基于循环模式下氮、磷、钾流动分析
——以河西走廊凉州示范区为例

于安芬，李瑞琴，赵有彪，车宗贤，苏永生

(1. 甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，甘肃兰州730070;2. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州730070)

物质循环的研究有助于调节整个系统养分的平衡，掌握生产中养分的投入效率［1］。氮、磷、钾是物质的基本组成元素，农业生态系统内的基本物质循环主要通过氮、磷、钾元素的流动实现。探明物质循环规律是管好、用好农业生态系统的基础，可以分析系统结构与功能的合理性，探明系统物质循环路径及转化效率，评价系统生态效应，探求系统最优结构和最佳功能状态，并为提高养分利用率提供科学依据。目前，国内外对农业生态经济效益分析评价的研究较多［2－15］，但有关氮、磷、钾循环的研究仍很少，我国河西走廊地区绿洲灌区农林复合系统中的氮、磷、钾循环研究尚未见报道。因此，以甘肃省河西走廊绿色农业示范区凉州区为试验基点，对当地近几年新兴的绿色循环农业模式“小麦－双孢菇－肥－葡萄”中氮、磷、钾的循环及投入产出率进行研究，探求系统最优结构和最佳资源配置量，明确我国绿洲灌区绿色循环农业模式的物质循环特征。

1 研究内容与方法

1.1 模式简介

“小麦－双孢菇－肥－设施葡萄”是在改变传统种植方式的基础上，利用小麦秸秆种植双孢菇，双孢菇废基料作为肥料，栽培红提葡萄，并实行家庭式中小规模经营的绿色循环农业模式。模式是以甘肃省武威市凉州区谢河绿色农业试验站为核心示范区域构建的。该区域地处河西走廊沿山冷凉灌区，海拔1 720 m，年均降水量161 mm，年蒸发量2 020 mm，年平均气温7.9 ℃，日温差15 ℃，年无霜期155 d，年日照时数2 968 h。耕地面积年配水量4 800 m3·hm－2。属温带大陆性干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季炎热，冬季严寒，空气干燥，昼夜温差悬殊。

1.2 试验简介

试验分别测定“小麦－双孢菇－肥－设施葡萄”模式中大田小循环、设施小循环以及整个模式的物质投入产出，计算氮、磷、钾的输入输出量，分析物质循环特征。

小麦品种:宁春39 号;春季随播种一次施肥为:有机肥7 500 kg·hm－2，纯N 225 kg·hm－2(留20%作追肥)，纯P2O5150 kg·hm－2，纯K2O 90 kg·hm－2，折磷二铵330 kg·hm－2，尿素262.5 kg·hm－2，K2SO4247.5 kg·hm－2。

双孢菇品种:双2796。红提葡萄品种:美国红提。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测定项目。①单位面积春小麦投入化肥、有机肥的总量，小麦籽粒、秸秆的产出量。②单位面积双孢菇生产投入的小麦秸秆、菜籽饼、牛粪量及化肥总量。双孢菇产出量。③双孢菇栽培后产生的废基料量。④红提葡萄栽培中投入的双孢菇废基料量。⑤有机肥、小麦籽粒、秸秆、牛粪、双孢菇、双孢菇废基料中的全量N、P、K。

1.3.2 测定方法。①农田小循环物质输入输出计算方法。以春小麦示范田为基础数据来源，对全年小麦生产中的投入产出作详细调查，并从数据中去除极端样本，进行分析。氮磷钾养分平衡分析中，以投入产出比来衡量。②设施小循环中物质输入、输出。本循环中只计算双孢菇培养基所有的投入物料，产出的双孢菇产品及培养基废料进行氮、磷、钾测定，结合示范区平均产量进行分析。因为设施葡萄在移栽2 年后才进入盛果期，而研究的数据是以一年为生产周期进行试验统计的，因此，在总的循环模式中未纳入葡萄的产出，双孢菇即是设施小系统的输出、输出，也是总的循环系统的输入、输出。

2 结果与分析

2.1 农田单作系统物质循环分析

农田投入项以“化肥投入量+有机肥施入量”含某一元素折合计，产出项以“作物籽实含量+秸杆带出量”含某一元素折合计算，结果见表1。其中当年作物根茬养分吸持量，假定与上年残留根茬相抵消，化肥施入量、化肥含氮量、购买有机肥施入量、还田比例、灌溉量、作物主产品产量和副产品还田比例通过实地调查获得;有机肥含氮量参考《中国有机肥料养分数据集》［14］;灌溉水含氮量参考刘宏斌［15］和李玉堂［16］等研究成果;大气沉降输入氮量来源于Zhang［17］和Shen［18］;生物固氮量参考鲁如坤等研究结果［19］。根据以上数据来源，淋溶、渗漏、挥发等氮损失量与降雨、灌溉水携入、生物固氮等基本可以互相抵消。

小麦籽粒、秸秆氮、磷、钾量通过实验室测定。小麦秸秆籽粒比采用常用的1.1 和1.2［20］。

2.1.1 氮、磷、钾养分的投入。为计算方便，K、P、K 投入只计算施肥的养分量。

2.1.2 氮、磷、钾养分的产出。产出以小麦籽粒、秸秆产量为依据。

表1 小麦生产投入有机肥纯N、P、KTab.1 The N，P，K content of organic fertilizer input in wheat production

表2 小麦籽粒、秸秆N、P、K 含量Tab.2 The content of the N，P and K in grain and stem of wheat

2.1.3 氮、磷、钾养分的平衡。K、P、K 的平衡以N 、P、K 的投入产出之比来计算。为计算方便，K、P、K 投入只计算施肥的养分量，产出则以小麦籽粒、秸秆、根茬产出量为据。依作物收获后养分的测定数据，得出每生产100 kg 小麦籽粒所吸收的养分为:氮2.06 kg，磷0.37 kg，钾0.29 kg。

从表3 看出，示范区每产出1 个单位氮、磷、钾，养分投入至少分别为0.76、0.13 和0.14 个单位。

表3 农田单作系统物质循环Tab.3 Nutrient cycle in the small circulation of farmland

2.2 设施单作系统物质循环分析

2.2.1 双孢菇。双孢菇生产需要投入物质的量为:牛粪15 万kg·hm－2，小麦秸秆15 万kg·hm－2，菜籽饼5 400 kg·hm－2，过磷酸钙2 700 kg·hm－2，尿素2 700 kg·hm－2。

2.2.2 设施葡萄。双孢菇培养基废料的氮、磷、钾输入量分别为165.60 kg、89.28 kg、50.40 kg。产生的培养基废料全部还田，每年可栽培设施葡萄0.214 hm2。

表5 说明，在设施单作中每产出1 个单位氮、磷、钾，养分至少需要投入0.99、0.49 和0.22 个单位。

表4 双孢菇生产投入物质N、P、K 含量Tab.4 The N，P，K content of input in agaricus bisporus production

表5 设施单作系统物质循环Tab.5 Nutrient cycle in the small circulation of sunlight greenhouse

2.3 模式循环系统中N、P、K 循环

表6 农田、设施单作及模式循环系统中物质循环Tab.6 Nutrient cycle in the circulation of sunlight greenhouse，farmland and ecological systems

农田单作系统氮、磷、钾的产投比最低，分别为0.78、0.13、0.16，设施单作系统氮、磷、钾的产投比位居第二，分别为0.99、0.89、0.22，模式循环系统氮、磷、钾的产投比最高，分别为0.95、0.97、0.75。

氮循环中，从土壤中带出的纯N 占总输入量的85%，通过秸秆进入双孢菇循环的纯N 占总输入量的17.7%，即还田纯N 占总输入的27%。

磷循环中，从土壤中带出的纯P 占总输入量的12%，通过秸秆进入双孢菇循环的纯P 占总输出量的8%，还田纯P 占总输入的60%。

钾循环中，从土壤中带出的纯K 占总输入量的70%，通过秸秆进入双孢菇循环的纯K 占总输入量的60%，还田纯K 占总输入的39%。

3 结论与讨论

①“小麦－ 双孢菇－ 肥－ 设施葡萄”模式循环系统中，氮、磷、钾的产投比分别为0.95、1.12、0.75，远远高于农田单作系统和设施单作系统。

②在模式循环系统中，氮、磷、钾的还田量分别占总输入量的27%、60%、39%。高于农田单作系统，同时又低于设施单作系统，可见在模式循环系统中，设施子系统物质的输入和输出占整个系统的主要部分。

③在凉州示范区，利用小麦秸秆种植双孢菇，双孢菇废基料作为肥料，栽培红提葡萄，构建家庭式中小规模经营的“小麦－双孢菇－肥－设施葡萄”绿色农业循环模式，充分合理地利用了当地水资源及农业废弃资源。

④“小麦－双孢菇－肥－设施葡萄”循环模式建设的最初目的是合理开发当地农业资源，提高农业生产过程中废弃资源的综合利用，促进养分的良性循环，实现农业生产系统的协调、可持续发展。本研究发现双孢菇生产规模是整个系统的关键因子，而同时，双孢菇生产规模又受制于研究区的秸秆量产出量，目前示范区的资源配置结构尚欠合理。建议示范区的最佳资源配置结构为:小麦产出的秸秆约1 万kg·hm－2，可栽培双孢菇0.066 7 hm2，产生的培养基废料全部还田，可栽培设施红提葡萄0.214 hm2。如此配置，不但可以缓解化肥投入带来的环境压力问题，还可节约资源，使物质的输入和输出向良性发展，实现农业生态系统可持续发展和良性循环。

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