秸稈粉碎集條深埋機(jī)械還田模式對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

王秋菊，焦 峰，劉 峰，常本超，姜 輝，姜 宇 ，米 剛 ，周 鑫

(1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所，哈爾濱 150086；2. 黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086；3. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶 163319；4. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研處，哈爾濱 150086；5. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 黑河分院，黑河 164300)

0 引 言

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物，也是重要的生物質(zhì)能源物質(zhì)，其利用始終受到廣泛關(guān)注[1-2]。秸稈利用形式多種多樣，作為能源物質(zhì)可用來發(fā)電、生產(chǎn)沼氣，甚至可以生產(chǎn)酒精等高級(jí)燃料，作為原料可以用于造紙、制作板材，也可以用于漚肥、碳化、制作成肥料，等等[3-6]。上述利用形式普遍存在著運(yùn)輸成本和轉(zhuǎn)化成本高、生產(chǎn)利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。從國(guó)外情況看，不論是美國(guó)、歐洲還是日本，70%～90%的農(nóng)作物秸稈都通過堆肥或直接還田方式歸還土壤[7]。國(guó)內(nèi)大量研究證明，長(zhǎng)期連續(xù)秸稈還田有利于土壤團(tuán)聚體的形成[8-10]和土壤理化性質(zhì)的改善[11-16]。目前秸稈還田的模式主要包括覆蓋還田、耕層還田和深耕還田[17-20]。其中覆蓋還田在減少蒸發(fā)、保持土壤水分方面效果明顯[21-23]，但會(huì)降低地溫[24]、導(dǎo)致作物出苗延遲；應(yīng)用鏵式犁翻壓進(jìn)行秸稈還田是當(dāng)前生產(chǎn)中廣泛采用的秸稈還田模式，但由于秸稈輕，翻壓過程中大量秸稈會(huì)殘存在地表或犁垡之間的淺表層土壤中，影響后作出苗[25]。王秋菊等[26]通過把秸稈還田在心土層內(nèi)，避免寒冷地區(qū)覆蓋還田春季地溫低、延遲出苗問題；同時(shí)也有利于提高后作播種質(zhì)量。但由于秸稈深還田配套機(jī)械尚存在一定技術(shù)問題，影響到大面積推廣。玉米巨大的秸稈產(chǎn)量是影響其直接還田的主要障礙，加之還田成本高，短期效果差，甚至有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此農(nóng)民不愿意在秸稈還田上增加投入，以至于秸稈就地焚燒現(xiàn)象屢禁不止，不僅造成浪費(fèi)資源，還嚴(yán)重污染環(huán)境[27]。本文針對(duì)生產(chǎn)中秸稈還田模式中存在的問題，試圖通過將秸稈粉碎、集中溝施、深耕翻壓等一系列作業(yè)有機(jī)地組合，形成秸稈粉碎集條深埋還田的技術(shù)模式。本文通過秸稈粉碎集條機(jī)與傳統(tǒng)的鏵式犁配合使用，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈集中深施，通過大田試驗(yàn)明確該技術(shù)模式對(duì)后作生育及產(chǎn)量影響，為開展大面積推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 秸稈粉碎集條機(jī)及集條深埋還田模式

1.1.1 秸稈粉碎集條機(jī)

秸稈粉碎集條機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括懸掛架1、中間變速箱2、秸稈粉碎箱3、側(cè)邊傳動(dòng)箱4、秸稈拋灑口5、限深輪6等部分；其動(dòng)力傳遞方式如圖2，秸稈粉碎集條機(jī)工作過程中，機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)力由拖拉機(jī)牽引力提供，秸稈粉碎器的驅(qū)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出提供，動(dòng)力傳遞路線為拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸—萬向節(jié)—中間變速箱—萬向節(jié)—秸稈粉碎器—水平螺旋輸送器（圖2）。

圖1 秸稈粉碎集條機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of straw pulverizing machine

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of power transmission

1.1.2 秸稈粉碎集條深埋還田模式

秸稈粉碎集條深埋還田模式的作業(yè)順序如下：先用鏵式犁進(jìn)行開塹作業(yè)，形成一條深30 cm、寬45 cm的犁溝，隨后用秸稈粉碎集條機(jī)將下一個(gè)耕幅的秸稈粉碎后集中拋撒在所述的犁溝內(nèi)，待下一次作業(yè)行程翻壓作業(yè)。如此交替往返，即完成秸稈集中還田。模式需要 2臺(tái)不同機(jī)械獨(dú)立作業(yè)、配合完成；又由于該模式有別于傳統(tǒng)的全面還田模式，故稱之為集中還田。本試驗(yàn)所使用的鏵式犁為四鏵犁，每個(gè)鏵犁寬45 cm，總耕幅180 cm，因此，秸稈埋藏深30 cm，埋藏間隔180 cm（圖3，局部秸稈還田量大約相當(dāng)于常規(guī)還田量的4倍）。

圖3 秸稈深埋田間圖Fig.3 Field diagram of deep buried straw

1.2 秸稈還田田間試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范園區(qū)（126°48′50″～126°51′03″E, 45°49′15″～45°50′36″N），供試土壤為黑土，土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of tested soil

1.2.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，每個(gè)處理面積468 m2（寬15.6 m×長(zhǎng)30 m），每處理3次重復(fù)，順序排列。試驗(yàn)處理如下：

1）對(duì)照（CK）：無秸稈還田，秸稈在秋季收獲后移出田塊，采用四鏵犁正常翻耕，耕幅180 cm，耕深25～30 cm（圖4）；

圖4 正常翻耕作業(yè)Fig.4 Normal tillage operation

圖5 田間作業(yè)圖Fig.5 Diagram of field work

2）秸稈耕層還田（TR）：采用玉米聯(lián)合收獲機(jī)收獲作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行秸稈粉碎拋撒作業(yè)，耕翻前采用旋耕機(jī)旋耕1次（深8～10 cm），促進(jìn)秸稈與表層充分混合，提高翻壓效果（圖5a），然后用四鏵犁翻耕，深度25～30 cm（圖5b）；

3）秸稈粉碎集條深埋還田（DS）：采用玉米聯(lián)合收獲機(jī)（無秸稈粉碎）收獲后，首先采用秸稈粉碎集條機(jī)（幅寬190 cm）進(jìn)行清理出一條作業(yè)道，然后采用四鏵犁開塹，形成一條犁溝。隨后用秸稈粉碎集條機(jī)將臨近地表秸稈粉碎—集條，拋撒在犁溝中（圖5c），隨后用四鏵犁進(jìn)行翻地作業(yè)，第 1犁鏵將臨近的耕層土翻扣在犁溝內(nèi)的秸稈之上，第 4犁形成新的犁溝，為下一次溝施做好準(zhǔn)備（圖5d）。由此在耕層下形成深25～30 cm、間距180 cm的秸稈深埋溝(圖6)。

圖6 秸稈深埋示意圖Fig.6 Diagram of deep buried straw

耕種及施肥概況：試驗(yàn)處理時(shí)間為每年10月12日—30日。耕翻作業(yè)后，輕耙2遍，起壟，待播。翌年春季機(jī)械播種玉米，施基肥純氮（N）、磷（P2O5）、鉀(K2O)用量分別為200、100、100 kg/hm2； 播種時(shí)間：2015年5月1日播種，2016年4月25日播種；2017年4月29日播種。供試品種為先玉335。

從2014年秋季開始，每年秋季玉米收獲后，在同一小區(qū)內(nèi)進(jìn)行同樣處理。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目與方法

1.3.1 出苗率調(diào)查

在玉米全田出齊苗 15 d后調(diào)查單位面積玉米苗數(shù)量，每個(gè)小區(qū)調(diào)查3點(diǎn)，每點(diǎn)寬度為190 cm（3條壟），每壟按照長(zhǎng)度3 m進(jìn)行調(diào)查。

1.3.2 株高和莖粗

在調(diào)查玉米出苗率時(shí)（5月20日）和玉米成熟期（9月30日），每點(diǎn)取有代表性的玉米植株5株，每小區(qū)取3點(diǎn)，按照常規(guī)方法用米尺測(cè)定植株株高，玉米莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)定植株從地面數(shù)第二節(jié)段的最寬處。

1.3.3 干物質(zhì)積累

玉米苗期和成熟期取樣植株進(jìn)行完株高和莖粗測(cè)量后，將測(cè)量株高和莖粗的玉米苗清理干凈后，將葉、莖、鞘、穗、棒分離，放置于烘箱內(nèi)，在105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量。等樣品冷卻后稱質(zhì)量，計(jì)算單株干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.4 根系調(diào)查

在玉米灌漿期（8月15日），每小區(qū)選取具有代表性的植株，采用土壤剖面挖根法，距離植株5 cm處垂直于壟向挖一縱向剖面，以玉米植株為起點(diǎn)，水平方向0～30 cm，垂直方向0～50 cm，分別取長(zhǎng)寬高各為10 cm的規(guī)則立方體土塊，縱向5層，橫向3層，置于網(wǎng)袋中用水沖洗并揀取肉眼可見的所有根系。利用 SINTEKLC-4800型根系掃描儀掃描后，使用其配套的圖像分析軟件WinRH2.0Pro2005進(jìn)行根系掃描，得到相應(yīng)體積土層的根長(zhǎng)、根表面積。將掃描完的根系裝入牛皮信封中，放入80 ℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量并記錄。

1.3.5 產(chǎn)量測(cè)定

于玉米收獲期，各區(qū)實(shí)測(cè)籽粒產(chǎn)量，按照玉米含水量14.5%折合成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft office Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件DPS7.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)出苗率的影響

玉米出苗率調(diào)查結(jié)果（圖7）顯示，秸稈集中深埋處理與對(duì)照差異不顯著；秸稈耕層還田處理出苗率低，出苗不齊，秸稈耕層還田處理分別比對(duì)照和秸稈集中還田降低3.3%和3.5%，差異達(dá)到顯著水平。

圖7 出苗率調(diào)查Fig.7 Survey of emergence rate

2.2 對(duì)株高和莖粗影響

從對(duì)玉米株高和莖粗調(diào)查可知（圖 8），對(duì)照處理和秸稈集條深埋還田的玉米苗期和成熟期株高無顯著差異，成熟期TR顯著低于CK和DS（P＜0.05）；CK和DS處理莖粗在苗期和成熟期均沒有顯著差異（P＞0.05），秸稈耕層還田的玉米株高苗期整體降低3.1～4.5 cm，莖粗也低于其他 2個(gè)處理 2.3～2.5 mm，成熟期株高降低13.3～17.9 cm，莖粗減少3.1～4.0 mm。秸稈耕層還田處理玉米苗長(zhǎng)勢(shì)不均、大小不一，苗間標(biāo)準(zhǔn)差大。從植株長(zhǎng)勢(shì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，耕層還田的玉米苗可明顯分為 2類，有長(zhǎng)勢(shì)正常株，也有特別小的非正常植株（圖9a），苗情調(diào)查可以看出，這也是導(dǎo)致其株高和莖粗低于其它兩處理的原因，秸稈集條深還的玉米長(zhǎng)勢(shì)一致，整體好于耕層還田的玉米苗。而且田間調(diào)查中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)勢(shì)不好的植株其根部與還田秸稈長(zhǎng)在一起（圖9b），秸稈的存在影響植株正常生長(zhǎng)。秸稈集中還田的玉米苗在生長(zhǎng)過程中接觸不到深埋的秸稈，秸稈深埋對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)無影響。

圖8 不同生育期植株高度和莖粗Fig.8 Plant height and stem diameter of different growth periods

圖9 玉米苗情調(diào)查圖片F(xiàn)ig.9 Corn seedling survey pictures

2.3 對(duì)干物質(zhì)積累影響

從圖10中看出，植株干物質(zhì)積累量與株高、莖粗不同處理間變化趨勢(shì)一致，秸稈集中還田干物質(zhì)積累量與對(duì)照相比在苗期無顯著差異，在成熟期稍高于對(duì)照處理，秸稈耕層還田處理玉米干物質(zhì)積累量在玉米各生育期都最低，與對(duì)照和秸稈粉碎深埋機(jī)械還田處理比差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。與對(duì)照和秸稈集中還田相比，耕層秸稈還田在苗期干物質(zhì)積累量降低15.8%～17.2%，成熟期干物質(zhì)積累量降低8.0%～10.8%。

圖10 不同處理干物質(zhì)積累量Fig.10 Dry matter accumulation of different treatment

2.4 對(duì)根系影響

從圖11中看出，不同處理玉米根系主要集中在距植株0～10 cm的根區(qū)，占總根系量的一半以上；對(duì)照和秸稈粉碎集條深埋機(jī)械還田的高于耕層還田處理。從表 2中分析處理看，總根長(zhǎng)、根表面積和根干質(zhì)量秸稈耕層還田處理低于對(duì)照和秸稈集中還田處理，差異顯著（P＜0.05），對(duì)照和秸稈集中還田處理間無明顯差異（P＞0.05）。

2.5 對(duì)玉米產(chǎn)量影響

從表 3產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果看出，盡管秸稈集中還田處理與對(duì)照差異不顯著，但隨還田年限增加表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢(shì)；耕層還田處理連續(xù)3 a均比對(duì)照減產(chǎn)，差異達(dá)顯著水平，但減產(chǎn)幅度隨還田時(shí)間增加而有降低趨勢(shì)。耕層秸稈還田處理減產(chǎn)原因，一是該處理在0～10 cm種床內(nèi)部分秸稈與直接種子接觸，影響作物出苗（圖 7）；二是隨著氣溫上升，分布在耕層內(nèi)秸稈迅速分解，土壤中有效態(tài) N素被暫時(shí)固定，直接導(dǎo)致作物苗期N饑餓，影響苗期生育[28-30]。而集中還田處理由于秸稈集中分布在耕層下面，減少了種床種子與秸稈的接觸幾率，避免作物出苗受到不良影響，表現(xiàn)為出苗率高；另一方面也弱化了秸稈腐解與作物吸收養(yǎng)分的矛盾。

圖11 距植株不同垂直距離的根長(zhǎng)Fig.11 Root length of different vertical distance to plant

表2 不同處理根系分析Table 2 Root analysis of different treatment

表3 不同處理產(chǎn)量分析Table 3 Yield analysis of different treatment

3 討 論

秸稈還田近年來一直是備受關(guān)注的焦點(diǎn)問題，盡管秸稈還田培肥地力的觀點(diǎn)已經(jīng)被普遍接受，但需要長(zhǎng)期還田效果才明顯[31]。不僅如此，不恰當(dāng)?shù)亟斩掃€田會(huì)直接影響下茬作物生育和產(chǎn)量。在這種情況下，與其投入人力、物力進(jìn)行秸稈還田，不如選擇最簡(jiǎn)單的秸稈處理方式，由此導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題。引導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行秸稈還田，一要靠政策扶持，補(bǔ)償秸稈還田額外增加的費(fèi)用，二要靠技術(shù)創(chuàng)新，探索秸稈還田新技術(shù)。覆蓋還田可以減少蒸發(fā)，保水效果好，但地溫降低，出苗晚。玉米晚出苗3～7 d，產(chǎn)量降低7%～14%[32]，顯然這是冷涼多雨地區(qū)的重要問題。耕層還田雖然避免了地溫降低，但一般的耕層還田采用鏵式犁作業(yè)，翻壓效果不良，由于大量秸稈集中分布在0～10 cm土層中，易造成土壤跑墑；秸稈與種子距離近，微生物分解秸稈就會(huì)與作物生長(zhǎng)形成激烈的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致苗期營(yíng)養(yǎng)不足；調(diào)查發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的弱苗根系都與秸稈連接，有的種子甚至接觸不到土壤。因此，一方面秸稈還田必須結(jié)合改善土壤C/N，另一方面，就是改善秸稈在土壤中的分布，減少0～10 cm土層內(nèi)秸稈量。

在黑龍江省的溫帶大陸性季風(fēng)氣候條件下，埋藏在20～25 cm土層內(nèi)的作物秸稈，年分解率約為45%～50%左右，剩余的未腐解部分也呈棉絮狀。翌年被翻耕到表層也不會(huì)影響作物出苗。本文提出的 2段式秸稈集中還田模式，將生產(chǎn)量4倍的秸稈集中放置到1個(gè)犁溝中，形成間隔190 cm培肥溝，消除了傳統(tǒng)秸稈還田模式的弊端，對(duì)于增加土壤儲(chǔ)水、提高地力、構(gòu)建肥沃耕層和建設(shè)高質(zhì)量農(nóng)田都具有重要意義。

4 結(jié) 論

1）秸稈粉碎集條深埋還田不影響作物出苗率及作物長(zhǎng)勢(shì)狀態(tài)，耕層還田降低了作物出苗率，作物苗長(zhǎng)勢(shì)不均，干物質(zhì)積累量、株高、莖粗以及根系量均明顯低于不還田及深還處理；

2）耕層還田連續(xù)3 a均表現(xiàn)減產(chǎn)，差異顯著，但減產(chǎn)幅度逐漸降低，秸稈粉碎集條深埋還田與不還田處理相比產(chǎn)量未表現(xiàn)下降，并有逐漸增加趨勢(shì)。秸稈粉碎集條深埋還田還需要逐年跟蹤調(diào)查。

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