水稻高產耕層構建及地力保育技術模式

趙 穎,張秀雙,趙英博,李 波,金丹丹,曲 航

(1.遼寧省農業科學院,遼寧 沈陽 110161; 2.黑山傳旗農機有限公司,遼寧 黑山 121499)

遼寧省是我國重要的商品糧生產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,總產量約450萬t,單產為8.6 t/hm2[1],遠高于全國單產平均水平[2]。

水稻高產是品種、施肥、耕作栽培以及土壤、氣候和水文等多因素的綜合體現,其中土壤肥力直接影響水稻產量的可持續性和穩定性。然而該區域稻田用養不協調,導致土壤肥力下降、耕層變薄變硬、產能不穩定。研究表明土壤有機質是影響東北土壤肥力變化主要因素[3],而作物秸稈是農田土壤有機質主要來源,秸稈還田已經成為增加土壤有機質、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,導致資源浪費和環境污染。諸多學者從秸稈還田量、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[6]。但現有技術存在秸稈還田質量不高、技術模式單一、農機農藝融合度較低等生產瓶頸,亟需依據不同稻田地力及水熱條件特征構建適宜的秸稈還田技術。

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

為實現土壤培肥、耕層結構改善和水稻高產優質的協同目標,研究團隊構建了稻田高產耕層評價指標,提出了秸稈還田和深耕相結合的耕層構建技術路徑,通過關鍵技術、機理以及配套技術的系統研究,提出了水稻高產耕層構建及地力保育技術模式,為遼寧省黑土地保護與利用提供技術支撐。

1 水稻高產耕層指標

產量應高于當地平均產量的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。土壤有機質含量≥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 技術模式內容

2.1 秸稈高留茬+深翻模式

2.1.1 適宜區域

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

2.1.2 作業要求

2.1.2.1 秸稈高留茬

水稻機械化收獲時,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的鏵式犁進行秋季深翻,深度20~23 cm。將水稻留茬和粉碎秸稈翻埋入田塊。根據作物長勢、土壤含水率和堅實度,選擇不同作業速度。土壤粘性較大的作業地塊,適當增大配套動力。

2.1.2.3 施肥

施肥應遵循有機肥料和無機肥料相結合,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。施用農家肥 15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有機肥2 250~3 750 kg/hm2[13]?；瘜W肥料施入 N 135~180 kg/hm2、P2O545~75 kg/hm2、K2O 45~90 kg/hm2[14~16]。根據水稻階段性養分需求特征確定施肥時期。整地前施用有機肥和化肥作為基肥,有條件的地區基肥宜采用測深施肥方式。返青期、分蘗期追施氮肥,拔節孕穗期追施鉀肥,均勻撒施。

2.1.2.4 淺旋

在春季基肥施用后進行淺旋作業,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。作業時應嚴格控制水層,以花達水為宜,有效減少秸稈漂浮。

2.1.2.6 插秧

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

2.1.2.7 作業流程

水稻秸稈高留茬+深翻模式作業流程圖1。

圖1 秸稈高留茬+深翻作業流程

2.2 水稻秸稈粉碎+深旋模式

2.2.1 適宜區域

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

2.2.2 作業要求

2.2.2.1 秸稈粉碎

水稻秋季機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,進行淺旋或花達水打漿還田,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

施用農家肥15 000~22 500 kg/hm2或施用商品有機肥2 250~3 750 kg/hm2[13]。在此基礎上,化學肥料施入N 135~225 kg/hm2、P2O560~75 kg/hm2、K2O 60~90 kg/hm2[14~16]。

2.2.2.4 深旋

基肥施用后進行深旋作業,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。作業時應嚴格控制水層,以花達水為宜,減少秸稈漂浮。

2.2.2.6 插秧

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

2.2.2.7 深翻

每隔兩年進行1次秋季深翻,改善耕層結構。

2.2.2.8 作業流程

水稻秸稈粉碎+深旋模式作業流程見圖2。

圖2 秸稈粉碎+深旋作業流程

3 技術應用效果

該模式主要技術措施為“高留茬+深翻”和“秸稈粉碎+深旋”的機械化耕層構建關鍵技術,結合應用秸稈腐熟劑篩選與施用優化、水稻養分精準調控、合理群體調控等配套技術。自2017年開始,通過在鐵嶺、遼陽和盤錦等水稻試驗示范區進行模式應用,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,還田質量顯著提升。秸稈還田后經微生物分解,秸稈碳、氮、磷和鉀養分當季累計腐解釋放率可達69%~77%、39%~55%、66%~77%和 96%~98%。增強了土壤養分庫容和蓄水保肥能力,改善了根系生長發育環境,提高了水稻養分吸收和抗倒伏能力。依據遼粳、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、磷和鉀平均養分含量為0.66%、0.14%、2.04%[14],秸稈還田后氮磷鉀當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。團隊利用碳、氮同位素雙標記秸稈和同位素示蹤技術,量化了水稻秸稈當季腐解率、碳氮養分釋放速率,探明了秸稈腐解對溫度和水分交互作用的響應機制,明確了秸稈快腐的水熱環境的構建要求[19],促進秸稈養分高效利用。并進一步明晰了該模式在稻田固碳減排方面的巨大潛力[20]。通過模式應用,最終能夠顯著提高籽粒產量5%~8%,并且可以改善土壤結構、增加土壤有機碳含量、減少溫室氣體排放,避免秸稈被棄置和焚燒。該模式協同突破了稻田變瘦變硬變薄等地力保育痛點,秸稈還田質量差、秸稈還田腐解慢等技術難點,農機農藝融合度不高等技術卡點,入選為遼寧省土壤肥料領域科技新成果。通過技術培訓、現場觀摩、媒體報道等推廣途徑,提高了技術模式的輻射帶動作用,2021年盤錦市63%的稻田已實現秸稈還田。

4 存在問題和應用前景

“十三五”期間,我們已針對模式中的關鍵技術及機理、配套技術以及應用效果開展了系統研究,但考慮到技術成熟需要時間和更大尺度的優化驗證,亟需進行長期、多區域的技術應用效果監測,并進一步開展關鍵技術及參數的優化創研與驗證,提高技術區域適應性。未來應通過秸稈促腐還田、育秧插秧、水肥管理等關鍵技術有機融合,充分發揮協同優勢,最終創新集成不同區域、不同氣候土壤條件下的水稻高產耕層構建及地力保育技術模式,使其在更大范圍推廣應用,最終建立適宜的耕作制度,為黑土地保育和水稻高產優質做出貢獻。