水稻高產(chǎn)耕層構(gòu)建及地力保育技術(shù)模式

趙 穎,張秀雙,趙英博,李 波,金丹丹,曲 航

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,遼寧 沈陽 110161; 2.黑山傳旗農(nóng)機(jī)有限公司,遼寧 黑山 121499)

遼寧省是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地和稻米出口省份。水稻種植主要分布在遼河平原,常年播種面積約53.3萬hm2,總產(chǎn)量約450萬t,單產(chǎn)為8.6 t/hm2[1],遠(yuǎn)高于全國單產(chǎn)平均水平[2]。

水稻高產(chǎn)是品種、施肥、耕作栽培以及土壤、氣候和水文等多因素的綜合體現(xiàn),其中土壤肥力直接影響水稻產(chǎn)量的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。然而該區(qū)域稻田用養(yǎng)不協(xié)調(diào),導(dǎo)致土壤肥力下降、耕層變薄變硬、產(chǎn)能不穩(wěn)定。研究表明土壤有機(jī)質(zhì)是影響東北土壤肥力變化主要因素[3],而作物秸稈是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)主要來源,秸稈還田已經(jīng)成為增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤肥力最有效的措施[4]。

水稻秸稈資源總量較為豐富,但大量秸稈被棄置或焚燒,導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。諸多學(xué)者從秸稈還田量、時期以及方式等方面開展了研究工作[5],同時,國家也在逐步完善秸稈綜合利用的政策與法規(guī)[6]。但現(xiàn)有技術(shù)存在秸稈還田質(zhì)量不高、技術(shù)模式單一、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度較低等生產(chǎn)瓶頸,亟需依據(jù)不同稻田地力及水熱條件特征構(gòu)建適宜的秸稈還田技術(shù)。

東北水稻生產(chǎn)推行翻旋結(jié)合整地[7],稻田耕層厚度平均可達(dá)17.6 cm[8]。但由于耕作成本增加,水稻種植主要依賴小型農(nóng)機(jī)具旋耕整地,導(dǎo)致耕層變淺變硬。研究表明合理耕作是保護(hù)土壤團(tuán)聚體、增加土壤耕性和蓄水保肥能力的重要措施[9],適當(dāng)增加耕作深度能夠提高深層土壤的礦化氮以及根長密度,從而增加水稻養(yǎng)分吸收能力并提高產(chǎn)量[10~12]。

為實(shí)現(xiàn)土壤培肥、耕層結(jié)構(gòu)改善和水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的協(xié)同目標(biāo),研究團(tuán)隊構(gòu)建了稻田高產(chǎn)耕層評價指標(biāo),提出了秸稈還田和深耕相結(jié)合的耕層構(gòu)建技術(shù)路徑,通過關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)理以及配套技術(shù)的系統(tǒng)研究,提出了水稻高產(chǎn)耕層構(gòu)建及地力保育技術(shù)模式,為遼寧省黑土地保護(hù)與利用提供技術(shù)支撐。

1 水稻高產(chǎn)耕層指標(biāo)

產(chǎn)量應(yīng)高于當(dāng)?shù)仄骄a(chǎn)量的10%以上。耕層厚度≥20 cm,犁底層厚度8~10 cm,土壤容重<1.2 g/cm3。土壤有機(jī)質(zhì)含量≥30 g/kg,土壤速效氮、速效磷和速效鉀分別在90 mg/kg、20 mg/kg和100 mg/kg以上,pH 7.2~8.3。

2 技術(shù)模式內(nèi)容

2.1 秸稈高留茬+深翻模式

2.1.1 適宜區(qū)域

在遼河平原中部稻區(qū)和遼東北部冷涼稻區(qū),水稻機(jī)械化收獲后的水稻秸稈處理以高留茬為主。技術(shù)適宜區(qū)域具體包括:沈陽、遼陽、鐵嶺、撫順、本溪和阜新等市。

2.1.2 作業(yè)要求

2.1.2.1 秸稈高留茬

水稻機(jī)械化收獲時,秸稈留茬高度20~30 cm,其余秸稈打碎并均勻散布于地表,不均勻度≤30%,秸稈長度≤8 cm,秸稈長度合格率≥85%。同時配施有機(jī)物料腐熟劑30 kg/hm2。

2.1.2.2 深翻

水稻秸稈高留茬還田時,選擇適宜稻田深翻作業(yè)的鏵式犁進(jìn)行秋季深翻,深度20~23 cm。將水稻留茬和粉碎秸稈翻埋入田塊。根據(jù)作物長勢、土壤含水率和堅實(shí)度,選擇不同作業(yè)速度。土壤粘性較大的作業(yè)地塊,適當(dāng)增大配套動力。

2.1.2.3 施肥

施肥應(yīng)遵循有機(jī)肥料和無機(jī)肥料相結(jié)合,大量元素為主、中微量元素為輔,基肥為主、追肥為輔的施肥原則。施用農(nóng)家肥 15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有機(jī)肥2 250~3 750 kg/hm2[13]?；瘜W(xué)肥料施入 N 135~180 kg/hm2、P2O545~75 kg/hm2、K2O 45~90 kg/hm2[14~16]。根據(jù)水稻階段性養(yǎng)分需求特征確定施肥時期。整地前施用有機(jī)肥和化肥作為基肥,有條件的地區(qū)基肥宜采用測深施肥方式。返青期、分蘗期追施氮肥,拔節(jié)孕穗期追施鉀肥,均勻撒施。

2.1.2.4 淺旋

在春季基肥施用后進(jìn)行淺旋作業(yè),使肥料與土壤充分混合,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

攪漿前應(yīng)泡田3~5 d,泡田深度≥5 cm,以泡軟秸稈泡透土壤耕作層為宜。作業(yè)時應(yīng)嚴(yán)格控制水層,以花達(dá)水為宜,有效減少秸稈漂浮。

2.1.2.6 插秧

根據(jù)品種特性、地力條件、栽培管理水平等,確定適宜的種植密度。普通品種機(jī)插密度一般為17萬~20萬穴/hm2,耐密品種適當(dāng)提高機(jī)插密度至23萬~26萬穴/hm2[15]。

2.1.2.7 作業(yè)流程

水稻秸稈高留茬+深翻模式作業(yè)流程圖1。

圖1 秸稈高留茬+深翻作業(yè)流程

2.2 水稻秸稈粉碎+深旋模式

2.2.1 適宜區(qū)域

在遼河平原三角洲鹽堿稻區(qū)、遼東南部沿海稻區(qū),水稻機(jī)械化收獲后的水稻秸稈處理以秸稈粉碎為主。技術(shù)適宜區(qū)域具體包括:盤錦、營口、丹東、錦州、大連、鞍山、葫蘆島和朝陽等市。

2.2.2 作業(yè)要求

2.2.2.1 秸稈粉碎

水稻秋季機(jī)械化收獲時將全量秸稈打碎并均勻散布于地表,不均勻度≤30%,秸稈長度8~10 cm,秸稈長度合格率≥90%,留茬高度≤15 cm。同時配施有機(jī)物料腐熟劑30 kg/hm2。

2.2.2.2 秋季淺旋

秸稈粉碎秋季還田時,進(jìn)行淺旋或花達(dá)水打漿還田,使秸稈與土壤混合,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

施用農(nóng)家肥15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有機(jī)肥2 250~3 750 kg/hm2[13]。在此基礎(chǔ)上,化學(xué)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

基肥施用后進(jìn)行深旋作業(yè),使水稻秸稈、肥料與土壤充分混合,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

攪漿前應(yīng)泡田3~5 d,泡田深度≥5 cm,以泡軟秸稈泡透土壤耕作層為宜。作業(yè)時應(yīng)嚴(yán)格控制水層,以花達(dá)水為宜,減少秸稈漂浮。

2.2.2.6 插秧

根據(jù)品種特性、地力條件、栽培管理水平等,確定適宜的種植密度。普通品種機(jī)插密度一般為17萬~20萬穴/hm2,耐密品種適當(dāng)提高機(jī)插密度至23萬~26萬穴/hm2[15]。

2.2.2.7 深翻

每隔兩年進(jìn)行1次秋季深翻,改善耕層結(jié)構(gòu)。

2.2.2.8 作業(yè)流程

水稻秸稈粉碎+深旋模式作業(yè)流程見圖2。

圖2 秸稈粉碎+深旋作業(yè)流程

3 技術(shù)應(yīng)用效果

該模式主要技術(shù)措施為“高留茬+深翻”和“秸稈粉碎+深旋”的機(jī)械化耕層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合應(yīng)用秸稈腐熟劑篩選與施用優(yōu)化、水稻養(yǎng)分精準(zhǔn)調(diào)控、合理群體調(diào)控等配套技術(shù)。自2017年開始,通過在鐵嶺、遼陽和盤錦等水稻試驗(yàn)示范區(qū)進(jìn)行模式應(yīng)用,耕層厚度由12~15 cm提高至20 cm以上,秸稈還田更為充分、減少漂浮,還田質(zhì)量顯著提升。秸稈還田后經(jīng)微生物分解,秸稈碳、氮、磷和鉀養(yǎng)分當(dāng)季累計腐解釋放率可達(dá)69%~77%、39%~55%、66%~77%和 96%~98%。增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分庫容和蓄水保肥能力,改善了根系生長發(fā)育環(huán)境,提高了水稻養(yǎng)分吸收和抗倒伏能力。依據(jù)遼粳、鹽豐系列水稻品種草谷比0.95~1.05[17,18],遼寧水稻秸稈資源總量在413.1萬~456.6萬t。遼寧水稻秸稈氮、磷和鉀平均養(yǎng)分含量為0.66%、0.14%、2.04%[14],秸稈還田后氮磷鉀當(dāng)季腐解釋放量分別為1.3萬~1.4萬、0.4萬~0.5萬和8.2萬~9.1萬t。團(tuán)隊利用碳、氮同位素雙標(biāo)記秸稈和同位素示蹤技術(shù),量化了水稻秸稈當(dāng)季腐解率、碳氮養(yǎng)分釋放速率,探明了秸稈腐解對溫度和水分交互作用的響應(yīng)機(jī)制,明確了秸稈快腐的水熱環(huán)境的構(gòu)建要求[19],促進(jìn)秸稈養(yǎng)分高效利用。并進(jìn)一步明晰了該模式在稻田固碳減排方面的巨大潛力[20]。通過模式應(yīng)用,最終能夠顯著提高籽粒產(chǎn)量5%~8%,并且可以改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)碳含量、減少溫室氣體排放,避免秸稈被棄置和焚燒。該模式協(xié)同突破了稻田變瘦變硬變薄等地力保育痛點(diǎn),秸稈還田質(zhì)量差、秸稈還田腐解慢等技術(shù)難點(diǎn),農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度不高等技術(shù)卡點(diǎn),入選為遼寧省土壤肥料領(lǐng)域科技新成果。通過技術(shù)培訓(xùn)、現(xiàn)場觀摩、媒體報道等推廣途徑,提高了技術(shù)模式的輻射帶動作用,2021年盤錦市63%的稻田已實(shí)現(xiàn)秸稈還田。

4 存在問題和應(yīng)用前景

“十三五”期間,我們已針對模式中的關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)理、配套技術(shù)以及應(yīng)用效果開展了系統(tǒng)研究,但考慮到技術(shù)成熟需要時間和更大尺度的優(yōu)化驗(yàn)證,亟需進(jìn)行長期、多區(qū)域的技術(shù)應(yīng)用效果監(jiān)測,并進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)及參數(shù)的優(yōu)化創(chuàng)研與驗(yàn)證,提高技術(shù)區(qū)域適應(yīng)性。未來應(yīng)通過秸稈促腐還田、育秧插秧、水肥管理等關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)融合,充分發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢,最終創(chuàng)新集成不同區(qū)域、不同氣候土壤條件下的水稻高產(chǎn)耕層構(gòu)建及地力保育技術(shù)模式,使其在更大范圍推廣應(yīng)用,最終建立適宜的耕作制度,為黑土地保育和水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)做出貢獻(xiàn)。