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石河子绿洲农业系统能量、经济与物质平衡特征

侯扶琴  
【摘要】: 绿洲是世界内陆区农业系统的精华,一般生活着内陆地区95%以上的人口,聚集了90%以上的物质与能量产品。石河子绿洲分布在玛纳斯河中下游的荒漠戈壁,形成了石河子市、下野地、安集海、莫索湾四大子绿洲,是中国生产力水平最高的农业区域之一。由于对农业系统结构与功能的认识不足,管理不善,引发了一系列生态、社会与经济问题,如耕地次生盐碱化、沙漠化、土壤污染等,制约了绿洲农业系统的可持续性,在全球农业系统中具有代表性。 本项研究以石河子绿洲内石总场、下野地和莫索湾三个子绿洲的农业系统为对象,采取农场调查访问与田间试验相结合的方法,测定农业系统整体及各组分能量、经济与有机碳、氮、磷等物质的投入和产出,明确基于经济产量、能量效益与经济效益的水分利用效率,确定农业系统的能量、经济与物质平衡特征及其相互关系,以期揭示石河子绿洲农业系统的结构与功能特征,并尝试构建农业系统结构优化模式。 研究结果表明: 1.各子绿洲,化肥的能量投入占各种作物人工辅助能量总投入的77.6%-90.8%,平均85.0%。棉花的能量总产出与净产出均最低,平均分别为110.5±5.0GJ/ha和51.7±7.6GJ/ha;饲用玉米平均最高,分别为307.6±15.5GJ/ha和260.5±16.8GJ/ha。作物的能量利用效率依次为:苜蓿>葡萄>饲用玉米>小麦≈番茄>棉花。三个子绿洲作物生产系统单位面积的能量投入依次为:石总场>下野地>莫索湾;能量总产出依次为:下野地>石总场>莫索湾;能量净产出下野地最高,石总场因为能量投入过高,净产出最低。下野地、莫索湾、石总场分别有37.3%、65.6%和21.1%的能量净产出来自棉花,分别有54.0%、19.5%和43.8%来自冬小麦,石总场另有30.0%的净能量来自番茄。 2.三个子绿洲中各种作物的资金投入,棉花以人力最高,占43.4%-49.3%,平均46.5%,其次是肥料与灌溉;三项投入占资金总投入78.7%-81.2%,平均80.2%。小麦生产的资金投入以肥料最高,种子或灌溉次之,三者平均占资金总投入的82.1%±0.2%。饲用玉米总投入,下野地和莫索湾依次为:肥料>灌溉>机械,石总场依次为:灌溉>机械>肥料,三者平均占总投入的88.7%±0.2%。葡萄资金总投入一半以上购买肥料,其次是灌溉,然后是农药或机械,前三项占总投入的82%左右。苜蓿投入最多的依次为:灌溉>机械>肥料,三者合计超过总投入的86%。番茄的资金投入以人力为主,占57.9%,其次是肥料和灌溉。饲用玉米的经济总产出和净收益均最高,分别为9.0×10~4¥/ha和3.7×10~4¥/ha;其次是棉花,分别为2.5×10~4¥/ha和1.3×10~4¥/ha。经济产投比最高为玉米,棉花和小麦最低。三个子绿洲,作物生产投入资金和总产出均以石总场最高,下野地最低;但净收益依次为:莫索湾>下野地>石总场。莫索湾和下野地分别约93%和88%的收入来自棉花;石总场为62%,番茄贡献30%的收入。 3.单位用水,经济产量、经济总收入和净收益最高的作物均为玉米,最低的作物分别为棉花、苜蓿和小麦。单位用水能量总产出和净产出最低的作物是棉花,其次是苜蓿,棉花分别低于苜蓿49.2%和72.1%。三个子绿洲中,经济产量的水分利用效率石总场最高,为3.42¥/ha,下野地最低,为1.12¥/ha,石总场高出莫索湾1.5倍;经济总收入的水分利用效率莫索湾最大,为3.83¥/ha,高出最低的石总场1/4;经济净收益的水分利用效率下野地和石总场差异不大,平均为1.94¥/ha,低于莫索湾13.2%。基于能量总产出的水分利用效率下野地最高,为22.13MJ/ha,与莫索湾差异不大,高于石总场15.3%;净能量产出的水分利用效率,莫索湾最高,为15.02MJ/ha,接近下野地,比石总场高49.9%。 4.三个子绿洲0-40cm土壤有机碳密度,均以棉花地最高;全氮、速效氮、全磷和速效磷密度,则以苜蓿地最高。作物地土壤有机碳、全氮、速效氮、全磷和速效磷贮量依次为:石总场>莫索湾>下野地;氮的产投比,莫索湾最高,为0.77,石总场其次,为0.69,下野地最低,为0.43;磷的产投比,3个子绿洲差异不大,平均为0.27±0.01。 5.三个子绿洲,饲草供给仅能满足草食家畜代谢能需求的13.0%±2.2%,家畜生产净产出仅为作物的9.8%±1.6%,具有典型专门作物生产系统的特征。 6.所有作物的环境负载率,苜蓿最低,棉花最高,可持续指数相反;三大作物中,玉米的环境负载率平均最低,可持续性指数平均最高。三个子绿洲的环境负载率石总场最高,莫索湾最低;可持续性指数相反,石总场不及莫索湾的一半。 石河子各子绿洲是以棉花种植为主体、灌溉为支撑、化肥投入为主要驱动力、家畜生产严重不足的专门化生产系统。作物生产具有劳动密集型和资金、技术密集型的双重特征。由于种植结构中,缺乏饲草作物,作物生产与家畜生产不匹配,具有作物专门化生产系统的典型特征。种植业结构优化应压缩棉花种植面积,饲用玉米与苜蓿表现出优越的经济与生态效益,应予以重视,以修复和加强作物生产与家畜生产的有机联系。加强家畜在石河子绿洲农业系统中的地位。


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