生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)與試驗(yàn)

張銀平　欒慶華　杜瑞成　孫海英　王守山

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，其質(zhì)量好壞直接影響著糧食生產(chǎn)能力，由于長(zhǎng)期不當(dāng)耕作導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)破壞、肥力下降問(wèn)題，我省耕地資源面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。針對(duì)土壤耕作問(wèn)題，山東理工大學(xué)著眼于農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，將建立“生態(tài)型農(nóng)業(yè)機(jī)械化”和“培肥地力”作為兩大重要目標(biāo)，提出“生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)”，采用秸稈機(jī)械化還田、適度機(jī)械耕作、免耕精量播種、化肥一次性深施等生態(tài)型機(jī)械化技術(shù)和方法，不斷增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)，逐步減少化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用，最終達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效的目的。

一、技術(shù)要點(diǎn)

生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)，建立了宏觀和微觀并重的生態(tài)型農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展觀。著眼于宏觀大環(huán)境：化肥一次性深施，提高肥效利用；秸稈培肥地力，翻埋壓草，減少化肥、農(nóng)藥施用，控制并逐步減少化學(xué)物資（化肥、農(nóng)藥、化控劑等）對(duì)農(nóng)田、農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境的直接污染以及生產(chǎn)農(nóng)用化學(xué)物資對(duì)環(huán)境的間接污染。著眼于農(nóng)業(yè)土壤微觀生態(tài)：土壤適度耕作，保護(hù)土壤生物生長(zhǎng)環(huán)境；秸稈科學(xué)還田，逐步增加土壤有機(jī)質(zhì)，減小容重，為土壤有益生物群落生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜條件，使農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展真正實(shí)現(xiàn)“綠色可持續(xù)”。主要包含三項(xiàng)主要技術(shù)內(nèi)容：

（一）周期組合耕作模式

1.操作方法

以3～6年為周期，在周期內(nèi)將翻耕、深松、苗帶旋耕以及免耕等不同的耕作措施進(jìn)行結(jié)合，對(duì)土壤進(jìn)行適度耕作，以減少過(guò)度耕作造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞，保護(hù)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，改善土壤生態(tài)，同時(shí)減少能耗（見圖1）。

2.技術(shù)原理

針對(duì)連續(xù)旋耕或連續(xù)免耕的地塊，周期的首年進(jìn)行翻耕，全面松動(dòng)耕層，將土壤表層有機(jī)質(zhì)含量較高的熟土翻至下層，肥沃底層，同時(shí)提高土壤的孔隙度和蓄水保墑能力；第2年采用免耕，因?yàn)榉麑?duì)土壤的作用有2～3年的后效，翻耕后的第2年土壤的孔隙度和蓄水保墑能力仍然適合作物生長(zhǎng)，仍能保持較高的產(chǎn)量，免耕可減少耕作，降低能耗；第3年或第4年采用深松，經(jīng)過(guò)2年或3年自然沉積和機(jī)器壓實(shí)，土壤孔隙度和蓄水保墑能力有所下降，但不是很嚴(yán)重，只需采用深松即可達(dá)到疏松土壤的目的，同時(shí)深松也打破犁底層，提高蓄水保墑能力；第4年或第5年采用免耕，經(jīng)過(guò)第3年或第4年的深松后，土壤孔隙度有所提升，適合作物生長(zhǎng)，采取免耕節(jié)約能耗。經(jīng)過(guò)4年或5年秸稈還田不翻耕，土壤表層有機(jī)質(zhì)含量大大提高，接著進(jìn)行下一周期的翻耕，這時(shí)的耕深一般應(yīng)當(dāng)與上次相差5cm左右。

（二）秸稈利用型有機(jī)地力培肥模式

1.操作方法

秸稈利用型地力培肥模式又分為直接利用型和間接利用型。直接利用型是指秸稈直接還田，以秸稈覆蓋還田、覆蓋留茬還田、深埋還田等為主要內(nèi)容的地力培肥措施，秸稈機(jī)械化直接還田是秸稈肥料化利用培肥地力的最快捷的方式，是解決剩余秸稈的有效途徑，也是當(dāng)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。間接利用型是指在農(nóng)田以外、以生物措施對(duì)秸稈進(jìn)行處理，包括過(guò)腹、堆漚、微生物降解等，使之轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，再施回田間，秸稈轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥利用是發(fā)揮秸稈生態(tài)沃土效應(yīng)的最佳措施。由于受農(nóng)業(yè)比較效益低、機(jī)械化水平不高、農(nóng)忙季節(jié)爭(zhēng)時(shí)矛盾突出等因素制約，秸稈間接利用型地力培肥模式應(yīng)用推廣面積小，在畜牧業(yè)發(fā)達(dá)或有機(jī)肥制備、施用機(jī)械條件好的地區(qū)可以作為生態(tài)沃土機(jī)械化耕作模式培肥地力的措施。在條件達(dá)不到的地區(qū)，重點(diǎn)以秸稈直接還田作為培肥地力的主要措施。

秸稈直接還田利用一般采用秸稈粉碎還田機(jī)，將秸稈粉碎后覆蓋在地表，免耕和深松年份建議粉碎2遍，以免影響免耕播種；若秸稈量較大，粉碎后仍影響免耕播種作業(yè)，可使用秸稈粉碎混土還田機(jī)將秸稈淺層混土還田；翻耕的年份可粉碎1遍。

2.技術(shù)原理

秸稈中含有碳、氮、磷、鉀以及各種微量元素，秸稈作為有機(jī)肥料還田后可以使作物秸稈聚集的大量養(yǎng)分歸還土壤，增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，顯著提高土壤肥力，合理改善土壤的結(jié)構(gòu)，提高土壤的蓄水保墑能力，促進(jìn)作物增產(chǎn)。黃淮海兩熟區(qū)復(fù)種指數(shù)高，土壤有機(jī)碳投入少，養(yǎng)分入不敷出，土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，通過(guò)秸稈還田增施有機(jī)肥是改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力的最快、最直接的方式。秸稈直接還田配合周期性耕作制度，在周期的不同年份對(duì)秸稈進(jìn)行不同處理，免耕和深松年份，將秸稈覆蓋于地表，保護(hù)土壤表層，避免裸露；翻耕年份翻耕到深層，肥沃底層土壤，均衡耕層養(yǎng)分，使土壤逐漸肥沃，逐漸減少化肥用量，避免土壤板結(jié)，保護(hù)土壤生態(tài)；秸稈量大的年份采用粉碎淺層混土還田，避免焚燒，保護(hù)生態(tài)大環(huán)境。最終達(dá)到化肥減施、作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目標(biāo)。

（三）農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的周期輕簡(jiǎn)機(jī)械化技術(shù)

1.操作方法

統(tǒng)一的種植規(guī)格是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的前提，種植規(guī)格不統(tǒng)一，不僅降低生產(chǎn)效率，而且嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。種植規(guī)格主要包括畦寬、播種行數(shù)、播種行距、苗帶寬度、深松行距等參數(shù)，這些參數(shù)與氣候條件、灌溉方式、農(nóng)藝要求、農(nóng)機(jī)現(xiàn)狀等有關(guān)，也與農(nóng)民的種植習(xí)慣緊密相關(guān)。考慮到現(xiàn)有機(jī)具情況、拖拉機(jī)輪距、前后茬的銜接、深松、免耕等，設(shè)計(jì)冬小麥采用寬行寬苗帶播種，行距為30cm等行距，苗帶寬度為12～14cm，播種8行冬小麥；夏播玉米行距為60cm等行距，采用免耕播種，播種時(shí)可以避開小麥根茬；深松間距為60 cm，是小麥行距的2倍，這樣可以避免小麥播種在深松行導(dǎo)致播深不一致的問(wèn)題（如圖2）。

2.技術(shù)原理

生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)以實(shí)現(xiàn)周期全程機(jī)械化為目標(biāo)，優(yōu)化配置機(jī)器系統(tǒng)并使相關(guān)機(jī)器參數(shù)銜接匹配，設(shè)計(jì)前后茬銜接的種植規(guī)格，著眼于生產(chǎn)循環(huán)全過(guò)程的機(jī)械化以及各環(huán)節(jié)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，增大小麥播種行距，避免開溝器擁堵，可以更好地實(shí)現(xiàn)免耕播種；借助導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小麥、玉米的避茬播種，可以提高播種質(zhì)量，節(jié)約播種能耗。針對(duì)新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體、規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)等，可以分區(qū)域分年份實(shí)施周期耕作制度，減少農(nóng)機(jī)具的配備，比如1000畝地的規(guī)模，可以分為4個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行翻耕、深松、免耕、旋耕作業(yè)，只需配備250畝地的翻耕、深松、旋耕機(jī)具，從而節(jié)約機(jī)具的購(gòu)置成本。

二、適宜區(qū)域及試驗(yàn)

生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)主要適宜在黃淮海小麥-玉米和小麥-水稻兩熟區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2013～2016年在淄博市臨淄區(qū)富群農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社對(duì)“生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)”進(jìn)行了定位試驗(yàn)，與傳統(tǒng)翻耕和連續(xù)免耕進(jìn)行了對(duì)比，一周期內(nèi)小麥玉米產(chǎn)量（如圖3）?？梢钥闯觯L(zhǎng)期翻耕后進(jìn)行免耕可以增加產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為6%～12%，連續(xù)免耕2年仍能維持增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，但隨著免耕年份的增加，增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)有所減弱；長(zhǎng)期免耕后深松能夠顯著增加產(chǎn)量，并且深松后免耕仍能機(jī)械保持增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)；連續(xù)4年未翻耕，產(chǎn)量有所下降，因此一周期內(nèi)也要進(jìn)行必要的翻耕。

圖4表示的是2012～2016年間0～10cm、10～20cm、20～30cm土層土壤容重的周期變化?？梢钥闯觯B續(xù)翻耕，使地表裸露，經(jīng)噴灌水、雨水等的沖刷，表層土壤板結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致0～10cm土壤容重增加；連續(xù)翻耕在20～30cm形成犁底層，增加了該土層土壤容重，大于1.5g/cm3，不利于作物的生長(zhǎng)；連續(xù)4年的秸稈還田，翻耕到10～20cm土層，使該土層土壤團(tuán)聚體含量高于處理CNT，與前文研究結(jié)果一致，因此該層土壤容重小于處理CNT。而處理CNT由于4年未進(jìn)行耕作，對(duì)土壤大團(tuán)聚體的破壞作用小，同時(shí)又有秸稈覆蓋在地表，增加表層土壤團(tuán)聚體含量，0～10cm土層土壤容重較處理CCT小，但連續(xù)4年免耕的土壤遭到碾壓后緊實(shí)度增加，4年未翻耕，10～20cm土層土壤有機(jī)質(zhì)較少，團(tuán)聚體含量少，容重有所增加，略大于處理CCT，顯著大于處理MET；20～30cm土層處理CNT由于連續(xù)4年未進(jìn)行翻耕，試驗(yàn)前長(zhǎng)期傳統(tǒng)耕作形成的犁底層變得不明顯，土壤容重顯著小于處理CCT，但由于未進(jìn)行深松作業(yè)，原有的犁底層并未被打破，因此土壤容重又顯著大于處理MET。處理MET在4年內(nèi)進(jìn)行一次翻耕，可顯著減小耕層0～20cm土壤容重；周期的第三年進(jìn)行了深松，打破了原有的犁底層，有效地減小了20～30cm土壤容重。比較三種耕作模式下的土壤容重，連續(xù)4年試驗(yàn)后，耕層平均容重比初始容重減小0.043g/cm3，0～30cm土層平均容重比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別小0.089g/cm3和0.125g/cm3；可見生態(tài)沃土機(jī)械化模式可以有效降低0～30cm土層土壤容重。

從土壤容重周期年間變化看，0～10cm和10～20cm土層，連續(xù)免耕的土壤容重變化規(guī)律是先減小后增大，說(shuō)明長(zhǎng)期翻耕后進(jìn)行免耕可以減小0～20cm土壤容重，但經(jīng)過(guò)4年連續(xù)免耕后土壤容重開始增大，說(shuō)明連續(xù)免耕增加耕層土壤容重；20～30cm土層，連續(xù)免耕的土壤容重呈下降趨勢(shì)，可能因?yàn)檫B續(xù)4年未進(jìn)行翻耕，20～30cm土層的犁底層逐漸變得不明顯。0～10cm和10～20cm土層，連續(xù)翻耕的土壤容重先減小后增大，可能是因?yàn)橹芷谇皟赡觌m然與試驗(yàn)前一樣翻耕，但秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)，降低了土壤容重，但連續(xù)4 年的翻耕對(duì)土壤大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，又使土壤容重增加；但20～30cm土層連續(xù)翻耕的土壤容重呈增加趨勢(shì)，并且比初始容重要大，是因?yàn)檫B續(xù)翻耕在20～30cm土層形成了犁底層，并且犁底層越來(lái)越緊，容重越來(lái)越大。0～10cm、10～20cm和20～30cm土層處理生態(tài)沃土機(jī)械化模式的土壤容重變化規(guī)律在周期的第一年翻耕后與連續(xù)翻耕一致，但周期第二年免耕后，生態(tài)沃土機(jī)械化模式在0～30cm土層的土壤容重均所降低，說(shuō)明長(zhǎng)期傳統(tǒng)翻耕后免耕能夠有效降低土壤容重；周期第三年深松后各土層土壤容重均顯著降低，特別是20～30cm土層容重降低幅度最大，說(shuō)明深松可以打破犁底層，有效降低土壤容重；周期第四年免耕后，第五年測(cè)定0～10cm和10～20cm土層土壤容重略有增加，說(shuō)明4年未進(jìn)行翻耕，耕層容重有增加的趨勢(shì)，在第五年要進(jìn)行下一周期的翻耕。

4 年試驗(yàn)后不同處理的土壤剖面可以看出，生態(tài)沃土機(jī)械化模式的犁底層被打破，上下土層之間界限不明顯；連續(xù)免耕模式秸稈在土壤表層聚集，雖然犁底層不明顯，但上下層土壤均較緊密；連續(xù)翻耕模式犁底層明顯，秸稈在10～20cm土層聚集，土壤分層明顯。

三、注意事項(xiàng)

生態(tài)沃土機(jī)械化耕作技術(shù)設(shè)計(jì)的3～6年周期是根據(jù)試驗(yàn)地土壤條件確定的，推廣應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期的耕作情況和土壤條件來(lái)進(jìn)一步確定。設(shè)計(jì)的種植規(guī)格以播種8行小麥、4行玉米為基本種植規(guī)格，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械向大型化發(fā)展，在保證基本種植規(guī)格不變的情況下，可以向兩側(cè)同規(guī)格延伸。