玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

窦森

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

窦森

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

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。

秸秆富集；风力注入；秸秆深还；土壤亚表层；快速培肥；条带轮耕

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]。

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。

1 土壤亚表层

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。

2 秸秆富集深还机具

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”[4–5]。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，2016 10418091.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1 耕地土壤主要层次Fig. 1 Main layers of farmland

图2 第三代秸秆深还机具—风力注入筒式犁Fig. 2 The machines for third generation of corn stover deep incorporation—wind injection tube plough

3 秸秆富集深还技术及田间作业图解

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：

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和图4b。

图3 秸秆富集位置Fig. 3 The straw enrichment position

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和图5d。

图4 秸秆粉碎入土位置Fig. 4 The straw crush position with a belt in soil

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。

4 秸秆富集深还的效果

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5 秸秆富集深还免耕播种和出苗位置Fig. 5 Sowing and seedling lines under the no-till and corn stover enrichment and deep incorporation

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[10–11]。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[10–17]。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[19–22]，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[19–22]。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。

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

5 展望与建议

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。

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

DOU Sen
( College of Resource and Environmental Science, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China )

Subsoil often suffers from “organic matter hunger” because of the long term shallow tillage and less organic material returning. The over-tight and poor soil physical properties makes it necessary to find a simple and effective method to break up the plow pan and add organic matter to the hunger soil. In this paper, the three existing deep incorporation methods of corn stover were summarized briefly, and the concept of corn stover enrichment and deep incorporation (CSEDI) was introduced. In CSEDI, the whole-harvested corn straw is collected onto belts, then the special tube plough is used to embed straw into the 20–40 cm depth of subsoil by wind power injection. The soil layer will keep in original order, the following year’s planting would not be disturbed. CSEDI simulation test showed that after straw was embedded into soil for 330 days, the decomposition rate was above 65%, the residual straw became humified and soil organic carbon content was increased by 10%–15%, the arable layer thickness increased from the original 15–18 cm to 30–35 cm. The H/C and hydrophilic ratio of humic acid were also improved. The CSEDI was not found causing the reduction of maize yield in the second year, on the contrary, achieved about 5% of increase than that of traditional cultivation. These results proved that with the CSEDI, the full amount of corn stover could be returned to the field year by year, the alternative belt-corporation of straw made the separated planting and returning come to truth. This method was also proved to be effective to break up the plow pan and increase subsoil organic matter content quickly.

corn stover enrichment; wind power injection; deep incorporation; subsoil; fast fertilizing;strip tillage

2017–08–14 接受日期：2017–10–20

国家重点研发计划项目（2016YFD0200304）；国家 973 计划（2011CB100503）；吉林省秸秆综合利用平台秸秆肥料化方向（2014 C–1）；吉林省重点科技项目（20130206018NY）；吉林省委财经办项目（20131210）资助。

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