段青松，何丙輝，秦向東，字淑慧，張　濤，楊秀萍，劉云華（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶00715；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明650201）

?

不同產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和水分利用效率比較

段青松1，2，何丙輝1※，秦向東3，字淑慧4，張濤3，楊秀萍4，劉云華3
（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明650201；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明650201）

摘要：產(chǎn)業(yè)沼氣作物是發(fā)酵制氣的重要原料，開展產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem production，NEP）和水分利用效率（water use efficiency，WUE）的研究，為產(chǎn)業(yè)沼氣作物的篩選和種植提供依據(jù)。采用靜態(tài)鈉石灰吸收法和靜態(tài)箱－紅外CO2分析儀法、非稱重式蒸滲儀法測定了常規(guī)種植條件下4種作物農(nóng)田NEP和群體水分利用效率（population water use efficiency，WUEp）、生態(tài)水分利用效率（ecosystem water use efficiency，WUEe），并設(shè)裸地進行對照。結(jié)果表明：1）觀測的5個處理，NEP的大小順序是雜交狼尾草（17 533．1 kg/hm2）＞曲晨9號玉米（9 172．9 kg/hm2）＞云瑞88玉米＞（8 462．7 kg/hm2）＞紫花苜蓿（273．6 kg/hm2）＞裸地（－2 377．0 kg/hm2），4種作物農(nóng)田是CO2的匯，裸地是源。2）WUEp大小排序為雜交狼尾草（10．89 kg/m3）＞曲晨9號（7．23 kg/m3）＞云瑞88玉米（6．79 kg/m3）＞紫花苜蓿（3．46 kg/m3）。WUEe大小順序為雜交狼尾草（4．19 kg/m3）＞曲晨9號（2．38 kg/m3）＞云瑞88（2．20 kg/m3）＞紫花苜蓿（0．06 kg/m3），與NEP的排序相同。以生物量、NEP、WUEp、WUEe來衡量，雜交狼尾草優(yōu)于其他3種作物，可優(yōu)先推廣種植。

關(guān)鍵詞：作物；沼氣；生態(tài)系統(tǒng)；產(chǎn)業(yè)沼氣作物；凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；群體水分利用效率；生態(tài)水分利用效率

段青松，何丙輝，秦向東，字淑慧，張濤，楊秀萍，劉云華.不同產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和水分利用效率比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（01）：265-271.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.037 http://www.tcsae.org

Duan Qingsong, He Binghui, Qin Xiangdong, Zi Shuhui, Zhang Tao, Yang Xiuping, Liu Yunhua.Comparison of net ecosystem productivity of farmland and water use efficiency among different industrial biogas crops[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 265－271.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.037 http://www.tcsae.org

0　引言

為減少溫室氣體排放，產(chǎn)業(yè)沼氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效的生物質(zhì)能源近年來得到快速發(fā)展[1]。沼氣作物是產(chǎn)業(yè)沼氣的重要原料，來源主要有玉米、高粱、甘蔗等大田作物以及紫花苜蓿、雜交狼尾草、象草等草本植物[2]。對沼氣作物的篩選，不僅考慮其干物質(zhì)產(chǎn)量、產(chǎn)能潛力等經(jīng)濟指標(biāo)，還需考慮種植過程中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡、水分利用效率和氮污染等環(huán)境指標(biāo)[3]。因此，研究產(chǎn)業(yè)沼氣作物的農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem production，NEP）和水分利用效率（water use efficiency，WUE），篩選經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益高的沼氣作物，對推動產(chǎn)業(yè)沼氣發(fā)展，減少溫室氣體排放，提高水資源的利用效率具有重要的意義。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的凈吸收或凈排放稱為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，農(nóng)田NEP直接定性定量地描述了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的性質(zhì)和能力，在全球氣候變緩的背景下，學(xué)者就不同地區(qū)、不同作物的農(nóng)田NEP開展了研究。如德國學(xué)者Anthoni等在圖林根研究了冬小麥的碳平衡[4]；Verma等在美國內(nèi)布拉斯加對玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年度碳平衡作了研究[5]；Béziat在法國西南部對油菜、冬小麥、向日葵等輪作的農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力進行了研究[6]；周立峰等研究了不同灌水下復(fù)合肥對冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響[7]；張宇等研究了耕作方式對冬小麥田土壤呼吸及各組分貢獻的影響[8]。但這些研究主要針對小麥、玉米等大田農(nóng)作物，而對新興的產(chǎn)業(yè)沼氣作物研究相對較少。

WUE是指作物消耗單位水分所產(chǎn)生的干物質(zhì)量或所固定的碳量，它不僅了反映作物物質(zhì)生產(chǎn)與水分消耗之間的關(guān)系，還反映了生態(tài)系統(tǒng)碳-水循環(huán)的相互關(guān)系，長期以來是學(xué)者研究的熱點。起初的研究主要關(guān)注大田作物單位水分所生產(chǎn)的干物質(zhì)的量，即群體水分利用效率（population water use efficiency，WUEp），隨著生物質(zhì)能源的發(fā)展，對能源作物的WUE研究也從WUEp逐步擴展到生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUEe（ecosystem water use efficiency，WUEe），即NEP與系統(tǒng)蒸散量ET之比。如Marcelo等在伊利諾伊州中部研究了玉米（Zea mays）、芒草（Miscanthus×giganteus）、柳枝稷（Panicum virgatum）等作物的WUE[3]，Erickson等在美國弗羅里達州研究了象草（Pennisetum purpureum Schum.）、蘆竹（Arundo donax L．）、能源甘蔗（Saccharum spp.）等多年生能源作物的WUE［9］，Vanloocke等利用生態(tài)系統(tǒng)模型模擬分析了美國中西部不同能源作物的WUE[10]。國內(nèi)對產(chǎn)業(yè)沼氣的WUE研究相對滯后，影響了我國產(chǎn)業(yè)沼氣的發(fā)展。

滇中地區(qū)是云南省社會經(jīng)濟發(fā)展水平最高的地區(qū)，能源需求量大，同時該地區(qū)有著大量的荒山荒地和低效土地，適宜發(fā)展產(chǎn)業(yè)沼氣作物，但該地區(qū)水資源短缺，農(nóng)業(yè)用水緊張。因此本研究選擇在滇中地區(qū)種植較廣的飼料玉米曲晨9號、普通玉米云瑞88號、禾本科的雜交狼尾草和豆科的紫花苜蓿，開展產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和水分利用效率的研究，為滇中地區(qū)產(chǎn)業(yè)沼氣作物的篩選和種植提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗農(nóng)場，N25°18′，E102°45′，海拔1 978 m，亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.3℃，多年平均年降雨量979.3 mm，土壤為旱地紅壤，質(zhì)地為輕黏壤，有機質(zhì)含量12.08 g/kg，全氮1.30 g/kg，全磷1.12 g/kg，全鉀14.45 g/kg，pH為6.4。

1.2觀測時間

為便于對照，觀測時間為2013年的玉米生長期，從5 月20日到9月29日。

1.3供試沼氣作物

玉米（Zea mays L.）。玉米秸稈的總固形物（total solid, TS）產(chǎn)氣量在400 mL/g左右[11]。玉米有以收獲籽粒為主的常規(guī)品種，還有以收獲秸稈、生物量高、易發(fā)酵的沼氣專用玉米。選擇云瑞88號代表常規(guī)品種，國內(nèi)尚未培育出沼氣專用玉米，選擇性能相似的飼料玉米曲晨9號代表。

雜交狼尾草（Penniseturm americanum×P．purpureum）是美洲狼尾草和象草的雜交種，多年生禾本科植物。該草植株根系發(fā)達，植株高大可達4.0～5.0 m，生長快，既有很好的水土保持效果，也能有效抑制紫莖澤蘭等害草的生長，具有良好的生態(tài)環(huán)保作用，產(chǎn)氣量為570 mL/g[12]。雜交狼尾草一年可多次刈割，種植第一年產(chǎn)量較低，第二年以后產(chǎn)量較高且穩(wěn)定，本文以第二年的作為研究對象。

紫花苜蓿（Medicago sativa）。多年生豆科草本植物，適應(yīng)性廣，根系發(fā)達，可吸收土壤深層的水分，在年降雨量250～800 mm的地區(qū)均可種植。紫花苜蓿每年可刈割3～6次，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣在598 mL/g[11]。紫花苜蓿第一年產(chǎn)量較低，第二年以后產(chǎn)量較高且穩(wěn)定，本文以第二年的作為研究對象，種植品種為WL525HQ。

1.4田間試驗設(shè)計、作物種植管理及生物量測定

1.4.1田間試驗設(shè)計

本試驗采用田間隨機設(shè)計。設(shè)處理A曲晨9號玉米、處理B云瑞88號玉米、處理C雜交狼尾草、處理D紫花苜蓿、處理E裸地（對照，CK）5個處理，3次重復(fù)，共15個小區(qū)，每個小區(qū)面積為5 m×6 m=30 m2。小區(qū)間及周邊用深度為100 cm的混凝土埂分隔，田埂高于地面20 cm。

1.4.2作物種植及管理

作物按常規(guī)方法進行種植和管理。

雜交狼尾草于2012年3月20日利用莖節(jié)扦插繁殖,種植密度40 000株/hm2。底肥為有機肥30 000 kg/hm2，復(fù)合肥450 kg/hm2。分蘗肥尿素60 kg/hm2。株高2.5 m刈割，割后施尿素300 kg/hm2。

紫花苜蓿于2012年3月20日播種，條播，行距25cm，播種量為20 kg/hm2，底肥為有機肥30000 kg/hm2，速效磷100 kg/hm2。初花期或株高0.6 m刈割，刈割后追肥速效磷、鉀各0.3 kg/hm2。

玉米2013年5月4日育苗，5月20日移栽，云瑞88號種植密度66667株/hm2，曲晨9號種植密度80000株/hm2，底肥為有機肥30 000 kg/hm2、復(fù)合肥450 kg/hm2。拔節(jié)肥為尿素600 kg/hm2，中耕除草2次。9月29日收獲。

1.4.3生物量測定

2013年9月29日收割玉米。2013年5月20日、7月12、9月29日分別收割雜交狼尾草和紫花苜蓿的地上部分，后2次產(chǎn)量之和即為地上部分的生物量，采用烘干法測定。

地下部分生物量測定。雜交狼尾草和紫花苜蓿采用根鉆法取樣，范圍為地下0～90 cm，2013年5月20、9月29日各取一次，烘干測定，2次之差即為觀測期增加的生物量。玉米收獲時將根系挖出，烘干測定。

1.5農(nóng)田CO2排放量測定及NEP的測算

1.5.1農(nóng)田CO2排放量

農(nóng)田CO2排放量即為土壤呼吸排放到大氣中CO2。采用靜態(tài)鈉石灰吸收法測定[13]，并用靜態(tài)箱-紅外CO2分析儀法對測定結(jié)果進行修正[14]。

靜態(tài)鈉石灰吸收法，每個小區(qū)測3個點。1）測定前將鈉石灰在105℃烘干24 h，測定時將烘干、稱質(zhì)量、記錄后的鈉石灰40 g裝入玻璃培養(yǎng)皿并用純凈水充分濕潤。2）清除測定點地上的植物和地表凋落物，把培養(yǎng)皿置于測定點的小鐵架上，鐵架上方倒扣直徑為28 cm，高40 cm塑料桶，將塑料桶下緣輕輕旋入土壤2～3 cm，塑料桶上覆蓋遮蔽物，防止陽光直射。3）取樣時間為上午9:00～11:00之間，扣箱時間為3 d，間隔7 d后再扣箱。4）測定結(jié)束后取出培養(yǎng)皿，于105℃烘干24 h，稱質(zhì)量記錄，精確度為0.001 g。5）對照的裸地一旦有草長出，立即拔除。

靜態(tài)箱-紅外CO2分析儀法測定儀器為Telaire7001便攜式紅外線CO2分析儀，試驗前用CO2標(biāo)準(zhǔn)氣對儀器進行了校正。每次測量CO2排放通量的同時測定土壤5、10、15、20、25 cm處溫度。排放通量由箱中氣體濃度隨時間的變化率計算得出，通量計算方程為

式中F為CO2排放通量，mg/m2·h；dc/dt為箱內(nèi)痕量氣體隨時間的變化率；h為采樣箱高，cm；Mw為痕量氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，273.2 K；Mv為痕量氣體的摩爾體積，L/mol；T為測定時的土壤溫度，℃。

1.5.2農(nóng)田NEP的測算

凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）的計算公式為：

其中，NPP（net primary productivity）為作物凈初級生產(chǎn)力，即全生育期的總生物固碳量。據(jù)測算作物光合作用合成1 g有機質(zhì)所吸收C為0.45 g[15]，因此NPP等于作物地上、地下部分生物量之和乘以0.45，Rs為土壤呼吸碳排放量，三個量的單位均為kg/hm2。NEP為正值表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收“匯”，負值為大氣CO2的排放“源”。1.6降雨量、土壤含水量測定和水分利用效率測算

1.6.1降雨量觀測

在試驗地設(shè)有一臺自動觀測氣象站（美國造Davis Vantage Pro 2型無線自動氣象站）觀測氣溫、日降雨量、降雨次數(shù)等指標(biāo)。

1.6.2土壤含水量測定

玉米移栽前2個月，在每個小區(qū)內(nèi)布設(shè)3根PR2土壤剖面水分儀套管。在玉米移栽和收獲時用PR2水分儀測定0、10、20、30、40、60、100 cm深土壤的體積含水量，取3個點的平均值作為小區(qū)0～100 cm深土壤的含水量。采用開挖法測定每個小區(qū)深150、200 cm處土壤密度，用烘干法測定質(zhì)量含水量，計算體積含水量。

1.6.3水分利用效率計算

采用非稱重式蒸滲儀研究。觀測期貯水深度的變化量用下式計算：

式中ΔDw表示觀測期貯水深度的變化量，mm；θ2，θ1分別表示收獲和移栽時農(nóng)田土壤的剖面體積含水量，%；hs為計算土層厚度，取為2 000 mm。

騰發(fā)量根據(jù)水量平衡方程計算：

式中ET為騰發(fā)量；P為降雨量；I為灌水量，觀測期內(nèi)各處理均無灌水，I值為0；U、D分別為觀測期內(nèi)上行和下滲水量，兩者差值近似取為0，R為地面徑流損失量，試驗中各小區(qū)均無排水，R為0，各量的單位均為mm，上式簡化為：

水分利用效率分別以作物群體水分利用效率WUEp和生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUEe兩種形式表示。WUEp的計算公式為：

式中：Ma、Mu分別為群體地上、地下部分的生物量，單位為kg/hm2，ET為騰發(fā)量。

WUEe的計算公式為：

式中NEP為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，單位為kg/hm2，ET為騰發(fā)量。

1.7數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Office Excel 2003對實驗數(shù)據(jù)進行整理、作圖。采用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行差異性、相關(guān)性分析和回歸分析。

2　結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田CO2排放量

5個處理的農(nóng)田CO2排放速率見表1。在觀測期裸地、玉米和雜交狼尾草農(nóng)田CO2排放的變化趨勢基本一致，大致隨著降雨量的增加和氣溫的升高而增加。紫花苜蓿8 月24日前與其他4個處理的變化趨勢一致，8月24日后隨著降雨的減少和氣溫的下降，其他3種作物排放量減少，紫花苜蓿反而上升。其原因在于昆明7、8月份氣溫高、降雨多、濕度大，紫花苜蓿在高溫高濕的情況下，生長受到抑制，到8月24日后隨著氣溫逐步下降，降雨量逐漸減少，濕度降低，有利于紫花苜蓿的生長，其碳排放量仍處于較高水平。

觀測期5個處理的農(nóng)田土壤呼吸碳排放量見表2。大小順序依次為紫花苜蓿（5 459.5 kg/hm2）＞曲晨9號玉米（3 313.0 kg/hm2）＞云瑞88號玉米（3 270.9 kg/hm2）＞雜交狼尾草（2 959.8＞kg/hm2）裸地（2 377.0 kg/hm2）。和裸地相比，雜交狼尾草碳排放量是裸地的125%、曲晨9號玉米是139%、云瑞88玉米是138%、紫花苜蓿是208%。曲晨9號玉米、云瑞88號玉米、雜交狼尾草間差異未達極顯著，但它們與紫花苜蓿、裸地間達極顯著差異。

紫花苜蓿碳排放量最大，與其他處理達顯著性差異，原因在于紫花苜蓿是豆科植物，根系具有固氮能力，更有利于微生物的活動，另外紫花苜蓿根系深入地下（經(jīng)2013年9月實測，主根可到地面下2.0 m），可讓深層土壤的碳釋放出來，因此其CO2排放量較高。玉米和雜交狼尾草均為禾本科的C4植物，但雜交狼尾草的低于玉米，其原因既有作物本身的差異，也是因為玉米有中耕除草，土壤疏松，而雜交狼尾草觀測期土壤未擾動，因此碳排放量較低。兩個玉米品種排放量很接近，無顯著性差異。

2.2產(chǎn)業(yè)沼氣作物的農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

產(chǎn)業(yè)沼氣作物地上和地下部分的生物量、NPP、NEP見表2。為衡量單位碳排放的生產(chǎn)效率，計算出單位生物量碳排放系數(shù)，按不扣除和扣除裸土排放量計算，分別計為k1、k2，列于表2。

表2　產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田凈生產(chǎn)力Table 2 Net ecosystem productivity of industrial biogas crops（kg·hm-2）

結(jié)果表明，NEP的大小順序是雜交狼尾草（17 533．1 kg/hm2）＞曲晨9號玉米（9172．9 kg/hm2）＞云瑞88玉米＞（8 462．7 kg/hm2）＞紫花苜蓿（273．6 kg/hm2）＞裸地（－2 377．0 kg/hm2）。4種作物的NEP均為正值，說明種植過程作物吸收的CO2大于排放，其農(nóng)田是CO2的匯。2個玉米品種間NEP無顯著差異，但玉米、雜交狼尾草、紫花苜蓿間均達顯著性差異，雜交狼尾草NEP是紫花苜蓿64倍。

k1值表明，種植生產(chǎn)1 kg的雜交狼尾草干物質(zhì)，土壤排出的碳為0.065 kg，而其他3種作物分別為0.119、0.125、0.429 kg，k2值表明將裸地的碳排放扣除后，則分別為0.034、0.034、0.013、0.242 kg。從減少溫室氣體排放角度看，種植雜交狼尾草的效益遠高于玉米、紫花苜蓿等作物。2.3產(chǎn)業(yè)沼氣作物農(nóng)田水量平衡計算

玉米移栽和收獲時各處理農(nóng)田土壤剖面含水量見圖1。移栽時，各處理地下0～10 cm范圍內(nèi)土壤含水量較低，40 cm較大，但在50 cm含水量又降低，50 cm下逐漸增大。其原因應(yīng)是移栽前的降雨（5月1日到20日降雨38.2 mm）滲入土壤，致使40 cm處的含水量增加，但降雨對50 cm處的影響較小，導(dǎo)致該點含水量較小。收獲時，隨著深度增加含水量也在增加，在60 cm以下含水量增量較小。

圖1　玉米移栽時和收獲時農(nóng)田土壤體積含水量Fig.1 Soil moisture content at maize transplanted and harvest（%）

移栽時耕作層（0～30 cm）的含水量在15.43%～40.27%之間，而收獲時在31.98%～52.58%之間；在200 cm深處，收獲時的平均含水量比移栽時大5.6%，該深度處在觀測期含水量變化不大。

相同的深度，收獲時農(nóng)田土壤的含水量均大于移栽時的含水量，表明在觀測期土壤總貯水量增加，其原因在于在觀測期內(nèi)，降雨較多，而且在8月10日到12 日3天累計降雨達99.8 mm、9月3日降雨量達16 mm，加之田間沒有排水，雨水除騰發(fā)外，都滲入土壤補充了水分。

在觀測期內(nèi)降雨量為594.6 mm。各處理在觀測期內(nèi)0～200 cm土壤貯水深變化量和騰發(fā)量（ET）見表3。騰發(fā)量的大小排序為雜交狼尾草（418．29 mm）＞曲晨9號（385．03 mm）＞云瑞88（384．47 mm）＞紫花苜蓿（369．14 mm）＞裸地（354．22 mm），雜交狼尾草的騰發(fā)量最大，紫花苜蓿的最小，僅比裸地大14．92 mm。

表3　觀測期內(nèi)0～200 cm土壤貯水深變化量和騰發(fā)量Table 3 ET and changes of soil water storage in 0～200 cm during observation period（mm）

2.4產(chǎn)業(yè)沼氣作物水分利用效率

4種產(chǎn)業(yè)沼氣作物的WUEp、WUEe見表4。WUEp大小排序為雜交狼尾草（10.89 kg/m3）＞曲晨9號（7.23 kg/m3）＞云瑞88玉米（6.79 kg/m3）＞紫花苜蓿（3.46 kg/m3）。WUEe大小順序為雜交狼尾草（4.19 kg/m3）＞曲晨9號（2.38 kg/m3）＞云瑞88（2.20 kg/m3）＞紫花苜蓿（0.06 kg/m3），與NEP的排序相同。玉米、雜交狼尾草與紫花苜蓿間的WUEp、WUEe均達極顯著差異，兩個玉米品種間差異不顯著。同為C4植物的雜交狼尾草和玉米的WUEp、WUEe均比C3植物的紫花苜蓿大，其中，雜交狼尾草的WUEp是紫花苜蓿的3倍左右。

綜合4種作物的生物量、NEP、WUEp、WUEe等指標(biāo)，在常規(guī)種植條件下雜交狼尾草要明顯優(yōu)于其他3種作物，在產(chǎn)業(yè)沼氣作物的推廣中，可優(yōu)先種植。

表4　4種產(chǎn)業(yè)沼氣作物水分利用效率Table 4 Water use efficiency of four industrial biogas crops

3　討論

沼氣作物的碳排放量。本研究紫花苜蓿的CO2排放變化范圍在9.86～19.77 g/m2·d，龐瑩瑩等[16]在河北沽源牧場地區(qū)研究表明苜蓿整個生長季中土壤CO2排放的變化范圍是7.87～26.41 g/m2·d，兩者接近。玉米的碳排放研究較多，其強度也由于試驗條件的不同而不同，如韓廣軒等在遼寧錦州測得的C排放值在0.52～18.05 g/m2·d范圍內(nèi)[17]，牛靈安等在河北曲周試驗站測得玉米的CO2排放速率為6.19～22.52 g/m2·d[18]。本研究結(jié)果在7.18～14.21 g/m2·d在上該范圍內(nèi)。雜交狼尾草碳排放國內(nèi)未見報道，和同屬禾本科C4植物的玉米比較，其排放應(yīng)較為相似。雜交狼尾生物量雖比玉米高，但種植期間未擾動土壤，測得的碳排放值低于玉米，但差異不顯著。

沼氣作物的農(nóng)田NEP。Hollinger等[19]對玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生長季的碳收支平衡研究表明，玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在3年的觀測中均為碳匯，凈碳輸入NEP變化幅度為7 024～8 804 kg/hm2。韓廣軒等[17]測得春玉米農(nóng)田NEP為11 270 kg/hm2，李銀坤等[20]在山東恒臺縣測得不同氮水平夏玉米的為4 898.2～6 766.8 kg/hm2，本文的研究結(jié)果和Hollinger的較為接近，低于韓廣軒等的研究，高于李銀坤等的結(jié)果。Gilmanov[21]等采用通量塔測定法測得紫花苜蓿的NEP值為1363.6～3272.7kg/hm2，比本研究結(jié)果高很多。造成上述估算結(jié)果差異較大的主要因素是測定方法、監(jiān)測時間長短、試驗地氣候和土壤類型以及田間管理等的不同。

水分利用效率?，F(xiàn)有玉米水分利用效率的研究多以經(jīng)濟產(chǎn)量衡量。肖俊夫等研究得出我國夏玉米的需水量（騰發(fā)量）在350～400 mm之間[22]，本研究在385 mm左右，和肖俊夫的一致，玉米的生物產(chǎn)量一般在25 000 kg/hm2左右，因此可認(rèn)為本研究中的群體水分利用效率和目前研究結(jié)果一致，結(jié)合玉米NEP的測定結(jié)果，可認(rèn)為本研究中生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率和目前文獻報道數(shù)據(jù)經(jīng)計算后的結(jié)果一致。

本研究中紫花苜蓿的群體水分利用效率為3.45 kg/m3，高于孫洪仁等[23]歸納的建植2年以上（含2年）紫花苜蓿的水分利用效率1.4～2.9 kg/m3。其原因在于孫洪仁等歸納的文獻的研究大多在干旱半干旱地區(qū)，空氣干燥，作物需水量相對較高，水分利用效率低。本研究中小區(qū)底部未封閉，紫花苜蓿根系較深，2 m以下的土壤也有可能為紫花苜蓿的生產(chǎn)提供了水分，可能導(dǎo)致計算的水分利用效率偏大。結(jié)合紫花苜蓿NEP的測定結(jié)果，本研究中生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率高于目前文獻報道數(shù)據(jù)經(jīng)計算結(jié)果，原因主要在于試驗條件的不同。

對雜交狼尾草水分利用效率的研究，目前的報道主要集中在植物光合生理方面[24-25]。韋蘭英等[24]在巖溶石漠化區(qū)以類玉米、紫花苜蓿、菊苣和雜交狼尾草4種牧草植物光合生理研究表明，類玉米和雜交狼尾草的水分利用效率高于紫花苜蓿，這也應(yīng)證了本研究中玉米和雜交狼尾草的群體、生態(tài)水分利用效率高于紫花苜蓿的結(jié)論。

產(chǎn)氣量水分利用效率。WUEp、WUEe分別衡量了沼氣作物的群體和生態(tài)水分利用效率。作為沼氣作物其用水的效率最終體現(xiàn)在產(chǎn)氣量，將種植過程中所消耗的單位水分所生產(chǎn)的干物質(zhì)發(fā)酵后的沼氣產(chǎn)量定義為產(chǎn)氣量水分利用效率。根據(jù)參考文獻[11-12]的作物產(chǎn)氣量，測算得曲晨9號、云瑞88號、雜交狼尾草、紫花苜蓿產(chǎn)氣量水分利用效率分別為2.88、2.71、6.21、5.59 m3/m3，可以看出雜交狼尾草的產(chǎn)氣量水分利用效率明顯高于其他3種作物。

沼氣作物作為新興的能源作物，其栽培以獲得高生物量為目標(biāo)，作為能源植物，希望其凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和WUEp、WUEe要高，但目前這方面的研究較少。本研究以玉米的生長期為研究時段，玉米收獲后，紫花苜蓿和雜交狼尾草仍然生長，因此在今后的研究中，針對紫花苜蓿和雜交狼尾草兩種作物都為多年生草本植物，可開展多年對比試驗研究。

4　結(jié)論

1）觀測的5個處理，NEP的大小順序是雜交狼尾草（17 533.1 kg/hm2）＞曲晨9號玉米（9 172.9 kg/hm2）＞云瑞88玉米＞（8 462.7 kg/hm2）＞紫花苜蓿（273.6 kg/hm2）＞裸地（-2 377.0 kg/hm2）。4種作物的農(nóng)田是CO2的匯。2個玉米品種間NEP無顯著差異，但玉米、雜交狼尾草、紫花苜蓿間均達顯著性差異。

2）供試的4種作物，WUEp大小排序為雜交狼尾草（10.89 kg/m3）＞曲晨9號（7.21 kg/m3）＞云瑞（886.78 kg/m3）＞紫花苜蓿（3.45 kg/m3）。WUEe大小順序為雜交狼尾草（4.19 kg/m3）＞曲晨9號（2.38 kg/m3）＞云瑞88（2.20 kg/m3）＞紫花苜蓿（0.06 kg/m3），與NEP的排序相同。玉米與其他處理間WUEp、WUEe均達到極顯著性差異，2個玉米間差異不顯著。

3）以生物量、NEP、WUEp、WUEe四個指標(biāo)來衡量，在常規(guī)種植條件下雜交狼尾草要明顯優(yōu)于其他3種作物，在產(chǎn)業(yè)沼氣作物的推廣中，可優(yōu)先種植。

[參考文獻]

[1]程序，梁近光，鄭恒受，等.中國“產(chǎn)業(yè)沼氣”的開發(fā)及其應(yīng)用前景[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（5）：1-6.Cheng Xu, Liang Jinguan, Zheng Hengshou, et al.Tapping of China′s biogas industry and its perspective[J].Tansactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26（5）: 1-6.（in Chinese with English abstract）

[2]段青松，何丙輝，張婭玲，等.產(chǎn)業(yè)沼氣作物的主要特征及種類特性[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，29（3）：430-435.Duan Qingsong, He Binghui, Zhang Yaling, et al.Main characteristics of industrial biogas crops and their species typical properties[J].Journal of Yunnan Agricultural University: Natural science edition, 2014, 29（3）: 430-435.（in Chinese with English abstract）

[3] Marcelo Z, Zaman H M, Anderson-Teixeira K J, et al.Water use efficiency of perennial and annual bioenergy crops in central Illinois[J].Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 2013, 118（2）: 581-589.

[4] Anthoni P M, Freibauer A, Kolle O, et al.Winter wheat carbon exchange in Thuringia, Germany[J].Agricultural & Forest Meteorology, 2004, 121（3）: 55-67.

[5] Verma S B, Dobermann A, Cassman K G, et al.Annual carbon dioxide exchange in irrigated and rainfed maize-based agroecosystems[J].Agricultural & Forest Meteorology, 2005, 131 （1）: 77-96.

[6] Béziat P, Ceschia E, Dedieu G.Carbon balance of a three crop succession over two cropland sites in South West France [J].Agricultural & Forest Meteorology, 2009, 149（10）: 1628-1645.

[7]周立峰，馮浩.不同灌水下復(fù)合肥對冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（7）：31-36.Zhou Lifeng, Feng Hao.Effects of irrigation and compound fertilizer on yield of winter wheat and net ecosystem productivity of farmland[J].Tansactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27（7）: 31-36.（in Chinese with English abstract）

[8]張宇，張海林，陳繼康，等.耕作方式對冬小麥田土壤呼吸及各組分貢獻的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（9）：3354-3360.Zhang Yu, Zhang Hailin, Chen Jikang , et al.Tillage effects on soil respiration and contributions of its components in winter wheat field.[J].Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42（9）: 3354-3360.（in Chinese with English abstract）

[9] Erickson J E, Soikaew A, Sollenberger L E, et al.Water use and water-use efficiency of three perennial bioenergy grass crops in Florida[J].Agriculture, 2012, 2（4）: 325-338.

[10] Vanloocke A, Twine T E, Zeri M, et al.A regional comparison of water use efficiency for miscanthus, switchgrass and maize[J].Agricultural & Forest Meteorology, 2012, 164（8）: 82-95.

[11] Heiermann M, Pl?echl M, Linke B, et al.Biogas crops-part I: specifications and suitability of field crops for anaerobic digestion[J].Agricultural Engineering International, 2009, 11: 1-17.

[12]李連華，孫永明，孔曉英，等.刈割時間對雜交狼尾草成分及厭氧發(fā)酵性能影響試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（1）：155-161.Li Lianhua, Sun Yongming, Kong Xiaoying, et al.Effect of growth stages on performance of anaerobic digestion and physico - chemical properties of pennisetum hybrid [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014, 45（1）: 155-161.

[13]危常州，王敬國，張福鎖，等.農(nóng)田土壤溫室氣體釋放通量的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，5（4）：267-270.Wei Changzhou, Wang Jingguo, Zhang Fusuo, et al.Measurement of greenhouse gases emission efflux in farmland[J].Journal of Shihezi University（Natural science）, 2001, 5（4）: 267-270.（in Chinese with English abstract）

[14]胡立峰，王寶芝，李洪文.土壤呼吸、農(nóng)田CO2排放及NEE的比較研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18（2）：578-581.Hu Lifeng, Wang Baozhi, Li Hongwen.The comparative study of the soil respiration, CO2emission and NEE from the farmland in the North of China[J].Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18（2）: 578-581.（in Chinese with English abstract）

[15] Larcher W.Physiological Plant Ecology[M].4th ed.Germany: Springer, 2003: 513.

[16]龐瑩瑩，鄧波，張英俊，等.苜蓿草地土壤呼吸及其對環(huán)境響應(yīng)的研究[J].草地學(xué)報，2011，19（3）：432-437.Pang Yingying, Deng Bo, Zhang Yingjun, et al.Soil respiration of alfalfa fields in the agro-pastoral ecotone of Northern China and its environment on responses[J].Acta Agrestia Sinica, 2011, 19（3）: 432-437.（in Chinese with English abstract）

[17]韓廣軒，周廣勝，許振柱.玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用季節(jié)動態(tài)與碳收支初步估算[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009，17（5）：874-879.Han Guangxuan, Zhou Guangsheng, Xu Zhenzhu.Seasonal dynamics of soil respiration and carbon budget of maize（Zea mays L.）farmland ecosystem[J].Chinese Journal of Eco -Agriculture, 2009, 17（5）: 874-879.（in Chinese with English abstract）

[18]牛靈安，郝晉珉，張寶忠，等.長期施肥對華北平原農(nóng)田土壤呼吸及碳平衡的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，l8（3）：1054-1060.Niu Lingan, Hao Jinmin, Zhang Baozhong, et al.Soil repiration and carbon balance in farmland econsystems on North China Plains[J].Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18（3）: 1054-1060.（in Chinese with English abstract）

[19] Hollinger S E, Bernacchi C J, Meyers T P.Carbon budget of mature no-till ecosystem in North Central Region of the United States[J].Agricultural & Forest Meteorology, 2005, 130（1）: 59-69.

[20]李銀坤,陳敏鵬,夏旭，等.不同氮水平下夏玉米農(nóng)田土壤呼吸動態(tài)變化及碳平衡研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2013，22（1）：18-24.Li Yinkun, Chen Minpeng, Xia Xu, et al.Dynamics of soil respiration and carbon balance of summer-maize field under different nitrogen addition[J].Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22（1）: 18-24.（in Chinese with English abstract）

[21] Gilmanov T G, Baker J M, Bernacchi C J, et al.Productivity and carbon dioxide exchange of leguminous crops: Estimates from flux tower measurements [J].Agronomy Journal, 2014, 106（2）: 545-559.

[22]肖俊夫，劉戰(zhàn)東，陳玉民.中國玉米需水量與需水規(guī)律研究[C]//第十屆全國玉米栽培學(xué)術(shù)研討會.2008：21-25.Xiao Junfu, Liu Zhandong, Chen Yumin.Study on the water requirement and water requirement regulation of maize in China [C]// The 10th national conference on corn cultivation.2008: 21-25.（in Chinese with English abstract）

[23]孫洪仁，劉國榮，張英俊，等.紫花苜蓿的需水量、耗水量、需水強度、耗水強度和水分利用效率研究[J].草業(yè)科學(xué)，2005，22（12）：24-30.Sun Hongren, Liu Guorong, Zhang Yingjun, et al.Water requirement rate, water consumption rate and water use efficiency of alfalfa[J].Pratacultural Science, 2005, 22（12）: 24-30.（in Chinese with English abstract）

[24]韋蘭英，曾丹娟，張建亮，等.巖溶石漠化區(qū)四種牧草植物光合生理適應(yīng)性特征[J].草業(yè)學(xué)報，2010，19（3）：212-219.Wei Lanying, Zeng Danjuan, Zhang Jianliang, et al.The photosynthetic characteristics of four grasses in karst rock desertification areas[J].Acta Pratacultural Sinica, 2010, 19（3）: 212-219.（in Chinese with English abstract）

[25]莫凌，黃玉清，桂堂輝，等.5個熱帶禾本科牧草品種的光合-光響應(yīng)特性研究[J].草業(yè)科學(xué)，2010，27（9）：64-68.Mo Ling, Huang Yuqing, Gui Tanghui, et al.Photosynthesislight response characteristics of five tropical forage cultivars[J].Pratacultural Science, 2010, 27（9）: 64-68.（in Chinese with English abstract）

·土地整理工程·

Comparison of net ecosystem productivity of farmland and water use efficiency among different industrial biogas crops

Duan Qingsong1,2, He Binghui1※, Qin Xiangdong3, Zi Shuhui4, Zhang Tao3, Yang Xiuping4, Liu Yunhua3
（1.College of Resources and Environment, Southwest University, Key Laboratory of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Chongqing 400715, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agriculture University, Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University, Kunming 650201, China; 3.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University, Kunming 650201, China; 4.College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China）

Abstract:As a kind of main material for biogas plants, industrial biogas crop plays an important role in energy and ecology area, in which ecological factors should be considered during the screening and planting of industrial biogas crop.Among those ecological factors, net ecosystem production（NEP）and water use efficiency（WUE）are the most important ones.NEP can indicate the status of carbon sinks or sources, and WUE can reflect the coupling of carbon and water cycles at ecosystem level.Screening those crops with high NEP and WUE will be beneficial to the decreasing of greenhouse gas emissions and the increasing of water using effect, which also can promote the development of biogas industry.To provide theoretical basis for the screening and scale planting of industrial biogas crop, the NEP and WUE of 4 crops in central Yunnan, including 2 types of maize（Zea mays L.）Quchen 9 and Yunrui 88, hybrid pennisetum（Penniseturm americanum× P.purpureum）and alfalfa（Medicago sativa）, were analyzed under normal planting conditions.The measurements were taken on the pilot farm（25°18′N and 102°45′E, with an elevation of 1978 m）of Yunnan Agriculture University, Kunming, China.The climate was classified as subtropical plateau monsoon climate, with a mean annual temperature of 15.3℃and a mean annual precipitation of 979.3 mm.The soil was upland red soil.The experiment was arranged in a randomized block design with 3 replicates, and there were a total of 15 experimental plots with an area of 30 m2for each plot.All plots were surrounded and separated by concrete ridges.The ridges were 100 cm underground and 20 cm aboveground.The 2 breeds of maize were transplanted on May 20thand harvested on September 29th, 2013.Hybrid pennisetum and alfalfa were planted on March 20th, 2012 by cuttage propagation and seed reproduction separately, and both were reaped 3 times on May 20th, July 12thand September 29th, 2013, respectively.The NEP and WUE were investigated during the growing period of maize, from May 20thto September 29th, 2013.For hybrid pennisetum and alfalfa, the total amount of the last 2 harvests was the aboveground biomass.Soil core method（Luoyang shovel）was used to obtain the root samples of hybrid pennisetum and alfalfa in 0-90 cm soil layer.The underground biomass of 2 crops was determined on May 20thand September 29th, 2013 respectively, and the difference for the 2 times was the increasing amount of the underground biomass.The roots were obtained when the corn was harvested, and the underground biomass was determined by drying the roots.Soil water content was observed with a PR2 soil moisture meter.Soil respiration was measured by the soda lime absorption method and corrected by the static closed chamber.The water evaporation was detected by the no-weighting-lysimeter.The meteorological indices, including temperature and rainfall, were recorded with a weather station.The NEP was calculated by subtracting the quantity of soil respiration from net primary productivity.The evapotranspiration, the population water use efficiency（WUEp）, and the ecosystem water use efficiency（WUEe）were estimated by water balance equation.The results showed that: 1）The NEP decreased in this order: hybrid pennisetum（17 533.1 kg/hm2）＞maize Quchen 9（9 172.9 kg/hm2）＞maize Yunrui 88（8 462.7 kg/hm2）＞alfalfa（273.6 kg/hm2）＞bare land（-2 377.0 kg/hm2）.The data showed that the 4 industrial biogas crops acted as a CO2sink.No significant difference in NEP could be observed between the 2 breeds of maize, while significant difference at the 0.01 level was showed between any 2 crops of maize, hybrid pennisetum and alfalfa.2）The WUEp of the crops decreased as follows: hybrid pennisetum（10.89 kg/m3）＞maize Quchen 9（7.23 kg/m3）＞maize Yunrui 88 （6.79 kg/m3）＞alfalfa（3.46 kg/m3）.And the WUEe decreased in the same order: hybrid pennisetum（4.19 kg/m3）＞maize Quchen 9（2.38 kg/m3）＞maize Yunrui 88（2.20 kg/m3）＞alfalfa（0.06 kg/m3）.No significant difference could be observed in WUEpand WUEebetween the 2 breeds of maize, while significant difference at the 0.01 level was showed between any 2 crops of maize, hybrid pennisetum and alfalfa.Comprehensively considering biomass, NEP, WUEpand WUEe, the bybrid pennisetum demonstrates obvious advantage over other 3 crops under normal planting conditions and is more preferential to be popularized and cultivated.

Keywords:crops; ecosystems; biogas; industrial biogas crops; net ecosystem productivity; population water use efficiency; ecosystem water use efficiency

通信作者：※何丙輝（1966－）男，湖南汨羅人，教授，博士導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與小流域綜合治理研究。重慶西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，400715。Email：hebinghui＠aliyun．com

作者簡介：段青松（1971-），男，白族，云南大理人，副教授，在讀博士。主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究。重慶西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，400715。Email：258437886＠qq．com

基金項目：云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心建設(shè)項目（2014）

收稿日期：2015-07-08

修訂日期：2015-11-26

中圖分類號：156.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0265-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.037