一、 问题的提出
中国干旱区面积约占国土面积的31%，半干旱区面积约占国土面积的22%。在全国耕地中，旱地面积约占74%，干旱缺水是旱地农业的主要障碍。东北地区农业水资源仅及需要量的1/4，是全国重点缺水区之一。辽西旱农区位于辽宁省西北部，具有半干旱、大陆性风气候的特点，不仅年季间降水变幅大，而且年度间也极不均匀。辽西旱农区包括辽宁西部的朝阳、阜新、锦州、葫芦岛四个市，总面积50763km2，占辽宁全省总面积的34.80%。其中耕地面积2.0×106hm2。由于该区水资源匮乏，降雨的时空分布不均，7～9月份降雨量占全年的70%以上(张玉龙等, 2007)，且多暴雨，水土流失严重，农业基本上处于大旱大减产，小旱小减产的状态。粮食产量始终徘徊在2400～2600 kg?hm-2。辽西北地区年降雨量为550mm左右，70%~80%分布在7~8月份，春季降水严重不足，导致春旱和卡脖旱。夏秋季节虽然降水总量较多但因地表径流损失，也经常出现伏旱和秋旱，2014年甚至出现夏秋连旱。在辽西北地区因为干旱缺水造成玉米大幅减产屡有发生，因春旱贻误播种、晚苗、缺苗造成减产的情况占较大比例，因为伏旱、秋旱减产甚至绝收的情况也常出现。另外实行联产承包以来的个体耕种管理和农机小型化，无力进行土壤的深层改良和培肥，导致土壤耕层浅薄，仅有15~17cm，土壤的水、肥库容严重萎缩。同时耕层浅薄造成径流系数高达0.5~0.7，化肥利用率仅20%~30%，秸秆资源大量浪费，利用率不足50%。多数旱地土壤的有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量在国家标准的5级以下。气候干旱、土壤耕层浅薄和养分低的问题导致全区土壤综合肥力低下，农业后劲不足，粮食产量不稳，严重灾害时，绝收面积达几百万亩(黄毅等, 2011)。辽西北旱地土壤存在的干旱、耕层浅薄和土壤肥力低的问题的解决途径一是充分利用现有水资源，实行节水灌溉；二是充分利用自然降水，建立土壤水库；三是充分保蓄土壤水分，减少蒸发损失，并配合引种用种、合理施肥等综合措施。为此，开展以节水、雨养农业为核心的旱作农业模式研究，探索区别于传统耕作的新技术是十分必要的(牟善积和何明华, 1998)。本文针对辽西北地区土壤气候条件和作物种植特点，以农业机械化为先导，吸取国内外成功的、但尚未配套的秸秆还田、深松、覆盖和免耕技术，探讨研究机械化秸秆深还对旱地土壤水分、容重、养分及玉米性状的影响，研究该技术的轮作工艺和机械配套，为节水雨养农业提供一种新的耕作模式。
二、材料和方法
2.1 试验区概况
试验区设在辽宁省朝阳市喀左县，该区属于旱作农业区，属大陆性季风气候，春季少雨多旱风，夏季炎热雨集中，秋季晴朗日照足，冬委寒冷降雪稀。年平均气温为8.7℃，境内南北气温相差1.5℃，年均降水量为491.5mm左右，整个植物生长期（4-9份）的降水量为451.6mm左右，占全年降水量的92%。平均日照时数为2807.8小时，平均无霜期144天。年蒸发量为1600～1860mm，经常出现周期性干旱，干旱发生频率为26％～33％。试验区土壤为碳酸盐褐土，质地为中壤土，土壤容重1.42g?cm-3，0~20cm土层有机质含量为5.5 g?kg-1，土壤坚实度为140 N?cm-3，0~10cm土层土壤含水率为15％。
2.2 试验设计
试验设3个处理：1）当地传统耕种（CK），即常规灭茬（深度10cm）春季开沟、施肥、播种；2）秋季深施肥（fertilizing in deep soil， FD），即秋季玉米收获时深开沟、化肥深施、合垄覆膜；3）秋季机械化秸秆深还（stalk returning and fertilizing in deep soil, SFD），即玉米收获时深开沟、秸秆深还（1.2t?hm-2）、化肥深施、合垄、春季覆膜播种。玉米品种为郑单958。试验小区面积667m2，三次重复，随机排列。从2010年开始连续进行进行玉米种植试验，分别测定玉米不同生育时期、土壤水分（采用土壤水分测定仪FDR）、容重，测定土层深度为0～10，10～20，20～40cm和玉米产量。
2.3 试验实施方法
处理1）春季灭茬，传统犁具开沟，施尿素300kg?hm-2、磷酸二铵600kg?hm-2、硫酸钾450 kg?hm-2，播种玉米，处理2）在玉米收获后立即灭茬，然后用新型开沟合垄翻转犁开沟，开沟深度35～40cm，底宽30cm，顶宽60cm；开沟后施入尿素300kg?hm-2、磷酸二铵600kg?hm-2、硫酸钾450 kg?hm-2，然后合垄覆膜，待翌年春季播种(王瑞丽等, 2016)；处理3）除采用与处理2）相同的方法开沟施肥外，深还玉米秸秆1.2×104 kg·hm-2，然后合垄覆膜待翌年播种。
2.4 秋季机械化秸秆深还（SFD）技术模式
机械化秸秆深还技术模式为如图1所示，采用大垄双行种植耐密玉米。前一年秋季进行深开沟、秸秆深还化肥深施、培土起垄，第一年春季覆膜播种（图2）。第一年秋季玉米收获后把秸秆顺向铺放在垄沟，不再耕整地，第二年春季直接用免耕播种机播种，同时补施300kg?hm2BB肥（N:P:K=10:10:10）（图3），实现免耕。第二年秋季再把收获后的秸秆铺放在垄沟，第三年春季免耕播种。第三年秋季重复前一年秋季作业，可在原来种植玉米的垄台两侧的垄沟深开沟，秸秆深埋并配施化肥。实现秸秆深还和免耕的合理配置，可根据土壤墒情和肥力情况每隔2~3年进行一次秸秆深还作业。
图1 机械化秸秆深还栽培模式
图2 秸秆深还种植玉米第一年
图3 秸秆深还种植玉米模式第二年
2.5秋季秸秆深还（SFD）机械化作业关键环节
（1）玉米收获
玉米成熟后利用联合收获机进行收获，可进行灭茬和秸秆切碎分散在地表。
（2）机械深开沟和培土起垄
为了打破犁底层并使开沟容量能容纳1.2×104 kg·hm-2秸秆，实现土壤培肥，减小土壤容重，增加土壤蓄水保墒能力，要求开沟深度达到30~40cm、宽度达到50~100cm，并且开沟参数稳定。秸秆填入沟内后利用机具回填土壤并起垄整形，使垄形为梯形，垄高达到20cm、垄下底宽为90~100cm、垄上底宽为70~80cm，垄形规则。
项目组研制了开沟扶垄翻转犁（图4），该机采用对称式犁架，为双等腰三角形契合结构，液压翻转。在犁架两个方向分别安装翻土型犁体，两个开沟犁体的犁侧板靠在一起，作业时分别向两侧翻土。两个扶垄犁体的铧尖相对安装，作业时相对翻土，形成垄台。
图4 秸秆深还开沟扶垄翻转犁
该机与30kW以上拖拉机配套使用，开沟深度为30～40cm，可调；开沟宽度为50~100cm，可调；覆土厚度为10cm以上；外形尺寸为2160㎜×1800㎜×1270㎜。开沟作业时，使开沟犁铧在犁架的正下方，调整犁铧在犁梁上的位置以保证要求的开沟宽度，固定犁架防止其旋转，保持犁架的水平位置。开沟深度由液压悬挂系统控制。扶垄作业时，抽回卡位柱上面的钢筋柱，将犁架翻转180°，然后用卡位柱下面的钢筋柱卡住犁架，使犁架保持水平。同时，扶垄犁铧保持在犁架正下方，调整犁铧在犁架犁梁上的位置以保证要求的垄宽。同时，挂接整垄槽板。垄台高度由限深压实轮调整。扶垄整垄作业时，先由限深压实轮压实填入沟内的秸秆，然后完成扶垄、整垄(王瑞丽等, 2011)。
（3）秸秆配肥还田
在机械开沟后进行机械秸秆还田同时施肥，要求秸秆还田量为1.2×104 kg·hm-2，即一亩玉米收获后的秸秆直接还田。同时配施化肥（磷酸二铵600 kg·hm-2、硫酸钾450 kg·hm-2、尿素300 kg·hm-2）和发酵菌剂（30～37.5 kg·hm-2），以以调节土壤C/N。利用秸秆还田机（图5）把地表整秆或者碎秆切碎并输送到开沟犁开出的深沟内，在秸秆还田机上加装施肥装置使能同时把化肥施入沟内。
图5 秸秆配肥还田机 |
（4）大垄双行种植玉米
结合玉米机械化播种需要，第二年春季选用辽西地区保有量较多的2BMF-2型精量覆膜播种机进行覆膜播种作业。地膜为白膜或黑膜，膜宽1.5m，要求覆膜平整、垄侧地膜覆土严密。播种深度、均匀度、种距符合农艺要求，株距20cm、行距40cm。第二年免耕播种采用免耕播种机（图6）。
2BMF-2型精量覆膜播种机 （第一年覆膜播种） | 2BMZF-2型免耕精量施肥播种机（第二、第三年免耕播种） |
图6 玉米播种机
三、 结果与分析
3.1 秸秆深还对土壤容重的影响
三种试验处理于2012年10月25日实施，分别在2013、2014、2015年春播前（5月15日）对各个试验小区0～10、10～20、20～30和30～40cm土层的土壤容重进行了测定，结果如表7所示。
图7 不同耕作措施对土壤容重的影响
可以看出在三种耕作措施下0~10cm土层土壤均比较疏松。土层深度为10～20cm时，传统耕作的容重值在1.55 g·cm-3～1.57 g·cm-3，这是因为传统耕作的旋耕灭茬作业深度不足10cm，在多年浅耕的条件下土层深度10～20cm处出现一个坚硬的犁底层。连续三年的测定，变化幅度很小。秸秆深还和化肥深施使用开沟扶垄翻转犁进行宽幅深开沟，开沟深度达到35～40cm，开沟底宽达到40cm，顶宽达到90cm，实现宽幅深松，打破了多年以来由于传统犁耕或浅旋灭茬形成的坚硬犁底层，从而使这层的土壤容重大幅度降低，由1.57 g·cm-3下降至1.27 g·cm-3。秸秆深还和化肥深施这两种技术措施由于深还物料的性质不同表现出持续疏松的效果也大不相同，由于秸秆的疏松作用，表现出的土壤容重值最小而且稳定，化肥深施的处理由于没有土壤有机质的作用，呈现出逐年沉实变硬的趋势。20～30cm土层是大剂量秸秆深还（1.2×104 kg·hm-2）集中的层次，其土壤容重始终保持在g·cm-3以下，且不随时间的加长而剧烈变化，松土的效果持续稳定。化肥深施的处理随着时间的延长，土壤逐渐沉实，土壤容重趋近于传统耕作。随着耕作层次的加深，不同措施间的土壤容重出现了明显的差异，秸秆深还处理始终保持在一个疏松稳定的状态，化肥深施的处理随着时间的加长和土层加深，其改良效果持续的时间相对较短，已经恢复到改良前的原始状态。整个的土壤容重测定结果证明秸秆深还技术能够使土壤保持长期稳定的疏松状态，为玉米高产稳产创造有力的条件(黄毅等, 2013)。
3.2 秸秆深还对土壤水分的影响
在2012年秋季试验处理后，对2013年和2014年的春季（5月24日）和秋季（9月24日）对不同深度土层的土壤含水量进行了测定，结果如图8所示。
图8 不同耕作措施对土壤含水量的影响
由于2013年春季降水量多、蒸发量低，秸秆深还和化肥深施两种处理0～10cm土层的土壤含水量分别为17.9%和17.0%，到20～30cm秸秆深还处理的土壤含水量陡然降至11.6%，原因是秸秆集中深埋在20~30cm土层，土壤含水量下降是因为秸秆大量吸水并占据大量的空间，证明秸秆深还能够拓展土壤蓄水空间。2013年秋季化肥深施处理与对照小区各层次的土壤含水量接近，秸秆深还处理不同层次的土壤含水量仍有波动，其幅度在15.0～18.3%之间，说明秸秆层的吸水尚未结束。2014年降水量比上一年减少158mm左右，但不同措施各土层的土壤含水量变化并不剧烈，表现出秸秆深还、化肥深施两种技术的巨大蓄存、缓冲和持续供水功能。2014年春季各个试验处理除了对照0～10cm土层含水量较低外，其余处理各层次均保持在15%以上的土壤含水量。秸秆层土壤含水量有一个百分点的波动，尚有缓慢的吸水过程。2014年秋季降水量比上年锐减，对照区各层次土壤含水量明显低于其他两种处理，秸秆深还和化肥深施的处理，由于大机具的深耕扩容作用保持了相当的土壤水分，因此使得各层土壤含水量随测定深度的增加而持续稳定的上升，特别是秸秆深还处理的20～30cm处的土壤含水量在相对干旱的季节仍保持一个较高的水平，这就说明当大剂量的秸秆通过大犁具机械化深还加深了耕层，拓展了土壤的蓄水空间，大剂量的秸秆经过一系列的吸水过程后把水分把持在疏松的土壤和秸秆中，在土壤与作物相对干旱的时候，持续不断地向外释放水分，以此来满足作物的需要。
3.3 秸秆深还对玉米产量的影响
试验小区玉米实行不抽样全部收获，将玉米含水量降至14%以下时对个小区计产并进行方差分析和LSD检验（表1），方差分析结果表明，2013年处理间达到5%的显著水平，2014年达到1%的极显著水平。2013年由于深还的大剂量秸秆尚未充分腐熟，增产主要是间隔深耕所致，2014年玉米的增产和稳产是深耕、秸秆深还和化肥深施综合作用的结果。
表1不同处理玉米产量方差分析
处理 | 玉米单产均值（kg/hm2） | 5%显著性 | 1%显著性 | |||
2013 | 2014 | 2013 | 2014 | 2013 | 2014 | |
秸秆深还 | 12094 | 11053 | a | a | A | A |
化肥深施 | 11782 | 10523 | b | b | A | B |
传统耕作 | 10008 | 9993 | c | c | B | C |
四、 结论
针对辽西旱农区耕地存在的“旱、薄、瘦”问题，集成深松、秸秆深还、化肥深施、免耕等技术的优点，进行了为期2年的机械化秸秆深还和化肥深施试验，结果表明机械化秸秆深还具有深层松土扩容功能、深层蓄水缓冲功能和御旱增产功能。
[1] 黄毅, 李真, 于显. 2011. 旱地玉米土肥水联合跨季节调控操作技术[J]. 新农业, (07): 37-38.
[2] 黄毅, 王瑞丽, 赵凯. 2013. 辽西旱农区深层水肥调控对土壤主要物理性质和玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究, (01): 8-13.
[3] 牟善积, 何明华. 1998. 免耕、覆盖、深松配套技术及耕作模式的研究(之一)──问题的提出及国内外研究概况[J]. 天津农学院学报, (02): 20-24.
[4] 王瑞丽, 黄毅, 魏凤兰, 等. 2011. 秸秆深埋还田开沟扶垄犁设计及试验研究[J]. 沈阳农业大学学报, (02): 231-234.
[5] 王瑞丽, 潘广鑫, 魏凤兰, 等. 2016. 秸秆深还开沟合垄施肥机设计与试验[J]. 农机化研究, (01): 90-94.
[6] 张玉龙, 黄毅, 邹洪涛, 等. 2007. 辽西地区干旱特征与降水资源调控的可能性分析[J]. 农业科技与装备, 174(06): 10-11.