辽西半干旱区玉米秸秆全覆盖免耕栽培技术模式研究.pdf

辽宁农业科学 2023(4):15Liaoning Agricultural Sciences文章编号:1002-1728(2023)04-0001-05 doi:10.3969/j.issn.1002-1728.2023.04.001辽西半干旱区玉米秸秆全覆盖免耕栽培技术模式研究董 智1,2,侯志研1,2,张晓红3,苏建党4,董 俊1,2,刘 洋1,2,白 伟1,2,冯良山1,2(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,辽宁 沈阳110161;2.辽宁省旱地保护性耕作重点实验室,辽宁 沈阳 110161;3.阜蒙县阜新镇公共事务服务中心,辽宁 阜新 123102;4.阜蒙县现代农业发展服务中心,辽宁 阜新 123100)摘要:在辽西地区推广以玉米秸秆覆盖为核心的保护性耕作技术模式是区域农业可持续发展的必须趋势。本研究以秸秆全覆盖免耕定位示范田为研究对象,分析其在全机械条件下的应用效果。结果表明,秸秆全覆盖免耕相较于传统耕作,可有效提高玉米抗倒伏能力,玉米增产 10.66%以上,种植纯效益每 hm2提高 3 635 元,化肥和水分生产效率分别提高 28.10%和 10.76%,生产过程中的温室气体排放量减少 11.60%、全生育期减排 22.10%。该技术模式在辽西地区能够实现玉米增产、农民增收和环境友好。关键词:玉米;秸秆覆盖;免耕;二比空;温室气体排放中图分类号:S344文献标识码:A 玉米是辽西地区第一大粮食作物,播种面积占该区粮食作物的 75%以上,占全省玉米种植面积的46%左右(辽宁省统计年鉴,2021)。玉米产量的稳定并提升是保障该区域粮食安全的“压舱石”。玉米生育期较长,需水量大,干旱对玉米的平均减产高达 20%30%(黄岩等,2019)。辽西地区传统的秸秆离田、重化肥轻有机肥以及频繁的土壤耕作等耕种方式,导致休闲季土壤裸露时间长达 210 d,加之土壤有机质持续低下,土壤蓄水保肥能力低,更加剧了干旱对玉米产量的影响(邹洪涛等,2012;肖继兵等,2014)。近年来,保护性耕作技术作为保护并利用土壤的新型耕作方式,已经成为国内外农业技术发展的重要趋势(张海林等,2005;武际等,2012;银 敏 华 等,2018)。尤其是秸秆覆盖还田和免耕的结合,可最大限度的保蓄利用有限的雨水资源,为缓解辽西地区以春旱为首的季节性干旱提供理论和实践参 考。辽 西 地 区 玉 米 种 植 的 行 距 较 小(50 cm),秸秆覆盖地表的情况下传统均匀行种植模式极易造成秸秆拖堆,影响机械化作业及播种出苗率。为此,本研究集成了玉米秸秆全覆盖还田、秸秆集行、免耕、二比空等关键技术,解决了机械化作业秸秆拥堵的难题,可以在不改变传统垄距的条件下,一次性完成整地、播种作业,为全秸秆覆盖保护性耕作技术应用提供支撑。1 材料与方法1.1 试验地概况试验于 20202021 年在辽宁省旱地保护性耕作重点实验室的保护性耕作技术模式定位示范基地(42.11N,121.72E)进行。土壤类型为褐土,耕层土壤有机质 23.27 g/kg,全氮 1.59 g/kg,全磷 0.55 g/kg,全钾 21.57 g/kg,pH 6.5。该区域属温带季风大陆性气候,年均气温 7.2,多年平均降雨量 481 mm,6 8 月份占全年降雨量的80%,59 月的日照时数 1 2001 300 h,无霜期 收稿日期:2023-01-05基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFD1500703,2022YFD1500603-02);UNDP 润田项目(SR-2021-09);辽宁省科学技术计划项目(2021JH2/10200030);辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC2007041);辽宁省农业科学院院长基金项目(2020QN2406,2021QN2007)作者简介:董智(1981-),男,博士,研究员,主要从事保护性耕作及旱作农业研究。E-mail:dongzhi1207 通讯作者:白伟(1982-),男,研究员,主要从事农作制及旱作农业研究。E-mail:libai200008 辽 宁 农 业 科 学 2023 年135165 d。20202021 年生长季(59 月)降雨量见表 1(田间自测),降雨年际变化较大。表 1 20202021 年玉米生长季降雨量及播种前秸秆覆盖量年份月降雨量(mm)56789合计秸秆覆盖量(kg/hm2)202050.614.243.3243.575.8427.43180.59202135.2 125.7 193.7108.3 170.1633.04281.351.2 试验设计试验采用大区设计,设秸秆全覆盖免耕(NTS)和传统耕作(CT)两个处理,每个处理面积为 4.2 hm2。NTS 处理:玉米机械收获并关闭收获机具的还田动力,摘取果穗后秸秆在机具的作用下直接卧倒覆盖地表(春播前测定秸秆覆盖量,见表 1)。秋收后至播种前均不进行任何土壤耕作处理,在秸秆覆盖地表的条件下,采用免耕播种机一次性完成秸秆集行、播种、施肥、覆土及镇压作业。CT 处理为秋收后地上部秸秆全部打包离田,秋季旋耕(作业深度 15 cm 左右)整地,旋平后镇压待播,春季采用普通播种机一次性完成播种施肥作业,拔节期结合中耕追肥并培垄。供试玉米品种为“双乐 68”,每年 5 月初播种,9 月底收获测产。各处理种植行距均为 50 cm,CT 处理为均匀行种植,株距 33 cm,NTS 处理为二比空种植暨种植两行空一行,株距 22 cm,保障每 hm2的播种密度均为 60 000 株。各处理年际间化肥施用量相同,CT 处理为播种施用复合肥(NPK:15-15-15)450 kg/hm2,玉 米 拔 节 期 追 施 尿 素375 kg/hm2;NTS 处理为播种时施用稳定性复合肥(NPK:26-10-12)675 kg/hm2,不设追肥。CT 处理采用苗前化学药剂封控方式控制杂草,NTS 处理采用苗前封控和苗后触杀相结合的方式防控杂草。2020 年 CT 处理未采取病虫害提前防控措施,2021 年于玉米 10 展叶期每 667m2施“扬彩70 ml+福戈 10 g”提前防控病虫害;20202021 年NTS 处理均为玉米 10 展叶期每 667m2施“扬彩70 ml+福戈 10 g”配合此次用药后 21 d 每 667m2施“扬彩 70 ml”提前防控病虫害。其它田间管理同与当地大田。1.3 测定项目与方法1.3.1 秸秆倒伏率玉米收获前选取连续 6 行,行长 20 m,记录总株数及倒伏株数(植株倾角达 30计为倒伏),计算倒伏率。1.3.2 产量每年 9 月底于玉米成熟期测产。各处理随机选取 5 个采样点,在样点处连续测量 11 行的距离,除以 10,计算出平均行距;每个采样点选取有代表性的 6 行(避开地头、沟壑及特殊地块),面积约 66.7 m2,计数样点内的株数、穗数、鲜穗重,选取有代表性的 20 穗作为标准样本脱粒、称重,计算鲜穗出籽率,用谷物水分测定仪(PM 8188)测定籽粒含水量。每个样点玉米产量计算方法为:单位产量(kg/667m2)=样点收获鲜穗重鲜穗出籽率(%)收获样点实际面积(行距行长6 行)6671-籽粒含水率(%)(1-14%)。1.3.3 生产效率化肥利用效率以偏生产力表示,即化肥偏生产力(kg/kg)=玉米平均产量/化肥纯养分的投入量。水分利用效率=玉米平均产量/(自然降水量+灌溉水量),试验期间均未补充灌溉,灌溉水量为零。1.3.4 经济效益统计技术模式实施过程中农资投入、机耕费支出、玉米收入等各项经济支出与收入,以净利润计算其经济效益。产投比为玉米产值与各项经济支出之和的比值。1.3.5 生态效益以氮肥投入部分温室气体排放及农田投入导致的间接碳排放量评价技术模式的生态效益(张鑫等,2020;蔡红光等,2022)。采用碳足迹法对技术模式的温室气体排放量进行估算。本研究中的间接碳排放包含所投入的种子、肥料、农药等的生产、包装、存储和运输过程中引起的各种间接碳排放,以及播种、整地和收获等措施所用机械燃料或消耗其他形式能源过程中引起的碳排放总量。由农田投入导致的间接碳排放(AIDemi)根据以下公式计算。AIDemi(CO2-eq kg/hm2)=ni=1COSTiEFi 2第 4 期 董 智等:辽西半干旱区玉米秸秆全覆盖免耕栽培技术模式研究氮肥投入部分温室气体排放(GWPN fer use)根据以下公式计算。GWPN fer use=298N2O4428式中 N2O 为 N2O 直接排放量,计算公式为 Y=0.48e0.0058x,x 为施氮量(kg/hm2),44/28 为 N对 N2O 的转换系数,298 为 1 kg N2O 等量 CO2温室气体相应的转换系数。单位产量的间接碳排放计算如下:YIDemi(CO2-eqkgkg,grain yield)=AIDemi+GWPN fer use产量表 2 农田投入的排放系数农田投入排放系数种子0.58 CO2-eq kg/kg肥料 氮肥1.53 CO2-eq kg/kg 磷肥1.63 CO2-eq kg/kg 钾肥0.66 CO2-eq kg/kg农药 除草剂10.60 CO2-eq kg/kg 杀菌剂10.20 CO2-eq kg/kg 杀虫剂16.60 CO2-eq kg/kg柴油0.89 CO2-eq kg/kg1.4 数据处理利用 Excel 2010 和 SPSS 19 软件进行数据处理。2 结果与分析2.1 不同栽培模式对玉米倒伏的影响玉米的倒伏主要有根倒伏、茎倒伏以及茎折(田保明等,2006)。本试验中选用的玉米品种抗倒伏性能较好,试验期间未发现茎倒伏及茎折。2020 年 8 月初,试验区遭遇连续降雨且雨后有大风天气,玉米根倒严重,由调查数据可知,CT 处理的玉米倒伏率为 74.2%,严重倒伏,而 NTS 处理的倒伏率为 49.1%,较 CT 降低 33.9%。在遭受灾害天气免耕条件下的玉米倒伏率相对较低,可能与其土壤容重和紧实度高有关,相对紧实的土壤有利于抑制玉米的根倒。2021 年各处理的玉米倒伏率均较低,NTS 的玉米倒伏率较 CT 处理降低 53.5%。传统耕作松软的土壤虽然利用根系在耕层的生长,但不利于抵抗玉米根倒。表 3 不同种植模式对玉米倒伏率的影响年份处理调查株数(株)倒伏株数(株)倒伏率(%)2020NTS482.09.0236.816.749.1CT301.48.4224.013.274.22021NTS499.09.16.02.31.2CT3156.28.21.72.62.2 不同栽培模式对玉米产量的影响表 4 结果表明,NTS 的产量显著高于 CT,尤其是 2020 年,NTS 的平均产量为 9 115 kg/hm2,较 CT 增产 63.67%,这可能与遭遇严重倒伏有关,8 月初正是试验区玉米灌浆的关键时期,玉米倒伏后相互遮阴严重,对光合作用影响较大,CT处理较高的倒伏率严重影响了玉米的产量。2021年 NTS 的平均产量高达 13 322 kg/hm2,较 CT 增产 10.66%,且 NTS 的各取样点产量的变异系数较小,为 2.57%,较 CT 的变异系数降低 36%。全秸秆覆盖免耕措施在辽西地区可以提高玉米的产量,大面积条件下的各取样点的产量稳定性也优于传统耕作。与 CT 相比,NTS 的化肥和水分利用效率也均有显著提高(表 5)。两年间,化肥利用效率分别提高 89.4%和 28.1%,水分利用效率分别提高 63.70%和 10.76%。表 4 不同种植模式对玉米产量的影响年份处理变幅(kg/hm2)平均值(kg/hm2)变异系数(%)增产(%)2021NTS1261613526133222.5710.66CT1128212392119484.012020NTS820110404911510.2963.67CT5087630055699.44 表 5 不同种植模式对生产效率的影响年份处理化肥利用效率(kg/kg)水分利用效率(kg/hm2mm)2020NTS28.1321.33CT14.8513.032021NTS40.8120.89CT31.8618.862.3 不同栽培模式对经济效益的影响通过对 CT 和 NTS 生产过程的经济效益分析(表 6),NTS 农机耕作成本降低显著,虽然 CT 处3辽 宁 农 业 科 学 2023 年理有秸秆离田收入,但其每 hm2的耕作总成本仍较 NTS 增加 225300 元。因 NTS 处理增加了一次化学除草及病虫害防控成本,相较于 CT 处理,2020 年每 hm2的生产资料投入增加 915 元,2021年因化肥价格上涨,生产资料投入增加 233 元。在耕种成本方面,2020 年 CT 较每 hm2 NTS 少投入 690 元,但随生产资料价格的上涨,传统种植方式的成本增加,2021 年 NTS 的耕种成本反而较CT 每 hm2降低 68 元。NTS 两年间均显著增加了玉米的产量,每 hm2的净利润较 CT 分别增加8 175 元和 3 635 元,产投比分别增加 45.3%和11.9%。2020 年因受特殊天气影响,NTS 的收益相对较高,2021 年两个处理间的田间管理等支出基本一致,在降雨充沛的条件下 NTS 也表现出显著的增产优势,增产效果与前人研究相似(银敏华,2018;徐欣,2022),全秸秆覆盖免耕栽培模式在辽西体现出了节本增产增收的优益效果。表 6 不同种植模式对经济效益的影响项目20202021CTNTSCTNTS机械作业 整地67506750 播种525600525600 杂草防控150300150300 中耕30003000 防病虫0300150300 收获10509001050900 秸秆离田-3750-4500生产资料 种子900900900900 化肥2055216023552160 除草剂180450180450 杀虫杀菌剂0540382.5 540玉米单产5569911511948 13222净利润8463 1663827237 30872产投比2.553.715.386.02注:此表机械作业包含人工费用,其它纯人工费用未计入。秸秆离田作业为秸秆收购者免费给农户打包秸秆离田并给农户适当经济补偿,但秸秆收入与农户无关,此处仅计算农户补偿费用;2020 年玉米价格按 2.5 元/kg 计算,2021 年玉米价格按 2.80 元/kg 计算;2021 年尿素价格较上年每 kg 增加 0.4 元。2.4 不同栽培模式对生态效益的影响对 NTS 和 CT 下玉米整个生育周期温室气体排放量和单位产量间接排放量进行估算(表 7),2020 年两种生产方式的温室气体排放总量分别为 1 311.42 和 1 659.39 CO2-eq kg/hm2,NTS 处理施 用 氮 肥 产 生 的 温 室 气 体 占 总 排 放 量 的47.4%,CT 处理占 54.5%。氮肥施用产量的温室气体 NTS 较 CT 减少 31.2%,生产过程中的温室气体排放量减少 8.7%,总排放量减少 21.0%,单位产量的间接排放量减少 51.7%。2021 年 NTS和 CT 的温室气体排放总量分别为 1 311.42 和1 684.31 CO2-eq kg/hm2,NTS 处理施用氮肥产生的温室气体占总排放量的 47.4%,CT 处理占53.7%。氮肥施用产量的温室气体 NTS 较 CT 减少 31.2%,生产过程中的温室气体排放量减少11.6%,总排放量减少 22.1%,单位产量的间接排放量减少 29.6%。表 7 不同种植模式下温室气体排放量特征年份 处理氮肥施用排放量(GWPN fer use)(CO2-eq kg/hm2)生产过程排放量(AIDemi)(CO2-eq kg/hm2)单位产量的间接排放量(YIDemi)(CO2-eq kg/kghm2)2020 NTS622.04689.380.14CT904.25755.140.302021 NTS622.04689.380.10CT904.25780.060.143 结论与讨论保护性耕作可以缓解传统耕作对生态环境破坏的压力,具有防控土壤侵蚀,增加雨水保蓄,改善土壤结构,进而提高作物产量的多方面作用。对于辽西地区而言,以春旱为首的季节性干旱是限制农业生产的主要因子,丰富的光热资源完全满足当地主栽玉米品种的生育要求。秸秆全覆盖地表,虽然会降低前期土壤温度,但其对最终产量的影响可以忽略。只要保障全覆盖条件下的机械化作业就可以实现技术的规模化应用。本研究表明,秸秆全覆盖免耕提高了玉米抵御根倒伏的能力,有利用于提高玉米的产量及化肥和水分生产效率,玉米种植的产投比相较于传统耕作方式提高 11.9%以上。同时,降低了化肥的投入量及农机耕作次数,生产过程中的农田温室气体排放量减少 11.6%,综合氮肥产生的温室气体,可以估算整个生产过程中可以减少农田温室气体排放 22.1%。玉米全秸秆覆盖免耕栽培技术模式能够集秸秆集行、播种、施肥及覆土镇压等机械作业一次性4第 4 期 董 智等:辽西半干旱区玉米秸秆全覆盖免耕栽培技术模式研究完成,耕种轻简,缓解频繁耕作对土壤的破坏、促进土壤健康可持续发展,实现增产、增收、减排,可以在辽西半干旱区大面积推广应用。参考文献:1 蔡红光,刘剑钊,梁尧,等.玉米秸秆全量条带覆盖还田耕种技术模式生产实证J.玉米科学,2022,30(1):115122.2 黄岩,李晶,王莹,等.不同生育期干旱对玉米生长及产量的影响模拟J.农业灾害研究,2019,9(6):4749,92.3 田保明,杨光圣,曹刚强,等.农作物倒伏及其影响因素分析J.中国农学通报,2006,22(4):163167.4 武际,郭熙盛,鲁剑巍,等.连续秸秆覆盖对土壤无机氮供应特征和作物产量的影响J.中国农业科学,2012,45(9):17411749.5 肖继兵,孙占祥,蒋春光,等.辽西半干旱区垄膜沟种方式对春玉米水分利用和产量的影响J.中国农业科学,2014,47(10):19171928.6 徐欣,王笑影,鲍雪莲,等.长期免耕不同秸秆覆盖量对玉米产量及其稳定性的影响J.应用生态学报,2022,33(3):671676.7 银敏华,李援农,陈朋朋,等.基于 Meta-analysis 的中国北方地区免耕玉米产量效应研究J.中国农业科学,2018,51(5):843854.8 张海林,高旺盛,陈阜,等.保护性耕作研究现状、发展趋势及对策J.中国农业大学学报,2005(1):1620.9 张鑫,郑成岩,李升明,等.长期有机无机肥配施降低黄淮海区域小麦大豆复种系统净温室效应J.植物营养与肥料学报,2020,26(12):22042215.10 邹洪涛,马迎波,徐萌,等.辽西半干旱区秸秆深还田对土壤含水量、容重及玉米产量的影响J.沈阳农业大学学报,2012,43(4):112115.Research on Full Maize Straw Mulching with No-tilling Mode in the Semi-arid Area in West LiaoningDONG Zhi1,2,HOU Zhi-yan1,2,ZHANG Xiao-hong3,SU Jian-dang4,DONG Jun1,2,LIU Yang1,2,BAI Wei1,2,FENG Liang-shan1,2(1.Institute of Tillage and Cultivation,Liaoning Academy of Agricultural Sciences,Shenyang,Liaoning 110161;2.Liaoning Key Laboratory of Conservation Tillage in Dry Land,Shenyang,Liaoning110161;3.Fuxin Town Public Service Center,Fumeng County,Fuxin,Liaoning123102;4.Fumeng County Modern Agricultural development Service Center,Fuxin,Liaoning123100)Abstract:It is a trend to apply and extend the integrated cultivation mode of maize straw mulching combined with low input management for regional agricultural sustainable development in west Liaoning.In this study,based on the technique of whole maize straw mulching,which application effect in mechanical condition is an-alyzed in the whole growth stage of maize.The results showed the NTS mode can effectively improve the lodg-ing resistance of maize,increase maize yield by more than 10.66%,increase maize net benefit by 3 635 yuan per hectare,increase chemical fertilizer efficiency by 28.10%and water production efficiency by 10.76%,re-duce greenhouse gas emissions in production process by 11.60%and total greenhouse gas emissions by 22.10%.This full maize straw mulching with No-tilling mode can increase yield,income and environment friendly in western Liaoning province.Key words:Maize;Straw mulching;No-tillage;Double row cropping with 2 1 row interval;Greenhouse gas emissions5