玉米秸稈覆蓋條耕技術(shù)及其應(yīng)用

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(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

0 引 言

季節(jié)性干旱及土壤質(zhì)量下降是目前及未來(lái)限制我國(guó)東北地區(qū)玉米生產(chǎn)的兩項(xiàng)重要因素。傳統(tǒng)耕作通過(guò)鏵式犁對(duì)土壤進(jìn)行翻耕作業(yè)，在北方冬春季大風(fēng)天氣，常引起地表土壤風(fēng)蝕和土壤墑情散失，不利于玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[1]。通過(guò)玉米秸稈覆蓋，可以顯著減少水土流失、保墑蓄水、培肥地力[2]。但是在北方冷涼地區(qū)以及春播時(shí)期低溫多雨天氣條件下，秸稈覆蓋常導(dǎo)致土壤溫度較低，升溫緩慢，不利于玉米出苗和苗期生長(zhǎng)[3]；同時(shí)秸稈覆蓋量大或者覆蓋不均勻，均會(huì)對(duì)播種造成困難，導(dǎo)致播種質(zhì)量差，出苗不齊或幼苗生長(zhǎng)較弱[4]，上述問(wèn)題是玉米產(chǎn)量下降，限制玉米秸稈覆蓋技術(shù)的應(yīng)用推廣的主要因素。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外持續(xù)開(kāi)展秸稈覆蓋條帶耕作技術(shù)(Strip-till，簡(jiǎn)稱條耕)的研究，其主要特點(diǎn)是在秸稈全覆蓋的基礎(chǔ)上，利用條耕機(jī)械整理出無(wú)秸稈的苗帶用于播種。苗帶寬度約25 cm，苗帶之間行距通常為76 cm[5]，全生育期保持秸稈覆蓋，全田土壤擾動(dòng)通常不超過(guò)1/3[6]。作為保護(hù)性耕作的一種新形式，該技術(shù)在美洲、西歐和澳大利亞等國(guó)家玉米生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[7-8]。據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，2010年條耕面積約占美國(guó)玉米總播種面積的15%，見(jiàn)圖1。而在我國(guó)，條耕技術(shù)應(yīng)用尚十分有限，為了讓更多的科研工作者了解該項(xiàng)技術(shù)，并推動(dòng)其在我國(guó)的推廣應(yīng)用，本文綜述了國(guó)際上條耕技術(shù)的研究進(jìn)展，并結(jié)合本課題組前期工作的研究結(jié)果，對(duì)該技術(shù)在東北地區(qū)的應(yīng)用提出建議和對(duì)策。

注：CT :傳統(tǒng)耕作；NT: 免耕； ST:條耕； NGP: 北美大平原；HL: 中部地區(qū)；SS: 南部海濱區(qū)；EU:東部高地；MP: 密西西比門(mén)戶；PG:草原地帶；BR: 盆地與山脈.Note: CT,conventional tillage; NT,no-till; ST,strip-till; NGP,Northern Great Plains; HL,Heartland; SS,Southern Seaboard; EU,Eastern Uplands; MP,Mississippi Portal; PG,Prairie Gateway; BR,Basin and Range.圖1 美國(guó)各地區(qū)不同耕作方式應(yīng)用比例(USDA)Fig.1 The percentages of different tillage practices in United State of America(USDA)

1 條耕機(jī)工作原理

美國(guó)主要農(nóng)機(jī)企業(yè)(如Dawn，Nufarm，Orthman和Yetter等)均生產(chǎn)條耕作業(yè)總成。每組條耕總成需要20～30馬力的動(dòng)力牽引，120馬力的拖拉機(jī)牽引4組條耕機(jī)，每小時(shí)可耕地4～6 hm2[9]。以Yetter 2 984條耕機(jī)為例，其工作單元主要包括：切盤(pán)、撥草輪、開(kāi)溝施肥刀、攏土盤(pán)和碎土器，見(jiàn)圖2。其工作原理是：控深輪位于切盤(pán)兩側(cè)，根據(jù)秸稈厚度調(diào)節(jié)高度，控制切盤(pán)的入土深度，秸稈厚度大則將調(diào)節(jié)控深輪加大切盤(pán)入土深度。切盤(pán)將作物秸稈切開(kāi)，同時(shí)切入土壤表層，深度8～10 cm。撥草輪工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，將秸稈殘茬撥向兩側(cè)，形成20～25 cm 寬度無(wú)秸稈帶。開(kāi)溝施肥刀打破下層土壤結(jié)構(gòu)，深度達(dá)到20～25 cm，可同時(shí)將肥料施入底部。攏土盤(pán)將開(kāi)溝刀掀起的土壤壟在一起，形成寬30 cm、高8～15 cm的耕作條帶。碎土器將耕作條帶的大土塊震碎，使苗帶土壤平整、疏松，有利于播種[10]。

圖2 Yetter公司生產(chǎn)的2984 MarverickTM HR Plus型條耕組件(左)及條耕后的土壤剖面(右)Fig.2 Yetter 2984 MarverickTM HR Plus equipment(left) for strip-till and the soil profile after strip-till practice(right)

2 條耕模式下的玉米高產(chǎn)配套技術(shù)

2.1 前茬作物及秸稈處理

前茬作物栽培模式須為平作，不能起壟。前茬作物采用機(jī)械化收獲后，秸稈被適當(dāng)?shù)胤鬯?，均勻覆蓋在土壤表面。

2.2 條耕的時(shí)間

條耕作業(yè)既可以在秋季前茬作物收獲后進(jìn)行，也可以在春季玉米播種前進(jìn)行。在冬春季雨水較多地區(qū)，秋季條耕有利于春季苗帶散墑增溫，因此常選擇秋季條耕作業(yè)[11-13]。而在春季降雨稀少、大風(fēng)頻繁的地區(qū)，冬季保持秸稈全覆蓋有利于保持墑情和減少土壤風(fēng)蝕，在春季播前一周內(nèi)進(jìn)行條耕或清茬作業(yè)較為適宜，可以保證適期播種。而且經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季后，田間秸稈充分干燥，數(shù)量也有所減少，更有利于機(jī)械操作。

2.3 施基肥

在條耕作業(yè)的同時(shí)，可以將基肥同時(shí)施入。

2.4 播種

由于苗帶進(jìn)行了秸稈清理與深松，播種即可以使用免耕播種機(jī)，也可使用常規(guī)播種機(jī)。播種機(jī)要與條耕作業(yè)模式相互配套，以免播種到苗帶以外[14]。在播種機(jī)上加裝自動(dòng)導(dǎo)航裝置，可以降低人為操作誤差，精確播種到秋耕條帶和施肥帶。有研究表明，應(yīng)用RTK自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)(Real-time kinematic)比GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)更有效。RTK自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)比較昂貴，但是行間精確度達(dá)到2.5 cm，而GPS精度10 cm[15-16]。

2.5 種植密度

與常規(guī)種植相同。采用等行距種植(60 cm)或?qū)捳蟹N植(40～80 cm)，種植密度為70 000～90 000株·hm-2。

2.6 除草

播種后進(jìn)行除草劑封閉。噴施除草劑時(shí)，可調(diào)整噴頭間距，只噴灑苗帶即可，節(jié)省除草劑用量。如果生育期間秸稈覆蓋區(qū)雜草較多，可以再利用苗后除草劑控制。

其它田間管理措施與常規(guī)玉米種植相同。經(jīng)過(guò)夏季高溫多雨，一般情況下秸稈會(huì)全部腐爛。下一年度條耕作業(yè)時(shí)，在秸稈覆蓋區(qū)清理出苗帶。

3 條耕技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足

條耕技術(shù)基本上保持了秸稈覆蓋還田的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，包括(1)減少表土流失，降低水蝕，遏制土壤退化；(2)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，減少碳排放；(3)抑制土壤水分蒸發(fā)，增強(qiáng)風(fēng)沙土區(qū)的農(nóng)業(yè)抗旱能力；(4)促使礦質(zhì)養(yǎng)分返還土壤，有利于減少化肥投入；(5)降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)耕作相比，條耕僅耕作30%的土壤，整地工序少，作業(yè)效率高，節(jié)省勞動(dòng)力成本，降低燃油消耗[17-18]。除此之外，由于條耕作業(yè)創(chuàng)造一個(gè)和傳統(tǒng)耕作相似的苗帶環(huán)境，種子直接播種在松軟的耕作帶上，減輕了秸稈全覆蓋免耕帶來(lái)的一些不利影響[19]。

3.1 降低苗帶土壤水分，提高土壤溫度

免耕秸稈覆蓋阻礙了土壤與大氣之間的水熱交換，能夠減少土壤水分的蒸發(fā)，但也不利于土壤升溫，導(dǎo)致出苗延遲[20]；遇上春季多雨天氣，更是不利于土壤耕作，導(dǎo)致無(wú)法適時(shí)播種。全田秸稈覆蓋還易誘發(fā)土傳病害如霉腐病、根腐病、種子腐爛及莖腐病等[21]。條耕機(jī)組件中一條入土25～40 cm深的刀臂，后有攏土盤(pán)封溝攏土，形成小土脊，可以接收到更多的太陽(yáng)輻射。耕作后的苗帶播種時(shí)土壤水分較秸稈覆蓋區(qū)域降低30%～50%，土壤升溫加快，10 cm耕層地溫較免耕地溫高4 ℃～6 ℃，較免耕地溫高2 ℃～4 ℃[22-23]。

3.2 減少苗帶土壤壓實(shí)，增加土壤孔隙度

土壤緊實(shí)度是指土壤對(duì)機(jī)械應(yīng)力所表現(xiàn)出來(lái)的狀況，測(cè)定土壤孔隙度、土壤容重和機(jī)械阻力能夠評(píng)價(jià)土壤硬度狀況。多年免耕會(huì)增加土壤緊實(shí)度，0～20 cm土壤具有較高的容重和土壤阻力，土壤50～25 μm的小孔隙增多，但是大孔隙減少，影響玉米根系生長(zhǎng)和根毛生長(zhǎng)[24]。耕作苗帶區(qū)域后，土壤的穿透阻力小于行間未耕作區(qū)，平均土壤孔隙度提高4.4%，平均土壤容重降低3.6%，促進(jìn)深層根系生長(zhǎng)[25]。秋季進(jìn)行條耕，在冬季凍融交替后明顯提高土壤宜耕性，增強(qiáng)土壤耕層及亞耕層的通透性。條耕作業(yè)還可加裝施肥、播種、農(nóng)藥噴灑裝置，在春季一次作業(yè)完成多道農(nóng)業(yè)生產(chǎn)程序，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的進(jìn)地次數(shù)，降低了土壤壓實(shí)[26]。

3.3 抑制農(nóng)田雜草，豐富土壤生物

由于缺少土壤擾動(dòng)，多年實(shí)行免耕秸稈覆蓋容易導(dǎo)致嚴(yán)重的草害，噴施除草劑時(shí)被秸稈阻擋，效果差。條耕通過(guò)年際間交替土壤耕作，不利于田間雜草的積累。將除草劑噴灑于裸露的苗帶土壤，可以提高除草劑的作用效果[27]。而行間保持高量的秸稈覆蓋，不利于雜草的生長(zhǎng)，有利于減少除草劑的使用量[28]。

條耕條件下，苗帶間秸稈覆蓋有利于其中土壤微生物以及土壤動(dòng)物的增殖與生長(zhǎng)[29]。秸稈覆蓋可以增加土壤水分，為微生物和土壤動(dòng)物生長(zhǎng)提供有利條件，增加了單位面積上蚯蚓的數(shù)量，效果比持續(xù)投入有機(jī)肥更顯著；條耕土壤中線蟲(chóng)數(shù)量較免耕增加了52%，土壤微生物和土壤動(dòng)物加快了作物秸稈的腐解，提升土壤肥力[30]。耕層土壤微生物的增殖，可促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，減少土壤養(yǎng)分的揮發(fā)、滲漏損失。當(dāng)土壤養(yǎng)分相對(duì)缺乏時(shí)，作物還可以利用部分微生物死亡釋放出的養(yǎng)分[31-32]。

3.4 改善玉米生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量

條耕創(chuàng)造一個(gè)無(wú)秸稈覆蓋的苗帶，苗帶土壤水分蒸發(fā)較快，有利于機(jī)械進(jìn)行播種，并提高播種質(zhì)量，提高出苗率，促進(jìn)玉米早期生長(zhǎng)[33]。打破犁底層，有利于玉米根系下扎，并且施肥位置在苗帶下方，促進(jìn)了根的垂直生長(zhǎng)[34]。玉米種植增密和條耕可以改善群體根系在土壤空間的分布，提高群體深層根系的容納量，減弱淺層根系的擁擠，有利于玉米根系下扎。與免耕相比，條耕可提高玉米的總根量[35]。肥料在條耕整地時(shí)深施于地下15～20 cm，降低肥料對(duì)幼苗的鹽害，而免耕條件下，種子和肥料同播下，限制了氮施用量和施肥位置[36]。玉米生長(zhǎng)期間，苗帶間保持秸稈覆蓋，有利于保持土壤水分，抵御干旱脅迫。條耕條件下，吐絲期比免耕早7天左右[37]。這些優(yōu)點(diǎn)使得條耕模式的產(chǎn)量通常高于全免耕模式，并常常與傳統(tǒng)翻耕的產(chǎn)量表現(xiàn)一致，Vyn在印第安納州8年試驗(yàn)結(jié)果顯示玉米連作條件下傳統(tǒng)耕作與條耕8年平均產(chǎn)量均為12 241 kg·hm-2，較秸稈覆蓋免耕11 551 kg·hm-2具有顯著的增產(chǎn)效果[38-39]。比如在2017年美國(guó)高產(chǎn)競(jìng)賽中，雨養(yǎng)條耕條件下的高產(chǎn)紀(jì)錄可達(dá)到22 200 kg·hm-2[40]。

3.5 條耕技術(shù)的缺點(diǎn)

條耕技術(shù)主要解決了秸稈還田與春季保墑的問(wèn)題，生長(zhǎng)期間也不需要中耕作業(yè)，減少了機(jī)械作業(yè)次數(shù)。但條耕要求平作，不能起壟。因此，在東北北部熱量較低的地區(qū)、或者春季低溫年份，盡管提前整理出苗床使土壤升溫，但整體土壤溫度條件仍然比不上壟作。因此，幼苗生長(zhǎng)會(huì)受到一定的抑制，產(chǎn)量也會(huì)受到一定的影響。在生長(zhǎng)季節(jié)有澇害發(fā)生的地區(qū)/年份，條耕模式也不利于排澇。因此，條耕技術(shù)的應(yīng)用也要因地制宜。

4 我國(guó)條耕技術(shù)的發(fā)展與展望

在我國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)已于2013年從美國(guó)Yetter公司引進(jìn)2984條耕機(jī)組件，并組裝了與中型拖拉機(jī)配套的2FQ-2984-4型條耕整地施肥一體機(jī)[41]。該機(jī)械的4個(gè)施肥組件可以根據(jù)拖拉機(jī)的動(dòng)力加減，一次性完成條帶秸稈清理、土壤深松、深施基肥和表土粉碎等程序。條耕形成的苗帶寬度30 cm，深度25～30 cm，肥料深施于耕作區(qū)的倒三角底部，深度15～20 cm。

圖3 玉米清茬機(jī)及其作業(yè)效果Fig.3 Straw Cleaner and its application

根據(jù)條耕作業(yè)的特點(diǎn)及條耕機(jī)的原理，吉林省梨樹(shù)縣農(nóng)民利用摟草機(jī)改造成一種將秸稈清理成行的機(jī)械-秸稈清理機(jī)，簡(jiǎn)稱清茬機(jī)，見(jiàn)圖3。在清理出苗帶后，再使用深松機(jī)深松，形成“清茬機(jī)+深松機(jī)”的兩步條帶耕作模式。為了配合寬窄行種植方式，清茬機(jī)也設(shè)計(jì)成寬窄行的作業(yè)效果，將玉米秸稈移到根茬區(qū)域，在80 cm的寬行形成40～60 cm的無(wú)秸稈帶。吉林省地區(qū)通常春季干旱，且風(fēng)大散墑快，因此，采用春季播種前清茬和深松效果較好。而如果在秋季進(jìn)行條耕作業(yè)或清理秸稈，一方面祼露的土壤條帶散墑嚴(yán)重，春季干旱年份無(wú)法保證播種。另一方面，冬春季大風(fēng)容易將已歸壟的秸稈吹散，播前不得不再次進(jìn)行清茬作業(yè)。

研究結(jié)果表明，利用清茬機(jī)將秸稈移到行間后，祼露出的苗帶的溫度顯著提高，達(dá)到與傳統(tǒng)耕作相同的水平。進(jìn)一步利用深松機(jī)疏松苗帶土壤后，苗帶含水率迅速下降，由24%下降到20%左右。苗帶溫度則進(jìn)一步上升。在秸稈覆蓋的行間，雖然溫度一直較低，但春季(5月10日-6月12日)的土壤水分顯著高于對(duì)照處理，達(dá)到了春季保墑的效果(圖4)，從而保證在秸稈全部還田的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)苗全苗壯。清茬機(jī)要求的動(dòng)力較小，很容易在小農(nóng)戶及合作社中推廣應(yīng)用，在當(dāng)前我國(guó)尚缺乏條耕機(jī)的生產(chǎn)條件下，采用“清茬機(jī)+深松機(jī)”的模式，是協(xié)調(diào)秸稈還田和壯苗高產(chǎn)的一種重要途徑。據(jù)了解，清茬機(jī)目前已經(jīng)工廠化生產(chǎn)。2017年底玉米清茬機(jī)已經(jīng)售出上百臺(tái)，條耕面積超過(guò)1 000 hm2。農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果表明，這項(xiàng)技術(shù)在干旱年份、風(fēng)砂土上應(yīng)用效果最好，在秸稈還田的同時(shí)，增產(chǎn)可達(dá)20%。在黑土上，采用條耕技術(shù)短期內(nèi)的產(chǎn)量雖然不比常規(guī)，但實(shí)現(xiàn)了秸稈還田，長(zhǎng)期應(yīng)用還可以減少表土風(fēng)蝕損失，達(dá)到保土作用。當(dāng)務(wù)之急是大力推進(jìn)條耕機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，在氣候適宜地區(qū)推進(jìn)條耕技術(shù)的應(yīng)用。

注：條耕處理中，3月26日用秸稈清理機(jī)清理出苗帶，將秸稈摟到行間；對(duì)照處理中，田間秸稈于3月26日全部清理干凈。4月16日進(jìn)行條耕作業(yè)，5月10日播種.Note: Under strip-till treatment,cleaned seed-bed by straw cleaner On March 26,put the straw into the row; under control treatment,straws were cleaned up on March 26.Strip-till was carried out on April 16,and corn was sowed on May 10.圖4 不同處理對(duì)0～20 cm土壤含水量(左)和0～10 cm土壤溫度(右)的影響 Fig.4 Effect of strip-till on soil moisture(0～20 cm)(left) and soil temperature(0～10 cm)(right)

在全球氣候變化大背景下，我國(guó)北方玉米區(qū)年降雨量呈下降趨勢(shì)，干旱頻繁發(fā)生，風(fēng)蝕則嚴(yán)重破壞表層土壤，秸稈覆蓋還田是應(yīng)對(duì)這些不利影響的行之有效的手段之一。條耕技術(shù)可以發(fā)揮秸稈還田和傳統(tǒng)耕作的雙重優(yōu)勢(shì)，在保護(hù)土壤和保持墑情的條件下，創(chuàng)造適宜玉米生長(zhǎng)的苗帶，同時(shí)解決了秸稈全覆蓋導(dǎo)致的一系列的問(wèn)題。玉米全程機(jī)械化水平不斷提高，新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體的快速發(fā)展，土地的經(jīng)營(yíng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，都為條耕技術(shù)的應(yīng)用提供了有利的條件。根據(jù)不同的生態(tài)區(qū)域的生態(tài)特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)機(jī)具創(chuàng)新、農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理技術(shù)，將條耕技術(shù)與現(xiàn)有玉米高產(chǎn)技術(shù)體系集成優(yōu)化，形成區(qū)域特異性的秸稈覆蓋條耕技術(shù)體系，將在協(xié)調(diào)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤肥力提升、生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮重要作用。