全 文 ：中国生态农业学报 2012年 10月 第 20卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2012, 20(10): 1388−1393


* “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD14B11)资助
** 通讯作者: 吴发启(1957—), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为区域治理。E-mail: wufaqi@263.net
蒋碧(1986—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为土地资源利用与管理。E-mail: bij050332@126.com
收稿日期: 2012-04-27 接受日期: 2012-06-07
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01388
关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能流分析*
蒋 碧 吴发启** 吴喜慧 李 明 佟小刚
(西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100)
摘 要 为探明小麦、玉米秸秆还田模式下农田生态系统的能流特征, 以关中平原农田生态系统的不同秸秆
还田模式为对象, 运用生态学原理和系统分析方法, 分析了各模式的人工辅助能投入、能量产出、投能结构以
及能量转化率等能流特征, 了解不同秸秆还田模式的生态效益。结果表明: 小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还
田模式的总投能、有机能投入、有机能/无机能、能流循环指数均最高, 分别为 7.12×1010 J·hm−2、5.44×1010
J·hm−2、3.25 和 0.76; 光能利用率最高的模式是小麦秸秆粉碎−玉米秸秆粉碎覆盖还田, 为 0.669%; 能量转化
率最高的是小麦秸秆不还田−玉米秸秆不还田模式, 为 6.05。从能流特征角度来看, 秸秆还田模式的功能效益
优于不还田模式。从综合评判得分来看, 小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田模式得分最高, 达到 0.792, 说明
该模式的生态效益最佳, 是该区种植业生产的最优模式, 可以大力推广。
关键词 秸秆还田 农田生态系统 生产模式 能流 关中平原
中图分类号: Q148 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)10-1388-06
Energy flow analysis of straw-return agricultural modes in the
Central Shaanxi Plain
JIANG Bi, WU Fa-Qi, WU Xi-Hui, LI Ming, TONG Xiao-Gang
(College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)
Abstract Energy is not only the power base, but also a basic function of ecological systems. Analyzing the characteristics of
agro-ecosystems via energy flow analysis can ensure comprehensive component objectivity. The energy output level of any
agro-ecosystem is an energy flow key index. Using the characteristic indexes of energy flow, different function characteristics of
agro-ecosystems were analyzed. The 21st century view emphasized the coordinated development of resources, environment,
economy and society. This eventually gave rise to a new mode of sustainable agricultural production, promoted mainly through straw
return to farmlands. Although straw return may not make full use of crop straw resources, it reduces environmental pollution. It is
therefore the inevitable mode of sustainable economy development in the Central Shaanxi Plain (CSP). To build further
understanding into the energy-flow characteristics of wheat/corn straw-return mode in farmland ecosystems, eco-theory and system
analysis were used to investigate different straw-return modes in CSP. Then supplemental energy inputs, outputs and transformation
efficiencies of different straw-return modes were analyzed and discussed. The results showed that total energy input (7.12×1010
J·hm−2), organic energy input (5.44×1010 J·hm−2), organic/inorganic energy value (3.25) and CREF (0.76) of WH-MC mode (wheat
high stubble mulching and straw returning to field plus maize straw chopping and direct returning to field) were highest. While
WC-MC mode (both wheat and maize straw chopping and direct returning to field) was the effective in solar energy use (0.669%),
WN-MN mode (no turning of both wheat and maize straw) was the most in energy conversion (6.05). In summary, the energy
analysis of the functions of the straw-return modes produced better results than the no-straw-return modes. The WH-MC mode had
the highest integrated score (0.792). This showed that WH-MC was the optimal mode with the highest eco-efficient plant production,
recommended for promotion and wide adoption in CSP.
Key words Straw-return mode, Agro-ecosystem, Production mode, Energy flow, Central Shaanxi Plain
(Received Apr. 27, 2012; accepted Jun. 7, 2012)
第 10期 蒋 碧等: 关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能流分析 1389


能量既是生态系统的动力基础, 又是其基本功
能之一[1]。因此, 应用能流的方法对农业生态系统特
征进行分析, 能够客观、全面和定量地反映农业生态
系统各成分间最本质的关系[2]。故农业生态系统能量
产出水平是衡量农业生态系统能流的重要指标[3−5]。
能流研究是农业生态系统功能研究的一个重要内容,
并一直受到国内外农业生态学者的重视。国际上
emergy、energy 以及生态足迹等新兴生态学方法在
能量分析的基础上进行了延伸和改进 [6−7], 但与其
他方法一样也具有一定的局限性。国内方面, 张希
彪[8]通过对陇东黄土旱塬农业生态系统能流特征的
研究, 指出农田辅助能的投入水平及其结构是影响
整个系统生产力的关键。杨怀森[9]对投能结构与能
量产投比的关系进行了研究, 指出当有机能和无机
能之比为 4.924 4时, 系统产投比最大, 两者之比在
3.06~6.78 范围内时, 系统有较好的产出效果。徐炳
成等[10]对黄土旱塬麦田生态系统能流特征进行了评
价 , 认为能流循环指数反映出农田生态系统内部各
部分协调情况和能量利用情况, 是反映系统稳定性、
自我维持能力和持续发展的一个重要指标。能量转化
率是指总产能与总投入能量的比值, 又称为林德曼
效率, 这一指标能够清楚地反映系统投能效益的好
坏和系统投能结构的合理程度[11]。在能量产出方面,
李秀萍等[12]认为农业生态系统能量产出水平是衡量
系统功能的重要指标, 能够反映出系统内作物生物
产量的状况。针对这一系列能流特征指标, 我国学者
从不同规模和深度对农业生态系统的功能特征进行
了分析, 丰富和发展了生态系统能流理论[13−15]。
进入 21世纪后, 在强调资源环境与经济社会协
调发展的大背景下, 一种新的农业生产模式—— 循
环农业孕育而生[16−19]。关中平原是陕西省粮食的主产
区, 该区每年生产出大量作物秸秆资源, 建立秸秆还
田循环农业生产模式具有得天独厚的条件。秸秆还田
既可以充分利用作物秸秆资源, 又可以减少环境污染,
是关中平原种植业发展的必然选择。目前, 该区已陆
续建立了几个秸秆机械化还田的示范田, 实现了秸秆
资源的再利用。但这种循环农业生产模式所带来的功
能效益尚不清楚, 生产模式还需进一步完善。因此,
本文以农业生态系统的能流特征为切入点, 研究小麦
和玉米轮作条件下秸秆还田生产模式的能流特征指
标, 并应用综合指数法对不同秸秆还田模式进行评价,
确定适合该区域种植业发展的最优生产模式。
1 研究区概况和研究方法
1.1 研究区概况
研究区设在陕西省三原县西北农林科技大学三
原试验站。该站位于关中平原中部, 气候属暖温带
大陆性季风半干旱气候区, 年平均气温 13.4 ,℃ ≥
10 ℃的活动积温 4 337.7 , ℃ 年均降水量 517.7 mm,
平均无霜期 215 d, 年太阳总辐射 475.4 kJ·cm−2。试
验区以平原为主, 土壤为 土。
1.2 研究方法
1.2.1 试验设计
试验从 2008年开始, 采用了大型小区和裂区设
计, 田间排列采用随机排列。小麦和玉米小区各进
行了 3 种处理, 即小麦秸秆粉碎直接还田、小麦秸
秆高留茬覆盖还田和小麦秸秆不还田, 玉米秸秆粉
碎直接还田、玉米秸秆粉碎覆盖免耕深松还田和玉
米秸秆不还田(见表 1)。小麦和玉米实行轮作制, 小
区采用“3×3”的排列组合处理。共 9个处理，分别为
WH-MC、WH-MM、WH-MN、WC-MN、WC-MM、
WC-MC、WN-MC、WN-MM 和 WN-MN。种植的
小麦品种为“绵阳 26”, 玉米品种为“农华 50”, 每个
处理重复 3次, 每个小区面积为 1 112 m2。

表 1 小麦和玉米秸秆还田模式组合处理
Table 1 Modes of straw returning of wheat and corn
小麦Wheat 玉米 Corn
代码
Code
还田模式
Straw returning mode
具体耕作方法
Tillage method
代码
Code
还田模式
Straw returning mode
具体耕作方法
Tillage method
WC
粉碎直接还田
Straw chopping and
direct returning to field
机械化高留茬收获+秸秆还田机粉
碎+旋耕播种 Machine harvest with
high stubble left + straw chopping +
rotary tillage and seeding
MC
粉碎直接还田
Straw chopping and
direct returning to field
机械化收获+粉碎秸秆+浅旋整地+施
肥播种Machine harvest + straw chop-
ping + shallow rotation + fertilization
and seeding
WH
高留茬覆盖还田
High stubble mulching
and returning to field
机械化高留茬收获+硬茬播种
Machine harvest with high stubble
left + direct seeding in stubble soil
MM
粉碎覆盖免耕深松还田
Chopped straw mulching
and returning to field
without tillage
机械化收获+粉碎秸秆+深松+施肥播种
Machine harvest + straw chopping + deep
loosening + fertilization and seeding
WN 不还田
No straw returning
机械化低留茬收获+硬茬播种
Machine harvest with low stubble left
+ direct seeding in stubble soil
MN 不还田
No straw returning
玉米掰棒收获+施肥旋耕播种
Artificial harvest corn cob + fertilization
during rotary tillage and seeding

1390 中国生态农业学报 2012 第 20卷


1.2.2 数据收集
(1)在试验区, 以 2010—2011年一个完整的小麦
−玉米轮作周期为界限, 详细记录、收集生产过程中
的各项输入和输出数据, 并调查该区当年的气象资
料。(2)在每个小区内按“×”型布设 5个 1 m×1 m的
小样方, 采用收获法取其籽粒, 实测鲜重。在 80 ℃
下将籽粒烘至恒重后测其生物量。(3)对数据进行分
类整理, 根据研究目的将各项输入、输出数据转化
为能量流。
1.2.3 物质的折能系数
农业生态系统内各项输入和输出量的计量单位
不同, 但都可以转换为其本质属性能量, 用统一的
单位焦耳(J)来表示。本文所用能量折算系数和作物
各器官的热值参考前人的研究成果[20−25]。
1.2.4 能流计算方法
系统辅助能的物质输入和输出的能量计算方法
参照有关文献[2,20−22], 采用折能公式计算:
Y=KX (1)
式中, Y表示能量, K为折能系数或作物器官热值, X
为输入和输出的产品或物质数量。
1.2.5 绘制能流图
根据 Odum 等[25]提出的简明“能流语言”, 按能
流量绘出能流图。能流图采用目前通用的形式, 其
主要组成部分是能源、生产者和消费者, 其间用能
流线连接。将调查和计算出的能流量分别标注在各自
的能流线上, 即可得到能流图。为简便起见, 本研究只
绘出了小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田(WH-MC)
一种模式的能流图(图 1), 其他模式的能流图与此类似。
1.2.6 综合评价方法
秸秆还田农业生产模式的优劣, 集中反映在资
源利用效率上。在能量流动中, 选取光能利用率、
能量转化率和能流循环指数 3 个综合评价指标对资
源利用效率进行评价。先对各指标进行标准化, 采
用客观赋权法对每个指标进行赋权[26−27], 再计算综
合评分。
(1)光能利用率
光能利用率是指单位土地面积上, 作物通过光
合作用所产生的有机物中所含有的能量与该地块所
接收的太阳能比值。计算公式如下:
1 000 17 771.7 100%
=
× × ×
光能利用率
单位面积经济产量
当地生育期间单位面积的有效辐射总量
(2)
式中, 17 771.7为每形成 1 g干物质所需的热量, 单
位为 J。
(2)能量转化率
能量转化率指产出与投入能量的比值[27], 计算
公式如下:
100%= ×总产出能量能量转化率 人工投入总能量 (3)



图 1 关中平原小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田模式(WH-MC)的能流图(单位: ×108 J·hm−2·a−1)
Fig. 1 Energy flow of the treatment of WH-MC in the Central Shaanxi Plain (unit: ×108 J·hm−2·a−1)
第 10期 蒋 碧等: 关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能流分析 1391


(3)能流循环指数
在人工辅助能投入中, 能流循环指数反映了农
田生态系统内各部分的协调情况和能量利用情况 ,
是一个反映系统稳定性、自我维持能力和持续发展
的指标。在生态系统的能量投入中, 若以无机能为
主 , 则说明系统的自给能力差; 反之 , 则说明系统
的自给能力强。能流循环指数计算公式如下[15]:
= 有机能投入量能流循环指数 能量总投入量 (4)
(4)综合评分
为保证上述3个指标之间具有可比性 , 首先需
将其转化成标准数据[28]。公式如下:
Bij=Xij/Xjmax (5)
式中, Bij为标准化数据, Xij为原始数据, Xjmax为某个
评价指标的最大值。再根据以下公式计算各处理模
式的综合评分:
综合评分=∑各评价指标所占的权重×
标准化数据 (6)
最后, 以指标得分的大小来对9种不同秸秆还田
农业生产模式进行综合评价, 得分越高, 则模式越优。
2 结果与分析
农业生态系统的能量输入包括太阳辐射能和人
工辅助能两部分, 太阳辐射能依据当地气象部门提
供的该地区当年的太阳辐射资料。人工辅助能又分
为无机能和有机能, 无机能包括化肥、农药、机械、
电力和柴油等, 有机能包括种子、人力和秸秆等。
根据公式(1)计算出各模式的能量投入与产出值, 根
据公式(2)~(4)计算出光能利用率、能量转化率和能
流循环指数, 见表 2。
2.1 秸秆还田生产模式的投能结构与水平分析
由表 2可以看出, 9个还田模式中投能最大的是
小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田模式(WH-MC),
达7.12×1010 J·hm−2, 虽低于1979年浙江高产区(12.44×
1010 J·hm−2)[29], 但高于全国平均水平(6.43×1010 J·hm−2)[30],
更高于 1985年黄土高原(3.78×1010 J·hm−2)的平均水
平[31]。其余几个模式中, 除小麦秸秆高留茬−玉米秸
秆粉碎覆盖还田模式(WH-MM)外再没有达到这一
水平的。而投能最小的是小麦秸秆不还田−玉米秸秆
不还田模式(WN-MN), 为 1.84×1010 J·hm−2。由此可
见, 秸秆还田农业生产模式人工辅助能投入水平最
高的是小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田模式
(WH-MC)。
由于各模式的秸秆还田量不同, 故有机能投入
也不同。9 个模式中秸秆产量最大的是小麦秸秆高
留茬−玉米秸秆粉碎还田模式(WH-MC), 同时也是
还田量最大的, 故有机能投入最大的是该模式, 为
5.44×1010 J·hm−2。其次是小麦秸秆高留茬−玉米秸秆
粉碎覆盖还田模式(WH-MM), 为 4.82×1010 J·hm−2,
最小的仍是小麦秸秆不还田−玉米秸秆不还田模式
(WN-MN)。总体而言, 秸秆还田要比不还田模式投入
更多的有机能, 秸秆还田是农田中能量的主要来源。
各模式间的无机能投入相差不大。无机能中的
化肥、农药、电力投入量相同, 不同之处在于机械
能的投入。整体相比, 玉米秸秆不还田模式(MN)比
玉米秸秆还田模式投入了较多机械。无机能投入最
大的是小麦秸秆粉碎 −玉米秸秆不还田模式
(WC-MN), 为 1.695×1010 J·hm−2; 其次是小麦秸秆
高留茬−玉米秸秆不还田模式(WH-MN), 最小的是
小麦秸秆不还田−玉米秸秆粉碎还田模式(WN-MC)。
在人工辅助能投入中, 能流循环指数反映了农
田生态系统内各部分的协调情况和能量利用情况 ,
是反映系统稳定性、自我维持能力和持续发展的一
个指标。除小麦秸秆不还田−玉米秸秆不还田模式
(WN-MN)外, 其他 8 个模式的能流循环指数都超过
0.5, 说明在人工辅助能中 , 有机能投入高于无机
能。表明秸秆还田农业生产模式是一个有机生态模
式, 具有一定的自我维持能力。根据杨怀森[9]的研究,
当有机能与无机能之比为 4.924 4时, 系统的能量转

表 2 不同秸秆还田模式的能量产投分析表
Table 2 Analysis of energy output and input under different modes of straw returning
项目 Item WH-MC WH-MM WH-MN WC-MN WC-MM WC-MC WN-MC WN-MM WN-MN
有机能 Organic energy (×1010 J·hm−2) 5.44 4.82 1.94 2.24 4.33 4.15 2.29 2.24 1.56
无机能 Inorganic energy (×1010 J·hm−2) 1.674 1.674 1.689 1.695 1.677 1.677 1.669 1.669 1.684
有机能/无机能 Organic/inorganic 3.25 2.88 1.15 1.32 2.58 2.48 1.37 1.34 0.09
总投能 Total input energy (×1010 J·hm−2) 7.12 6.50 3.63 3.93 6.01 5.83 3.96 3.91 1.84
总产能 Total output energy (×1010 J·hm−2) 13.86 13.36 12.85 12.20 12.46 12.70 11.98 11.38 11.14
光能利用率 Light utilization rate (%) 0.658 0.668 0.617 0.597 0.637 0.669 0.566 0.540 0.542
能量转化率 Energy conversion rate 1.95 2.00 3.54 3.10 2.07 2.08 3.02 2.91 6.05
能流循环指数 Cyclic ratio of energy flow 0.76 0.74 0.53 0.57 0.72 0.71 0.58 0.57 0.09

1392 中国生态农业学报 2012 第 20卷


化率最大, 两者之比在 3.06~6.78 范围内时, 系统有
较好的产出效果。 而各模式中只有小麦秸秆高留茬
−玉米秸秆粉碎还田模式(WH-MC)的有机能与无机
能之比在此范围内, 为 3.25。因此, 增加有机能投入
是提高农田生态系统产出率的重要措施。
2.2 秸秆还田生产模式的投能效率
作物的光能利用率: 由表 2可知, 9个还田模式
中光能利用率最高的小麦秸秆粉碎−玉米秸秆粉碎
覆盖还田模式(WC-MC)达 0.669%, 最低的小麦秸秆
不还田−玉米秸秆粉碎覆盖还田模式(WN-MM)只有
0.540%。但所有模式的光能利用率均高于 1991年我
国农田光能利用率的平均水平 0.35%[29]。因而, 该区
农作物光能利用率的总体水平较高。
能量转化率: 由表 2 可知, 各还田模式的能量
转化率大小依次为 : 小麦秸秆不还田−玉米秸秆不
还田(WN-MN)>小麦秸秆高留茬−玉米秸秆不还田
(WH-MN)>小麦秸秆粉碎−玉米秸秆不还田(WC-MN)>
小麦秸秆不还田−玉米秸秆粉碎(WN-MC)>小麦秸
秆不还田−玉米秸秆粉碎覆盖(WN-MM)>小麦秸秆
粉碎−玉米秸秆粉碎(WC-MC)>小麦秸秆粉碎−玉米
秸秆粉碎覆盖(WC-MM)>小麦秸秆高留茬−玉米秸
秆粉碎覆盖(WH-MM)>小麦秸秆高留茬−玉米秸秆
粉碎(WH-MC)。显而易见, 能量转化率的大小排序
与总投能的排序相反, 秸秆不还田的能量转化率反
而比还田模式大。说明在一定范围内, 随着系统总
投能增加, 总产能的增加量减小, 能量转化率越来
越小。小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田模式
(WH-MC)的产能最大, 但其能量转化率却最小, 为
1.95, 是一个高投入、高产出的秸秆还田模式。
2.3 秸秆还田生产模式的综合评价
根据公式(5)和(6), 计算出光能利用率、能量转
化率和能流循环指数 3个指标的综合评分, 见表 3。

表 3 不同秸秆还田模式的综合评分
Table 3 Integrated scores of different modes of straw returning
模式 Mode WH-MC WH-MM WH-MN WC-MN WC-MM WC-MC WN-MC WN-MM WN-MN
评分 Score 0.792 0.789 0.732 0.722 0.768 0.777 0.709 0.687 0.591

从表 3 可以看出: 秸秆还田的综合评分均比不
还田模式高, 从能流特征角度来看, 秸秆还田模式
的功能状况优于不还田模式, 秸秆还田模式的结构
较不还田模式更合理, 稳定性更强, 功能效益更高。
但不同还田模式间存在差异, 各还田模式的评分大
小依次表现为 : 小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎
(WH-MC)>小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎覆盖
(WH-MM)>小麦秸秆粉碎−玉米秸秆粉碎(WC-MC)>
小麦秸秆粉碎−玉米秸秆粉碎覆盖(WC-MM)>小麦
秸秆高留茬−玉米秸秆不还田(WH-MN)>小麦秸秆
粉碎−玉米秸秆不还田(WC-MN)>小麦秸秆不还田−
玉米秸秆粉碎(WN-MC)>小麦秸秆不还田−玉米秸
秆粉碎覆盖(WN-MM)>小麦秸秆不还田−玉米秸秆
不还田(WN-MN)。可见, 小麦秸秆高留茬−玉米秸秆
粉碎(WH-MC)模式得分最高, 综合效益最佳, 是该
区种植业生产的最优模式, 可大力推广。
3 结论
秸秆还田农业生产模式能够获得较高产量, 产
能较大, 有机能投入较多且均由模式内秸秆还田提
供, 自给能力较强。该模式一方面可以充分利用小
麦、玉米秸秆资源, 减少环境污染; 另一方面又可以
减少人力和物力的投入, 提高农业生产的经济效益。
不同还田方式所产生的功能效益存在较大差
异。总体来看, 小麦秸秆高留茬−玉米秸秆粉碎还田
模式的生态效益最佳, 是该区最优的农业生产模式,
可以大力推广。
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