reduced evaporation, water consumption and carbon emission per unit of water by 11%, 5% and 9%, respectively. Nevertheless, the energy yield per unit of water improved by 19%. Compared to CTI, land (1.78), carbon (1.48) and water (1.22) equivalent ratios improved by 14%, 28% and 20% under NTM respectively. Therefore, the sustainability index was enhanced by 13% over the CTI. Consequently, the integrated wheat-maize production system can be used as a high-efficient and sustainable cropping model in the Hexi Oasis Irrigation Area.

Wheat-maizeintercropping; Conservation tillage; Soil CO2emission; Water utilization; Energy yield

, E-mail: Chaiq@gsau.edu.cn

Jan. 20, 2019;

Apr. 3, 2019

S344

2096-6237(2019)09-1344-10

10.13930/j.cnki.cjea.190063

柴強(qiáng), 主要從事多熟種植、節(jié)水農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)的研究。E-mail: Chaiq@gsau.edu.cn 王琦明, 主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail: wangqiming0614@yahoo.com

2019-01-20

2019-04-03

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503125-3) and the National Natural Science Foundation of China (31771738,31860363).

* 國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503125-3)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31771738, 31860363)資助

王琦明, 胡發(fā)龍, 柴強(qiáng). 保護(hù)性耕作對(duì)小麥/玉米間作系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(9): 1344-1353

WANG Q M, HU F L, CHAI Q. Effect of conservation tillage on natural resources utilization efficiency and sustainability of integrated wheat-maize intercropping system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1344-1353