秸稈混土還田對兩熟區(qū)玉米秸稈腐解速度的影響

張銀平　遲巖杰　王振偉　刁培松　王占濱　李曉冉

摘要：為探究秸稈粉碎混土還田機混土深度及秸稈粉碎長度對秸稈腐解規(guī)律的影響，采用尼龍網(wǎng)袋法對該機混土深度（5、10 cm）和粉碎長度（30、100 mm）范圍內(nèi)的玉米秸稈腐解率進行測定，以免耕覆蓋為對照，并對不同還田方式下玉米秸稈完全腐解的周期進行預測。結(jié)果表明，不同還田方式秸稈腐解率的變化趨勢基本一致，前期腐解速率較快，中期緩慢，后期增快，玉米秸稈在還田后的1個月內(nèi)腐解速度最快，混土還田處理有25%～30%的秸稈被分解，而免耕覆蓋處理僅有10%～15%的秸稈被分解;QA30處理的秸稈總腐解率為48.5%，QA100的為43.3%，QB30的為49.8%，QB100的為45.2%，NF30的為33.0%，NF100的為31.3%，混土還田處理明顯高于免耕覆蓋處理，混土還田更有利于秸稈快速腐解;混土還田深度對秸稈腐解率有明顯影響，切段長度相同時，混土深度越深，秸稈總腐解率越高;秸稈混土還田模式下，秸稈的切斷長度對秸稈腐解率也有明顯影響，秸稈切段長度越短，秸稈腐解率越高，但在秸稈覆蓋模式下，秸稈切段長度對腐解率的影響不明顯。秸稈腐解率與還田時間之間的三次函數(shù)的擬合度最好;通過回歸方程預測可知，處理 QA30秸稈完全腐解的時間為320 d左右，QA100的為450 d左右，QB30的為270 d左右，QB100的為350 d左右，而處理NF100、NF30的則為525 d左右，免耕覆蓋處理秸稈完全腐解周期較長，不利于秸稈的田間肥料化利用，而秸稈淺層混土還田處理能夠使秸稈與土壤接觸，縮短秸稈完全腐解的時間，有利于秸稈田間肥料化利用。

關(guān)鍵詞：秸稈混土還田;混土深度;切段長度;腐解規(guī)律;秸稈肥料化利用

中圖分類號： S345? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）19-0245-04

收稿日期：2020-02-27

基金項目：山東省自然科學基金（編號：ZR2018LD002）;山東省重點研發(fā)計劃（編號：2019GNC106087）;山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系玉米創(chuàng)新團隊項目。

作者簡介：張銀平（1989—），女，山東德州人，博士，講師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化耕作體系與免耕播種機械研究。E-mail：zhangyinping929@163.com。

通信作者：王振偉，碩士，助理研究員，主要秸稈處理技術(shù)與裝備研究。E-mail：zhenwei86@qq.com。

土壤肥力狀況是作物產(chǎn)量的直接影響因素，自然環(huán)境條件、土壤物理化學特性、耕作施肥管理水平、耕地配套的基礎(chǔ)設(shè)施等均影響土壤肥力狀況[1]。但農(nóng)田化肥的大量使用，使土壤肥力發(fā)生了極大變化，有機質(zhì)匱乏、土壤易板結(jié)、通透性差、養(yǎng)分失衡等現(xiàn)象嚴重影響了耕地質(zhì)量，造成作物減產(chǎn)[2-3]。

秸稈機械化直接還田是秸稈肥料化利用、培肥地力最快捷的方式。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)作物秸稈直接還田1 000 kg，可增加土壤中有機質(zhì)含量40%、腐植酸含量24.2%、氮含量1.93%、磷含量0.75%、鉀含量1.51%，還可以增加其他微量元素含量[4]，玉米秸稈連續(xù)還田5年，可減少10%的化肥用量[5]。秸稈機械化還田是解決剩余秸稈的有效途徑，也是當前秸稈綜合利用的主要方式之一，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。目前已有30多個國家開展秸稈還田技術(shù)的研究，美國采用了機械化還田技術(shù)，每年的秸稈還田量為1.6～1.8 t/hm2，要求地表覆蓋量為30%以上[7];加拿大在玉米機械化收獲的同時將秸稈粉碎還田;日本主要通過秸稈翻埋還田增加土壤中的有機質(zhì)含量;英國通過上百年的定位試驗，發(fā)現(xiàn)每年秸稈翻壓還田量為7～8 t/hm2，18 年可增加2.4%土壤有機質(zhì)含量[8]。我國是世界上秸稈產(chǎn)出量最大的國家[9-11]，但其利用效率較低，僅有10%的秸稈還田用作肥料[12]，隨著作物產(chǎn)量的增加，秸稈量相應(yīng)增加，秸稈隨意丟棄和露天焚燒現(xiàn)象嚴重，不僅造成資源的巨大浪費，養(yǎng)分大量流失，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)遭阻斷，土壤肥力下降，又會破壞土壤表層團粒結(jié)構(gòu)，從而影響作物生長，而且會帶來大氣污染，影響交通，成為霧霾天氣的重要污染源之一[13]。

目前，針對不同秸稈還田方式下秸稈腐解規(guī)律的研究較多，但大多集中在我國東北地區(qū)，以秸稈翻埋和秸稈覆蓋研究為主，秸稈淺層混土還田的研究較少。在我國黃淮海兩熟區(qū)，秸稈覆蓋量大，其粉碎程度不達標，將其覆蓋于地表，不僅影響下茬作物播種和出苗，還會引發(fā)秸稈焚燒。本研究針對黃淮海秸稈量較大的地區(qū)設(shè)計一種秸稈粉碎混土還田機，在實現(xiàn)秸稈還田增加土壤肥力的同時還可以使秸稈與淺層土壤混合，避免其覆蓋在地表時被風吹走或引起焚燒，同時有利于下茬作物播種。

秸稈粉碎混土還田機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括秸稈粉碎裝置、秸稈混土裝置、限深輪、鎮(zhèn)壓輪以及懸掛機架，其中秸稈粉碎裝置與秸稈混土裝置可以拆分作為單獨的秸稈還田機和旋耕機使用。整機作業(yè)時由拖拉機輸入動力，且只對整機進行牽引，限深輪和鎮(zhèn)壓輪與地面接觸，并隨地面起伏，實現(xiàn)機械仿形，保證秸稈粉碎裝置不入土，節(jié)約動力消耗;調(diào)整限深輪和鎮(zhèn)壓輪的高度可以實現(xiàn)秸稈混土深度的調(diào)節(jié);調(diào)整秸稈粉碎刀軸轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)秸稈粉碎長度的改變。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

為探究秸稈粉碎混土還田機的混土深度及秸稈粉碎長度能否滿足秸稈還田要求，對該機混土深度和粉碎長度范圍內(nèi)的玉米秸稈腐解率進行測定，以期為兩熟區(qū)玉米秸稈田間肥料化利用提供機械支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年10月至2019年6月在山東省淄博市臨淄區(qū)富群農(nóng)機專業(yè)合作社試驗田進行，該地區(qū)位于山東省中部平原，36.8°N，118.23°E，年平均降水量為650～800 mm，降水集中在7—8月，年平均氣溫為12.2 ℃，屬于北溫帶大陸性氣候，土壤類型為棕褐土，耕層平均有機質(zhì)含量為14.31 g/kg，常年種植小麥、玉米。

1.2 試驗材料與方法

采用玉米摘穗后的整株秸稈，風干后測定含水率，分別切成長度為30、100 mm的小段，裝入尼龍網(wǎng)袋，每袋30 g，每個處理40袋，共240袋。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計秸稈混土深度分別為5、10 cm，秸稈切段長度分別為30、100 mm，以免耕覆蓋（混土深度為0 cm）為對照，共6個處理，如表2所示。秋季玉米收獲后，使用秸稈粉碎混土還田機進行耕作，調(diào)整秸稈粉碎混土還田機的混土深度分別為5、10 cm，將秸稈粉碎后與土壤混合，免耕覆蓋的不耕作，如圖2所示。將裝有不同切斷長度玉米秸稈的尼龍網(wǎng)按不同耕作模式的實際深度袋埋入土壤（免耕覆蓋的放在地表）。為保證尼龍袋中秸稈的實際腐解情況，在各處理的尼龍袋中混入一定量的土壤。

1.4 測試項目及方法

每10 d取樣1次，取樣后洗去泥土，烘干稱質(zhì)量，測定未分解秸稈的剩余量。取樣同時測定該深度土壤溫度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel、SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行制圖和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同還田方式對秸稈腐解率的影響

如圖3所示，秸稈混土深度與切段長度對秸稈的腐解速率均產(chǎn)生影響，QA、QB處理的秸稈腐解率變化趨勢基本一致，在秸稈還田前期腐解較快，中期趨于平緩，后期又有一定的增加，并且在秸稈還田1個月內(nèi)秸稈腐解最快，QA、QB處理有25%～30%的秸稈被分解，而處理NF僅有10%～15%的秸稈被分解，腐解前期QA、QB處理的腐解速率均明顯高于處理NF，分析是因為混土處理的秸稈與土壤接觸，吸收土壤中的水分，更有利于秸稈腐解，這與曹瑩菲等研究的秸稈腐解前期土壤水分對秸稈腐解影響較大的結(jié)果[14]一致;進入2018年11月中旬，處理QA和QB的秸稈腐解速率逐漸趨于平緩，而處理NF的秸稈腐解速率略有增加，是因為處理QA和QB的秸稈均埋入土壤，其腐解環(huán)境相似，具有相似的變化趨勢，而處理NF的秸稈覆蓋在地表能夠提高地溫，使秸稈腐解速率略有增加，測定此時的地溫可知，處理NF的地溫比處理QA、QB的地溫分別高0.30、0.45 ℃。2019年3月中旬至小麥收獲前，隨著溫度的逐漸上升，各處理的秸稈腐解速率均有所增加，至小麥收獲時，處理QA30的秸稈總腐解率為48.5%，QA100的為43.3%，QB30的為49.8%，QB100的為45.2%，NF30的為33.0%，NF100的為31.3%，秸稈混土還田處理秸稈總腐解率明顯高于免耕覆蓋，說明秸稈混土還田更有利于秸稈的腐解。

不同耕作處理下相同切段長度的秸稈的最終總腐解率表現(xiàn)為QB100>QA100>NF100，QB30>QA30>NF30，說明將玉米秸稈混入土中比直接將其覆蓋在地表更有利于腐解，混入土中的深度越深其秸稈腐解率越高，這與匡恩俊等的研究結(jié)果[15-16]一致。但在2019年3月中旬之前，處理QB的秸稈腐解率低于處理QA，3月中旬之后，處理QB的秸稈腐解速率迅速增加，腐解率明顯高于處理QA，可能是因為深層翻耕初期土壤水分散失快，土壤水分含量低，減緩了秸稈的腐解速率[17-18]。

相同耕作模式下不同秸稈切段長度的玉米秸稈腐解率表現(xiàn)為QA30>QA100，QB30>QB100，均明顯高于免耕覆蓋的處理NF100和NF30，但處理NF100和NF30之間差異不明顯。這說明在秸稈混土且混土深度相同時，秸稈切段長度越小越有利于秸稈腐解，但當秸稈混土深度為0即秸稈覆蓋在地表時，秸稈切段長度對腐解速率的影響并不明顯。

2.2 不同還田方式下秸稈腐解速度預測

表3結(jié)果表明，秸稈腐解率（y）與還田時間（x）具有一定的相關(guān)性，以三次函數(shù)擬合度最好。根據(jù)回歸方程對秸稈腐解率進行預測，預測結(jié)果顯示，處理QA100秸稈完全腐解需要450 d左右，處理QA30秸稈完全腐解只需320 d左右，處理QB100經(jīng)過350 d秸稈才能完全腐解，處理QB30只需270 d左右秸稈即可完全腐解，而處理NF100和處理NF30則需要525 d左右才能完全腐解。由此可知，秸稈混入土中深度越深、切段長度越短，完全腐解所需的時間越短，越有利于秸稈田間肥料化利用，而秸稈覆蓋在地表完全腐解所需的時間則較長，秸稈養(yǎng)分全部回到田間的周期較長，不利于秸稈在田間肥料化利用。

3 結(jié)論與討論

針對兩熟區(qū)秸稈覆蓋量大影響下茬作物播種的問題，設(shè)計了秸稈粉碎混土還田機，在秸稈還田的基礎(chǔ)上，避免大量秸稈覆蓋在地表被風吹走或引起焚燒，同時也能實現(xiàn)下茬作物的順利播種。對秸稈粉碎混土還田機作業(yè)參數(shù)范圍內(nèi)不同秸稈混土深度和秸稈切碎長度的秸稈腐解規(guī)律進行試驗，可知不同還田方式秸稈腐解速率的變化趨勢基本一致，前期腐解速率較快，中期緩慢，后期增快，并且玉米秸稈在還田后的1個月內(nèi)腐解最快，混土還田處理有25%～30%的秸稈被分解，而免耕覆蓋處理僅有10%～15%的秸稈被分解，從最終秸稈總腐解率來看，至小麥收獲時，QA30的秸稈總腐解率為48.5%，QA100的為43.3%，QB30的為49.8%，QB100的為45.2%，NF30的為33.0%，NF100的為31.3%，混土還田處理明顯高于免耕覆蓋處理，因此秸稈混土還田更有利于秸稈快速腐解;且混土深度對秸稈腐解率有明顯的影響，切段長度相同時，混土深度越深，秸稈總腐解率越高;秸稈混土還田模式下，秸稈的切斷長度對秸稈腐解率也有明顯的影響，秸稈切段長度越短，秸稈腐解率越高，但在秸稈覆蓋模式下，秸稈切段長度對腐解率的影響不明顯。

由不同還田方式下秸稈腐解率的回歸方程可知，秸稈腐解率與還田時間之間三次函數(shù)的擬合度較好。通過回歸方程預測不同還田方式下秸稈完全腐解的時間可知，QA30處理秸稈完全腐解所需要的時間為320 d左右，QA100的為450 d左右，QB30的為270 d左右，QB100的為350 d左右，而處理NF100、NF30的則需要525 d左右才能完全腐解。由此可知，免耕覆蓋處理秸稈完全腐解周期較長，不利于秸稈的田間肥料化利用，而秸稈淺層混土還田處理能夠使秸稈與土壤接觸，縮短秸稈完全腐解的時間，有利于秸稈田間肥料化利用。

秸稈混土還田完全腐解時間受秸稈切斷長度的影響，切段長度為30 mm時，混土深度為5、10 cm時均能保證秸稈在1年內(nèi)完全腐解，但當切段長度為100 mm時，混土深度為5 cm時不能保證秸稈在1年內(nèi)完全腐解。因此使用所設(shè)計的秸稈粉碎混土還田機進行秸稈田間機械化處理時，為保證秸稈能夠在1年內(nèi)完全腐解，調(diào)整混土深度為5 cm時，要增加秸稈粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，使其秸稈粉碎長度達到30 mm，而調(diào)整混土深度為10 cm時，秸稈粉碎長度為100 mm時即可在1年內(nèi)完全腐解，此時可以降低粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，以減少動力消耗。

參考文獻：

[1]王 斌. 農(nóng)田土壤化肥污染及應(yīng)對措施[J]. 河南農(nóng)業(yè)，2018（5）：47-49.

[2]Pan G X，Smith P，Pan W N.The role of soil organic matter in maintaining productive and yield stability of cereals in China[J]. Agriculture，Ecosystems and Enviroment，2009，129（1/2/3）：344-348.

[3]Liu X J，Duan L，Mo J M，et al. Nitrogen deposition and its ecological impact in China：an overview[J]. Environmental Pollution，2011，159（10）：2251-2264.

[4]彭世忠. 關(guān)于地力培肥措施的探討[J]. 北京農(nóng)業(yè)，2015（25）：84-85.

[5]荊紹凌，王冰寒，李淑華. 玉米秸稈還田以促進吉林省玉米生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)和技術(shù)，2014（8）：3，5.

[6]Kuma S，Gaind S. Fermentative production of soluble phosphorus fertilizer using paddy straw：an alternate to biomass burning[J]. International Journal of Environmental Science and Technology，2019，16（10）：6077-6088.

[7]萬 喜. 保護性耕作中的秸稈肥料化利用[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2014（2）：72-73.

[8]Monforti F，Lugato E，Motola V. et al. Optimal energy use of agrieulual crop residues presenving soil organie earbon stocks in Europe [J]. Renewable & Sustainable Enengy Reviews，2015，44：519 -529.

[9]方 放，李 想，石祖梁，等. 黃淮海地區(qū)農(nóng)作物秸稈分布及利用結(jié)構(gòu)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（2）：228-234.

[10]彭春艷，羅懷良，孔 靜.中國作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2014，35（ 3）：14-20.

[11]王亞靜，畢于運，高春雨.中國秸稈資源可收集利用量及其適宜性評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2010，43（9）：1852-1859.

[12]陳 浩，李小剛，周 游，等. 農(nóng)作物秸稈還田資源化利用研究進展[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學，2015（6）：138-141.

[13]葛選良，于 洋，錢春榮. 還田作物秸稈腐解特性及相關(guān)影響因素的研究進展[J]. 農(nóng)學學報，2017，7（7）：17-21.

[14]曹瑩菲，張 紅，劉 克，等. 不同處理方式的作物秸稈田間腐解特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（9）：212-219.

[15]匡恩俊，遲鳳琴，宿慶瑞，等. 不同還田方式下玉米秸稈腐解規(guī)律的研究[J]. 玉米科學，2012，20（2）：99-101，106.

[16]陳海濤，柴譽鐸，侯守印，等. 原茬地免耕覆秸播種機寒地秸稈腐解特性研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報，2019，50（9）：79-8.

[17]張久明，遲鳳琴，匡恩俊，等. 秸稈不同方式還田對土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學，2016（9）：30-34.

[18]余 坤，馮 浩，李正鵬，等. 秸稈還田對農(nóng)田土壤水分與冬小麥耗水特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（10）：116-123.