河西走廊绿洲灌区循环模式“农田-食用菌”生产系统氮素流动特征

2013-08-02李瑞琴于安芬赵有彪车宗贤苏永生

生态学报 2013年4期

李瑞琴，于安芬，* ，赵有彪，车宗贤，苏永生

(1.甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，兰州 730070;2.甘肃省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，兰州 730070;3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州730070)

河西走廊绿洲灌区在农业产业化进程加快的同时，也带来了水资源和生态环境的压力。物质循环是农业生态系统内相对稳定的因素，物质循环的研究有助于调节整个系统养分的平衡，掌握生产中养分的投入效率［1-3］。翁伯琦［4］探讨了如何在农业领域内开发高效循环生产体系，涉及了绿色农业、循环农业、生态文明、可持续发展理念，提出低碳农业是一个复合技术体系、发展低碳农业是实现低碳经济的目标之一、发展低碳经济是解决气候变化与经济发展矛盾的有效途径。我国20世纪80年代以来，各地以沼气为纽带的生态农业得到了较大发展，如南方出现了以广西恭城、江西赣州和广东梅州为代表的“猪-沼-果”生态农业循环模式，取得了良好的经济、社会与环境效益，大大提高了农业生产系统的生产力和资源综合利用率［5-6］。氮、磷、钾是物质的基本组成元素，目前国内外对土壤-植物单一系统中物质循环研究较多。孟庆岩等［7］研究了海南省文昌市胶-茶-鸡农林复合系统模式的N循环规律，系统N循环率为43%，N输出量为196.5 kg/hm2，土壤N盈余量为237.6 kg/hm2。吴珊眉等［8］对有机-无机态氮肥在微型农业生态系统的转移和循环进行了研究，认为在“土壤-黑麦草-兔”亚系统中，农业生态系统的生态稳定性和发育程度优于单一种植系统，有机肥能明显地促进无机态肥料N从稻秆向稻谷运输，同时有机肥使无机态肥N在土壤中的固化作用增加，从而使无机肥料N向环境转移量下降。陈金湘等［9］研究表明在棉田生态系统N循环中，低、中、高、超高产棉田N素的输入与输出不平衡，其棉田产物N输出，分别为棉田生态系统总输出N的54.4%，46.5%，44.9%和43.4%，若将8O%的棉铃壳还田，则能大体保持棉田生态系统N素的平衡。杜会英等［10］研究了化肥氮在保护地土壤一蔬菜系统中的当季利用与损失，在保护地莴苣种植系统中，施入土壤中的化肥氮有18.98%—42.5%损失。在保护地西芹种植系统中，有11.7%—18.9%损失。在保护地生菜种植系统中，施入土壤中的化肥氮有16.0%损失。曹兵等［11］研究发现小青菜生长期间有氮素淋溶，大白菜和番茄分别有9.2%—10.9%和10%—10.2%的标记氮素被淋溶到40cm以下土层。对于农业复合生态系统的研究多集中在能流及效益分析上［12-16］。Velthof［17］和Oenema［18］等研究结果表明，通过综合评价农业复合生产系统的养分流动状况，阐明养分流动特征，对于解决其养分损失和环境污染问题具有重要指导作用。然而，我国农业生态系统养分管理的研究仅局限于农田等各体系内，针对循环农业模式生产系统养分流动的综合评价尚不多见。阐明河西走廊典型农业生产模式生产系统的养分流动规律，对于优化区域养分资源配置、协调农业各产业发展与生态环境之间的关系有着重要的指导意义。本文以甘肃省河西走廊绿色农业示范区凉州区谢河村集约经营户和单一经营示范户为例，研究分析农田单作、“农田-食用菌”单户模式及集约模式3个生产系统的氮素流动特征，探讨氮素资源优化管理策略，从而为研究区域农业产业集约化发展的合理规划、降低环境压力以及实现农业生态系统的良性循环提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究选择甘肃省武威市凉州区谢河绿色农业试验站为试验点。该区域地处河西走廊沿山冷凉灌区，海拔1 720 m，年均降水量161 mm，年蒸发量2020 mm，年平均气温7.9℃，日温差15℃，年无霜期155 d，年日照时数2968 h。耕地面积年配水量4800 m3/hm2。属温带大陆性干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季炎热，冬季严寒，空气干燥，昼夜温差悬殊。

根据产业类型和经营方式的差异将试验点农业生产系统划分为以下3种类型:农田、食用菌单作及“农田-食用菌”集约循环模式3个生产系统。一是农户单一种植粮食作物生产系统，其特点是仅种植粮食作物。单一种植区主要包括两个种植基地，分别为小麦种植基地和玉米良种培育基地，单一种植区农田耕地面积240 hm2。二是单户型“农田-食用菌”生产系统，其特点是单个农户承包日光温室栽培食用菌，还包括少量以设施辣椒、番茄栽培为主的小型农户，食用菌生产面积6.7万 m2，设施果菜生产面积3.8 hm2。三是集约型“农田-食用菌”循环模式生产系统，其特点是生产经营大户承包日光温室栽培食用菌及葡萄，同时还种植小麦、玉米等大田作物。试验点循环模式小麦种植60 hm2，双孢菇生产面积6.7万 m2，红提葡萄栽培面积35 hm2。

1.2 系统的界定

本研究通过文献资料分析、实地调研和专家建议构建了“农田-食用菌-果”生产系统氮素养分流动模式(图1)。化肥、购买有机肥、大气沉降、灌溉、生物固氮和购买双孢菇培养基配料为该系统的外源输入项，作物产品、出售或运出的农业生产废弃物以及在储藏处理过程中的损失为该系统的输出项。“农田-食用菌”生产系统包括农田和食用菌两个子体系。子体系内和子体系间也存在氮素的循环流动，将其视为“农田-食用菌”生产系统内部循环。子体系内氮素循环如农田收获副产品的还田，子体系间氮素循环如农田收获主副产品作培养基配料以及培养基废料返还农田。

1.3 模型算法和数据来源

1.3.1 农田体系氮素流动模型算法和数据来源

(1)输入项

(2)输出项

化肥施入量、化肥含氮量、购买有机肥施入量、还田比例、灌溉量、作物主产品产量和副产品还田比例通过实地调查获得;购买有机肥含氮量参考《中国有机肥料养分数据集》［19］;灌溉水含氮量参考刘宏斌［20］和刘培财［21］等研究成果;大气沉降输入氮量参照崔健等［22］和 Shen［23］;生物固氮量参考王平等研究结果［24］;氮素损失参照王家玉等人的研究［25，26］。根据以上数据来源，淋溶、渗漏、挥发等氮损失量与降雨、灌溉水携入、生物固氮等基本可以互相抵消。

图1 “农田-食用菌”生产系统氮素流动模式(kg·hm-2·a-1)Fig.1 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

小麦籽粒、秸秆含氮量通过实验室测定值得。小麦秸秆籽粒比采用1.1∶1.2［27］。

1.3.2 食用菌体系氮素流动模型算法和数据来源

(1)输入项

(2)输出项

小麦秸秆施入量、小麦秸秆含氮量、购买培养基配料施入量、培养基废基料还田比例、灌溉量、食用菌主产品产量通过实地调查、实验室测定获得。

1.4 氮、磷元素流动评价指标

本研究选用流量指标来描述“农田-食用菌”生产系统各流动项之间氮、磷素的转移和交换状况。此外，选择效率指标描述各养分库中氮、磷素产出数量和投入数量的关系。在生产体系中，氮素利用效率是指作物主产品收获带走氮量占总输入氮量的比率。废弃物养分循环利用是减少系统养分环境排放的有效途径，因此，本研究选用循环模式体系氮素循环效率，即循环到农田的氮量占体系总输入氮量的比率来描述系统氮素的循环利用状况。

2 结果与分析

2.1 各生产系统氮素流动分析

3种类型“农田-食用菌”生产系统单位面积(农田面积)氮素流动情况见图2—图4所示。

图2 “农田-食用菌”集约生产系统氮素流动模式(kg·hm-2·a-1)Fig.2 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.1 “农田-食用菌”集约生产系统氮素流动

“农田-食用菌”集约生产模式中农田体系氮素输入量446.5 kg·hm-2·a-1，化肥氮贡献率仅为42.3%;食用菌体系氮素输入量281.1 kg·hm-2·a-1，主要来源于购买的培养基配料及基料牛粪、秸秆，添加的秸秆全部来源于农田体系的副产品，秸秆氮占基料氮素输入量的17.0%。与单户模式不同的是农田体系产生的全部秸秆氮素进入食用菌体系中，食用菌体系的培养基废料氮素全部进入农田体系中，还田氮占总输入氮的37.1%。

图3 “农田-食用菌”单户生产系统氮素流动模式(kg·hm-2·a-1)Fig.3 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.2 “农田-食用菌”单户生产系统氮素流动

“农田-食用菌”单户生产模式中农田体系氮素输入量380.0 kg·hm-2·a-1，化肥氮贡献率达到56.58%;食用菌体系氮素输入量246.1 kg·hm-2·a-1，主要来源于购买的培养基配料及基料牛粪、秸秆，秸秆氮占基料氮素输入量的9.6%;子体系间除少部分秸秆进入食用菌子体系外，没有其它的养分循环。

2.1.3 农田单一体系生产系统氮素流动

农田单一种植区农田体系氮素输入量为330.9 kg·hm-2·a-1，化肥作为主要氮素输入项其贡献率高达72.53%;在输出项中，作物主副产品收获氮量占农田氮素输入量的54.5%。

2.2 各生产系统氮素利用效率的分析

图4 农田单一生产系统氮素流动模式(kg·hm-2·a-1)Fig.4 Demonstration of nitrogen flow in the single grain fields production system

由表1可见，“农田-食用菌”集约模式的农田体系氮素利用效率最低，但也在30%以上，远远大于文献所报道的氮素利用率，主要原因是本研究未计算土壤淋失、渗漏及氮的挥发等各种生产过程中氮的损失。由于“农田-食用菌”集约模式中秸秆的再循环利用使得食用菌体系氮素利用效率最高。

表1 各生产系统氮素利用效率Table 1 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

2.3 各生产系统中氮素产投比

由表2可见，“农田-食用菌”集约模式的农田体系氮素产投比最低，仅在0.50左右。食用菌体系氮素产投比最高，大于1.0。“农田-食用菌”生产系统氮素产投比在0.7左右。由此可见，在循环模式中，投入和产出处于一个相对较均衡的水平。

表2 各生产系统氮的产投比Table 2 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

本研究区域各生产系统均出现农田氮盈余现象，其中集约型“农田-食用菌”循环模式农田单位面积氮盈余量高达217.0 kg·hm-2·a-1，分别高出单户型和粮田体系1.2倍和1.4倍。由此可见，集约型“农田-食用菌”循环模式由于系统内和系统间的物质循环利用，虽然化肥氮减少了使用量，但农田氮素仍有盈余，循环模式的氮素投入产出尚需进一步研究。

3 讨论

3.1 单户型“农田-食用菌”生产系统氮素流量与流向分析结果表明，粮田子体系和食用菌子体系之间生产脱节。食用菌生产后产生的废基料等有机资源未能得到循环利用，致使农田体系氮素输入全部依靠外源氮的投入，其中56.58% 的氮素来源于化肥，不必要的化肥投入增加了作物生产的成本，而且大量有机资源未能被利用也加剧了周围环境的污染潜力。相比之下，集约型“粮田-食用菌”生产体系结合较紧密，食用菌废基料氮还田比例达到37.1%，这也大大降低了农田单位面积化肥氮输入量。

3.2 本研究区域3种生产体系均存在不同程度的农田氮素盈余，虽然原因各不相同，但主要原因均为肥料氮(化肥和粪肥)投入量超过了作物生长的需求量。一般认为，农田盈余的氮素去向有两种可能，一是残留在土壤中供下一季作物利用，二是排入大气和水体造成环境污染。Sun［28］等研究建议采用农田氮素年盈余量100 kg·hm-2·a-1和180 kg·hm-2·a-1，分别作为中国农田评价潜在环境污染和高风险环境污染的指标。从本研究结果看，有两种生产体系氮盈余量超过了上述限量标准，粮田单作体系也接近这个限量指标，研究区域均存在比较高的环境污染风险。因此，研究区域应将氮素优化管理放到重要位置，以降低氮素盈余量以及由此带来的环境污染风险。

3.3 “农田-食用菌”循环模式建设的最初目的是建立一个“大田作物-秸秆-食用菌-大田”的生态循环农业生产模式，以提高秸秆资源的综合利用，促进养分的良性循环，实现农业生产系统的协调发展。然而本研究发现食用菌生产规模是整个系统的关键因子，而同时，食用菌生产规模又受制于研究区的秸秆量，目前示范区最佳资源配置量为:1hm2小麦产出的秸秆约1万kg，全部用于栽培双孢菇，可栽培双孢菇666.7m2，产生的培养基废料全部还田，可栽培设施红提葡萄3.2×666.7m2。如此配置，不但可以减少种植区化肥投入量，而且还能缓解化肥投入带来的环境压力问题。

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