_鸡_玉米_小麦_互作有机种养模式综合效益分析.doc

摘要冬小麦-夏玉米轮作系统在我国北方农区比较常见，在目前人均耕地面积较少的情况下，如何充分、合理利用玉米田下部空间，提高自然资源利用率，是目前农业可持续发展面临的重要课题。另外，由于农田中过度使用农药化肥造成了严重的环境污染，故寻找环境友好型的生产方式，是一个重要的研究课题。本研究设计了一种新的生产模式“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式，并比较了该模式与“玉米-小麦”轮作有机种植模式和“玉米-小麦”轮作常规种植模式的差异，旨在为全面系统地评价“鸡-玉米-小麦”有机种养模式提供理论依据，为这一新型的生态农业模式的推广应用奠定坚实的理论基础。本论文的研究内容主要有以下四个方面：(1)运用生态位和食物链等生态学原理设计并构建了适合北方农田（冬小麦-夏玉米轮作系统）的一种新的生态农业模式“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式；(2)比较了新模式与“玉米-小麦”轮作有机种植模式对土壤环境、植株性状影响的差异，分析了新模式的经济和生态效益优势；(3)研究新模式与“玉米-小麦”轮作常规种植模式对土壤环境影响的差异，分析了新模式的经济效益，并通过能值分析比较了其生态效益优势；(4)研究该模式中物理方法诱集昆虫的效果和饲喂昆虫蛋白对鸡生长性能和肉质的影响。在室外调查和室内生化分析的基础上，得出如下结论：1.“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式是一个多组分、多层次、多功能、多效益的人工复合系统。这一新模式充分利用了农田空间，提高了单位耕地的利用效率。2.新模式改善了土壤的物理性质，提高了土壤中养分的含量。相比“玉米-小麦”轮作有机模式，新模式010cm和1020cm土层的土壤容重分别降低了6.3%和1.8%；土壤总孔隙度分别提高了9.1%和3.4%；土壤水分含量分别提高了9.7%和8.5%。新模式土壤中全氮、碱解氮无论在010cm或1020cm土层均比“玉米-小麦”有机轮作模式显著增加(p0.05)。但两种模式下全磷含量无明显差异。另外，新模式010cm土层的有机质含量有显著上升，但1020cm土层中增幅不明显。3.与“玉米-小麦”轮作常规模式相比，新模式在010cm和1020cm土层中的土壤水分含量分别升高了29.2%和12.4%，土壤容重有上升趋势，土壤孔隙度有下降趋势，010cm和1020cm土层中的有机质含量均有显著提高(p纯粮饲养鸡笼养鸡，腿肉的pH值为食虫鸡笼养鸡纯粮饲养鸡；胸肉滴水损失率为笼养鸡纯粮饲养鸡食虫鸡，腿肉为笼养鸡食虫鸡纯粮饲养鸡；蒸煮损失率胸肉和腿肉均为笼养鸡纯粮饲养鸡食虫鸡；胸肉光泽度L为纯粮饲养鸡食虫鸡笼养鸡，腿肉为纯粮饲养鸡最大，笼养鸡和食虫鸡差异不明显。5.与“玉米-小麦”轮作有机种植模式相比，新模式在生长高峰期的玉米叶面积指数显著提高18.3%，株高显著增加12.2%。新模式中玉米籽粒和玉米植株(即秸秆)干物重比“玉米-小麦”轮作有机种植模式分别高45.1%和21.0%。新模式在养鸡密度5m2/只的条件下，杂草被完全清除，而“玉米-小麦”轮作有机种植模式的杂草生物量为332.6g/m2。在系统中一盏脉冲式诱虫灯一年可以诱集鲜重为33.73kg的昆虫，减少了昆虫对作物的危害。6.新模式所需要的劳动力是“玉米-小麦”轮作有机种植模式的1.08倍，是“玉米-小麦”常规轮作模式的1.05倍。新模式最终收入为“玉米-小麦”有机轮作模式的4.9倍(单季)，二者的产投比分别为1.5:1和2.0:1；新模式的最终收入为“玉米-小麦”轮作常规模式的3.8倍(整季)，两者的产投比分别为2.3:1和1.8:1。这表明，新的生产模式可以创造更多的物质财富，并可以解决农村剩余劳动力的问题，缓解了社会就业矛盾。7.新模式中，有机肥和人工属于可更新的有机能，占总投入的29.6%；“玉米-小麦”轮作常规模式中人工属于可更新的有机能，占到总投入的1.81%，农药、化肥、电力和机械属于不可更新的工业辅助能，总计占到总投入的95.8%。从能值总投入上看，有机模式为常规模式22.8%；从能值产出上看，有机模式是常规模式的1.7倍。新模式中引入消费者-鸡，使养分更好的循环，因此，大大减少了系统外化学能的投入，使系统更能趋向于有机化，节约了化学能源的消耗。关键词：“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式；“玉米-小麦”轮作有机种植模式；“玉米-小麦”常规轮作模式；经济效益；生态效益；Analysis of Integrated Benefits of“Chicken-Corn-Wheat”Organic Farming PatternAuthor:WuYuntanaMajor:EcologySupervisor:Li YulingJiang GaomingAbstract“Winter wheat-summer corn”rotation system is very common in countryside ofnorthern China.How to make full use of field space and natural resource is an importantsubject of sustainable agriculture under the situation induced by decreasing per capitacultivated land.Furthermore,excessive utilization of chemical fertilizer and pesticidecaused severe environmental pollution.Our research aimed to provide theoretical basis to evaluate“chicken-corn-wheat”organicpattern systematically through comparing with“corn-wheat”organic pattern and“corn-wheat”conventional pattern,and then establish a stable basis for extending this newpattern.The main objectives of this paper are:(1)to design a new farming pattern-“chicken-corn-wheat”organic pattern which adapts to the farmland in northernChina(winter wheat-summer corn rotation system)using niche and food chain theories;(2)to compare the differences of the soil and plant characters between the new pattern and“corn-wheat”organic pattern,and to analyse the economical and ecological advantages ofthe new pattern;(3)to compare the differences of soil characters of new pattern and“corn-wheat”conventional pattern and to analyse the economical benefits and ecologicaladvantages using emergy method;(4)to study the effects of insects arrested by physicalway and to analyse the effects of insects protein on the growth characters and meat qualityof the chicken.The results based on field investigation and biochemical examination are as follows:1.“Chicken-corn-wheat”organic pattern is a complex system with multi-components,multi-layers,multi-functions,and multi-benefits.This new pattern took fully advantages ofthe field space,increased the utilization efficiency of farmland.2.There were improvement in the soil physical characters and increments in the soilnutrients.Compared to“corn-wheat”organic pattern,soil bulk density of new pattern wasdecreased by 6.3%and 1.8%repectively in 010cm and 1020cm layer;soil porosity wasincreased by 9.1%and 3.4%,respectively;soil moisture content was increased by 9.7%and 8.5%,respectively.Total nitrogen(N)and available N in new pattern were allincreased significantly compared with“corn-wheat”oganic pattern(p0.05)either in010cm or 1020cm layer.However,there was no significant difference on total P content.Organic matter in new pattern showed significant increment in the 010cm layer,butnonsignificant in the 1020cm layer.3.Compared with“corn-wheat”conventional pattern,the soil moisture cotents of newpattern were increased by 29.2%and 12.4%in the 010cm and 1020cm layersrespectively;the soil bulk density was increased and soil porosity got reduced;organicmatter was increased significantly(ppure grain-feedchickenindustrial chicken,industrial chickeninsect-feed chickenpure grain-feedchicken,respectively.The order in cook loss of breast meat and leg meat was thatindustrial chickenpure grain-feed chickeninsect-feed chicken;the trend in polish ofbreast was that pure grain-feed chickeninsect-feed chickenindustrial chicken,and polishof leg meat was the biggest in feed chicken,and there was not significant difference in theinsect-feed chicken and industrial chicken.5.Compared with the“corn-wheat”organic pattern,the leaf area index(18.3%)andplant height(12.2%)of corn were increased significantly;the yield and biomass of residueof corn were increased by 45.1%and 21.0%,respectively.The weed in the corn field wascleared by the chicken at the density of one chicken 5m2.One lamp arrested 33.73kginsects and thus decreased the damage of insects on corn.6.The labor needed in the new pattern is 1.08 times higher than that of the“corn-wheat”organic pattern and 1.05 times higher than the“corn-wheat”conventionalpattern.The income of the new pattern in half a year was 4.9 times of the“corn-wheat”organic pattern.The output-input ratios of new pattern and“corn-wheat”organic pattern in half a year were 1.5:1 and 2.0:1.The income of the newpattern in the whole year was 3.8 times of the“corn-wheat”conventional pattern.Theoutput-input ratios of new pattern and“corn-wheat”conventional pattern in the whole yearwere 2.3:1 and 1.8:1.The new pattern can produce more wealth and can also increase jobopportunities.7.In the new pattern,organic ferterlizer and labor which were renewable energy,accounted for 29.6%of the whole input.In the“corn-wheat”conventional pattern,laborenergy was renewable and it accounted for 1.81%of whole input energy;pesticides,ferterlizer,electronic energy and mechanic energy were not renewable and accounted for95.84%of the whole energy.The input emergy of new pattern is 22.8%of that ofconventional pattern and the output emergy of new pattern is 1.7 times higher than theconventional pattern.The additon of chicken in the new pattern caused the better cycle ofnutients,reduced the input of chemical energy,made the system to be organic and savedthe fossil energy.Keywords:“chicken-corn-wheat”organic pattern;“corn-wheat”organic pattern;“corn-wheat”conventional pattern;economical benefits;ecological benefits目录1引言.11.1有机农业的研究进展.11.1.1有机农业的由来和内涵.11.1.2有机食品的概念及标准.11.1.3有机食品与常规食品比较.21.2禽粮互作模式研究.21.2.1禽粮互作复合生态系统对土壤影响进展.21.2.2禽粮互作复合生态系统对植株影响进展.21.2.3禽粮互作复合生态系统综合效益研究进展.31.2.4禽粮共作系统其他方面研究进展.31.3农业生产力研究进展.51.4禽肉食品安全研究进展.61.5本研究的选题依据、研究目的及技术路线.71.5.1本研究的选题依据及研究目的.71.5.2技术路线.82研究区概况和研究方法.102.1研究区概况.102.2研究方法.102.2.1“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式的设计.102.2.2土壤.112.2.3植株性状.122.2.4经济效益.122.2.5生态效益和社会效益.142.2.6能值效益.142.2.7鸡生长性能和肉质测定.142.3数据处理.153结果与分析.163.1“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式与“玉米-小麦”轮作有机种植模式比较分析.163.1.1两种模式对土壤环境的影响.163.1.2两种模式对植株性状的影响.183.1.3两种模式的经济效益研究.203.1.4两种模式生态效益比较和社会效益分析.213.2“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式与“玉米-小麦”轮作常规种植模式比较分析.243.2.1两种模式对土壤环境的影响.243.2.2两种模式经济效益比较.253.2.3两种模式能值分析比较研究.273.3昆虫饲料添加对鸡生长性能和肉质的影响.303.3.1增重.303.3.2肉质.313.3.3料肉比.324讨论.335结论.375.1“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式对土壤的影响.375.2“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式对植株的影响.375.3“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式经济、生态及社会效益.375.4“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式的害虫防治.385.5“鸡-玉米-小麦”互作有机种养模式中鸡的生长性能与肉质.38参考文献.39在读期间发表的学术论文.44作者简历.45致谢.4611引言1.1有机农业的研究进展自从21世纪开始以来，全世界有机农业的发展迅猛。2002年全世界有大约2300万hm2的土地用作有机生产，与2000年比较增加了31.4%。2002年全世界有机食品的销售达到了250亿美元，比2000年增长了42.9%1。几乎全世界所有的国家都开始了有机农业，并且用于有机农业的土地和农场数量在增加2。有机农业是遵照一定的农业生产标准，在生产中不采用基因工程，不使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等物质，严格遵循自然规律和生态学原理，协调种植业和养殖业平衡，并维持提高单位土地面积经济产出的一种农业生产方式。有机农业是生态学原理在农业上应用的典型。1.1.1有机农业的由来和内涵有机农业有别于化学农业和传统农业，但又源于自足的传统农业3。最早提出有机农业的是在印度工作的一位英国农学家Sir.A.G.Howard，于20世纪30年代从循环利用动植物的有机腐殖质的角度，提出以有机农业代替现代集约化农业的新农业耕作法。与此同时，美国土壤学家富兰克林金在四千年农民一书中积极倡导向中国农民学习，认为中国传统农业以豆科植物为中心的合理轮作、施用厩肥、堆肥等8个方面值得美国农民借鉴。于是被尊称为美国有机农业之父的罗代尔(J.L.Rodale)在1942年出版了有机农业和园艺杂志，并在1945年创办了美国第一家有机农场。1972年国际最有影响的有机农业组织：“国际有机农业运动联盟”(IFOAM)在德国成立，正式拉开了全球有机农业的序幕。由此可见，有机农业是20世纪70年代发展起来的一种符合现代健康理念要求，完全不用人工化学合成肥料、农药、生长调节剂、激素、添加剂和转基因品种等生产资料，借鉴传统农业但应用一系列可持续发展的现代农业技术而从事的农业生产。1.1.2有机食品的概念及标准“有机食品”这一名词是从英文“organic food”直译过来的。这里所说的“有机”不是化学上的概念。有机食品是指生态环境未受到污染，生产活动有利于建立和恢复生态系统良性循环，按照有机农业生产要求进行生产，并通过独立认证机构认证的一切食品4。有机食品比我们经常提到的绿色食品和无公害食品的生产和加工标准要高5。根据欧盟颁布的NO.2092/91农产品有机生产法令和美国联邦有机食品生产法(OFPA)的要求，有机食品的标准为：原产地无任何污染；栽培有机农产品的土壤应当在最近3年内未使用过任何化学合成的农药、肥料、饲料、除草剂和生长素等6；生产过程中不使用任何化学合成的农药、肥料、饲料、除草剂和生长素等；加工2过程中不使用任何化学合成的食品防腐剂、添加剂、人工色素和用有机溶剂提取等；贮藏、运输过程中未受到有害化学物质(除菌剂、除虫剂等)的污染；必须符合国家食品卫生法的要求和食品行业质量标准。有充分的证据表明，有机的蔬菜和水果比普通的蔬菜和水果含有更多的化合物，更有利于人类的健康7。1.1.3有机食品与常规食品比较由于人类对健康和环境越来越多的关注，公众的兴趣越来越多的集中到食品安全问题上来。人们认为有机食品比常规食品更健康并且他们是以与自然和谐的方式生产出来的。有机生产系统所获产品大多数的营养品质、感官品质和储藏品质要高于常规生产系统8。但是也有品质下降的报道9。Fernandes等10的研究表明有机生产提高了甜瓜果实的可溶性固形物(TSS)含量，而Curuk等11的研究表明有机生产系统和施肥水平都未影响甜瓜果实的TSS含量。有机农业合理的土壤培肥措施，使作物积极地获取全面而平衡的养分。而常规农业提供作物直接吸收的可溶性氮磷钾化肥，作物营养单一、不平衡。而常规农产品中农药残留威胁远远高于有机食品。但值得引起注意的是：尽管有机食品中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As含量均达到食品卫生标准，但有些指标如Zn、Cr、AS等高于相应常规食品。总体而言，有机食品更为安全和有营养利于人类健康，具有良好的市场竞争力12。1.2禽粮互作模式研究1.2.1禽粮互作复合生态系统对土壤影响进展我国土壤肥力相对低下，近些年由于某些地区的掠夺性生产更是严重恶化。近代随着化学工业和石油工业的发展，化肥农药的出现给传统农业带来革命性的变化，农作物产量大幅提高，在很大程度上缓解人口增长对粮食需求的压力。但是，人们只注意到使用化肥、农药带来的好处，而忽视了它们对我们的生活和环境带来的不利影响，例如地下水资源污染、土壤板结、农药残留、害虫和杂草抗药性增强等。当前，重产出轻地力、重化肥轻有机肥的现象非常突出，导致土壤有机质降低及养分收支亏损，土壤的自然肥力趋于下降的倾向普遍存在。据研究，复合种养模式能够很好的改善土壤的理化性质43,44,45。对稻-鸭共作系统的土壤养分分析表明，养鸭后土壤氮、磷、钾全量养分分别比未养鸭的高6.14%、2.5%、6.03%，其速效养分分别比放鸭前减少17.51%、14.76%、58.41%，表明养鸭具有增肥和促进养分吸收的作用。还有人证明了“稻-蛛-螺”种养模式农药和化肥施用量减少，生物多样性提高311.2.2禽粮互作复合生态系统对植株影响进展种养模式对植株生长影响方面研究较少，稻-鸭复合生态系统在湿地的应用已成体系和规模。稻鸭共作系统利用稻鸭共生互利，达到了稻谷增产，又能获得一定鸭、3蛋产量的目的，增加了稻田生态系统的能量产出。前人对湿地稻-鸭复合生态系统对植株性状的影响的研究主要集中以下几个方面。首先，稻田养鸭能控制水稻无效分蘖改善植株通透性，减少病虫危害，促进有效分集的生长发育，提高植株成穗率，因而实现水稻增产15,16,17；第二，促进根系的生长，提高水稻对水肥的吸收能力47,48；第三，改善水稻的群体的通风透光条件，提高光能利用率，促进水稻群体的生长发育；第四，为水稻营养状况改善提供物质基础，提高了水稻植株体内的N、P、K的含量47,48。据试验，亩放鸭30只(人工补料)，稻株纹枯病危害程度减轻54.94%。早、中稻亩放鸭24、36只，放鸭两周后水稻叶面害虫分别下降75%和65%，3周后基本绝迹。因此可大大减少农药和除草剂的使用量，减轻对环境的污染。1.2.3禽粮互作复合生态系统综合效益研究进展生态农业模式建设是我国农业实现可持续发展的重要途径。生态农业模式建设的目标实质是追求三大效益，即生态、经济、社会效益的和谐统一。这三者具有同等重要的作用。但在不同时期、不同社会经济条件下，模式建设的重点也有所不同。目前，我国生态农业建设还以能否获得较高经济和社会效益作为重要的衡量标准，所以经济效益的高低直接关系到生态农业模式建设的成败。因此，研究生态农业模式必须分析它的经济和社会效益。有研究表明，种养模式可以显著的提高单位面积耕地的经济效益，为农民增收32,33,35。而生态农业模式如果仅追求经济和社会效益，而忽略生态效益，那么生命力不强，存在也不会长久。随着农村生态环境的日益恶化，人们对生态效益的重视不断提高，而种养模式能够通过生物方法很好的提高系统的生态效益32,33,35。稻-鸭复合生态系统将生态效益、经济效益、社会效益较好地结合起来。它将水稻(最大初级生产者)与鸭(最大消费者)有机结合，形成了稻鸭共生、互利互促的生态系统，提高了稻田生态系统总体功能，发挥了系统功能整合效应，生态效益、经济效益和社会效益都得到了提高。从生态效益来看，鸭能捕食浮萍、杂草及底栖动物、水稻害虫，减少了农药用量，避免使用化学除草剂及污染水质，减轻对农田生态环境的污染，而且养鸭能蓄水抗早及减少甲烷的排放，生态效益显著。加上养鸭改善稻田环境，促进水稻生长，使水稻增产10%以上，同时把农田大量分散(杂草)和将流失的物质和能量(浮游生物、昆虫等)回收于生态系统中，并获得一定的鲜鸭和鲜蛋产量，经济效益相当可观28,29,30。1.2.4禽粮共作系统其他方面研究进展稻-鸭复合生态系统研究进展除了上述对土壤、植株和经济效益等研究外，稻-鸭模式还体现出以下优势：首先，提出了稻鸭共栖的方法。具体方法为，根据水稻生育进程和病虫发生规律确定放鸭时段后根据鸭的生理特性和生活习性确定放鸭品种，然后，根据稻田饲料生4物繁茂时期和程度确定放鸭规格和数量。在上述共栖方法中，稻和鸭在时间上的衔接是稻田养鸭的关键，是结构的主体13,14。第二，稻-鸭复合生态系统的生态结构探明了系统能量流动和物质良性循环的通道。稻-鸭复合生态系统将水稻、鸭、饲料生物以食物链为纽带，以自然温光为动力组成循环结构，水稻能转化为稻谷，其残体通过物质循环与能量流动转移给鸭和水生动物；鸭粪肥田，以繁衍生物供鸭取食，同时也促进水稻生长。外界投入的物质如投饵、施肥，分别被动植物吸收，并加以循环利用，达到物流、能流的动态平衡，是生物学中物种共生、物种相克、物质循环再生等生态原理的体现13,14。同时鸭能摄食稻田中的杂草、浮游生物、底栖动物及部分害虫，充分利用各个层次的营养成分，将水稻无法利用甚至对水稻有害的生物物质有效加以利用。据测定，稻田水体中有水生植物36种，藻类7门67属，底栖动物21种，浮游动物77种13，这些都是很好的鸭饲料。鸭的饲料转化率高，生长速度也快，按1:40的饲料转化率计算，每亩稻田(不补料)可育肥58只鸭。除部分转化为肉产品供人类消费之外，其粪便排泄于水中，加上人工投入的饵料残留物，成为稻田的优质肥料，提高稻田土壤有机质和养分含量。通过食物链提高了对光能和养分的利用率，物种之间互济互补，形成了一个物质和能量良性循环的通道。第三，稻田养鸭与蓄水抗早的关系。稻鸭共栖由于需要常年淹水养殖，故在干旱季节可发挥隐形水库的功能。据观测，一般每公顷稻田可增蓄水12001500立方米水，抗旱20天左右，是山区抗旱最有效的措施之一l8。第四，对湿地稻-鸭复合生态系统减排甲烷的研究。甲烷是大气中重要的温室气体及化学活性气体，它能引起全球气温上升和臭氧层耗竭。人工湿地稻田作为大气甲烷最主要来源之一