小麦机械化无垄栽培技术理论与应用

刘 军，刘亚配，夏亚真，刘雅丽，柳 森

(平顶山市种子技术推广站，河南 平顶山467000)

0 引言

在农业产业科学理论研究和机械化应用不断加深的环境下，针对不同作物的生物特性，各地区逐渐研发出一套实用性较强的种植管理理论和技术体系。小麦机械化无垄栽培，即利用小麦作物单株发育等方面特性，摒弃传统播种中的“行垄种植”机制，利用机械化设备将种子均匀播种在土地上。自2010年我国首台无垄联合耕播机的研发，小麦机械化无垄栽培理论及技术在河南省、山东省等小麦种植示范区得到大量实践。通过数据统计，2010—2018年河南省小麦的增长幅度实现100万～160万穗hm2，总产量年均增长率超过3%。2011年以来，河北省、山东省等地，小麦机械化无垄栽培理论和技术应用成为地区重点扶持和推广项目。因此，对小麦机械化无垄栽培理论基础、实施机制和技术应用要点进行研究分析，具有重要意义。

1 小麦行垄种植方法的形成发展和理论缺陷

1.1形成与发展

约2 000年前，人类历史进入到传统农业社会阶段，小麦作为主要耕作物，在种植方式上发生改变。从比较原始、系统性较差的手播转变为行垄播种，通过在土地上挖掘成行的土埂，再进行播种，极大地提高了播种效率，也一定程度上保证了播种均匀性。该方法在我国历史上沿袭了2 000多年，在近代机械化研究过程中，机械设备播种方式依然是以行垄播种方式为基础[1]。虽然有农业学者和科学工作者对小麦作物的生物特性进行大量研究，提出均匀散播有利于增产的建议，但传统思维桎梏，加上对播种效率的考虑，行垄种植思维依然根深蒂固。

1.2理论缺陷

1.2.1土地利用率低

在使用行垄种植法的过程中，土地中有较大部分被垄埂占据，小麦集中种植在垄上，导致垄埂部分土地被浪费。通过理论测算，采用行垄种植法种植小麦的土地资源浪费率可达17%。显然，行垄种植法一定程度上限制了小麦产量。

1.2.2影响发育

行垄种植过程的小麦种子主要集中在垄上，发育后虽然行与行之间的株距较为合理，但是行内的小麦植株则会互相影响，多数小麦种子根苗发育不良，造成根少苗弱现象。这是由于小麦本身生物特性适合单株生长，种子和植株需要充分的发育空间，而行垄种植方法显然违背了这种生物特性。而这种影响在小麦低产及中产种植水平情况下不明显，但在当今科学种植意识和高产种植条件下却成为影响产量和质量的主要因素[2]。

2 行垄种植方法的农艺特征和技术缺陷

2.1农艺特征

行垄种植法经过多年的发展已经形成了成熟机制，无论是人工还是机械化播种，都以“耕土—播种—镇压”为核心工序，分为耕土、播种和镇压。耕土主要是通过人力、畜力和机械等对土地进行耕作，多数情况下需要在施肥之后进行2次耕土整地。即使在机械化逐渐普及的情况下，我国各小麦种植区在耕土和秸秆还田过程中，仍然需要4次反复用到旋耕机等设备。播种是在进行小麦种子播种时，使用播种开沟器开沟，然后再按照平行的沟道将种子种下，最后覆盖上土壤[3]。镇压是在种子播种完毕并覆盖土壤后，使用镇压器以“上虚下实”的原则将播种后的土地压实。

2.2技术缺陷

行垄种植模式会导致小麦种子个体之间存在争水、争肥现象，无法更大限度发挥作物生物特性和发育潜力。同时，这种模式会影响施肥工作，导致肥力资源浪费，而在多数时候，还会造成灌溉水资源大量蒸发流失。另外，行垄种植模式还存在费工、费时和管理过程复杂等问题。

3 机械化无垄栽培技术理论

随着现代农业科技发展和科学意识不断进步，小麦种植产业更注重物种生物特性研究，通过寻求更适合小麦个体及群体发育的种植方法，进一步实现增产。因此，小麦机械化无垄栽培理论被提出，该理论关键要点是在土地上实现小麦单株均匀分布，根本上摒弃传统行垄种植的土地利用模式，让每一株都拥有独立生长发育和营养空间。该种植方法的执行关键在于充分利用机械设备和成熟农艺机制，通过机械设备保证播种、施肥均匀，并且同时实现耕土播种，简化种植流程[4]。其目的是全面提升土地资源、肥力和水资源利用率，进一步开发小麦种子的生物特性和生产力。

3.1生物学特征

(1)有效光合器官集中于冠层。小麦作物在抽穗后，比较有效的光合器官主要位于植株冠层部位，为了充分保证植株发育阶段光合及呼吸作用，需要打造足够好的采光通风环境[5]。

(2)匍匐生长特性。在入冬前，小麦会进入一段较长的匍匐生长阶段，也是当前评判小麦植株壮苗水平的关键。在均匀种植情况下，小麦植株的匍匐生长期将不会受到更多影响，有利于其后续发育。

(3)壮苗与产量直接挂钩。在小麦种植产业中，壮苗是小麦高产的关键。一方面，因为壮苗根系发达、功能强，同时植株营养汲取能力强，茎秆粗壮，有利于提高穗量。另一方面，在小麦生长发育过程中，弱苗在拔节期会逐渐退化，而成穗的壮苗则拥有更好发展空间。小麦种植需重点提升壮苗发育效果，提供给壮苗更好的发育空间。

(4)生长旺盛期单一性。在小麦发育过程中，仅有一次快速发育生长过程，而这一过程在何时发生则取决于气候变化和栽培措施。时令方面可能发生于冬季前或早春时节，小麦生长全生命周期内可能发生于拔节、孕穗等发育阶段。显然，需要通过科学调节栽培措施，让这一快速发育过程与小麦孕穗或灌浆阶段相匹配，将有利于提升产量。

(5)叶片有严格分工。在小麦发育期间，所有叶片虽然都是执行光合作用的关键器官，但是在不同阶段，不同叶片的分工也非常明确。如在冬季前，叶片进行光合作用的目的是促进生苗、分蘖和生根，而在入冬后这些叶片开始萎缩退化；在春后发育初期，生长出来的叶片主要是促进植株孕穗，而上层叶片则重点促进植株长粒和灌浆。显然在栽培过程中，需要给予不同时期不同叶片更好的光合作用空间，让其更好完成刺激植株生长发育的任务[6]。

3.2增产原理和机制

机械化无垄栽培技术让小麦在土地上均匀分布，结合均衡施肥灌溉，有利于小麦单株获得更丰富的营养，提高小麦壮苗率。均匀播种有利于小麦麦穗及冠层获得更好的光合、呼吸作用空间，让植株之间形成立体生长空间[7]。无垄栽培充分适应了小麦匍匐发育特性，让小麦在冬季前有充分空间进行匍匐发育，有利于小麦发育壮苗率。科学的植株分布机制有利于小麦叶片发育，同时给其光合作用提供更好空间。而且，合理的叶片分布也有利于提高土壤覆盖率，减少土壤水分蒸发和流失率。机械化无垄栽培让小麦单株拥有更合理的发育空间，在发育过程中不会受到其他植株影响而出现歪、倒情况，同时小麦自身根系发育和茎秆发育更好，将有利于提升小麦植株抗倒性。而在小麦进入灌浆期后，合理的空间分布让不同植株的穗互相依靠，提高整体抗风、抗倒能力。另外，均匀分布的小麦植株得益于发达且深入的根系，以及充满活力的叶片，小麦不容易出现早衰现象，同时可以具备更好的抵抗干热风能力。

4 农艺特征和技术应用效果

4.1农艺特征

在河南平顶山市小麦种植大区，已经逐步开始使用小麦无垄联合耕播机设备来进行小麦种植，该设备可以将小麦种植中的耕土、播种、镇压3道工序融合起来，实现一体化均匀种植[8]。如平顶山地区小麦种植产业中，在进行秸秆还田时，便可以使用机械设备同步实现施肥、播种、旋耕和镇压操作，甚至还能同步完成田间筑梗工作。整个过程中大幅度简化传统播种流程，节省大量时间和人力成本，使天气状况对小麦播种的影响降到更低。

同时，小麦无垄栽培技术栽培完成后，形成了二维的田间分布状态，让小麦植株拥有充分的立体化生长发育空间，互相影响降至更低。基于小麦无垄联合耕播机设备，不仅可以实现小麦均匀播种、均匀施肥，还可以保证旋耕一次性成型，同时保证种子土壤空间形成“上虚下实”的良好状态。

4.2技术应用效果和效益

4.2.1增产效益

自2010年以来，河南平顶山地区逐步引进小麦无垄栽培技术，并在2014年投入小麦无垄联合耕播机等一体化联合耕播设备后，小麦年产量实现大幅度增长，小麦年产量变化如表1所示。

表1 2010—2017年河南平顶山某县小麦年产量变化

Table.1 Annual wheat yield change in a county of Pingdingshan，Henan province in 2010-2017

年份20102011201220132014201520162017产量∕万t3 0823 1233 1773 2263 3293 5013 4663 550

注：数据来源于中国产业信息网，下同。

通过深入了解，河南平顶山某县小麦种植区穗数均超过750万hm2，并且穗质量并没有降低。通过对小麦产量进行测算，当地小麦单产增长率超过25%，小麦产量达1 800 kghm2。

4.2.2生产成本降低

使用小麦机械化无垄栽培技术后，受益于耕播一体化和全面机械化，栽培耕作流程全面简化，节省大量人力、物力成本。河南平顶山市某县小麦种植生产成本变化如表2所示。

表2 2017—2018年河南平顶山市某县小麦种植生产成本

Table.2 Average production cost of wheat planting in a county of Pingdingshan city，Henan province in 2017-2018

指标2018年2017年增长率∕%物料成本∕(元·hm-2)种子909.0981.0-7.34化肥2 041.52 295.0-11.05农药343.5346.5-0.87小计3 294.03 622.5-9.07设备成本∕(元·hm-2)机耕1 018.51 011.00.74机播297.0286.53.66机收826.5817.51.10灌溉与排水198.0211.5-6.38小计2 3402 326.50.58人工成本∕(元·hm-2)用工天数31.533.0-4.55工价∕(元·d-1)1 054.51 065.0-0.99总计2 214.452 343-5.49

由表2可知，河南省平顶山市某县全面实现小麦机械化无垄栽培后，通过合理提升机械应用成本，实现种子、肥料、农药和人工成本大幅度减少，有利于提升农业生产效益。另外，这种栽培方法也提高了土地、肥力和水资源利用率，减少资源浪费情况[9]。

5 创新点

5.1实现一体化耕播

通过小麦无垄联合耕播机、旋耕机等设备，在旋耕整地的过程中便能实现均匀施肥、均匀播种。这种方式很大程度上避免传统行垄沟播时化肥烧苗问题，同时机械化播种保证种子分布均匀性，确保植株之间空间合理性，对单株发育和群体发育都有益处[10]。小麦机械化无垄栽培技术是对传统行垄播种技术的全面革新，能够更大程度上激发小麦作物本身的生物特性和生产潜力，建立了全新科学栽培、科学增产的农艺技术体系。

5.2优化土壤镇压工艺

在小麦栽培过程中，播种后的镇压是为种子发育提供舒适空间的关键。基于机械化无垄栽培技术中的机械设备，可以全面实现分层镇压。复合镇压器可以根据土质状态调节镇压力度，确保镇压后的密实度达到合理状态。同时，在机械镇压设备中，配置了滚框和滚轮，在对土壤进行镇压的时候，滚框可以对深层土壤进行镇压，而滚轮则配合进行地表土层镇压，通过这种机械作业机制，让土壤达到“上虚下实”的结构效果，有利于种子发育和出苗破土[11]。

5.3旋耕设备实现升级

目前部分地区小麦机械化无垄栽培过程中，旋耕设备需要耕作2次才能让土壤达到要求。为进一步提高耕作效率、简化流程，河南省地区部分旋耕机械进行了升级改造，主要方式是基于设备原来的2组耕刀结构，加入1组直刀。通过该方式可以提高旋耕机碎土功能，确保一次性完成土壤耕作，同时有利于一体化耕播技术的实施[12]。

6 存在的问题及解决途径

6.1播种深度控制

因为小麦机械化无垄栽培技术是利用机械设备实现耕作、施肥和播种一体化，所以容易出现播种深浅不均匀的问题。如小麦种子没能被土壤掩盖，或者被播种到深于6 cm的土壤中，都将不利于种子育苗和后续生长发育。针对该问题，目前以河南省为代表的小麦机械化种植区逐步研究出能够实现土壤深浅均匀播种的机械化设备，经过实际测算，出现播种过深或过浅的概率<2%。

6.2田间操作管理较难

首先，在小麦机械化无垄栽培理论提出和实施过程中，有学者提出是否会影响田间管理过程中的畦埂作业。而无垄栽培机械化过程中，不同规格、型号的设备加上多样化耕作方案，都可为分畦作埂工作提供便利。其次，有学者提出实行无垄均匀化播种后，是否会对后续田间打药、除草工作造成困扰。基于这个问题，一方面，机械化无垄栽培保证了小麦植株分布均匀性，同时利用小麦生物特性，以小麦发育抑制杂草生长，对后续打药和除草工作的需求不那么迫切。另一方面，机械化无垄栽培过程中也可以根据实际需求预留打药等后续维护管理工作的专用垄埂区，即使没有预留，通过人力也可以在分布均匀的田间小心管理[13]。

6.3播种量控制

机械化无垄栽培技术投入使用后，对于全新的农艺机制的田间平均播种量有一定疑问。经过大量实践和数据统计，播种量一般与种植区生态环境有较大联系，如表3所示。

表3 我国主要小麦产区使用无垄栽培技术前后播种量

Table.3 Sowing amount before and after ridge free cultivation in main wheat producing areas of China

小麦产区播种量∕(kg·hm-2)无垄栽培前无垄栽培后北方冬麦区210～330225～365黄淮冬麦区130～270150～300

在我国北方冬麦产区，小麦播种量比黄淮冬麦产区要多。由表3可知，使用机械化无垄栽培技术后小麦产区播种量都有一定增加，这也是提高产量的关键。

6.4套种问题

为进一步提高土地利用率，实现农业生产多样化机制，部分地区面临小麦与玉米等作物的套种协调问题。在小麦机械化无垄栽培技术应用过程中，得益于全面机械化和近年来的气候变化，可以更好调节其他作物与小麦的种植时机。如冀中地区培育生长期大于110 d的长生育期小麦品种，避免小麦和玉米作物因生产季节相重而互相产生的不利影响。

7 结束语

随着现代农业产业生产逐步实现机械化和科学化，我国多个农业作物种植管理理念和方式都发生了变化。对于小麦种植而言，传统行垄栽培方法虽然在大部分历史时期中都保证了小麦产量，但是在现代科学意识中，这种方法也存在着多种问题，一定程度上限制了小麦进一步增产。因此，结合机械化技术和无垄栽培理论的小麦机械化无垄栽培技术被研发出来，这种方法基于对小麦作物生物特性的深入研究，摒弃传统行垄栽培的垄埂和垄沟播种模式，实现了耕土、均匀施肥、均匀播种一体化。均匀播种给予小麦种子及单株更好的发育生长空间，避免互相影响。这有利于最大化激发小麦作物的生物生产潜力，同时还极大提高了土地资源、化肥和水资源利用率，对全面提升小麦产量和品质有明显效果。基于这种理论和技术实践而得到的良好效益，需要对技术实践过程中遇到的相关问题进行合理化解决，在机械设备研究制造和维护管理方面投入更多精力，保证小麦机械化无垄栽培技术为我国小麦及农业产业发展效益做出更多贡献。