秸秆混土还田对两熟区玉米秸秆腐解速度的影响

张银平　迟岩杰　王振伟　刁培松　王占滨　李晓冉

摘要：为探究秸秆粉碎混土还田机混土深度及秸秆粉碎长度对秸秆腐解规律的影响，采用尼龙网袋法对该机混土深度（5、10 cm）和粉碎长度（30、100 mm）范围内的玉米秸秆腐解率进行测定，以免耕覆盖为对照，并对不同还田方式下玉米秸秆完全腐解的周期进行预测。结果表明，不同还田方式秸秆腐解率的变化趋势基本一致，前期腐解速率较快，中期缓慢，后期增快，玉米秸秆在还田后的1个月内腐解速度最快，混土还田处理有25%～30%的秸秆被分解，而免耕覆盖处理仅有10%～15%的秸秆被分解;QA30处理的秸秆总腐解率为48.5%，QA100的为43.3%，QB30的为49.8%，QB100的为45.2%，NF30的为33.0%，NF100的为31.3%，混土还田处理明显高于免耕覆盖处理，混土还田更有利于秸秆快速腐解;混土还田深度对秸秆腐解率有明显影响，切段长度相同时，混土深度越深，秸秆总腐解率越高;秸秆混土还田模式下，秸秆的切断长度对秸秆腐解率也有明显影响，秸秆切段长度越短，秸秆腐解率越高，但在秸秆覆盖模式下，秸秆切段长度对腐解率的影响不明显。秸秆腐解率与还田时间之间的三次函数的拟合度最好;通过回归方程预测可知，处理 QA30秸秆完全腐解的时间为320 d左右，QA100的为450 d左右，QB30的为270 d左右，QB100的为350 d左右，而处理NF100、NF30的则为525 d左右，免耕覆盖处理秸秆完全腐解周期较长，不利于秸秆的田间肥料化利用，而秸秆浅层混土还田处理能够使秸秆与土壤接触，缩短秸秆完全腐解的时间，有利于秸秆田间肥料化利用。

关键词：秸秆混土还田;混土深度;切段长度;腐解规律;秸秆肥料化利用

中图分类号： S345  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）19-0245-04

收稿日期：2020-02-27

基金项目：山东省自然科学基金（编号：ZR2018LD002）;山东省重点研发计划（编号：2019GNC106087）;山东省现代农业产业体系玉米创新团队项目。

作者简介：张银平（1989—），女，山东德州人，博士，讲师，主要从事旱作农业机械化耕作体系与免耕播种机械研究。E-mail：zhangyinping929@163.com。

通信作者：王振伟，硕士，助理研究员，主要秸秆处理技术与装备研究。E-mail：zhenwei86@qq.com。

土壤肥力状况是作物产量的直接影响因素，自然环境条件、土壤物理化学特性、耕作施肥管理水平、耕地配套的基础设施等均影响土壤肥力状况[1]。但农田化肥的大量使用，使土壤肥力发生了极大变化，有机质匮乏、土壤易板结、通透性差、养分失衡等现象严重影响了耕地质量，造成作物减产[2-3]。

秸秆机械化直接还田是秸秆肥料化利用、培肥地力最快捷的方式。据统计，农作物秸秆直接还田1 000 kg，可增加土壤中有機质含量40%、腐植酸含量24.2%、氮含量1.93%、磷含量0.75%、钾含量1.51%，还可以增加其他微量元素含量[4]，玉米秸秆连续还田5年，可减少10%的化肥用量[5]。秸秆机械化还田是解决剩余秸秆的有效途径，也是当前秸秆综合利用的主要方式之一，有利于农业的可持续发展[6]。目前已有30多个国家开展秸秆还田技术的研究，美国采用了机械化还田技术，每年的秸秆还田量为1.6～1.8 t/hm2，要求地表覆盖量为30%以上[7];加拿大在玉米机械化收获的同时将秸秆粉碎还田;日本主要通过秸秆翻埋还田增加土壤中的有机质含量;英国通过上百年的定位试验，发现每年秸秆翻压还田量为7～8 t/hm2，18 年可增加2.4%土壤有机质含量[8]。我国是世界上秸秆产出量最大的国家[9-11]，但其利用效率较低，仅有10%的秸秆还田用作肥料[12]，随着作物产量的增加，秸秆量相应增加，秸秆随意丢弃和露天焚烧现象严重，不仅造成资源的巨大浪费，养分大量流失，农田生态系统的物质循环遭阻断，土壤肥力下降，又会破坏土壤表层团粒结构，从而影响作物生长，而且会带来大气污染，影响交通，成为雾霾天气的重要污染源之一[13]。

目前，针对不同秸秆还田方式下秸秆腐解规律的研究较多，但大多集中在我国东北地区，以秸秆翻埋和秸秆覆盖研究为主，秸秆浅层混土还田的研究较少。在我国黄淮海两熟区，秸秆覆盖量大，其粉碎程度不达标，将其覆盖于地表，不仅影响下茬作物播种和出苗，还会引发秸秆焚烧。本研究针对黄淮海秸秆量较大的地区设计一种秸秆粉碎混土还田机，在实现秸秆还田增加土壤肥力的同时还可以使秸秆与浅层土壤混合，避免其覆盖在地表时被风吹走或引起焚烧，同时有利于下茬作物播种。

秸秆粉碎混土还田机结构如图1所示，主要包括秸秆粉碎装置、秸秆混土装置、限深轮、镇压轮以及悬挂机架，其中秸秆粉碎装置与秸秆混土装置可以拆分作为单独的秸秆还田机和旋耕机使用。整机作业时由拖拉机输入动力，且只对整机进行牵引，限深轮和镇压轮与地面接触，并随地面起伏，实现机械仿形，保证秸秆粉碎装置不入土，节约动力消耗;调整限深轮和镇压轮的高度可以实现秸秆混土深度的调节;调整秸秆粉碎刀轴转速可以实现秸秆粉碎长度的改变。其主要技术参数如表1所示。

为探究秸秆粉碎混土还田机的混土深度及秸秆粉碎长度能否满足秸秆还田要求，对该机混土深度和粉碎长度范围内的玉米秸秆腐解率进行测定，以期为两熟区玉米秸秆田间肥料化利用提供机械支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018年10月至2019年6月在山东省淄博市临淄区富群农机专业合作社试验田进行，该地区位于山东省中部平原，36.8°N，118.23°E，年平均降水量为650～800 mm，降水集中在7—8月，年平均气温为12.2 ℃，属于北温带大陆性气候，土壤类型为棕褐土，耕层平均有机质含量为14.31 g/kg，常年种植小麦、玉米。

1.2 试验材料与方法

采用玉米摘穗后的整株秸秆，风干后测定含水率，分别切成长度为30、100 mm的小段，装入尼龙网袋，每袋30 g，每个处理40袋，共240袋。

1.3 试验设计

试验设计秸秆混土深度分别为5、10 cm，秸秆切段长度分别为30、100 mm，以免耕覆盖（混土深度为0 cm）为对照，共6个处理，如表2所示。秋季玉米收获后，使用秸秆粉碎混土还田机进行耕作，调整秸秆粉碎混土还田机的混土深度分别为5、10 cm，将秸秆粉碎后与土壤混合，免耕覆盖的不耕作，如图2所示。将装有不同切断长度玉米秸秆的尼龙网按不同耕作模式的实际深度袋埋入土壤（免耕覆盖的放在地表）。为保证尼龙袋中秸秆的实际腐解情况，在各处理的尼龙袋中混入一定量的土壤。

1.4 测试项目及方法

每10 d取样1次，取样后洗去泥土，烘干称质量，测定未分解秸秆的剩余量。取样同时测定该深度土壤温度。

1.5 数据分析

利用Excel、SPSS软件对数据进行制图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同还田方式对秸秆腐解率的影响

如图3所示，秸秆混土深度与切段长度对秸秆的腐解速率均产生影响，QA、QB处理的秸秆腐解率变化趋势基本一致，在秸秆还田前期腐解较快，中期趋于平缓，后期又有一定的增加，并且在秸秆还田1个月内秸秆腐解最快，QA、QB处理有25%～30%的秸秆被分解，而处理NF仅有10%～15%的秸秆被分解，腐解前期QA、QB处理的腐解速率均明显高于处理NF，分析是因为混土处理的秸秆与土壤接触，吸收土壤中的水分，更有利于秸秆腐解，这与曹莹菲等研究的秸秆腐解前期土壤水分对秸秆腐解影响较大的结果[14]一致;进入2018年11月中旬，处理QA和QB的秸秆腐解速率逐渐趋于平缓，而处理NF的秸稈腐解速率略有增加，是因为处理QA和QB的秸秆均埋入土壤，其腐解环境相似，具有相似的变化趋势，而处理NF的秸秆覆盖在地表能够提高地温，使秸秆腐解速率略有增加，测定此时的地温可知，处理NF的地温比处理QA、QB的地温分别高0.30、0.45 ℃。2019年3月中旬至小麦收获前，随着温度的逐渐上升，各处理的秸秆腐解速率均有所增加，至小麦收获时，处理QA30的秸秆总腐解率为48.5%，QA100的为43.3%，QB30的为49.8%，QB100的为45.2%，NF30的为33.0%，NF100的为31.3%，秸秆混土还田处理秸秆总腐解率明显高于免耕覆盖，说明秸秆混土还田更有利于秸秆的腐解。

不同耕作处理下相同切段长度的秸秆的最终总腐解率表现为QB100>QA100>NF100，QB30>QA30>NF30，说明将玉米秸秆混入土中比直接将其覆盖在地表更有利于腐解，混入土中的深度越深其秸秆腐解率越高，这与匡恩俊等的研究结果[15-16]一致。但在2019年3月中旬之前，处理QB的秸秆腐解率低于处理QA，3月中旬之后，处理QB的秸秆腐解速率迅速增加，腐解率明显高于处理QA，可能是因为深层翻耕初期土壤水分散失快，土壤水分含量低，减缓了秸秆的腐解速率[17-18]。

相同耕作模式下不同秸秆切段长度的玉米秸秆腐解率表现为QA30>QA100，QB30>QB100，均明显高于免耕覆盖的处理NF100和NF30，但处理NF100和NF30之间差异不明显。这说明在秸秆混土且混土深度相同时，秸秆切段长度越小越有利于秸秆腐解，但当秸秆混土深度为0即秸秆覆盖在地表时，秸秆切段长度对腐解速率的影响并不明显。

2.2 不同还田方式下秸秆腐解速度预测

表3结果表明，秸秆腐解率（y）与还田时间（x）具有一定的相关性，以三次函数拟合度最好。根据回归方程对秸秆腐解率进行预测，预测结果显示，处理QA100秸秆完全腐解需要450 d左右，处理QA30秸秆完全腐解只需320 d左右，处理QB100经过350 d秸秆才能完全腐解，处理QB30只需270 d左右秸秆即可完全腐解，而处理NF100和处理NF30则需要525 d左右才能完全腐解。由此可知，秸秆混入土中深度越深、切段长度越短，完全腐解所需的时间越短，越有利于秸秆田间肥料化利用，而秸秆覆盖在地表完全腐解所需的时间则较长，秸秆养分全部回到田间的周期较长，不利于秸秆在田间肥料化利用。

3 结论与讨论

针对两熟区秸秆覆盖量大影响下茬作物播种的问题，设计了秸秆粉碎混土还田机，在秸秆还田的基础上，避免大量秸秆覆盖在地表被风吹走或引起焚烧，同时也能实现下茬作物的顺利播种。对秸秆粉碎混土还田机作业参数范围内不同秸秆混土深度和秸秆切碎长度的秸秆腐解规律进行试验，可知不同还田方式秸秆腐解速率的变化趋势基本一致，前期腐解速率较快，中期缓慢，后期增快，并且玉米秸秆在还田后的1个月内腐解最快，混土还田处理有25%～30%的秸秆被分解，而免耕覆盖处理仅有10%～15%的秸秆被分解，从最终秸秆总腐解率来看，至小麦收获时，QA30的秸秆总腐解率为48.5%，QA100的为43.3%，QB30的为49.8%，QB100的为45.2%，NF30的为33.0%，NF100的为31.3%，混土还田处理明显高于免耕覆盖处理，因此秸秆混土还田更有利于秸秆快速腐解;且混土深度对秸秆腐解率有明显的影响，切段长度相同时，混土深度越深，秸秆总腐解率越高;秸秆混土还田模式下，秸秆的切断长度对秸秆腐解率也有明显的影响，秸秆切段长度越短，秸秆腐解率越高，但在秸秆覆盖模式下，秸秆切段长度对腐解率的影响不明显。

由不同还田方式下秸秆腐解率的回归方程可知，秸秆腐解率与还田时间之间三次函数的拟合度较好。通过回归方程预测不同还田方式下秸秆完全腐解的时间可知，QA30处理秸秆完全腐解所需要的时间为320 d左右，QA100的为450 d左右，QB30的为270 d左右，QB100的为350 d左右，而处理NF100、NF30的则需要525 d左右才能完全腐解。由此可知，免耕覆盖处理秸秆完全腐解周期较长，不利于秸秆的田间肥料化利用，而秸秆浅层混土还田处理能够使秸秆与土壤接触，缩短秸秆完全腐解的时间，有利于秸秆田间肥料化利用。

秸秆混土还田完全腐解时间受秸秆切断长度的影响，切段长度为30 mm时，混土深度为5、10 cm时均能保证秸秆在1年内完全腐解，但当切段长度为100 mm时，混土深度为5 cm时不能保证秸秆在1年内完全腐解。因此使用所设计的秸秆粉碎混土还田机进行秸秆田间机械化处理时，为保证秸秆能够在1年内完全腐解，调整混土深度为5 cm时，要增加秸秆粉碎刀轴转速，使其秸秆粉碎长度达到30 mm，而调整混土深度为10 cm时，秸秆粉碎长度为100 mm时即可在1年内完全腐解，此时可以降低粉碎刀轴转速，以减少动力消耗。

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