新疆南部农果复合系统能流特征分析

周正立 吕瑞恒 梁继业

(塔里木大学植物科学学院/新疆生产建设兵团塔里木盆地

能量既是生态系统的动力基础, 也是其基本功能，应用能流的方法对农业生态系统特征进行分析, 能够明确物质与能量的交换、转化、传递过程，客观、全面和定量地反映农业生态系统各成分间最本质的关系[1-3]。随着新疆南部环塔里木盆地特色林果业种植面积的不断扩大，林果种植已由低产田、绿洲边缘及外围向农区中心挺进，逐渐形成了 “果中有农，农中有果”的镶嵌型复合系统——农果复合系统。在此背景下，如何协调种植业与林果业之间的布局与比例关系，构建功能稳定、生态安全、效益良好、可持续发展的农果复合生态系统，是当前和今后一个时期科学研究的重点。为此，本文以新疆生产建设兵团第一师、第二师、第三师、第十四师农果复合系统为研究对象，了解农果复合生态系统能量构成特征，揭示农果复合系统生产中存在的问题，为干旱区绿洲农业生态系统稳定合理的发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料收集

收集新疆南部第一师、二师、三师、十四师各团场农业子系统、果业子系统、畜牧业子系统各项指标信息。其中农业子系统、果业子系统统计指标包括:主要种植对象、种植面积、有机能投入情况(种子、有机肥、人力)、无机能投入情况(氮肥、磷肥、钾肥、农药、机械、柴油、农用电、农膜等)，畜牧业子系统统计指标包括:饲养种类、存栏数、能量投入指标(人力、饲料投入量)、能量产出指标(肉、蛋、奶、粪便)等指标。

1.2 数据分析计算

1.2.1 能量投入统计：单位面积作物(或果树)年有机能、无机能的能量投入量是按各作物某物质的投入及消耗水平与其折能系数的乘积计算而得，计算公式如下[4]：

式中：Ei为第i种作物的能量投入量，Iij为第i种作物中输入的j物质的量，ηj为j物质的折能系数。

1.2.2 能量产出统计:产出的物质是各种作物(或果树)各器官的生产力与其相应热值的乘积。各器官能量合计即为该作物(或果树)的能量总产出。计算公式如下[5]：

式中：E'i为第i种作物(或果树)的能量产出量，Pij为第i种作物(或果树)j器官的生产力，ej为j器官的热值。

1.2.3 农业(或果业)子系统能量产投分析:根据各师作物(或果树)种植面积与单位面积作物(或果树)能量产投情况进行计算，得各师农业(或果业)子系统能量产投分析表。计算公式如下[6]:

产投比=E产/E投CREF=E有/E投

式中:E有为子系统有机能投入，E无为子系统无机能投入，E投为子系统总投能(×1010J)，E产为子系统总产能(×1010J)，Ei有为第i种作物(或果树)单位面积有机能投入量(×1010J/hm2)，Ei无为第i种作物(或果树)单位面积无机能投入量(×1010J/hm2)，E'i为第i种作物(或果树)单位面积能量产出(×1010J/hm2)，Ai为第i种作物种植面积(单位hm2)，CREF为能流循环指数。

1.2.4 畜牧业子系统能量产、投分析:实地调查各师的牲畜种类、数目，按李中魁、王幼民[7,8]的方法计算各畜种的饲料、饲草消耗量及粪便产量，再乘相应的折能系数，可得畜牧业子系统能量投入、产出情况。

2 结果与分析

2.1 农业子系统能量流

由表1可知，人工辅助能投入较低。一师、二师、三师、十四师人工辅助投能平均分别为4. 49×1010J/hm2、4. 37×1010J/hm2、3. 40×1010J/hm2、3. 80×1010J/hm2，均低于1979年的全国平均水平6. 43×1010J/hm2。同国内其他省区相比，只有江浙高产区12. 44×1010J/hm2的36. 12%、35. 14%、27. 33%和28. 02%，山东省中产区7. 65×1010J/hm2的58. 72%、57. 13%、44. 43%和45. 55%，安徽省低产区5. 46×1010J/hm2的82. 27%、80. 04%、62. 25%和63. 81%(各省均系1979年数据)。因此，对于各师来说，均应进一步加强人工辅助能的投入。

各师由于生产经营水平不同，其投能结构及数量是不同的。一、二、三师有机能与无机能投入比例相当，均为0. 04∶1；十四师有机能与无机能投入比例为0.12∶1。各师有机能投入数量分别为1 917. 29MJ / hm2·a、1 865. 32 MJ / hm2·a、1 409. 84 MJ / hm2·a和3 004. 12 MJ / hm2·a ，而1979年全国平均有机能投入已达49 600MJ/hm2·a，高产区达到86 200 MJ/hm2·a，可见各师农业子系统有机能投入只相当于80年代以前的全国平均水平的3. 86%、3. 76%、2. 84%和6. 05%，高产区的2. 22%、2.16%、1. 63%和3. 49%。这一方面说明有机肥源不足，劳动力投入不足，另一方面说明种植业和养殖业能量结构不合理，有机能利用效率低。

在人工辅助能投入中，有机能的投入占总能量投入的比例称为能流循环指数(CREF)。能流循环指数反映了农业生态系统内部亚系统之间协调关系和能量利用状况，是反映系统稳定性、自我维持能力和持续发展的一个指标。有机能投入低，能流循环指数低，稳定性差，抗灾能力低。由表1可以看出，一、二、三、十四师能流循环指数分别为0. 043、0. 043、0. 042和0. 086，而1979年能流循环指数全国平均0. 77。可见各师农业子系统能流循环指数分别相当于全国平均的5. 54%、5. 54%、5. 38%、11. 17%，由此也说明各师应进一步加强有机能的投入，以提高系统对外界干扰的抵抗能力，并把用地和养地结合起来，促进农业子系统的可持续发展。

经济能量产投比是经济能量产出与总投能的比值，是反映系统能量转换效率的重要指标，产投比低于1，即产出的能量低于输入的能量，则系统中存在有障碍性因素，如干旱、低温、水土流失、粗放耕作等，妨碍了能量转换功能的正常发挥，或者能量作无效消耗。我国粮食高中产地区能量产投比在1. 08～1.32之间，全国平均1. 08。而所调查的农业子系统中各种作物的经济能量产投比以棉花的最高，平均5. 99∶1；水稻3. 40∶1，小麦2. 18∶1，玉米2. 75∶1。各师农业子系统经济能量产投比表现为三师(5. 94∶1)>一师(5. 08∶1)>二师(5. 01∶1)>十四师(3. 26∶1)。因此，在进行作物种植时，应根据各区域实际情况，确定各作物的种植面积及比例。

表1 农业子系统能量产投分析(单位∶1012J)

由表1、表2可知，无机能投入相对较高。一、二、三、十四师农业子系统无机能投入平均分别为4. 30×1010J/hm2、4. 18×1010J/hm2、3. 26×1010J/hm2、3. 18×1010J/hm2，相当于1979年全国平均水平1. 47×1010J/hm2的292. 51%、284. 61%、221. 62%和216. 59%，高产地区3. 82×1010J/hm2的112. 56%、109. 52%、85. 28%和83. 35%，中产地区2. 04×1010J/hm2的210. 78%、205. 08%、159. 70%和156. 07%。在无机能的投入中，氮肥分别占54. 81%、58. 51%、55. 45%和62. 96%，磷肥分别占13. 02%、7. 22%、6. 50%和12. 48%，钾肥分别占1. 35%、1. 19%、0. 84%和1. 35%，农药占1. 45%、2. 07%、1. 47%和1. 88%，农田机械占0. 08%、0. 08%、0. 07%和0. 09%，燃油分别占12. 74%、13. 73%、19. 68%和18. 30%，电能占0. 003%、0. 005%、0. 003%和0. 003%，薄膜分别占16. 54%、17. 19%、15. 97%和2. 94%。可见，无机能投入较高，主要是大量施用化肥的结果。

表2 农业子系统无机能量投入(单位:1012J)

2.2 果业子系统能量流

果业子系统能量投入包括有机能与无机能，各师能量投入情况见表3。由表中可以看出，各师(一、二、三、十四师)果业子系统的有机能投入仍然是以有机肥投能为主，平均分别占有机能投入的99. 70%、99. 32%、98. 93%和99. 16%。在无机能投入中，化肥投能分别占无机能投入的69. 18%、66. 93%、61. 09%和76. 80%；其次是燃油和农膜，分别占12. 74%、13. 73%、19. 15%、18. 30%和16. 54%、17. 19%、18. 26%、2. 94%；再次是农药和机械，分别占1. 45%、2. 07%、1. 43%、1. 88%和3. 04%、1. 63%、1. 18%、0. 49%；而农用电所占的比重最少，仅0. 002 9%-0. 005 5%。

表3 果业子系统能量投入(单位:1012J)

由表4可知，果业子系统中各师果树种植种类主要以红枣为主，分别占各师果树种植面积的76. 56%、54. 14%、84. 89%、96. 92%。各师无机能投入比重较大，有机能与无机能投入比例为十四师(0. 040∶1)>一师(0. 020∶1)>二师(0. 016∶1)>三师(0. 007∶1)。各师果业子系统能量产投比远低于农业子系统，果业子系统不同种植种类经济能量产投比在各师中分别以红枣(2. 46)、苹果(1. 41)、梨(4. 61)、红枣(4. 00)最高，因此根据各自气候、土壤条件适当调整种植种类，保证经济产出的稳定性。同时，果业子系统中能流循环指数较低，抵抗外界环境能力较差，应加大有机能的投入，丰富经济林种植产业结构。

表4 果业子系统能量产投分析(单位:1012J)

2.3 畜牧业子系统能量流

各种畜禽由于本身的遗传特性和生理活动的需要，人们对其进行饲养和管理的方法是不同的，具体表现在人工投能和各种饲料的组成结构上。各种家畜、家禽的产出物也是不同的。由表可以看出，不同的畜禽种类，其能量产投比是不同的。各种畜禽能量产投比平均表现为羊(5. 25∶1)>肉牛(4. 68∶1)>奶牛(4. 30∶1)>马(3. 56∶1)>兔(3. 59∶1)>驴(3. 02∶1)>猪(2. 17∶1)>鸡(1. 63∶1)>骆驼(0. 65∶1)。因此，对于各师来说，在发展畜牧业时，应尽可能发展羊、牛、马等大牲畜，以提高整个系统的能量产出。

在总产能中，畜禽粪占了很大比例，各种畜禽粪便产能分别占总产能的98. 64%、74. 18%、99. 35%、99. 21%、66. 20%、93. 44%、98. 56%、94. 25%、97. 59%。各师畜牧业子系统由于畜种结构的不同，导致整个系统的能量产投比表现为三师(3. 92∶1)>一师(3. 86∶1)>十四师(3. 63∶1)>二师(3. 31∶1)，这种变化与三师、一师、十四师草食性牲畜羊的数量较多有关，而在二师由于猪的比重较大，致使系统能量产投比最低。

表5 畜牧业子系统能量投入、产出

续上表

单位项目肉蛋、奶粪便数量折能数量折能数量折能(t)1012J(t)1012J(t)1012J总产能总投能1012J1012J产投比第三师肉牛232027.11--84.701730.421757.53374.984.69奶牛--6.8016.851943963.423980.28932.194.27马0.0400.47--4.7296.4396.927.273.55驴0.1301.53--23.00469.89471.42156.813.01骆驼00--0.387.797.7912.120.64猪7460187.73--135.802774.442962.1613682.17羊7120113.371.183.97466.419528.79646.0418405.24鸡9404.201.7013.6415.27311.89329.72203.251.62兔1200.44001.0521.4821.926.143.57系统18130334.859.6834.46925.33189041927349213.92第十四师肉牛3403.91--14.63298.89302.864.774.68马120.14--1.7736.1636.310.233.55驴1301.53--10.00204.3205.8368.183.02骆驼750.88--3.0562.3363.2196.960.65猪53013.21--11.41233.18246.39114.972.14羊211033.560.020.06788.741812.961846.58350.065.27鸡2301.050.594.75.26107.42113.17701.62兔380.140.418.298.432.373.56系统347054.420.614.77135.272763.532822.71777.543.63

3 结论

农业生态系统的结构状况反映了系统中环境资源利用的合理性和系统内部生态经济关系的协调性，从而决定系统整体结构的功能水平[9,10]。农业子系统与果业子系统人工辅助能投入较低，无机能投入大于有机能投入，导致能流循环指数较低，系统稳定性较差。兵团大部分团场地处沙漠边缘和边境线，自然土壤肥力条件差，因此，增大有机能投入，特别是有机肥的投入对于改善土壤肥力条件，提高系统稳定性，促进农业生态系统可持续经营具有重要意义。同时，在农业、果业子系统中，各师化肥投能占无机能投入比重均超过60%，为避免造成速效肥料浪费与次生污染问题，结合种植种类生长特性、土壤肥力条件等因素，应实施精准施肥。然而，由于地域自然条件和经济条件限制，新疆南部各师农业产业结构并不一致，农业、果业子系统第一、二、三、十四师能流循环指数均处于极低水平，远低于其他区域农果复合系统[11-13]。其中，农业子系统各作物经济能量产投比均以棉花最高，各师果业子系统各经济林种经济能量产投比第一师、第十四师以红枣最高，第二师、第三师分别以苹果、梨最高，各师应根据市场需求状况进行宏观调控，控制种植结构比例，避免供需不平衡。

构建农林复合生态系统，充分利用系统功能结构极大地依赖动植物多样性的存在[14]。与其它复合生态系统相比[15-17]，新疆南疆区域种植结构单一，过度依赖于水肥投入，难以实现农林复合生态系统的可持续经营。因此，应大力发展畜牧业，尤其是产投比较高的畜禽养殖规模诸如羊(5. 25∶1)、肉牛(4. 68∶1)、奶牛(4. 30∶1)、马(3. 56∶1)等，同时也可促进农果复合系统有机能投入，向循环农业经济发展，保证系统的持续稳定性。

[1] 蒋碧,吴发启,吴喜慧,等.关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能流分析[J].中国生态农业学报,2012,(10):1388-1393.

[2] 王钰,吴发启,彭小瑜,等.黄土丘陵区山地立体种养循环生产能流特征与经济效益分析[J].农业工程学报,2016,(S2):199-206.

[3] 张希彪.陇东黄土旱塬农业生态系统能流特征研究[J].中国农学通报,2002,(01):82-84+92.

[4] 闻大中.农业生态系统能流的研究方法(二)[J].农村生态环境,1986,(01):52-56+18.

[5] 闻大中.农业生态系统能流的研究方法(一)[J].农村生态环境,1985,(04):47-52.

[6] 闻大中.农业生态系统能流的研究方法(三)[J].农村生态环境,1986,(02):48-51.

[7] 王幼民.黄土高原沟壑区综合治理及其效益研究———西北林学院淳化泥河沟试验示范区论文集[M].北京:中国林业出版社,1990:1-13.

[8] 李中魁.黄土高原小流域治理效益评价与系统评估研究——以宁夏西吉县黄家二岔为例[J].生态学报,1998,(03):19-25.

[9] 吴发启,朱丽,王红红.陕西省西坡村农果复合生态经济系统能量流特征[J].应用生态学报,2014,(01):195-200.

[10] 徐炳成,梁银丽,黄占斌.黄土旱塬麦田生态系统能流特征及评价[J].干旱地区农业研究,2001,(03):128-134.

[11] 甄若宏,王强盛,周建涛,等.稻鸭萍共作复合生态系统的物能特征分析[J].中国生态农业学报,2009,(03):574-579.

[12] 李秀萍,韩剑萍,杨德刚.基于农户的农业生态系统能流分析[J].中国生态农业学报,2008,(06):1535-1540.

[13] 刘洋,张秋良,马利强,等.磴口县农林复合生态系统农田子系统能流分析[J].干旱区资源与环境,2011,(05):223-228.

[14] 赵桂慎,姜浩如,吴文良.高产粮区农田生态系统可持续性的能值分析[J].农业工程学报,2011,(08):318-323.

[15] 李胜,路明.河南省南阳麦田生态系统能流特征及评价[J].作物杂志,2005,(03):29-32.

[16] 王建林,王莉,包再德,等.小麦-玉米间作生态系统能流参数研究[J].应用生态学报,2003,(09):1507-1511.

[17] 陈一兵,林超文,黄晶晶,等.旱坡地“作物-植物篱”系统能流特征研究[J].水土保持研究,2007,(02):171-175,178.