玉米秸稈“富集深還”與土壤亞表層培肥

竇森

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

玉米秸稈“富集深還”與土壤亞表層培肥

竇森

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

由于長期淺耕，土壤亞表層不僅缺乏有機(jī)質(zhì)，還過于緊實(shí)，急需找到一種簡單而有效的快速松土培肥方法。本文簡要總結(jié)了已有3種秸稈還田模式的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了秸稈“富集深還”技術(shù)及田間操作要領(lǐng)，以及采用該技術(shù)還田的秸稈的分解速率和亞土層培肥效果。富集深還，即將玉米聯(lián)合收割機(jī)拋灑在地表的秸稈，按條帶大比例富集，使用專用筒式犁具，以風(fēng)力注入的方式埋入土壤亞表層 (20—40 cm)。這種模式的最大特點(diǎn)是不擾動(dòng)土層順序、不影響第二年種植。秸稈埋置模擬試驗(yàn)表明，秸稈還田330天時(shí)，其分解率就達(dá)到65%以上，剩余秸稈腐殖化，使土壤有機(jī)碳含量增加10%～15%，土壤耕層由原來的15—18 cm增加到30—35 cm。秸稈深還對(duì)腐殖物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征沒有產(chǎn)生不良影響，對(duì)H/C、親水性等指標(biāo)還有改善作用，促使黑土胡敏酸結(jié)構(gòu)簡單化和年輕化。秸稈深還沒有引起第二年玉米產(chǎn)量降低。因此，采用該方法，秸稈能夠連年全量還田，實(shí)現(xiàn)了種還分離 (種植條帶與秸稈深埋條帶分離) 與免耕播種的有效結(jié)合，可打破犁底層，并快速提升犁底層土壤有機(jī)質(zhì)含量，為土壤亞表層快速培肥及肥沃耕層構(gòu)建提供技術(shù)手段。

秸稈富集；風(fēng)力注入；秸稈深還；土壤亞表層；快速培肥；條帶輪耕

黑土耕地不僅數(shù)量逐漸減少，而且質(zhì)量也逐漸下降。黑土耕地質(zhì)量下降的主要表現(xiàn)，一方面是耕層結(jié)構(gòu)變差，耕作層變薄，犁底層變得淺、厚、硬，亞表層過于緊實(shí)；另一方面耕層特別是亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤肥力下降 (犁底層和亞表層的概念見圖1)。黑土開墾前表層有機(jī)質(zhì)含量多在3%～6%之間，低于3%的比較少見。目前吉林省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量基本在1.5%～3%之間，較開墾前下降了30%～50%。土壤肥力下降主要有以下幾方面原因：一是有機(jī)肥料施用量低，秸稈還田量不足；二是種植結(jié)構(gòu)不合理，玉米連作現(xiàn)象普遍；三是不合理的耕作造成土壤物理性狀退化[1]。如何提升黑土耕地的土壤質(zhì)量？理論上要求合理耕作的同時(shí)，還能補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)，最終形成深厚、肥沃、健康的表土層 (耕作層和亞表層)。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)最重要的技術(shù)手段之一，是機(jī)械化深松結(jié)合秸稈還田，快速培肥有機(jī)質(zhì)缺乏、土體上下水氣不暢的土壤耕作層和亞表層[2]。

在我國現(xiàn)行的秸稈還田主要有三種模式：一是淺旋，二是地表覆蓋，三是翻壓。采用這些模式進(jìn)行秸稈還田雖然有一定的效果，但其推廣比較困難，主要原因除了需要大型機(jī)具之外，淺旋一般會(huì)引起“種地漏風(fēng)”；覆蓋在一些地區(qū)會(huì)導(dǎo)致地溫降低、病害增多，且由于無法打破犁底層，對(duì)提升整個(gè)土層 (特別是亞表層) 土壤有機(jī)質(zhì)含量作用有限 (覆蓋的“冒氣”與焚燒的“冒煙”，都屬于溫室氣體排放)；翻壓處理費(fèi)工、土層顛倒，有些地區(qū)會(huì)引起減產(chǎn)，第二年難以連續(xù)還田操作，再翻地時(shí)沒有完全分解的秸稈又會(huì)被翻上來。

我國現(xiàn)階段推廣秸稈還田，應(yīng)遵循以下原則：1)解決土壤有機(jī)質(zhì)最缺乏的關(guān)鍵土層—亞表層培肥問題；2) 盡可能將秸稈多轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì) (SOM)，特別是腐殖物質(zhì) (HS)；3) 不影響來年種植；4) 能夠連年還田；5) 保證耕作后土層順序不顛倒；6) 適應(yīng)已有的機(jī)具和寬窄行免耕播種成熟技術(shù)。按照上述需求，我們提出了秸稈富集深還與土壤亞表層培肥的新技術(shù)模式。

1 土壤亞表層

土壤亞表層是指土體20—40 cm深，一般包括犁底層和心土層的上部分[3]，與植物生長和土壤固碳關(guān)系密切 (圖1)。東北黑土區(qū)幾十年的小四輪耕作模式，使犁底層變得淺、厚、硬，亞表層過于緊實(shí)，上下水氣不通，相當(dāng)于有效土層變薄，制約土壤肥力發(fā)揮。因此，以打破犁底層和增加有機(jī)質(zhì)為特征的“亞表層培肥”應(yīng)盡快提上日程。

2 秸稈富集深還機(jī)具

秸稈還田，特別是還田至亞土層，需要有專用機(jī)械把秸稈輸送到亞表層。第一代秸稈深還機(jī)具是由秸稈深還開溝犁、雙筒直排式秸稈還田機(jī) (發(fā)明專利，201610181128.1) 和秸稈深埋還田覆土施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī) (實(shí)用新型，201620102002.6) 組成，簡稱為“三件套”[4–5]。經(jīng)過三次連續(xù)作業(yè)，可將秸稈粉碎埋入土壤亞表層，并形成玉米大壟雙行的種植基礎(chǔ)；但是需要三套設(shè)備和三次作業(yè)，較為麻煩。第二代秸稈深還機(jī)具是“一種聚翻組合式秸稈深還機(jī)”(發(fā)明專利，201610359059.9)[6]，一次性將秸稈埋入土壤亞表層，優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)簡單，一次性完成；缺點(diǎn)是屬于翻壓性質(zhì)，土層順序顛倒。第三代秸稈深還機(jī)具是一種風(fēng)力注入秸稈深還筒式犁(發(fā)明專利，2016 10418091.X)[7]，可以將秸稈粉碎風(fēng)力送入絞龍直接注入到土壤亞表層，還田效果十分理想，實(shí)現(xiàn)了一次性作業(yè)完成大比例秸稈富集深還的重任 (圖2)。

圖1 耕地土壤主要層次Fig. 1 Main layers of farmland

圖2 第三代秸稈深還機(jī)具—風(fēng)力注入筒式犁Fig. 2 The machines for third generation of corn stover deep incorporation—wind injection tube plough

3 秸稈富集深還技術(shù)及田間作業(yè)圖解

依托第三代秸稈深還機(jī)具，結(jié)合秸稈深還的農(nóng)藝要求和目前耕作栽培的實(shí)際情況，我們提出了“秸稈富集深還”的概念和技術(shù)模式。

秸稈富集深還是把秸稈資源化與土壤培肥結(jié)合起來，把深松與秸稈還田結(jié)合起來，把秸稈還田與免耕播種結(jié)合起來，將玉米聯(lián)合收割機(jī) (即“玉米收”) 拋灑在地表的秸稈，通過機(jī)械化手段大比例(4∶1～8∶1) 富集到預(yù)定的條帶并施入土壤亞表層(20—40 cm)，同時(shí)能種、還分離，適應(yīng)免耕播種的新模式。該模式的核心技術(shù)是用吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的第三代秸稈深還機(jī)具，像“打針”一樣，一次性將秸稈粉碎注入土壤亞表層。

秸稈富集深還的優(yōu)點(diǎn)：1) 土層順序不變；2) 寬窄行種還分離，即當(dāng)年埋秸稈的條帶為寬行，不播種，不減密度；3) 免耕播種，即直接用免耕播種機(jī)在未埋秸稈條帶播種；4) 條帶狀輪耕種植，每年埋秸稈的條帶依次輪換，周期為4～8年任選，可連年全量深埋秸稈；5) 土壤攪動(dòng)作業(yè)面積只有1/4或1/8，節(jié)省動(dòng)力；6) 由于深埋，對(duì)土壤打破犁底層、實(shí)現(xiàn)亞表層培肥效果極好，并可以取代免耕的周期性深松。

秸稈富集深還技術(shù)模式的田間操作流程見圖3～圖6，具體如下：

步驟一，秸稈富集幅寬的確定 在玉米種植集中連片且適于機(jī)械化的區(qū)域，根據(jù)不同的種植模式，收獲機(jī)械類型以及經(jīng)營者的種植規(guī)模確定秸稈富集的幅寬。一般來說，玉米人工收獲的富集幅寬為4壟，2.6 m(圖3a)，機(jī)械化收獲的富集幅寬為8 壟，5.2 m(圖3b)。

步驟二，中聚成帶 對(duì)于四壟一帶富集，采用四指盤摟草機(jī)將玉米收割機(jī)打碎落地的秸稈中聚成帶，帶寬1.5～1.8 m (如圖3a)。對(duì)于八壟一帶富集，采用八指盤摟草機(jī)將八壟散落在地的秸稈向中間集聚成一帶，富集后秸稈放置帶寬為1.5～1.8 m (如圖3b)。

步驟三，粉碎入土 采用風(fēng)注式秸稈深層還田機(jī)通過三個(gè)環(huán)節(jié)將粉碎秸稈集中注入地下。首先用碎桿刀軸將集聚的秸稈打碎拋入絞龍，通過絞龍輸送至風(fēng)機(jī)，再經(jīng)風(fēng)機(jī)將碎秸稈送入管式開掘體繼而落入土中，秸稈入土最大深度為35～40 cm，秸稈層厚度為15～40 cm，覆蓋秸稈的覆土厚度為10～15 cm。兩種比例富集秸稈粉碎入土位置如圖4a和圖4b。

圖3 秸稈富集位置Fig. 3 The straw enrichment position

步驟四，帶狀免耕播種 富集的秸稈深層注入土層后，以深埋秸稈的壟為中心，兩側(cè)相鄰的壟均實(shí)施免耕種植，其免耕種植形式分為兩種：一種是以深埋秸稈的壟為中心留出空帶，帶寬90 cm，空帶兩側(cè)各種植2行玉米，行距為40 cm。玉米的株距依種植品種要求的密度而定。其播種機(jī)行走路線見圖5a，免耕播種后的出苗位置見圖5b。另一種還是以深埋秸稈的壟為中心留出空帶，帶寬90 cm，空帶兩側(cè)各種植 4行 (兩帶) 玉米，行距為 40 cm，帶寬90 cm。其播種路線與出苗位置見圖5c和圖5d。

圖4 秸稈粉碎入土位置Fig. 4 The straw crush position with a belt in soil

步驟五，按帶依次逐年富集深還 由于秸稈富集深還的獨(dú)到之處是多壟歸為一壟，故每年產(chǎn)生的秸稈可以依次逐年持續(xù)條帶深還。其深還位置與最初深還位置重合為一個(gè)循環(huán)周期，四壟富集深還的循環(huán)周期為四年。八壟富集深還的循環(huán)周期為八年。

由于本技術(shù)模式屬于種、還分離，當(dāng)季基本不存在秸稈分解與作物爭氮的問題，可以少配或不配施多余的氮肥，犁具具有自動(dòng)補(bǔ)肥、施肥功能，一切與正常免耕播種和栽培管理一致，不增加生產(chǎn)成本。

另外，由于秸稈埋在土壤深層，不影響第二年春天播種，到第二年秋天秸稈腐爛得像草炭一樣，成為優(yōu)質(zhì)的肥料。所以一般不需要加施秸稈腐熟劑或其他菌劑，不增加還田成本。

4 秸稈富集深還的效果

原來人們認(rèn)為秸稈深還可能分解緩慢，影響第二年播種。但模擬埋置試驗(yàn)中，秸稈還田120天時(shí)，其分解率就達(dá)到60%以上，330天時(shí)超過65%(圖6，T6)[8]。這從田間實(shí)際調(diào)查的照片中可以得到印證，經(jīng)過1年的分解和腐殖化，形成像泥炭一樣的層次，不僅第二年不會(huì)影響種植，而且還培肥了亞表層土壤 (圖7)[9]。

圖5 秸稈富集深還免耕播種和出苗位置Fig. 5 Sowing and seedling lines under the no-till and corn stover enrichment and deep incorporation

人們對(duì)于秸稈深還是否會(huì)引起第二年玉米產(chǎn)量降低也存在疑慮，但在榆樹黑土區(qū)玉米產(chǎn)量可以達(dá)到10噸以上，比傳統(tǒng)耕作高5%[1]。遼寧省的試驗(yàn)也表明，秸稈深還對(duì)玉米產(chǎn)量沒有不良影響[10–11]。秸稈深還的改土效果很明顯，一般土層厚度增加，土壤容重、水分和結(jié)構(gòu)狀況等物理性質(zhì)有所改善[10–17]。秸稈深還可促使土壤亞表層有機(jī)碳含量增加 10%～15%，土壤耕層由原來的約15 cm增加到30 cm[17]。增加胡敏酸、富里酸和胡敏素的數(shù)量，改善腐殖質(zhì)組成[19–22]，胡敏酸PQ從53%增加到63%[22]。秸稈深還對(duì)腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特征沒有產(chǎn)生不良影響，對(duì)有些指標(biāo)(如H/C、親水性) 還有改善作用，如胡敏酸的H/C摩爾比從0.977提高到1.269[22]，促使黑土胡敏酸結(jié)構(gòu)簡單化和年輕化[19–22]。秸稈富集深還技術(shù)模式適用于玉米秸稈露天焚燒壓力比較大、連年需要全量還田并且沒有條件休耕的地區(qū)，以及土壤耕作層特別是亞表層急需培肥的耕地，一般在東北平原、臺(tái)地的黑土地區(qū)域，土體厚度在35 cm以上都可以應(yīng)用。由于是四分之一到八分之一耕作，加之不用預(yù)先打碎秸稈和還田后耙地、鎮(zhèn)壓等工序，秸稈富集深還比一般的翻壓、旋耕還田節(jié)省動(dòng)力成本，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益俱佳。

圖6 不同埋置時(shí)間秸稈混土 (T6) 與不混土 (T2) 處理的累計(jì)分解率[8]Fig. 6 Cumulative decomposition rate of the straw mixed with soil (T6) or without soil (T2)

圖7 秸稈富集深還后1年腐爛情況 (2015.10～2016.10)[9]Fig. 7 The rotted corn stover after 1-year’ enriched and deep incorporation (2015.10–2016.10)

5 展望與建議

本文提出秸稈富集深還新技術(shù)模式，即將玉米秸稈用機(jī)械化手段大比例富集、按條帶埋入土壤亞表層的全量還田模式，并給出了實(shí)際的田間操作圖解。秸稈富集深還新模式可以做到土層順序不顛倒、不影響第二年種植和產(chǎn)量、能夠連年全量還田、適用于寬窄行免耕播種，并可以提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，打破犁底層，實(shí)現(xiàn)疏松土壤與培肥土壤的結(jié)合及土壤亞表層培肥的目的。

從土壤培肥的角度，需建立新的土壤亞表層培肥長期定位試驗(yàn)，并通過深入研究，逐漸認(rèn)識(shí)到土壤亞表層是合理耕層構(gòu)建的重要組成部分。

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Improving subsoil fertility through a new technology of continuous in belt and deep incorporation of corn stover

DOU Sen
( College of Resource and Environmental Science, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China )

Subsoil often suffers from “organic matter hunger” because of the long term shallow tillage and less organic material returning. The over-tight and poor soil physical properties makes it necessary to find a simple and effective method to break up the plow pan and add organic matter to the hunger soil. In this paper, the three existing deep incorporation methods of corn stover were summarized briefly, and the concept of corn stover enrichment and deep incorporation (CSEDI) was introduced. In CSEDI, the whole-harvested corn straw is collected onto belts, then the special tube plough is used to embed straw into the 20–40 cm depth of subsoil by wind power injection. The soil layer will keep in original order, the following year’s planting would not be disturbed. CSEDI simulation test showed that after straw was embedded into soil for 330 days, the decomposition rate was above 65%, the residual straw became humified and soil organic carbon content was increased by 10%–15%, the arable layer thickness increased from the original 15–18 cm to 30–35 cm. The H/C and hydrophilic ratio of humic acid were also improved. The CSEDI was not found causing the reduction of maize yield in the second year, on the contrary, achieved about 5% of increase than that of traditional cultivation. These results proved that with the CSEDI, the full amount of corn stover could be returned to the field year by year, the alternative belt-corporation of straw made the separated planting and returning come to truth. This method was also proved to be effective to break up the plow pan and increase subsoil organic matter content quickly.

corn stover enrichment; wind power injection; deep incorporation; subsoil; fast fertilizing;strip tillage

2017–08–14 接受日期：2017–10–20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200304）；國家 973 計(jì)劃（2011CB100503）；吉林省秸稈綜合利用平臺(tái)秸稈肥料化方向（2014 C–1）；吉林省重點(diǎn)科技項(xiàng)目（20130206018NY）；吉林省委財(cái)經(jīng)辦項(xiàng)目（20131210）資助。

竇森（1959—），男，吉林東豐縣人，博士，教授，主要從事土壤有機(jī)質(zhì)與秸稈還田研究。E-mail：dousen1959@126.com