劉少東，汪 春，張 偉，王漢羊

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b. 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

東北地區(qū)是我國玉米的適宜種植區(qū)和最大主產(chǎn)區(qū)[1]，玉米播種面積占全國玉米總播種面積的30%以上，春玉米產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量的29%[2]。黑龍江墾區(qū)是我國機械化程度最高的商品糧生產(chǎn)基地，2013年玉米種植面積達到89萬hm2，占黑龍江省玉米播種面積13%以上[3～4]。秸稈是重要農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)業(yè)投入要素的50%左右轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物秸稈[5]。秸稈是大量水肥光氣熱等資源的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，但在我國僅有10%的秸稈還與農(nóng)田，被廢棄和焚燒的損失量高達21%[6]。丟棄或焚燒均是對農(nóng)業(yè)資源的巨大浪費，且會造成環(huán)境污染。目前，秸稈肥料化、飼料化和燃料化是國內(nèi)秸稈利用的主要方式。然而，考慮到次年玉米種植搶農(nóng)時需要，墾區(qū)玉米收獲后必須在土壤封凍前完成翻松和起壟，實現(xiàn)“黑色越冬”，因此需要在極短時間內(nèi)處理掉海量玉米秸稈。受制于快速打捆運輸和存放場地條件，飼料化與燃料化方法均難以實現(xiàn)。近年來，隨著黑龍江墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年限的增加，黑土中所含有機質(zhì)減少，土壤肥力下降，土地退化情況日益嚴(yán)重。秸稈含有碳、氮、磷、鉀及各種微量元素，還田后可以培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性能，提升土壤有機質(zhì)，增強土壤保蓄水能力[7]。黃毅[8]、王喜艷[9]等的研究表明：玉米秸稈翻埋還田更能有效避免營養(yǎng)元素的揮發(fā)，改善土壤理化性質(zhì)和作物生長的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。因此，秸稈破碎后直接翻埋還田，是當(dāng)前黑龍江墾區(qū)玉米秸稈處理的最合理方式。

由于種植習(xí)慣及氣候條件差異，目前黑龍江農(nóng)墾不同管理局旱作區(qū)玉米種植模式與機械化耕作模式多種形式并存。體現(xiàn)在秸稈粉碎還田模式上，各農(nóng)場玉米收獲后在秸稈粉碎方式、粉碎程度及秸稈翻埋深度等方面還在耕作實踐中摸索經(jīng)驗，尚未形成統(tǒng)一共識，秸稈還田模式尚有優(yōu)化空間。

秸稈還田方法與種植成本息息相關(guān)，合理的耕作模式是產(chǎn)出與成本之間的最佳平衡點。找到在不同翻埋深度、不同土壤含水量及不同破碎程度條件下玉米秸稈的腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放規(guī)律，可為找到秸稈還田效果和耕作成本上最佳結(jié)合點，進而為黑龍江墾區(qū)玉米秸稈還田模式乃至玉米耕作模式提供依據(jù)。

1 方法與材料

本試驗采用正交試驗設(shè)計方法，綜合分析影響秸稈還田效果影響因素[10]，選取秸稈長度、秸稈埋置深度、土壤含水量及腐解時間為試驗因素。經(jīng)多個農(nóng)場現(xiàn)場調(diào)研，目前黑龍江墾區(qū)還田玉米秸稈破碎程度為長度6cm左右，秸稈平均埋深為20cm，耕深極限值為30cm。文獻[11]給出了黑龍江各地土壤質(zhì)量含水率變化范圍為11%～36%。以上述各因素的均值或范圍為參考，不考慮因素間交互作用，采用4因素3水平正交試驗設(shè)計方案，各因素及其水平取值情況如表1所示。

表1 驗 正交試驗因素水平表

選取L9(34)正交設(shè)計表進行試驗組合，各試驗組因素及水平安排如表2所示。

表2 正交試驗方案及實驗結(jié)果表

供試秸稈取自黑龍江墾區(qū)北安管局建設(shè)農(nóng)場，玉米品種為德美亞2號。取樣時間為玉米收獲期，選擇若干徑粗3.5cm左右玉米稈，從根部截斷整株取回并去除葉片及葉鞘后，截取較難腐解的秸稈下段(從根部向上30cm)，作為供試材料。按正交試驗需要，將秸稈分別切為3、6、9cm小段后用烘箱烘干備用。

供試土壤為取自北安管局建設(shè)農(nóng)場0～20cm耕層土壤。土壤取回后過篩剔除小石塊及植物根系等雜物，經(jīng)風(fēng)干后充分拌和混勻，從中隨機取樣測試土壤養(yǎng)分情況為：有機質(zhì)含量7.7 g/kg，堿解氮含量159.2mg/kg，速效磷含量17.3mg/kg，速效鉀含量72.8mg/kg，pH值為5.64。將土樣分為3份，分別將其加水調(diào)制為質(zhì)量含水率10%、20%和30%，然后裝滿尺寸為L50cm×W50cm×H50cm的9個自制木質(zhì)試驗箱，并將試驗箱按照正交試驗方案中含水量水平編號后備用。

秸稈腐解率測定采用尼龍袋法。具體做法是：將不同長度烘干秸稈段各取30g，裝入60目尼龍袋內(nèi)(尺寸為15cm×10cm)并編號，按試驗方案埋入方案中的預(yù)定深度。尼龍袋埋入試驗箱前，分別在袋內(nèi)裝入足量對應(yīng)含水量的土壤后混勻，確保秸稈與土壤充分接觸。此外，埋入位置距箱體四壁至少10cm，避免土與箱壁接縫影響試驗結(jié)果。

在室內(nèi)培養(yǎng)條件下進行，試驗地點位于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)業(yè)水土實驗室，室內(nèi)裝有空調(diào)裝置用于控溫。試驗箱按正交試驗設(shè)計表編號后置于實驗室內(nèi)，并按照稱重補水法確保箱內(nèi)土壤總體含水量保持不變，室內(nèi)溫度保持在(25±3℃)。試驗箱內(nèi)尼龍袋按表2中預(yù)定時間，分別在30、90、150天時測取秸稈腐解率。

腐解率測試方法：將尼龍袋取出后，分離土壤與秸稈殘余物，將秸稈殘余物沖洗并烘干后稱重，用失重法[12]計算秸稈腐解率Rd。具體計算公式為

Rd=(Wi-Wf)/Wi×100%

式中Wi—秸稈初始干重；

Wf—秸稈腐解殘余物干重。

2 試驗結(jié)果與分析

表2中，試驗結(jié)果所列腐解率數(shù)據(jù)為重復(fù)3次試驗(同條件下同時埋入3袋，確保重復(fù)試驗條件相同)的腐解率平均值。

2.1 級差分析

計算各因素各水平的極差(見表2)?？梢钥吹剑和寥篮繕O差RA為31.3，腐解時間極差RB為16.3，秸稈長度極差RC為7.2，翻埋深度極差RD為10.7。因素極差越大，表示該因素水平變化對試驗結(jié)果的影響也就越大。在本試驗所選的因素中，土壤含水量級差遠(yuǎn)高于其它因素的極差，即土壤含水量對秸稈腐解程度影響最大。秸稈破碎長度對秸稈腐解速率的影響最小，但埋置深度與秸稈長度對腐解率的影響程度較為接近。從數(shù)值上看，各因素主次順序為：土壤含水量>腐解時間>埋置深度>秸稈長度。

從各因素變化趨勢看，秸稈腐解率隨土壤含水量和腐解時間正向變化，而與秸稈長度和秸稈埋置深度呈反向變化。

2.2 各因素的影響分析

根據(jù)正交試驗“均衡分散、整齊可比”的特性，繪制各因素對秸稈腐解速率的影響趨勢曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出：隨著土壤含水量的增加，秸稈腐解率總體呈現(xiàn)增大趨勢。這是因為土壤中90%的有機質(zhì)是由土壤微生物群落分解的[13]，而土壤水分變化對土壤微生物活性影響極為顯著，土壤微生物總量隨土壤含水量降低而減少[14]。由此表明，土壤含水量較大時，更有利于秸稈腐解。

從變化速率來看，腐解率隨土壤含水量的增加呈現(xiàn)非線性增加態(tài)勢。土壤含水量由10%變?yōu)?0%時，腐解率由38.3%變?yōu)?4.8%，增加了26.5%，增幅較大；而含水量由20%增加為30%時，腐解率僅增加4.8%，增幅變緩明顯。左玉萍[15-16]發(fā)現(xiàn)在關(guān)中婁土中土壤含水量對秸稈降解率影響極為顯著，并給出了秸稈腐解的適宜土壤含水量區(qū)間為15%～22.5%。由圖1曲線變化趨勢可以推測，秸稈在黑土中腐解也存在最適宜含水量條件。受限于本試驗土壤含水量水平數(shù)量，無法清晰給出秸稈腐解率隨土壤水分變化的曲線路徑；但可推斷，腐解率峰值可能出現(xiàn)在土壤含水量20%和30%間，亦可能出現(xiàn)在30%之后。顯然，本試驗中秸稈腐解適宜含水量整體水平高于關(guān)中婁土秸稈腐解適宜含水量水平。鑒于土壤含水量對秸稈腐解效果影響的顯著性，同時考慮到東北黑土與西北地區(qū)土壤在結(jié)構(gòu)質(zhì)地、成分構(gòu)成及生物群落種類等方面均存在較大差異， 秸稈腐解適宜含水量區(qū)間可開展進一步研究。

腐解率與腐解時間關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中，秸稈腐解率隨腐解時間增長而增加。秸稈腐解最快的時期為翻埋還田早期，秸稈埋入土中后30天，秸稈腐解率達到47.1%；秸稈還田90天秸稈腐解率達到62.1；在30～90天時間段，相比前30天，腐解時間增加1倍，但腐解率僅增加了15%；及至150天，秸稈腐解率達到63.4%，僅增加1.3%，腐解速度明顯減慢。胡宏祥[17]等對水稻秸稈進行還田試驗亦得到相同結(jié)論，證實了這一規(guī)律的普遍性。張成娥[18]、曹瑩菲[19]分別從秸稈腐解過程中微生物群落演替及物質(zhì)腐解難易程度的角度對此進行了解釋。此外，前期新鮮秸稈與土壤接觸充分，微生物分解活動活躍，故而秸稈腐解較快；腐解到一定程度后，秸稈殘存木質(zhì)素與粗纖維狀態(tài)疏松，與土壤接觸不充分，因而分解較慢。

圖2 腐解率與腐解時間關(guān)系曲線

本試驗中，將秸稈長度分別設(shè)置為3、6、9cm等3個水平。隨著長度的增加，秸稈腐解率變化趨勢如圖3所示。

圖3 腐解率與秸稈長度關(guān)系曲線

由圖3可知：破碎尺寸較小時，秸稈腐解率較高；隨著秸稈長度的增加，秸稈腐解率逐漸降低。這是因為秸稈粉碎程度越高，秸稈與土壤結(jié)合越緊密，越有利于微生物的分解活動。縱海英[20]試驗分析了玉米秸稈粉碎程度對次年小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：玉米粉碎越細(xì)，次年小麥產(chǎn)量越高。從腐解率變幅看，秸稈長度為9cm時，秸稈腐解率均值為53.4%；秸稈長度為6cm時，秸稈腐解率均值58.6；秸稈長度為3cm時，秸稈腐解率均值為60.6；秸稈長度由9cm變?yōu)?cm時，腐解率提高5.2%。秸稈長度6cm與3cm時的秸稈腐解率極為接近，3cm長秸稈段比6cm秸稈段腐解率僅提高2%。通過對秸稈長度因素分析可以看出：過短的秸稈長度對秸稈分解速率提高影響并不顯著；秸稈長度短于6cm后，秸稈長度對腐解率的影響極為微小。此外，前文極差分析已獲知在本試驗選定因素中秸稈粉碎長度對秸稈腐解率影響最小。因此，在秸稈還田作業(yè)中不宜追求過細(xì)的秸稈粉碎度。

腐解率與秸稈埋深關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中，隨著翻埋深度增加，秸稈腐解速率下降。李新舉[21]對小麥秸稈進行腐解試驗，指出秸稈腐解主要靠土壤中的微生物作用，土壤微生物主要集中在較淺土層中，故埋藏淺的秸稈腐解率較高，顯然在玉米秸稈腐解也存在近似規(guī)律。從腐解率變化幅度看，翻埋深度由30cm減為20cm，秸稈腐解率由51.3%提高至59.3%，提高幅度相對較大；埋深由20cm減為10cm，秸稈腐解率僅提高2.7%，減緩明顯。埋深10cm時，秸稈腐解率為62%。由曲線變化趨勢可以推測：埋深小于10cm時，秸稈腐解率會進一步提高，但增幅會進一步減緩。文獻[22]指出玉米秸稈翻埋腐解率高于免耕覆蓋情形。據(jù)此推測，腐解率最高的秸稈翻埋深度可能出現(xiàn)在0～10cm的耕層范圍內(nèi)。

圖4 腐解率與秸稈埋深關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)土壤水分狀態(tài)對秸稈腐解的影響最為顯著。在本試驗設(shè)定的土壤含水量范圍內(nèi)，秸稈腐解率與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤含水量越大，秸稈腐解越快。

2)在培養(yǎng)條件下，腐解時間對秸稈腐解有重要影響。秸稈腐解最快的時間段是秸稈埋入土中的前90天，此后隨時間增長，腐解率增幅變慢。本試驗中，供試材料為較難腐解的秸稈中下段，在大田耕作實踐中，秸稈葉穗皮混摻且被收獲機械深度破碎，故其實際腐解程度應(yīng)會高于試驗數(shù)據(jù)。

3)在本試驗所選的因素及水平組合中，秸稈翻埋深度與秸稈長度對秸稈腐解率影響相對較小，但其影響規(guī)律清晰。秸稈埋深越淺，其腐解率越高，秸稈埋深為10cm時，秸稈腐解率達到較高值。秸稈腐解率隨秸稈段長度減短而增加，當(dāng)秸稈長度短于6cm時，其腐解率提高幅度不大。

4 討論

玉米在黑龍江墾區(qū)各管理局均有種植，分布于第一、第二、第三、第四和第五積溫帶[23]，遍布于黑龍江省東西部的12個地市，各區(qū)域土壤含水量差異顯著。此外，墾區(qū)東西部管理局玉米收獲時間與秸稈還田形式也不盡相同，各農(nóng)場秸稈還田在腐解時間、破碎程度和翻埋深度等方面存在差異。考慮到上述因素均會影響秸稈還田效果，耕作中應(yīng)根據(jù)各農(nóng)場實際條件建立因地制宜的秸稈還田模式。

前述結(jié)論中，土壤含水量對秸稈腐解效果的影響顯著，可以根據(jù)土壤含水量調(diào)整作業(yè)方法。達到某一具體腐解率要求、土壤含水量較高的區(qū)域，可以減少或降低秸稈破碎還田次數(shù)或作業(yè)強度，從而降低作業(yè)成本。從秸稈段長度看，秸稈破碎到6cm左右即可。過短的秸稈長度會增加作業(yè)成本，但秸稈腐解率并不能得到有效提高。此外，秸稈翻埋深度較淺時，可以降低作業(yè)難度和節(jié)省油耗，同時獲得較高的秸稈腐解率。因此，在秸稈還田實踐中，在不影響其它耕作效果和種植要求的前提下，建議淺埋。