秸稈還田機械化技術研究現(xiàn)狀與展望

鄭侃+陳婉芝+楊宏偉+鄭智旗

摘要：秸稈還田機械化是保證秸稈還田作業(yè)質量、減輕勞動強度、提高工作效率的必要條件，也是大面積推廣秸稈還田的基礎?？偨Y了東北、華北、西北和南方四大農業(yè)種植區(qū)的秸稈還田機械化主要技術模式及工藝現(xiàn)狀，并分析其形成的原因；介紹了秸稈粉碎還田、根茬粉碎還田和秸稈整稈還田3種機械化秸稈還田方式的定義、特點，以及相關配套機具的工作原理與典型機器；并對秸稈還田機械化發(fā)展方向進行了展望，以期為秸稈還田機械化技術研究提供參考依據(jù)。

關鍵詞：秸稈還田；機械化；現(xiàn)狀

中圖分類號： S223；S222 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0009-03

秸稈是農作物收獲后留在田間的莖、葉等副產物，是一種重要的可再生生物資源[1-2]。中國是秸稈資源較豐富的國家，每年秸稈生產量達6.4億t[3]，占全球秸稈資源總量的20%～30%[4]。大量試驗得出，秸稈中含有豐富的有機質、氮、磷、鉀以及各種中微量營養(yǎng)元素，其中碳、氮、磷、鉀的平均含量分別為40%、0.3%、0.1%、0.45%[5-6]。秸稈還田不但能將作物吸收的大部分營養(yǎng)元素歸還土壤，而且能改善土壤結構提高其生態(tài)效益，同時還能避免秸稈燃燒帶來的環(huán)境、安全等問題；此外秸稈還田減少了化肥的使用從而降低農民種田成本[7-9]。由此可見，秸稈還田是實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

秸稈還田勞動強度大、時間短，為了保證還田質量，減輕勞動強度，提高工作效率，應采用機械化秸稈還田作業(yè)。機械化秸稈還田技術是利用農業(yè)機械將作物秸稈覆蓋于地表或者翻埋在土壤層中，進行保墑、腐化生肥的技術，是秸稈還田技術的重要組成部分。歐美等農業(yè)發(fā)達國家從上世紀30年代開始研制秸稈粉碎還田機，并在生產實踐中取得了較好的效果；我國機械化秸稈還田開始于20世紀80年代，20世紀90年代在各地區(qū)得到推廣[10-13]。近年來，機械化秸稈還田正在成為秸稈還田的主要方式，2013年全國完成秸稈機械化還田面積3.7×104萬hm2[14]。本文總結歸納了現(xiàn)有的秸稈還田機械化主要技術模式及工藝、方式、配套機具，以期對促進我國秸稈還田機械化技術的大面積推廣起到重要作用。

1 秸稈還田機械化主要技術模式及工藝現(xiàn)狀

機械化秸稈還田技術具有搶農時、搶積溫、保墑情等優(yōu)點，并充分利用了大量的秸稈資源，解決了人力難以實施大面積秸稈還田的難題，生產效率可提高40倍以上；同時又避免了秸稈焚燒腐爛帶來的環(huán)境污染問題。隨著生產實踐經驗的積累和技術的改進，逐漸形成了現(xiàn)階段我國各個地區(qū)適用的秸稈還田機械化技術模式與工藝（表1）[15-17]。但這些技術模式與工藝并不是一成不變的，隨著科學技術的進步、相關配套機具的研發(fā)，秸稈還田機械化技術模式與工藝將逐步得到完善。

由表1可知，東北和西北地區(qū)多以秸稈機械化粉碎覆蓋還田與免耕播種模式為主，主要是由于東北和西北地區(qū)氣溫低、無霜期短，春季風大、較干旱，秸稈粉碎覆蓋地表有利于作物抵御春寒、控制水土流失和風蝕、培肥地力，且秸稈覆蓋可抑制太陽輻射減少水分蒸發(fā)[18-19]；華北一年兩熟區(qū)多采用小麥高留茬免耕覆蓋還田和玉米秸稈犁翻入土還田，原因是一年兩熟區(qū)秸稈腐爛時間較短，玉米秸稈、根茬粗大，若采用粉碎拋撒不利于后茬作物播種，另外玉米秸稈覆蓋會使麥種和麥苗根部腐爛，影響產量[20]；而華北一年一熟區(qū)，如河北北部、山西北部及內蒙古部分干旱少雨地區(qū)適用于玉米秸稈整體倒稈覆蓋模式，一方面為了更好地蓄水保墑，另一方面因為這些地區(qū)是主要沙塵暴源頭，倒稈覆蓋能夠更好地抑制沙塵暴[21]；南方稻麥多采用整稈或者高留茬還田，南方氣溫高、水量足，秸稈的腐爛分解速度快，整稈或高留茬還田，能夠為下茬作物提供足夠的養(yǎng)分，同時減輕勞動強度、減少作業(yè)成本[17]。

2 秸稈還田機械化技術主要方式及配套機具

秸稈還田機械化技術可分為秸稈粉碎還田、根茬粉碎還田和秸稈整稈還田等3種機械化還田方式[22-28]。

2.1 秸稈粉碎還田機械化技術

秸稈粉碎還田機械化技術是指用機械粉碎裝置將莖稈和莖葉粉碎并拋撒覆蓋于地表，粉碎后可耕翻將已粉碎的秸稈深埋入土進行還田。該技術可對小麥、水稻、高粱、玉米等軟硬秸稈進行粉碎，粉碎后的玉米、高粱等粗大作物碎稈合格長度≤100 mm，小麥、水稻等細小作物碎稈合格長度≤150 mm[29]。該技術具有作業(yè)質量好、處理秸稈量大、成本低、生產率高等特點。

目前，生產使用的秸稈粉碎覆蓋機具有2種：一種是安裝稻麥聯(lián)合收獲機秸稈拋撒出口的粉碎裝置，其原理是：粉碎裝置內的動定刀，將從后倉直接進入的稻麥秸稈高速打擊和剪切粉碎成碎段和纖維狀，均勻拋撒到田間，如圖1所示的由約翰迪爾公司生產的L、W、C系列的谷物聯(lián)合收割機[30]；另一種是利用拖拉機或者玉米聯(lián)合收割機動力驅動高速旋轉的粉碎刀，對秸稈進行粉碎還田的機具，其工作原理是利用高速逆向旋轉的粉碎刀對地上直立或鋪放的秸稈從根部進行砍切，并在喂入口處負壓的作用下將其吸入粉碎室，經過多次的砍切、打擊、撕裂、揉搓后將秸稈粉碎成碎段和纖維狀，最后被氣流拋送出去，均勻拋撒到田間，如圖2所示的由河南豪豐生產的4J系列秸稈粉碎還田機[31]，以及圖3所示的由雷沃公司生產的4YZ系列玉米聯(lián)合收割機[32]，其中部安裝了粉碎機。

2.2 根茬粉碎還田機械化技術

該技術是采用機械方法，將清除作物莖稈后的剩余根茬就地粉碎，將其直接與地表至100 mm以上的耕層土壤均勻混合的一項機械化技術，既能起到整地作用，利于后續(xù)播種機播種，又能達到種地養(yǎng)地的目的。該技術主要適用于實行輪作制度地區(qū)的玉米、高粱、大豆等粗莖作物的根茬粉碎，粉碎后，單位面積內根茬長度>50 mm的數(shù)量應不超過根茬總量的10%[29]。根茬粉碎還田機械化技術有效地避免了人工處理根茬費工、費時、費力的情況，同時有利于改良土壤和減少土肥流失。實現(xiàn)根茬粉碎還田的機具有滅茬機、旋耕機、秸稈粉碎翻埋滅茬機具的功能。

滅茬機、旋耕機利用拖拉機動力輸出軸將動力傳遞給滅茬刀或者旋耕刀，驅動刀片旋轉切碎作物根茬，同時還能起到碎土作用。機器后方的擋土罩阻擋和控制拋起的根茬和土壤，使土壤進一步破碎，并將碎茬與土壤攪拌混合還田，機具作業(yè)深度為80～100 mm。滅茬機、旋耕機與秸稈粉碎還田機的主要區(qū)別為：①秸稈粉碎還田機屬于無支撐切割，粉碎刀的轉速一般在2 000 r/min左右，而滅茬機與旋耕機在土壤中進行有支撐切割，刀片的轉速較低，一般在200～500 r/min之間，旋耕機刀軸轉速較低；②刀輥的轉動方向不同，秸稈粉碎還田機刀軸轉向大部分為反轉，滅茬機與旋耕機刀軸大部分為正轉。目前，應用較廣泛的滅茬機與旋耕機，可以分為以下3種：單一功能的滅茬機與旋耕機，如遼寧新風農機設備制造有限公司生產的1MC系列滅茬機（圖4）[33]；旋耕與深松、起壟、施肥播種等一種或多種功能組合的聯(lián)合作業(yè)機，其中較典型的為圖5所示的由西安亞奧農機公司生產的SGTNB系列旋播施肥機，以及由黑龍江省農業(yè)機械運用研究所研制的SGTN系列滅茬旋耕聯(lián)合整地機等（圖6）[34]；秸稈與根茬粉碎還田機，如徐州市農機技術推廣站研制的1JHG-180型秸稈粉碎還田旋耕機（圖7）[35-36]。

常用的秸稈粉碎翻埋滅茬機具有旱地使用的圓盤耙和水田使用的水田耙。圓盤耙和水田耙一般為非驅動型整地機械，主要工作部件是耙片。耙片凹面與機具的前進方向構成一定的偏角，工作時，拖拉機前進使耙片滾動入土，在耙片刃口和曲面的作用下，將土層和地表秸稈再次切碎，土壤沿著耙片凹面上升跌落形成翻土效果。圓盤耙常與淺松鏟、彈齒、釘齒或者碎土鎮(zhèn)壓輥等部件構成聯(lián)合整地機械，如雷肯公司生產的Heliodor系列、Rubin系列缺口圓盤耙（圖8）[37]。水田耙常與壓輥組合使用，典型機具如淮犁公司生產的1BS系列南方水田耙（圖9）[38]。

2.3 整稈還田機械化技術

整稈還田機械化技術是指通過機械作業(yè)，將作物摘穗后直立于田間的秸稈沿著機具前進方向翻埋或倒稈覆蓋在農田內，以達到秸稈還田目的。因此，可以將整稈還田機械化技術分為整體翻埋還田和整體倒稈覆蓋還田2種方式，前者為秸稈深施，后者為秸稈面施。該技術主要適用于東北和西北一年一熟的旱作農業(yè)地區(qū)的玉米、高粱等粗稈作物以及小麥的高茬還田。整稈還田機械化技術具有抗旱保墑、減少秸稈粉碎的作業(yè)環(huán)節(jié)、降低生產費用等優(yōu)點。

整稈翻埋還田較普遍使用的工具是鏵式犁。工作時，拖拉機或鏵式犁前方的鎮(zhèn)壓輥將直立的作物秸稈推倒，再由犁鏵切出土垡，然后土垡沿犁壁破碎翻轉，將地表的秸稈翻埋到地表150 mm以下。整體翻埋還田不適用常刮風的干旱地區(qū)，易使裸露的土壤產生風蝕和沙塵暴，且長期使用鏵式犁會導致耕層以下土壤形成犁底層，不利于作物生長。采用整體倒稈覆蓋，地表裸露較少，保水、保土效果較好，又由于覆蓋的秸稈與根茬連接，阻擋風蝕的能力增強。已有的機具如圖10所示國外的秸稈壓倒田間覆蓋機[39]和國內山西省長治市農機研究所研制的玉米整稈半覆蓋機（圖11）[40]。

3 展望

秸稈機械化還田是一項高效、省工、省時的有效措施，是秸稈綜合利用的主要技術手段，進行秸稈還田機械化技術的研究與開發(fā)對我國農業(yè)的發(fā)展具有重要意義?，F(xiàn)有的秸稈機械化還田技術配套的機具有以下幾個發(fā)展方向：①改進作業(yè)質量。現(xiàn)有對水稻、小麥、玉米等糧食作物秸稈機械化還田的機具存在秸稈粉碎長短不一、拋撒不均勻、破茬率低、覆蓋（掩埋）不均勻等問題，仍需對相關技術進一步研究；②增加經濟作物還田機具。需研制撿拾喂入裝置、纖維防纏繞裝置、新型的粉碎刀、粉碎刀排列方式，以適應棉花、甘蔗、香蕉、菠蘿等經濟作物秸稈（葉）還田的特殊要求；③完善還田機的適應性。增加機具的仿形能力、防堵裝置以及關鍵部件快速更換和調節(jié)功能，使機具較好地適應山區(qū)、丘陵地區(qū)，并滿足不同作業(yè)深度、作物類型、秸稈還田量等作業(yè)工況的要求；④優(yōu)化還田機性能。加強秸稈粉碎還田機、滅茬機、旋耕機等高速旋轉還田機具的刀輥振動研究、著力解決作業(yè)時機具揚塵、噪聲、安全等問題。使用新型材料、結合仿生技術，以減少粉碎刀、耙、犁等工作部件的磨損、腐蝕，增加其使用壽命，同時減少機具作業(yè)能耗，降低作業(yè)成本；⑤應加大機械化還田技術與其他農業(yè)機具、技術的配套使用。如與聯(lián)合收獲機、播種機、墑溝埋草裝置等進行復合作業(yè)，減少作業(yè)工序，提高工作效率；與化肥、微肥施用技術相結合，減少肥料使用量，提高肥料利用率；與秸稈快速催腐、雜草控制、病蟲害防治等技術結合，提高農田土壤整地播種質量，增加作物產量，進一步發(fā)揮秸稈還田的綜合利用效應。

參考文獻：

[1]劉 芳，張長生，陳愛武，等. 秸稈還田技術研究及應用進展[J]. 作物雜志，2012（2）：18-23.

[2]丁 艷，彭卓敏，夏建林. 國內典型秸稈還田技術及機具的比較與分析[J]. 中國農機化，2010（3）：43-46.

[3]韓魯佳，閆巧娟，劉向陽，等. 中國農作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J]. 農業(yè)工程學報，2002，18（3）：87-91.

[4]任 萍，王惠松，屠娟麗. 秸稈還田沃土實用技術[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2014.

[5]朱啟紅. 淺談秸稈的綜合利用[J]. 農機化研究，2007（6）：236-240.

[6]周先竹，魯劍巍，王忠良. 秸稈資源綜合利用與還田技術[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2014.

[7]呂小榮，弩爾夏提·朱馬西，呂小蓮，等. 我國秸稈還田技術現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 現(xiàn)代化農業(yè)，2004（9）：41-42.

[8]韓永俊，尹大慶，趙艷忠，等. 秸稈還田的研究現(xiàn)狀[J]. 農機化研究，2003（2）：39-40.

[9]劉 陽. 玉米秸稈還田對接茬冬小麥生長衰老及土壤碳氮的影響[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2008.