竇 森

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

黑土耕地不僅數(shù)量逐漸減少，而且質(zhì)量也逐漸下降。黑土耕地質(zhì)量下降的主要表現(xiàn)是：一方面耕層結(jié)構(gòu)變差，耕作層變薄，犁底層變得淺、厚、硬，亞表層過于緊實(shí)；另一方面，耕層，尤其是亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤肥力下降（犁底層和亞表層的概念見圖1）。土壤肥力下降原因主要有以下幾方面：一是有機(jī)肥料施用量低，秸稈還田量不足；二是種植結(jié)構(gòu)不合理，玉米連作現(xiàn)象普遍；三是不合理的耕作造成土壤物理性狀退化[1］。如何提升黑土耕地的土壤質(zhì)量？理論上，要求合理耕作的同時(shí)，還能補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)，最終形成深厚、肥沃、健康的表土層（耕作層和亞表層）。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的最重要技術(shù)手段之一，是機(jī)械化深松與秸稈還田結(jié)合，以便快速培肥有機(jī)質(zhì)缺乏、土體上下水氣不暢的土壤耕作層和亞表層[2］。

在我國(guó)，現(xiàn)行的秸稈還田主要有三種模式：一是淺旋，二是地表覆蓋，三是翻壓。采用這些模式進(jìn)行秸稈還田雖然有一定的效果，但其推廣比較困難，主要原因除了需要大型機(jī)具，土壤還需要輪作，甚至休耕。除此共性困難之外，淺旋一般會(huì)引起土壤大空隙過多（熟稱 “種地漏風(fēng)”）；覆蓋在一些地區(qū)會(huì)導(dǎo)致地溫降低、病蟲害增多，且由于無法打破犁底層，對(duì)提升整個(gè)土層（尤其是亞表層）土壤有機(jī)質(zhì)含量作用有限，覆蓋的CO2氣體排放（“冒氣”）與焚燒CO2氣體排放（“冒煙”）在溫室氣體貢獻(xiàn)方面沒有本質(zhì)區(qū)別；翻壓處理費(fèi)工、土層顛倒，有些地區(qū)會(huì)引起減產(chǎn)，第二年難以連續(xù)還田操作，再翻地時(shí)沒有完全分解的秸稈又會(huì)被翻上來。

我國(guó)現(xiàn)階段推廣秸稈還田，應(yīng)遵循以下原則：（1）解決土壤有機(jī)質(zhì)最饑餓的關(guān)鍵土層—亞表層培肥需求；（2）盡可能多地將秸稈轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，尤其是腐殖物質(zhì)（HS），而不是都分解掉；（3）不影響來年種植；（4）能夠連年還田；（5）保證耕作后土層順序不顛倒；（6）適應(yīng)已有的機(jī)具和寬窄行免耕播種成熟技術(shù)。按照上述需求，急需提出新的秸稈還田與耕作相結(jié)合工程技術(shù)，秸稈“富集深還”新模式及相應(yīng)的工程技術(shù)在此背景下提出[1-3］。

1 秸稈富集深還與土壤亞表層培肥的概念

秸稈富集深還：是將秸稈資源化與土壤培肥結(jié)合，深松與秸稈還田結(jié)合，秸稈還田與免耕播種結(jié)合，將玉米聯(lián)合收割機(jī)（即“玉米收”）拋灑在地表的秸稈，通過機(jī)械化手段大比例（4∶1～8∶1）富集到預(yù)定的條帶并施入土壤亞表層，同時(shí)能種還分離適應(yīng)免耕播種的新模式。

土壤亞表層：土壤亞表層是指20～40 cm深土體，一般包括犁底層和心土層的上部分[4］，與植物生長(zhǎng)和土壤固碳關(guān)系密切（見圖1）。

圖1 土壤亞表層的概念Fig. 1 Concept of subsoil layer

東北黑土區(qū)幾十年的小四輪耕作模式，使犁底層變得淺、厚、硬，亞表層過于緊實(shí)，上下水氣不通，相當(dāng)于有效土層變薄，制約土壤肥力發(fā)揮。因此，以打破犁底層和增加有機(jī)質(zhì)為特征“亞表層培肥”工程應(yīng)盡快提上日程。

秸稈富集深還的優(yōu)點(diǎn)：（1）土層順序不變；（2）寬窄行種還分離，即當(dāng)年埋秸稈的條帶為寬行，不播種，不減密度；（3）免耕播種，即直接用免耕播種機(jī)在非埋秸稈條帶播種；（4）條帶狀輪耕種植，每年埋秸稈的條帶依次輪換，周期為4～8年任選，可連年全量深埋秸稈；（5）土壤攪動(dòng)作業(yè)面積只有1/4或1/8，節(jié)省動(dòng)力；（6）由于本技術(shù)屬于種還分離，不需配施多余的氮肥和秸稈降解菌劑，并逐漸節(jié)約化肥，節(jié)省生產(chǎn)成本；（7）由于深埋，對(duì)土壤打破犁底層、實(shí)現(xiàn)亞表層培肥效果極好，并可以取代免耕的周期性深松。

2 秸稈富集深還機(jī)具研制

第一代秸稈深還機(jī)具，是由秸稈深還開溝犁、雙筒直排式秸稈還田機(jī)和秸稈深埋還田覆土施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)組成（圖2），簡(jiǎn)稱為“三件套”[5-6］。經(jīng)過三次連續(xù)作業(yè)，可將秸稈粉碎埋入土壤亞表層，并形成玉米大壟雙行的種植基礎(chǔ)；但是需要三套設(shè)備和三次作業(yè)，較為麻煩。

第二代秸稈深還機(jī)具，是“一種聚翻組合式秸稈深還機(jī)”[7］，一次性將秸稈埋入土壤亞表層（圖3），優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)簡(jiǎn)單，一次性完成；缺點(diǎn)是屬于翻壓性質(zhì)，土層順序顛倒。

第三代秸稈深還機(jī)具，“一種風(fēng)力注入秸稈深還筒式犁”[8］，可以將秸稈粉碎風(fēng)力送入絞龍直接注入到土壤亞表層，還田效果十分理想，實(shí)現(xiàn)了一次性作業(yè)完成大比例秸稈富集深埋還田的重任（圖4）。

3 秸稈富集深還的田間操作

3.1 秸稈富集比例

秸稈富集深還，可與目前主流的多種栽培耕作技術(shù)搭配，例如寬窄種植、大壟雙行種植、免耕種植等，秸稈富集比例因?qū)嶋H的需要或秸稈環(huán)境壓力自由選擇?？梢允?行一帶（4∶1富集，圖5a）、6行一帶（6∶1富集，圖5b）或8行一帶（8∶1富集，圖5c）。

圖2 第一代秸稈深還機(jī)具——“三件套”Fig.2 The first generation of corn stalk deep incorporator—A three-piece set

圖3 第二代秸稈深還機(jī)具——“三合一”一體機(jī)Fig. 3 The second generation of corn stalk deep incorporator— Three-in-one

圖4 第三代秸稈深還機(jī)具——風(fēng)力注入筒式犁Fig. 4 The third generation of corn stalk deep incorporator—Wind-driven input cylinder plough

圖5 秸稈富集深還比例Fig. 5 Corn stalk enrichment ratio of the deep incorporation

3.2 田間操作步驟

確定秸稈歸行的富集幅寬及秸稈中聚帶寬，用風(fēng)力注入筒式犁將秸稈粉碎入土、帶狀免耕播（見圖6），具體步驟如下：

步驟一：秸稈富集幅寬的確定。在玉米種植集中連片且適于機(jī)械化的區(qū)域，根據(jù)不同的種植模式，收獲機(jī)械類型以及經(jīng)營(yíng)者的種植規(guī)模確定秸稈富集的幅寬。一般而言，秸稈富集幅寬為4～8壟（2.6～5.2 m）。

步驟二：中聚成帶。采用指盤摟草機(jī)將玉米收割機(jī)打碎落地的秸稈中聚成帶，帶寬1.5～1.8 m。

步驟三：粉碎入土。采用風(fēng)力注入筒式犁通過三個(gè)環(huán)節(jié)將粉碎秸稈集中注入土壤亞表層。首先用碎桿刀軸將集聚的秸稈打碎拋入絞龍，通過絞龍輸送至風(fēng)機(jī)，再經(jīng)風(fēng)機(jī)將碎秸稈送入管式開掘體（筒式犁）繼而落入土中。秸稈入土最大深度為35～40 cm，覆蓋秸稈的覆土厚度為10～15 cm。

步驟四：帶狀免耕播種。富集的秸稈注入土壤深層后，以深埋秸稈的壟為中心，兩側(cè)相鄰的壟均實(shí)施免耕種植，即以深埋秸稈的壟為中心留出空帶，帶寬90 cm，空帶兩側(cè)各種植2行玉米，行距為40 cm。

圖6 玉米秸稈富集深埋還田方法（以四壟一帶為例）[21］Fig. 6 Corn stalk enriching deep incorporation in to subsoil (Over a four-ridge wide row)[21］

3.3 秸稈富集深還的年際循環(huán)

由于秸稈富集深還的獨(dú)到之處是多壟歸為一壟，故每年產(chǎn)生的秸稈可以依次逐年持續(xù)條帶深埋還田。其深還位置與最初深還位置重合為一個(gè)循環(huán)周期，四壟富集深還的循環(huán)周期為4年。如果苗帶和埋秸稈帶每年都換位，按條帶依次逐年富集深還的年際循環(huán)見圖7。

圖8為苗帶和埋秸稈帶每2年換一次位置，要求壟側(cè)播種。無論是苗帶和埋秸稈帶每年都換位，還是每2年換一次位置，都適用于寬窄行種植模式，都適合與免耕播種。

圖7 秸稈富集深還年際循環(huán)位置（每年苗帶換位）[21］Fig. 7 Rotation of the four-ridge straw deep incorporation row with the seedling belt every year

4 工程技術(shù)效果

增加耕層厚度和土壤有機(jī)質(zhì)含量是提高地力的關(guān)鍵，2015—2016年農(nóng)業(yè)部給東北10個(gè)億資金用于黑土地保護(hù)試點(diǎn)，目標(biāo)就兩點(diǎn)：增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；耕作層厚度增加10 cm。秸稈富集深還可同時(shí)、快速地達(dá)到這兩點(diǎn)。秸稈深還的改土效果很明顯，一般土壤容重、水分和結(jié)構(gòu)狀況等物理性質(zhì)有所改善[11-15］。秸稈富集深還可促使土壤亞表層有機(jī)碳含量增加 10%～15%，土壤耕層由約15 cm增加至30 cm[11］。如果還沿用覆蓋或淺施，由于不能打破犁底層，耕作層厚度增加10 cm就無法實(shí)現(xiàn)。

通常認(rèn)為秸稈深埋還田可能分解緩慢，影響第二年播種。但模擬埋置試驗(yàn)中，秸稈還田120 d時(shí)，其分解率就達(dá)到60以上，330 d時(shí)超過65%[10］。對(duì)于秸稈深埋還田是否會(huì)引起第二年玉米產(chǎn)量降低也常存在疑慮，但在榆樹黑土區(qū)玉米產(chǎn)量可以達(dá)到10 t以上，較傳統(tǒng)耕作高5%[1］。遼寧省的試驗(yàn)也表明，秸稈深還對(duì)玉米產(chǎn)量沒有不良影響[16-17］。

圖8 秸稈富集深還年際循環(huán)位置（每2年苗帶換位）[21］Fig. 8 Rotation of the four-ridge straw deep incorporation row with the the seedling belt every other year

秸稈深埋還田能增加土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素的數(shù)量，改善腐殖質(zhì)組成 ，PQ從53%增加至63%，胡敏酸的H/C摩爾比從0.977提高至1.269[18］，促使黑土胡敏酸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化和年輕化[18-20］。

由于秸稈富集深還技術(shù)屬于種還分離栽培耕作模式，當(dāng)季基本不存在秸稈分解與作物爭(zhēng)氮的問題，可以少配或不配施多余的氮肥，一切與正常免耕播種栽培管理一致，不增加生產(chǎn)成本；由于秸稈埋在土壤深部，不影響第二年春天播種，到第二年秋天秸稈腐爛，成為優(yōu)質(zhì)的肥料，所以一般不需要特殊加施秸稈腐熟劑或其他菌劑，不增加還田成本，且第二年以后可節(jié)約一定數(shù)量的化肥。

機(jī)具油耗受多種因素影響，包括使用的拖拉機(jī)性能、機(jī)手的業(yè)務(wù)水平、地塊形狀、土壤阻力等因素。但總體而言，由于富集深還屬于以免耕為主的技術(shù)，土壤攪動(dòng)作業(yè)面積只有1/4～1/8，故節(jié)省動(dòng)力。以吉林省榆樹市恩育鄉(xiāng)試驗(yàn)地為例，使用雷沃1204拖拉機(jī)，每日作業(yè)10 h，按純作業(yè)效率為74%計(jì)算[9］，按4∶1富集秸稈，每小時(shí)可埋秸稈0.5 hm2，每公頃消耗零號(hào)柴油45 L。加上秸稈富集使用21～40 kW拖拉機(jī)帶動(dòng)指盤式摟草機(jī)，每公頃耗油約6～10 L，兩項(xiàng)合計(jì)耗油約為每公頃最多55 L。按每升零號(hào)柴油6.5元計(jì)算，每公頃動(dòng)力消耗成本約為358元，折合每畝24元（每公頃36元）。

秸稈富集深還操作比較簡(jiǎn)單，可因地制宜的選用。秸稈富集深還技術(shù)模式適用于玉米秸稈露天焚燒壓力比較大、連年需要全量還田并且沒有條件休耕的地區(qū)以及土壤耕作層尤其是亞表層急需培肥的耕地，一般東北平原、臺(tái)地的黑土地區(qū)域，土體厚度在35 cm以上均可以應(yīng)用。由于是四分之一到八分之一耕作，加之不用預(yù)先打碎秸稈和還田后耙地、鎮(zhèn)壓等工序，秸稈富集深還較一般的翻壓、旋耕還田節(jié)省動(dòng)力成本，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益俱佳。

5 結(jié)論與展望

秸稈富集深埋還田（富集深還）是一種基于土壤亞表層快速培肥理念，以筒式犁為主要機(jī)具，以條帶輪耕作為主要特征，通過粉碎與風(fēng)力注入將秸稈深埋于土壤亞表層的秸稈還田新技術(shù)，理念新穎，技術(shù)可行，適用于旱田作物，尤其是玉米寬窄行種植的秸稈還田，對(duì)土壤尤其是亞表層有很好的培肥效果。將有助于徹底解決秸稈還田成本高或效果差的瓶頸問題，為旱田秸稈田間處理與深厚肥沃耕層構(gòu)建提供切實(shí)可行的機(jī)械化工程手段。

但秸稈富集深還畢竟是新生事物，急需宣傳、引導(dǎo)、培訓(xùn)，急需擴(kuò)大機(jī)具生產(chǎn)規(guī)模；同時(shí)需要研究不同地區(qū)、不同栽培模式下的工程技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化田間操作工藝、方法，為大面積推廣應(yīng)用做好準(zhǔn)備。