全 文 ：免耕法对棉田生态系统能流功能的影响*
戈 峰 谢宝瑜 丁岩钦 (中国科学院动物研究所, 北京 100080)
摘要 比较了常规与免耕法对棉田生态系统中土壤微生物、害虫、天敌、棉株及其整个
棉田生态系统能流功能的影响.结果表明, 免耕棉田土壤微生物量与年呼吸耗氧量均明显
高于常规棉田,分别为常规棉田的 1. 32 倍和 1. 63 倍; 免耕棉田的苗蚜与秋蚜、2 代与 4 代
棉铃虫种群生产力下降,而伏蚜与 3代棉铃虫种群生产力增加;免耕棉田内天敌种群生产
力及其捕食利用效率下降;免耕可提高棉田系统的光能利用率和总生产力, 减少辅助能的
投入,具有低耗、高效的特点.
关键词 免耕 棉田生态系统 能流功能
Effect of notillage on energy flow in cotton agroecosystem. Ge Feng, Xie Baoyu and Ding
Yanqin ( I nstitute of Zoology , A cademia Sinica, Beij ing 100080) . Chin. J . A pp l. Ecol . ,
1998, 9( 2) : 150~ 154.
Comparativ e studies on the effect of conventional and notillag e methods on soil microbes, insect
pests, natural enemies, cotton plants and energy flow in co tton ag roecosystems show t hat the
biomass and respiration rate of soil microbes were respectively 1. 32 times and 1. 63 t imes higher
in notillag e than in conventional cotton agro ecosystem. In not illage cotton agr oecosystem, the
product ivity of seedling aphid ( A phis gossy pp i ) , autumn aphid, 2nd and 4th generation cotton
bollw orm (H elicopavar armigera) populations w as incr eased, but the pr oductivity of summer
aphid and 3rd generation cotton bollworm populations and the productivit y and prey utilization
efficiency of natural enemy populations were decreased. Notillag e could enhance the light uti
lization efficiency and gross production, w ith an additional benefit of reduced energy expense in
cotton agroecosystem.
Key words Notillage, Cotton ag roecosystems, Energ y flow.
* 国家自然科学基金( 39670126)和国际合作项目.
1996- 03- 19收稿, 1996- 12- 09接受.
1 引 言
免耕作为低耗、持续农业生产的一项
重要手段, 越来越受到国内外学者的重
视[ 4, 7, 11] . 据报道, 美国 1988 年免耕面积
已达 3. 56 ! 107hm2, 预计 2000年美国将
有50%以上的农田实行免耕或少耕[ 6] . 我
国自 70年代以来,一些地区也开始了免耕
种植,面积逐年加大. 如江苏省 1988 年秋
播面积的 50%、初茬麦面积的 80%实行了
少免耕法, 总面积高达 1. 33 ! 106hm2[ 3] .
那么,农田生态系统实施了免耕种植后,其
内的功能特征将会如何? 与常规农田又有
什么区别? 一直是生态学研究的焦点.
国内外有不少报告阐述了免耕对土壤
理化性质的作用[ 5]以及对土壤微生物活
性[ 4]、碎屑食物网[ 10]的影响; 分析了免耕
对农田生态系统的 N 流[ 9]和其它营养元
素流动的作用[ 14] , 而对整个农田生态系统
能流功能的作用研究相对较少[ 11] . 本研究
拟比较免耕棉田与常规棉田土壤微生物、
害虫、天敌的能量动态变化,分析免耕棉田
生态系统能流功能特征, 旨在丰富生态学
的理论,为有效地开展免耕措施的实施提
供科学依据.
应 用 生 态 学 报 1998 年 4 月 第 9 卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 1998, 9( 2)∀150~ 154
2 材料与方法
2. 1 试验地的选择与处理
1992~ 1993 年在河北省饶阳县选择以下 2
种类型棉田作为试验田, 供试棉田土壤类型为黄
潮土,其有机质含量为 0. 845% ,全 N为0. 105% ,
全 P为 0. 108% ,全 K 为 1. 77% ; 免耕棉田连续 2
年不翻耕、点穴播种、刮地除草和表面施肥, 而常
规棉田则冬春季翻耕(翻耕深度为 18cm)、挖沟播
种、中耕除草和深层施肥. 其它农事操作一致. 全
年均不进行化学防治. 各类型棉田重复 3 次, 面
积均不少于 0. 067hm2.
2. 2 田间调查与取样
自 5月下旬开始,每 5 天 1 次,随机从各棉田
连根拔取 8 株棉花, 铲取 5m2 杂草, 收取 5m2 凋
落物,挖取一定数量土壤. 同时, 5 点取样, 每点
1m2(相当于 6 株棉花) , 系统调查各棉田所有害
虫、天敌种群数量. 棉株及地面昆虫调查采用直
接计数法; 弹尾目昆虫调查采用水盆诱捕法; 土
壤节肢动物调查采用挖土计数法, 5 点取样, 每点
1m2, 深度为 20cm; 寄生性天敌调查采用直径为
33cm 的纱布网捕法. 对主要的节肢动物幼虫分龄
记载.
2. 3 生物量与热值测定
将田间采回的棉株各器官、凋落物、主要节
肢动物迅速杀死、烘干并称取生物量, 在日产岛
津燃研式自动热量计上测定热值. 使用 Jenkins
( 1976)氯仿熏蒸法[ 9]测定土壤微生物量.
2. 4 能流分析
2. 4. 1 棉田初级生产者 能流公式为:
棉田净初级生产力= 植物(棉株与杂草)的
生产力增量( # B) + 凋落量( L ) + 人工整枝去除
量( E)
棉田初级生产力= 棉田净初级生产力+ 植
物的呼吸量( R )
棉田总初级生产力= 棉田初级生产力+ 害
虫取食消耗量
其中,棉株的呼吸量 R 可由 Thorwley[ 15]公式计
算,即
R = [ aW + b ∃ ( # w / # t ) ]
式中, W 为棉株重量, # w / # t 为单位时间内棉
株重量的变化, a、b 为棉株的呼吸常数, a =
0. 006g 干物重∃ g- 1体重∃d- 1 , b = 0. 351g 干物
重/ g- 1体重∃d- 1 ;为氧卡系数,= 20. 07kJ∃g- 1
干物质.
2. 4. 2 次级生产者 能流公式为:
摄入量( I ) = 同化量( A ) + 排泄量( F U)
同化量( A ) = 生产量( P) + 呼吸量( R )
其中呼吸量 R 为:
R = %m
k= 1
%n
i= 1
(
W i, k- 1+ W i , k
2
)∃R i∃∃∃ f ( T k )∃D k
式中, n、m 分别为节肢动物的种类数与调查次
数, W i, k- 1、Wi , k 分别为第 i 种 k - 1 次和第 k
次调查时的生物量( mg) , R i 为第 i 种的呼吸量修
正值,取= 2. 589 [ 1] , f ( T k )为第 k 次调查时温
度系数的作用, D k 为第 k1次到第 k 次调查时的
时间间隔( d) .
生产量( P )与排泄量( FU )系分别由已发表
的各类节肢动物净生态效率与同化效率来估计.
2. 4. 3 土壤分解者 呼吸量 R 为:
R = %m
k= 1
(
Rk- 1 + Rk
2
) ∃ ∃ W ∃ D k
式中, W 为 0~ 10cm 深度的土壤干重, Rk- 1及
Rk 分别为第 k- 1 次和第 k 次测定时的土壤呼吸
强度, 其系用碱吸收法测定[ 3] ; 为氧卡系数
( 13. 86J∃ml- 1 CO2 ) ; D k 为第 k- 1 至 k 次调查的
时间间隔( d) .
2. 4. 4 棉田能量的输入输出 太阳辐射能由河北
省饶阳县气象站提供. 各种农事操作及能量的输
入、输出均按有关的折能系数[ 2, 13]进行分析.
3 结果与分析
3. 1 免耕棉田土壤微生物生物量与同化
量的变化特点
由图 1可看出, 免耕棉田与常规棉田
土壤微生物量的变化有明显的季节性变
化,以 5月最低, 6月份迅速增加, 至 8月
达到最大值,之后又显著下降,这主要是由
于土壤中各微生物种群对土壤温度与湿度
反映不同而致.图 1结果还表明,免耕棉田
的土壤微生物量在各个时期均高于常规棉
田,其平均值为常规棉田的 1. 32倍.根据
1512 期 戈 峰等:免耕法对棉田生态系统能流功能的影响
各旬测定的土壤呼吸强度、田间温度与热
值,可计算出棉田土壤微生物的年呼吸耗
能量. 由土壤微生物净生态学效率[ 12]可知
免耕棉田土壤微生物的同化量为 6. 69 !
10
2
kJ∃m- 2∃a- 1, 相当于常规棉田值( 4. 10
! 103kJ∃m- 2∃a- 1 )的 1. 63 倍, 说明免耕
利于土壤微生物的繁衍.
图 1 免耕棉田与常规棉田土壤微生物季节性变化
Fig. 1 Changes of the biomass of soil microbes in not illage
and convent ional cotton agroecosystem.
& .免耕棉田 Notillage cot ton agroecosystem, ∋ .常规棉
田 Conventional cotton agroecosystem.
3. 2 免耕对土壤主要动物能流量的影响
土壤动物指栖息在土壤内的主要动
物,包括蚯蚓、金龟子、地甲、步甲、蠼螋等.
从表 1可看出, 实行免耕种植,其内的金龟
子等土壤害虫的能量生产增加, 为常规棉
田的 1. 70倍;害虫的捕食性天敌的生产力
也增加,为常规棉田的 1. 62 倍; 但蚯蚓类
的生产力增加值( 1. 5%)很小;从整个棉田
土壤主要动物生产力变化来看,免耕棉田
表 1 免耕棉田与常规棉田土壤主要动物种群生产力
( kJ∃m- 2∃a- 1)
Table 1 Population production of soil macroanimals in no
- til lage and conventional cotton agroecosystems
土 壤害虫类
Insect
pest s
土壤捕食性天敌类
Predacious
enemies
蚯蚓类
Earth
w orms
其 它
Others
总 和
Total
常规棉田 1. 174 0. 364 0. 252 0. 044 1. 836
Convent ional cotton agroecosystems
免耕棉田 2. 00 0. 588 0. 256 0. 056 2. 952
Not illage cotton agroecosystems
为常规棉田的 1. 6倍, 说明免耕利于土壤
主要动物种群的能量生产. 但与土壤微生
物的能流量相比, 免耕棉田土壤主要动物
的生产力仅为其中土壤微生物能流量的
0. 04%. 它在土壤生态系统能流中的作用
相对较小.
3. 3 对棉田主要害虫、天敌种群能量动态
的影响
3. 3. 1 对主要害虫种群能量动态的影响
棉蚜与棉铃虫是华北棉区的两大害虫,它
们在免耕棉田与常规棉田的种群生产力和
对棉株的摄入利用效率值如表 2 所示.从
表 2可见,实行免耕种植后,苗蚜与秋蚜、2
代与 4代棉铃虫的种群生产力减少,而伏
蚜和 3代棉铃虫种群生产力增加,就全年
值来说,棉蚜的值增加了 1. 28倍, 棉铃虫
值下降 8. 4%. 综合考虑它们对棉株的摄
入利用效率可知, 免耕棉田除秋蚜外的害
虫种群摄入利用效率均比常规棉田低,这
主要与免耕棉田增加了棉株生产力有关,
说明免耕可以相对地减轻棉铃虫与棉蚜的
危害作用.
3. 3. 2 对主要天敌种群能量动态的影响
表 2结果还表明, 免耕种植对棉田不同类
群的天敌作用不同, 可使棉田捕食性瓢虫
类与蝽类的种群能量生产分别减少
10. 53%和 25. 40% ,使捕食性蜘蛛类种群
生产力增加 4. 08% ,而对寄生性天敌的影
响较小;就天敌对害虫的摄食利用效率来
说,免耕棉田各类天敌的值均比常规棉田
要低,即免耕也降低了棉田天敌对害虫的
控制作用.
3. 4 免耕对棉田初级生产力的影响
棉田生产者包括棉株与杂草.在棉花
出苗及生长发育初期, 免耕棉田由于不翻
耕、不锄草, 其内的杂草生产力一直较高;
之后,随着棉株的封行,杂草生产力下降,
152 应 用 生 态 学 报 9 卷
表 2 免耕棉田与常规棉田主要害虫、天敌种群生产力( kJ∃m- 2∃a- 1)与摄食利用效率值
Table 2 Population production and ingestion- uti lization efficiency of major insect pests and natural enemies in no- tillage
and conventional cotton agroecosystems
种群生产力
Population product ion
常 规
Convent ion
免 耕
Notillage
种群摄入利用率
Populat ion ingest ion
ut il ization eff iciency
常 规
Con vent ion
免 耕
Not illage
棉铃虫 2代 2nd generation 1. 31 0. 06 7. 10 0. 52
Bollworm 3代 3rd generation 5. 32 7. 43 0. 4433 0. 358
4代 4th generation 4. 30 2. 52 0. 531 0. 221
全年 Total 10. 93 10. 01 0. 713 0. 293
棉 蚜 苗蚜 Seedling aphids 4. 06 2. 33 1. 75 1. 35
Cot ton 伏蚜 Summer aphids 456. 54 594. 02 19. 28 18. 18
aphids 秋蚜 Autumn aphids 9. 71 5. 05 0. 15 1. 05
全年 Total 470. 31 601. 40 19. 30 18. 81
主要天敌 捕食性瓢虫 Predacious ladybeet les 21. 6 19. 20 12. 85 8. 98
Natural 捕食性蝽类 Predacious bugs 4. 33 3. 23 2. 44 1. 28
enemies 捕食性蜘蛛 Predacious spiders 9. 82 10. 20 4. 79 3. 14
寄生性天敌类 Parasites 0. 23 0. 22 0. 14 0. 11
棉株生产力上升;棉株后期也不早衰,生长
势仍旺盛, 其生产力较高.测定结果(表 3)
表明,免耕棉田的净生产力与总生产力均
高于常规棉田,其中棉株与杂草的生产力
分别为常规棉田的 1. 69倍和 4. 62倍, 说
明免耕有利于棉田初级生产者的生产.
表 3 免耕棉田与常规棉田的初级生产力( 103kJ∃m- 2∃
a- 1)
Table 3 Primary production in no til lage and conventional
cotton agroecosystems
净生产力
Net production
常规棉田
Convention
免耕棉田
Not illage
总初级生产力
Gross product ion
常规棉田
Convent ion
免耕棉田
Not illage
棉株 21. 03 37. 69 32. 19 54. 4
Cot ton plants
杂草 1. 01 4. 63 1. 50 6. 93
Grasses
棉田 22. 04 42. 12 33. 60 61. 33
Cot ton agroecosystems
3. 5 免耕棉田生态系统能流特征
根据上述研究, 可得出免耕棉田与春
播棉田的主要能流参数值(表 4) . 由表 4
可见,免耕棉田的天敌群落生产力和对害
虫的摄食利用率明显地低于常规棉田,分
别为常规棉田的 79. 07%和 53. 57% ;免耕
棉田的害虫生产力显著增加,为常规棉田
的 1. 49倍; 尽管如此, 但由于免耕使棉株
的初级生产力增加幅度较大,因而害虫对
棉株的摄食利用效率仅比常规棉田增加
1. 1%; 免耕可使棉田生态系统的光能利用
率提高 1. 70倍, 总生产力提高到 1. 83倍,
皮棉产量增加 25. 17%, 即免耕有较高的
增产效果;由于免耕的辅助能投入少,只有
常规棉田的 78. 5% ,其投产比为 1∀2. 103,
相当于常规棉田( 1∀0. 898)的 2. 24倍,体
现了免耕的低耗高效特点; 免耕使土表累
积了较丰富的有机质和凋落物,促进了土
壤微生物的繁衍. 因而其内的土壤微生物
表 4 免耕棉田与常规棉田生态系统的能流参数值(103kJ∃m- 2∃a- 1)
Table 4 Parameters of energy flow in no til lage and conventional cotton agroecosystems
初级生产者
Primary producers
光能利用率总生产力皮棉生产力
土壤分解者
Decomposer
生产力
次级生产者 Secondary producer
天敌群落
生产力摄食利用率
害虫群落
生产力摄食利用率
农业生产
Agriculture
product ion
辅助能 投产比
常规棉田 0. 926 36. 62 4. 41 4. 10 0. 043 20. 98 0. 756 8. 25 40. 76 1∀0. 898
Convent ion
免耕棉田 1. 570 66. 90 5. 52 6. 69 0. 034 11. 24 1. 123 8. 34 31. 81 1∀2. 103
Notillage
1532 期 戈 峰等:免耕法对棉田生态系统能流功能的影响
同化量为常规棉田的 1. 63倍.
4 结 语
4. 1 免耕与常规耕地最大的区别在于免
耕的土壤表层不翻耕, 因而含有较丰富的
有机质和凋落物,其内的微生物生物量与
能流量相对较高;同时,由于免耕棉田初期
杂草的生产力较高, 其内的土壤害虫与捕
食性天敌的生产力也相对较高. 这与其它
作者报道的结果一致[ 4, 10, 11] . 但本研究中
的免耕棉田蚯蚓的生产力与常规棉田之间
差异较少, 这与 Edw ards[ 8]所报道的免耕
将使蚯蚓生产力增加的结果不一致, 可能
与研究的类型田不同有关.
4. 2 在华北棉区,免耕将使棉田苗蚜与秋
蚜, 2代与 4代棉铃虫种群生产力下降, 而
伏蚜与 3代棉铃虫种群生产力增加.因此,
今后应加强华北棉区免耕棉田伏蚜与 3代
棉铃虫的管理.
4. 3 本研究表明,免耕可减少辅助能的投
入,增加棉田生态系统的光能利用率和总
生产力,提高棉花生产的经济效益.它作为
低耗、持续农业生产的重要手段之一,值得
关注.
致谢 本研究得到美国俄亥俄州立大学昆虫学
系 C. A. Edw ards 教授、B. R. Stinner 教授和 R. W.
Parmelee博士的热心帮助, 特此致谢.
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154 应 用 生 态 学 报 9 卷