轮作是一种在同一田地上有顺序地轮换种植不同作物或轮换采用不同复种方式的种植方式,是农田用 地和养地相结合,提高作物产量和改善农田生态环境的一项行之有效的农业技术措施<1>。稻田 轮作系统生态效应明显,具有改善土壤理化性状,调节土壤肥力,提高系统生产力,减轻农作物的 病虫草害,降低农田环境污染等优点<3～8>。能量转化与物质循环是生态系统的基本功能之一 ,是农田生态系统的最主要的研究内容之一<9～11>。例如,武继承等通过对开封市几种农业 种植方式的氮磷钾投入产出状况和价值转换效益等方面的分析,论述了其物流、能流和价值流的数 量特征<12>。秦丽杰通过对珲春市农田生态系统N、P、K物质循环的状况进行分析,指出了 农田生产中的限制因素及解决的对策<13>。本文通过5a田间定位试验,对稻田轮作系统进行 生态学分析,并筛选出能持续发展的稻田轮作系统和顺应当今农业结构调整要求的种植模式,从而 为农业发展提供理论和实践依据。1材料与方法1.1试验设计试验于1998年冬至2003年 秋在江西农业大学实验站水稻田进行,试验前各小区均为肥(紫云英)稻稻种植方式。试验设4个 处理,重复4次,随机区组排列,小区面积为33.35m2。试验设计见表1。表1稻田轮作田 间试验设计Table1Designofexperimentincroprotation systemsofpaddyfield处理Treatments代号Code第1年度1998年冬至1999年秋Thefirstyearfromthewinterof1998to theautumnof1999第2年度1999年冬至2000年秋Thesecondyearfrom thewinterof1999to theautumnof2000第3年度2000年冬至2001年秋Thethirdyearfrom thewinterof2000to theautumnof2001第4年度2001年冬至2002年秋Thefourthyearfrom thewinterof2001to theautumnof2002第5年度2002年冬至2003年秋Thefifthyearfrom thewinterof2002to theautumnof2003连作A紫云英①早稻②晚稻④紫云英①早稻②晚稻④紫云英①早稻 ②晚稻④紫云英①早稻②晚稻④紫云英①早稻②晚稻④轮作1B紫云英①早稻②玉米⑥紫云英①早 玉米⑤晚稻④紫云英①早玉米⑤玉米⑥紫云英①早稻②晚玉米‖晚大豆⑨紫云英①-玉米⑥‖大豆 ⑧-晚稻④轮作2C紫云英①玉米⑥晚稻④紫云英①早玉米⑤玉米⑥紫云英①早稻②玉米⑥紫云英 ①玉米⑥‖大豆⑧晚稻④黑麦草⑦-中稻③轮作3D紫云英①玉米⑥玉米⑥紫云英①早稻②玉米⑥ 紫云英①玉米⑥晚稻④紫云英①玉米⑥‖大豆⑧玉米⑥‖大豆⑧黑麦草⑦-早稻②-晚稻④“”表 示接茬Meanscontinuouscropping;“‖”表示间作Meansinte rcropping;①紫云英(Chinesemilkvetch);②早稻(firstc roppingrice);③中稻(mono_croppingrice);④晚稻(sec ondcroppingrice);⑤早玉米(firstcroppingcorn);⑥玉 米(corn);⑦黑麦草(ryegrass);⑧大豆(soybean);⑨晚大豆(se condcroppingsoybean)1.2测定项目与方法1.2.1土壤理化性状的测 定样品分析采用常规土壤分析方法<14>。1.2.2能量数学模型的建立和能量合理投入范围 的确定农田生态系统的能量投入与产出呈S型,这种S型关系符合生态学有限空间种群增长的Logistic方程<15>,其数学模型如下:Y=Km(1+eCrX)Y为农田生态系统的能量产出(J·hm-2);X为农田生态系统的能量投入(J·hm- 2);r为估算系数,表示能量产出的变化率;Km为在能量投入的各生产要素均为合理的条件下 农田生态系统能够达到的潜在最大能量产出(J·hm-2);C为估算系数。叶旭君等认为<1 9>,当能量投入弹性EEI在0～1范围内的能量投入水平是农田生态系统合理的投入范围。即 当能量投入弹性EEI=1时,边际能量生产力MEP等于平均能量生产力AEP,通过求解即得 能量合理投入范围的下限;当能量投入弹性EEI=0时,边际能量生产力MEP=0(取近似值 0.005),求得能量合理投入范围的上限。MEP、AEP和EEI的表达式如下:MEP=Km·r·eCrX(1+eC rX)2;AEP=(y y0)x;EEI=MEP AEP式中,y0指在没有任何辅助能量投入的情况下系统的能量产出(J·hm-2)。在各处理 能量数学模型的基础上,根据各指数的数学表达式,分别求出边际能量生产力,平均能量生产力, 能量投入弹性。令EEI=1,即MEP=AEP时求出下限;EEI=0,即MEP=0时,求 出上限,建立能量数学模型和确定能量合理投入范围。1.3数据处理采用DPS统计分析软件, 用Duncan新复极差法进行多重比较。对于表格的同一列来说,字母相同表示处理间无显著差 异,字母不同表示有显著性差异(p≤0.05)。2.1土壤理化性状2.1.1物理性状从表 2看出:(1)土壤容重:从1999年至2003年,各处理土壤容重总的呈下降趋势,但轮作 较连作下降幅度大。其中处理A下降了4.1%,B下降了5.83%,C下降了5.79%,D 为4.88%。(2)土壤总孔隙度:从1999年至2003年,各系统土壤总孔隙度均呈上升 趋势,其中A为3.96%,B为4.79%,C为5.12%,D为4.86%。(3)土壤毛 管孔隙度:从1999年至2003年,各处理土壤毛管孔隙度均略有上升,其中A为1.39% ,B为0.92%,C为0.46%,D为1.17%。(4)土壤非毛管孔隙度:从1999年 至2003年,各处理土壤非毛管孔隙度,均呈上升趋势,到2003年秋,A为1999年的1 .87倍,B为2.04倍,C为3.20倍,D为2.84倍。表2不同处理土壤物理性状的变 化Table2Variationsinsoilphysicalcharacterist icsunderdifferenttreatments处理代号Treatmentcode取土时间Samplingtime容重(gcm3)Bulkgravity总孔隙度(%)Totalporosity毛管孔隙度(%)C apillaryporosity非毛管孔隙度(%)Noncapillaryporosity三相比Threephaseratio气液比值Gas liquidratio A1999041.22b52.52c50.94a1.58e1∶1.07∶0.030.03 1d2003101.17e54.60ab51.65a2.95c1∶1.14∶0.060.057cB1999041.20d53.36bc51.33a2.02d1∶1.10∶0.040.0 39d2003101.13g55.92a51.80a4.12a1∶1.17∶0.090.079aC1999041.21c53.27bc52.14a1.13f1∶1.12∶0.020.0 21e2003091.14f56.00a52.38a3.62b1∶1.19∶0.080.069bD1999041.23a52.41c51.35a1.06f1∶1.08∶0.020.02 1e2003101.17e54.96ab51.95a3.01c1∶1.15∶0.070 .057c2.1.2土壤化学性状从表3看出:(1)土壤有机质:从1999年到2003年 ,各处理土壤有机质均呈上升趋势。较之1999年,2003年A土壤增加了10.7%,B增 加了17.61%,C增加了31%,D增加了8.36%。其排列顺序依次为C>B>A>D。 (2)土壤有效N、P、K,从1999年到2003年,土壤有效N、P、K含量,不论哪种种 植方式,总体上均有随土壤耕种年限增加而增加的趋势,但各处理增幅有差异。较之1999年, 有效N2003年A增加了8.67,B增加了12.37%,C增加了18.16%,D增加了 13.03%;有效P2003年A增加了43.08%,B增加了50.07%,C增加了62 .38%,D增加了48.56%;有效K2003年A增加了20.1%,B增加了38.6% ,C增加80.3%,D增加了22.23%。由此可知,B、C、D要高于连作A,其排列顺序 依次为C>B>D>A。(3)土壤pH值,从1999年至2003年,各处理土壤pH值均有 上升趋势。连作在冬季种植越冬肥料作物,使得土壤有一个短暂的回旱过程,从而在一定程度上得 以增强土壤的通透性,减少土壤次生潜育化和酸化。轮作通过在稻田种植旱地作物,则明显地有了 一个较长而彻底的回旱过程,使得土壤通透性大大增强,有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化,提 高土壤pH值。表3不同处理土壤化学性状的变化Table3Variationsinsoi lchemicalcharacteristicsunderdifferenttreat ments处理Treatments取土时间Samplingtime有机质(g·kg-1 )Organicmatter有效N(mg·kg-1)Availablenitrogen有效P(mg·kg-1)Availablephosphorus有效K(mg·kg-1)AvailablepotassiumpH值pH A1999102.99e64.69e14.46f29.62g5.02d2003103.31c70.3d20.69e35.6f5.32bc B1999103.01e70.39d22.79d48.69e5
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