赵 颖,张秀双,赵英博,李 波,金丹丹,曲 航

(1.辽宁省农业科学院,辽宁 沈阳 110161; 2.黑山传旗农机有限公司,辽宁 黑山 121499)

辽宁省是我国重要的商品粮生产基地和稻米出口省份。水稻种植主要分布在辽河平原,常年播种面积约53.3万hm2,总产量约450万t,单产为8.6 t/hm2[1],远高于全国单产平均水平[2]。

水稻高产是品种、施肥、耕作栽培以及土壤、气候和水文等多因素的综合体现,其中土壤肥力直接影响水稻产量的可持续性和稳定性。然而该区域稻田用养不协调,导致土壤肥力下降、耕层变薄变硬、产能不稳定。研究表明土壤有机质是影响东北土壤肥力变化主要因素[3],而作物秸秆是农田土壤有机质主要来源,秸秆还田已经成为增加土壤有机质、提高土壤肥力最有效的措施[4]。

水稻秸秆资源总量较为丰富,但大量秸秆被弃置或焚烧,导致资源浪费和环境污染。诸多学者从秸秆还田量、时期以及方式等方面开展了研究工作[5],同时,国家也在逐步完善秸秆综合利用的政策与法规[6]。但现有技术存在秸秆还田质量不高、技术模式单一、农机农艺融合度较低等生产瓶颈,亟需依据不同稻田地力及水热条件特征构建适宜的秸秆还田技术。

东北水稻生产推行翻旋结合整地[7],稻田耕层厚度平均可达17.6 cm[8]。但由于耕作成本增加,水稻种植主要依赖小型农机具旋耕整地,导致耕层变浅变硬。研究表明合理耕作是保护土壤团聚体、增加土壤耕性和蓄水保肥能力的重要措施[9],适当增加耕作深度能够提高深层土壤的矿化氮以及根长密度,从而增加水稻养分吸收能力并提高产量[10~12]。

为实现土壤培肥、耕层结构改善和水稻高产优质的协同目标,研究团队构建了稻田高产耕层评价指标,提出了秸秆还田和深耕相结合的耕层构建技术路径,通过关键技术、机理以及配套技术的系统研究,提出了水稻高产耕层构建及地力保育技术模式,为辽宁省黑土地保护与利用提供技术支撑。

1 水稻高产耕层指标

产量应高于当地平均产量的10%以上。耕层厚度≥20 cm,犁底层厚度8~10 cm,土壤容重<1.2 g/cm3。土壤有机质含量≥30 g/kg,土壤速效氮、速效磷和速效钾分别在90 mg/kg、20 mg/kg和100 mg/kg以上,pH 7.2~8.3。

2 技术模式内容

2.1 秸秆高留茬+深翻模式

2.1.1 适宜区域

在辽河平原中部稻区和辽东北部冷凉稻区,水稻机械化收获后的水稻秸秆处理以高留茬为主。技术适宜区域具体包括:沈阳、辽阳、铁岭、抚顺、本溪和阜新等市。

2.1.2 作业要求

2.1.2.1 秸秆高留茬

水稻机械化收获时,秸秆留茬高度20~30 cm,其余秸秆打碎并均匀散布于地表,不均匀度≤30%,秸秆长度≤8 cm,秸秆长度合格率≥85%。同时配施有机物料腐熟剂30 kg/hm2。

2.1.2.2 深翻

水稻秸秆高留茬还田时,选择适宜稻田深翻作业的铧式犁进行秋季深翻,深度20~23 cm。将水稻留茬和粉碎秸秆翻埋入田块。根据作物长势、土壤含水率和坚实度,选择不同作业速度。土壤粘性较大的作业地块,适当增大配套动力。

2.1.2.3 施肥

施肥应遵循有机肥料和无机肥料相结合,大量元素为主、中微量元素为辅,基肥为主、追肥为辅的施肥原则。施用农家肥 15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有机肥2 250~3 750 kg/hm2[13]。化学肥料施入 N 135~180 kg/hm2、P2O545~75 kg/hm2、K2O 45~90 kg/hm2[14~16]。根据水稻阶段性养分需求特征确定施肥时期。整地前施用有机肥和化肥作为基肥,有条件的地区基肥宜采用测深施肥方式。返青期、分蘖期追施氮肥,拔节孕穗期追施钾肥,均匀撒施。

2.1.2.4 浅旋

在春季基肥施用后进行浅旋作业,使肥料与土壤充分混合,深度12~15 cm。旋耕深度合格率≥90%,地表平整度≤4 cm。

2.1.2.5 水耙地

搅浆前应泡田3~5 d,泡田深度≥5 cm,以泡软秸秆泡透土壤耕作层为宜。作业时应严格控制水层,以花达水为宜,有效减少秸秆漂浮。

2.1.2.6 插秧

根据品种特性、地力条件、栽培管理水平等,确定适宜的种植密度。普通品种机插密度一般为17万~20万穴/hm2,耐密品种适当提高机插密度至23万~26万穴/hm2[15]。

2.1.2.7 作业流程

水稻秸秆高留茬+深翻模式作业流程图1。

图1 秸秆高留茬+深翻作业流程

2.2 水稻秸秆粉碎+深旋模式

2.2.1 适宜区域

在辽河平原三角洲盐碱稻区、辽东南部沿海稻区,水稻机械化收获后的水稻秸秆处理以秸秆粉碎为主。技术适宜区域具体包括:盘锦、营口、丹东、锦州、大连、鞍山、葫芦岛和朝阳等市。

2.2.2 作业要求

2.2.2.1 秸秆粉碎

水稻秋季机械化收获时将全量秸秆打碎并均匀散布于地表,不均匀度≤30%,秸秆长度8~10 cm,秸秆长度合格率≥90%,留茬高度≤15 cm。同时配施有机物料腐熟剂30 kg/hm2。

2.2.2.2 秋季浅旋

秸秆粉碎秋季还田时,进行浅旋或花达水打浆还田,使秸秆与土壤混合,深度12~15 cm。旋耕深度合格率≥90%,地表平整度≤4 cm。

2.2.2.3 施肥

施用农家肥15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有机肥2 250~3 750 kg/hm2[13]。在此基础上,化学肥料施入N 135~225 kg/hm2、P2O560~75 kg/hm2、K2O 60~90 kg/hm2[14~16]。

2.2.2.4 深旋

基肥施用后进行深旋作业,使水稻秸秆、肥料与土壤充分混合,深度18~20 cm。旋耕深度合格率≥90%,地表平整度≤4 cm。

2.2.2.5 水耙地

搅浆前应泡田3~5 d,泡田深度≥5 cm,以泡软秸秆泡透土壤耕作层为宜。作业时应严格控制水层,以花达水为宜,减少秸秆漂浮。

2.2.2.6 插秧

根据品种特性、地力条件、栽培管理水平等,确定适宜的种植密度。普通品种机插密度一般为17万~20万穴/hm2,耐密品种适当提高机插密度至23万~26万穴/hm2[15]。

2.2.2.7 深翻

每隔两年进行1次秋季深翻,改善耕层结构。

2.2.2.8 作业流程

水稻秸秆粉碎+深旋模式作业流程见图2。

图2 秸秆粉碎+深旋作业流程

3 技术应用效果

该模式主要技术措施为“高留茬+深翻”和“秸秆粉碎+深旋”的机械化耕层构建关键技术,结合应用秸秆腐熟剂筛选与施用优化、水稻养分精准调控、合理群体调控等配套技术。自2017年开始,通过在铁岭、辽阳和盘锦等水稻试验示范区进行模式应用,耕层厚度由12~15 cm提高至20 cm以上,秸秆还田更为充分、减少漂浮,还田质量显著提升。秸秆还田后经微生物分解,秸秆碳、氮、磷和钾养分当季累计腐解释放率可达69%~77%、39%~55%、66%~77%和 96%~98%。增强了土壤养分库容和蓄水保肥能力,改善了根系生长发育环境,提高了水稻养分吸收和抗倒伏能力。依据辽粳、盐丰系列水稻品种草谷比0.95~1.05[17,18],辽宁水稻秸秆资源总量在413.1万~456.6万t。辽宁水稻秸秆氮、磷和钾平均养分含量为0.66%、0.14%、2.04%[14],秸秆还田后氮磷钾当季腐解释放量分别为1.3万~1.4万、0.4万~0.5万和8.2万~9.1万t。团队利用碳、氮同位素双标记秸秆和同位素示踪技术,量化了水稻秸秆当季腐解率、碳氮养分释放速率,探明了秸秆腐解对温度和水分交互作用的响应机制,明确了秸秆快腐的水热环境的构建要求[19],促进秸秆养分高效利用。并进一步明晰了该模式在稻田固碳减排方面的巨大潜力[20]。通过模式应用,最终能够显著提高籽粒产量5%~8%,并且可以改善土壤结构、增加土壤有机碳含量、减少温室气体排放,避免秸秆被弃置和焚烧。该模式协同突破了稻田变瘦变硬变薄等地力保育痛点,秸秆还田质量差、秸秆还田腐解慢等技术难点,农机农艺融合度不高等技术卡点,入选为辽宁省土壤肥料领域科技新成果。通过技术培训、现场观摩、媒体报道等推广途径,提高了技术模式的辐射带动作用,2021年盘锦市63%的稻田已实现秸秆还田。

4 存在问题和应用前景

“十三五”期间,我们已针对模式中的关键技术及机理、配套技术以及应用效果开展了系统研究,但考虑到技术成熟需要时间和更大尺度的优化验证,亟需进行长期、多区域的技术应用效果监测,并进一步开展关键技术及参数的优化创研与验证,提高技术区域适应性。未来应通过秸秆促腐还田、育秧插秧、水肥管理等关键技术有机融合,充分发挥协同优势,最终创新集成不同区域、不同气候土壤条件下的水稻高产耕层构建及地力保育技术模式,使其在更大范围推广应用,最终建立适宜的耕作制度,为黑土地保育和水稻高产优质做出贡献。