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。     

不同施肥和秸秆还田措施对稻麦轮作系统碳氮流失的影响

过量施肥和秸秆的处理问题一直是制约我国农业生态可持续发展的阻碍,并因此产生了诸多环境问题。采用DNDC模型对减量化施肥和秸秆还田措施下稻麦轮作系统中碳氮的迁移转化过程进行模拟,从而筛选适用于上海地区稻麦轮作系统中的最佳农田管理措施。结果表明:减量化施肥与秸秆还田均能显著影响稻麦轮作系统的氮素流失、温室气体排放和土壤碳储量变化。75%CK+SR处理即减量25%施肥量同时采用秸秆还田是适用于上海地区稻麦轮作系统中的最佳农田管理措施,能够在获得最佳水稻产量的同时有效减少41.67%的氮素流失量和51.85%的N_2O排放量。虽然秸秆还田会增加稻麦轮作系统的CH_4排放量,但同时也能显著增加土壤的碳储量。减量化施肥50%的处理(50%CK和50%CK+SR)则会导致水稻减产3.06%~9.90%。与目前上海地区传统的田间管理措施CK相比,75%CK+SR能够有效改善稻麦轮作系统的生态环境效益。研究结果为我国稻麦轮作系统碳氮流失的控制提供了参考。     

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。     

南方双季稻区生物质炭还田模式生态效益评价

应用生态经济系统能值分析理论与方法,引入环境污染指数和能值反馈率2个新的指标,分析了无秸秆还田(CK,即常规施肥处理)、低量秸秆还田(LS)、高量秸秆还田(HS)、低量秸秆源生物质炭施用(LC)和高量秸秆源生物质炭施用(HC)5种秸秆还田模式的能值效益,从农业可持续发展水平来评价南方双季稻区最佳管理模式。结果表明:秸秆还田显著增加了农田温室气体能值产出,LS、HS处理分别是CK处理的1.94倍和2.92倍,分别减少了8.13%和10.80%的水稻生物量能值产出。秸秆源生物质炭还田温室气体能值产出与常规施肥处理(CK)差别不大,但明显低于秸秆直接还田,减少了49.10%~59.36%。秸秆源生物质炭还田增加了水稻生物量能值产出,比常规施肥处理(CK)增加了4.32%~10.49%,比秸秆直接还田增加了16.96%~20.27%。5种秸秆还田模式,能值产投比早稻季依次为:LCHCCKHSLS,晚稻季依次为:HCLCCKLSHS。综合评价双季稻生态系统可持续发展水平,早稻和晚稻季节HC均高于其他模式。因此,从能值效益角度,高量秸秆源生物质炭还田是该区域双季稻生产中最优的秸秆还田模式,可以大力推广。     

长期秸秆还田提升稻麦轮作系统土壤供钾容量和强度

[目的]农作物秸秆中含有丰富的钾素,秸秆还田不仅为植物生长提供钾素,还可以补充农田土壤钾库容.本研究利用动力学模型,评估长期秸秆还田对土壤供钾能力的影响.[方法]基于稻麦轮作制长期秸秆还田定位试验,设置4个处理:秸秆不还田、不施肥(CK);不施肥、每季秸秆还田量为6000 kg/hm2(RS);施化肥、秸秆不还田(NP...     

长期施肥对稻麦轮作紫色土有机碳组分及酶活性的影响

为了探明西南地区长期不同施肥处理对稻麦轮作紫色土有机碳组分和碳循环相关水解酶活性的影响,依托重庆北碚29年稻麦轮作紫色土长期定位试验,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、有机无机配施(NPKM)、秸秆还田配施含氯化肥[(NPK)clS]和秸秆还田配施无机肥(NPKS)5个处理,测定土壤各组分有机碳含量及与土壤碳...     

稻麦轮作条件下菌渣还田对土壤剖面养分分布的影响

[目的]揭示菌渣还田提升耕地土壤质量的机理,以期为种植业固体废弃物的资源化利用提供理论依据。[方法]以成都平原稻麦轮作区为研究对象,进行为期1a的田间小区试验。共设置常规化肥(CF)、等氮量还田(T_1)、1.5倍氮量还田(T2)、2倍氮量还田(T3)和2.5倍氮量还田(T_4)5个处理;分别在水稻种植期和小麦种植期采集0—15cm,15—30cm,30—50cm土层土样,对土壤样品的全量养分进行测定。[结果](1)化肥施用或菌渣还田后,0—15cm土层养分含量显著高于15—50cm土层(p0.05);(2)不同处理下土壤养分的变化与常规施肥(CF)相比,在水稻季土壤中,T_4处理下的土壤含有较高的全氮和全钾养分含量水平,T2,T3和T4能有效提高全磷养分含量;在小麦季土壤中,T4能有效提高土壤全氮、全磷含量,全钾在不同菌渣处理条件下的含量与常规施肥相比差异不显著(p0.05);(3)T_1、T_2、T_3和T_4处理下的土壤养分含量均大致呈现出随着还田量的增加而增加的变化趋势。[结论]高量菌渣还田能有效提高土壤全氮、全钾、全磷养分含量,中量菌渣还田能有效提高全磷含量。     

太湖地区长期不同施肥水稻土N2和CO2固定细菌群落结构的特征与差异

土壤N2固定细菌和CO2固定细菌是土壤碳氮循环重要的微生物群落,不同施肥下土壤有机碳积累与这两类微生物群落结构及活性的关系有助于了解施肥对农田碳氮循环的影响特点.本文研究了太湖地区自1987年开始的水稻土长期施肥试验,选取不施肥(NF)、氮磷钾(NPK)肥(CF)、NPK肥与猪粪配施(CFM)和NPK肥与秸秆还田配施(CFS)小区,采集(0-20 cm)表层样本,以nifH和cbbLR基因分别作为N2和CO2固定细菌的指示基因,用PCR-DGGE和荧光定量PCR的方法研究二者的群落结构,并用平板菌落计数法测定土壤自生固氮细菌数量和用乙炔还原法测定土壤固氮酶活性.结果表明,与CF处理相比,CF、CFM和CFS处理下的自生固氮细菌数量分别提高了58％、66％和106％;CF、CFM和CFS处理下的nifH基因丰度分别提高了213％、1079％和344％.CF与CFM处理的土壤固氮酶活性显著高于NF和CFS处理.因此,施肥提高了cbbLR基因的多样性.与NF处理相比,CF、CFM和CFS处理下的cbbLR基因丰度分别提高了465％、1827％和758％.相关性分析表明,土壤自生固氮菌数量与土壤有机碳含量呈显著正相关,cbbLR和nifH基因丰度均与归一化的土壤养分呈极其显著正相关.研究表明,有机/无机肥配施下土壤养分平衡对维持N2和CO2固定细菌较高的丰度具有重要的作用.     

秸秆还田对稻麦轮作农田活性有机碳组分含量、酶活性及产量的短期效应

【目的】秸秆还田作为一种有效的秸秆处理方式不仅能够提高土壤肥力,增加作物产量,还可以缓解农田生态压力。研究稻麦轮作系统下不同秸秆还田量对土壤活性有机碳库、酶活性和作物产量的短期影响,可为提出适宜当地生产的秸秆还田量提供理论依据。【方法】利用稻麦轮作农田定位试验进行了研究。采用随机区组设计,设7个处理,以稻麦季秸秆均不还田为对照处理(CK),6个不同秸秆还田量处理。测定了秸秆还田后土壤活性有机碳库和土壤酶活性的变化,稻麦产量以及三者之间的相关关系。【结果】1)与秸秆不还田处理相比,试验范围内的秸秆还田量能在一定程度上提高土壤活性碳组分的含量和土壤酶活性,并能增加水稻和小麦的产量及其构成因素;2)土壤总有机碳和微生物生物量碳的含量随着秸秆还田量增加,增幅呈先增大后减小的趋势,以连续两季50%秸秆还田量处理下显著较高,而水溶性有机碳、活性有机碳含量和碳库管理指数在连续两季25%秸秆还田量处理下最高;3)相比秸秆不还田处理,连续两季25%秸秆还田量对土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性的影响均最显著;4)水稻和小麦的产量均为在连续两季25%和50%秸秆还田量处理下增产较显著,与秸秆不还田相比,水稻增产达9.0%,小麦增产达11.45%;5)土壤碳库、土壤酶活性以及水稻和小麦产量之间均存在显著相关。【结论】在本试验条件下,连续两季25%和50%秸秆还田量表现出显著提高土壤碳汇能力和增加作物产量的优势。     

秸秆还田与施肥方式对稻麦轮作土壤细菌和真菌群落结构与多样性的影响

为探索秸秆还田与施肥方式2种农田措施对水稻-小麦(稻麦)轮作土壤微生物群落的影响,阐释其对土壤细菌和真菌群落结构和多样性的影响机制,本研究通过7年稻麦轮作长期定位监测试验,设置无肥空白(CK)、常规施肥(RT)、秸秆还田+常规施肥(RS)和秸秆还田+缓释肥(SS) 4个处理,采用Illumina Miseq高通量测序技术,分析土壤细菌和真菌群落结构和多样性,探索影响微生物群落的主控环境因子。结果表明, SS作物产量在2016年和2017年分别比RT显著提高11.6%和8.2%(水稻)、4.8%和3.6%(小麦),与RS无显著差异。相比RT,秸秆还田处理显著降低了土壤pH,提升了土壤有机碳和铵态氮含量;与RS相比,SS处理提高了铵态氮含量。秸秆还田处理提升了真菌群落多样性,但对细菌群落多样性无显著影响。SS与RS在细菌真菌群落多样性方面均无显著差异。相关性分析表明,细菌群落多样性与土壤pH呈负相关,与总氮含量呈正相关;真菌群落多样性则与土壤有机碳含量显著正相关。NMDS分析表明,施肥对于细菌群落结构影响较大(55.61%),真菌群落结构则对秸秆还田响应更明显(26.94%)。与RT相比,秸秆还田显著提升了细菌放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门的相对丰度,同时显著提升了真菌中子囊菌门的相对丰度,降低了担子菌门和接合菌门的相对丰度,加强了土壤碳氮循环能力并抑制了病原菌。SS与RS相比,仅提升了真菌中子囊菌门的相对丰度。综上,秸秆还田配施缓释肥有助于维持或者提高土壤养分有效性、作物产量及细菌真菌群落多样性,可以促进土壤碳氮循环。     

秸秆、猪粪混施对麦田根际土壤过氧化氢酶与蔗糖酶活性的影响

本研究于2012—2014年在成都平原稻麦轮作区开展田间试验,分析秸秆、猪粪施用对小麦各生育期内根际及非根际酶活性的动态变化影响,为种养废弃物的合理施用提供科学依据。试验共设置不施肥对照、纯化肥、秸秆全量还田+纯化肥、秸秆全量还田+低量猪粪替代化肥、秸秆全量还田+高量猪粪替代化肥等5个处理。结果表明,同一处理下的根际土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性均显著强于非根际土壤(P0.05);猪粪还田处理能提高土壤的过氧化氢酶活性,秸秆和猪粪还田处理能提高土壤蔗糖酶的活性;从小麦的整个生育期来看,其根际及非根际土壤过氧化氢酶活性均呈减弱趋势;而根际土壤蔗糖酶活性在小麦生育期内存在较大波动,非根际蔗糖酶活性呈"单峰"变化。     

持续秸秆还田减施化肥对水稻产量和氮磷流失的影响

[目的] 探究持续性秸秆还田减施化肥对水稻产量和氮磷随径流流失的影响,为当地农业资源循环再利用和防控农业面源污染提供科学依据。[方法] 在四川省广汉市开展连续3 a (2018—2020年)的田间小区试验,设置常规施肥处理(T₁)和秸秆还田+常规施肥减氮28.57%,减磷25.11%(T₂)2种施肥方式,分别测定了地表径流中氮磷浓度、流失量,水稻秸秆、籽粒的产量和氮磷吸收量、水稻收获时土壤养分。[结果] 随着秸秆还田年限的增加,T₂可达到显著的增产效果,其中2020年T₂比T₁增产16.93%。与T₁相比,T₂的总氮和硝态氮流失量分别增加6.25%～14.97%,6.99%～15.03%,可溶性总氮、总磷和可溶性总磷流失量分别降低0.94%～6.03%,4.66%～10.32%和5.77%～21.15%。土壤中全磷、速效磷、硝态氮和铵态氮含量的年际变化显著(p<0.05)。与T₁相比,T₂处理显著降低了土壤8.79%的全磷和30.56%的速效磷。[结论] 持续秸秆还田与减施化肥在保证作物产量的同时,减少了化肥投入量,降低了磷素的径流流失量,但增加了氮素径流流失的风险,在实际农业生产中应进一步优化处理。     

有机物料对宅基地复垦土壤培肥效果评价

以成都平原宅基地复垦土壤为研究对象,设空白对照(CK)、常规化肥(CF)、全量秸秆还田(T1)、高量秸秆还田(T2)、全量菌渣还田(T3)、高量菌渣还田(T4)、全量猪粪还田(T5)、高量猪粪还田(T6)共8个处理,研究复垦宅基地耕作层(0～20 cm)土壤容重、孔隙度、酸碱度、总有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾共10个指标的变化并开展综合评价。秸秆、菌渣、猪粪3种农业废弃物与化肥配施处理下宅基地复垦土壤的物理性状得到改善,总有机碳、全磷、碱解氮、有效磷与速效钾含量显著提高(P0.05)。总有机碳及全量养分变化结果表明,T6处理提升效果最优;速效养分变化结果以T4处理提升效果最佳;综合肥力评价结果表明,T4处理提升效率最高,年均提升0.385级肥力。高量菌渣还田(T4)处理推荐为最优培肥方案:小麦季施菌渣8 507 kg/hm~2、尿素307 kg/hm~2、过磷酸钙825 kg/hm~2、氯化钾38 kg/hm~2,玉米季施菌渣9 411 kg/hm~2、尿素324 kg/hm~2、过磷酸钙925 kg/hm~2、氯化钾172 kg/hm~2。     

基于能值分析的稻蛙生态种养模式效益评价

稻蛙生态种养模式将蛙类引入稻田,提高水稻生产系统的生产效率与可持续发展能力,是我国现代农业发展中重要的生态农业产业之一。为评价稻蛙生态种养模式的经营效益,本研究运用能值分析法,综合分析2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统的能值投入和能值产出,并选用能值自给率、能值投资率、净能值产出率、环境负载率、可持续发展指数5项指标评价其能值效率。分析结果表明:2015—2019年青浦区稻蛙生态种养模式生产系统中,农田灌溉水、雨水化学能、复合肥、有机肥、基础设施等是主要的能值投入内容;稻谷、秸秆、成蛙以及政策性收入为主要产出能值内容。稻蛙生态种养模式生产系统能值自给率与能值投资率均值分别为0.18和4.86, 5年中无明显变化趋势;净能值产出率均值为3.65,呈逐年上升趋势;环境负载率均值为0.46,总体呈下降趋势;可持续发展指数均值为8.52,总体呈上升趋势。由于研究区域与经营模式的差异,与其他系统相比,稻蛙生态种养模式生产系统承受环境压力较小,能值可持续指标表现良好,可持续发展潜力大,是值得拓展推广的绿色生产模式;但系统自我维持力弱,受经济社会影响波动较大,农业生态系统经济发展程度与生产效率仍有提升空间,应充分利用当地资源,适当增加能值投入,开拓多元化产品,提高系统产出率。本研究为稻蛙生态种养模式进一步健康稳定发展和推广提供了参考依据与方法借鉴。     

2012年湖南省农业生态系统的能值分析

[目的]构建农业生态系统的能值评价体系,完善能值分析数据库。[方法]利用能值分析理论,选取能值密度、人均能值使用量、能值自给率、能值投资率、净能值产出率、能值货币比、环境负载率和可持续发展指数等8个指标;通过计算投入能值和产出能值的方法,对2012年湖南省农业生态系统能值进行了分析。[结果]8个评价指标的计算值分别为1.15×1012,3.4×1015 sej,22.35%,3.47,1.5,3.15×1012 sej/$,3.56和0.42。[结论]湖南省农业生态系统能值整体处于中等水平。解决农业能值投入结构是改善该农业生态系统的重要手段。     

化肥减施下有机物料对砂姜黑土有机碳组分和养分含量的影响

为探明氮、磷、钾化肥减施下有机物料对砂姜黑土固碳培肥的影响,于2018—2020年开展大田试验,设置常规单施化肥(F)、常规施肥+生物炭(F+B)、化肥减量20%+生物炭(80%F+B)、常规施肥+秸秆还田(F+S)、化肥减量20%+秸秆还田(80%F+S)5个处理,分析水稻季化肥减量配施生物炭或秸秆还田对土壤总有机碳和活性有机碳含量、所占比例,碳库管理指数及养分含量的影响。结果表明,相较于单施化肥,常规施肥下增施生物炭土壤总有机碳含量显著提高19.6%。化肥减量配施有机物料显著提高了土壤水溶性有机碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳含量,较F处理分别增加21.6%~28.6%、46.2%~61.1%和16.2%~36.3%,其中80%F+S处理土壤易氧化有机碳和颗粒有机碳含量、所占比例及土壤碳库管理指数均最高。F+B处理土壤有效磷和速效钾含量最高,较F处理分别提高11.1%和30.8%,其他处理有效磷含量则降低6.5%~15.7%。主成分分析表明,活性有机碳组分和碳库管理指数在80%F+S处理中具有较高载荷,而F+B处理土壤有效磷、pH和速效钾因子得分较高。化肥减施下秸秆还田有利于提高砂姜黑土活性有机碳含量、所占比例及碳库管理指数,而常规施肥下配施生物炭能够促进土壤总有机碳积累和磷、钾有效性。本研究结果可为沿淮平原稻麦轮作区化肥减量增效、农业废弃物资源化利用提供技术支撑。     

秸秆还田配施化肥对稻油轮作土壤有机碳组分及产量影响

【目的】水稻-油菜轮作是我国重要的农业种植模式。秸秆还田是目前我国秸秆利用最主要、最直接的途径。因此,研究水稻-油菜轮作系统下,秸秆还田配施化肥对水稻和油菜产量、土壤有机质组分及其养分含量的影响,有助于提高水稻和油菜产量,培肥土壤,推进秸秆还田技术的应用。 【方法】通过水稻和油菜7年13季作物的田间定位小区试验,设置了不施氮肥不还田处理（CK）、农民习惯处理（FPP）和3个秸秆还田配施化肥处理（SF1、SF2、SF3:每年水稻秸秆以3000 kg/hm2的量还田,配施不同量氮、磷、钾肥）,分析了各处理土壤有机碳及其组分、土壤养分含量、作物产量和经济效益。 【结果】与不施氮肥处理比较,秸秆还田配合氮、磷、钾平衡施肥能显著提高土壤总有机碳及其各组分、土壤养分含量、作物产量和经济效益。与农民习惯处理相比,秸秆还田配施化肥处理土壤总有机碳、胡敏酸和胡敏素分别显著增加了5.62%~12.08%、9.05%~22.57%和7.93%~10.23%,而水溶性有机碳和富里酸含量差异则不明显;土壤全氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高了6.74%~14.04%、134.67%~249.46%和40.18%~70.54%;水稻、油菜和周年平均产量分别增加了8.55%~19.34%、19.06%~27.27%和10.34%~24.08%;净利润提高了1651~4905 yuan/hm2,但总投入增加了1427~2882 yuan/hm2。秸秆还田配施化肥处理中,以氮、磷、钾肥用量与运筹次数最多的SF3处理土壤各项指标、作物产量和经济效益最高,与之相比,SF2处理在水稻和油菜两季共减少肥料用量255 kg/hm2,而作物周年产量减少不明显。土壤有机碳组分、土壤养分含量及作物产量之间有较好的相关性,而逐步回归分析表明,土壤总氮、胡敏酸、水溶性有机碳含量是水稻和油菜产量主要决定因素。 【结论】秸秆还田配施化肥可以提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素含量及土壤养分含量,培肥土壤并提高其稳定性,促进作物增产。虽然秸秆还田配施化肥增加了人工和肥料投入,但适宜的化肥用量配合秸秆还田提高了水稻油菜轮作体系的经济效益。