保护性耕作对小麦/玉米间作系统生产效率和可持续性的影响*

王琦明, 胡发龙, 柴 强**

保护性耕作对小麦/玉米间作系统生产效率和可持续性的影响*

王琦明1,3, 胡发龙2,3, 柴 强2,3**

(1. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学农学院 兰州 730070; 3. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070)

农田复合系统是集约化农作的有效途径之一, 在增加生物多样性和提高产量方面具有重要作用。干旱区农业生产中, 温室气体减排和作物耗水减量是发展高效可持续农业的重要参考指标, 研发基于作物复合生产的模式是该区节水、减排和可持续农业发展面临的重大课题。本研究以河西绿洲灌区长期规模化种植的小麦/玉米复合生产系统为对象, 于2010—2012年度在甘肃农业大学校地联合绿洲农业科研教学基地(武威站), 通过集成免耕立茬(NTS)、免耕秸秆覆盖(NTM)、少耕秸秆翻压(RTS)形成不同小麦/玉米间作复合系统, 并以传统间作(CTI)为对照, 重点研究了不同系统的土壤碳排放量和水分利用特征, 比较分析了其生产效率和可持续性。结果表明, 小麦和玉米复合系统的生物热能产较单作小麦提高113%, 较单作玉米提高21%, 该系统基于生物热能产的土地当量比均大于1。农田复合生产系统能有效降低土壤CO2排放, 特别是集成免耕秸秆覆盖的间作系统, 土壤CO2排放量比单作玉米降低12%, 比传统间作降低13%, 排放效率比单作玉米提高39%, 比传统间作提高31%。此外, 农田复合生产系统还显著降低了作物耗水, 与传统间作相比, 集成免耕秸秆覆盖的间作系统的棵间蒸发量、耗水总量和单位耗水碳排放量分别降低11%、5%和9%, 但单位耗水生物热能产提高19%。农田复合生产系统较传统间作具有更高的土地当量比(1.78)、碳排当量比(1.48)和耗水当量比(1.22), 三者分别提高14%、28%和20%, 因而其可持续评价指数提高了13%。小麦/玉米间作集成免耕秸秆覆盖的农田复合生产系统可作为河西绿洲灌区高效可持续农作的可行模式。

小麦/玉米间作; 保护性耕作; 土壤CO2排放; 水分利用; 生物热能产

集约化农作是中国、印度等发展中国家农业生产的主要方式, 各国根据其农业生态特性积淀, 发展了各具特色的集约化农作系统[1-2]。在这些系统中, 间作对增加生物多样性和提高粮食安全具有重要作用, 同时, 间作也是最具发展前景、应用面积最为广泛的种植模式之一[3]。究其主要原因, 是由于间作相比其他种植模式具有更高的资源利用效率和生产力[4]。因而, 间作也被看作是减小作物潜在产量与实际产量差的重要途径[5-6]。然而, 传统间作在肥料和除草剂施用以及实现机械化等方面存在诸多弊端, 且间作中不合理的农作措施可能会导致较多CO2排放, 加剧温室效应[7]。因此, 在间作系统中研究并集成具有良好表现的农作措施显得极为迫切和重要。

保护性耕作通常包括少免耕、秸秆覆盖和作物轮作等[8], 且被广泛用于解决土壤退化、生产力低下以及温室气体排放等农业生态和环境问题[9-10]。其主要优点是通过减少土壤扰动以及有机物还田来减少土壤CO2排放[11]并提高土壤碳汇[12]。同时, 保护性耕作中秸秆还田能有效抑制蒸发[13], 减少地表径流, 增加降水入渗[14], 从而提高作物水分利用效率[15]。在干旱和半干旱地区, 水分是限制作物生长的决定因子[16], 保护性耕作在节水方面的作用对作物生长产生了较好的保护, 因而保护性耕作在这一区域发展潜力巨大[17]。近年来, 保护性耕作因其良好表现已在间作系统中进行集成并取得可喜成果。有研究表明, 秸秆还田、一膜两年用与间作集成在短期内可以减少作物生育期内碳排放[18], 同时免耕秸秆还田地膜再利用的间作模式较单作玉米可以增产14%~17%[19]。由此形成的农田复合循环生产系统在节水、减排和提高生产效率等方面具有重大优势[20]。

在应对耕地面积锐减和用水矛盾突出等问题, 以及节水、减排等方面[2,5], 间作复合系统集成保护性耕作是可行途径。然而, 有关农田复合循环生产系统的可持续性研究尚未涉及。随着农业资源供需矛盾加剧, 农业生产的可持续性成为研究的焦点[7], 特别是在粮食产出较多的河西绿洲灌区, 农业生产的可持续性已成为该区经济发展亟待解决的首要问题[21]。为此, 本研究以试区主栽模式小麦()间作玉米()为对象, 通过集成应用保护性耕作的理论与技术, 建立小麦玉米农田复合系统, 重点探讨复合系统的土壤CO2减排、水分利用和生产效率, 评价其可持续性, 以期为建立高效可持续的间作生产系统提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2010—2012年在甘肃农业大学校地联合绿洲农业科研教学基地(武威站)进行, 该站位于甘肃河西走廊东端(37°96′N, 102°64′E, 海拔1 506 m),属寒温带干旱区, 大陆性气候, 太阳辐射总量6 000 MJ∙m-2, 年均日照时数>2 945 h, 年平均气温7.2 ℃, ≥0 ℃年积温为3 513 ℃, ≥10 ℃年积温为2 985.4 ℃, 干燥度5.85, 无霜期155 d, 土壤类型为厚层灌漠土, 0~90 cm土壤容重1.57 g∙cm-3, 0~30 cm土层土壤全氮0.68 g∙kg-1, 全磷1.41 g∙kg-1, 有机质14.31 g∙kg-1, 常年降雨量不超过160 mm, 但年蒸发量大于2 400 mm, 2011年和2012年作物生育期各月气温、降雨量和参考蒸发量如表1所示。小麦间作玉米是该区长期规模化应用的高产高效种植模式。

表1 武威站2011—2012年作物生育期内逐月气象资料

1.2 试验设计

2010年进行预备试验, 为后续试验处理提供相应的茬口处理, 2011—2012年对相关数据进行采集和整理。参试小麦品种为‘永良4号’, 玉米品种为‘武科2号’, 同种作物在单作和间作模式中的播种、收获时间相同。小麦于2011年3月28日和2012年3月19日播种, 分别于7月22日和7月18日收获; 玉米于2011年4月17日和2012年4月20日播种, 分别于9月29日和9月30日收获。试验年度内(2011—2012年), 小麦播种到收获期降水量分别为65.8 mm 和40.5 mm, 玉米播种到收获期降水量分别为179.1 mm 和128.5 mm, 小麦间作玉米生育期降水量分别为200.6 mm 和146.9 mm。

试验通过设置不同耕作和秸秆还田间作来构成3种农田复合系统和传统间作系统。2010年小麦收获期间作小麦根据翌年处理需要进行相应收割, 即25 cm高茬收割、低茬收割留25 cm等量秸秆覆盖(小麦带)、低茬收割留25 cm等量秸秆翻压(小麦带)和低茬收割并移除秸秆; 玉米收获后玉米秸秆全部移除, 并根据翌年处理需要, 对间作小麦带进行相应耕作处理, 即免耕、少耕和传统耕作, 而玉米带全部翻耕, 并由此形成不同的带状耕作处理。2011年以上一年耕作和还田措施为基础设不同农田复合系统和传统间作系统: 25 cm高茬收割免耕小麦-玉米(免耕+高茬, NTS)、25 cm高等量秸秆覆盖免耕小麦-玉米(免耕+覆盖, NTM)、25 cm高等量秸秆翻压小麦-玉米(少耕+翻压, RTS)和低茬收割翻耕小麦-玉米(传统, CTI), 另设传统收割单作小麦(CTW)和单作玉米(CTM)作为对照, 共计6个处理, 每个处理3次重复, 共18个小区。玉米收获后单作小麦、单作玉米和传统间作全部翻耕, 并移除所有秸秆; 而保护性间作, 即NTS、NTM和RTS继续采用带状耕作, 即玉米带全部翻耕, 小麦带则进行相应的留茬免耕、覆盖免耕和浅耕翻压。2012年, 单作和各间作处理小麦、玉米轮换种植, 即现年小麦次年轮种玉米, 现年玉米次年轮种小麦。小麦和玉米均采用平作, 玉米覆膜, 具体系统参数见图1和表2。

1.3 测定指标

土壤呼吸速率(Rs): 土壤呼吸速率用土壤呼吸测定系统EGM-4(environmental gas monitor-4, UK, PP system)测定, 测定时将呼吸室置于小区作物行间, 收集从土壤释放的CO2, 每点测定5个值。土壤呼吸速率日变化每2 h测定一次, 测定时长为全天; 季节变化在作物主要生育时期测定, 即在作物生育期内, 每隔2周测定一次[22]。对玉米带测定前12 h, 将玉米带地膜揭出呼吸室边缘大小的裸区, 让膜内累积的CO2排出, 测定时视为玉米带土壤的呼吸值。间作群体分别测定不同作物带土壤呼吸速率, 并将两作物带呼吸速率的均值作为整个小区的土壤呼吸速率。

土壤含水量(WC): 每20 d测定一次, 播前、收获后、灌水前、灌水后加测, 测深110 cm。测定时, 前30 cm采用烘干法, 用土钻人工取土, 每10 cm为一分层; 30~110 cm用中子水分仪测定, 其中, 30~50 cm为20 cm一分层, 50~110 cm每30 cm为一分层。单作处理中, 每小区设1个测定点, 3个重复的平均值作为该处理土壤含水量测定值; 间作处理中, 每小区分别在小麦和玉米种植带各设1个测定点, 2点平均值作为小区土壤含水量测定值, 3个重复的平均值作为一个处理的土壤水分含量测定值。

棵间蒸发量(): 采用自制微型蒸发器(Micro-lysimeter, ML, 高15 cm, 直径11 cm)进行测定。ML中土样每减少1 g相当于蒸发水分0.105 2 mm,用精度为0.01的LP3102型电子天平称重以计算棵间蒸发量。为保证ML内土体水分含量和结构与大田相似, 每隔3~5 d更换器内的原状土体, 并且在下雨或灌水后加测。单作处理每小区安装1个ML; 间作处理分别在小麦和玉米种植带中部各安装1个ML, 2点平均值作为小区蒸发量; 同一处理3个重复的平均值作为该处理的棵间蒸发量测定值。

图1 小麦/玉米间作示意图

表2 不同小麦/玉米间作复合生产系统主要农艺参数

生物热能产(EY): 生物产量由籽粒产量(GY)和秸秆产量(SY)两部分构成, 籽粒产量分别于小麦和玉米成熟期按小区收获, 单独脱粒并记产; 秸秆产量根据考种结果(小麦取20株, 玉米取15株)和种植密度计算。因此, 生物热能产按公式(1)计算[21]:

EY=GY×g+SY×s(1)

式中:g和s分别表示不同作物籽粒和秸秆的热能值, 小麦和玉米籽粒热能值为16.3 MJ∙kg-1, 秸秆热能值为14.6 MJ∙kg-1。

1.4 计算指标

1.4.1 土壤CO2排放量与作物耗水量

土壤CO2排放量(CE)根据Qin等[22]公式计算:

式中:s表示土壤呼吸速率, 测定间隔为两周;1和分别指上次和本次测定日期;表示播种后天数; 0.158 4 是将μmol(CO2)∙m-2∙s-1转换为g(CO2)∙m-2∙h-1的系数; 24和10是将g(CO2)∙m-2∙h-1转化为kg(CO2)∙hm-2的系数。

作物耗水量(ET)根据Yang等[23]公式计算:

ET=e++(3)

式中:e为生育期内有效降雨量,为灌溉量,表示播种前和收获后土壤贮水量的差值。由于本试验设计的灌水量相对较小, 且试验区地下水埋深在30 m以下, 故忽略了渗漏量和地下上升水的影响。

1.4.2 系统生产效率

CO2排放效率(CEE)表示生育期内农田土壤每排放1 kg CO2所能生产的生物热能产:

CEE=EY/CE (4)

式中: EY为不同作物系统单位面积生物热能产, CE为生育期内土壤CO2排放总量。

水分利用效率(WUE)可分解为单位耗水生物热能产(WUEEY)和单位耗水碳排(WUECE)两部分, 一个作物系统具有较高的WUEEY和较低的WUECE表示其对水分能进行高效利用。二者分别表示每消耗1个单位土壤水分所生产的生物热能产和产生的土壤CO2排放量, 计算公式为:

WUEEY=EY/ET (5)

WUECE=CE/ET (6)

式中: EY为不同作物系统生物热能产, 间作复合系统的生物热能产为两种作物的总和; CE为不同作物系统生育期内土壤CO2排放总量; ET为不同作物系统生育期总耗水量。

1.4.3 复合系统的生产优势

土地当量比(LER)量化了间套作复合系统生产力及土地利用效率:

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

式中: EYWI和EYWM分别表示小麦在间作和单作时的生物热能产(kg∙hm-2), EYMI和EYMM分别表示玉米在间作和单作时的生物热能产(kg∙hm-2)。LER>1.0, 表明间作比单作的资源利用率高, 即间作优势; 当LER<1.0, 单作比间作资源利用高, 即间作劣势。

碳排当量比(CER)可量化单作模式产生与间作模式相同土壤碳排放所生产的生物热能产:

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

式中: CEEWI和CEEWM是小麦间作和单作土壤的CO2排放效率(kg∙kg-1), CEEMI和CEEMM是玉米间作和单作土壤的CO2排放效率(kg∙kg-1)。CER>1.0时, 表明每产生1个单位土壤CO2排放时, 间作具有比单作生产更多生物热能产的潜力, 即间作具有降低土壤碳排的作用, 反之亦然。

耗水当量比(WER)可量算单作模式消耗与间作模式相同单位的土壤水分时所生产的生物热能产(生物热能产耗水当量比, WEREY)或产生的土壤CO2排放量(碳排耗水当量比, WERCE):

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

式中: WUEWI和WUEWM是间作和单作小麦的单位耗水生物热能产(WUEEY, kg∙hm-2∙mm-1)或单位耗水碳排(WUECE, kg∙hm-2∙mm-1), WUEMI和WUEMM是间作和单作玉米的单位耗水生物热能产(WUEEY, kg∙hm-2∙mm-1)或单位耗水碳排(WUECE, kg∙hm-2∙mm-1)。WEREY>1.0, 表明每消耗1个单位土壤水分, 间作能比单作生产更多生物热能产, 即间作具有更高的水分生产效益, 反之亦然; WERCE<1.0时, 表明每消耗1个单位土壤水分时, 间作具有比单作减少土壤CO2排放的潜力, 从而实现水分高效利用。

1.4.4 作物生产系统的可持续性

不同作物系统的可持续性根据Chai等[21]建立的可持续性评价指数进行比较, 该指数的数学计算体系共由两步构成。

第一步:

式中:αx为表5第行×第列的数据标准化值(0<αx≤1),x为系统与参考指标的实际值,max与min为每个参考指标的最大值与最小值。

第二步:

式中:βx为标准化系数,为系统或参考指标的最大数。

式中: Index为不同作物系统的可持续性评价指数, 该指数的数值越大说明系统的可持续性越好。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel整理汇总, 用SPSS 24.0进行显著性检验和LSD分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦/玉米复合生产系统的生物热能产和土地当量比

与单作系统相比, 间作系统能显著提高小麦和玉米的生物热能产(图2A)。两年平均显示, 间作系统的生物热能产比单作小麦提高113%, 比单作玉米提高21%。在比较净占地面积上的作物生物热能产时发现, 间作使小麦生物热能产提高55%, 使玉米提高54%。因此, 不同间作复合系统以生物热能产计算的土地当量比均大于1(图2B), 表明间作系统对资源利用具有显著优势。不同作物系统中, 以免耕秸秆覆盖构建的小麦/玉米农田复合系统(NTM)生物热能产和土地当量比最高。与传统间作系统(CTI)相比, NTM的生物热能产提高16%(2011年)和13%(2012年), 相应地, 土地当量比提高14%(2011年)和13%(2012年)。然而, 免耕立茬(NTS)和少耕秸秆翻压(RTS)构建的小麦玉米农田复合系统对作物生物热能产和土地当量比的影响没有持续性。

2.2 不同小麦玉米复合生产系统的土壤CO2排放特征

2.2.1 生育期内土壤CO2排放总量

与传统单作玉米相比, 间作复合生产系统能显著降低生育期内土壤CO2排放总量(表3)。总体上, 小麦/玉米复合生产系统土壤CO2年排放总量为8.84 t∙hm-2,较单作玉米(10.02 t∙hm-2)降低11%。免耕结合秸秆覆盖可显著降低小麦/玉米复合生产系统的土壤CO2排放总量, 与CTI相比, NTM的土壤CO2排放总量平均降低12%。少耕秸秆翻压具有相似作用, 与CTI相比, RTS的土壤CO2排放总量平均降低9%。比较同种作物在相同占地面积下单作与间作复合系统土壤CO2排放总量差异发现, 小麦/玉米农田复合循环系统CO2排放总量显著降低。与单作小麦相比, NTM小麦带降低13%, 玉米带降低12%; RTS小麦带降低6%, 玉米带降低11%。

图2 2011年和2012年不同耕作方式下小麦/玉米复合生产系统的生物热能产(A)和土地当量比(B)

NTS: 免耕立茬间作; NTM: 免耕秸秆覆盖间作; RTS: 少耕秸秆翻压间作; CTI: 传统间作; CTM: 传统单作玉米; CTW: 传统单作小麦。不同小写字母表示同一年不同处理间差异显著(<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麦/玉米复合生产系统土壤CO2排放特征

NTS: 免耕立茬间作; NTM: 免耕秸秆覆盖间作; RTS: 少耕秸秆翻压间作; CTI: 传统间作; CTM: 传统单作玉米; CTW: 传统单作小麦。不同不写字母表示不同处理间差异显著(<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排放效率和碳排当量比

由于小麦/玉米复合生产系统生物热能产高但土壤CO2排放量低, 因而其CO2排放效率(CEE)显著高于单作玉米(表3)。与单作玉米相比, 间作复合系统的CEE提高39%。因此, 不同间作复合系统的碳排当量比(CER)均大于1, 且玉米组分的碳排当量比明显高于小麦, 其主要原因是间作玉米比单作具有更高的CEE。与单作玉米相比, 间作玉米的CEE提高52%, 说明在生产相同单位数量的生物热能产时, 单作玉米比间作玉米要多释放1.5 kg土壤CO2。因此, 间作系统不仅能有效利用土地资源, 更能显著降低土壤CO2排放量。比较不同间作复合系统发现, 由少免耕和秸秆还田构建的小麦玉米农田复合系统比传统间作的CEE和CER均有提高, 特别是NTM系统, 其CEE和CER最大, 分别比CTI提高31%和28%。

2.3 不同小麦玉米复合生产系统的耗水特征

2.3.1 棵间蒸发量、E/ET和耗水总量

不同小麦玉米复合生产系统棵间蒸发按其对应作物的生育期进行测定, 因而间作系统的棵间蒸发显著高于两种单作系统(表4)。两年平均发现, 单作小麦年均棵间蒸发150 mm, 单作玉米年均蒸发267 mm, 间作系统年均蒸发287 mm。对小麦间作玉米集成少免耕和秸秆还田能有效降低其棵间蒸发和E/ET, 特别是NTM系统, 其棵间蒸发和E/ET比CTI降低9%、8%(2011年)和13%、16%(2012年)。此外, 由于较少的棵间蒸发和较低的E/ET, NTM系统的耗水总量比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麦/玉米复合生产系统的耗水特征

NTS: 免耕立茬间作; NTM: 免耕秸秆覆盖间作; RTS: 少耕秸秆翻压间作; CTI: 传统间作; CTM: 传统单作玉米; CTW: 传统单作小麦。E: 蒸发; ET: 蒸散发; WUEEY: 单位耗水热能产; WUECE: 单位耗水碳排放。不同小写字母表示不同处理间差异显著(<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当量比

在由少免耕和秸秆还田构建的小麦/玉米农田复合系统中除RTS外, NTM和NTS系统的单位耗水生物热能产(WUEEY)均显著高于传统间作(表4)。其中, NTM系统的单位耗水生物热能产最高(年均793 MJ∙hm-2∙mm-1), 而单作小麦由于自身系统较小的生物热能产, 其单位耗水生物热能产最低(年均606 ∙hm-2∙mm-1)。免耕相比少耕具有持续提高单位耗水生物热能产的作用, 与CTI相比, NTM系统的单位耗水生物热能产平均提高19%, NTS系统平均提高11%。因此, 两个系统的生物热能产耗水当量比(WEREY)较CTI均有显著提高, 与CTI相比, NTM系统平均提高了20%, NTS系统平均提高了11%(图3)。

不同作物系统中, 单作小麦生育期内土壤CO2排放量最小, 因而其单位耗水碳排(WUECE)最低, 且分别比单作玉米和间作复合系统降低35%和14%(表4)。比较间作复合系统和单作玉米的单位耗水碳排差异发现, 间作比单作玉米平均降低29%。在小麦/玉米间作系统中集成保护性耕作措施构建的NTM系统和RTS系统较CTI能显著降低自身系统的单位耗水碳排。与CTI相比, NTM系统的单位耗水碳排平均降低9%, RTS系统平均降低8%。因此, 两个系统的碳排耗水当量比(WERCE)较CTI均有显著降低, 与CTI相比, NTM系统平均降低10%, NTS系统平均提高8%(图3)。

2.4 不同小麦玉米复合生产系统的可持续性

不同作物系统的可持续性评价体系参考指标包括: 1)作物水分利用效率(GY/ET); 2)土地当量比; 3)生物热能产; 4)单位耗水生物热能产; 5)土壤CO2排放量; 6)单位耗水碳排。一种作物系统的可持续评价系数越高, 说明该系统的可持续性越好。由表5可知, 不同种植模式间可持续性指数具有较大差异, 且总体表现为间作最高, 单作小麦次之, 单作玉米最低。由少免耕和秸秆还田构建的小麦/玉米农田复合系统能显著提高其可持续性指数, 与CTI相比, NTS、NTM和RTS分别提高5%、13%和5%。3种小麦/玉米农田复合系统中, NTM可持续性指数最高(0.78)。因此, 本研究推荐以免耕秸秆覆盖构建的小麦/玉米农田复合系统作为试区可持续性生产的重要模式。

3 讨论

3.1 增产与农田土壤CO2减排

作物通过光合作用将空气中大量CO2吸收同化后进行固定, 从而形成稳定的碳库, 因此作物系统是陆地生态系统中碳库的重要组成部分[24]。通常, 增加作物冠层的光能截获、促进光合作用能显著提高作物的生物量碳[25], 即在增大碳库的同时增加对光能的转化固定。间作复合系统因其不同组分作物在形态、生态型和生育期上的错位搭配形成其在时间与空间上的生态位互补[26-27], 从而提高了对光能资源的有效利用[28]。本试验中间作复合系统的生物热能产比单作小麦提高113%, 比单作玉米提高21%, 且在净占地面积上, 间作使小麦生物热能产提高55%, 使玉米提高54%。说明间作在截获光能并转化固定为生物热能方面具有显著优势。特别是以免耕秸秆覆盖形成的小麦/玉米复合循环系统, 其生物热能产最高, 与传统间作相比平均提高14%。

图3 2011年和2012年不同耕作方式下小麦/玉米复合生产系统和传统间作的生物热能产耗水当量比(WEREY)和碳排耗水当量比(WERCE)

NTS: 免耕立茬间作; NTM: 免耕秸秆覆盖间作; RTS: 少耕秸秆翻压间作; CTI: 传统间作。不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(<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 不同耕作方式下小麦/玉米复合生产系统的可持续性

NTS: 免耕立茬间作; NTM: 免耕秸秆覆盖间作; RTS: 少耕秸秆翻压间作; CTI: 传统间作; CTM: 传统单作玉米; CTW: 传统单作小麦。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.

光合作用生产的部分同化物在作物根系呼吸作用下会以CO2形式释放出来[29], 并且较高的生物热能产通常被认为会引起较多的土壤CO2排放[30]。在间作复合系统中, 不同作物群体的种间相互作用调控着彼此对资源的利用和生物量累积[21], 因而也影响着不同组分作物的生理生态功能, 使间作可作为控制土壤CO2排放的一种有效途径, 特别是在调控和优化土壤呼吸影响因子方面作用显著[11]。将保护性耕作的成熟理论集成在间作系统中能使间作复合系统增强对土壤碳排放的抑制作用。本研究中, 间作复合系统土壤CO2排放量比单作玉米减少11.8%, 其中免耕秸秆覆盖农田复合循环系统土壤CO2排放量最少, 比传统间作减少12%, 并且该系统CO2排放效率(CEE)最高, 比传统间作提高31%。另外, 在净占地面积下, 与单作小麦相比, NTM小麦带土壤CO2排放量减少13%, 玉米带减少12%。因此, 免耕秸秆覆盖小麦/间作玉米农田复合循环系统是农田CO2减排的重要参考模式。

3.2 水分高效利用

在干旱和半干旱地区, 缺水严重制约着农业的生产和发展[31], 因而高效的农业模式首先要解决水分高效利用。提高作物自身的水分利用效率将是实现这一突破的关键[32]。保护性耕作在节水方面具有显著优势, 特别是对抑制水分无效蒸发、增加降水入渗作用明显[33]。本研究将保护性耕作与间作系统集成, 构建的小麦/玉米复合系统对水分进行了高效利用。在免耕秸秆覆盖复合系统中, 棵间蒸发比传统间作降低11%, 耗水总量降低5%, 同时E/ET降低12%, 说明该系统优化了作物对土壤水分的利用, 使无效蒸发转化为有效蒸腾。此外, 不同作物系统中免耕秸秆覆盖复合系统的单位耗水生物热能产(WUEEY)最高, 但单位耗水碳排(WUECE)最低, 与传统间作相比, 该系统WUEEY提高19%, WUECE降低9%。比较不同间作复合系统的生物热能产耗水当量比(WEREY)和碳排耗水当量比(WERCE)具有相似结果, 即免耕秸秆覆盖复合系统的WEREY比传统间作提高20%, 但WERCE降低10%。这说明, 小麦/玉米农田复合系统可有效调控系统耗水更多转化为作物自身产出, 并降低在该转化过程中产生的土壤CO2排放, 从而实现高效用水。

3.3 系统效率和可持续性

耕地面积锐减、土壤CO2排放和水资源短缺是干旱半干旱地区农业生产面临的三大问题[17], 这在人口众多的发展中国家尤为突出[20]。因此, 集高产出、土壤CO2减排和节水于一体的作物生产系统亟待研发。本研究中, 免耕秸秆覆盖小麦/玉米复合系统LER和CER均大于1, 比传统间作分别提高14%和28%, 说明该系统比相应单作系统在生产相同单位的生物热能产时占用了更少的土地、排放了更少的CO2。此外, 较高的生物热能产耗水当量比和较低的碳排耗水当量比证明了该系统在水分利用方面的优势, 使作物生产每消耗1单位水分时具有更多产出, 但降低CO2产生和排放。因而, 该系统在考虑以上3因素时, 免耕秸秆覆盖小麦/玉米复合系统具有更高的可持续性, 其可持续评价指数为0.78, 显著高于其他间作系统和单作系统。因此, 本研究推荐免耕秸秆覆盖小麦玉米复合系统作为该区小麦和玉米可持续生产的重要参考体系。

4 结论

小麦/玉米间作复合系统是河西绿洲灌区典型的间作模式, 也是小麦和玉米生产的重要作物系统。对该系统集成保护性耕作措施, 构建小麦/玉米复合系统在提高系统生产效率和可持续性上具有显著作用, 特别是以免耕秸秆覆盖复合系统为最优。与传统复合系统相比, 免耕秸秆覆盖小麦/玉米农田复合系统生物热能产和土地当量比分别提高15%和14%。同时该系统土壤CO2排放低, 比单作玉米降低12%, 比传统复合系统降低13%, 因而CO2排放效率比单作玉米提高39%, 比传统复合系统提高31%。另外, 该系统显著抑制了棵间无效蒸发, 降低了作物耗水量, 但提高了单位耗水生物热能产, 并减少了单位耗水碳排。与传统复合系统相比, 其棵间蒸发量、耗水总量和单位耗水碳排分别降低11%、5%和9%, 而单位耗水生物热能产提高19%。由于该系统具有高生产效率和低碳排低耗水的特性, 其可持续性指数最高, 比传统复合系统提高13%。因此, 免耕秸秆覆盖小麦/玉米农田复合系统不仅提高了生物热能产、CO2排放效率和水分利用效率, 还显著降低了土壤CO2排放和作物耗水量, 同时伴随着间套生产配套农机的研发, 传统间套作对劳动力的大量需求被进一步缓解, 农村劳动力得以进一步解放。因此, 保护性耕作与小麦/玉米间作相集成是该区高效可持续农作的重要模式。

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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

柴强, 主要从事多熟种植、节水农业和循环农业的研究。E-mail: Chaiq@gsau.edu.cn 王琦明, 主要从事农田生态系统研究。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).

* 国家公益性行业(农业)科研专项(201503125-3)和国家自然科学基金项目(31771738, 31860363)资助

王琦明, 胡发龙, 柴强. 保护性耕作对小麦/玉米间作系统生产效率和可持续性的影响[J]. 中国生态农业学报(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