成都平原不同秸稈還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)運行效益研究.pdf

1、在成都平原，高投入、高污染、低效率的“石油農(nóng)業(yè)”生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)導(dǎo)致了農(nóng)田系統(tǒng)資源的過度消耗，嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，迫切需要構(gòu)建以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心的農(nóng)田系統(tǒng)運行模式。秸稈還田能夠改善農(nóng)田生產(chǎn)條件，提高農(nóng)作物產(chǎn)出，是實現(xiàn)農(nóng)田經(jīng)濟系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的有效途徑之一，因而秸稈還田耕作制度的技術(shù)研究和推廣應(yīng)用一直是廣大農(nóng)業(yè)科研工作者集中解決的前沿課題，更是各級政府和農(nóng)技推廣部門關(guān)注的焦點。
　　基于此，本文

2、立足于成都平原農(nóng)作物秸稈資源豐富且存在較大秸稈消納空間的實際，針對成都平原普遍推行的稻麥輪作制，從農(nóng)田系統(tǒng)三大基本功能—物質(zhì)循環(huán)、能量流動和價值轉(zhuǎn)移著手，定量分析了成都平原不同秸稈還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分物質(zhì)(N、P、K)的投入產(chǎn)出狀況及其產(chǎn)量效應(yīng)，厘清了系統(tǒng)的能量流動特征和經(jīng)濟效益，并通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，綜合對比分析了不同秸稈還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)的運行效益，進而提出了適宜成都平原稻麥輪作區(qū)的秸稈還田建議。全文的主要研究結(jié)論如下:
　　

3、(1)通過查閱相關(guān)資料和數(shù)據(jù)分析，闡述了現(xiàn)階段成都平原農(nóng)田系統(tǒng)的利用結(jié)構(gòu)與特點，以及存在的主要問題，即農(nóng)田數(shù)量逐年減少，農(nóng)田保護形勢日益嚴(yán)峻;農(nóng)田系統(tǒng)過度開發(fā)利用，土壤肥力不高、酸化加劇;農(nóng)田土壤污染日趨嚴(yán)重，土壤環(huán)境質(zhì)量不斷下降。
　　(2)農(nóng)田系統(tǒng)的養(yǎng)分效益分析表明，較常規(guī)施肥模式(CF)，秸稈還田模式有效提升了稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的養(yǎng)分物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用率，有助于培肥地力并提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，其中:從養(yǎng)分物質(zhì)盈虧狀況和產(chǎn)投比角度分析

4、，秸稈半量還田模式(CFS1)存在鉀素虧缺，而秸稈1.5倍量還田模式(CFS3)由于養(yǎng)分物質(zhì)盈余過大而導(dǎo)致了較低的施肥效益，因而秸稈全量還田模式(CFS2)對于稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)具有更為有效且全面的養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)功效。
　?、佥^CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式通過增施氮肥（還田秸稈含氮量）33.15kg/hm2、66.29 kg/hm2和99.44 kg/hm2，促使稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的氮素輸出量分別提高了88.91 kg/h

5、m2、55.15 kg/hm2和33.98 kg/hm2，盈余量增大了-55.76 kg/hm2、11.15kg/hm2和65.47 kg/hm2，產(chǎn)投比提升了18.24％、4.88％和-3.72％?？梢姡^CF模式，CFS1和CFS2模式有效提高了農(nóng)田系統(tǒng)的氮肥施用效益。
　　②較CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式通過增施磷肥（還田秸稈含磷量）8.35 kg/hm2、18.30 kg/hm2和25.05 kg/hm2，促

6、使稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的磷素輸出量分別提高了8.53 kg/hm2、8.26 kg/hm2和12.15 kg/hm2，盈余量增大了-0.18 kg/hm2、8.44 kg/hm2和12.90 kg/hm2，產(chǎn)投比提升了3.78％、1.83％和3.24％?？梢?，較常規(guī)施肥模式，秸稈還田模式有效提高了稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的磷素盈余量和磷肥施用效益。
　?、圯^CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式通過增施鉀肥（還田秸稈含鉀量）111.77k

7、g/hm2、223.52 kg/hm2和335.29 kg/hm2，促使稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的鉀素輸出量分別提高了103.80 kg/hm2、45.66 kg/hm2和78.88 kg/hm2，虧缺量減少了7.95 kg/hm2、177.85kg/hm2（扭虧轉(zhuǎn)盈）和256.40 kg/hm2（扭虧轉(zhuǎn)盈），產(chǎn)投比下降了16.60％、62.53％和72.25％（CF模式的鉀素產(chǎn)投比遠超100％）?？梢?，較常規(guī)施肥模式，秸稈還田模式明顯改善了農(nóng)

8、田系統(tǒng)的鉀素虧缺狀況，并在秸稈高量還田模式（CFS2和CFS3模式）下實現(xiàn)了鉀素盈余。
　?、懿煌斩掃€田模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的氮素、磷素和鉀素的內(nèi)部循環(huán)利用率、輸入量、盈余量和循環(huán)通量均隨著秸稈還田量的增加而增大（其中在CFS1模式下，鉀素為虧缺狀況），即表現(xiàn)為CFS3＞CFS2＞CFS1，而養(yǎng)分物質(zhì)的產(chǎn)投比總體上則呈現(xiàn)出隨秸稈還田量的增加而降低的趨勢，即表現(xiàn)為CFS1＞CFS2＞CFS3。顯然，秸稈還田量的增加有效提高了農(nóng)

9、田系統(tǒng)養(yǎng)分物質(zhì)的盈余量，但由此降低了養(yǎng)分物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用效率。
　?、萁斩掃€田顯著提高了稻麥產(chǎn)量，其中較CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式的水稻產(chǎn)量分別提高了27.13％、23.24％和13.18％，小麥產(chǎn)量分別提高了8.41％、9.66％和19.63％。需要指出的是，較常規(guī)施肥模式，秸稈還田模式明顯提高了農(nóng)田系統(tǒng)的磷素產(chǎn)出率，但對于氮素和鉀素產(chǎn)出率，秸稈高量還田模式（CFS2和CFS3模式）無提升效果，而不同秸稈還田模式下

10、，氮素、磷素和鉀素產(chǎn)出率均表現(xiàn)為CFS1＞CFS2＞CFS3，即養(yǎng)分物質(zhì)產(chǎn)出率隨著秸稈還田量的增加而降低。
　　(3)農(nóng)田系統(tǒng)的能值分析表明，較常規(guī)施肥模式，秸稈還田模式提高了農(nóng)田系統(tǒng)的能值產(chǎn)出，減輕了農(nóng)田生產(chǎn)對環(huán)境的壓力，有助于系統(tǒng)的持續(xù)、高效發(fā)展，特別是秸稈高量還田模式（秸稈全量還田和秸稈1.5倍量還田模式）具有較強的可持續(xù)發(fā)展性能。
　?、俨煌斩掃€田模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的總能值投入和總能值產(chǎn)出均表現(xiàn)出隨秸稈還田量

11、的增加而增大的趨勢，即CFS3＞CFS2＞CFS1＞CF，其中CF、CFS1、CFS2和CFS3模式下農(nóng)田系統(tǒng)可更新有機能投入占總能值投入的比例分別為7.15％、21.57％、32.06％、40.07％，表明隨著秸稈還田量的增加，能值投入中可更新有機能的比重逐漸增大，系統(tǒng)生產(chǎn)對于工業(yè)化肥的依賴性逐漸下降，系統(tǒng)自我維持能力逐漸增強。
　　②較CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式通過增投有機肥能值（秸稈）4.04E+15sej/

12、hm2、8.08E+15 sej/hm2和1.21E+16 sej/hm2，促使能值反饋率和能值投入密度分別提高了21.24％、42.42％、63.55％和0.41E+12 sej/m2、0.82E+12 sej/m2和1.23E+12 sej/m2，凈能值產(chǎn)出率提升了0.23、0.24和0.27，能值-勞動生產(chǎn)率提高了0.27E+14 sej/h、0.20E+14 sej/h和0.19E+14 sej/h，環(huán)境負(fù)載率降低了1.63、2

13、.24和2.56，能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)提升了0.42、0.78和1.17?？梢姡斩掃€田模式在提高了稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率和能值-勞動生產(chǎn)率的同時，降低了系統(tǒng)環(huán)境負(fù)載率，進而有效提升了農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能，增強了系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿Α?br>　?、鄄煌斩掃€田模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的能值反饋率、能值投入密度和凈能值產(chǎn)出率均隨著秸稈還田量的增加而提高，即表現(xiàn)為CFS3＞CFS2＞CFS1。盡管農(nóng)田系統(tǒng)的能值-勞動生產(chǎn)率呈現(xiàn)出CFS1＞

14、CFS2＞CFS3的趨勢，但隨著秸稈還田量的增加，系統(tǒng)環(huán)境負(fù)載率逐漸下降（分別為1.95、1.34和1.02），系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能得以從不可持續(xù)狀態(tài)（CFS1模式）轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)狀態(tài)（CFS2和CFS3模式）。
　　(4)農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析表明，較常規(guī)施肥模式，秸稈還田模式有效提高了農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，尤其是秸稈半量還田和秸稈全量還田模式表現(xiàn)出較高的經(jīng)濟產(chǎn)投比和生產(chǎn)凈收益，因而具有較強的市場競爭力以及大面積推廣的經(jīng)濟效益基礎(chǔ)。<

15、br>　?、俳?jīng)濟產(chǎn)出方面，不同秸稈還田模式的經(jīng)濟產(chǎn)值表現(xiàn)為CFS1＞CFS2＞CFS3＞CF，產(chǎn)值分別為41084元/hm2、40373元/hm2、39345元/hm2和34081元/hm2。較CF模式，CFS1、CFS2和CFS3模式的稻麥產(chǎn)值分別提高了20.55％、18.46％和15.45％。
　?、诓煌斩掃€田模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的凈收益、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟產(chǎn)投比均表現(xiàn)為CFS1＞CFS2＞CFS3＞CF。這表明:較常規(guī)施

16、肥模式，秸稈還田模式下農(nóng)田生產(chǎn)潛力得到了更好的釋放，由此帶來了更高的經(jīng)濟收益;而在不同秸稈模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的經(jīng)濟效益表現(xiàn)出隨秸稈還田量的增加而下降的趨勢。
　?、墼囼灄l件下，勞動投工和秸稈還田投工的規(guī)模報酬均為正值，其中:勞動投工的生產(chǎn)彈性系數(shù)為7.718，即該投入要素處于收益遞增階段;而秸稈還田投工的生產(chǎn)彈性系數(shù)僅為0.024，即該投入要素處于收益遞減階段。
　　(5)運用文獻查閱和專家咨詢，初步建立了秸稈還田模式

17、下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)運行效益的綜合評價方法。評價結(jié)果表明，秸稈還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)運行效益要優(yōu)于常規(guī)施肥模式，其中:秸稈全量還田模式下農(nóng)田系統(tǒng)的運行效益最高，秸稈半量還田和秸稈1.5倍量還田模式次之。在秸稈全量還田模式下，稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)的養(yǎng)分物質(zhì)在盈余狀態(tài)下持有較高的施用效益，進而表現(xiàn)出可觀的生產(chǎn)凈收益和經(jīng)濟產(chǎn)投比以及較小的環(huán)境負(fù)載，系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能較強。因此，針對秸稈覆蓋還田耕作制度，就成都平原典型稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)而言，秸稈全量還田模

18、式最適合在成都平原稻麥輪作區(qū)推廣應(yīng)用。
　　本研究的主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下兩個方面:
　　(1)研究思路的創(chuàng)新
　　農(nóng)田系統(tǒng)作為一個開放性的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其運行涉及到系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流和價值流的耦合，十分復(fù)雜，即單一的技術(shù)方法或?qū)W科視角僅能在一定程度上解決其運行過程中的一個或幾個方面的問題，難以全方位、多角度地把握問題的根源和實質(zhì)。因此，本研究以農(nóng)田資源管理學(xué)理論和物流能流理論為理論基礎(chǔ)，從農(nóng)田系統(tǒng)三大基本功能—物質(zhì)循環(huán)

19、、能量流動和價值轉(zhuǎn)移著手，系統(tǒng)分析了不同秸稈還田模式下稻麥輪作農(nóng)田系統(tǒng)中養(yǎng)分物質(zhì)的收支狀況、產(chǎn)量效應(yīng)、能量流動特征和經(jīng)濟效益，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了農(nóng)田系統(tǒng)運行效益的綜合評價指標(biāo)體系和評價方法。這為區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的高效運行以及相關(guān)政策的制定提供了科學(xué)依據(jù)，同時也為今后的研究提供了可供參考的研究思路。
　　(2)研究方法與材料創(chuàng)新
　　根據(jù)研究內(nèi)容，本文在研究方法的選擇上，注重自然科學(xué)與社會科學(xué)研究方法的綜合運用與交叉融合，這在農(nóng)