农牧一体化农田系统可利用生产资源分析

关法春，边步云，黄立华，张永锋，李晓辉，张立春

（1.吉林省农业科学院，长春130033；2.“农牧一体化”农业生态试验站（延军农场），黑龙江萝北154200；3.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏 林芝 860000；4.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102）

纵观我国现行的农业生产方式，部分地区出现了农业生态环境恶化的现象[1]，创新现代化生态农业理论与生产模式是解决上述问题的一条重要途径[2]。生态农业能够实现系统资源循环利用，增加单位面积的经济产出[3]，并促进土壤肥力的改善[4]；同时，基于畜禽粪便还田的传统生态农业生产模式还可控制农业面源污染[5]，减轻环境压力[6]。已有的研究表明，农牧结合等多种复合生态农业模式在经济效益、生态效益上取得了良好的综合效果[7-9]。

同时进行玉米种植和畜禽养殖的农牧一体化生产能够利用同一块玉米田内的生物资源，从而充分利用光能，提高生产力，并实现粪肥的高效就地还田[10]。以往关于农牧一体化生产在能量利用与转化[11]、生物多样性维持[12]、土壤物质循环[13]、生产经济效益倍增[14]等方面的研究取得了一些进展。农牧一体化能够提升经济生产力的关键就在于田间多样化生物资源的利用，它是在保持农田系统较高生物多样性的基础上，实现了经济效益的倍增[15-16]，但关于农牧一体化生产中农田可利用生产资源的组成和数量研究尚未见系统报道。为此，本文以农牧一体化生产为研究对象，研究田间生物资源的形成特点，明确农田系统内可利用资源的组成和数量特征，探讨资源利用的后效应，为今后稳定提升农田生产力、优化农牧一体化生产技术奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于黑龙江省萝北县（130°51´E,47°43´N），属寒温带大陆性季风气候区，年平均气温1.6℃，年平均无霜期128 d，年平均降水量729 mm，年总日照时长约2 100 h，全年平均太阳辐射量4 350 MJ/m2。试验区原为农田，主要杂草种类为水稗草（Echinochloa crusgalliL.）、反枝苋（Amaranthus retroflexusL.）、灰绿藜（Chenopodium glaucumL.）和狗尾草（Setaria viridisL.）等。

1.2 试验设计

自2016年春季开始进行长期定位试验。玉米品种为‘德美亚1号’，5月初进行耙地、播种，机械播种的播量控制范围为25～30 kg/hm2，株距为18～22 cm，平均行间距约为65 cm；底肥、种肥和追肥按照当地习惯进行。

试验设置玉米田养鹅（raising geese in cornfields,RGICF）处理，以当地常规玉米农田为对照（CK），每小区面积约500 m2，3次重复，随机设计。RGICF处理农田不除草，小区四周用120 cm宽的尼龙网围封，用于放养幼鹅（体质量均为1.5 kg/只），玉米秸秆经机械收集后，黄贮喂牛并收集牛粪；对照农田按照当地正常生产进行，播种后即使用除草剂做封闭处理，收获后秸秆不收集。RGICF处理于8月初开始放牧幼鹅，根据当地农田每年杂草萌发特点，RGICF处理放养的幼鹅为54只，在3个小区间轮牧，轮牧周期为3 d（即每小区放牧时间为3 d）。早晨6：00放入鹅，白天分别于午前和午后2次供水；傍晚约6：00赶回鹅，投喂复合饲料[m（玉米面）∶m（浓缩饲料）＝7∶3，其中，浓缩饲料含粗蛋白≥36.0%，粗纤维≤10.0%，粗灰分≤26.0%，总磷≥0.6%，钙1.5%～4.5%]，平均每天幼鹅补饲量不超过50 g/只，9月末（即将收获前）放牧结束。在RGICF处理中，将鹅舍内外收集的鹅粪集中作堆肥并自然发酵，翌年4月中旬抛洒于小区内。将收集的牛粪与未被采食的秸秆一并作堆肥发酵，腐熟还田。田间试验设计的具体流程如图1所示。

1.3 数据采集

7月下旬至8月初开始对田间杂草生长状况进行放牧前调查，采用五点取样法，单个样方面积1 m×1 m，3次重复，采集并记录杂草的种类、株数（以根茎结合处为基准）、高度和盖度，从贴地表根部剪取植株并分类装袋，带回实验室，于105℃烘箱中恒温杀青30 min，后于80℃条件下烘至恒量，并使用电子天平称量（精确到0.01 g）。将1 m×1 m的样方框埋于田间地表平面，每3 d收集一次样方框内的鹅粪，傍晚收回鹅时将5只鹅放入2 m×2 m的围网内，每天收集鹅舍粪便1次，风干后于80℃恒温条件下烘干并称量，换算得出整个鹅群每天的鹅粪产量。

图1 田间试验设计Fig.1 Field trial design diagram

9月末放牧结束后，同样按照放牧前的方法进行放牧后杂草和地上枯落物调查。每小区随机选取30株玉米植株（小区边2行除外），采用米尺测量叶长、叶宽、穗位高和株高（精确至0.1 cm），用游标卡尺测量茎粗（精确至0.05 mm），用植物营养测定仪（TYS-4N型）测定玉米穗位叶叶绿素含量。人工掰棒，装入尼纶网袋中，待自然风干脱粒后称量（精确到0.01 g）；将掰棒后的植株根部截取并装入采样袋中，于80℃条件下烘干，称取单株干物质量。10月末采用茎穗兼收机（4YZBQ-3L型）收获秸秆，从黄储窖中随机采集秸秆于80℃条件下烘干，统计秸秆量。每天收集牛舍粪便，在塑料膜上进行初步风干，采用四分法选取5 kg左右置于80℃条件下烘干并称量，换算成牛粪干物质量。

1.4 数据统计与分析

杂草种类的重要值=（相对密度+相对盖度+相对频度+相对高度+相对生物量）/5。杂草多样性评价指标[15]：多度（Pi）、Margalef物种丰富度指数（DMG）、Pielou均匀度指数（E）、Shannon-Wiener多样性指数（H´）和Simpson多样性指数（D）。公式如下：

式中：Ni为样地某种杂草的重要值；N为样地杂草的总重要值；S为样地杂草群落总物种数。

利用Excel 2003统计处理相关数据，计算杂草多样性指标、玉米农艺性状及产量效益；采用SPSS 17.0进行差异显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 放牧前后的杂草种类与密度

由表1可知：放牧前，RGICF处理的杂草总密度为 5.39×105株/hm2，是 CK（3.81×105株/hm2）的 1.41倍，处理间差异无统计学意义（P＞0.05），其中RGICF处理的马唐密度是CK的14.09倍（P＜0.05）；放牧后，CK杂草总密度为2.93×105株/hm2，是RGICF（1.24×105株/hm2）的 2.36 倍（P＜0.05）。其中，在RGICF处理下杂草总密度比放牧前降低了76.99%，这主要是鹅采食等活动的结果，而CK杂草在后期与玉米植株竞争中处于劣势，导致杂草密度与放牧前相比也减少了23.10%。

2.2 放牧前后系统杂草群落地上部生物量

杂草是农田系统可利用资源的重要组成部分之一。由图2可知，放牧后RGICF处理与对照处理的杂草地上部生物量均呈下降趋势，RGICF处理和对照在放牧前与放牧后杂草地上部生物量均差异显著，2个处理在放牧后分别下降了845.09和418.21 kg/hm2（P＜0.05）。与CK相比，在RGICF处理下放牧后杂草生物量下降更为明显，说明大量杂草被鹅所采食利用。

表1 玉米农田内杂草种类和密度调查结果Table 1 Investigation result of weed species and density in corn croplands

2.3 放牧前后系统杂草生物多样性

由于不同处理改变了杂草群落物种结构和密度，因此田间杂草群落的生物多样性也发生了相应的改变。从表2中可以看出：放牧前，RGICF处理杂草群落的Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Margalef丰富度指数分别为2.32、0.87和2.98，分别比CK高0.19、0.04和0.23，处理间差异无统计学意义（P＞0.05）；CK的Pielou均匀度指数为0.86，比RGICF高0.07，处理间差异有统计学意义（P＜0.05），这是由于CK使用除草剂导致特异性杂草种类被灭杀，杂草群落物种均匀度提高。放牧后，RGICF处理的杂草群落Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数分别是CK的1.13倍和1.16倍，处理间差异有统计学意义（P＜0.05），而Pielou均匀度指数和Simpson多样性指数分别是CK的1.06倍和1.05倍，处理间差异无统计学意义（P＞0.05）。这是由于在RGICF处理下鹅采食、践踏杂草，使得杂草空间格局重新分配，杂草群落均匀度指数增加。因此，相对于CK运用除草剂导致的特异性杂草被灭杀，在RGICF处理的养鹅措施控制下田间杂草呈现出多样化的特点。

图2 放牧前和放牧后不同处理杂草地上部生物量Fig.2 Aboveground biomass of weeds in pre-grazing and post-grazing

表2 不同处理下杂草群落的生物多样性指数Table 2 Biodiversity index of weed communities under different treatments

2.4 放牧后的玉米植株性状

玉米田养鹅对玉米植株性状有一定的影响，进而对玉米植株资源量产生直接影响。由表3可知，虽然RGICF处理的玉米植株株高为297.73 cm，略高于CK 0.92%，但茎粗、穗位高、叶面积和叶绿素含量均分别比CK低2.43%、0.10%、6.43%和1.18%，处理间差异无统计学意义（P＞0.05）。总体上，RGICF处理的玉米植株生长状况低于对照。

玉米收获后可利用资源量包括秸秆干物质量和籽粒产量。放牧后，RGICF处理的玉米单株干物质量和单株籽粒产量分别为83.33和224.18 g，相对CK分别降低了13.80%和8.22%，处理间差异无统计学意义（P＞0.05）。说明RGICF处理的玉米资源量低于CK。

表3 不同处理下放牧后的玉米植株性状Table 3 Post-grazing characteristics of corn plants under different treatments

2.5 农田系统地上部潜在田间资源

玉米收获后，农牧一体化生产均可将杂草在内的田间秸秆、枯落物等用于养牛。由表4可知：RGICF处理收获的秸秆量（未计收集、中途运输、加工等损失）为6 167.33 kg/hm2，比对照低638.00 kg/hm2，处理间差异无统计学意义（P＞0.05）；RGICF处理的新鲜杂草经过鹅大量采食后，杂草量仅为52.22 kg/hm2，明显低于对照的 116.67 kg/hm2，但处理间差异无统计学意义（P＞0.05）；地表的枯落物包括地表的枯萎杂草和玉米植株的枯枝落叶，RGICF处理由于地表大量枯萎杂草和枯落物的存在，其地表枯落物量为174.39 kg/hm2，是CK的1.18倍，但处理间差异无统计学意义（P＞0.05）。

表4 不同处理下的田间资源量Table 4 Field resource quantity under different treatments kg/hm2

3 讨论

3.1 农牧一体化农田系统的资源生产力

鹅采食杂草，将大量杂草转化为鹅饲料而提升了系统生产力[14]，从而表现在直接生产效益上。据当年生产统计（表5），尽管RGICF处理的玉米减产8.22%，但鹅养殖收益达28 957.50元/hm2，弥补了玉米减产造成的损失，整个系统综合经济净收益达到27 020.94元/hm2，远远高于对照的6 411.19元/hm2，处理间差异有统计学意义（P＜0.05），这与沙志鹏等[14]的研究结论一致。说明农牧一体化生产能够维持较高的杂草植株密度和较高的生物多样性，增加了田间可利用资源量，从而提升了生产效益。

表5 不同处理下的生产经济效益分析Table 5 Economic benefit analysis of production under different treatments yuan/hm2

在玉米收获后，对照处理的玉米秸秆通过机械粉碎后覆盖还田，秸秆还田量为6 805.33 kg/hm2（表4），但由于试验所在地处于第4积温带，年平均气温1.6℃，秸秆直接还田由于土壤水分不均衡出现出苗率降低[17]、秸秆不容易腐烂[18]、碳/氮腐解与作物争氮[19]以致作物减产[20]等多种弊端，而RGICF处理的鹅粪在水热同季时节直接就地还田，鹅舍和田间的鹅粪还田量达到3 457.30 kg/hm2（表6），参照以往研究结果[13]计算，还田的鹅粪中含N、P2O5、K2O分别为29.4、5.48和33.1 kg/hm2，这种方式克服了畜禽粪便还田困难的弊端，有效实现了粪肥还田和培肥土壤；同时，RGICF处理将玉米秸秆用作饲料喂牛，测算可产生1 379.45 kg/hm2的牛粪，牛粪在田间经堆肥发酵后还田，有利于培肥土壤[21]，改善农产品品质[22]，增产增收[23]。说明对系统资源的充分利用，更进一步地提高了农田生产潜力。

表6 不同处理下的粪肥产量Table 6 Manure quantity under different treatments kg/hm2

3.2 农牧一体化农田系统生产潜力的形成

农田生态系统在时间、空间上存在冗余资源，系统内生物多样性的增加，可以通过不同方式，实现时间、空间资源的有效转化和利用，从而产生更多的可利用生物质资源，这往往成为生态系统生产力提高的基础[24]。与对照通过喷施除草剂控制杂草的萌发和生长相比，RGICF处理在放牧前更高的杂草密度和多样性特征，能够发挥各物种优势，充分利用系统生态位空间和资源，从而为积累更高的地上生物量奠定了基础[16,25]。

群落生产力随着物种多样性的增加而增加[26-27]，生态系统生产力的维持在很大程度上依赖于植物群落的生物多样性[28]，系统具备更多资源时生物多样性对生产力的贡献更突出[24]。农牧一体化生产通过放牧鹅来控制杂草而非通过除草剂灭杀方式，系统具有较高的生物多样性，田间杂草等资源得以支撑一定数量鹅的生长发育，加之粪肥资源的还田利用，从而为充分利用农田系统资源、提升系统生产（潜）力奠定了基础。

4 结论

与采用除草剂灭杀杂草的对照相比，RGICF处理的杂草具有较高的植株密度，并保持了较高的生物多样性，且RGICF处理在放牧前后杂草生物量相差显著，大量杂草为鹅所采食利用，从而增加了系统杂草群落生产力；RGICF处理的玉米植株总体生长状况低于对照（CK），其玉米资源量也低于CK，其中玉米产量减产8.22%，但RGICF处理的养鹅收益足以补偿减产损失，系统综合经济净收益显著高于对照（P＜0.05）；同时，在RGICF处理下，有机肥（鹅粪和牛粪）总量达4 836.75 kg/hm2，可用于还田和培肥土壤。因此，农牧一体化生产在维持较高杂草生物多样性的基础上，提高了农田可利用资源量，这为农田生产力提升和生产效益倍增奠定了基础。