秸秆机械沟埋还田对埋草沟排水降渍效果及小麦生长的影响

秸秆机械沟埋还田对埋草沟排水降渍效果及小麦生长的影响

中国是一个伟大的农业国家，也是最丰富的稻草资源的国家之一。每年生产6.4万吨农业稻草，其中小麦和水稻约占48.24%。如何合理有效地管理和控制农业生产中的稻草稻草已成为中国农业生产面临的紧迫问题。机械化秸秆还田可及时处理大量农作物秸秆,避免因秸秆腐烂、焚烧造成的环境污染问题,并可增加土壤有机质含量,培肥地力,提高农作物产量等。秸秆还田作为一种有效的秸秆处理方式虽然得到了应用,但由于其存在高产超高产条件下难以全量还田,大量秸秆还田容易导致农田表层土壤耕作困难,还田过浅又易导致秸秆分解速度过快、碳汇作用受限且不利于加深耕层等一系列问题得不到大力推广,因此积极探索寻求新的秸秆还田方式势在必行。“秸秆机械集中沟埋还田”是为解决长江下游水网农业区降水量丰富、地势平缓,稻作农作制为主、复种指数高、化肥投入强度大、秸秆还田量大等综合性问题而提出的将全量秸秆安全还田和土壤局部轮换深翻有机结合起来的一种新型土壤耕作技术体系。目前国内外尚无人对秸秆机械沟埋还田进行研究,以往研究只是在稻麦联合收获后,用常规开沟机在田间开出墒沟,再用人工将联合收获机排出的秸秆埋入墒沟内,埋入墒沟里的秸秆上不再覆土种后茬作物,这种秸秆还田方式只起排水作用。鉴于此,本项试验主要研究作物收获时选择适宜的开沟机在田间主动开挖一定深度的秸秆填埋沟,并将作物秸秆就地集中埋入沟内,随即对沟内秸秆稍加镇压并覆土掩埋种植后茬作物。经过几年秸秆机械沟埋还田,整个田间被开沟、埋草一遍,相当于进行了一次机械耕翻,达到秸秆还田与少耕、轮耕结合的作业效果。结合秸秆埋入草沟里的厚度一般在4cm(麦秆)-8cm(稻秆),结合作物生长实际情况,所选开沟机开沟深度不能低于20cm,由此秸秆机械沟埋还田覆土厚度将会超过10cm,埋入埋草沟的秸秆在腐解过程中不接触后茬作物,不会对后茬作物产生“烧苗”现象。为了方便埋草后易于覆土,开沟时尽量使泥土集中堆积在埋草沟两侧,目前常规的开沟机没有此功能,只是用于作物播种后开排水沟,开沟质量不高。基于此,在选择常规开沟机时要对其进行改进。为完善秸秆集中沟埋技术,对于所选开沟机要进行开沟质量及性能测试,判定是否满足秸秆机械集中沟埋还田埋草、覆土要求。根据测试指标探寻适宜的开沟机提供理论依据。同时检验其秸秆机械沟埋还田埋草沟是否具有排水功能及对小麦出苗质量有无影响,旨在说明秸秆机械沟埋还田是否具有可行性。1材料和方法1.1方挡土板田间试验试验机器为改进的东方红904双盘开沟机(图1),在双盘开沟机每块挡土板顶部焊接一块长方形挡土板(长90cm,宽35cm),焊接的挡土板长边与原挡土板短边重合,短边与原挡土板侧边夹角小于90°;再在原挡土板两侧各焊接一块三角形挡土板,三角形挡土板长边(50cm)与原挡土板侧边重合,短边(35cm)与焊接的长方形挡土板短边重合;共焊接了六块挡土板(图2)。改进后的开沟机于2011年11月16日在上海东滩上实公司渠南5号地进行田间试验,试验地势低平,地面高程3.80m,地下水位0.80m。土壤类型为粘土,0~20,20~30cm表层土壤有机质含量分别为17.57,15.98g·kg-1,全氮含量分别为1.02,0.86g·kg-1,全磷含量为0.69,0.66g·kg-1,速效钾含量分别为167.24,193.86mg·kg-1。试验田前茬作物为金丰水稻。试验地的作物及土壤基本情况如表1和表2所示。1.3秸秆全量粉碎还田采用小区试验,其面积为2100m2(50m×42m)。秸秆分别以20cm和30cm两个深度机械沟埋还田,以常规粉碎还田处理为对照。每个处理设置3个重复;每个处理小区之间田埂隔开,每个处理3个重复小区之间用排水沟隔开。CK秸秆机械常规全量粉碎还田:小区实行常规深翻耕(20~25cm)1次、深旋(15~20cm)两次,秸秆全量还田。水稻秸秆还田量以1kg·m-2折算,秸秆常规还田后小区实行直播小麦后开排水沟。排水沟沟宽15cm,沟深30cm,纵向沟间距2.80m、横向沟间距50m。T秸秆机械沟埋还田:每个小区机械开沟20条,自北向南排列。沟宽35cm,沟长50m,沟间距2.10m,沟深(D)分别为20cm(D2),30cm(D3)。根据秸秆整秆全量沟埋还田,全量水稻秸秆分别以1kg·m-2折算,即试验区秸秆沟埋量为2.1kg·m-1(1m沟掩埋2.1kg秸秆),秸秆沟埋还田后小区实行免耕直播小麦。1.4秸秆机械沟埋还田可行性分析试验主要测定东方红904双盘开沟机慢一档条件下开沟作业质量、机械开沟埋草覆土后对农田排水和小麦出苗及生长质量影响,以便满足秸秆机械沟埋还田农艺要求,旨在说明秸秆机械集中沟埋还田的可行性。1.4.1测量开口的质量沿机器作业方向测试机械开沟质量,考察其开沟质量是否满足埋草、覆土要求。机械开沟质量测试方法参考陈玉仑,王金武,杨宏图等。1.4.2埋草沟深度测定2012年2月9日晚上10点至2月10日下午6点,试验区连续降雨量达到20mm,试验地土壤达到饱和含水量(40.87%)。测定位置分别为距20cm深埋草沟或排水沟边10,20,30cm。同时监测20,30cm2个埋草沟深度处理沟边10cm处土壤含水量的动态变化,对照测定位置为无沟小区正中心位置,测定深度均为10cm。均采用便携式TRIME-IPHTDR土壤水分测定仪进行连续12d的定点监测,测定20cm深埋草沟和排水沟的沟边土壤体积含水量的动态变化。1.4.3出苗时间及时间小麦播种时间为2011年11月26日,出苗时间为2011年12月5日,在小麦长到三叶一心时开始考察出苗情况。进入分蘖期时,考察小麦苗情及干物质累积量。1.4.4处理数据本研究试验数据的处理以及计算和作图采用Excel2003。2结果与分析2.1打开和关闭2.1.1平均深度和沟深变异系数开沟装置在D2,D3处理开出的梯形沟上、下口宽分别约为35.00cm和19.10cm,平均深度约为19.50,29.90cm。沟深变异系数分别为9.00%,2.10%。测试结果表明(表3),该机作业性能满足秸秆机械沟埋还田开沟技术要求,工作效率高。2.1.2集中抛土稳定性由表3可知,改进过的开沟机集中抛土距沟边较近,最远抛土距沟边的距离都比常规的较近(抛土宽度1.00~1.50m、文献集中抛土距离1.60m,最远抛土距离为2.50m)。D2和D3处理集中抛土稳定性系数分别为87.16%和89.47%。集中抛土厚度较常规明显增厚(文献实测覆土厚度4~6cm),都满足秸秆沟埋还田埋草后覆土厚度超过10cm以上要求,不影响种在埋草沟上的后茬作物正常生长。2.1.3农业埋草膜对土壤保水作用由表3可知,D2和D3处理开沟碎土率平均值分别为96.41%和94.48%,较罗海峰研究的开沟机在粘壤土土壤湿度环境下(25%~30%),土壤碎土率可达84%~88%,土块较为细碎,埋草覆土后可直接免耕播种,减少一次旋耕作业,减少成本。D2和D3处理回土率分别为1.71%和2.22%,埋草沟回土率少、沟底平整,沟壁整齐平滑,满足农业埋草的要求。整体上沟深30cm土壤容重、毛管孔隙度、坚实度都较20cm大(表2);但沟深30cm的开沟质量较20cm差(表3),从而可看出开沟机越往土层深处开,土层湿度越小、地块越板结、阻力就越大,开沟质量略差。但其集中抛土距离较近,覆土稳定性较好。2.2为水稻机械沟的填充和恢复对土壤水分的影响2.2.1降雨和排水系统对土壤含水量的影响距20cm深埋草沟沟边10cm处土壤体积含水量测定结果(图3-a)显示,埋草沟与排水沟具有几乎相同的土壤含水量变化趋势,降雨结束后3d内土壤含水量从40.87%下降到38.46%和38.21%,平均每天降低了1.22和1.35个百分点;与CK相比,土壤含水量减低了1.97和2.22个百分点。降雨结束后4~12d内,土壤含水量下降速度明显减缓,分别从38.46%和38.21%下降到35.74%和35.40%,平均每天下降了0.30和0.31个百分点,分别为第一阶段(第1天到第3天)下降速度的24.77%和23.21%;与CK相比,土壤含水量下降了1.45和1.79个百分点。距20cm深埋草沟沟边20cm处土壤含水量测定结果(图3-b)显示,降雨结束后3d内埋草沟与排水沟具有几乎相同的土壤含水量变化趋势,土壤含水量从40.87%下降到38.34%和38.60%,平均每天降低了1.27和1.14个百分点;与CK相比,土壤含水量减低了2.09和1.83个百分点。降雨结束后4~12d内,土壤含水量下降速度明显减缓,分别从38.34%和38.60%下降到36.04%和35.44%,平均每天下降了0.33和0.34个百分点,比第1天到第3天的1.27%和1.14%减缓了0.94和0.80个百分点;与CK相比,土壤含水量下降了1.15和1.74个百分点。距20cm深埋草沟沟边30cm处土壤含水量测定结果(图3-c)显示,降雨结束后1d埋草沟与排水沟处理测量的土壤含水量下降幅度达到1.16和0.91个百分点,比对照的下降幅度0.40个百分点大了1倍多。第2天到第6天之间,不同处理之间的土壤含水量下降幅度基本接近,分别下降了1.68和1.57个百分点,平均每天降低了0.42和0.39个百分点;与对照(未开沟处理)相比,土壤含水量减低了0.99和0.63个百分点。降雨结束后6~12d,埋草沟处理的土壤含水量与对照37.15%基本相近,下降到37.13%,仅降低了0.90个百分点,平均每天下降0.15个百分点;排水沟处理与对照(未开沟处理)相比,土壤含水量下降了1.63个百分点。从以上分析可以看出,在降雨停止的3d内,埋草沟具有与排水沟相近的土壤降渍效果,距埋草沟和排水沟越近的地方,土壤含水量降低越快,埋草沟和排水沟的降渍效果比较接近。经一定时间后土壤水分降到一定程度,埋草沟对土壤具有一定的保水作用。2.2.2土壤含水量距20,30cm深埋草沟沟边10cm处土壤体积含水量的测定结果(图4)显示。降雨结束后3d内,沟深20,30cm草沟土壤含水量下降幅度分别为2.26,2.70个百分点,平均每天降低1.13,1.35个百分点;与CK相比,含水量下降幅度比对照分别大0.91,1.13个百分点。第4天到第12天之间,沟深20和30cm深埋草沟的土壤含水量分别从38.06%和38.02%下降到35.29%和35.05%,平均每天降低了0.35和0.37个百分点;与对照相比,土壤含水量降低了2.13和2.37个百分点。不同沟深埋草沟的降渍效果优劣排序为30cm>20cm>CK。2.3秸秆还田对小麦穗生长的影响从表4可看出同一时期苗情及干物质累积量秸秆机械沟埋还田都较常规还田好,除此之外试验小区D2,D3每株小麦麦粒重较CK分别增加了15.48%,5.81%,小麦穗长较CK分别增长24.46%,20.18%,产量明显增加,较CK分别增长23.30%,13.80%,增加产量百分比秸秆机械沟埋还田较常规还田增加5.36%的种植面积高很多(增加的15条排水沟面积112.56m2占小区面积2100m2的比例)。小麦出苗及生长情况整体上是D2>D3>CK,可见秸秆机械沟埋还田具有可行性。3秸秆沟埋还田对小麦生长和生长发育的影响通过在常规东方红904双盘开沟机档土板上焊接合适的档土板,解决了秸秆机械沟埋还田埋草后覆土难的问题,测试改进开沟机发现此开沟机开沟质量稳定,满足秸秆机械沟埋还田埋草要求;由于改进开沟机开沟性能良好,碎土率高,埋草覆土后可直接免耕播种,减少了机械作业次数,节约了成本,降低小麦种植成本,创造了社会效益机械沟埋还田埋草沟与排水沟垂直相通,具有排水功能;秸秆沟埋还田能够减少麦田含水量,改善氧气供应状况,促进正常呼吸、以利于小麦生长发育。而常规还田不具此功能,只能借助于排水沟排水减少麦田含水量,致使麦田无积水小麦正常生长。秸秆机械沟埋还田后田块地表清洁,土壤紧实,播下的小麦种子深浅一致,出苗均匀,