河西走廊綠洲灌區循環模式“農田-食用菌”生產系統氮素流動特征

李瑞琴，于安芬，* ，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，蘭州 730070;2.甘肅省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，蘭州 730070;3.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，蘭州730070)

河西走廊綠洲灌區在農業產業化進程加快的同時，也帶來了水資源和生態環境的壓力。物質循環是農業生態系統內相對穩定的因素，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［1-3］。翁伯琦［4］探討了如何在農業領域內開發高效循環生產體系，涉及了綠色農業、循環農業、生態文明、可持續發展理念，提出低碳農業是一個復合技術體系、發展低碳農業是實現低碳經濟的目標之一、發展低碳經濟是解決氣候變化與經濟發展矛盾的有效途徑。我國20世紀80年代以來，各地以沼氣為紐帶的生態農業得到了較大發展，如南方出現了以廣西恭城、江西贛州和廣東梅州為代表的“豬-沼-果”生態農業循環模式，取得了良好的經濟、社會與環境效益，大大提高了農業生產系統的生產力和資源綜合利用率［5-6］。氮、磷、鉀是物質的基本組成元素，目前國內外對土壤-植物單一系統中物質循環研究較多。孟慶巖等［7］研究了海南省文昌市膠-茶-雞農林復合系統模式的N循環規律，系統N循環率為43%，N輸出量為196.5 kg/hm2，土壤N盈余量為237.6 kg/hm2。吳珊眉等［8］對有機-無機態氮肥在微型農業生態系統的轉移和循環進行了研究，認為在“土壤-黑麥草-兔”亞系統中，農業生態系統的生態穩定性和發育程度優于單一種植系統，有機肥能明顯地促進無機態肥料N從稻稈向稻谷運輸，同時有機肥使無機態肥N在土壤中的固化作用增加，從而使無機肥料N向環境轉移量下降。陳金湘等［9］研究表明在棉田生態系統N循環中，低、中、高、超高產棉田N素的輸入與輸出不平衡，其棉田產物N輸出，分別為棉田生態系統總輸出N的54.4%，46.5%，44.9%和43.4%，若將8O%的棉鈴殼還田，則能大體保持棉田生態系統N素的平衡。杜會英等［10］研究了化肥氮在保護地土壤一蔬菜系統中的當季利用與損失，在保護地萵苣種植系統中，施入土壤中的化肥氮有18.98%—42.5%損失。在保護地西芹種植系統中，有11.7%—18.9%損失。在保護地生菜種植系統中，施入土壤中的化肥氮有16.0%損失。曹兵等［11］研究發現小青菜生長期間有氮素淋溶，大白菜和番茄分別有9.2%—10.9%和10%—10.2%的標記氮素被淋溶到40cm以下土層。對于農業復合生態系統的研究多集中在能流及效益分析上［12-16］。Velthof［17］和Oenema［18］等研究結果表明，通過綜合評價農業復合生產系統的養分流動狀況，闡明養分流動特征，對于解決其養分損失和環境污染問題具有重要指導作用。然而，我國農業生態系統養分管理的研究僅局限于農田等各體系內，針對循環農業模式生產系統養分流動的綜合評價尚不多見。闡明河西走廊典型農業生產模式生產系統的養分流動規律，對于優化區域養分資源配置、協調農業各產業發展與生態環境之間的關系有著重要的指導意義。本文以甘肅省河西走廊綠色農業示范區涼州區謝河村集約經營戶和單一經營示范戶為例，研究分析農田單作、“農田-食用菌”單戶模式及集約模式3個生產系統的氮素流動特征，探討氮素資源優化管理策略，從而為研究區域農業產業集約化發展的合理規劃、降低環境壓力以及實現農業生態系統的良性循環提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本研究選擇甘肅省武威市涼州區謝河綠色農業試驗站為試驗點。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2020 mm，年平均氣溫7.9℃，日溫差15℃，年無霜期155 d，年日照時數2968 h。耕地面積年配水量4800 m3/hm2。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。

根據產業類型和經營方式的差異將試驗點農業生產系統劃分為以下3種類型:農田、食用菌單作及“農田-食用菌”集約循環模式3個生產系統。一是農戶單一種植糧食作物生產系統，其特點是僅種植糧食作物。單一種植區主要包括兩個種植基地，分別為小麥種植基地和玉米良種培育基地，單一種植區農田耕地面積240 hm2。二是單戶型“農田-食用菌”生產系統，其特點是單個農戶承包日光溫室栽培食用菌，還包括少量以設施辣椒、番茄栽培為主的小型農戶，食用菌生產面積6.7萬 m2，設施果菜生產面積3.8 hm2。三是集約型“農田-食用菌”循環模式生產系統，其特點是生產經營大戶承包日光溫室栽培食用菌及葡萄，同時還種植小麥、玉米等大田作物。試驗點循環模式小麥種植60 hm2，雙孢菇生產面積6.7萬 m2，紅提葡萄栽培面積35 hm2。

1.2 系統的界定

本研究通過文獻資料分析、實地調研和專家建議構建了“農田-食用菌-果”生產系統氮素養分流動模式(圖1)。化肥、購買有機肥、大氣沉降、灌溉、生物固氮和購買雙孢菇培養基配料為該系統的外源輸入項，作物產品、出售或運出的農業生產廢棄物以及在儲藏處理過程中的損失為該系統的輸出項。“農田-食用菌”生產系統包括農田和食用菌兩個子體系。子體系內和子體系間也存在氮素的循環流動，將其視為“農田-食用菌”生產系統內部循環。子體系內氮素循環如農田收獲副產品的還田，子體系間氮素循環如農田收獲主副產品作培養基配料以及培養基廢料返還農田。

1.3 模型算法和數據來源

1.3.1 農田體系氮素流動模型算法和數據來源

(1)輸入項

(2)輸出項

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;購買有機肥含氮量參考《中國有機肥料養分數據集》［19］;灌溉水含氮量參考劉宏斌［20］和劉培財［21］等研究成果;大氣沉降輸入氮量參照崔健等［22］和 Shen［23］;生物固氮量參考王平等研究結果［24］;氮素損失參照王家玉等人的研究［25，26］。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。

圖1 “農田-食用菌”生產系統氮素流動模式(kg·hm-2·a-1)Fig.1 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

小麥籽粒、秸稈含氮量通過實驗室測定值得。小麥秸稈籽粒比采用1.1∶1.2［27］。

1.3.2 食用菌體系氮素流動模型算法和數據來源

(1)輸入項

(2)輸出項

小麥秸稈施入量、小麥秸稈含氮量、購買培養基配料施入量、培養基廢基料還田比例、灌溉量、食用菌主產品產量通過實地調查、實驗室測定獲得。

1.4 氮、磷元素流動評價指標

本研究選用流量指標來描述“農田-食用菌”生產系統各流動項之間氮、磷素的轉移和交換狀況。此外，選擇效率指標描述各養分庫中氮、磷素產出數量和投入數量的關系。在生產體系中，氮素利用效率是指作物主產品收獲帶走氮量占總輸入氮量的比率。廢棄物養分循環利用是減少系統養分環境排放的有效途徑，因此，本研究選用循環模式體系氮素循環效率，即循環到農田的氮量占體系總輸入氮量的比率來描述系統氮素的循環利用狀況。

2 結果與分析

2.1 各生產系統氮素流動分析

3種類型“農田-食用菌”生產系統單位面積(農田面積)氮素流動情況見圖2—圖4所示。

圖2 “農田-食用菌”集約生產系統氮素流動模式(kg·hm-2·a-1)Fig.2 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.1 “農田-食用菌”集約生產系統氮素流動

“農田-食用菌”集約生產模式中農田體系氮素輸入量446.5 kg·hm-2·a-1，化肥氮貢獻率僅為42.3%;食用菌體系氮素輸入量281.1 kg·hm-2·a-1，主要來源于購買的培養基配料及基料牛糞、秸稈，添加的秸稈全部來源于農田體系的副產品，秸稈氮占基料氮素輸入量的17.0%。與單戶模式不同的是農田體系產生的全部秸稈氮素進入食用菌體系中，食用菌體系的培養基廢料氮素全部進入農田體系中，還田氮占總輸入氮的37.1%。

圖3 “農田-食用菌”單戶生產系統氮素流動模式(kg·hm-2·a-1)Fig.3 Demonstration of nitrogen flow in the“grain fields-edible mushroom”production system

2.1.2 “農田-食用菌”單戶生產系統氮素流動

“農田-食用菌”單戶生產模式中農田體系氮素輸入量380.0 kg·hm-2·a-1，化肥氮貢獻率達到56.58%;食用菌體系氮素輸入量246.1 kg·hm-2·a-1，主要來源于購買的培養基配料及基料牛糞、秸稈，秸稈氮占基料氮素輸入量的9.6%;子體系間除少部分秸稈進入食用菌子體系外，沒有其它的養分循環。

2.1.3 農田單一體系生產系統氮素流動

農田單一種植區農田體系氮素輸入量為330.9 kg·hm-2·a-1，化肥作為主要氮素輸入項其貢獻率高達72.53%;在輸出項中，作物主副產品收獲氮量占農田氮素輸入量的54.5%。

2.2 各生產系統氮素利用效率的分析

圖4 農田單一生產系統氮素流動模式(kg·hm-2·a-1)Fig.4 Demonstration of nitrogen flow in the single grain fields production system

由表1可見，“農田-食用菌”集約模式的農田體系氮素利用效率最低，但也在30%以上，遠遠大于文獻所報道的氮素利用率，主要原因是本研究未計算土壤淋失、滲漏及氮的揮發等各種生產過程中氮的損失。由于“農田-食用菌”集約模式中秸稈的再循環利用使得食用菌體系氮素利用效率最高。

表1 各生產系統氮素利用效率Table 1 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

2.3 各生產系統中氮素產投比

由表2可見，“農田-食用菌”集約模式的農田體系氮素產投比最低，僅在0.50左右。食用菌體系氮素產投比最高，大于1.0。“農田-食用菌”生產系統氮素產投比在0.7左右。由此可見，在循環模式中，投入和產出處于一個相對較均衡的水平。

表2 各生產系統氮的產投比Table 2 Nitrogen use efficiencies of different production systems in the study area

本研究區域各生產系統均出現農田氮盈余現象，其中集約型“農田-食用菌”循環模式農田單位面積氮盈余量高達217.0 kg·hm-2·a-1，分別高出單戶型和糧田體系1.2倍和1.4倍。由此可見，集約型“農田-食用菌”循環模式由于系統內和系統間的物質循環利用，雖然化肥氮減少了使用量，但農田氮素仍有盈余，循環模式的氮素投入產出尚需進一步研究。

3 討論

3.1 單戶型“農田-食用菌”生產系統氮素流量與流向分析結果表明，糧田子體系和食用菌子體系之間生產脫節。食用菌生產后產生的廢基料等有機資源未能得到循環利用，致使農田體系氮素輸入全部依靠外源氮的投入，其中56.58% 的氮素來源于化肥，不必要的化肥投入增加了作物生產的成本，而且大量有機資源未能被利用也加劇了周圍環境的污染潛力。相比之下，集約型“糧田-食用菌”生產體系結合較緊密，食用菌廢基料氮還田比例達到37.1%，這也大大降低了農田單位面積化肥氮輸入量。

3.2 本研究區域3種生產體系均存在不同程度的農田氮素盈余，雖然原因各不相同，但主要原因均為肥料氮(化肥和糞肥)投入量超過了作物生長的需求量。一般認為，農田盈余的氮素去向有兩種可能，一是殘留在土壤中供下一季作物利用，二是排入大氣和水體造成環境污染。Sun［28］等研究建議采用農田氮素年盈余量100 kg·hm-2·a-1和180 kg·hm-2·a-1，分別作為中國農田評價潛在環境污染和高風險環境污染的指標。從本研究結果看，有兩種生產體系氮盈余量超過了上述限量標準，糧田單作體系也接近這個限量指標，研究區域均存在比較高的環境污染風險。因此，研究區域應將氮素優化管理放到重要位置，以降低氮素盈余量以及由此帶來的環境污染風險。

3.3 “農田-食用菌”循環模式建設的最初目的是建立一個“大田作物-秸稈-食用菌-大田”的生態循環農業生產模式，以提高秸稈資源的綜合利用，促進養分的良性循環，實現農業生產系統的協調發展。然而本研究發現食用菌生產規模是整個系統的關鍵因子，而同時，食用菌生產規模又受制于研究區的秸稈量，目前示范區最佳資源配置量為:1hm2小麥產出的秸稈約1萬kg，全部用于栽培雙孢菇，可栽培雙孢菇666.7m2，產生的培養基廢料全部還田，可栽培設施紅提葡萄3.2×666.7m2。如此配置，不但可以減少種植區化肥投入量，而且還能緩解化肥投入帶來的環境壓力問題。

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