兴电灌区主要带田系统生产力研究

兴电灌区主要带田系统生产力研究

杨思存　王建成　霍琳　芦满济

（甘肃省农业科学院土壤肥料研究所　甘肃兰州　730070）

摘要：兴电灌区6种主要带田系统生产力研究结果表明，各种植模式干物质积累量在12 137.3～28 408.9kg/hm²，等价产量在15 734.7～33 198.2kg/hm²，粗蛋白产量在1794.3～2283.2kg/hm²，总体都比较高；能量的投入在1.6359×10¹¹～2.3942×10¹¹J/hm²，产出在2.0709×10¹¹～4.3290×10¹¹J/hm²，都高于全国中产地区同类型带田的平均值，但能量的产投比不高，只有1.27～1.98，主要是由于无机能中灌溉用电的投能太高；对≥0℃积温、降水量、辐射量利用的时间效率分别在90.0%～93.1%、90.7%～94.0%、83.8%～87.5%，生物产量和籽粒产量对光能的利用率分别在0.53%～1.05%和0.24%～0.45%；6种模式的总产值在10 314.75～12 682.34元/hm²，纯收益在5497.50～8061.75元/hm²，胡麻/黄豆和玉米/蚕豆带田是经济效益较高的模式；带田系统的生产优势度小麦/黄豆、玉米/豌豆、玉米/蚕豆带田较高，但稳定性较差，增产潜力的发挥还需要综合农艺措施的配套实施。

关键词：带田；系统生产力；能量投入和产出；经济效益；生产优势度；系统稳定性；兴电灌区

从20世纪60年代开始，在国际生物学计划（IBP）的影响下，美国、日本、菲律宾等国家先后对小麦、水稻、大豆等作物的农田系统生产力进行了研究^[1]，我国也先后在南方稻区、黄淮海平原以及北方灌区等不同农业区开展了多种作物种植制度的生产力问题研究^[2，3]。但由于它具有强烈的地域特征，随着生态环境的不同，农田生态环境的组分及其功能也就显著不同。因此，深入研究特定生态环境条件下不同作物种植模式的生产力，对于合理调控农田生态系统，探讨提高系统生产力的途径具有重要意义。兴电灌区属沿黄高扬程新灌区，农业生产在由旱地农业向灌溉农业过渡的过程中，经各级政府部门和广大科研人员的共同努力，开展了形式多样的带田种植，对推动灌区经济快速发展起到了积极的作用。鉴于此，我们于2000年设置了正规试验，试图通过对几种主要带田种植模式的综合评价，为灌区宏观农业发展计划的制定和建立节源高效、持续增产的农田生态系统提供科学依据。

注:本文发表于《干旱地区农业研究》，2005，（2）：173～179.

1　材料和方法

1.1　试区概况

兴电灌区位于甘肃省靖远县和宁夏回族自治区中卫县、海原县交界处，提灌工程形成于1985—1990年，有效灌溉面积1.0×10⁴hm²，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℃，大于0℃和10℃的积温分别为3208℃和2622℃，无霜期160～170d；年日照时数2919h，辐射量616.2KJ/cm²。试验设在对兴电灌区生态、社会、经济条件都具有典型代表性的靖远县北滩乡景滩村，试验地耕层土壤（0～20cm）有机质含量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，pH值为8.4。

1.2　研究方法

选择小麦/玉米、小麦/黄豆、玉米/蚕豆、玉米/豌豆、豌豆/黄豆、胡麻/黄豆6种主要带田种植模式为研究对象，试验小区面积均为28.8m²（4.8m×6.0m），重复3次，随机区组排列。田间记载用药量、灌水量、农机作业量及畜力、人工投入量；抄录并计算作物生长期间光照、温度、水分的时间分布和生产效率；作物收获时按籽粒、秸秆和根茬三部分测重，并取样用常规分析法测定各部分中N、P、K和营养成分含量；有关指标的折算综合自文献^[4]和^[5]；气象资料来自兴仁堡气象站，站址海拔1 698m。

1.3　种植方式：

带田的带幅均是1.2m，为80cm+40cm的宽、窄行，每小区种4幅。小麦/玉米、小麦/黄豆、豌豆/黄豆、胡麻/黄豆带田中小麦、豌豆、胡麻均为6行，占67%，玉米和黄豆均为2行，占33%；玉米/蚕豆和玉米/豌豆带田中玉米为2行，占58%，蚕豆为2行、豌豆为4行，均占42%。小麦、豌豆、胡麻用15cm宽的播种机播，播量分别为300kg/hm²、337.5kg/hm²和75kg/hm²；玉米、黄豆、蚕豆均点播，分别保苗6.67万株/ hm2、8.34万穴/hm²和11.12万穴/hm²。玉米品种为沈单10号，4月10日点播，9月25日收获；黄豆为汾豆8号，4月10日点播，10月4日收获；豌豆为中豌4号，3月15日播，6月27日收获；胡麻为陇亚7号，3月27日播，8月1日收获；蚕豆为临蚕2号，3月15日播，8月4日收获；小麦为宁春18号，3月15日播，7月18日收获。各模式的施肥水平、灌溉定额、田间管理等均按当地常规进行。

2　结果与分析

2.1　初级生产力

2.1.1　干物质及其分布

各种植模式的全年干物质积累量相差很大，介于12 137.3～28 408.9kg/hm²（表1），其中小麦/玉米带田最高，其次是玉米/蚕豆带田和玉米/豌豆带田，豌豆/黄豆带田和胡麻/黄豆带田最低。干物质在籽粒、秸秆、根茬间的分布各模式差别也不大（表1），籽粒占33.8%～39.3%，秸秆占46.2%～56.1%，根茬占10.1%～17.0%。以同一作物各部分在不同种植模式中所占比例而言，相差也都不大（表2），小麦籽粒占38.73%～39.13%，秸秆占41.86%～42.00%，根茬占19.01%～19.27%；玉米籽粒占33.58%～35.77%，秸秆占53.73%～56.13%，根茬占10.30%～10.86%；黄豆籽粒占29.46%～32.12%，秸秆占59.31%～61.68%，根茬占8.56%～8.85%；豌豆籽粒占45.58%～45.92%，秸秆占41.98%～46.63%，根茬占7.78%～12.13%。

2.1.2　等价产量

严格地讲，仅以干物质产量来对比分析各带田种植模式的初级生产力并不完全符合实际，因为它只代表了净初级光合产物的生物量，而没有包括呼吸作用所消耗的部分在内。因此，最具可比性的应该是“等价产量（Ye）”^[5，6]，其计算公式为：Ye= DM₁·E₁+DM₂·E₂式中DM₁为经济产品干重；DM₂为茎叶干重；E₁、E₂分别为两类收获体的等价系数。

表1　不同种植模式的干物质总量及其分布　（kg/hm²%）

Tab.1 Tatal amounts and distrikufions of dry matter in different farming modes

式中,0.38、0.31、0.84分别为三类光合产物的能量转换率^[6]。换算结果（表3）表明，各种植模式的等价产量在15 734.7～33 198.2kg/hm²，高低顺序仍与干物质总量相同，但增加的量和幅度都相差很大，玉米/蚕豆和豌豆/黄豆带田增加量最多，胡麻/黄豆带田最少；增幅却是豌豆/黄豆带田最多，达48.56%，小麦/玉米带田最少，只有16.86%。

2.1.3　粗蛋白产量

6种带田种植模式的粗蛋白产量在1794.3～2283.2kg/hm²，由于作物类型的不同，高低次序并不与干物质总量和等价产量一致（表3），其中玉米/蚕豆和豌豆/黄豆带田最高，小麦/玉米带田最低，这与豆科作物收获体粗蛋白含量较高而禾本科作物较低有关。

2.2　能量特征

2.2.1　能量投入特征

从投能量来看，各种植模式普遍较多（表4），以小麦/玉米带田最高，其次是小麦/黄豆、玉米/蚕豆、玉米/豌豆带田，胡麻/黄豆带田和豌豆/黄豆带田较低，分别为1.766×10¹¹J/hm²和1.636×10¹¹J/hm²，但这也都高于全国高产地区的平均值（1.240×10¹¹J/hm²）^[7]。从能量投入的比例来看（表5），无机能大，占81.2%～86.2%，有机能只占13.8%～18.8%。有机能投入的主体部分是农家肥，占7.9%～14.1%，而种子只占1.7%～3.2%，人畜工占2.5%～3.0%。无机能投入的主体部分是灌溉用电，占66.1%～78.8%，化肥占6.40%～15.9%，农药燃油只占1.0%～1.3%。

表2　不同作物各部分占相应干重的比例　%

Tab 2　Percentages of different crop parts to corresponding crops indry matter

表3　各种植模式的等价产量和粗蛋白产量

Tab 3　Equivalent grain yields and cnide pnoteic yields in different farm ingmodis

表4　投能结构及其效率

Tab 4　Structure and efficiency of energy input

表5　无机和有机投能比例

Tab 5　Rate of organic and inorganic energy input

2.2.2　能量产出特征

从能量产出来看，6种模式都比较高（表4），产出能总量小麦/玉米、小麦/黄豆、玉米/蚕豆、玉米/豌豆带田均高于全国高产地区同类型带田的平均水平（3.01×10¹¹J/hm²），豌豆/黄豆、胡麻/黄豆带田虽较低，但也高于全国中产地区同类型带田的平均水平（1.47×10¹¹J/hm²）。籽粒能小麦/玉米、玉米/蚕豆、玉米/豌豆带田高于全国高产地区同类型带田的平均水平（1.642×10¹¹J/hm²），小麦/黄豆、豌豆/黄豆、胡麻/黄豆带田也均高于全国中产地区的同类型带田平均水平（0.797×10¹¹J/hm²）^[7]。

2.2.3　能量转换效率

6种模式的能量产出虽然都较高，但转换效率却很低，只有1.27～1.98（表4）。究其原因，主要是由于灌溉用电投能太大，占到了总能投的66.1%～78.8%。因此，在兴电灌区大力发展节水型农业，有效提高渠系水利用系数、农田灌溉水利用率和单位灌水的生产力已是当务之急。

2.3　农业气候资源利用率

2.3.1　时间效率

各种植模式对≥0℃积温、降水量、辐射量利用的时间效率虽不同，但大致相近（表6），≥0℃积温为90.0%～93.1%，降水量为90.7%～94.0%，辐射量为83.8%～87.5%。这主要是由于各种植模式中都有玉米或黄豆，它们都是秋季作物，对农业气候资源的利用率较高。因此，在兴电灌区必须进行种植结构调整，压缩夏秋作物的比例，扩大间套复种，以便充分利用农业气候资源，最大限度地提高系统生产力。

表6　气候资源利用效率

Tab 6　Energyuse efficiency of climatic resources

※时间效率（%）=（作物生育期内消耗气候资源量/农耕期对应资源总量）×100。Note:Tempral efficisinty=（Consuption of climatic resource by creps grouth/The tolal amount of climatic re－source during crop grow）×100.

2.3.2　光能利用率

光能利用率是作物对气候资源利用能力的最终体现。在生长季节内，6种模式生物产量和籽粒产量的光能利用率分别在0.53%～1.05%和0.24%～0.45%（表6），都是小麦/玉米、玉米/蚕豆带田最高，其次是玉米/豌豆、小麦/黄豆、胡麻/黄豆带田，豌豆/黄豆带田生物产量和籽粒产量的光能利用率都最低。

2.4　带田系统的生产优势度和稳定性

2.4.1　不同带田种植模式的生产优势度

带田的总产量是由各作物的产量共同组成，可通过各作物的生产优势度和带田的生产优势度来评价其总体结构功能效应。生产优势度（Domincance of Production）包括各作物生产优势度（A）和带田生产优势度（C）两个方面，可通过下列公式计算^[8]：

A=n_i/N=P_i（P₁夏作，P₂秋作）C=∑（n_i/N）²

式中，A为各作物的生产优势度；n_i为各作物产量；N为带田总产量；C为带田的生产优势度。各作物的生产优势度反映出各作物为带田总产量所做出的贡献，便于判定它们的主次从属地位，有利于在生产中从总体上确定合理的种植模式及相应的关键技术措施。

试验的6种带田种植模式，不同作物的生产优势度不论是在生物产量还是在籽粒产量上都相差很大，同一作物在不同种植模式中的生产优势度也相差很大（表7）。带田的生产优势度玉米/豌豆、玉米/蚕豆和小麦/黄豆都很高，在生物产量上分别达到了0.6835、0.6712和0.6619，在籽粒产量上分别达到了0.6340、0.5972和0.7140，表明这三种带田模式内各组分之间的生产优势度还没有达到平衡，还有增产的潜力，而其潜力没有发挥出来的主要原因是豌豆、蚕豆、黄豆的生产优势度太低，以生物产量而论分别只有0.1971、0.2074和0.2155，以籽粒产量而论也分别只有0.2412、0.2795和0.1729，对带田总产量的贡献太低，在农业生产中还需要注意综合农艺措施的配套实施，以便有效降低带田内作物种群间的竞争，使其增产潜力充分发挥出来。而其他3种模式的生产优势度介于0.5006～0.5366和0.5005～0.5261，系统内各组分之间的生产优势度已基本趋于平衡。

2.4.2　不同带田种植模式的稳定性

稳定性（Stability）是指在系统以外的物理的、生物的、社会的和经济的变量正常波动与循环所产生的微小干扰情况下，系统生产力所保持的恒定性。从生态学的意义上来讲，富于多样性的生态系统具有较大的稳定性，在带田种植模式中比传统的单种增加了一种作物，其生产力稳定性可用下面的公式来计算^[9]：

S=-∑Pilog10^Pi=-∑（ni/N）lg（ni/N）

式中，S为稳定性系数；ni为各作物的产量；N为带田的总产量。稳定性系数越高，表明系统的自控调节、反馈作用越强，有较大的稳定性。

试验的6种带田种植模式的生产力稳定性不论是生物产量还是籽粒产量，相差都比较大（表7），小麦/玉米、豌豆/黄豆、胡麻/黄豆带田的稳定性系数分别为0.2850、0.3007、0.3007和0.2896、0.2909、0.3009，已基本上趋于稳定，因此进一步增产的潜力不大。而小麦/黄豆、玉米/蚕豆、玉米/豌豆带田的稳定性系数分别只有0.2263、0.2217、0.2155和0.2000、0.2573、0.2400，还没有达到稳定，在农业生产中还必须注意综合农艺措施的配套实施，才能增强系统自控调节的能力。

2.5　经济效益分析

6种带田种植模式的总投入在4535.40～5861.40元/hm²，总产值在10314.75～12682.34元/hm²，相差都比较大（表8）。以胡麻/黄豆带田的投入最低，玉米/蚕豆带田的总产值最高。总投入中物质成本占73.54%～77.56%，是投入的主体，人、畜力成本只占22.44%～26.46%。总产值中籽粒占91.81%～94.11%，秸秆只占5.89%～8.19%。6种带田种植模式的净产值、纯收益、资金生产率相差也很大，胡麻/黄豆带田由于其低投入高产出，所以净产值、纯收益、资金生产率也最高；豌豆/黄豆带田由于低投入低产出，所以净产值、纯收益、资金生产率也很低；而小麦/玉米、玉米/豌豆带田则是由于高投入低产出而导致了净产值、纯收益、资金生产率也都不高。

表7　不同种植模式的生产优势度和稳定性

Tab 7 Dom incance of Production and stability of different farming modes

3　小结与讨论

3.1　种植模式与系统生产力

在兴电灌区压缩单种，扩大间、套、复种，是充分利用农业气候资源，最大限度提高系统生产力的重要途径之一。试验的6种主要带田种植模式，普遍对气候资源的接收量大，利用时间长，转化效率高，因此干物质积累量、籽粒产量、等价产量、粗蛋白产量也都较高。虽然豌豆/黄豆带田积累的干物质、籽粒产量和等价产量都不是太高，光能利用率也很低，但粗蛋白产量却较高，对气候资源的时间利用效率也很理想，且由于豆科作物共生固氮，大大降低了能量投入，培肥了土壤。因此，也是一种好的种植模式。

3.2　能量特征与效益

经济高效的获得，一方面受农产品市场价格的制约，一方面还必须通过合理降低成本、提高土地生产力来提高单位面积的净产值和纯收益。兴电灌区6种主要带田的能量投入和产出都很高，但能量的产、投比却并不高，主要是无机能中灌溉用电的投能太高，因此发展节水型农业已是当务之急。

3.3　系统的生产优势度和稳定性

6种模式中小麦/玉米、豌豆/黄豆、胡麻/黄豆带田的生产优势度和稳定性都已趋于平衡，而小麦/黄豆、玉米/蚕豆、玉米/豌豆带田都没有达到平衡。因此，通过施肥、灌水、密度、播期、良种等农艺措施的配套调节，有效降低系统内部的竞争作用，充分挖掘增产潜力是进一步提高系统生产力的关键。

表8　不同种植模式的经济效益　元/hm²

Tab8　Economic efficiencies of different farming modes（yuan/hm²）

※种子价格：小麦2.6元/kg，玉米5.00元/kg，黄豆5.60元/kg，蚕豆3.60元/kg，胡麻7.00元/kg。水价：0.251元/m³。化肥价格：N 2.83元/kg，P₂O₅3.00元/kg。产品价格：小麦1.10元/kg，玉米1.06元/kg，黄豆2.56元/kg，蚕豆1.64元/kg，胡麻3.20元/kg，禾草0.07元/kg，豆草0.10元/kg，胡麻草0.12元/kg。人工8.00元/日，畜工12.00元/日。