基于循環模式下氮、磷、鉀流動分析
——以河西走廊涼州示范區為例

于安芬，李瑞琴，趙有彪，車宗賢，蘇永生

(1. 甘肅省農業科學院畜草與綠色農業研究所，甘肅蘭州730070;2. 甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅蘭州730070)

物質循環的研究有助于調節整個系統養分的平衡，掌握生產中養分的投入效率［1］。氮、磷、鉀是物質的基本組成元素，農業生態系統內的基本物質循環主要通過氮、磷、鉀元素的流動實現。探明物質循環規律是管好、用好農業生態系統的基礎，可以分析系統結構與功能的合理性，探明系統物質循環路徑及轉化效率，評價系統生態效應，探求系統最優結構和最佳功能狀態，并為提高養分利用率提供科學依據。目前，國內外對農業生態經濟效益分析評價的研究較多［2－15］，但有關氮、磷、鉀循環的研究仍很少，我國河西走廊地區綠洲灌區農林復合系統中的氮、磷、鉀循環研究尚未見報道。因此，以甘肅省河西走廊綠色農業示范區涼州區為試驗基點，對當地近幾年新興的綠色循環農業模式“小麥－雙孢菇－肥－葡萄”中氮、磷、鉀的循環及投入產出率進行研究，探求系統最優結構和最佳資源配置量，明確我國綠洲灌區綠色循環農業模式的物質循環特征。

1 研究內容與方法

1.1 模式簡介

“小麥－雙孢菇－肥－設施葡萄”是在改變傳統種植方式的基礎上，利用小麥秸稈種植雙孢菇，雙孢菇廢基料作為肥料，栽培紅提葡萄，并實行家庭式中小規模經營的綠色循環農業模式。模式是以甘肅省武威市涼州區謝河綠色農業試驗站為核心示范區域構建的。該區域地處河西走廊沿山冷涼灌區，海拔1 720 m，年均降水量161 mm，年蒸發量2 020 mm，年平均氣溫7.9 ℃，日溫差15 ℃，年無霜期155 d，年日照時數2 968 h。耕地面積年配水量4 800 m3·hm－2。屬溫帶大陸性干旱氣候，太陽輻射強，日照充足，夏季炎熱，冬季嚴寒，空氣干燥，晝夜溫差懸殊。

1.2 試驗簡介

試驗分別測定“小麥－雙孢菇－肥－設施葡萄”模式中大田小循環、設施小循環以及整個模式的物質投入產出，計算氮、磷、鉀的輸入輸出量，分析物質循環特征。

小麥品種:寧春39 號;春季隨播種一次施肥為:有機肥7 500 kg·hm－2，純N 225 kg·hm－2(留20%作追肥)，純P2O5150 kg·hm－2，純K2O 90 kg·hm－2，折磷二銨330 kg·hm－2，尿素262.5 kg·hm－2，K2SO4247.5 kg·hm－2。

雙孢菇品種:雙2796。紅提葡萄品種:美國紅提。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測定項目。①單位面積春小麥投入化肥、有機肥的總量，小麥籽粒、秸稈的產出量。②單位面積雙孢菇生產投入的小麥秸稈、菜籽餅、牛糞量及化肥總量。雙孢菇產出量。③雙孢菇栽培后產生的廢基料量。④紅提葡萄栽培中投入的雙孢菇廢基料量。⑤有機肥、小麥籽粒、秸稈、牛糞、雙孢菇、雙孢菇廢基料中的全量N、P、K。

1.3.2 測定方法。①農田小循環物質輸入輸出計算方法。以春小麥示范田為基礎數據來源，對全年小麥生產中的投入產出作詳細調查，并從數據中去除極端樣本，進行分析。氮磷鉀養分平衡分析中，以投入產出比來衡量。②設施小循環中物質輸入、輸出。本循環中只計算雙孢菇培養基所有的投入物料，產出的雙孢菇產品及培養基廢料進行氮、磷、鉀測定，結合示范區平均產量進行分析。因為設施葡萄在移栽2 年后才進入盛果期，而研究的數據是以一年為生產周期進行試驗統計的，因此，在總的循環模式中未納入葡萄的產出，雙孢菇即是設施小系統的輸出、輸出，也是總的循環系統的輸入、輸出。

2 結果與分析

2.1 農田單作系統物質循環分析

農田投入項以“化肥投入量+有機肥施入量”含某一元素折合計，產出項以“作物籽實含量+秸桿帶出量”含某一元素折合計算，結果見表1。其中當年作物根茬養分吸持量，假定與上年殘留根茬相抵消，化肥施入量、化肥含氮量、購買有機肥施入量、還田比例、灌溉量、作物主產品產量和副產品還田比例通過實地調查獲得;有機肥含氮量參考《中國有機肥料養分數據集》［14］;灌溉水含氮量參考劉宏斌［15］和李玉堂［16］等研究成果;大氣沉降輸入氮量來源于Zhang［17］和Shen［18］;生物固氮量參考魯如坤等研究結果［19］。根據以上數據來源，淋溶、滲漏、揮發等氮損失量與降雨、灌溉水攜入、生物固氮等基本可以互相抵消。

小麥籽粒、秸稈氮、磷、鉀量通過實驗室測定。小麥秸稈籽粒比采用常用的1.1 和1.2［20］。

2.1.1 氮、磷、鉀養分的投入。為計算方便，K、P、K 投入只計算施肥的養分量。

2.1.2 氮、磷、鉀養分的產出。產出以小麥籽粒、秸稈產量為依據。

表1 小麥生產投入有機肥純N、P、KTab.1 The N，P，K content of organic fertilizer input in wheat production

表2 小麥籽粒、秸稈N、P、K 含量Tab.2 The content of the N，P and K in grain and stem of wheat

2.1.3 氮、磷、鉀養分的平衡。K、P、K 的平衡以N 、P、K 的投入產出之比來計算。為計算方便，K、P、K 投入只計算施肥的養分量，產出則以小麥籽粒、秸稈、根茬產出量為據。依作物收獲后養分的測定數據，得出每生產100 kg 小麥籽粒所吸收的養分為:氮2.06 kg，磷0.37 kg，鉀0.29 kg。

從表3 看出，示范區每產出1 個單位氮、磷、鉀，養分投入至少分別為0.76、0.13 和0.14 個單位。

表3 農田單作系統物質循環Tab.3 Nutrient cycle in the small circulation of farmland

2.2 設施單作系統物質循環分析

2.2.1 雙孢菇。雙孢菇生產需要投入物質的量為:牛糞15 萬kg·hm－2，小麥秸稈15 萬kg·hm－2，菜籽餅5 400 kg·hm－2，過磷酸鈣2 700 kg·hm－2，尿素2 700 kg·hm－2。

2.2.2 設施葡萄。雙孢菇培養基廢料的氮、磷、鉀輸入量分別為165.60 kg、89.28 kg、50.40 kg。產生的培養基廢料全部還田，每年可栽培設施葡萄0.214 hm2。

表5 說明，在設施單作中每產出1 個單位氮、磷、鉀，養分至少需要投入0.99、0.49 和0.22 個單位。

表4 雙孢菇生產投入物質N、P、K 含量Tab.4 The N，P，K content of input in agaricus bisporus production

表5 設施單作系統物質循環Tab.5 Nutrient cycle in the small circulation of sunlight greenhouse

2.3 模式循環系統中N、P、K 循環

表6 農田、設施單作及模式循環系統中物質循環Tab.6 Nutrient cycle in the circulation of sunlight greenhouse，farmland and ecological systems

農田單作系統氮、磷、鉀的產投比最低，分別為0.78、0.13、0.16，設施單作系統氮、磷、鉀的產投比位居第二，分別為0.99、0.89、0.22，模式循環系統氮、磷、鉀的產投比最高，分別為0.95、0.97、0.75。

氮循環中，從土壤中帶出的純N 占總輸入量的85%，通過秸稈進入雙孢菇循環的純N 占總輸入量的17.7%，即還田純N 占總輸入的27%。

磷循環中，從土壤中帶出的純P 占總輸入量的12%，通過秸稈進入雙孢菇循環的純P 占總輸出量的8%，還田純P 占總輸入的60%。

鉀循環中，從土壤中帶出的純K 占總輸入量的70%，通過秸稈進入雙孢菇循環的純K 占總輸入量的60%，還田純K 占總輸入的39%。

3 結論與討論

①“小麥－ 雙孢菇－ 肥－ 設施葡萄”模式循環系統中，氮、磷、鉀的產投比分別為0.95、1.12、0.75，遠遠高于農田單作系統和設施單作系統。

②在模式循環系統中，氮、磷、鉀的還田量分別占總輸入量的27%、60%、39%。高于農田單作系統，同時又低于設施單作系統，可見在模式循環系統中，設施子系統物質的輸入和輸出占整個系統的主要部分。

③在涼州示范區，利用小麥秸稈種植雙孢菇，雙孢菇廢基料作為肥料，栽培紅提葡萄，構建家庭式中小規模經營的“小麥－雙孢菇－肥－設施葡萄”綠色農業循環模式，充分合理地利用了當地水資源及農業廢棄資源。

④“小麥－雙孢菇－肥－設施葡萄”循環模式建設的最初目的是合理開發當地農業資源，提高農業生產過程中廢棄資源的綜合利用，促進養分的良性循環，實現農業生產系統的協調、可持續發展。本研究發現雙孢菇生產規模是整個系統的關鍵因子，而同時，雙孢菇生產規模又受制于研究區的秸稈量產出量，目前示范區的資源配置結構尚欠合理。建議示范區的最佳資源配置結構為:小麥產出的秸稈約1 萬kg·hm－2，可栽培雙孢菇0.066 7 hm2，產生的培養基廢料全部還田，可栽培設施紅提葡萄0.214 hm2。如此配置，不但可以緩解化肥投入帶來的環境壓力問題，還可節約資源，使物質的輸入和輸出向良性發展，實現農業生態系統可持續發展和良性循環。

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