秸秆粉碎集条深埋机械还田模式对玉米生长及产量的影响

王秋菊，焦 峰，刘 峰，常本超，姜 辉，姜 宇 ，米 刚 ，周 鑫

(1. 黑龙江省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所，哈尔滨 150086；2. 黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，哈尔滨 150086；3. 黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319；4. 黑龙江农业科学院科研处，哈尔滨 150086；5. 黑龙江省农业科学院 黑河分院，黑河 164300)

0 引 言

秸秆是农业生产的废弃物，也是重要的生物质能源物质，其利用始终受到广泛关注[1-2]。秸秆利用形式多种多样，作为能源物质可用来发电、生产沼气，甚至可以生产酒精等高级燃料，作为原料可以用于造纸、制作板材，也可以用于沤肥、碳化、制作成肥料，等等[3-6]。上述利用形式普遍存在着运输成本和转化成本高、生产利用效率低、经济效益差等问题。从国外情况看，不论是美国、欧洲还是日本，70%～90%的农作物秸秆都通过堆肥或直接还田方式归还土壤[7]。国内大量研究证明，长期连续秸秆还田有利于土壤团聚体的形成[8-10]和土壤理化性质的改善[11-16]。目前秸秆还田的模式主要包括覆盖还田、耕层还田和深耕还田[17-20]。其中覆盖还田在减少蒸发、保持土壤水分方面效果明显[21-23]，但会降低地温[24]、导致作物出苗延迟；应用铧式犁翻压进行秸秆还田是当前生产中广泛采用的秸秆还田模式，但由于秸秆轻，翻压过程中大量秸秆会残存在地表或犁垡之间的浅表层土壤中，影响后作出苗[25]。王秋菊等[26]通过把秸秆还田在心土层内，避免寒冷地区覆盖还田春季地温低、延迟出苗问题；同时也有利于提高后作播种质量。但由于秸秆深还田配套机械尚存在一定技术问题，影响到大面积推广。玉米巨大的秸秆产量是影响其直接还田的主要障碍，加之还田成本高，短期效果差，甚至有减产的风险。因此农民不愿意在秸秆还田上增加投入，以至于秸秆就地焚烧现象屡禁不止，不仅造成浪费资源，还严重污染环境[27]。本文针对生产中秸秆还田模式中存在的问题，试图通过将秸秆粉碎、集中沟施、深耕翻压等一系列作业有机地组合，形成秸秆粉碎集条深埋还田的技术模式。本文通过秸秆粉碎集条机与传统的铧式犁配合使用，实现玉米秸秆集中深施，通过大田试验明确该技术模式对后作生育及产量影响，为开展大面积推广应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 秸秆粉碎集条机及集条深埋还田模式

1.1.1 秸秆粉碎集条机

秸秆粉碎集条机结构如图1所示，主要包括悬挂架1、中间变速箱2、秸秆粉碎箱3、侧边传动箱4、秸秆抛洒口5、限深轮6等部分；其动力传递方式如图2，秸秆粉碎集条机工作过程中，机械装置的驱动力由拖拉机牵引力提供，秸秆粉碎器的驱动力由拖拉机动力输出提供，动力传递路线为拖拉机动力输出轴—万向节—中间变速箱—万向节—秸秆粉碎器—水平螺旋输送器（图2）。

图1 秸秆粉碎集条机整机结构示意图Fig.1 Structure diagram of straw pulverizing machine

图2 动力传动结构简图Fig.2 Structure diagram of power transmission

1.1.2 秸秆粉碎集条深埋还田模式

秸秆粉碎集条深埋还田模式的作业顺序如下：先用铧式犁进行开堑作业，形成一条深30 cm、宽45 cm的犁沟，随后用秸秆粉碎集条机将下一个耕幅的秸秆粉碎后集中抛撒在所述的犁沟内，待下一次作业行程翻压作业。如此交替往返，即完成秸秆集中还田。模式需要 2台不同机械独立作业、配合完成；又由于该模式有别于传统的全面还田模式，故称之为集中还田。本试验所使用的铧式犁为四铧犁，每个铧犁宽45 cm，总耕幅180 cm，因此，秸秆埋藏深30 cm，埋藏间隔180 cm（图3，局部秸秆还田量大约相当于常规还田量的4倍）。

图3 秸秆深埋田间图Fig.3 Field diagram of deep buried straw

1.2 秸秆还田田间试验

1.2.1 试验地点

试验设在黑龙江省农业现代化示范园区（126°48′50″～126°51′03″E, 45°49′15″～45°50′36″N），供试土壤为黑土，土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic characteristics of tested soil

1.2.2 试验处理

试验设置3个处理，每个处理面积468 m2（宽15.6 m×长30 m），每处理3次重复，顺序排列。试验处理如下：

1）对照（CK）：无秸秆还田，秸秆在秋季收获后移出田块，采用四铧犁正常翻耕，耕幅180 cm，耕深25～30 cm（图4）；

图4 正常翻耕作业Fig.4 Normal tillage operation

图5 田间作业图Fig.5 Diagram of field work

2）秸秆耕层还田（TR）：采用玉米联合收获机收获作业，同时进行秸秆粉碎抛撒作业，耕翻前采用旋耕机旋耕1次（深8～10 cm），促进秸秆与表层充分混合，提高翻压效果（图5a），然后用四铧犁翻耕，深度25～30 cm（图5b）；

3）秸秆粉碎集条深埋还田（DS）：采用玉米联合收获机（无秸秆粉碎）收获后，首先采用秸秆粉碎集条机（幅宽190 cm）进行清理出一条作业道，然后采用四铧犁开堑，形成一条犁沟。随后用秸秆粉碎集条机将临近地表秸秆粉碎—集条，抛撒在犁沟中（图5c），随后用四铧犁进行翻地作业，第 1犁铧将临近的耕层土翻扣在犁沟内的秸秆之上，第 4犁形成新的犁沟，为下一次沟施做好准备（图5d）。由此在耕层下形成深25～30 cm、间距180 cm的秸秆深埋沟(图6)。

图6 秸秆深埋示意图Fig.6 Diagram of deep buried straw

耕种及施肥概况：试验处理时间为每年10月12日—30日。耕翻作业后，轻耙2遍，起垄，待播。翌年春季机械播种玉米，施基肥纯氮（N）、磷（P2O5）、钾(K2O)用量分别为200、100、100 kg/hm2； 播种时间：2015年5月1日播种，2016年4月25日播种；2017年4月29日播种。供试品种为先玉335。

从2014年秋季开始，每年秋季玉米收获后，在同一小区内进行同样处理。

1.3 调查项目与方法

1.3.1 出苗率调查

在玉米全田出齐苗 15 d后调查单位面积玉米苗数量，每个小区调查3点，每点宽度为190 cm（3条垄），每垄按照长度3 m进行调查。

1.3.2 株高和茎粗

在调查玉米出苗率时（5月20日）和玉米成熟期（9月30日），每点取有代表性的玉米植株5株，每小区取3点，按照常规方法用米尺测定植株株高，玉米茎粗用游标卡尺测定植株从地面数第二节段的最宽处。

1.3.3 干物质积累

玉米苗期和成熟期取样植株进行完株高和茎粗测量后，将测量株高和茎粗的玉米苗清理干净后，将叶、茎、鞘、穗、棒分离，放置于烘箱内，在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒质量。等样品冷却后称质量，计算单株干物质质量。

1.3.4 根系调查

在玉米灌浆期（8月15日），每小区选取具有代表性的植株，采用土壤剖面挖根法，距离植株5 cm处垂直于垄向挖一纵向剖面，以玉米植株为起点，水平方向0～30 cm，垂直方向0～50 cm，分别取长宽高各为10 cm的规则立方体土块，纵向5层，横向3层，置于网袋中用水冲洗并拣取肉眼可见的所有根系。利用 SINTEKLC-4800型根系扫描仪扫描后，使用其配套的图像分析软件WinRH2.0Pro2005进行根系扫描，得到相应体积土层的根长、根表面积。将扫描完的根系装入牛皮信封中，放入80 ℃的烘箱中烘干至恒质量，称质量并记录。

1.3.5 产量测定

于玉米收获期，各区实测籽粒产量，按照玉米含水量14.5%折合成标准产量。

1.4 数据处理

数据处理采用Microsoft office Excel 2003进行数据计算，采用统计分析软件DPS7.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 对出苗率的影响

玉米出苗率调查结果（图7）显示，秸秆集中深埋处理与对照差异不显著；秸秆耕层还田处理出苗率低，出苗不齐，秸秆耕层还田处理分别比对照和秸秆集中还田降低3.3%和3.5%，差异达到显著水平。

图7 出苗率调查Fig.7 Survey of emergence rate

2.2 对株高和茎粗影响

从对玉米株高和茎粗调查可知（图 8），对照处理和秸秆集条深埋还田的玉米苗期和成熟期株高无显著差异，成熟期TR显著低于CK和DS（P＜0.05）；CK和DS处理茎粗在苗期和成熟期均没有显著差异（P＞0.05），秸秆耕层还田的玉米株高苗期整体降低3.1～4.5 cm，茎粗也低于其他 2个处理 2.3～2.5 mm，成熟期株高降低13.3～17.9 cm，茎粗减少3.1～4.0 mm。秸秆耕层还田处理玉米苗长势不均、大小不一，苗间标准差大。从植株长势调查发现，耕层还田的玉米苗可明显分为 2类，有长势正常株，也有特别小的非正常植株（图9a），苗情调查可以看出，这也是导致其株高和茎粗低于其它两处理的原因，秸秆集条深还的玉米长势一致，整体好于耕层还田的玉米苗。而且田间调查中发现长势不好的植株其根部与还田秸秆长在一起（图9b），秸秆的存在影响植株正常生长。秸秆集中还田的玉米苗在生长过程中接触不到深埋的秸秆，秸秆深埋对玉米苗期生长无影响。

图8 不同生育期植株高度和茎粗Fig.8 Plant height and stem diameter of different growth periods

图9 玉米苗情调查图片Fig.9 Corn seedling survey pictures

2.3 对干物质积累影响

从图10中看出，植株干物质积累量与株高、茎粗不同处理间变化趋势一致，秸秆集中还田干物质积累量与对照相比在苗期无显著差异，在成熟期稍高于对照处理，秸秆耕层还田处理玉米干物质积累量在玉米各生育期都最低，与对照和秸秆粉碎深埋机械还田处理比差异达极显著水平（P＜0.01）。与对照和秸秆集中还田相比，耕层秸秆还田在苗期干物质积累量降低15.8%～17.2%，成熟期干物质积累量降低8.0%～10.8%。

图10 不同处理干物质积累量Fig.10 Dry matter accumulation of different treatment

2.4 对根系影响

从图11中看出，不同处理玉米根系主要集中在距植株0～10 cm的根区，占总根系量的一半以上；对照和秸秆粉碎集条深埋机械还田的高于耕层还田处理。从表 2中分析处理看，总根长、根表面积和根干质量秸秆耕层还田处理低于对照和秸秆集中还田处理，差异显著（P＜0.05），对照和秸秆集中还田处理间无明显差异（P＞0.05）。

2.5 对玉米产量影响

从表 3产量调查结果看出，尽管秸秆集中还田处理与对照差异不显著，但随还田年限增加表现出增产趋势；耕层还田处理连续3 a均比对照减产，差异达显著水平，但减产幅度随还田时间增加而有降低趋势。耕层秸秆还田处理减产原因，一是该处理在0～10 cm种床内部分秸秆与直接种子接触，影响作物出苗（图 7）；二是随着气温上升，分布在耕层内秸秆迅速分解，土壤中有效态 N素被暂时固定，直接导致作物苗期N饥饿，影响苗期生育[28-30]。而集中还田处理由于秸秆集中分布在耕层下面，减少了种床种子与秸秆的接触几率，避免作物出苗受到不良影响，表现为出苗率高；另一方面也弱化了秸秆腐解与作物吸收养分的矛盾。

图11 距植株不同垂直距离的根长Fig.11 Root length of different vertical distance to plant

表2 不同处理根系分析Table 2 Root analysis of different treatment

表3 不同处理产量分析Table 3 Yield analysis of different treatment

3 讨 论

秸秆还田近年来一直是备受关注的焦点问题，尽管秸秆还田培肥地力的观点已经被普遍接受，但需要长期还田效果才明显[31]。不仅如此，不恰当地秸秆还田会直接影响下茬作物生育和产量。在这种情况下，与其投入人力、物力进行秸秆还田，不如选择最简单的秸秆处理方式，由此导致了一系列环境问题。引导农民进行秸秆还田，一要靠政策扶持，补偿秸秆还田额外增加的费用，二要靠技术创新，探索秸秆还田新技术。覆盖还田可以减少蒸发，保水效果好，但地温降低，出苗晚。玉米晚出苗3～7 d，产量降低7%～14%[32]，显然这是冷凉多雨地区的重要问题。耕层还田虽然避免了地温降低，但一般的耕层还田采用铧式犁作业，翻压效果不良，由于大量秸秆集中分布在0～10 cm土层中，易造成土壤跑墒；秸秆与种子距离近，微生物分解秸秆就会与作物生长形成激烈的养分竞争，导致苗期营养不足；调查发现，几乎所有的弱苗根系都与秸秆连接，有的种子甚至接触不到土壤。因此，一方面秸秆还田必须结合改善土壤C/N，另一方面，就是改善秸秆在土壤中的分布，减少0～10 cm土层内秸秆量。

在黑龙江省的温带大陆性季风气候条件下，埋藏在20～25 cm土层内的作物秸秆，年分解率约为45%～50%左右，剩余的未腐解部分也呈棉絮状。翌年被翻耕到表层也不会影响作物出苗。本文提出的 2段式秸秆集中还田模式，将生产量4倍的秸秆集中放置到1个犁沟中，形成间隔190 cm培肥沟，消除了传统秸秆还田模式的弊端，对于增加土壤储水、提高地力、构建肥沃耕层和建设高质量农田都具有重要意义。

4 结 论

1）秸秆粉碎集条深埋还田不影响作物出苗率及作物长势状态，耕层还田降低了作物出苗率，作物苗长势不均，干物质积累量、株高、茎粗以及根系量均明显低于不还田及深还处理；

2）耕层还田连续3 a均表现减产，差异显著，但减产幅度逐渐降低，秸秆粉碎集条深埋还田与不还田处理相比产量未表现下降，并有逐渐增加趋势。秸秆粉碎集条深埋还田还需要逐年跟踪调查。

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