不同耕作模式对农田系统能值的影响
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作者:李帅 梁伟 贾龙 庄顺龙 孙凤娟 柳新伟
摘要：基于能值理论分析体系，比较不同耕作模式下农田系统的生态指标和可持续发展性，为筛选出适合本地区应用的农田耕作模式提供理论依据。本试验共设置农民传统耕作（CK）、传统耕作+秸秆还田（T1）、深松耕作+秸秆还田（T2）、免耕+秸秆还田（T3）4 个处理。农田能值系统分析可知，CK模式下农田生态系统经济发展活力低，属于消费型生态经济系统，环境负载率超过T1模式的4倍，说明秸秆还田能有效降低农田生态系统的环境负载率，降低农田对不可更新环境资源依赖程度，减轻农田环境压力;同时秸秆还田能提高土地面积的能值投入量，T1、T2、T3处理能值投入率分别为农民传统耕作的1.57、1.63、1.59倍，增强农田生态系统集约化程度;四种不同处理（CK、T1、T2和T3）下农田生态系统可持续发展指数分别为0.31、0.91、1.01、1.02，说明T1、T2、T3处理均能显著提高农田系统可持续发展水平，其中T2、T3为更适合本地区的农业生态耕作模式。
关键词：秸秆还田;深松;免耕;系统能值
中图分类号：S181.6 文献标识号：A 文章编号：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
資源衰竭和环境恶化是我国农业面临的严峻问题。农田系统的可持续性发展和对生态环境的影响一直是备受关注的问题，因此建立一个农田系统可持续性评价指标十分必要。能量转化和物质循环是农田生态系统的基本功能之一，也是能值理论的主要研究内容。Odum等[1]已研究总结出不同的养分管理系统可持续指标，其中可持续发展指数（enviroment sustainable development index，ESI）是衡量系统可持续性的一个重要指标。李忠芳等[2]研究表明，农田系统ESI值随作物种类、施肥等不同而呈显著性差异。孙利军等[3]研究陇中黄土高原地区几种耕作措施的经济评价后得出，该地区免耕配合秸秆覆盖还田能达到生态经济效益最优值。
土壤是作物生长的基础，不同耕作方式对土壤的影响结果不同。农业耕作模式的不断进步及其技术的应用，是为了避免传统农业耕作中不合理的耕作方式对土壤和生态环境造成不可逆且对人类不利的危害[4，5]。耕作技术无论是在农业生产，还是在环境保护上都有重要意义[6]。覆盖的作物残茬秸秆能够起到保墒、减少风蚀、减少地表径流侵蚀等作用[7-9]。 深松是改良传统耕翻土层的模式，在不翻转土层基础上打破犁底层、加深耕作层、降低土壤紧实度，对改善耕层以下土壤结构有显著效果，且可增强土壤的蓄水保墒能力，为农作物生长提供优良环境 [10]。
本试验以青岛市保护性耕作试验区土壤为研究对象，应用能值理论体系，从生态角度综合分析传统耕作、传统耕作+秸秆还田、深松+秸秆还田、免耕+秸秆还田4种耕作模式对农田生态系统带来的能值产出投入，并从能值角度深入探讨该地区能量流动特征和能值循环结构，比较不同耕作模式下农田系统的生态和经济效益，为评价不同耕作模式对青岛地区土壤生态效益的影响、探索适合青岛地区的可持续利用的耕作模式提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验设计与田间管理
本试验于2016年在青岛市平度兰底镇进行。共设置农民传统耕作、传统耕作+秸秆还田、深松耕作+秸秆还田、免耕+秸秆还田4 个处理（表1），重复3次，随机区组排列，小区面积330 m2。
种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，其中小麦品种为鲁麦23，播种量150 kg/hm2，玉米品种为郑单958，播种量30 kg/hm2。小麦季基施氮磷钾含量各为15%的复合肥1 200 kg/hm2、阿维菌素生物肥600 kg/hm2，返青期人工追施尿素270 kg/hm2。玉米季基施氮磷钾含量各为15%的复合肥1 200 kg/hm2，之后不再施肥。玉米季和小麦季均滴灌3次，每次灌溉量450 m3/hm2。小麦季在返青期用无人机喷施除草剂（二甲四氯异辛酯，等）1次，用量为20 kg/hm2;玉米季在播种后和出苗后用无人机喷施（40%乙·莠SE，等）2次，每次用量为30 kg/hm2。
1.2 测定项目及方法
环境负载率（emergy loading ratio，ELR）=不可更新能量总值/可更新能量总值;
能值投入率（emergy input ratio，EIR）=经济反馈能值/环境无偿能值;
能值产出率（emergy yield ratio，EYR）=系统总产出能值/经济反馈能值;
能值自给率（emergy self-sufficiency ratio，ESR）=系统环境能源总投入/系统投入总能值;
净能值产出率（net emergy yield ratio，NEYR）=系统产出总能值/系统总辅助能投入;
能值投入密度（emergy input density，EID）=系统能值总投入/面积;
可持续发展指数（enviroment sustainable development index，ESI）=净能值产出率/环境负载率。
1.3 数据统计分析
用Microsoft Excel 2007处理数据并作图，用SPSS 20.0软件对数据进行单因素ANOVA分析，用LSD法进行多重比较（P<0.05）。
2 结果与分析
2.1 能值投入产出分析
农田能量流动如图1所示。青岛市平度兰底镇年平均太阳总辐射量为5 174.48 MJ/m2，平均海拔高度77.2 m，年平均降水量680 mm。考虑到兰底镇保护性耕作试验区灌溉水和降雨均不会形成径流，故表层土损失不计入能值计算。能值产出结构为轮作系统中输出的产物，包括作物秸秆和作物籽粒。能值转化率参考Odum等[1]的方法计算，四种不同耕作方式和秸秆还田能量能值产投情况参见表2、表3和表4。
从表2中数据可知，在玉米小麦轮作系统中，从能值投入来看，不同耕作模式之间表现为T1﹥CK，T2﹥T1﹥T3，主要差异体现在机械、人工和作物秸秆投入方面。由于传统耕作模式不投入秸秆，故能值投入量最小，T1较传统耕作的能值投入增加52.28%，说明秸秆还田模式比传统耕作前期能值投入要高出很多，主要表现在机械和作物秸秆投入，这也决定了保护性耕作前期投入大、见效慢的特点。而在秸秆还田模式下，T1能值投入最少，T2和T3较T1能值总投入分别增长3.76%和1.48%，处理间差异不明显。
从表3可以看出：从能值投入构成来看，在购买能值中，主要以不可更新工业辅助能为主，可更新有机能为辅。不可更新工业辅助能投入表現为T2>CK>T1>T3;可更新有机能中以作物秸秆投入为主，其中T2处理下秸秆投入最多，四种不同模式下可更新有机能投入为T2>T3>T1>CK，可见秸秆还田使可更新有机能增加，农民传统耕作的可更新有机能投入最少。
从表4可以看出，总能值投入，包括可更新环境资源、工业辅助能、可更新有机能、环境资源总投入、总辅助能投入五部分，投入大小依次为T2﹥T3﹥T1﹥CK，其中T1处理较CK能值投入增长51.69%;总能值产出，包括作物籽粒和作物秸秆两部分，产出大小依次为T3﹥T2﹥T1﹥CK，说明秸秆还田能增加作物籽粒和秸秆产出。其中T1处理较CK能值产出增长6.70%，其它耕作模式中T3处理能值产出最大，T2处理次之，T1处理最小。小麦能值产出均高于玉米的能值产出，作物籽粒能值产出均高于作物秸秆能值产出。
2.2 能值投入结构分析
由图2可以看出，不同耕作模式下各类型能值占总能值投入的比重，以不可更新工业辅助能F占比最大，其次是可更新有机能T，可更新环境资源R占比最小，说明这四种耕作模式对现代化机械依赖程度较大。其中CK能值投入主要依赖于不可更新工业辅助能，占比为84.18%（没有秸秆还田），可更新有机能占比只有7.45%;而秸秆还田模式下的三种处理，可更新有机能占比分别为39.29%、41.37%、40.24%，比CK高出4～5倍，说明秸秆还田能有效增加能值投入中的可更新有机能占比，更利于农业可持续发展，有利于保护生态环境。
2.3 农业基础水平分析
农田生态系统农业基础水平可以通过能值自给率（ESR）、环境负载率（ELR）、购买能值比率等指标来分析[11]。分析数据（表5）可知，四种不同耕作模式下农田生态系统环境负载率为CK﹥T1﹥T3﹥T2，T2最小，为1.14，说明深松处理是减小环境压力、促进农业可持续发展的良好模式;而对照（CK）的农田生态系统环境负载率是T1的4倍多，为5.32。这说明农民传统耕作给农田生态系统造成巨大环境压力，对不可更新自然环境资源依赖程度高，不利于环境资源可持续发展，应注意环境资源的合理利用和保护，而秸稈还田各耕作模式下农田生态系统对不可更新环境资源利用少，主要依靠可更新有机能值投入，达到增加能值产出目的，农田生态系统环境压力较小。整体上来看，秸秆还田能有效降低农田生态系统的环境负载率，可通过提高秸秆资源利用率和机械使用，来降低农田对不可更新环境资源依赖程度，减轻农田环境压力，促进农业可持续发展。
能值自给率（ESR）是指环境资源总投入占能值总投入的比重，可以反映农田生态系统对自然资源依赖程度，能值自给率值越小，表明农田系统对自然环境资源依赖程度越高[12]。由表5可知，四种处理模式下兰底试验区能值自给率普遍较低，农民传统耕作模式最高为0.08，其它三种处理均为0.05，说明该地区对自然环境资源依赖程度高。
2.4 能值投入率分析
由表5可知，四种不同耕作模式的能值投入率表现为T2﹥T3﹥T1﹥CK，农民传统耕作的农田系统能值投入率最小，为10.95，T1、T2、T3处理的能值投入率分别为CK的1.57、1.63、1.59倍。这说明T1、T2、T3处理均能有效提高农田系统能值投入率，其中T2效果最好，能值投入率最高为17.87，T3处理次之，T1最小。
由于不同处理间总辅助能值投入差异体现在作物秸秆和劳动力上，而T1、T2、T3处理增加了作物秸秆还田投入，总辅助能值增大，相当于提高每单位环境能值中经济购买能值占比，进而提高农田生态系统能值投入率。与CK相比，秸秆还田能加强对自然环境资源开发利用程度，即在相同自然环境资源条件下， 能为农田生态系统提供更多经济购买能值，增强该地区竞争能力和经济发展水平;而CK的农田系统能值投入率小，农田系统对经济购买能值的依赖程度较低，主要来自于从自然环境资源中无偿获得能值，对自然资源条件依赖程度高，不利于农田生态系统可持续发展（图3）。这说明传统耕作模式不利于提高自然环境资源对社会经济活动的承受能力，比较可知，秸秆还田技术可以有效提高农田生态系统能值投入率，增强农业经济发展水平。
2.5 净能值产出率分析
净能值产出率（NEYR）是指系统能值总产出与经济能值反馈之比[12]。由表5、图3可知，四种不同耕作模式的净能值产出率为CK>T3>T2>T1，其中农民传统模式下净能值产出率最高为1.66，相比T1处理，CK模式无作物秸秆投入，系统净能值产出率更高。这说明前期秸秆还田增加系统能值投入，使系统净能值产出率降低;而在秸秆还田下，净能值产出率为T3>T2>T1，说明免耕技术有利于提高系统净能值产出率。因此在系统能值投入同等条件下，免耕处理生产出的商品经济效益更好，在市场竞争中更具优势。
2.6 能值投入密度分析
能值投入密度（EID）是能值总投入与土地面积的比值，即单位土地面积的能值投入量，是反映农田生态系统集约化程度高低的能值指标，能值投入密度值越大，说明农田生态系统集约化程度越高[13]。由表5可知，四种不同处理方式下，农田生态系统能值投入密度大小次序依次为T2﹥T3﹥T1﹥CK，即T2处理下农田系统能值投入密度最大为1.86E+12，T3次之，为1.82E+12，常规耕作最小，为1.79E+12。从秸秆还田方面来看，相较于农民传统秸秆不还田模式，T1处理能值投入密度就能增加51.7%，说明秸秆还田模式的农田系统能值集约化程度和能值投入强度都大于传统不还田模式，能提高土地面积的能值投入量、增强农田生态系统集约化程度。
2.7 可持续发展指数分析
可持续发展指数（ESI）是指农田生态系统中净能值产出率与环境负载率的比值，是评价区域内农田系统可持续发展能力的指标[14]。由表5、图3可知，CK、T1、T2、T3处理下农田生态系统可持续发展指数分别为0.31、0.91、1.01、1.02。从耕作方式方面看，T2和T3模式下农田生态可持续发展指数都大于1，说明这两种模式下该地区农田生产具有良好的经济生产活力，可持续发展潜力高，也说明深松和免耕技术都有利于促进农田生态系统可持续发展水平。从秸秆还田方面分析，CK的可持续发展指数仅为0.31，表示该模式下农田生态系统经济发展活力低、环境负载率大，属于消费型生态经济系统，系统发展不可持续;而秸秆还田后T1处理的农田生态系统可持续发展指数为0.91，约是农民传统耕作模式的3倍，接近可持续发展指数合理范围，表明秸秆还田可以有效提高资源利用率、促进农田系统经济产出、增强农田生态系统可持续发展能力。
3 讨论
从农业基础水平指标来看，本研究四种处理下农田能值自给率均未能达到国内平均水平，说明平度市兰底镇试验区农田自给程度较低，对外界环境资源依赖性较强，也反映出该试验区农业资源利用率较低，没有合理挖掘出自然环境资源有效价值。其原因：为了尽快获得经济产出，该地区农田生态系统主要依靠化肥、农药等可更新工业辅助能的投入，这虽在短期内提高作物籽粒产量、带来较高经济效益[15]，但长此以往，会对自然环境带来更大压力，农田自给程度降低，不利于环境保护和农业可持续发展。所以兰底镇试验区应合理利用自然环境资源，减少对环境造成的压力。
从可持续发展水平看，秸秆还田能有效降低农田生态系统的环境负载率，可通过提高秸秆资源利用率和机械使用，来降低农田对不可更新环境资源依赖程度，减轻农田环境压力，同时秸秆还田还能提高土地面积的能值投入量，增强农田生态系统集约化程度[16]。四种不同处理（CK、T1、T2和T3）的农田生态系统可持续发展指数分别为0.31、0.91、1.01、1.02。传统耕作模式的能值投入过度依赖于购入能值特别是不可更新工业辅助能的投入，造成农田生态系统对不可更新资源依赖程度高[17]，农业发展可持续水平低，而秸秆还田可增加可更新辅助能在能值总投入中的比重，减少不可更新工业辅助能的投入，使环境负载率降低[18]，且秸秆还田后经过深松或免耕处理作物生长良好，作物秸秆和籽粒经济产出能值增加，继而促进了农田生态系统的可持续发展水平。 4 结论
传统耕作模式的农田生态系统经济发展活力低，属于消费型生态经济系统，环境负载率超过秸秆还田模式的4倍。秸秆还田能有效降低农田生态系统的环境负载率，降低农田对不可更新环境资源依赖程度，减轻农田环境压力，同时还能提高土地面积的能值投入量，增强农田生态系统集约化程度。四种不同耕作模式（CK、T1、T2和T3）的農田生态系统可持续发展指数分别为0.31、091、1.01、1.02，秸秆还田、深松、免耕均能显著提高农田系统可持续发展水平，其中深松和免耕处理可持续发展指数均大于1，是适合本地区农业发展的良好耕作模式。
参 考 文 献：
[1] Odum H T， Odum B. Concepts and methods of ecological engineering[J]. Ecological Engineering，2003，20（5）：339-361.
[2] 李忠芳，徐明岗，张会民，等. 长期施肥和不同生态条件下我国作物产量可持续性特征[J]. 应用生态学报，2010，21（5）：1264-1269.
[3] 孙利军，张仁陟，黄高宝，等. 黄土高原半干旱区保护性耕作适应性评价[J]. 中国生态农业学报，2008，16（5）：1122-1126.
[4] 钱银飞，刘白银，彭春瑞，等. 不同耕作方式对南方红壤区双季稻周年产量及土壤性状的影响[C]//中国作物学会.2014年全国青年作物栽培与生理学术研讨会论文集.2014：55-56.
[5] 周建忠，路明. 保护性耕作残茬覆盖防治农田土壤风蚀的试验研究[J]. 吉林农业大学学报，2004，26（2）：170-173，178.
[6] 张玉树. 农业管理方式对亚热带土壤氮转化过程的影响[D]. 南京：南京师范大学，2015.
[7] 谢萌. 玉米覆盖耕作试验研究及SPAC系统水分传输模拟[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2013.
[8] 孙财，何亚萍，裴春华，等. 保护性耕作技术与农业生态环境保护[J]. 农村牧区机械化，2008（1）：8-9.
[9] 王智卓. 论秸秆还田的技术手段及特点效用[J]. 吉林蔬菜，2018（5）：45-46.
[10] 郭丽，王文国. 农机深松技术在衡水市的推广与应用[J]. 农业装备技术，2016，42（2）：22-23.
[11] 李秀花，郭凯. 新疆精河县大农业系统能值利用情景预测（Ⅰ）——系统能值利用基本情况分析[J]. 农业科学研究，2010，31（3）：1-6.
[12] 刘圣，孙东林，万树文，等. 一种生物柴油生产体系的能值分析及新能值指标的构建[J]. 南京大学学报（自然科学版），2007，43（2）：111-118.
[13] 赵俊锐，朱道林. 基于能值分析的土地开发整理后效益评价[J]. 农业工程学报，2010，26（10）：337-344.
[14] 杜博洋，门明新，许皞，等. 基于能值分析的河北省农田生态系统资源环境效应综合评价[J].资源科学，2008（8）：1236-1242.
[15] 高永生. 不同经营模式下淠河生态经济带农田生态系统能值分析[D]. 合肥：安徽农业大学，2016.
[16] 殷文，冯福学，赵财，等. 秸秆还田及地膜对间作农田环境效应的影响[J]. 农业工程学报，2016，32（S2）：77-84.
[17] 冀建成. 基于三元相图法的重庆农业生态经济系统能值分析及可持续发展研究[D]. 重庆：西南大学，2012.
[18] 蒋碧，李明，吴喜慧，等. 关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能值分析[J]. 干旱地区农业研究，2012，30（6）：178-185.
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