黑龙江省保护性耕作专家技术指导报告之一
导言：为深入贯彻习近平总书记关于对东北黑土地实行战略性保护的重要指示精神，认真落实党中央、国务院决策部署，加快保护性耕作推广应用，按照农业农村部 财政部关于印发《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年）》的通知要求，在省委、省政府的领导下，省农业农村厅积极组织制定黑龙江省行动计划和工作方案。为了积极推广适合我省的保护性耕作技术，省农业农村厅农业机械化管理处组织保护性耕作专家推出研究报告和技术指导意见，希望广大农机工作者参与研讨，农机管理和农机推广工作者把合理的技术传授到广大农民手里，让我们共同努力为我省黑土地保护出一份力。
黑龙江省松嫩平原玉米秸秆
粉碎还田耕种机械化技术模式研究
孙士明 王俊和
（黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081）
摘要：玉米是黑龙江省第一大粮食作物，也是第一大秸秆产出作物，在绿色生态可持续发展理念引领下，玉米秸秆焚烧压力巨大。通过玉米秸秆粉碎覆盖还田耕种机械化技术模式、玉米秸秆粉碎翻埋还田耕种机械化技术模式、玉米秸秆粉碎碎混还田耕种机械化技术模式和玉米秸秆离田耕种机械化技术模式对比试验研究，提出适合松嫩平原玉米秸秆粉碎还田耕种机械化技术模式。
关键词：玉米秸秆；还田耕种；模式
0 引言
黑龙江省地处我国黄金玉米生产带最北端，玉米主产区主要在松嫩平原，属于北方春玉米早熟区。目前，黑龙江省玉米种植面积基本稳定在650万hm2，玉米产量达到3300万t左右，分别占全省农作物播种面积和产量的45%左右，成为黑龙江省第一大粮食作物，也是全国第一大玉米主产省。玉米的粮食产量较高，而秸秆的产量更高，谷草比达到1:1.3，全省玉米秸秆产量达到4300万t左右。近年来，黑龙江省各地区雾霾现象频发。环保部门表示，持续的弱风和逆温等气象条件、秸秆焚烧和秋冬季的燃煤供暖为导致雾霾天气的主要原因。在绿色生态可持续发展理念引领下，传统玉米秸秆焚烧处理的方式必然改变，玉米秸秆焚烧压力前所未有。玉米秸秆综合利用应该以还田为主，离田为辅，这是实现“藏粮于地”、保护黑土资源、减轻环境污染的有效措施。因此，开展玉米秸秆粉碎还田耕种机械化技术模式研究，对加快玉米秸秆粉碎还田机械化技术推广应用十分必要。
1 试验
1.1 试验地点
2017年，在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院富拉尔基区试验基地。富拉尔基位于齐齐哈尔市西南，嫩江中游，属松嫩平原玉米主产区。地理坐标为北纬47°12′，东经123°40′。年平均气温4℃，年平均活动积温2700℃，属第一积温带。受季风影响，冬季降水很少，气候干燥。夏季降水较多，气候湿润。多年平均降水量在336.1毫米。降水时间分配很不均匀。试验地土壤类型为碳酸盐黑钙土，土壤肥力中等。
1.2试验设计
试验共设置四种处理，分别为玉米秸秆粉碎覆盖还田（MSR）、玉米秸秆粉碎翻埋还田（PSR）、玉米秸秆粉碎碎混还田（RSR）和旋耕无秸秆还田（RT）。处理1：玉米秸秆粉碎覆盖还田耕种机械化技术模式（MSR），秸秆粉碎还田均匀覆盖，秸秆粉碎长度小于10cm --秋季深松，深度大于30cm --第二年春季单粒播种 ，重型免耕播种机--药剂灭草防病虫--秋季机械收获。处理2：玉米秸秆粉碎翻埋还田耕种机械化技术模式（PSR），秸秆粉碎还田均匀覆盖，秸秆长度小于20cm ---秋季机械深翻，选用40以上犁体，带小前犁，翻耕深度大于30cm---秋季机械耙碎，轻耙或驱动耙或旋耕机，耙深10-14cm, ---秋季整平或起垄---第二年春季单粒播种，普通单粒播种机 ---药剂灭草防病虫---秋季机械收获。处理3：玉米秸秆粉碎碎混还田耕种机械化技术模式（RSR），秸秆粉碎还田均匀覆盖，秸秆粉碎长度小于10cm ---秋季深松，深度大于30cm ---秋季机械耙碎，重耙两遍---秋季整平或起垄---第二年春季单粒播种，轻型免耕播种机 ---药剂灭草防病虫---秋季机械收获。处理4：玉米秸秆离田耕种机械化技术模式（RT），秸秆离田（根茬和秸秆残留量占20%）---秋季灭茬旋耕起垄---第二年春季单粒播种，普通单粒播种机 ---药剂灭草防病虫---秋季机械收获。秸秆还田处理的还田量（上一年10月）为14700 kg/hm2，基本情况见表1。采用大区对比，不设重复，每个处理35行，大区面积5亩。种肥一次性施入复合肥750 kg /hm2。播种后喷灌30 mm，成熟期收获测产。
1.3 调查项目及测定方法
（1）用称量法测定秸秆腐解情况，秸秆损失率=（秸秆量-秸秆剩余量）/秸秆量×100%。（2）采用土壤水分温度测定仪，测定出苗、7叶期和9叶期土壤温度和含水率。（3）采用重铬酸钾容量法测定播种前和收获后土壤有机质含量。（4）调查苗期、拔节期、吐丝期和成熟期株高、茎粗和叶片数。（5）收获测产：每个处理测3点，每个点取10m2植株的果穗，测定穗长、穗长、行数、行粒数及粒重，计算出公顷籽粒产量（14%标准含水量）。（6）经济效益分析。
表1 基本情况记录表
|
处理 |
面积（亩） |
耕作方式 |
耕作深度（厘米） |
耙次数 |
秸秆 |
品种 |
生育期（天） |
亩保苗（株） |
年降雨量（ lang="EN-US">mm） |
有效积温（ lang="EN-US">℃） |
||||
|
产量（公斤 lang="EN-US">/ha） |
长度（厘米） |
根茬高度（厘米） |
还田量（公斤 lang="EN-US">/ha） |
比例（ bold" lang="EN-US">%） |
||||||||||
|
bold" lang="EN-US">MSR |
bold" lang="EN-US">5 |
免耕 |
bold" lang="EN-US">0 |
bold" lang="EN-US">0 |
bold" lang="EN-US">14700 |
bold" lang="EN-US">10 |
bold" lang="EN-US">5 |
bold" lang="EN-US">14700 |
bold" lang="EN-US">100 |
先玉 bold" lang="EN-US">335 |
bold" lang="EN-US">142 |
bold" lang="EN-US">4000 |
bold" lang="EN-US">327.2 |
bold" lang="EN-US">2952.4 |
|
bold" lang="EN-US">PSR |
bold" lang="EN-US">5 |
深翻 |
bold" lang="EN-US">30 |
bold" lang="EN-US">1 |
14700 |
bold" lang="EN-US">10 |
bold" lang="EN-US">0 |
bold" lang="EN-US">14700 |
bold" lang="EN-US">100 |
先玉 bold" lang="EN-US">335 |
bold" lang="EN-US">142 |
bold" lang="EN-US">4000 |
bold" lang="EN-US">327.2 |
bold" lang="EN-US">2952.4 |
|
bold" lang="EN-US">RSR |
bold" lang="EN-US">5 |
碎混 |
bold" lang="EN-US">30 |
bold" lang="EN-US">2 |
14700 |
bold" lang="EN-US">10 |
bold" lang="EN-US">0 |
bold" lang="EN-US">14700 |
bold" lang="EN-US">100 |
先玉 bold" lang="EN-US">335 |
bold" lang="EN-US">142 |
bold" lang="EN-US">4000 |
bold" lang="EN-US">327.2 |
bold" lang="EN-US">2952.4 |
|
bold" lang="EN-US">RT |
bold" lang="EN-US">5 |
旋耕 |
bold" lang="EN-US">15 |
bold" lang="EN-US">0 |
14700 |
bold" lang="EN-US">10 |
bold" lang="EN-US">0 |
bold" lang="EN-US">2940 |
bold" lang="EN-US">20 |
先玉 bold" lang="EN-US">335 |
bold" lang="EN-US">142 |
bold" lang="EN-US">4000 |
bold" lang="EN-US">327.2 |
bold" lang="EN-US">2952.4 |
2 试验结果与分析
2.1不同处理秸秆腐解情况
如表2所示，上一年10月，四种秸秆还田处理的秸秆量均为14700 kg/hm2，到第二年4月，不同还田处理的秸秆剩余量表现为RSR>PSR>MSR，这主要是由于覆盖在地表的秸秆受到风蚀等原因，导致秸秆量大幅降低，因此MSR处理秸秆剩余量较少，而PSR和RSR秸秆经过腐解，秸秆量逐渐下降，由于上一年10月至第二年4月温度较低，秸秆腐解较慢，MSR、PSR和RSR秸秆损失率分别为28.6%、22.9%和20.6%。4月至7月，随着温度升高，各处理的秸秆腐解速率增加。7月至10月，受温度和水分影响，该时期秸秆腐解速率最快。从上一年10月至第二年10月，即经过一年的腐解，MSR、PSR和RSR秸秆损失率分别为73.2%、94.6%和93.6%，说明PSR处理秸秆腐解效果更好。
表2 秸秆腐烂情况测试表
|
秸秆量kg/hm2 处理 |
上一年10月 |
4月 |
7月 |
10月 |
|
MSR |
14700 |
10500 |
6800 |
3940 |
|
PSR |
14700 |
11348 |
6057 |
797 |
|
RSR |
14700 |
11678 |
6470 |
947 |
2.2不同处理对土壤温度影响
土壤温度如表3-1、3-2和3-3所示，各处理土壤温度变化规律一致，即下午15时土壤温度略高于上午9时，不同土层间温度有所差异，其中表层温度最高，随着土层深度增加，土壤温度逐渐下降。不同处理间土壤温度表现为PSR>RSR>RT>MSR，说明PSR和RSR具有提高土壤温度作用，而MSR由于秸秆覆盖在地表，影响地表温度的升高，因此MSR土壤温度略低于其他处理。
表3-1 苗期（5月15日）地温测试表/℃
|
时期 深度（厘米） |
9时 |
15时 |
||||||
|
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
|
|
5 |
18.0 |
18.8 |
18.6 |
18.4 |
18.4 |
19.2 |
18.9 |
18.8 |
|
10 |
17.6 |
18.1 |
17.8 |
17.9 |
17.9 |
18.5 |
18.2 |
18.3 |
|
15 |
16.1 |
17.6 |
16.7 |
16.6 |
16.4 |
17.8 |
17.0 |
16.9 |
|
20 |
15.3 |
16.8 |
16.3 |
15.8 |
15.6 |
17.1 |
16.5 |
16.0 |
表3-2 7叶期（6月15日）地温测试表/℃
|
时期 深度（厘米） |
9时 |
15时 |
||||||
|
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
|
|
5 |
21.4 |
22.4 |
22.3 |
21.8 |
21.7 |
22.6 |
22.8 |
22.3 |
|
10 |
20.9 |
22.0 |
21.6 |
21.3 |
21.2 |
22.6 |
22.0 |
21.8 |
|
15 |
20.5 |
21.4 |
21.2 |
20.8 |
20.7 |
21.7 |
21.7 |
21.2 |
|
20 |
20.2 |
21.2 |
20.9 |
20.1 |
20.4 |
21.6 |
21.5 |
20.7 |
表3-3 9叶期（7月15日）地温测试表/℃
|
时期 深度（厘米） |
9时 |
15时 |
||||||
|
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
|
|
5 |
26.0 |
26.7 |
26.6 |
26.3 |
26.2 |
27.0 |
26.8 |
26.5 |
|
10 |
25.4 |
26.2 |
25.6 |
25.5 |
25.7 |
26.6 |
26.1 |
25.9 |
|
15 |
25.0 |
25.7 |
25.2 |
25.1 |
25.4 |
26.2 |
25.8 |
25.6 |
|
20 |
24.7 |
25.2 |
25.0 |
25.0 |
24.9 |
25.6 |
25.4 |
25.3 |
2.3不同处理对土壤含水率影响
如表4所示，土壤含水量率结果表明，苗期、7叶期和9叶期土壤含水率具有相同变化趋势，即随着土层深度增加，土壤含水率逐渐增加。不同处理间比较，总的来看，表现为MSR>PSR>RSR>RT，和RT相比，0-15 cm土层MSR、PSR和RSR土壤平均含水率分别增加6.2%~25.4%、4.8%~9.9%、2.1%~4.4%，说明秸秆还田具有保持土壤水分作用，且秸秆覆盖效果较好，而RT由于旋耕处理，导致土壤水分容易散失，因此较其他三种秸秆处理，其土壤含水率较低。
表4 土壤水分测试表/%
|
土层/cm |
5月15日 |
6月15日 |
7月15日 |
|||||||||
|
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
|
|
5 |
31.9 |
31.3 |
31.1 |
27.5 |
28.1 |
27.7 |
26.4 |
26.0 |
29.6 |
22.8 |
20.4 |
19.6 |
|
10 |
33.8 |
33.5 |
33.0 |
33.1 |
31.3 |
30.7 |
29.6 |
28.9 |
34.0 |
28.3 |
29.7 |
27.8 |
|
15 |
34.5 |
34.3 |
34.1 |
33.6 |
35.8 |
31.9 |
30.8 |
30.1 |
36.5 |
33.6 |
31.0 |
30.5 |
|
20 |
35.8 |
35.2 |
35.6 |
33.9 |
36.3 |
34.6 |
33.3 |
32.6 |
37.6 |
36.0 |
33.4 |
31.9 |
2.4不同处理对土壤有机质含量影响
如表4所示。秸秆经过一段时间的腐解，有机质释放到土壤中，成熟期收获时（10月）秸秆还田的三种处理有机质含量较播种前有所提高，其中PSR秸秆腐解效果更好，有机质含量增幅较大，达到0.04%，平均年增加0.03%。而RT处理成熟期有机质含量较播种前降低，说明在无外源有机物料施入的情况下，土壤有机质被逐渐消耗，含量降低。不同处理间土壤有机质含量增加表现为PSR>RSR>MSR>RT。
表5 土壤有机质记录表
|
项 目 |
4月 |
10月 |
||||||
|
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
MSR |
PSR |
RSR |
RT |
|
|
土壤有机质含量g kg-1 |
24.1 |
24.3 |
24.5 |
24.4 |
24.3 |
24.7 |
24.8 |
24.3 |
2.5不同处理对作物生长影响
如表6所示，各处理株高、茎粗有所差异，表现为PSR>MSR>RSR>RT。株高在一定程度上能反映出作物生长状况，之前有研究表明，株高与产量呈正相关。产量结果表明，MSR、PSR和RSR处理穗长、穗粗、百粒重和产量均高于RT处理，且产量差异显著，说明秸秆还田对提高作物产量具有明显的促进作用，这主要是由于秸秆还田能够改善土壤结构，为作物生长提供适宜的水、热、气环境，有利于作物根系对水、养分的吸收，同时，秸秆还田可产生更多有机质，促进作物生长发育及后期营养物质的积累，进而提高作物产量。和RT相比，PSR、MSR和RSR产量分别提高6.8%、5.9%和3.9%。
表6 作物生长记录表
|
处理 |
苗期 |
拔节期 |
抽雄期 |
吐丝期 |
成熟期 |
||||||||||
|
出苗日期 |
株高（厘米） |
株高（厘米） |
茎粗（厘米） |
叶片数（分蘖数） |
株高（厘米） |
茎粗（厘米） |
叶片数 |
株高（厘米） |
茎粗（厘米） |
叶片数（分蘖数） |
穗长（厘米） |
穗粗（厘米） |
百(千)粒重（g） |
产量 （公斤/亩） |
|
|
MSR |
5.28 |
16 |
133 |
0.70 |
12 |
291 |
2.87 |
11 |
294 |
2.51 |
11 |
23.5 a |
5.00 a |
27.97 b |
684.8 b |
|
PSR |
5.28 |
18 |
134 |
0.75 |
12 |
292 |
2.89 |
11 |
299 |
2.59 |
11 |
24.0 a |
5.07 a |
28.93 a |
690.5 a |
|
RSR |
5.28 |
15 |
128 |
0.62 |
12 |
289 |
2.64 |
11 |
286 |
2.49 |
11 |
23.0 b |
4.86 b |
26.72 c |
672.1 c |
|
RT |
5.28 |
16 |
124 |
0.63 |
12 |
287 |
2.64 |
11 |
283 |
2.48 |
11 |
22.5 c |
4.73 b |
26.69 c |
624.5 d |
2.6经济效益分析
投入产出结果如表7所示，MSR机械成本较CK减少20元/亩，PSR和RSR机械成本较CK分别增加43元/亩和5元/亩。亩纯收益表现为MSR>RSR>PSR>CK，较CK分别增收29.1%、15.5%和0.36%。说明MSR对降低投入成本、提高净收益效果较好。
表7 投入产出记录表
|
处理 |
投入 |
产出 |
亩纯收益（元） |
|||||||||
|
种子 (元/亩) |
肥 （元/亩） |
农药 （元/亩） |
机耕费（元/亩） |
人工费（元/亩） |
其它 （元/亩） |
合计 （元/亩） |
产量 （公斤/亩） |
籽粒含水量（%） |
单价 （元/斤） |
收入 （元/亩） |
||
|
MSR |
27 |
120 |
10 |
137 |
27 |
8 |
329 |
684.8 |
34.2 |
0.5 |
684.8 |
355.8 |
|
PSR |
27 |
120 |
10 |
210 |
27 |
8 |
402 |
690.5 |
34.0 |
0.5 |
690.5 |
288.5 |
|
RSR |
27 |
120 |
10 |
162 |
27 |
8 |
354 |
672.1 |
36.2 |
0.5 |
672.1 |
318.1 |
|
RT |
27 |
120 |
10 |
157 |
27 |
8 |
349 |
624.5 |
36.8 |
0.5 |
624.5 |
275.5 |
3结论
结合当年气候条件，通过对秸秆腐解效果、土壤温度、有机质含量、作物生长及产量指标测定，结果表明，秸秆还田处理均优于CK，且PSR效果最好，其次为RSR、MSR。和RT相比，PSR、MSR和RSR产量分别提高6.8%、5.9%和3.9%。而通过对土壤含水率测定发现，MSR对土壤蓄水保墒效果最好，这对西部干旱区玉米生产尤为重要。经济效益分析结果表明，MSR机械成本较CK减少20元/亩，PSR和RSR机械成本较CK分别增加43元/亩和5元/亩。亩纯收益表现为MSR>RSR>PSR>CK，较CK分别增收29.1%、15.5%和0.36%，说明MSR对降低投入成本、提高净收益效果明显
