由于化肥物质种类单一,长期施用化肥会导致土壤肥力下降及产量减少等问题,化肥减施增效逐渐成为当今农业重要发展方向。因此,寻找有机肥源替代一定量的化肥对农业生产具有重要意义。成都平原菌渣产量大,不仅可以给作物提供养分使得产量增加,还能够提高土壤的肥力水平,菌渣具备成为化肥替代品的潜力。此外,菌渣残留有一定数量的重金属物质,长期施用可能会对土壤环境安全和人类健康带来潜在威胁,然而目前相关的研究较少。因此,本文研究菌渣施用下农田土壤生态系统的物质流动、能量流动特征及环境风险具有重大意义。本文以菌渣施用下农田土壤系统为基准,以C、N、P、K、Cu、Cd、Pb和Zn的物流和能流特征为研究对象,以未施肥对照(CK)和常规施肥(CF)为参比,以低量(M1,菌渣施用提供25%N)、中量(M2,菌渣施用提供50%N)、中高量(M3,菌渣施用提供75%N)、高量(M4,菌渣施用提供100%N)和超量(M5,菌渣施用提供125%N)菌渣施用为基础,以化肥补施到等N量为平衡标准,在为期2年的大田定位试验基础上,用农田土壤系统黑箱原理、物质平衡理论和能值理论,系统研究了农田土壤系统的C、N、P、K、Cu、Cd、Pb和Zn的输入输出途径、数量及能量流动特征,并评价了环境风险和评估了成都平原菌渣适宜施用量。本文的主要研究结论如下:(1)菌渣施用下农田土壤系统物质流动特征通过菌渣施用输入C、N、P、K、Cu、Cd、Pb和Zn物质到农田土壤系统后,农田土壤这个黑箱系统内的功能、物质组成结构等都在不断发生变化,经施肥、种子(苗)、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水和上季作物残留6个途径输入农田土壤系统的物质通过作物吸收富集并带走、进入水体及进入大气3种路径输出农田土壤系统,其余部分物质储存(残留)于农田土壤系统,具体流动特征和数量因物质种类不同而异。①碳物质流动特征。碳物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下施用菌渣是碳输入的主要途径,输入量随菌渣施用量的增加而增加。碳物质通过作物吸收、气体释放、下渗水流失3种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下气体释放是碳输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出相对量降低,但过量的菌渣施用会提高绝对输出量。土壤系统储存是留住碳的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤储存量分别为-865.94 kg·hm-2、479.83 kg·hm-2、1448.53 kg·hm-2、1918.95 kg·hm-2 和 2629.96 kg·hm-2,占总输入量的百分比分别为-30.61%、11.82%、27.77%、30.22%和35.19%,表明菌渣的施入促进了碳的储存,并呈现逐渐增加的趋势。②氮物质流动特征。氮物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下施用物料是氮输入的主要途径。氮物质通过作物吸收、气体释放、下渗水流失3种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下作物吸收是氮输出的主要途径,并随菌渣用量的增加呈现先增加后减小趋势。土壤系统储存是留住氮的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤储存量分别为 175.39 kg·hm-2、153.35 kg·hm-2、156.89 kg·hm-2、188.19 kg·hm-2 和 288.01 kg·hm-2,占总输入量的百分比分别为39.86%、34.80%、35.62%、42.75%和55.17%,呈现先降低后增加的趋势。③磷物质流动特征。磷物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下施用物料是磷输入的主要途径,输入量随菌渣施用量的增加而增加。磷物质通过作物吸收和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下作物吸收是磷输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出相对量逐渐减小。土壤系统储存是留住磷的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤储存量分别为 138.07 kg·hm-2、253.80 kg·hm-2、406.05 kg·hm-2、562.82 kg·hm-2和722.41 kg·hm-2,占总输入量的百分比分别为67.66%、77.15%、83.59%、87.59%和90.39%,表明菌渣的施入促进了磷的储存,并呈现逐渐增加的趋势。④钾物质流动特征。钾物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下施用物料是钾输入的主要途径,输入量随菌渣施用量的增加而增加。钾物质通过作物吸收和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下作物吸收是钾输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出相对量逐渐减小。土壤系统储存是留住钾的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤储存量分别为 41.48 kg·hm-2、69.08 kg·hm-2、179.83 kg·hm-2、304.03 kg·hm-2 和 436.39 kg·hm-2,占总输入量的百分比分别为 20.57%、26.38%、46.86%、60.14%和69.59%,表明菌渣的施入促进了钾的储存,并呈现逐渐增加的趋势。⑤ 铜物质流动特征。铜物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下灌溉水是铜输入的主要途径,输入量随菌渣施用量的增加而增加。铜物质通过作物富集和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下的下渗水流失是铜输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出绝对量逐渐增加。土壤系统残留是残留铜的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤残留量分别为 992.68 g·hm-2、1149.35 g·hm-2、1338.90 g·hm-2、1516.50 g·hm-2 和 1699.86 g·hm-2,占总输入量的百分比分别为 29.00%、31.65%、34.81%、37.34%和39.76%,表明菌渣的施入导致了铜的残留,并呈现逐渐增加的趋势。⑥镉物质流动特征。镉物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下大气干沉降是镉输入的主要途径,输入量随菌渣施用量的增加而先减小后增加。镉物质通过作物富集和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下的下渗水流失是镉输出的主要途径,随菌渣用量的增加其输出量趋于稳定。土壤系统残留是残留镉的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5 处理 0～40 cm 土层土壤残留量分别为 23.23 g·hm-2、23.17 g hm-2、24.60 g hm-2、26.31 g·hm-2 和 28.26 g·hm-2,占总输入量的百分比分别为 56.63%、55.63%、56.83%、58.51%和60.53%,随菌渣施用量增加呈现先减小后增大的趋势,表明过量菌渣的施入导致了镉的残留。⑦铅物质流动特征。铅物质流动特征。铅物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M4处理下大气干沉降是铅输入的主要途径,M5处理施肥是铅输入的主要途径,总输入量随菌渣施用量的增加而增加。铅物质通过作物富集和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下的下渗水流失是铅输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出绝对量逐渐增加。土壤系统残留是残留铅的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤残留量分别为 1033.50 g·hm-2、1162.71 g·hm-2、1294.70 g hm-2、1420.86 g·hm-2 和 1548.37 g·hm-2,占总输入量的百分比分别为83.97%、84.42%、84.36%、83.97%和83.70%,随菌渣施用量增加残留绝对量逐渐增大,表明菌渣施入导致了铅的残留。⑧锌物质流动特征。锌物质流动特征。锌物质通过施肥、种苗、大气干沉降、大气湿沉降、灌溉水、上季作物残留6种路径输入土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下灌溉水是锌输入的主要途径,总输入量随菌渣施用量的增加而增加。锌物质通过作物富集和下渗水流失2种路径输出土壤系统,试验结果表明平均每个稻-麦轮作周期内,M1～M5处理下的下渗水流失是锌输出的主要途径,并随菌渣用量的增加输出绝对量逐渐增加。土壤系统残留是残留锌的主要途径,平均每个稻-麦轮作周期M1～M5处理0～40 cm 土层土壤残留量分别为1664.18 g·hm-2、1924.37 g·hm-2、2234.05 g·hm-2、2518.77 g·hm-2 和 2925.38 g·hm-2,占总输入量的百分比分别为30.43%、32.87%、35.73%、37.90%和41.57%,表明菌渣的施入导致了锌的残留,并呈现逐渐增加的趋势。(2)菌渣施用下农田土壤系统能量流动特征通过可更新环境资源、不可更新工业辅助能、可更新有机能的输入,使得农田土壤系统内能值均产生了不同的变化,其输入能值经作物与下渗水等途径向外输出,部分能值被土壤系统所储存。其具体的能值流动特征、能值系统图和能值生产力、净能值产出率和可持续发展指数的均存在差异。①以太阳能值为基准,M1～M5处理下农田土壤系统的能值投入总值分别为738.90×1014sej·hm-2、1034.70×1014sej·hm-2、1476.22×1014sej·hm-2、1917.57×1014sej·hm-2和2383.74×1014sej·hm-2,随菌渣施用量增多,能值投入总量表现出上升的趋势。M1～M5处理可更新有机能能值分别占能值投入总量的64.78%、91.29%、95.56%、97.87%和98.29%,表明能值投入以可更新有机能为主。M1～M5处理作物能值输出量分别占能值输入总量的34.59%、26.90%、19.15%、13.79%和9.97%,随着菌渣施用增大作物能值输出相对值逐渐减小,表明菌渣施用量增多对促进生产力发展无作用。M1～M5处理下土壤储存能值分别比 CF 处理增加 4.47、27.06、57.96、90.03 和 125.16×1014sej·hm-2,分别占总输入量的4.52%、5.41%、5.88%、6.20%和6.46%,表明菌渣施用促进能值在土壤的储存,并呈现逐渐上升的趋势。②不同施肥处理下农田土壤系统能值生产力依次顺序为M3>M2>M4>M1>CF>]M5。净能值产出率呈现M1>CF=M2>M3>M4>M5。CF处理下农田土壤系统的环境负载率达到17.01,分别是M1～M3处理的39.70倍、340.20倍和850.50倍。随着菌渣施用量的增多,农田土壤系统的能值可持续发展指数不断上升,仅M2处理可持续发展指数处于1至10之间,表明菌渣施用能够促进农田土壤系统生产力发展,减缓农业生产给予环境的压力,仅中量菌渣施用M2处理下农田土壤系统富有发展潜力及生产活力具有可持续性。(3)菌渣施用下农田土壤系统环境风险菌渣施用下农田土壤系统环境风险评价结果表明,M5处理,即超量的菌渣施用,给农田土壤系统所带来的土壤重金属、作物不同器官的重金属、温室气体增温潜势和下渗水质量的潜在威胁均为最大。而M2处理,即中量的菌渣施用,所带来的土壤重金属潜在风险最低;M1和M2处理,即低量和中量的菌渣施用,所带来的稻麦不同器官的重金属和下渗水质量的潜在风险均为最低(P>0.05);M2和M3处理,即中量及中高量的菌渣施用,所带来的温室气体增温潜势的潜在风险最低(P>0.05)。(4)成都平原稻麦轮作菌渣适宜施用量结合经济效益、重金属风险、温室效应及下渗水安全,得到成都平原稻麦轮作适宜菌渣施用量为11763～12613kg·hm-2·a-1。结合成都平原核心区菌渣可利用数量估算,该施用量能够在成都平原48684～52202 hm2水田中施用,能够使得成都平原核心区化肥施用量减少8.59%以上,减少该区域温室气体排放量为3.01×107～3.32×107kg(CO2-eq)。