成都平原不同秸秆还田模式下稻麦轮作农田系统能值分析

[目的]探索成都平原高产条件下稻麦轮作农田系统适宜的秸秆还田模式,为区域秸秆资源的农业循环再利用和农田系统的可持续发展提供一定的实践指导与科学依据。[方法]在田间定位试验中,设置了常规施肥(CF)、秸秆半量还田(CFS1)、秸秆全量还田(CFS2)和秸秆1.5倍量还田(CFS3)4种施肥模式,应用能值分析方法探讨了不同农田系统的能值投入产出总量、结构及综合指标的变化。[结果](1)从能值结构看,较CF模式,秸秆还田模式降低了农田系统能值投入中工业辅助能的比重,增强了系统的自给能力,并提高了系统总能值产出;(2)从能值指标看,较CF模式,秸秆还田模式提高了农田系统的净能值产出率、能值投入率、能值反馈率、能值生产力和能值—劳动生产率,降低了环境负载率,有效提升了农田系统的可持续发展性能,增强了系统的发展潜力,其中CFS2和CFS3模式的养分物质内部循环利用率较高,环境负载率较小,有利于农田系统的持续、高效运行。[结论]CFS2和CFS3模式是成都平原稻麦轮作农田较优的秸秆还田生产模式。     

基于能值-生态足迹修正模型的区域可持续发展研究——以江苏省南通市为例

在系统分析能值—生态足迹模型缺陷的基础上,通过增加人工投入指标,统一能值密度以及引入折能/折标系数对其进行了修正,并采用修正后的模型对江苏省南通市1996—2010年的可持续发展水平进行了测算。结果表明:(1)1996—2010年间南通市人均生态足迹由0.65hm2增长到0.90hm2,主要是由能源消费量的增加引起的;(2)同期南通市人均生态承载力由0.51hm2增长到0.81hm2,这主要是由农、畜产品产量提高和水电开发力度加大引起的,而通过劳务和资金投入提高承载力的空间很大;(3)1996—2010年南通市一直处于生态赤字状态,可持续性评价指数也都在0.5以上,区域发展处于不可持续状态。为进一步缩小生态承载力与生态足迹之间的差距,应采取以下措施:引导重点行业和企业节能降耗,大力发展新能源;加大农业科技投入,继续提高农产品产量;重视人力资源的投入,促使经济发展方式向技术密集型和资本密集型转变。     

基于能值方法的成都平原农田生态系统秸秆循环利用模式研究

本文采用能值分析方法与理论,以成都平原"稻-麦"轮作农田生态系统不同秸秆循环利用模式为研究对象,通过系统定位试验与随机抽样调查,对农田生态系统常规施肥生产模式(CF)、秸秆直接还田生产模式(CFS)和食用菌菌废料还田生产模式(按物质投入量不同分为FR1、FR2和FR3)的能值投入产出进行比较。研究表明:CF和CFS模式不可更新能值投入比例较大,主要依附工业辅助能的投入;不同模式系统的总能值产出量依次为CFFR2CFSFR1FR3,与CF和CFS模式相比,FR1、FR2、FR3模式的产投比相对较大,FR2模式最大,其产投比为2.35。菌废料还田生产模式下农田生态系统有机能值占系统总能值比例较高,系统净能值产出率高,环境负载率较低,环境压力小,可持续发展性能较强,FR2菌废料还田生产模式是最适合成都平原的秸秆循环利用生产模式。     

基于能值生态足迹法的集约化农田生态系统可持续性评价

生态足迹(ecological footprint,EF)和能值分析(emergy analysis,EA)是评价区域或系统可持续性的重要方法,能值生态足迹(emergy ecological footprint,EEF)将二者相结合,把系统的外部性纳入评价指标体系,能够更全面、更准确地测度资源消耗及环境影响,为区域农业面源污染防治提供科学参考依据。该研究应用EEF方法对山东省桓台县冬小麦-夏玉米高投入高产出模式的可持续性进行了深入评价,研究结果表明:与1996年相比,2012年系统能值总投入减少了3.15%,而系统的能值产出容量(emergy output capacity,EOC)却增加了6.23%,系统效率显著提高。与1996年相比,2012年该系统的EEF从40.93 hm2减小为39.60 hm2,减少了3.25%,EEF分别是能值生态承载力(emergy carrying capacity,ECC)的16.44倍和15.78倍,生态赤字分别为38.44 hm2和37.09 hm2,减少了3.51%;从系统可持续性看,资源负载指数(resource load index,RLI)减少4.01%,环境负载指数(environmental load index,ELI)减少27.90%,系统外部性降低了8.05个百分点,系统可持续发展指数(sustainability index,SI)增长了9.64%。总体上看,与1996年相比,2012年冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统的生态赤字呈下降趋势,系统的可持续性有所提高,农业面源污染防治初见成效,但资源消耗仍然保持较高水平,粮食生产的环境压力依然严峻,农业面源污染防治工作需要进一步加强。     

成都平原典型秸秆循环利用模式的生命周期评价

运用生命周期评价理论,对成都平原典型秸秆循环利用模式的环境影响进行评估,探讨了不同农田生产模式的资源消耗与环境影响特征。结果表明:"稻–(菌废料)–麦"模式(FR模式)的温室气体排放总CO2当量为1.44×107 g CO2-eq,为3种模式中最小值,而"稻–(秸秆)–麦"模式(CFS模式)排放量最高;与传统农田生产模式(CF模式)比较,CFS和FR两种秸秆循环利用模式的环境酸化潜力,分别由6.44×104 g SO2-eq降至3.10×104 g SO2-eq和1.21×104 g SO2-eq,分别下降了51.85%和81.21%;CFS和FR模式的水体富营养化潜力相比CF模式,分别降低了24.21%和52.28%。从CF、CFS到FR模式,土壤毒性潜力逐渐下降,但3种模式中土壤重金属的残留比例仍然较高。3种秸秆循环利用模式的农作系统是造成潜在气候变暖、环境酸化、富营养化和土壤毒性的主要环节。由此,"稻–(菌废料)–麦"模式有利于节能减排,缓解全球气候变暖,降低环境影响潜力。     

土地开发整理的生态足迹评价--以浙江省淳安县为例

对生态足迹模型方法的背景、理论和计算方法作了简要介绍,并利用生态足迹模型对1997~2003年期间浙江省淳安县土地开发整理的效果进行了测算和评价,结果表明开发整理使淳安县2004年生态足迹需求减少了11.43%。指出生态足迹分析方法对土地资源的生态价值评估具有重要意义,可以对土地资源的合理高效利用起到指导决策的作用。     

县域稻麦轮作系统碳足迹分析——以江苏兴化为例

碳中和是中国当前面临的巨大挑战,而农业是温室气体的重要排放源。研究旨在明确县域尺度农业生产过程中的碳足迹水平,并分析相关影响因素,以了解碳足迹的调控手段。基于江苏兴化稻麦轮作区域农户调研数据(调研内容包括土地状况、作物种植、物料投入、农事操作、相关机械),运用生命周期分析方法分析了稻麦轮作系统碳足迹水平、构成和潜在影响因素,并探究了碳足迹与经济效益的关系。结果表明,兴化县域稻麦轮作系统稻麦周年单位面积碳足迹和单位产量碳足迹分别为13006.2 kg CO₂-eq·hm-2和0.86 kg CO₂-eq·kg-1。碳足迹组成中,CH4占水稻季碳足迹的68%,N2O占小麦季碳足迹的45%。除温室气体外,水稻季各部分占比从高到低依次为肥料、能源消耗、农药和种子,而小麦季中能源消耗占比则高于肥料。稻麦轮作系统碳足迹与肥料投入和柴油投入呈正相关关系。稻麦轮作系统碳足迹与氮肥偏生产力一定范围内呈负相关,在氮肥偏生产力到达临界值(20.2 kg·kg-1)后不变。小麦季碳足迹与氮肥偏生产力和农田经济效益呈显著负相关关系。稻麦轮作系统碳足迹随农户受教育水平的提高呈下降趋势。研究表明,兴化县域稻麦轮作系统碳足迹的降低有助于其农田经济效益的提升,其中降低肥料投入和能源损耗是调控碳足迹的首要途径。     

基于能值理论的水土保持生态效应评价——以山西省长治市为例

运用能值理论分析方法,选取2004-2014年的统计数据,对长治市水土流失治理生态经济系统的投入产出能值及主要能值指标进行分析.研究表明:系统能值投入波动较大,整体呈增加趋势,最低值为2008年的3.91×1021sej,最高值为2011年的4.33 ×1021 sej;系统总能值产出呈现整体增加、局部时间段下降趋势,最低值为2010年的5.95 ×1021sej,最高值为2014年的7.62 ×1021sej,其中2大主导产业中畜牧业整体呈增加趋势、农业中蔬菜产量不断增加都说明水土保持措施取得了一定成效;主要能值指标中,净能值产出率均＞1、可持续发展指数1＜ESI＜ 10,说明长治市水土保持措施的合理性与可持续性.能值理论分析表明,长治市水土流失治理生态经济系统的综合水平总体上呈现上升趋势,系统可持续发展状态良好,生态和经济向着平衡方向发展.     

基于生态足迹的鲁西北生态经济可持续发展研究——以德州市为例

生态足迹方法是一种定量衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供生命服务功能的新方法。将该方法应用于鲁西北地区的德州市生态经济发展分析,结果表明2002-2006年德州市人均生态足迹由1.373 5 hm²增长到3.703 6 hm²,年均增长33.93%;人均生态承载力由0.493 7 hm²增长为0.560 2 hm²,年均增长2.69%;人均生态赤字由1.174 hm²增加到3.067 hm²,年均增长32.25%,人类活动对自然生态系统的影响已超出了当地生态承载力的限度,并不断加速,人地关系趋于紧张。     

基于长期定位试验的典型稻麦轮作区作物产量稳定性研究

为探讨长期施肥条件下作物持续稳产和高产的途径,利用始于1980年的江苏太湖典型稻麦轮作区水稻土长期定位试验,分析水稻和小麦不同年份产量数据和土壤养分数据,研究了长期不同施肥方式对作物产量稳定性的影响,以及作物产量波动和土壤养分变化相关性。结果表明：各处理试验小区水稻和小麦的平均产量均呈锯齿状波动,受气候和其他因素影响不同年份间的产量变动差异较大。数十年期间,各施肥处理包括对照的水稻和小麦产量均有增长趋势,水稻增产趋势较小麦明显,小麦产量年际间的波动较大。有机肥与化肥配施和秸秆还田较单施化肥或有机肥有更明显的增产效果。水稻产量的稳定性高于小麦,各处理水稻产量的变异系数（CV）较小麦低,而稳定性系数（SYI）较高。其中MPK（有机肥+化肥磷钾）处理的产量稳定性最高,而MNPK（有机肥+化肥氮磷钾）的稳定性最低。施化肥尤其是氮肥可能是造成产量稳定性降低的一个因素。氮肥是增产的主要因素,也可能是引起稻田生态系统稳定性降低的因素。水稻和小麦产量与土壤氮素之间的相关性较显著、相比旱季,在稻季条件下,水稻产量稳定性更高,且增产趋势更明显,说明稻田土壤生态系统可能稳定性较高,并且随着耕作年限的延长其稳定性有提高趋势。     

稻麦轮作农田生态系统服务功能价值评估

采用市场价值法、替代工程法和影子价格法,对江苏省典型的种植模式——稻麦轮作农田生态系统的包括农产品生产、大气调节、涵养水分和蓄积洪水、营养物质循环以及保持土壤等主要的生态服务功能价值进行评估分析。结果表明,当前单位面积稻麦轮作农田生态系统服务功能所提供的年平均价值为45 998.08元·hm-2·a-1,其中对环境的调节功能价值为26 458.86元·hm-2·a-1,是直接服务功能农产品生产价值的1.35倍。稻麦农田生态系统每投入1元成本,将会产生3.58元的环境效益。在稻麦轮作农田生态系统环境调节功能中,对大气的调节功能占主体,占总环境调节功能价值的62.20%。政府部门在进行土地利用决策时,应将农田生态系统的环境调节功能重点加以考虑。     

生态足迹模型及其改进模型在耕地评价中的应用

耕地是一种公众资源,承载着保证粮食安全、满足工业化和城市化用地需求,以及生态建设退耕还林还草要求等功能。运用传统生态足迹模型及区域能值足迹模型、耕地能值足迹模型两种能值改进模型,从时间序列上(1978～2007年)对新疆耕地资源利用进行了评价,并分析了3种模型的优缺点。结果表明:1978～2007年间,新疆人均耕地生态足迹不断上升,而人均生态承载力呈无规律变化,但变化幅度较小;新疆耕地生态可持续发展指数不断下降。耕地能值足迹模型显示,新疆耕地可持续发展指数由1978年的5.63下降到2007年的0.60,新疆耕地利用逐步由可持续状态(1978～2000年)恶化为不可持续状态(2001～2007年)。3种模型的对比研究表明:区域能值足迹模型不适合对耕地利用进行评价,只能从总体上分析一个区域的可持续状况;耕地能值足迹模型评价效果最好,能更客观地反映出耕地利用的可持续状态及其变化,在一定程度上克服了传统生态足迹模型的不足和缺陷。     

陕西省2002年生态足迹分析

利用生态足迹分析法对陕西省2002年的生态足迹和生态承载力进行研究结果表明,陕西省2002年人均生态足迹为1.093hm2,人均生态承载力为0.927hm2,人均生态赤字0.166hm2,陕西省的发展处于不可持续状态。研究结果对该省经济发展、社会进步及生态环境保护具有宏观指导意义。     

中国生态足迹的动态研究

通过对中国1978~2003年的生态足迹的动态研究,获得中国生态足迹和生态承载力预测模型。结果表明中国人均生态足迹由1978年的0.8992hm2逐年增加至2003年的2.2522hm2,人均生态承载力由0.7722hm2增加到0.8819hm2。中国1978年的人均生态赤字为0.127hm2,2003年人均生态赤字增至1.3702hm2。预测中国2010年和2015年人均生态足迹分别为2.7767hm2和3.1717hm2,人均生态承载力分别为1.0224hm2和1.1319hm2,人均生态赤字分别达1.7543hm2和2.0398hm2。说明中国现有的发展模式是不可持续的,生态环境处于不安全状态,生态安全和经济发展间的矛盾加剧。     

稻麦轮作下秸秆还田对稻麦产量和稻田可溶性有机碳含量的影响

为阐明稻麦轮作体系下秸秆还田对作物产量与稻田可溶性有机碳（DOC）的影响,通过连续2年盆栽试验研究了两种典型土壤（壤土和黏土）在无秸秆还田、半量秸秆还田、全量秸秆还田3种处理下稻麦产量和稻季土壤溶液DOC浓度的动态变化。结果表明,秸秆还田显著增加了两种土壤大多数处理的水稻产量,增幅1.6%~11.9%,其中全量秸秆还田的增产效果大于半量秸秆还田（第1年不显著,第2年显著）。秸秆还田对小麦产量的影响因土壤类型而异,壤土中小麦产量显著增加7.2%~10.6%（第1年）或增产不显著（第2年）,但全量秸秆还田和半量秸秆还田处理之间没有显著差异;黏土中小麦显著减产（5.0%~9.3%）,其中第2年的全量秸秆还田减产效应显著大于半量秸秆还田。秸秆还田及土壤类型显著影响水稻前期（烤田之前）的土壤溶液DOC浓度,全量秸秆还田、半量秸秆还田分别比无秸秆还田处理平均增加141.7%、61.9%,壤土比黏土平均增加89.6%;间歇淹水之后,所有秸秆还田处理及土壤类型的DOC浓度均迅速降低。总体上,秸秆还田对两种土壤的水稻增产都有利,但对黏土小麦增产不利,秸秆还田显著增加了稻田前期的DOC浓度,间歇淹水可以迅速降低稻田DOC浓度。     

华北平原主要种植模式农业地下水足迹研究——以河北省吴桥县为例

本研究采用地下水足迹分析方法,以华北平原传统冬小麦-夏玉米两熟区河北省吴桥县为例,开展冬小麦、夏玉米两熟复种体系农业地下水资源消耗研究,在此基础上分析了不同作物地下水足迹对地下水资源的影响,以期为华北平原地下水超采区种植结构调整提供理论依据。研究结果表明,自1949年以来,吴桥县冬小麦地下水足迹均高于夏玉米,历年冬小麦和夏玉米的地下水足迹均值分别为89.02 km~2和29.84 km~2。从变化趋势来看,吴桥县冬小麦和夏玉米的地下水足迹均呈波动上升的趋势。而作物地下水足迹胁迫指数(GF/Aaq),冬小麦基本处于中等程度胁迫(0.1GF/Aaq1),夏玉米绝大多数年份处于较轻程度胁迫(0.01GF/Aaq0.1),但两种作物胁迫指数近年来不断增加。对该区域其他作物地下水足迹计算结果表明,夏花生和马铃薯的每平方米地下水足迹较低,分别为2.08×10~(-7)km~2和1.94×10-7 km~2,且两者的每平方米地下水足迹胁迫指数在被比较作物中同样最低,分别为3.57×10~(-10)和3.34×10~(-10)。根据作物比较认为传统冬小麦-夏玉米种植模式可以通过在农作制度调整过程中将花生、马铃薯作为替代作物引入到当地的种植结构中,可在一定程度上减少对地下水资源的消耗,从而缓解区域环境中的地下水资源压力。因此,为改善华北平原农业地下水资源的利用状况,可以通过调整作物种植结构,增加低耗水作物与主粮作物复种轮作的面积有效控制地下水资源的开采,实现农业的可持续发展。     

基于三维生态足迹模型扩展的土地承载力指数研究——以河北省为例

河北省地理条件优越,经济发展迅速,但也面临着资源短缺,生态恶化等问题,可持续发展受到严重阻碍,为实现可持续发展,必须维持自身的自然资源存量。因此,测量河北省居民对自然资源的需求与自然所能够提供资源的差距有极其重要的意义。本文通过将Niccolucci三维生态足迹模型中足迹深度的取值范围从≥1扩展到≥0,运用统一的三维模型框架分析生态盈余状态,实现了人类生产生活中对资源流量和存量占用程度在核算上的统一,并得到了河北省2002—2016年的生态足迹、赤字盈余及足迹深度。在此基础上,引入农产品压力指数、水资源压力指数、碳汇压力指数、建设压力指数和土地综合负担指数等土地压力评价指数,判断当前土地是否处于超载状态及超载程度。结果显示:1)2002—2016年河北省的人均生态足迹不断升高,但人均生态生产性土地面积变化较小。2)河北省足迹深度较大,尤其是水域和化石燃料用地,河北省居民生产生活消耗的自然资源远远超过了资源流量,造成了河北省资源存量大量消耗。3)河北省生态赤字较为严重,2016年的生态赤字为3.26hm2·人-1。4)农产品压力指数、水资源压力指数、碳汇压力指数、土地综合负担指数均大于1,且水资源压力指数、碳汇压力指数、土地综合负担指数的值均在10以上,河北省面临严重的土地压力,居民的生产生活对各类生态生产性土地造成了严重的负担。以上4点说明河北省对资源的需求远远大于供给,可持续发展受到严重阻碍。河北省要实现可持续发展,必须要节能减排、保护环境、减少资源浪费。