白银市沿黄高扬程新灌区粮田生态效能的研究

白银市沿黄高扬程新灌区粮田生态效能的研究

芦满济　秦亚南　李大样　王东晖

（甘肃农科院土肥所　甘肃兰州　730030）

近年来，甘肃省为发展中部干旱地区的农业生产和解决农民脱贫致富问题，已在该区的旱地农业向荒漠牧地过渡的过渡线附近，建成和将要建成灌溉农田各6.67×10⁴ha左右，并以粮食生产为主要目的，进行了种植制度改革，使粮食生产得到大幅度提高。为了综合评价该灌区粮田生态效能和建立节源高效、持续增产的粮田生态系统，我们于1988—1992年，在实施干旱高扬程灌区主要粮食作物丰产栽培技术推广过程中，就粮田生态效能进行了初步研究。

1　生态环境与研究方法

该村位于灌区中西部，海拔1630～1650cm。人均拥有灌耕地0.13ha，其中粮田占0.12ha。耕层养分含量按40个土样平均为：有机质8.01g/kg，全氮0.59g/kg，全磷1.09g/kg，碱解氮45.4mg/kg，速效磷6.5mg/ kg，速效钾193mg/kg，水溶性盐分0.933g/kg，pH值为8.6。粮食作物有春小麦、玉米、蚕豆、黄豆豌豆、扁豆和糜子，其中，前5种作物均为适宜良种。种植方式（称“粮田类型”）和面积见表1。栽培技术和田间管理同当地现行丰产栽培技术规程。收获期测定耕层以上植物生物量，有关指标的折算综合自文献^[1，4]。气象资料来自兴仁堡气象站，站址海拔1698m。

研究工作在靖远县兴堡进子川灌区北滩乡景滩村进行。该灌区1985—1990年形成，灌区面积1.0×10⁴ha，海拔1575～1850m，土壤属灰钙土。年均降水量259mm，蒸发量2369mm；年均气温6.6℃，≥0℃积温3208℃，≥10℃积温2622℃，无霜期170天左右；年日照时数2919小时，辐射量616.2kJ/ cm²。

2　结果与分析

2.1　初级生产力

2.1.1　生物产量测定结果

（表1）表明，该地目前粮田全年生物产量平均为1.78×10⁴kg/ha。各类粮田的生物产量是：扁豆复种糜子和豌豆套种黄豆田最低，分别是1.06×10⁴kg/ha和1.25×10⁴kg/ha；小麦田较低，是1.63×10⁴kg/ha，但随着套种黄豆，其产量增至2.16×10⁴kg/ha，相对增加32.4%；玉米田较高，达到2.55×10⁴kg/ha，伴随着种植集约度的提高，玉米套种蚕豆和小麦玉米带田的生物产量，分别增至2.59×10⁴kg/ha和2.84×10⁴kg/ha，较玉米田相应提高1.5%和11.6%。

注：本文发表于《生态学杂志》，1994，（2）：1～6.

2.1.2　等价产量

应该说，更科学地比较各类粮田初级生产力的方法，不是代表净初级光合产物的生物产量，而是包括呼吸作用所消耗的那部分在内的初级光合产物的数量——“等价产量”^[3，4]。

换算结果（表1）表明，该地粮田全年等价产量平均为2.14×10⁴kg/ha，相对高于生物产量20.2%。在此系统中，玉米是当地的高光效C₄植物，所以，玉米及其套种田的等价产量最高，“三田”平均等于3.20×10⁴kg/ha；小麦套种黄豆田等价产量较高，为2.59×10⁴kg/ha；小麦和豌豆套种黄豆田较低，平均等于1.85×10⁴kg/ha；扁豆复种糜子田最低，低至1.32×10⁴kg/ha。

2.1.3　粗蛋白质产量全年粗蛋白质产量平均等于1 529kg/ha。按其产量高低排列各田时，则玉米套种蚕豆≥豌豆套种黄豆＞小麦套种黄豆＞小麦玉米带田＞玉米＞扁豆复种糜子＞小麦田，即相应高于小麦田115.8%、112.4%、78.4%、69.63%、58.2%、和28.1%。可见，其产量高低，首先取决于作物类型和种植方式，其次有赖于生物产量高低。

2.2　干物质分布特征

测定结果列于（表2）。其主要特征是：各田间干物质积累，不论总干重还是各部分干重差异都很大，但各部分所占相应总干重的比率却较为接近，籽粒36.7%～46.2%，脱粒副产物44.5%～51.1%，残留根茬9.0%～17.1%。其二，以各田而论各部分所占相应总干重的比率，还是有一定区别的。籽粒：小麦套种黄豆和小麦玉米带田所占比率较低，“两田”平均等于36.9%；而其余“五田”则较高，介于39.3%～42.6%，平均等于40.4%。脱粒副产物：小麦、小麦套种黄豆、玉米和玉米套种蚕豆田所占总干重的比率较低，介于44.5%～47.3%，平均等于45.6%；其余“三田”相应比率在49.4%～51.1%，平均等于50.3%残留根茬：扁豆复种糜子和豌豆套种黄豆田所占总干重比率最低，平均为9.7%；玉米及其套种田居中，“三田”平均为12.9%；小麦及其套种黄豆田最高，平均为16.4%。其三，粮田籽粒平均干重7077kg/ha，其中夏田籽粒干重占68.5%，可见，该系统在粮食生产上以夏粮为主。

表1　初级生产力

由上可见，此灌区粮田系统中，干物质的39.7%作为粮食被收获，46.5%作为饲草、畜圈铺垫物或燃料被利用，14.2%残留于土壤。

2.3　能量特征

表2　干物质分布

2.3.1　能量投入特征由

（表3）和（表4）可见，其特征是：（1）总的能量投入多，规模大，其平均值1.77×10¹¹J/ ha，高于全国高产地区均值（1.24×10¹¹J/ha）42.6%，即使以各田而论，也高25.9%～92.5%。（2）无机能投入量和比率更大，其平均值1.44×10¹¹J/ha是全国高产地区均值（3.81×10¹¹J/ha）的3.78倍，且占总投能的81.2%。无机能投入中，灌溉用电投能占总投能的71.2%，化肥占8.6%，其他只占1.3%。（3）有机能投入量和比率小，其平均值3.34×10¹⁰J/ha与全国低产地区均值（3.48×10¹⁰J/ha）相近，且仅占总投能的18.8%。其中有机肥占13.0%，人畜用工占3.3%，种子占2.5%。（4）粮田类型不同，能量投入量亦不同，其顺序是：小麦玉米带田＞小麦套种黄豆＞玉米套种蚕豆＞玉米＞豌豆套种黄豆≥套小麦＞扁豆复种糜子田，这种投能顺序，符合一般规律。

2.3.2　能量产出特征

总的来看，能量产出量是较高的，生物能和食物能均值分别是2.76×10¹¹J/hm²和1.18×10¹¹J/hm²，其值依次低于全国高产地区均值（相应是3.01×10¹¹J/hm²和1.624×10¹¹J/hm²）8.5%和27.6%而相应高于全国中产地区均值（分别是1.47×10¹¹J/hm²和7.79×10¹¹J/ hm²）87.1%和47.4%。从各类粮田的食物能产出来看，玉米套种蚕豆、小麦玉米带田和玉米田食物能，依次高于高产地区均值11.5%、5.5%和3.4%；小麦套种黄豆、小麦和豌豆套种黄豆田食物能，相应高于中产地区均值69.8%、32.5%和18.4%；只有扁豆复种糜子田食物能，低于中产地区均值11.7%。

2.3.3　能量效率

表3　投能及其效率

表4　无机和有机投能比例

能量产出虽高，但因灌溉用电投能量很大，致使能量效率变低。生物能和食物能与总投能比值，依次平均等于1.55和0.66，这与全国低产地区相应均值1.43和0.78接近。其中只有玉米及其套种田能量产投比，一般高于全国低产地区相应均值。这就说明，该粮田系统的能量效率是很低的。

相关性分析证明，不仅生物能与无机能、有机能和总投能间均呈正相关关系（r分别是0.820、0.832和0.894），而且食物能也与上述诸投能间均呈正相关关系（r依次是0.841、0.754和0.816）。由此可见，有机能和无机能投入，都对粮田能量产出有良好作用。但从食物能与有机能产投比（3.53∶1.00）和无机能与有机能投入比（4.31：1.00）看来，有机能对该粮田系统能量产出的作用更大。所以，适当增加更多的有机能，将更有益于粮田能量循环和协调，以提高该系统的生产力水平。

2.4　农业气候资源利用率

2.4.1　时间效率

由表5可见，该粮田系统对≥0℃积温、降水量和辐射量的时间利用率大致相近，依次平均为76.3%、71.2%和74.1%。但就各类粮田而论，因类型不同，对气候“三资源”的时间利用率亦不等。小麦自3月中旬播种，到7月中下旬收获，期间对“三资源”的时间利用率最低，依次是54.3%、40.0%和57.0%。玉米自4月中旬播种，到9月下旬收获，对“三资源”的时间利用率有所提高，其依次是87.0%、85.9%和73.7%。小麦套种黄豆、玉米套种蚕豆、豌豆套种黄豆和扁豆套种糜子4田，自3月中旬播种，到9月下旬或10月初收获，对“三资源”的利用率大大提高，依次平均等于90.4%、91.3%和85.2%。小麦玉米带田自3月中旬播种到9月底或10月初收获，对“三资源”的利用率最高，相应是93.1%、94.0%和87.5%。由此看来，实行秋、夏作物套种或复种，是充分利用农业气候资源，最大限度地提高系统生产力的重要途径之一。

表5　气候资源利用率

2.4.2　光能利用率

光能利用率是体现资源和辅助能转化效率的重要指标。在该粮田系统中，玉米、玉米套种蚕豆和小麦玉米带田生长期内的光能利用率最高，按生物量和籽粒产量分别计算是：前者平均为1.06%，后者是0.45%。小麦和小麦套种黄豆田光能利用率较高，相应是0.88%和0.37%。所剩“两田”其利用率最低，豌豆套种黄豆田相应是0.53%和0.24%，扁豆复种糜子田依次是0.41%和0.18%。就整个粮田平均，前者是0.81%，是后者0.35%。这些资料将为种植制度改革中种植方式选择、作物类型搭配，以及提高粮田系统的光能利用率，提供了科学依据。

2.5　经济效益分析

2.5.1　投入与产值从表6可见，该粮田系统的生产成本是2588.40元/ha，其中生产费用占65.1%。总产值等于5763.00元/ha，其中籽粒产值占85.8%；净产值（总产值减去生产费用）和纯收入（总产值减去生产成本）依次是4078.65元/ha和3174.90元/ha。

从表6还可以看出，各类粮田的生产投入和各类产值，差别很大。但相关性分析表明，其生产费用与总产值、净产值和纯收入间，均呈正相关关系（相应的r是0.515、0.454和0.455）；特别是生产成本与上述三产值间，均呈显著或极显著正相关关系，其r依次是0.962、0.889和0.866。这就说明，各类粮田在投入与产值、收益间，虽然数量差异很大，但基本上还是符合“高投入与高产出”的产投规律。同时还说明，增大人畜工投入，加强田间管理，对提高各类粮田，乃至该粮田系统的增产增收作用更大。

表6　经济效益统计　元/ha

2.5.2　投资效率计算

（表6）表明，该粮田系统的物质投入（生产费用）效率是2.42元/元，物质和人畜工投入（生产成本）效率是1.23元/元。以各田而论，物质投入的效率大小顺序是：扁豆复种糜子＞玉米套种蚕豆＞玉米＞小麦套种黄豆＞豌豆套种黄豆＞小麦＞小麦玉米带田＞而物质和人畜工投入的效率大小顺序是：玉米套种蚕豆＞豌豆套种黄豆＞玉米≥扁豆复种糜子＞小麦套种黄豆＞小麦玉米带田≥小麦田。由上可见，玉米套种蚕豆、玉米、扁豆复种糜子3田的投资效率最高，物质投入效率平均为2.79元/元，物质和人畜工投入效率平均为1.33元/元，而小麦和小麦玉米带田的投资效率最低，“两田”平均，相应效率依次是2.09元/元和1.10元/元。

3　小结与讨论

3.1　种植方式与生态效能

该灌区玉米及其套种田对气候资源的接收量大，利用时间长，转化效率高，所以生物、等价和籽粒产量则最高，粗蛋白质产量则较高。小麦套种黄豆和豌豆套种黄豆田虽对气候资源的时效利用很理想，但转化效率低，积累的生物、等价和籽粒产量不高，而粗蛋白质产量处于较高或最高等级。可见，这5类种植方式是提高粮田系统生态效能的主要种植方式。

鉴于此，应逐步压缩单种小麦的面积，尽快扩大以小麦、玉米和豆类为主要粮食作物的套种面积，使在短期内在灌区内形成一种“夏天一片夏田，秋天一片秋田”的粮田系统和农田景观，以便最大限度的利用气候资源，提高能量转化效率，达到优化粮田系统和提高系统生产力的目的。在此基础上，逐步建立食用、饲用、加工用植物性产品生产协调发展的格局，并创造用地与养地并进的种植方式和轮作制度。最终，实现以较少的投入，争得较多产出的目标。

3.2　土壤肥力与培肥

该区土壤肥力低下，作为主要肥力指标的土壤有机质含量，一般为8.0g/kg左右，且每年以残茬进入土壤的有机物料，平均为2532kg/hm²所以，增加土壤有机质，强化粮田土壤生产力，将是农业生态学中急待解决的问题之一。

为此，首先是增加有机物料投入，其主要途径是：养畜造肥、种植绿肥、作物高茬收割、秸秆直接还田，野粪家用，以及以无机促有机等。其次是实行轮作，既在田块间实行传统的轮作，又在田块内实行小巧而精细的不同作物种植带间轮作，以提高轮作的集约度。这既可以提高粮田系统的生产力，又可以调节土壤系统中物能，以及微生物种群分布及其代谢产物平衡，消除土壤肥力上物化—生化障碍。

3.3　粮田系统组成与经济效益

经济效益获得与社会经济条件、物能投入能力、土壤基础肥力和栽培技术等紧密相关。所以，根据本试验结果，在灌耕时期较长的高扬程灌区，粮田组成应以小麦套种黄豆、玉米及其套种田为主，预期通过提高单位面积的净产值和纯收入，获得尽可能高的经济收益。而在刚刚开始灌耕农业生产的高扬程新灌区，粮田组成应以单种小麦、单种玉米、豌豆套种黄豆和扁豆复种糜子田为主，以便用较简单而又熟练的栽培技术和较小的经济投入，获得一定的经济收益，并在此基础上，逐步提高种植和栽培的集约度。不论在高扬程老或新灌区，种植业在由温饱型向效益型或商品型转变的过程中，粮田组成应以扁豆复种糜子、玉米套种蚕豆、玉米和小麦套种黄豆田为主，预期提高生产投入的投资效率，实现增产增收的目的。