黑龍江墾區(qū)玉米秸稈腐解規(guī)律試驗(yàn)研究

劉少東，汪 春，張 偉，王漢羊

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b. 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

東北地區(qū)是我國(guó)玉米的適宜種植區(qū)和最大主產(chǎn)區(qū)[1]，玉米播種面積占全國(guó)玉米總播種面積的30%以上，春玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的29%[2]。黑龍江墾區(qū)是我國(guó)機(jī)械化程度最高的商品糧生產(chǎn)基地，2013年玉米種植面積達(dá)到89萬(wàn)hm2，占黑龍江省玉米播種面積13%以上[3～4]。秸稈是重要農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)業(yè)投入要素的50%左右轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物秸稈[5]。秸稈是大量水肥光氣熱等資源的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，但在我國(guó)僅有10%的秸稈還與農(nóng)田，被廢棄和焚燒的損失量高達(dá)21%[6]。丟棄或焚燒均是對(duì)農(nóng)業(yè)資源的巨大浪費(fèi)，且會(huì)造成環(huán)境污染。目前，秸稈肥料化、飼料化和燃料化是國(guó)內(nèi)秸稈利用的主要方式。然而，考慮到次年玉米種植搶農(nóng)時(shí)需要，墾區(qū)玉米收獲后必須在土壤封凍前完成翻松和起壟，實(shí)現(xiàn)“黑色越冬”，因此需要在極短時(shí)間內(nèi)處理掉海量玉米秸稈。受制于快速打捆運(yùn)輸和存放場(chǎng)地條件，飼料化與燃料化方法均難以實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，隨著黑龍江墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年限的增加，黑土中所含有機(jī)質(zhì)減少，土壤肥力下降，土地退化情況日益嚴(yán)重。秸稈含有碳、氮、磷、鉀及各種微量元素，還田后可以培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性能，提升土壤有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)土壤保蓄水能力[7]。黃毅[8]、王喜艷[9]等的研究表明：玉米秸稈翻埋還田更能有效避免營(yíng)養(yǎng)元素的揮發(fā)，改善土壤理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。因此，秸稈破碎后直接翻埋還田，是當(dāng)前黑龍江墾區(qū)玉米秸稈處理的最合理方式。

由于種植習(xí)慣及氣候條件差異，目前黑龍江農(nóng)墾不同管理局旱作區(qū)玉米種植模式與機(jī)械化耕作模式多種形式并存。體現(xiàn)在秸稈粉碎還田模式上，各農(nóng)場(chǎng)玉米收獲后在秸稈粉碎方式、粉碎程度及秸稈翻埋深度等方面還在耕作實(shí)踐中摸索經(jīng)驗(yàn)，尚未形成統(tǒng)一共識(shí)，秸稈還田模式尚有優(yōu)化空間。

秸稈還田方法與種植成本息息相關(guān)，合理的耕作模式是產(chǎn)出與成本之間的最佳平衡點(diǎn)。找到在不同翻埋深度、不同土壤含水量及不同破碎程度條件下玉米秸稈的腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放規(guī)律，可為找到秸稈還田效果和耕作成本上最佳結(jié)合點(diǎn)，進(jìn)而為黑龍江墾區(qū)玉米秸稈還田模式乃至玉米耕作模式提供依據(jù)。

1 方法與材料

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合分析影響秸稈還田效果影響因素[10]，選取秸稈長(zhǎng)度、秸稈埋置深度、土壤含水量及腐解時(shí)間為試驗(yàn)因素。經(jīng)多個(gè)農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前黑龍江墾區(qū)還田玉米秸稈破碎程度為長(zhǎng)度6cm左右，秸稈平均埋深為20cm，耕深極限值為30cm。文獻(xiàn)[11]給出了黑龍江各地土壤質(zhì)量含水率變化范圍為11%～36%。以上述各因素的均值或范圍為參考，不考慮因素間交互作用，采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，各因素及其水平取值情況如表1所示。

表1 驗(yàn) 正交試驗(yàn)因素水平表

選取L9(34)正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)組合，各試驗(yàn)組因素及水平安排如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

供試秸稈取自黑龍江墾區(qū)北安管局建設(shè)農(nóng)場(chǎng)，玉米品種為德美亞2號(hào)。取樣時(shí)間為玉米收獲期，選擇若干徑粗3.5cm左右玉米稈，從根部截?cái)嗾耆』夭⑷コ~片及葉鞘后，截取較難腐解的秸稈下段(從根部向上30cm)，作為供試材料。按正交試驗(yàn)需要，將秸稈分別切為3、6、9cm小段后用烘箱烘干備用。

供試土壤為取自北安管局建設(shè)農(nóng)場(chǎng)0～20cm耕層土壤。土壤取回后過(guò)篩剔除小石塊及植物根系等雜物，經(jīng)風(fēng)干后充分拌和混勻，從中隨機(jī)取樣測(cè)試土壤養(yǎng)分情況為：有機(jī)質(zhì)含量7.7 g/kg，堿解氮含量159.2mg/kg，速效磷含量17.3mg/kg，速效鉀含量72.8mg/kg，pH值為5.64。將土樣分為3份，分別將其加水調(diào)制為質(zhì)量含水率10%、20%和30%，然后裝滿尺寸為L(zhǎng)50cm×W50cm×H50cm的9個(gè)自制木質(zhì)試驗(yàn)箱，并將試驗(yàn)箱按照正交試驗(yàn)方案中含水量水平編號(hào)后備用。

秸稈腐解率測(cè)定采用尼龍袋法。具體做法是：將不同長(zhǎng)度烘干秸稈段各取30g，裝入60目尼龍袋內(nèi)(尺寸為15cm×10cm)并編號(hào)，按試驗(yàn)方案埋入方案中的預(yù)定深度。尼龍袋埋入試驗(yàn)箱前，分別在袋內(nèi)裝入足量對(duì)應(yīng)含水量的土壤后混勻，確保秸稈與土壤充分接觸。此外，埋入位置距箱體四壁至少10cm，避免土與箱壁接縫影響試驗(yàn)結(jié)果。

在室內(nèi)培養(yǎng)條件下進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)業(yè)水土實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)裝有空調(diào)裝置用于控溫。試驗(yàn)箱按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表編號(hào)后置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并按照稱重補(bǔ)水法確保箱內(nèi)土壤總體含水量保持不變，室內(nèi)溫度保持在(25±3℃)。試驗(yàn)箱內(nèi)尼龍袋按表2中預(yù)定時(shí)間，分別在30、90、150天時(shí)測(cè)取秸稈腐解率。

腐解率測(cè)試方法：將尼龍袋取出后，分離土壤與秸稈殘余物，將秸稈殘余物沖洗并烘干后稱重，用失重法[12]計(jì)算秸稈腐解率Rd。具體計(jì)算公式為

Rd=(Wi-Wf)/Wi×100%

式中Wi—秸稈初始干重；

Wf—秸稈腐解殘余物干重。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2中，試驗(yàn)結(jié)果所列腐解率數(shù)據(jù)為重復(fù)3次試驗(yàn)(同條件下同時(shí)埋入3袋，確保重復(fù)試驗(yàn)條件相同)的腐解率平均值。

2.1 級(jí)差分析

計(jì)算各因素各水平的極差(見(jiàn)表2)?？梢钥吹剑和寥篮繕O差RA為31.3，腐解時(shí)間極差RB為16.3，秸稈長(zhǎng)度極差RC為7.2，翻埋深度極差RD為10.7。因素極差越大，表示該因素水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也就越大。在本試驗(yàn)所選的因素中，土壤含水量級(jí)差遠(yuǎn)高于其它因素的極差，即土壤含水量對(duì)秸稈腐解程度影響最大。秸稈破碎長(zhǎng)度對(duì)秸稈腐解速率的影響最小，但埋置深度與秸稈長(zhǎng)度對(duì)腐解率的影響程度較為接近。從數(shù)值上看，各因素主次順序?yàn)椋和寥篮?腐解時(shí)間>埋置深度>秸稈長(zhǎng)度。

從各因素變化趨勢(shì)看，秸稈腐解率隨土壤含水量和腐解時(shí)間正向變化，而與秸稈長(zhǎng)度和秸稈埋置深度呈反向變化。

2.2 各因素的影響分析

根據(jù)正交試驗(yàn)“均衡分散、整齊可比”的特性，繪制各因素對(duì)秸稈腐解速率的影響趨勢(shì)曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出：隨著土壤含水量的增加，秸稈腐解率總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥乐?0%的有機(jī)質(zhì)是由土壤微生物群落分解的[13]，而土壤水分變化對(duì)土壤微生物活性影響極為顯著，土壤微生物總量隨土壤含水量降低而減少[14]。由此表明，土壤含水量較大時(shí)，更有利于秸稈腐解。

從變化速率來(lái)看，腐解率隨土壤含水量的增加呈現(xiàn)非線性增加態(tài)勢(shì)。土壤含水量由10%變?yōu)?0%時(shí)，腐解率由38.3%變?yōu)?4.8%，增加了26.5%，增幅較大；而含水量由20%增加為30%時(shí)，腐解率僅增加4.8%，增幅變緩明顯。左玉萍[15-16]發(fā)現(xiàn)在關(guān)中婁土中土壤含水量對(duì)秸稈降解率影響極為顯著，并給出了秸稈腐解的適宜土壤含水量區(qū)間為15%～22.5%。由圖1曲線變化趨勢(shì)可以推測(cè)，秸稈在黑土中腐解也存在最適宜含水量條件。受限于本試驗(yàn)土壤含水量水平數(shù)量，無(wú)法清晰給出秸稈腐解率隨土壤水分變化的曲線路徑；但可推斷，腐解率峰值可能出現(xiàn)在土壤含水量20%和30%間，亦可能出現(xiàn)在30%之后。顯然，本試驗(yàn)中秸稈腐解適宜含水量整體水平高于關(guān)中婁土秸稈腐解適宜含水量水平。鑒于土壤含水量對(duì)秸稈腐解效果影響的顯著性，同時(shí)考慮到東北黑土與西北地區(qū)土壤在結(jié)構(gòu)質(zhì)地、成分構(gòu)成及生物群落種類等方面均存在較大差異， 秸稈腐解適宜含水量區(qū)間可開展進(jìn)一步研究。

腐解率與腐解時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中，秸稈腐解率隨腐解時(shí)間增長(zhǎng)而增加。秸稈腐解最快的時(shí)期為翻埋還田早期，秸稈埋入土中后30天，秸稈腐解率達(dá)到47.1%；秸稈還田90天秸稈腐解率達(dá)到62.1；在30～90天時(shí)間段，相比前30天，腐解時(shí)間增加1倍，但腐解率僅增加了15%；及至150天，秸稈腐解率達(dá)到63.4%，僅增加1.3%，腐解速度明顯減慢。胡宏祥[17]等對(duì)水稻秸稈進(jìn)行還田試驗(yàn)亦得到相同結(jié)論，證實(shí)了這一規(guī)律的普遍性。張成娥[18]、曹瑩菲[19]分別從秸稈腐解過(guò)程中微生物群落演替及物質(zhì)腐解難易程度的角度對(duì)此進(jìn)行了解釋。此外，前期新鮮秸稈與土壤接觸充分，微生物分解活動(dòng)活躍，故而秸稈腐解較快；腐解到一定程度后，秸稈殘存木質(zhì)素與粗纖維狀態(tài)疏松，與土壤接觸不充分，因而分解較慢。

圖2 腐解率與腐解時(shí)間關(guān)系曲線

本試驗(yàn)中，將秸稈長(zhǎng)度分別設(shè)置為3、6、9cm等3個(gè)水平。隨著長(zhǎng)度的增加，秸稈腐解率變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 腐解率與秸稈長(zhǎng)度關(guān)系曲線

由圖3可知：破碎尺寸較小時(shí)，秸稈腐解率較高；隨著秸稈長(zhǎng)度的增加，秸稈腐解率逐漸降低。這是因?yàn)榻斩挿鬯槌潭仍礁?，秸稈與土壤結(jié)合越緊密，越有利于微生物的分解活動(dòng)。縱海英[20]試驗(yàn)分析了玉米秸稈粉碎程度對(duì)次年小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：玉米粉碎越細(xì)，次年小麥產(chǎn)量越高。從腐解率變幅看，秸稈長(zhǎng)度為9cm時(shí)，秸稈腐解率均值為53.4%；秸稈長(zhǎng)度為6cm時(shí)，秸稈腐解率均值58.6；秸稈長(zhǎng)度為3cm時(shí)，秸稈腐解率均值為60.6；秸稈長(zhǎng)度由9cm變?yōu)?cm時(shí)，腐解率提高5.2%。秸稈長(zhǎng)度6cm與3cm時(shí)的秸稈腐解率極為接近，3cm長(zhǎng)秸稈段比6cm秸稈段腐解率僅提高2%。通過(guò)對(duì)秸稈長(zhǎng)度因素分析可以看出：過(guò)短的秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈分解速率提高影響并不顯著；秸稈長(zhǎng)度短于6cm后，秸稈長(zhǎng)度對(duì)腐解率的影響極為微小。此外，前文極差分析已獲知在本試驗(yàn)選定因素中秸稈粉碎長(zhǎng)度對(duì)秸稈腐解率影響最小。因此，在秸稈還田作業(yè)中不宜追求過(guò)細(xì)的秸稈粉碎度。

腐解率與秸稈埋深關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中，隨著翻埋深度增加，秸稈腐解速率下降。李新舉[21]對(duì)小麥秸稈進(jìn)行腐解試驗(yàn)，指出秸稈腐解主要靠土壤中的微生物作用，土壤微生物主要集中在較淺土層中，故埋藏淺的秸稈腐解率較高，顯然在玉米秸稈腐解也存在近似規(guī)律。從腐解率變化幅度看，翻埋深度由30cm減為20cm，秸稈腐解率由51.3%提高至59.3%，提高幅度相對(duì)較大；埋深由20cm減為10cm，秸稈腐解率僅提高2.7%，減緩明顯。埋深10cm時(shí)，秸稈腐解率為62%。由曲線變化趨勢(shì)可以推測(cè)：埋深小于10cm時(shí)，秸稈腐解率會(huì)進(jìn)一步提高，但增幅會(huì)進(jìn)一步減緩。文獻(xiàn)[22]指出玉米秸稈翻埋腐解率高于免耕覆蓋情形。據(jù)此推測(cè)，腐解率最高的秸稈翻埋深度可能出現(xiàn)在0～10cm的耕層范圍內(nèi)。

圖4 腐解率與秸稈埋深關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)土壤水分狀態(tài)對(duì)秸稈腐解的影響最為顯著。在本試驗(yàn)設(shè)定的土壤含水量范圍內(nèi)，秸稈腐解率與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤含水量越大，秸稈腐解越快。

2)在培養(yǎng)條件下，腐解時(shí)間對(duì)秸稈腐解有重要影響。秸稈腐解最快的時(shí)間段是秸稈埋入土中的前90天，此后隨時(shí)間增長(zhǎng)，腐解率增幅變慢。本試驗(yàn)中，供試材料為較難腐解的秸稈中下段，在大田耕作實(shí)踐中，秸稈葉穗皮混摻且被收獲機(jī)械深度破碎，故其實(shí)際腐解程度應(yīng)會(huì)高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)在本試驗(yàn)所選的因素及水平組合中，秸稈翻埋深度與秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈腐解率影響相對(duì)較小，但其影響規(guī)律清晰。秸稈埋深越淺，其腐解率越高，秸稈埋深為10cm時(shí)，秸稈腐解率達(dá)到較高值。秸稈腐解率隨秸稈段長(zhǎng)度減短而增加，當(dāng)秸稈長(zhǎng)度短于6cm時(shí)，其腐解率提高幅度不大。

4 討論

玉米在黑龍江墾區(qū)各管理局均有種植，分布于第一、第二、第三、第四和第五積溫帶[23]，遍布于黑龍江省東西部的12個(gè)地市，各區(qū)域土壤含水量差異顯著。此外，墾區(qū)東西部管理局玉米收獲時(shí)間與秸稈還田形式也不盡相同，各農(nóng)場(chǎng)秸稈還田在腐解時(shí)間、破碎程度和翻埋深度等方面存在差異。考慮到上述因素均會(huì)影響秸稈還田效果，耕作中應(yīng)根據(jù)各農(nóng)場(chǎng)實(shí)際條件建立因地制宜的秸稈還田模式。

前述結(jié)論中，土壤含水量對(duì)秸稈腐解效果的影響顯著，可以根據(jù)土壤含水量調(diào)整作業(yè)方法。達(dá)到某一具體腐解率要求、土壤含水量較高的區(qū)域，可以減少或降低秸稈破碎還田次數(shù)或作業(yè)強(qiáng)度，從而降低作業(yè)成本。從秸稈段長(zhǎng)度看，秸稈破碎到6cm左右即可。過(guò)短的秸稈長(zhǎng)度會(huì)增加作業(yè)成本，但秸稈腐解率并不能得到有效提高。此外，秸稈翻埋深度較淺時(shí)，可以降低作業(yè)難度和節(jié)省油耗，同時(shí)獲得較高的秸稈腐解率。因此，在秸稈還田實(shí)踐中，在不影響其它耕作效果和種植要求的前提下，建議淺埋。