不同耕作模式對農田系統能值的影響

李帥 梁偉 賈龍 莊順龍 孫鳳娟 柳新偉

摘要：基于能值理論分析體系，比較不同耕作模式下農田系統的生態指標和可持續發展性，為篩選出適合本地區應用的農田耕作模式提供理論依據。本試驗共設置農民傳統耕作（CK）、傳統耕作+秸稈還田（T1）、深松耕作+秸稈還田（T2）、免耕+秸稈還田（T3）4 個處理。農田能值系統分析可知，CK模式下農田生態系統經濟發展活力低，屬于消費型生態經濟系統，環境負載率超過T1模式的4倍，說明秸稈還田能有效降低農田生態系統的環境負載率，降低農田對不可更新環境資源依賴程度，減輕農田環境壓力;同時秸稈還田能提高土地面積的能值投入量，T1、T2、T3處理能值投入率分別為農民傳統耕作的1.57、1.63、1.59倍，增強農田生態系統集約化程度;四種不同處理（CK、T1、T2和T3）下農田生態系統可持續發展指數分別為0.31、0.91、1.01、1.02，說明T1、T2、T3處理均能顯著提高農田系統可持續發展水平，其中T2、T3為更適合本地區的農業生態耕作模式。

關鍵詞：秸稈還田;深松;免耕;系統能值

中圖分類號：S181.6 ?文獻標識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）01-0094-06

Abstract Based on the emergy theory analysis system， the ecological indexes and sustainable development of farmland system under different tillage modes were compared to provide theoretical bases for selecting suitable tillage mode for local application. In this study， four treatments were set as traditional tillage （CK）， traditional tillage + straw returning （T1）， deep loosening+straw returning （T2），and no-tillage + straw returning （T3）. The results showed that the farmland ecosystem had low economic development vitality under CK mode， which belonged to consumption type of ecological economic system with the emergy loading rate as 4 times more than that of T1 mode. It indicated that straw returning could effectively reduce the loading rate of farmland ecological system， reduce the dependence of farmland on unrenewable resources， and reduce the pressure of farmland environment. At the same time， straw returning could increase the input of emergy of land area. The emergy input rates of T1， T2 and T3 treatment was 1.57， 1.63 and 1.59 times of that of CK， respectively， and the intensification of farmland ecosystem could be enhanced. The sustainable development index of farmland ecosystem under the four different treatments was 0.31， 0.91， 1.01 and 1.02 respectively， which indicated that T1， T2 and T3 treatments could significantly improve the sustainable development level of farmland system. Among which， T2 and T3 tillage modes were more suitable for the local agricultural ecology.

Keywords Tillage mode;Straw returning; Deep loosening; No tillage; System emergy

資源衰竭和環境惡化是我國農業面臨的嚴峻問題。農田系統的可持續性發展和對生態環境的影響一直是備受關注的問題，因此建立一個農田系統可持續性評價指標十分必要。能量轉化和物質循環是農田生態系統的基本功能之一，也是能值理論的主要研究內容。Odum等[1]已研究總結出不同的養分管理系統可持續指標，其中可持續發展指數（enviroment sustainable development index，ESI）是衡量系統可持續性的一個重要指標。李忠芳等[2]研究表明，農田系統ESI值隨作物種類、施肥等不同而呈顯著性差異。孫利軍等[3]研究隴中黃土高原地區幾種耕作措施的經濟評價后得出，該地區免耕配合秸稈覆蓋還田能達到生態經濟效益最優值。

土壤是作物生長的基礎，不同耕作方式對土壤的影響結果不同。農業耕作模式的不斷進步及其技術的應用，是為了避免傳統農業耕作中不合理的耕作方式對土壤和生態環境造成不可逆且對人類不利的危害[4，5]。耕作技術無論是在農業生產，還是在環境保護上都有重要意義[6]。覆蓋的作物殘茬秸稈能夠起到保墑、減少風蝕、減少地表徑流侵蝕等作用[7-9]。

深松是改良傳統耕翻土層的模式，在不翻轉土層基礎上打破犁底層、加深耕作層、降低土壤緊實度，對改善耕層以下土壤結構有顯著效果，且可增強土壤的蓄水保墑能力，為農作物生長提供優良環境 [10]。

本試驗以青島市保護性耕作試驗區土壤為研究對象，應用能值理論體系，從生態角度綜合分析傳統耕作、傳統耕作+秸稈還田、深松+秸稈還田、免耕+秸稈還田4種耕作模式對農田生態系統帶來的能值產出投入，并從能值角度深入探討該地區能量流動特征和能值循環結構，比較不同耕作模式下農田系統的生態和經濟效益，為評價不同耕作模式對青島地區土壤生態效益的影響、探索適合青島地區的可持續利用的耕作模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與田間管理

本試驗于2016年在青島市平度蘭底鎮進行。共設置農民傳統耕作、傳統耕作+秸稈還田、深松耕作+秸稈還田、免耕+秸稈還田4 個處理（表1），重復3次，隨機區組排列，小區面積330 m2。

種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，其中小麥品種為魯麥23，播種量150 kg/hm2，玉米品種為鄭單958，播種量30 kg/hm2。小麥季基施氮磷鉀含量各為15%的復合肥1 200 kg/hm2、阿維菌素生物肥600 kg/hm2，返青期人工追施尿素270 kg/hm2。玉米季基施氮磷鉀含量各為15%的復合肥1 200 kg/hm2，之后不再施肥。玉米季和小麥季均滴灌3次，每次灌溉量450 m3/hm2。小麥季在返青期用無人機噴施除草劑（二甲四氯異辛酯，等）1次，用量為20 kg/hm2;玉米季在播種后和出苗后用無人機噴施（40%乙·莠SE，等）2次，每次用量為30 kg/hm2。

1.2 測定項目及方法

環境負載率（emergy loading ratio，ELR）=不可更新能量總值/可更新能量總值;

能值投入率（emergy input ratio，EIR）=經濟反饋能值/環境無償能值;

能值產出率（emergy yield ratio，EYR）=系統總產出能值/經濟反饋能值;

能值自給率（emergy self-sufficiency ratio，ESR）=系統環境能源總投入/系統投入總能值;

凈能值產出率（net emergy yield ratio，NEYR）=系統產出總能值/系統總輔助能投入;

能值投入密度（emergy input density，EID）=系統能值總投入/面積;

可持續發展指數（enviroment sustainable development index，ESI）=凈能值產出率/環境負載率。

1.3 數據統計分析

用Microsoft Excel 2007處理數據并作圖，用SPSS 20.0軟件對數據進行單因素ANOVA分析，用LSD法進行多重比較（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 能值投入產出分析

農田能量流動如圖1所示。青島市平度蘭底鎮年平均太陽總輻射量為5 174.48 MJ/m2，平均海拔高度77.2 m，年平均降水量680 mm。考慮到蘭底鎮保護性耕作試驗區灌溉水和降雨均不會形成徑流，故表層土損失不計入能值計算。能值產出結構為輪作系統中輸出的產物，包括作物秸稈和作物籽粒。能值轉化率參考Odum等[1]的方法計算，四種不同耕作方式和秸稈還田能量能值產投情況參見表2、表3和表4。

從表2中數據可知，在玉米小麥輪作系統中，從能值投入來看，不同耕作模式之間表現為T1﹥CK，T2﹥T1﹥T3，主要差異體現在機械、人工和作物秸稈投入方面。由于傳統耕作模式不投入秸稈，故能值投入量最小，T1較傳統耕作的能值投入增加52.28%，說明秸稈還田模式比傳統耕作前期能值投入要高出很多，主要表現在機械和作物秸稈投入，這也決定了保護性耕作前期投入大、見效慢的特點。而在秸稈還田模式下，T1能值投入最少，T2和T3較T1能值總投入分別增長3.76%和1.48%，處理間差異不明顯。

從表3可以看出：從能值投入構成來看，在購買能值中，主要以不可更新工業輔助能為主，可更新有機能為輔。不可更新工業輔助能投入表現為T2>CK>T1>T3;可更新有機能中以作物秸稈投入為主，其中T2處理下秸稈投入最多，四種不同模式下可更新有機能投入為T2>T3>T1>CK，可見秸稈還田使可更新有機能增加，農民傳統耕作的可更新有機能投入最少。

從表4可以看出，總能值投入，包括可更新環境資源、工業輔助能、可更新有機能、環境資源總投入、總輔助能投入五部分，投入大小依次為T2﹥T3﹥T1﹥CK，其中T1處理較CK能值投入增長51.69%;總能值產出，包括作物籽粒和作物秸稈兩部分，產出大小依次為T3﹥T2﹥T1﹥CK，說明秸稈還田能增加作物籽粒和秸稈產出。其中T1處理較CK能值產出增長6.70%，其它耕作模式中T3處理能值產出最大，T2處理次之，T1處理最小。小麥能值產出均高于玉米的能值產出，作物籽粒能值產出均高于作物秸稈能值產出。

2.2 能值投入結構分析

由圖2可以看出，不同耕作模式下各類型能值占總能值投入的比重，以不可更新工業輔助能F占比最大，其次是可更新有機能T，可更新環境資源R占比最小，說明這四種耕作模式對現代化機械依賴程度較大。其中CK能值投入主要依賴于不可更新工業輔助能，占比為84.18%（沒有秸稈還田），可更新有機能占比只有7.45%;而秸稈還田模式下的三種處理，可更新有機能占比分別為39.29%、41.37%、40.24%，比CK高出4～5倍，說明秸稈還田能有效增加能值投入中的可更新有機能占比，更利于農業可持續發展，有利于保護生態環境。

2.3 農業基礎水平分析

農田生態系統農業基礎水平可以通過能值自給率（ESR）、環境負載率（ELR）、購買能值比率等指標來分析[11]。分析數據（表5）可知，四種不同耕作模式下農田生態系統環境負載率為CK﹥T1﹥T3﹥T2，T2最小，為1.14，說明深松處理是減小環境壓力、促進農業可持續發展的良好模式;而對照（CK）的農田生態系統環境負載率是T1的4倍多，為5.32。這說明農民傳統耕作給農田生態系統造成巨大環境壓力，對不可更新自然環境資源依賴程度高，不利于環境資源可持續發展，應注意環境資源的合理利用和保護，而秸稈還田各耕作模式下農田生態系統對不可更新環境資源利用少，主要依靠可更新有機能值投入，達到增加能值產出目的，農田生態系統環境壓力較小。整體上來看，秸稈還田能有效降低農田生態系統的環境負載率，可通過提高秸稈資源利用率和機械使用，來降低農田對不可更新環境資源依賴程度，減輕農田環境壓力，促進農業可持續發展。

能值自給率（ESR）是指環境資源總投入占能值總投入的比重，可以反映農田生態系統對自然資源依賴程度，能值自給率值越小，表明農田系統對自然環境資源依賴程度越高[12]。由表5可知，四種處理模式下蘭底試驗區能值自給率普遍較低，農民傳統耕作模式最高為0.08，其它三種處理均為0.05，說明該地區對自然環境資源依賴程度高。

2.4 能值投入率分析

由表5可知，四種不同耕作模式的能值投入率表現為T2﹥T3﹥T1﹥CK，農民傳統耕作的農田系統能值投入率最小，為10.95，T1、T2、T3處理的能值投入率分別為CK的1.57、1.63、1.59倍。這說明T1、T2、T3處理均能有效提高農田系統能值投入率，其中T2效果最好，能值投入率最高為17.87，T3處理次之，T1最小。

由于不同處理間總輔助能值投入差異體現在作物秸稈和勞動力上，而T1、T2、T3處理增加了作物秸稈還田投入，總輔助能值增大，相當于提高每單位環境能值中經濟購買能值占比，進而提高農田生態系統能值投入率。與CK相比，秸稈還田能加強對自然環境資源開發利用程度，即在相同自然環境資源條件下， 能為農田生態系統提供更多經濟購買能值，增強該地區競爭能力和經濟發展水平;而CK的農田系統能值投入率小，農田系統對經濟購買能值的依賴程度較低，主要來自于從自然環境資源中無償獲得能值，對自然資源條件依賴程度高，不利于農田生態系統可持續發展（圖3）。這說明傳統耕作模式不利于提高自然環境資源對社會經濟活動的承受能力，比較可知，秸稈還田技術可以有效提高農田生態系統能值投入率，增強農業經濟發展水平。

2.5 凈能值產出率分析

凈能值產出率（NEYR）是指系統能值總產出與經濟能值反饋之比[12]。由表5、圖3可知，四種不同耕作模式的凈能值產出率為CK>T3>T2>T1，其中農民傳統模式下凈能值產出率最高為1.66，相比T1處理，CK模式無作物秸稈投入，系統凈能值產出率更高。這說明前期秸稈還田增加系統能值投入，使系統凈能值產出率降低;而在秸稈還田下，凈能值產出率為T3>T2>T1，說明免耕技術有利于提高系統凈能值產出率。因此在系統能值投入同等條件下，免耕處理生產出的商品經濟效益更好，在市場競爭中更具優勢。

2.6 能值投入密度分析

能值投入密度（EID）是能值總投入與土地面積的比值，即單位土地面積的能值投入量，是反映農田生態系統集約化程度高低的能值指標，能值投入密度值越大，說明農田生態系統集約化程度越高[13]。由表5可知，四種不同處理方式下，農田生態系統能值投入密度大小次序依次為T2﹥T3﹥T1﹥CK，即T2處理下農田系統能值投入密度最大為1.86E+12，T3次之，為1.82E+12，常規耕作最小，為1.79E+12。從秸稈還田方面來看，相較于農民傳統秸稈不還田模式，T1處理能值投入密度就能增加51.7%，說明秸稈還田模式的農田系統能值集約化程度和能值投入強度都大于傳統不還田模式，能提高土地面積的能值投入量、增強農田生態系統集約化程度。

2.7 可持續發展指數分析

可持續發展指數（ESI）是指農田生態系統中凈能值產出率與環境負載率的比值，是評價區域內農田系統可持續發展能力的指標[14]。由表5、圖3可知，CK、T1、T2、T3處理下農田生態系統可持續發展指數分別為0.31、0.91、1.01、1.02。從耕作方式方面看，T2和T3模式下農田生態可持續發展指數都大于1，說明這兩種模式下該地區農田生產具有良好的經濟生產活力，可持續發展潛力高，也說明深松和免耕技術都有利于促進農田生態系統可持續發展水平。從秸稈還田方面分析，CK的可持續發展指數僅為0.31，表示該模式下農田生態系統經濟發展活力低、環境負載率大，屬于消費型生態經濟系統，系統發展不可持續;而秸稈還田后T1處理的農田生態系統可持續發展指數為0.91，約是農民傳統耕作模式的3倍，接近可持續發展指數合理范圍，表明秸稈還田可以有效提高資源利用率、促進農田系統經濟產出、增強農田生態系統可持續發展能力。

3 討論

從農業基礎水平指標來看，本研究四種處理下農田能值自給率均未能達到國內平均水平，說明平度市蘭底鎮試驗區農田自給程度較低，對外界環境資源依賴性較強，也反映出該試驗區農業資源利用率較低，沒有合理挖掘出自然環境資源有效價值。其原因：為了盡快獲得經濟產出，該地區農田生態系統主要依靠化肥、農藥等可更新工業輔助能的投入，這雖在短期內提高作物籽粒產量、帶來較高經濟效益[15]，但長此以往，會對自然環境帶來更大壓力，農田自給程度降低，不利于環境保護和農業可持續發展。所以蘭底鎮試驗區應合理利用自然環境資源，減少對環境造成的壓力。

從可持續發展水平看，秸稈還田能有效降低農田生態系統的環境負載率，可通過提高秸稈資源利用率和機械使用，來降低農田對不可更新環境資源依賴程度，減輕農田環境壓力，同時秸稈還田還能提高土地面積的能值投入量，增強農田生態系統集約化程度[16]。四種不同處理（CK、T1、T2和T3）的農田生態系統可持續發展指數分別為0.31、0.91、1.01、1.02。傳統耕作模式的能值投入過度依賴于購入能值特別是不可更新工業輔助能的投入，造成農田生態系統對不可更新資源依賴程度高[17]，農業發展可持續水平低，而秸稈還田可增加可更新輔助能在能值總投入中的比重，減少不可更新工業輔助能的投入，使環境負載率降低[18]，且秸稈還田后經過深松或免耕處理作物生長良好，作物秸稈和籽粒經濟產出能值增加，繼而促進了農田生態系統的可持續發展水平。

4 結論

傳統耕作模式的農田生態系統經濟發展活力低，屬于消費型生態經濟系統，環境負載率超過秸稈還田模式的4倍。秸稈還田能有效降低農田生態系統的環境負載率，降低農田對不可更新環境資源依賴程度，減輕農田環境壓力，同時還能提高土地面積的能值投入量，增強農田生態系統集約化程度。四種不同耕作模式（CK、T1、T2和T3）的農田生態系統可持續發展指數分別為0.31、091、1.01、1.02，秸稈還田、深松、免耕均能顯著提高農田系統可持續發展水平，其中深松和免耕處理可持續發展指數均大于1，是適合本地區農業發展的良好耕作模式。

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