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玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

窦森

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玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

    作者简介: 窦森(1959—),男,吉林东丰县人,博士,教授,主要从事土壤有机质与秸秆还田研究。E-mail:dousen1959@126.com;

Improving subsoil fertility through a new technology of continuous in belt and deep incorporation of corn stover

  • 摘要: 由于长期浅耕,土壤亚表层不仅缺乏有机质,还过于紧实,急需找到一种简单而有效的快速松土培肥方法。本文简要总结了已有3种秸秆还田模式的优缺点,重点介绍了秸秆“富集深还”技术及田间操作要领,以及采用该技术还田的秸秆的分解速率和亚土层培肥效果。富集深还,即将玉米联合收割机抛洒在地表的秸秆,按条带大比例富集,使用专用筒式犁具,以风力注入的方式埋入土壤亚表层 (20—40 cm)。这种模式的最大特点是不扰动土层顺序、不影响第二年种植。秸秆埋置模拟试验表明,秸秆还田330天时,其分解率就达到65%以上,剩余秸秆腐殖化,使土壤有机碳含量增加10%~15%,土壤耕层由原来的15—18 cm增加到30—35 cm。秸秆深还对腐殖物质结构特征没有产生不良影响,对H/C、亲水性等指标还有改善作用,促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化。秸秆深还没有引起第二年玉米产量降低。因此,采用该方法,秸秆能够连年全量还田,实现了种还分离 (种植条带与秸秆深埋条带分离) 与免耕播种的有效结合,可打破犁底层,并快速提升犁底层土壤有机质含量,为土壤亚表层快速培肥及肥沃耕层构建提供技术手段。
  • 图 1  耕地土壤主要层次

    Figure 1.  Main layers of farmland

    图 2  第三代秸秆深还机具—风力注入筒式犁

    Figure 2.  The machines for third generation of corn stover deep incorporation—wind injection tube plough

    图 3  秸秆富集位置

    Figure 3.  The straw enrichment position

    图 4  秸秆粉碎入土位置

    Figure 4.  The straw crush position with a belt in soil

    图 5  秸秆富集深还免耕播种和出苗位置

    Figure 5.  Sowing and seedling lines under the no-till and corn stover enrichment and deep incorporation

    图 6  不同埋置时间秸秆混土 (T6) 与不混土 (T2) 处理的累计分解率[8]

    Figure 6.  Cumulative decomposition rate of the straw mixed with soil (T6) or without soil (T2)

    图 7  秸秆富集深还后1年腐烂情况 (2015.10~2016.10)[9]

    Figure 7.  The rotted corn stover after 1-year’ enriched and deep incorporation (2015.10–2016.10)

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-14

玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

    作者简介:窦森(1959—),男,吉林东丰县人,博士,教授,主要从事土壤有机质与秸秆还田研究。E-mail:dousen1959@126.com
  • 吉林农业大学资源与环境学院,长春 130118

摘要: 由于长期浅耕,土壤亚表层不仅缺乏有机质,还过于紧实,急需找到一种简单而有效的快速松土培肥方法。本文简要总结了已有3种秸秆还田模式的优缺点,重点介绍了秸秆“富集深还”技术及田间操作要领,以及采用该技术还田的秸秆的分解速率和亚土层培肥效果。富集深还,即将玉米联合收割机抛洒在地表的秸秆,按条带大比例富集,使用专用筒式犁具,以风力注入的方式埋入土壤亚表层 (20—40 cm)。这种模式的最大特点是不扰动土层顺序、不影响第二年种植。秸秆埋置模拟试验表明,秸秆还田330天时,其分解率就达到65%以上,剩余秸秆腐殖化,使土壤有机碳含量增加10%~15%,土壤耕层由原来的15—18 cm增加到30—35 cm。秸秆深还对腐殖物质结构特征没有产生不良影响,对H/C、亲水性等指标还有改善作用,促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化。秸秆深还没有引起第二年玉米产量降低。因此,采用该方法,秸秆能够连年全量还田,实现了种还分离 (种植条带与秸秆深埋条带分离) 与免耕播种的有效结合,可打破犁底层,并快速提升犁底层土壤有机质含量,为土壤亚表层快速培肥及肥沃耕层构建提供技术手段。

English Abstract

  • 黑土耕地不仅数量逐渐减少,而且质量也逐渐下降。黑土耕地质量下降的主要表现,一方面是耕层结构变差,耕作层变薄,犁底层变得浅、厚、硬,亚表层过于紧实;另一方面耕层特别是亚表层土壤有机质含量降低,土壤肥力下降 (犁底层和亚表层的概念见图1)。黑土开垦前表层有机质含量多在3%~6%之间,低于3%的比较少见。目前吉林省耕地土壤有机质含量基本在1.5%~3%之间,较开垦前下降了30%~50%。土壤肥力下降主要有以下几方面原因:一是有机肥料施用量低,秸秆还田量不足;二是种植结构不合理,玉米连作现象普遍;三是不合理的耕作造成土壤物理性状退化[1]。如何提升黑土耕地的土壤质量?理论上要求合理耕作的同时,还能补充土壤有机质,最终形成深厚、肥沃、健康的表土层 (耕作层和亚表层)。实现上述目标最重要的技术手段之一,是机械化深松结合秸秆还田,快速培肥有机质缺乏、土体上下水气不畅的土壤耕作层和亚表层[2]

    图  1  耕地土壤主要层次

    Figure 1.  Main layers of farmland

    在我国现行的秸秆还田主要有三种模式:一是浅旋,二是地表覆盖,三是翻压。采用这些模式进行秸秆还田虽然有一定的效果,但其推广比较困难,主要原因除了需要大型机具之外,浅旋一般会引起“种地漏风”;覆盖在一些地区会导致地温降低、病害增多,且由于无法打破犁底层,对提升整个土层 (特别是亚表层) 土壤有机质含量作用有限 (覆盖的“冒气”与焚烧的“冒烟”,都属于温室气体排放);翻压处理费工、土层颠倒,有些地区会引起减产,第二年难以连续还田操作,再翻地时没有完全分解的秸秆又会被翻上来。

    我国现阶段推广秸秆还田,应遵循以下原则:1) 解决土壤有机质最缺乏的关键土层—亚表层培肥问题;2) 尽可能将秸秆多转化为土壤有机质 (SOM),特别是腐殖物质 (HS);3) 不影响来年种植;4) 能够连年还田;5) 保证耕作后土层顺序不颠倒;6) 适应已有的机具和宽窄行免耕播种成熟技术。按照上述需求,我们提出了秸秆富集深还与土壤亚表层培肥的新技术模式。

    • 土壤亚表层是指土体20—40 cm深,一般包括犁底层和心土层的上部分[3] ,与植物生长和土壤固碳关系密切 (图1)。东北黑土区几十年的小四轮耕作模式,使犁底层变得浅、厚、硬,亚表层过于紧实,上下水气不通,相当于有效土层变薄,制约土壤肥力发挥。因此,以打破犁底层和增加有机质为特征的“亚表层培肥”应尽快提上日程。

    • 秸秆还田,特别是还田至亚土层,需要有专用机械把秸秆输送到亚表层。第一代秸秆深还机具是由秸秆深还开沟犁、双筒直排式秸秆还田机 (发明专利,201610181128.1) 和秸秆深埋还田覆土施肥联合作业机 (实用新型,201620102002.6) 组成,简称为“三件套”[45]。经过三次连续作业,可将秸秆粉碎埋入土壤亚表层,并形成玉米大垄双行的种植基础;但是需要三套设备和三次作业,较为麻烦。第二代秸秆深还机具是“一种聚翻组合式秸秆深还机”(发明专利,201610359059.9)[6],一次性将秸秆埋入土壤亚表层,优点是作业简单,一次性完成;缺点是属于翻压性质,土层顺序颠倒。第三代秸秆深还机具是一种风力注入秸秆深还筒式犁(发明专利,201610418091.X)[7],可以将秸秆粉碎风力送入绞龙直接注入到土壤亚表层,还田效果十分理想,实现了一次性作业完成大比例秸秆富集深还的重任 (图2)。

      图  2  第三代秸秆深还机具—风力注入筒式犁

      Figure 2.  The machines for third generation of corn stover deep incorporation—wind injection tube plough

    • 依托第三代秸秆深还机具,结合秸秆深还的农艺要求和目前耕作栽培的实际情况,我们提出了“秸秆富集深还”的概念和技术模式。

      秸秆富集深还是把秸秆资源化与土壤培肥结合起来,把深松与秸秆还田结合起来,把秸秆还田与免耕播种结合起来,将玉米联合收割机 (即“玉米收”) 抛洒在地表的秸秆,通过机械化手段大比例 (4∶1~8∶1) 富集到预定的条带并施入土壤亚表层 (20—40 cm),同时能种、还分离,适应免耕播种的新模式。该模式的核心技术是用吉林农业大学发明的第三代秸秆深还机具,像“打针”一样,一次性将秸秆粉碎注入土壤亚表层。

      秸秆富集深还的优点:1) 土层顺序不变;2) 宽窄行种还分离,即当年埋秸秆的条带为宽行,不播种,不减密度;3) 免耕播种,即直接用免耕播种机在未埋秸秆条带播种;4) 条带状轮耕种植,每年埋秸秆的条带依次轮换,周期为4~8年任选,可连年全量深埋秸秆;5) 土壤搅动作业面积只有1/4或1/8,节省动力;6) 由于深埋,对土壤打破犁底层、实现亚表层培肥效果极好,并可以取代免耕的周期性深松。

      秸秆富集深还技术模式的田间操作流程见图3图6,具体如下:

      图  3  秸秆富集位置

      Figure 3.  The straw enrichment position

      图  4  秸秆粉碎入土位置

      Figure 4.  The straw crush position with a belt in soil

      图  5  秸秆富集深还免耕播种和出苗位置

      Figure 5.  Sowing and seedling lines under the no-till and corn stover enrichment and deep incorporation

      图  6  不同埋置时间秸秆混土 (T6) 与不混土 (T2) 处理的累计分解率[8]

      Figure 6.  Cumulative decomposition rate of the straw mixed with soil (T6) or without soil (T2)

      步骤一,秸秆富集幅宽的确定 在玉米种植集中连片且适于机械化的区域,根据不同的种植模式,收获机械类型以及经营者的种植规模确定秸秆富集的幅宽。一般来说,玉米人工收获的富集幅宽为4垄,2.6 m(图3a),机械化收获的富集幅宽为8垄,5.2 m(图3b)。

      步骤二,中聚成带 对于四垄一带富集,采用四指盘搂草机将玉米收割机打碎落地的秸秆中聚成带,带宽1.5~1.8 m (如图3a)。对于八垄一带富集,采用八指盘搂草机将八垄散落在地的秸秆向中间集聚成一带,富集后秸秆放置带宽为1.5~1.8 m (如图3b)。

      步骤三,粉碎入土 采用风注式秸秆深层还田机通过三个环节将粉碎秸秆集中注入地下。首先用碎杆刀轴将集聚的秸秆打碎抛入绞龙,通过绞龙输送至风机,再经风机将碎秸秆送入管式开掘体继而落入土中,秸秆入土最大深度为35~40 cm,秸秆层厚度为15~40 cm,覆盖秸秆的覆土厚度为10~15 cm。两种比例富集秸秆粉碎入土位置如图4a图4b

      步骤四,带状免耕播种 富集的秸秆深层注入土层后,以深埋秸秆的垄为中心,两侧相邻的垄均实施免耕种植,其免耕种植形式分为两种:一种是以深埋秸秆的垄为中心留出空带,带宽90 cm,空带两侧各种植2行玉米,行距为40 cm。玉米的株距依种植品种要求的密度而定。其播种机行走路线见图5a,免耕播种后的出苗位置见图5b。另一种还是以深埋秸秆的垄为中心留出空带,带宽90 cm,空带两侧各种植4行 (两带) 玉米,行距为40 cm,带宽90 cm。其播种路线与出苗位置见图5c图5d

      步骤五,按带依次逐年富集深还 由于秸秆富集深还的独到之处是多垄归为一垄,故每年产生的秸秆可以依次逐年持续条带深还。其深还位置与最初深还位置重合为一个循环周期,四垄富集深还的循环周期为四年。八垄富集深还的循环周期为八年。

      由于本技术模式属于种、还分离,当季基本不存在秸秆分解与作物争氮的问题,可以少配或不配施多余的氮肥,犁具具有自动补肥、施肥功能,一切与正常免耕播种和栽培管理一致,不增加生产成本。

      另外,由于秸秆埋在土壤深层,不影响第二年春天播种,到第二年秋天秸秆腐烂得像草炭一样,成为优质的肥料。所以一般不需要加施秸秆腐熟剂或其他菌剂,不增加还田成本。

    • 原来人们认为秸秆深还可能分解缓慢,影响第二年播种。但模拟埋置试验中,秸秆还田120天时,其分解率就达到60%以上,330天时超过65% (图6,T6)[8]。这从田间实际调查的照片中可以得到印证,经过1年的分解和腐殖化,形成像泥炭一样的层次,不仅第二年不会影响种植,而且还培肥了亚表层土壤 (图7)[9]

      图  7  秸秆富集深还后1年腐烂情况 (2015.10~2016.10)[9]

      Figure 7.  The rotted corn stover after 1-year’ enriched and deep incorporation (2015.10–2016.10)

      人们对于秸秆深还是否会引起第二年玉米产量降低也存在疑虑,但在榆树黑土区玉米产量可以达到10吨以上,比传统耕作高5%[1]。辽宁省的试验也表明,秸秆深还对玉米产量没有不良影响[1011]。秸秆深还的改土效果很明显,一般土层厚度增加,土壤容重、水分和结构状况等物理性质有所改善[1017]。秸秆深还可促使土壤亚表层有机碳含量增加 10%~15%,土壤耕层由原来的约15 cm增加到30 cm[17]。增加胡敏酸、富里酸和胡敏素的数量,改善腐殖质组成[1922],胡敏酸PQ从53%增加到63%[22]。秸秆深还对腐殖质结构特征没有产生不良影响,对有些指标 (如H/C、亲水性) 还有改善作用,如胡敏酸的H/C摩尔比从0.977提高到1.269[22],促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化[1922]。秸秆富集深还技术模式适用于玉米秸秆露天焚烧压力比较大、连年需要全量还田并且没有条件休耕的地区,以及土壤耕作层特别是亚表层急需培肥的耕地,一般在东北平原、台地的黑土地区域,土体厚度在35 cm以上都可以应用。由于是四分之一到八分之一耕作,加之不用预先打碎秸秆和还田后耙地、镇压等工序,秸秆富集深还比一般的翻压、旋耕还田节省动力成本,经济效益和生态环境效益俱佳。

    • 本文提出秸秆富集深还新技术模式,即将玉米秸秆用机械化手段大比例富集、按条带埋入土壤亚表层的全量还田模式,并给出了实际的田间操作图解。秸秆富集深还新模式可以做到土层顺序不颠倒、不影响第二年种植和产量、能够连年全量还田、适用于宽窄行免耕播种,并可以提升土壤有机质含量,打破犁底层,实现疏松土壤与培肥土壤的结合及土壤亚表层培肥的目的。

      从土壤培肥的角度,需建立新的土壤亚表层培肥长期定位试验,并通过深入研究,逐渐认识到土壤亚表层是合理耕层构建的重要组成部分。

参考文献 (22)

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