研究| 黑土地保护与秸秆富集深还

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研究| 黑土地保护与秸秆富集深还

2016-10-31 窦森农业环境科学

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农环格格有话说：

10月31日周一（农历十月初一），大家早安！！

今天文章是吉林农业大学窦森老师的一篇文章，记得在7月24日我们在农环微信平台曾推出窦森老师的一篇文--《秸秆还田新模式--给秸秆找婆家让土壤有饭吃的新方法》，此文受到很多朋友的关注......（文末有此文链接，点击即可查看..）

那么今天文章是围绕黑土地保护和秸秆富集深还内容展开，介绍了吉林省黑土地保护的范围、存在的问题和保护措施,特别介绍了秸秆富集深还技术模式及其优点、适用条件和实施效果。

窦森老师文章--科普且实用性强，语言的生动、形象给我们留下深刻印象......!!

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文

窦森

吉林农业大学资源与环境学院, 长春 130118

（本文发表于吉林农业大学学报2016年5期）

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❖文章重点

我国黑土是世界上四大黑土区之一,吉林省的黑土区( 软土) 为 8.63 万 km2 ,其中发生学分类的黑土为1.1万km2,分别占全国的32%和15%。

黑土退化的主要表现是黑土“变少了”“变薄了”“变瘦了”,其主要原因是建设占用和不当耕作。

黑土地保护的主要措施：

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是通过合理耕作和秸秆深还来形成深厚、肥沃、健康的耕作层和亚表层;对于不可避免的建设占用耕地实施表土剥离与再利用,同时尽快完成城市边界、永久基本农田边界、生态边界的“三界”划定,保护黑土资源。

就秸秆深还而言,提倡机械化秸秆富集深还,即将玉米秸秆粉碎并富集到一个条带后,以风力注入的方式埋入土壤亚表层 20 ~ 40 cm 的技术模式。其优点是土层顺序不变,并可 2 ~ 4 倍量富集秸秆,达到连年条带轮耕深还秸秆的目的,彻底解决秸秆焚烧和土壤培肥之急需。

关于黑土地保护

1黑土地保护的范围

常说世界上“三大片”黑土的说法还并不完整......

常说的世界上有“ 三大片” 黑土,指的是俄罗斯平原、美国密西西比河流域和中国东北。但却忽略了阿根廷和乌拉圭的潘帕斯 ( Pampas) 大草原。

实际上,按美国土壤系统分类的软土( Molli⁃ sols) 或者按俄国早期土壤分类的黑钙土( Cherno⁃ zem),世界上都应该是四大片黑土区：

即乌克兰和俄罗斯大平原为第一片, 约 190 万 km2 ;

美国密西西比河流域为第二片,约 120 万 km2 ;

阿根廷和乌拉圭的潘帕斯大草原为第三片, 约 50 万 km2 ;

中国东北为第四片, 约 27 万 km2 。

按照联合国粮农组织和我国第二次土壤普查的土壤发生分类的黑土,世界上应该是三大片,但这三大片中却没有乌克兰和俄罗斯,而应当有阿根廷和乌拉圭的潘帕斯大草原。这可由 2012 年 8 月 8 日世界黑土联合会召开的“ 世界黑土保护国际研讨会” ( In⁃ ternational Workshop of Mollisols Conservation) 上得到印证。与会代表涵盖了这四大黑土区的 7 个国家。

会议报道,“经过交流,来自世界仅有的四大片黑土区专家在以下几个方面形成了共识:

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黑土是世界上宝贵的农业资源,垦殖率在 70%以上;垦殖后农田黑土均存在着肥力下降的问题,水土流失是对黑土危害最严重的问题,需遏止黑土退化,加以保护利用......

会议初步确定下届‘ 世界黑土学术研讨会’ 在南美乌拉圭召开” ,这说明南美这一片黑土区已经被加入“ 四大片黑土区” 中(图1)。

吉林省的广义黑土(软土)为 8 .63 万 km2,其中发生学分类的黑土为 1.1 万 km2 ,分别占全国的 32%和 15%。吉林省黑土地保护的核心区为中部平原粮食主产区,行政范围包括长春市、吉林市、辽源市、松原市(除乾安县)、四平市(除双辽市)、通化市的柳河县和辉南县、公主岭市、梅河口市,共 35 个县(市、区),耕地面积452.07 万 km2 (6781.7 万亩),占全省耕地面积的 64.3%,占全省粮食总产量的 80%以上(吉林省第二次土地利用调查数据)。

2黑土退化的主要表现及原因

黑土“ 变少了”

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随着工业化和城市化进程的加快,建设用地占用耕地的面积不断增加,按最新的土地利用总体规划,预计到 2020 年,吉林省建设用地将达到 117.4 万 hm2 ,新增建设用地为 14.5 万 hm2 。在新增建设用地中,占用耕地数量将达到 8.33 万 hm2 ,涉及到很多优质黑土耕地被占用,优质黑土面积减少的趋势难以遏制。其原因除正常建设需求外,就是众所周知的“ 土地财政” 与“ 开发热” 。

黑土“ 变薄了”

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黑土变薄主要体现在黑土腐殖质层厚度降低,根据一些县(市)调查数据,黑土初垦时腐殖质层厚为 60 ~ 80 cm,深的可达 100 cm,目前全省耕地土壤腐殖质层厚>30 cm的面积占全省耕地面积的 35%,20 ~ 30 cm的占耕地面积的 38%,<20 cm 的占耕地面积的 27%。其中,个别水土流失严重的地方只剩下薄薄的一层表土(0~10 cm),称为“破皮黄”,约占 3%。另外,黑土腐殖质层厚度变化受地形影响较大,岗地和坡地黑土腐殖质层厚度下降明显。黑土层变薄原因主要有以下几方面:一是水土流失( 土壤侵蚀)影响;二是耕作方式落后;三是农田基础设施薄弱。

黑土“变瘦了”

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黑土“变瘦”主要体现在土壤有机质含量降低,土壤肥力下降。黑土开垦前表层有机质含量多为 3%~6%,低于 3%的比较少见。目前全省耕地土壤有机质含量为1 5%~3 0%,较开垦前下降了30%~50%。土壤肥力下降原因主要有以下几方面:一是有机肥料施用量低,秸秆还田量不足;二是种植结构不合理,玉米连作现象普遍;三是物理性状和生物性状退化。

3黑土地保护的理论与目标

理论:

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对于耕地,通过合理耕作同时补充土壤有机质来形成深厚、肥沃、健康的表土层( 耕作层和亚表层);对于不可避免的建设占用耕地实施表土剥离与再利用,保护黑土资源。

目标:

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到 2020 年,吉林省黑土地保护的核心区耕地耕层厚达到 30 ~ 40 cm;0 ~ 40 cm 平均土壤有机质含量增幅>5%;建设占用耕地要普遍实施表土剥离与再利用,通过法律约束、政策补贴和市场运作达到建设项目全覆盖。

基本措施:

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尽快完成 “三界划定”。一是划定城市边界,今后城市必须有固定的城市边界,城市建设不能再“ 摊大饼了” ,只能做“ 千层饼” ,节约、集约利用土地。二是划定永久基本农田边界,在城市边界以外,要把适合于耕种同时不破坏生态环境的优质耕地果断划定为永久基本农田,不准搞任何非农开发建设。三是划定生态边界,在稳定耕地外,逐渐进入生态脆弱地带,必须划定生态边界,主要是林地、草地、水域等生态保障用地。以上三个边界,除国家特殊用途外,任何地方政府不得突破。

黑土地保护的创新性措施主要是“秸秆深还”和表土剥离。

吉林农业大学完成了国内首个《建设占用耕地表土剥离技术规范》标准制定工作,已经于 2015 年 3 月发布实施,累计实施近百个表土剥离项目,剥离面积超过 1.33 万 hm2(20万亩),剥离土方量超过 5000 万 m3,在保障发展用地的同时,也保护了大量珍贵的黑土地资源,并探索形成了多种表土剥离利用模式。关于表土剥离技术模式与技术规范可参见文献。

(窦森,董雪,董丽娟,等. 松辽平原表土剥离技术体系:以吉林省松原市为例[J]. 吉林农业大学学报,2014,36(2): 127⁃133.

窦森,周岩,朱喜军,等. DB22⁃T 2278⁃2015 建设占用耕地表土剥离技术规范[S].长春:吉林省质量技术监督局,2015. )

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秸秆深还是秸秆还田的创新模式

本文重点讨论秸秆深还

关于秸秆深还

1秸秆深还理念

首先要看问题导向(顺推)。

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一是吉林省每年2 000 万 t玉米秸秆无用武之地,焚烧秸秆污染环境;二是耕地久用不养,急需秸秆还田培肥地力。因此,“ 给秸秆找婆家,让土壤有饭吃” ,也就是秸秆还田,是我们不二的选择。

再看目标导向(逆推)。

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一是国家对农业已经提出:“一控二减三基本”的要求(“一控”是指控制农业用水总量和农业水环境污染,确保农业灌溉用水总量保持在 3 720 亿 m3 ,农田灌溉用水水质达标。 “两减” 是指化肥、农药减量使用。 “三基本”是指畜禽粪污、农膜、农作物秸秆基本得到资源化、综合循环再利用和无害化处理),其中涉及到减少化肥、农药投入量,至少是“零增长”。农作物秸秆基本得到资源化利用,禁止露天焚烧。

要解决这些问题和实现这些目标

秸秆还田是最重要手段之一

因为秸秆还田可以提升地力,耕地“身板”好了,产量就不会过分依赖化肥和农药,土壤就不用靠“ 打点滴” 过日子了。

既然秸秆还田如此重要

为什么农民还要露天焚烧

( 多为秋季烧叶或春季全烧) 或野外丢弃?

除了经济因素外,现行的秸秆还田方式,也存在一些问题。 目前,玉米联合收获机械( 简称“ 玉米收” )把秸秆打碎后,留在地表,不但没有实现秸秆还田,反而给后续的秸秆还田增加了“麻烦”。如果直接覆盖还田,会引起种地时表层温度低、过分依赖农药,或被风迁移聚堆,影响种地,反而不如整秸覆盖;如果用小型机具耙入或翻入土壤浅层,不仅处理费工,秸秆还会形成过多大孔隙,种地“ 漏风”。

这两种情况农民都不喜欢,往往秋季或春季种地前一烧了之。现行的秸秆还田,不仅农民不喜欢,而且科学性上也存在问题。因为秸秆或在地表分解,或在多风干旱地区被风吹走,对提升土壤有机质的作用没有完全发挥出来,并向大气中释放可观温室气体,“ 冒气” 与“ 冒烟” 对碳排放无本质区别。如果要把打碎留在地表的秸秆深埋还田,往往又不如整秸容易拣拾。

因此,强烈建议,农机部门今后生产“玉米收”,必须把秸秆打碎装置卸掉,或重新设计“ 玉米收” ,以提高“ 玉米收” 的使用价值。

我们搞秸秆还田 30 多年,看到仍在焚烧秸秆,心里不好受,也说明必须要找到一种新的还田方式。

这种方式就是秸秆深还,即用机械化手段将秸秆粉碎并埋入土壤 20 ~ 40 cm,既解决秸秆焚烧问题,又培肥了最饥饿的土壤亚表层,还不影响种地。经过近 10 年的研究,理论已经被学界接受, 技术基本成熟,机具也已经生产出来几代产品,目前正在推广阶段。

2015—2016 年,农业部给东北 10 个亿资金用于黑土地保护试点,目标有两点:增加耕作层厚度和土壤有机质含量,而秸秆深还可同时、快速地达到这两点。如果还沿用过去的覆盖或浅施,由于不能打破犁底层,增加土壤耕作层厚度就无法实现。此外,秸秆深还可以提高耕作的效率,使形成的优质土壤孔隙更持久。秸秆深还属于半暗沟隐式秸秆富集深还法,以风力注入的方式将秸秆富集到一个条带后深埋,土层顺序不变,肥力效果发挥更好,而且可以连年全量还田,操作也比较简单。这是以往秸秆还田模式不能比拟的。

但是,“秸秆深还” 毕竟是新生事物,在耕作方面,有人认为这不是免耕,有悖于保护性耕作,但却不知免耕是有条件的,即要有深厚、肥沃、健康的表土层才可免耕,不能一味照搬;在农机方面,部门和企业留恋已有的机械配套方式和盈利模式,不愿放弃已有利益;规模经营程度和机械化程度不够,也不利于开展秸秆深还。

值得提出的是,秸秆深还并不排斥其他秸秆还田方式,只要符合科学和当地实际、农民接受都可以因地制宜的进行。同时也不排斥饲料化、基料化、能源化、工业原料化等其他秸秆利用方式,秸秆深还只是起“ 兜底” 和应急作用,或趁秸秆有余的机会给土壤“ 吃几顿饱饭” 而已。总之,秸秆深还可以使土壤有机质含量、耕层厚度“ 双增” ,耕地“ 身板强壮” ,化肥、农药“双减”,经济、生态效益“双保”,一举多得,是一种实用的新理念。

2秸秆富集深还技术

秸秆深还概念:

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将秸秆资源化与土壤培肥结合起来,使玉米秸秆通过机械化手段施入土壤亚表层( 耕地深层 20 ~ 40 cm) ,这就是 “ 秸秆深还” ( Corn stover deep incorporation, CSDI) 。

土壤亚表层:

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土体 20 ~ 40 cm 范围,与植物生长和土壤固碳关系密切,而与发生层概念无关(图 2)。如果是耕地,一般它包括了犁底层和心土层的上部分。

机械化秸秆富集深还技术模式:

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秸秆深还属于半暗沟隐式秸秆富集深还法,以风力注入的方式将秸秆富集到一个条带后深埋,即条带轮耕秸秆富集深还(简称“富集深还”)。这是吉林农业大学新近推出的一项集耕作、施肥、高产栽培于一体的机械化秸秆深还土壤培肥综合技术。该项技术的作业要求条件较宽,既可以将站立或卧倒的整株秸杆粉碎还入半暗深沟内,也可以将玉米收获机械抛撒在地表的秸秆拣拾起来进一步粉碎还入半暗深沟内。

富集深还的优点是土层顺序不变,并可富集秸秆 2 ~ 4 倍,达到连年条带轮耕深还的目的。该种方法根据秸秆收获及粉碎的宽幅和土壤质地的不同,采用 74 ~ 110 kW 的拖拉机,例如 904、1204 拖拉机均可以,机具自动对接。收获 4 行,拖拉机轮距为 2.45 m,收获 3 行的轮距为 1.95 m。具体操作模式见图 3。

由于半暗沟隐式秸秆富集深还采用的是宽幅收集粉碎,集中风力输送至土壤深层,除了中间一行深层埋有秸秆,其余各行都处于带茬的原始状态,只要保证一定的还田深度和覆土厚度,不会影响后续农事操作,根据设计要求,要选用我们生产的专利机具,埋秸秆沟深要达到 37 ~ 40 cm,覆土厚要达到 15 ~ 20 cm。另外,在灭茬、旋耕、起垄整地作业中,起垄犁要避开埋有秸秆的那一行,以免把已经埋好的秸秆翻出来。

3秸秆深还的效果

原来人们担心秸秆深还可能引起第二年玉米产量降低,但在吉林省榆树黑土区玉米产量可以达到 10 t 以上,比传统耕作约高 5%。辽宁省和吉林农业大学的试验也表明,秸秆深还对玉米产量没有不良影响。秸秆深还的改土效果很明显,一般土层厚度增加,土壤容重、水分和结构状况等物理性质有所改善。秸秆深还可促使土壤亚表层土壤有机碳含量增加,提高胡敏酸、富里酸和胡敏素的含量。实践证明,秸秆深还不仅对腐殖质结构未产生不良影响,而且对有些指标(如 H/ C、亲水性)还有改善作用,促使黑土胡敏酸结构简单化。