保護性耕作對小麥/玉米間作系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的影響*

王琦明, 胡發(fā)龍, 柴 強**

保護性耕作對小麥/玉米間作系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的影響*

王琦明1,3, 胡發(fā)龍2,3, 柴 強2,3**

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 蘭州 730070; 3. 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070)

農(nóng)田復合系統(tǒng)是集約化農(nóng)作的有效途徑之一, 在增加生物多樣性和提高產(chǎn)量方面具有重要作用。干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 溫室氣體減排和作物耗水減量是發(fā)展高效可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要參考指標, 研發(fā)基于作物復合生產(chǎn)的模式是該區(qū)節(jié)水、減排和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。本研究以河西綠洲灌區(qū)長期規(guī)?；N植的小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)為對象, 于2010—2012年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地(武威站), 通過集成免耕立茬(NTS)、免耕秸稈覆蓋(NTM)、少耕秸稈翻壓(RTS)形成不同小麥/玉米間作復合系統(tǒng), 并以傳統(tǒng)間作(CTI)為對照, 重點研究了不同系統(tǒng)的土壤碳排放量和水分利用特征, 比較分析了其生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。結(jié)果表明, 小麥和玉米復合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)較單作小麥提高113%, 較單作玉米提高21%, 該系統(tǒng)基于生物熱能產(chǎn)的土地當量比均大于1。農(nóng)田復合生產(chǎn)系統(tǒng)能有效降低土壤CO2排放, 特別是集成免耕秸稈覆蓋的間作系統(tǒng), 土壤CO2排放量比單作玉米降低12%, 比傳統(tǒng)間作降低13%, 排放效率比單作玉米提高39%, 比傳統(tǒng)間作提高31%。此外, 農(nóng)田復合生產(chǎn)系統(tǒng)還顯著降低了作物耗水, 與傳統(tǒng)間作相比, 集成免耕秸稈覆蓋的間作系統(tǒng)的棵間蒸發(fā)量、耗水總量和單位耗水碳排放量分別降低11%、5%和9%, 但單位耗水生物熱能產(chǎn)提高19%。農(nóng)田復合生產(chǎn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)間作具有更高的土地當量比(1.78)、碳排當量比(1.48)和耗水當量比(1.22), 三者分別提高14%、28%和20%, 因而其可持續(xù)評價指數(shù)提高了13%。小麥/玉米間作集成免耕秸稈覆蓋的農(nóng)田復合生產(chǎn)系統(tǒng)可作為河西綠洲灌區(qū)高效可持續(xù)農(nóng)作的可行模式。

小麥/玉米間作; 保護性耕作; 土壤CO2排放; 水分利用; 生物熱能產(chǎn)

集約化農(nóng)作是中國、印度等發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要方式, 各國根據(jù)其農(nóng)業(yè)生態(tài)特性積淀, 發(fā)展了各具特色的集約化農(nóng)作系統(tǒng)[1-2]。在這些系統(tǒng)中, 間作對增加生物多樣性和提高糧食安全具有重要作用, 同時, 間作也是最具發(fā)展前景、應用面積最為廣泛的種植模式之一[3]。究其主要原因, 是由于間作相比其他種植模式具有更高的資源利用效率和生產(chǎn)力[4]。因而, 間作也被看作是減小作物潛在產(chǎn)量與實際產(chǎn)量差的重要途徑[5-6]。然而, 傳統(tǒng)間作在肥料和除草劑施用以及實現(xiàn)機械化等方面存在諸多弊端, 且間作中不合理的農(nóng)作措施可能會導致較多CO2排放, 加劇溫室效應[7]。因此, 在間作系統(tǒng)中研究并集成具有良好表現(xiàn)的農(nóng)作措施顯得極為迫切和重要。

保護性耕作通常包括少免耕、秸稈覆蓋和作物輪作等[8], 且被廣泛用于解決土壤退化、生產(chǎn)力低下以及溫室氣體排放等農(nóng)業(yè)生態(tài)和環(huán)境問題[9-10]。其主要優(yōu)點是通過減少土壤擾動以及有機物還田來減少土壤CO2排放[11]并提高土壤碳匯[12]。同時, 保護性耕作中秸稈還田能有效抑制蒸發(fā)[13], 減少地表徑流, 增加降水入滲[14], 從而提高作物水分利用效率[15]。在干旱和半干旱地區(qū), 水分是限制作物生長的決定因子[16], 保護性耕作在節(jié)水方面的作用對作物生長產(chǎn)生了較好的保護, 因而保護性耕作在這一區(qū)域發(fā)展?jié)摿薮骩17]。近年來, 保護性耕作因其良好表現(xiàn)已在間作系統(tǒng)中進行集成并取得可喜成果。有研究表明, 秸稈還田、一膜兩年用與間作集成在短期內(nèi)可以減少作物生育期內(nèi)碳排放[18], 同時免耕秸稈還田地膜再利用的間作模式較單作玉米可以增產(chǎn)14%~17%[19]。由此形成的農(nóng)田復合循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)在節(jié)水、減排和提高生產(chǎn)效率等方面具有重大優(yōu)勢[20]。

在應對耕地面積銳減和用水矛盾突出等問題, 以及節(jié)水、減排等方面[2,5], 間作復合系統(tǒng)集成保護性耕作是可行途徑。然而, 有關(guān)農(nóng)田復合循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性研究尚未涉及。隨著農(nóng)業(yè)資源供需矛盾加劇, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性成為研究的焦點[7], 特別是在糧食產(chǎn)出較多的河西綠洲灌區(qū), 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性已成為該區(qū)經(jīng)濟發(fā)展亟待解決的首要問題[21]。為此, 本研究以試區(qū)主栽模式小麥()間作玉米()為對象, 通過集成應用保護性耕作的理論與技術(shù), 建立小麥玉米農(nóng)田復合系統(tǒng), 重點探討復合系統(tǒng)的土壤CO2減排、水分利用和生產(chǎn)效率, 評價其可持續(xù)性, 以期為建立高效可持續(xù)的間作生產(chǎn)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2010—2012年在甘肅農(nóng)業(yè)大學校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地(武威站)進行, 該站位于甘肅河西走廊東端(37°96′N, 102°64′E, 海拔1 506 m),屬寒溫帶干旱區(qū), 大陸性氣候, 太陽輻射總量6 000 MJ?m-2, 年均日照時數(shù)>2 945 h, 年平均氣溫7.2 ℃, ≥0 ℃年積溫為3 513 ℃, ≥10 ℃年積溫為2 985.4 ℃, 干燥度5.85, 無霜期155 d, 土壤類型為厚層灌漠土, 0~90 cm土壤容重1.57 g?cm-3, 0~30 cm土層土壤全氮0.68 g?kg-1, 全磷1.41 g?kg-1, 有機質(zhì)14.31 g?kg-1, 常年降雨量不超過160 mm, 但年蒸發(fā)量大于2 400 mm, 2011年和2012年作物生育期各月氣溫、降雨量和參考蒸發(fā)量如表1所示。小麥間作玉米是該區(qū)長期規(guī)模化應用的高產(chǎn)高效種植模式。

表1 武威站2011—2012年作物生育期內(nèi)逐月氣象資料

1.2 試驗設計

2010年進行預備試驗, 為后續(xù)試驗處理提供相應的茬口處理, 2011—2012年對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和整理。參試小麥品種為‘永良4號’, 玉米品種為‘武科2號’, 同種作物在單作和間作模式中的播種、收獲時間相同。小麥于2011年3月28日和2012年3月19日播種, 分別于7月22日和7月18日收獲; 玉米于2011年4月17日和2012年4月20日播種, 分別于9月29日和9月30日收獲。試驗年度內(nèi)(2011—2012年), 小麥播種到收獲期降水量分別為65.8 mm 和40.5 mm, 玉米播種到收獲期降水量分別為179.1 mm 和128.5 mm, 小麥間作玉米生育期降水量分別為200.6 mm 和146.9 mm。

試驗通過設置不同耕作和秸稈還田間作來構(gòu)成3種農(nóng)田復合系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作系統(tǒng)。2010年小麥收獲期間作小麥根據(jù)翌年處理需要進行相應收割, 即25 cm高茬收割、低茬收割留25 cm等量秸稈覆蓋(小麥帶)、低茬收割留25 cm等量秸稈翻壓(小麥帶)和低茬收割并移除秸稈; 玉米收獲后玉米秸稈全部移除, 并根據(jù)翌年處理需要, 對間作小麥帶進行相應耕作處理, 即免耕、少耕和傳統(tǒng)耕作, 而玉米帶全部翻耕, 并由此形成不同的帶狀耕作處理。2011年以上一年耕作和還田措施為基礎設不同農(nóng)田復合系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作系統(tǒng): 25 cm高茬收割免耕小麥-玉米(免耕+高茬, NTS)、25 cm高等量秸稈覆蓋免耕小麥-玉米(免耕+覆蓋, NTM)、25 cm高等量秸稈翻壓小麥-玉米(少耕+翻壓, RTS)和低茬收割翻耕小麥-玉米(傳統(tǒng), CTI), 另設傳統(tǒng)收割單作小麥(CTW)和單作玉米(CTM)作為對照, 共計6個處理, 每個處理3次重復, 共18個小區(qū)。玉米收獲后單作小麥、單作玉米和傳統(tǒng)間作全部翻耕, 并移除所有秸稈; 而保護性間作, 即NTS、NTM和RTS繼續(xù)采用帶狀耕作, 即玉米帶全部翻耕, 小麥帶則進行相應的留茬免耕、覆蓋免耕和淺耕翻壓。2012年, 單作和各間作處理小麥、玉米輪換種植, 即現(xiàn)年小麥次年輪種玉米, 現(xiàn)年玉米次年輪種小麥。小麥和玉米均采用平作, 玉米覆膜, 具體系統(tǒng)參數(shù)見圖1和表2。

1.3 測定指標

土壤呼吸速率(Rs): 土壤呼吸速率用土壤呼吸測定系統(tǒng)EGM-4(environmental gas monitor-4, UK, PP system)測定, 測定時將呼吸室置于小區(qū)作物行間, 收集從土壤釋放的CO2, 每點測定5個值。土壤呼吸速率日變化每2 h測定一次, 測定時長為全天; 季節(jié)變化在作物主要生育時期測定, 即在作物生育期內(nèi), 每隔2周測定一次[22]。對玉米帶測定前12 h, 將玉米帶地膜揭出呼吸室邊緣大小的裸區(qū), 讓膜內(nèi)累積的CO2排出, 測定時視為玉米帶土壤的呼吸值。間作群體分別測定不同作物帶土壤呼吸速率, 并將兩作物帶呼吸速率的均值作為整個小區(qū)的土壤呼吸速率。

土壤含水量(WC): 每20 d測定一次, 播前、收獲后、灌水前、灌水后加測, 測深110 cm。測定時, 前30 cm采用烘干法, 用土鉆人工取土, 每10 cm為一分層; 30~110 cm用中子水分儀測定, 其中, 30~50 cm為20 cm一分層, 50~110 cm每30 cm為一分層。單作處理中, 每小區(qū)設1個測定點, 3個重復的平均值作為該處理土壤含水量測定值; 間作處理中, 每小區(qū)分別在小麥和玉米種植帶各設1個測定點, 2點平均值作為小區(qū)土壤含水量測定值, 3個重復的平均值作為一個處理的土壤水分含量測定值。

棵間蒸發(fā)量(): 采用自制微型蒸發(fā)器(Micro-lysimeter, ML, 高15 cm, 直徑11 cm)進行測定。ML中土樣每減少1 g相當于蒸發(fā)水分0.105 2 mm,用精度為0.01的LP3102型電子天平稱重以計算棵間蒸發(fā)量。為保證ML內(nèi)土體水分含量和結(jié)構(gòu)與大田相似, 每隔3~5 d更換器內(nèi)的原狀土體, 并且在下雨或灌水后加測。單作處理每小區(qū)安裝1個ML; 間作處理分別在小麥和玉米種植帶中部各安裝1個ML, 2點平均值作為小區(qū)蒸發(fā)量; 同一處理3個重復的平均值作為該處理的棵間蒸發(fā)量測定值。

圖1 小麥/玉米間作示意圖

表2 不同小麥/玉米間作復合生產(chǎn)系統(tǒng)主要農(nóng)藝參數(shù)

生物熱能產(chǎn)(EY): 生物產(chǎn)量由籽粒產(chǎn)量(GY)和秸稈產(chǎn)量(SY)兩部分構(gòu)成, 籽粒產(chǎn)量分別于小麥和玉米成熟期按小區(qū)收獲, 單獨脫粒并記產(chǎn); 秸稈產(chǎn)量根據(jù)考種結(jié)果(小麥取20株, 玉米取15株)和種植密度計算。因此, 生物熱能產(chǎn)按公式(1)計算[21]:

EY=GY×g+SY×s(1)

式中:g和s分別表示不同作物籽粒和秸稈的熱能值, 小麥和玉米籽粒熱能值為16.3 MJ?kg-1, 秸稈熱能值為14.6 MJ?kg-1。

1.4 計算指標

1.4.1 土壤CO2排放量與作物耗水量

土壤CO2排放量(CE)根據(jù)Qin等[22]公式計算:

式中:s表示土壤呼吸速率, 測定間隔為兩周;1和分別指上次和本次測定日期;表示播種后天數(shù); 0.158 4 是將μmol(CO2)?m-2?s-1轉(zhuǎn)換為g(CO2)?m-2?h-1的系數(shù); 24和10是將g(CO2)?m-2?h-1轉(zhuǎn)化為kg(CO2)?hm-2的系數(shù)。

作物耗水量(ET)根據(jù)Yang等[23]公式計算:

ET=e++(3)

式中:e為生育期內(nèi)有效降雨量,為灌溉量,表示播種前和收獲后土壤貯水量的差值。由于本試驗設計的灌水量相對較小, 且試驗區(qū)地下水埋深在30 m以下, 故忽略了滲漏量和地下上升水的影響。

1.4.2 系統(tǒng)生產(chǎn)效率

CO2排放效率(CEE)表示生育期內(nèi)農(nóng)田土壤每排放1 kg CO2所能生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn):

CEE=EY/CE (4)

式中: EY為不同作物系統(tǒng)單位面積生物熱能產(chǎn), CE為生育期內(nèi)土壤CO2排放總量。

水分利用效率(WUE)可分解為單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)和單位耗水碳排(WUECE)兩部分, 一個作物系統(tǒng)具有較高的WUEEY和較低的WUECE表示其對水分能進行高效利用。二者分別表示每消耗1個單位土壤水分所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn)和產(chǎn)生的土壤CO2排放量, 計算公式為:

WUEEY=EY/ET (5)

WUECE=CE/ET (6)

式中: EY為不同作物系統(tǒng)生物熱能產(chǎn), 間作復合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)為兩種作物的總和; CE為不同作物系統(tǒng)生育期內(nèi)土壤CO2排放總量; ET為不同作物系統(tǒng)生育期總耗水量。

1.4.3 復合系統(tǒng)的生產(chǎn)優(yōu)勢

土地當量比(LER)量化了間套作復合系統(tǒng)生產(chǎn)力及土地利用效率:

LER=EYWI/EYWM+EYMI/EYMM(7)

式中: EYWI和EYWM分別表示小麥在間作和單作時的生物熱能產(chǎn)(kg?hm-2), EYMI和EYMM分別表示玉米在間作和單作時的生物熱能產(chǎn)(kg?hm-2)。LER>1.0, 表明間作比單作的資源利用率高, 即間作優(yōu)勢; 當LER<1.0, 單作比間作資源利用高, 即間作劣勢。

碳排當量比(CER)可量化單作模式產(chǎn)生與間作模式相同土壤碳排放所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn):

CER=CEEWI/CEEWM+CEEMI/CEEMM(8)

式中: CEEWI和CEEWM是小麥間作和單作土壤的CO2排放效率(kg?kg-1), CEEMI和CEEMM是玉米間作和單作土壤的CO2排放效率(kg?kg-1)。CER>1.0時, 表明每產(chǎn)生1個單位土壤CO2排放時, 間作具有比單作生產(chǎn)更多生物熱能產(chǎn)的潛力, 即間作具有降低土壤碳排的作用, 反之亦然。

耗水當量比(WER)可量算單作模式消耗與間作模式相同單位的土壤水分時所生產(chǎn)的生物熱能產(chǎn)(生物熱能產(chǎn)耗水當量比, WEREY)或產(chǎn)生的土壤CO2排放量(碳排耗水當量比, WERCE):

WER=WUEWI/WUEWM+WUEMI/WUEMM(9)

式中: WUEWI和WUEWM是間作和單作小麥的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY, kg?hm-2?mm-1)或單位耗水碳排(WUECE, kg?hm-2?mm-1), WUEMI和WUEMM是間作和單作玉米的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY, kg?hm-2?mm-1)或單位耗水碳排(WUECE, kg?hm-2?mm-1)。WEREY>1.0, 表明每消耗1個單位土壤水分, 間作能比單作生產(chǎn)更多生物熱能產(chǎn), 即間作具有更高的水分生產(chǎn)效益, 反之亦然; WERCE<1.0時, 表明每消耗1個單位土壤水分時, 間作具有比單作減少土壤CO2排放的潛力, 從而實現(xiàn)水分高效利用。

1.4.4 作物生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性根據(jù)Chai等[21]建立的可持續(xù)性評價指數(shù)進行比較, 該指數(shù)的數(shù)學計算體系共由兩步構(gòu)成。

第一步:

式中:αx為表5第行×第列的數(shù)據(jù)標準化值(0<αx≤1),x為系統(tǒng)與參考指標的實際值,max與min為每個參考指標的最大值與最小值。

第二步:

式中:βx為標準化系數(shù),為系統(tǒng)或參考指標的最大數(shù)。

式中: Index為不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性評價指數(shù), 該指數(shù)的數(shù)值越大說明系統(tǒng)的可持續(xù)性越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel整理匯總, 用SPSS 24.0進行顯著性檢驗和LSD分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)和土地當量比

與單作系統(tǒng)相比, 間作系統(tǒng)能顯著提高小麥和玉米的生物熱能產(chǎn)(圖2A)。兩年平均顯示, 間作系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)比單作小麥提高113%, 比單作玉米提高21%。在比較凈占地面積上的作物生物熱能產(chǎn)時發(fā)現(xiàn), 間作使小麥生物熱能產(chǎn)提高55%, 使玉米提高54%。因此, 不同間作復合系統(tǒng)以生物熱能產(chǎn)計算的土地當量比均大于1(圖2B), 表明間作系統(tǒng)對資源利用具有顯著優(yōu)勢。不同作物系統(tǒng)中, 以免耕秸稈覆蓋構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)(NTM)生物熱能產(chǎn)和土地當量比最高。與傳統(tǒng)間作系統(tǒng)(CTI)相比, NTM的生物熱能產(chǎn)提高16%(2011年)和13%(2012年), 相應地, 土地當量比提高14%(2011年)和13%(2012年)。然而, 免耕立茬(NTS)和少耕秸稈翻壓(RTS)構(gòu)建的小麥玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)對作物生物熱能產(chǎn)和土地當量比的影響沒有持續(xù)性。

2.2 不同小麥玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的土壤CO2排放特征

2.2.1 生育期內(nèi)土壤CO2排放總量

與傳統(tǒng)單作玉米相比, 間作復合生產(chǎn)系統(tǒng)能顯著降低生育期內(nèi)土壤CO2排放總量(表3)?？傮w上, 小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)土壤CO2年排放總量為8.84 t?hm-2,較單作玉米(10.02 t?hm-2)降低11%。免耕結(jié)合秸稈覆蓋可顯著降低小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的土壤CO2排放總量, 與CTI相比, NTM的土壤CO2排放總量平均降低12%。少耕秸稈翻壓具有相似作用, 與CTI相比, RTS的土壤CO2排放總量平均降低9%。比較同種作物在相同占地面積下單作與間作復合系統(tǒng)土壤CO2排放總量差異發(fā)現(xiàn), 小麥/玉米農(nóng)田復合循環(huán)系統(tǒng)CO2排放總量顯著降低。與單作小麥相比, NTM小麥帶降低13%, 玉米帶降低12%; RTS小麥帶降低6%, 玉米帶降低11%。

圖2 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)(A)和土地當量比(B)

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。不同小寫字母表示同一年不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same year (< 0.05).

表3 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)土壤CO2排放特征

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。不同不寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.2.2 土壤CO2排放效率和碳排當量比

由于小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)生物熱能產(chǎn)高但土壤CO2排放量低, 因而其CO2排放效率(CEE)顯著高于單作玉米(表3)。與單作玉米相比, 間作復合系統(tǒng)的CEE提高39%。因此, 不同間作復合系統(tǒng)的碳排當量比(CER)均大于1, 且玉米組分的碳排當量比明顯高于小麥, 其主要原因是間作玉米比單作具有更高的CEE。與單作玉米相比, 間作玉米的CEE提高52%, 說明在生產(chǎn)相同單位數(shù)量的生物熱能產(chǎn)時, 單作玉米比間作玉米要多釋放1.5 kg土壤CO2。因此, 間作系統(tǒng)不僅能有效利用土地資源, 更能顯著降低土壤CO2排放量。比較不同間作復合系統(tǒng)發(fā)現(xiàn), 由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)比傳統(tǒng)間作的CEE和CER均有提高, 特別是NTM系統(tǒng), 其CEE和CER最大, 分別比CTI提高31%和28%。

2.3 不同小麥玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的耗水特征

2.3.1 棵間蒸發(fā)量、E/ET和耗水總量

不同小麥玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)棵間蒸發(fā)按其對應作物的生育期進行測定, 因而間作系統(tǒng)的棵間蒸發(fā)顯著高于兩種單作系統(tǒng)(表4)。兩年平均發(fā)現(xiàn), 單作小麥年均棵間蒸發(fā)150 mm, 單作玉米年均蒸發(fā)267 mm, 間作系統(tǒng)年均蒸發(fā)287 mm。對小麥間作玉米集成少免耕和秸稈還田能有效降低其棵間蒸發(fā)和E/ET, 特別是NTM系統(tǒng), 其棵間蒸發(fā)和E/ET比CTI降低9%、8%(2011年)和13%、16%(2012年)。此外, 由于較少的棵間蒸發(fā)和較低的E/ET, NTM系統(tǒng)的耗水總量比CTI降低5%(2011年)和4%(2012年)。

表4 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的耗水特征

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。E: 蒸發(fā); ET: 蒸散發(fā); WUEEY: 單位耗水熱能產(chǎn); WUECE: 單位耗水碳排放。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat. E: evaporation; ET: evapotranspiration; WUEEY: energy yield of per unit water use efficiency; WUEEC: carbon emission of per unit water use efficiency. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.3.2 水分利用效率和耗水當量比

在由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)中除RTS外, NTM和NTS系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)均顯著高于傳統(tǒng)間作(表4)。其中, NTM系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)最高(年均793 MJ?hm-2?mm-1), 而單作小麥由于自身系統(tǒng)較小的生物熱能產(chǎn), 其單位耗水生物熱能產(chǎn)最低(年均606 ?hm-2?mm-1)。免耕相比少耕具有持續(xù)提高單位耗水生物熱能產(chǎn)的作用, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)平均提高19%, NTS系統(tǒng)平均提高11%。因此, 兩個系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)耗水當量比(WEREY)較CTI均有顯著提高, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)平均提高了20%, NTS系統(tǒng)平均提高了11%(圖3)。

不同作物系統(tǒng)中, 單作小麥生育期內(nèi)土壤CO2排放量最小, 因而其單位耗水碳排(WUECE)最低, 且分別比單作玉米和間作復合系統(tǒng)降低35%和14%(表4)。比較間作復合系統(tǒng)和單作玉米的單位耗水碳排差異發(fā)現(xiàn), 間作比單作玉米平均降低29%。在小麥/玉米間作系統(tǒng)中集成保護性耕作措施構(gòu)建的NTM系統(tǒng)和RTS系統(tǒng)較CTI能顯著降低自身系統(tǒng)的單位耗水碳排。與CTI相比, NTM系統(tǒng)的單位耗水碳排平均降低9%, RTS系統(tǒng)平均降低8%。因此, 兩個系統(tǒng)的碳排耗水當量比(WERCE)較CTI均有顯著降低, 與CTI相比, NTM系統(tǒng)平均降低10%, NTS系統(tǒng)平均提高8%(圖3)。

2.4 不同小麥玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

不同作物系統(tǒng)的可持續(xù)性評價體系參考指標包括: 1)作物水分利用效率(GY/ET); 2)土地當量比; 3)生物熱能產(chǎn); 4)單位耗水生物熱能產(chǎn); 5)土壤CO2排放量; 6)單位耗水碳排。一種作物系統(tǒng)的可持續(xù)評價系數(shù)越高, 說明該系統(tǒng)的可持續(xù)性越好。由表5可知, 不同種植模式間可持續(xù)性指數(shù)具有較大差異, 且總體表現(xiàn)為間作最高, 單作小麥次之, 單作玉米最低。由少免耕和秸稈還田構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)能顯著提高其可持續(xù)性指數(shù), 與CTI相比, NTS、NTM和RTS分別提高5%、13%和5%。3種小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)中, NTM可持續(xù)性指數(shù)最高(0.78)。因此, 本研究推薦以免耕秸稈覆蓋構(gòu)建的小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)作為試區(qū)可持續(xù)性生產(chǎn)的重要模式。

3 討論

3.1 增產(chǎn)與農(nóng)田土壤CO2減排

作物通過光合作用將空氣中大量CO2吸收同化后進行固定, 從而形成穩(wěn)定的碳庫, 因此作物系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳庫的重要組成部分[24]。通常, 增加作物冠層的光能截獲、促進光合作用能顯著提高作物的生物量碳[25], 即在增大碳庫的同時增加對光能的轉(zhuǎn)化固定。間作復合系統(tǒng)因其不同組分作物在形態(tài)、生態(tài)型和生育期上的錯位搭配形成其在時間與空間上的生態(tài)位互補[26-27], 從而提高了對光能資源的有效利用[28]。本試驗中間作復合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)比單作小麥提高113%, 比單作玉米提高21%, 且在凈占地面積上, 間作使小麥生物熱能產(chǎn)提高55%, 使玉米提高54%。說明間作在截獲光能并轉(zhuǎn)化固定為生物熱能方面具有顯著優(yōu)勢。特別是以免耕秸稈覆蓋形成的小麥/玉米復合循環(huán)系統(tǒng), 其生物熱能產(chǎn)最高, 與傳統(tǒng)間作相比平均提高14%。

圖3 2011年和2012年不同耕作方式下小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)間作的生物熱能產(chǎn)耗水當量比(WEREY)和碳排耗水當量比(WERCE)

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作。不同小寫字母表示同一年份不同處理間差異顯著(<0.05)。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same year (< 0.05).

表5 不同耕作方式下小麥/玉米復合生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性

NTS: 免耕立茬間作; NTM: 免耕秸稈覆蓋間作; RTS: 少耕秸稈翻壓間作; CTI: 傳統(tǒng)間作; CTM: 傳統(tǒng)單作玉米; CTW: 傳統(tǒng)單作小麥。NTS: no-till with stubble standing of intercropping system; NTM: no-till with stubble mulching of intercropping system; RTS: reduced tillage with stubble incorporation of intercropping system; CTI: conventional intercropping system; CTM: conventional monocropping of maize; CTW: conventional monocropping of wheat.

光合作用生產(chǎn)的部分同化物在作物根系呼吸作用下會以CO2形式釋放出來[29], 并且較高的生物熱能產(chǎn)通常被認為會引起較多的土壤CO2排放[30]。在間作復合系統(tǒng)中, 不同作物群體的種間相互作用調(diào)控著彼此對資源的利用和生物量累積[21], 因而也影響著不同組分作物的生理生態(tài)功能, 使間作可作為控制土壤CO2排放的一種有效途徑, 特別是在調(diào)控和優(yōu)化土壤呼吸影響因子方面作用顯著[11]。將保護性耕作的成熟理論集成在間作系統(tǒng)中能使間作復合系統(tǒng)增強對土壤碳排放的抑制作用。本研究中, 間作復合系統(tǒng)土壤CO2排放量比單作玉米減少11.8%, 其中免耕秸稈覆蓋農(nóng)田復合循環(huán)系統(tǒng)土壤CO2排放量最少, 比傳統(tǒng)間作減少12%, 并且該系統(tǒng)CO2排放效率(CEE)最高, 比傳統(tǒng)間作提高31%。另外, 在凈占地面積下, 與單作小麥相比, NTM小麥帶土壤CO2排放量減少13%, 玉米帶減少12%。因此, 免耕秸稈覆蓋小麥/間作玉米農(nóng)田復合循環(huán)系統(tǒng)是農(nóng)田CO2減排的重要參考模式。

3.2 水分高效利用

在干旱和半干旱地區(qū), 缺水嚴重制約著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展[31], 因而高效的農(nóng)業(yè)模式首先要解決水分高效利用。提高作物自身的水分利用效率將是實現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵[32]。保護性耕作在節(jié)水方面具有顯著優(yōu)勢, 特別是對抑制水分無效蒸發(fā)、增加降水入滲作用明顯[33]。本研究將保護性耕作與間作系統(tǒng)集成, 構(gòu)建的小麥/玉米復合系統(tǒng)對水分進行了高效利用。在免耕秸稈覆蓋復合系統(tǒng)中, 棵間蒸發(fā)比傳統(tǒng)間作降低11%, 耗水總量降低5%, 同時E/ET降低12%, 說明該系統(tǒng)優(yōu)化了作物對土壤水分的利用, 使無效蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為有效蒸騰。此外, 不同作物系統(tǒng)中免耕秸稈覆蓋復合系統(tǒng)的單位耗水生物熱能產(chǎn)(WUEEY)最高, 但單位耗水碳排(WUECE)最低, 與傳統(tǒng)間作相比, 該系統(tǒng)WUEEY提高19%, WUECE降低9%。比較不同間作復合系統(tǒng)的生物熱能產(chǎn)耗水當量比(WEREY)和碳排耗水當量比(WERCE)具有相似結(jié)果, 即免耕秸稈覆蓋復合系統(tǒng)的WEREY比傳統(tǒng)間作提高20%, 但WERCE降低10%。這說明, 小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)可有效調(diào)控系統(tǒng)耗水更多轉(zhuǎn)化為作物自身產(chǎn)出, 并降低在該轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的土壤CO2排放, 從而實現(xiàn)高效用水。

3.3 系統(tǒng)效率和可持續(xù)性

耕地面積銳減、土壤CO2排放和水資源短缺是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的三大問題[17], 這在人口眾多的發(fā)展中國家尤為突出[20]。因此, 集高產(chǎn)出、土壤CO2減排和節(jié)水于一體的作物生產(chǎn)系統(tǒng)亟待研發(fā)。本研究中, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米復合系統(tǒng)LER和CER均大于1, 比傳統(tǒng)間作分別提高14%和28%, 說明該系統(tǒng)比相應單作系統(tǒng)在生產(chǎn)相同單位的生物熱能產(chǎn)時占用了更少的土地、排放了更少的CO2。此外, 較高的生物熱能產(chǎn)耗水當量比和較低的碳排耗水當量比證明了該系統(tǒng)在水分利用方面的優(yōu)勢, 使作物生產(chǎn)每消耗1單位水分時具有更多產(chǎn)出, 但降低CO2產(chǎn)生和排放。因而, 該系統(tǒng)在考慮以上3因素時, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米復合系統(tǒng)具有更高的可持續(xù)性, 其可持續(xù)評價指數(shù)為0.78, 顯著高于其他間作系統(tǒng)和單作系統(tǒng)。因此, 本研究推薦免耕秸稈覆蓋小麥玉米復合系統(tǒng)作為該區(qū)小麥和玉米可持續(xù)生產(chǎn)的重要參考體系。

4 結(jié)論

小麥/玉米間作復合系統(tǒng)是河西綠洲灌區(qū)典型的間作模式, 也是小麥和玉米生產(chǎn)的重要作物系統(tǒng)。對該系統(tǒng)集成保護性耕作措施, 構(gòu)建小麥/玉米復合系統(tǒng)在提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性上具有顯著作用, 特別是以免耕秸稈覆蓋復合系統(tǒng)為最優(yōu)。與傳統(tǒng)復合系統(tǒng)相比, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)生物熱能產(chǎn)和土地當量比分別提高15%和14%。同時該系統(tǒng)土壤CO2排放低, 比單作玉米降低12%, 比傳統(tǒng)復合系統(tǒng)降低13%, 因而CO2排放效率比單作玉米提高39%, 比傳統(tǒng)復合系統(tǒng)提高31%。另外, 該系統(tǒng)顯著抑制了棵間無效蒸發(fā), 降低了作物耗水量, 但提高了單位耗水生物熱能產(chǎn), 并減少了單位耗水碳排。與傳統(tǒng)復合系統(tǒng)相比, 其棵間蒸發(fā)量、耗水總量和單位耗水碳排分別降低11%、5%和9%, 而單位耗水生物熱能產(chǎn)提高19%。由于該系統(tǒng)具有高生產(chǎn)效率和低碳排低耗水的特性, 其可持續(xù)性指數(shù)最高, 比傳統(tǒng)復合系統(tǒng)提高13%。因此, 免耕秸稈覆蓋小麥/玉米農(nóng)田復合系統(tǒng)不僅提高了生物熱能產(chǎn)、CO2排放效率和水分利用效率, 還顯著降低了土壤CO2排放和作物耗水量, 同時伴隨著間套生產(chǎn)配套農(nóng)機的研發(fā), 傳統(tǒng)間套作對勞動力的大量需求被進一步緩解, 農(nóng)村勞動力得以進一步解放。因此, 保護性耕作與小麥/玉米間作相集成是該區(qū)高效可持續(xù)農(nóng)作的重要模式。

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Effect of conservation tillage on natural resources utilization efficiency and sustainability of integrated wheat-maize intercropping system*

WANG Qiming1,3, HU Falong2,3, CHAI Qiang2,3**

(1. Faculty of Resources and Environment, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Faculty of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, China)

The integrated production system is effective for crop intensification and also plays an important role in improving biodiversity and grain yield. The reduction of greenhouse gas emissions and crop water consumption are important parameters in developing high-efficient and sustainable agriculture in arid areas. Researches on soil carbon emission, water use and characteristic of the integrated production system will benefit the productivity and sustainability of agricultural practices in this region. The experiment was carried out in 2011 and 2012 at the Oasis Agricultural Scientific Researching and Teaching Station of Gansu Agriculture University and Local Government, China. Wheat-maize intercropping system was used as the object of this study due to its long-term application in Hexi Oasis region. Through integration, different conservation practices, including no-till with stubble standing, no-till with stubble mulching, and reduced tillage with stubble incorporation were applied in wheat-maize intercropping system forming three integrated production systems (named NTS, NTM and RTS, respectively), with conventional intercropping (CTI), conventional monocropped maize (CTM) and wheat (CTW) as the control systems. The study mainly focused on soil carbon emission and water use characteristics of different cropping systems, and further compared the differences in system effectiveness and sustainability. Results showed that the energy yield of integrated wheat-maize intercropping system increased by 113% over monocropping wheat, and by 21% over monocropping maize, and the land equivalent ratios of integrated intercropping systems based on energy yield were greater than 1. The integrated system also significantly reduced soil CO2emission, especially for the NTM, of which, the soil CO2emission was reduced by 12% than CTM, and by 13% than CTI. Also, its’ CO2emission efficiency increased by 39% over CTM, and by 31% over CTI. In addition, the integrated system significantly reduced the crop water consumption. Compared to CTI, NTM reduced evaporation, water consumption and carbon emission per unit of water by 11%, 5% and 9%, respectively. Nevertheless, the energy yield per unit of water improved by 19%. Compared to CTI, land (1.78), carbon (1.48) and water (1.22) equivalent ratios improved by 14%, 28% and 20% under NTM respectively. Therefore, the sustainability index was enhanced by 13% over the CTI. Consequently, the integrated wheat-maize production system can be used as a high-efficient and sustainable cropping model in the Hexi Oasis Irrigation Area.

Wheat-maizeintercropping; Conservation tillage; Soil CO2emission; Water utilization; Energy yield

, E-mail: Chaiq@gsau.edu.cn

Jan. 20, 2019;

Apr. 3, 2019

S344

2096-6237(2019)09-1344-10

10.13930/j.cnki.cjea.190063

柴強, 主要從事多熟種植、節(jié)水農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)的研究。E-mail: Chaiq@gsau.edu.cn 王琦明, 主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail: wangqiming0614@yahoo.com

2019-01-20

2019-04-03

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503125-3) and the National Natural Science Foundation of China (31771738,31860363).

* 國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503125-3)和國家自然科學基金項目(31771738, 31860363)資助

王琦明, 胡發(fā)龍, 柴強. 保護性耕作對小麥/玉米間作系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2019, 27(9): 1344-1353

WANG Q M, HU F L, CHAI Q. Effect of conservation tillage on natural resources utilization efficiency and sustainability of integrated wheat-maize intercropping system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1344-1353