一种激发式秸秆原位行间掩埋还田地力培育方法与流程

1.本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种激发式秸秆原位行间掩埋还田地力培育方法。


背景技术：

2.农作物秸秆是农业生产中一项重要的生物资源，涉及到整个农业生态系统中土壤肥力、水土保持、环境安全以及再生农业资源有效利用等可持续发展问题。中国是秸秆资源最为丰富的国家之一，据测算2015年黄淮海地区主要农作物秸秆产量达到1.5亿吨左右，粮食作物秸秆产量占70％以上，而玉米和小麦秸秆产量占43.4％(小麦和玉米均为21.7％)。过去很长时期内秸秆多被用于生活燃料和牲畜饲料，或直接露天焚烧或被大量随意堆积和遗弃，造成严重的资源浪费和环境污染问题。随着农村经济的发展和粮食单产水平的提高，秸秆的剩余量越来越多。如何处理秸秆已成为我国农业生产和环境保护的重大问题。另一方面，长期的化学农业降低了土壤肥力、恶化了土壤结构，对农业可持续发展造成了严重威胁。据统计，黄淮海潮土地区的肥沃高产田只有18.2％，而中低产田则占到了81.8％，耕地缺氮的超过60％，土壤有机质普遍偏低。培育农田的核心是增加土壤有机质，而秸秆是增加土壤有机质重要资源。秸秆的科学还田技术，不但促进秸秆还田的顺利实施，也是提高土壤肥力和改良土壤结构、保证土地高效持续产出的重要措施和关键途径。
3.尽管已有许多研究表明，秸秆还田有提升土壤肥力、增加作物养分吸收和产量的潜力，但秸秆还田也存在一系列问题，如影响播种出苗、降低表层土壤水肥保持能力、大量秸秆还田导致碳输入过高紊乱了土壤微生物系统等而导致作物产量降低，因而秸秆还田的正负效应一直没有定论。因此，如何发挥秸秆还田的正面效应而规避其负面效应，建立适宜的秸秆还田方法极为重要。


技术实现要素：

4.解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种激发式秸秆原位行间掩埋还田地力培育方法，具有能够缓减秸秆养分有机质表聚、板结，降低氧分压，增加堆腐效果降低作物出苗困难的几率，促进土壤有机质在全耕层的积累，有利于全耕层土壤结构状况的改善等优点。
5.技术方案：
6.一种激发式秸秆原位行间掩埋还田地力培育方法，其特征在于包括以下步骤：
7.步骤1.在作物收获后，将玉米秸秆进行粉碎处理，小麦秸秆直接还田；
8.步骤2.向秸秆中均匀混入氮肥，然后均匀混入微生物激发调节剂；
9.步骤3.进行行间开沟，行间距离及开挖深度需根据作物品种、种植密度、秸秆还田量需要进行调整；
10.步骤4.先将秸秆、氮肥、微生物激发调节剂组合物掩埋进沟间，再进行覆土及镇压；
11.步骤5.施肥，播种并镇压，保证播种均匀，播深一致，覆盖严密，播后要适时浇水，以加速土壤沉实和促进秸秆有机碳和养分向土壤中转。
12.优选的，所述步骤1中玉米秸秆需粉碎至不超过10cm。
13.优选的，所述步骤2中氮肥为化学氮肥或腐熟有机肥，用量为2kg/亩，微生物激发调节剂有效成分为氨基酸、黄腐酸、岩棉、海藻寡糖，配以有机质碳为基质载体配合而成，用量为100kg/亩。
14.优选的，所述氮肥为精制鸡粪。
15.优选的，所述步骤3中秸秆掩埋行间距离为60cm，开挖深度为30cm，作物播种行间距为40cm。
16.优选的，所述步骤5中常规施肥为施加氮肥200kg/ha，磷肥105kg/ha，钾肥105kg/ha。
17.本发明技术的原理为：
18.一、土壤有机质
‑
微生物
‑
团聚体协同提升机制：
19.①
土壤有机质驱动
‑
其他各项地力指标协同增进：中国科学院封丘农田生态试验站长达28年的长期定位试验数据表明：土壤地力的提升以增加土壤有机质为核心，驱动其他各项指标协同增进(土壤微生物活性增强，团聚化度高，水养库容大，供水供肥能力强)，但缓慢的土壤有机质积累过程制约着优质耕作层快速形成。化肥能促进低产土壤有机质增加，但效果有限；有机质大幅增加的必要条件是充足的外源有机物料供应，然而有机质积累过程冗长，增加1％大约需要20年。土壤有机质增加的突破点在于：一个必要条件(充足碳源供应以提高碳平衡点)、两个关键过程(微生物群落沃土化、土壤团聚化)。
20.②
沃土微生物群落结构构建：在瘠薄低产土壤耕层添加有机物料以增加土壤有机质后，土壤微生物多样性和物种丰富度能够快速修复(小于1年)，经过短期驯化后(小于2年)，微生物群落结构向富养型菌群占优的沃土化方向调整，高效转化碳及氮磷钾等营养元素的微生物丰度激增而富集(如芽孢杆菌、被孢霉菌、特定溶磷菌种群)，提高微生物对土壤碳及养分转化率，增加有机质形成的底物。若无有机底物添加，受氮素限制，微生物(主要是寡养型菌群)将分解土壤有机质以释放氮来满足生长需求(掘氮理论)，加速土壤有机质矿化损失；添加有机物料和氮源后，碳氮比满足微生物生长合适范围内，微生物(主要是富养型菌群)优先利用易分解有机组分(如纤维素)，激发外源有机底物快速分解(化学计量学理论)，微生物群落沃土化进而加速土壤有机质的形成与积累。
21.③
土壤结构团聚化与稳定：土壤团聚化提供土壤有机质物理保护以抵御分解，是土壤有机质增加及稳定的关键过程。当土壤添加易分解活性有机物料时，对微生物具有启动和助推作用，能显著促进大团聚体形成，快速促进土壤团聚化(小于1年)。微生物快速分解有机物料形成充足的腐殖质物质和关键官能团大分子有机物(如胞外聚合物)，增加其在粉粘粒中聚合和微团聚体中分配积累。粉粘粒和微团聚体有机质增加一方面直接促进稳定性大团聚体形成，另一方面通过降低土壤粉粘粒之间的水化/静电斥力、增强范德华力/键合力来往复循环促进土壤团聚化，不断增加大团聚体比例和含量，进而促进土壤团聚体的稳定(小于2年)。
22.二、基于以上的土壤有机质
‑
微生物
‑
团聚体协同提升机制，本技术的主要原理如下：
23.①
还田时秸秆中添加适量氮素(2kg/亩)，能够降低还田秸秆碳氮比，满足微生物大量繁殖所需的碳氮比的“剂量效应”；降低常规秸秆还田前期时的微生物的“掘氮效应”导致的土壤有机质降低；利于秸秆有机碳和养分向土壤中的快速转化。
24.②
还田时秸秆中添加微生物激发调节剂(100kg/亩)，能够利用激发式的“起爆效应”，提高整体土壤微生物代谢活动，促进土壤土著微生物的快速大量繁殖，使得微生物向沃土化生长。
25.③
秸秆还田深度为5
‑
30cm，能够缓减秸秆养分有机质表聚、板结，降低氧分压，增加堆腐效果降低作物出苗困难的几率，促进土壤有机质在全耕层的积累，有利于全耕层土壤结构状况的改善。
26.④
采用行间掩埋来把进行秸秆错位还田。常规秸秆堆肥耗时长久，将秸秆在田间进行原位堆腐，在作物生长的同时能够利用“堆肥效应”进行腐熟。大量秸秆堆肥困难，利用作物生长的行间空间进行堆肥。避免作物生长过程中根系和秸秆直接接触，从而降低与生化他感效应有密切关系的病虫草害等不利影响。
27.⑤
有利于土壤养分从作物中回流，增加土壤基础肥力水平，降低化肥消耗量。
28.有益效果：1.培育土壤地力。能够缓减秸秆养分有机质表聚、板结，降低氧分压，增加堆腐效果降低作物出苗困难的几率，促进土壤有机质在全耕层的积累，有利于全耕层土壤结构状况的改善。
29.2.在秸秆有机碳和养分转化上具有时间和空间优势。常规秸秆堆肥耗时长久，将秸秆在田间进行原位堆腐，在作物生长的同时能够利用“堆肥效应”进行腐熟。大量秸秆堆肥困难，利用作物生长的行间空间进行堆肥。
30.3.避免作物生长过程中根系和秸秆直接接触，从而降低与生化他感效应有密切关系的病虫草害等不利影响。
31.4.有利于土壤养分从作物中回流，增加土壤基础肥力水平，降低化肥消耗量。
32.5.氮肥使用精制鸡粪，鸡粪能带来更多的促进秸秆腐解的外源活性微生物，并为土壤本身的土著微生物提供更多的能源和降解底物，对提高整体土壤微生物代谢活动起到激发式的“引爆效应”，加速秸秆的降解和土壤有机质的累积，并对本底土壤稳定有机质的养分释放有正激发效应。
附图说明
33.图1为本发明所述方法的技术原理和模式示意图；
34.图2为土壤耕层照片，左图为土壤耕层深度图，右图为土壤耕层；
35.图3为不同处理土壤有机碳含量图；
36.图4为不同处理下作物产量图。
具体实施方式
37.以下土壤试验进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，试验中未注明的具体测定方法均采用鲁如坤等编著，土壤农业化学分析方法，中国农
业科技出版社1999中所述的测定方法。
38.实施例1
39.一种激发式秸秆原位行间掩埋还田地力培育方法，参见图1，包括以下步骤：
40.步骤1.在作物收获后，将玉米秸秆进行粉碎处理，玉米秸秆需粉碎至不超过10cm，小麦秸秆直接还田；
41.步骤2.向秸秆中均匀混入氮肥，用量为2kg/亩，然后均匀混入微生物激发调节剂，用量为100kg/亩；
42.步骤3.进行行间开沟，行间距离及开挖深度需根据作物品种、种植密度、秸秆还田量需要进行调整，本实施例中秸秆掩埋行间距离为60cm，开挖深度为5
‑
30cm，作物播种行间距为40cm；
43.步骤4.先将秸秆、氮肥、微生物激发调节剂组合物掩埋进沟间，再进行覆土及镇压；
44.步骤5.施肥，播种并镇压，保证播种均匀，播深一致，覆盖严密，播后要适时浇水，以加速土壤沉实和促进秸秆有机碳和养分向土壤中转化，本实施例中常规施肥为施加氮肥200kg/ha，磷肥105kg/ha，钾肥105kg/ha。
45.应用例1
46.(一)材料与方法
47.1、试验地概况
48.试验地点位于河南省封丘县中国科学院封丘农业生态系统国家试验站(35
°
01
′
n，114
°
32
′
e)。该地区属于半干旱半湿润的暖温带季风气候，年平均降水615mm，67％的降水集中在6—9月；平均气温为13.9℃，最低月均气温出现在1月，为
–
1.0℃，最高月均气温27.2℃，出现在7月。该区域土壤发育为黄河冲积物潮土，试验初耕层土壤的基本肥力指标为：有机质8.00g kg
‑1，全氮0.54g kg
‑1，全磷0.86gkg
‑1，全钾19.17gkg
‑1，碱解氮40.92mg kg
‑1，有效磷16.71mgkg
‑1，速效钾63.67mgkg
‑1，ph 8.57。
49.2、试验设计
50.试验共设计3种秸秆还田方式：
51.(1)秸秆移除(nsf0，nsfr)：上季作物收获后人工将秸秆移出小区；
52.(2)常规覆盖还田(sf0，sfr)：小麦季还田秸秆为上一季10mm以下的粉碎状鲜玉米秸秆，玉米季还田秸秆为收获小麦后的小麦晒干秸秆，不粉碎直接还田。
53.(3)本发明激发式秸秆错位轮还方式，混入氮肥(isom和isfr)：采用实施例1的方法，将秸秆中均匀混入氮肥(化学氮肥和腐熟有机肥均可，用量按照总施氮量的15wt.％，约2kg/亩)，然后按照100kg/亩用量均匀混入微生物激发调节剂。播种前于种植行间开挖30cm深的条沟埋入经粉碎过的秸秆。
54.其中每种秸秆还田方式设置2个处理，秸秆移除和常规覆盖还田均设置施肥与不施肥处理，移除和激发式秸秆错位轮还方式中秸秆中氮肥种类分为化学氮肥和腐熟鸡粪2种。共6个处理，每个处理设置4个重复，每个小区长8m，宽5m，周围被1m深水泥挡板隔离，该挡板深入地下80cm并高出地面20cm。供试小麦品种为郑麦9023，玉米品种为郑单958。推荐施氮肥200kg
·
n
·
hm
‑2，剩余氮肥玉米季分别在拔节期和灌浆期以4:6追肥，小麦季剩余氮肥在返青期追肥；磷肥施用量为105kg
·
p2o5·
hm
‑2，钾肥施用量为105kg
·
k2o
·
hm
‑2。最后
播种并镇压，保证播种均匀，播深一致，覆盖严密，播后要适时浇水，以加速土壤沉实和促进秸秆有机碳和养分向土壤中转化。
55.(二)试验结果
56.1、耕层土壤水稳性团聚体
57.从表1和表2中数据可知，该地区水稳性土壤团聚体主要分布于250
‑
2000μm，秸秆还田(sf0和sfr)及施肥(nsfr)措施均能够促使土壤团聚体粒径由53
‑
250μm向250
‑
2000μm转移，但秸秆还田措施对于微团聚体向细大团聚体的转移促进作用更强烈，激发式秸秆行间掩埋(isom和isfr)措施不仅促使了土壤粒径由53
‑
250μm向250
‑
2000μm的转移，同时>2000μm粒级的百分含量也显示出增加趋势。
58.表1. 0
‑
10cm不同处理下土壤水稳性团聚体组成
[0059][0060]
注：表中数据为4次重复平均值；同一列数据后不同字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)(lsd法检验)
[0061]
分析表2中0
‑
10cm土壤水稳性团聚体的组成数据可知，细大团聚体(250
‑
2000μm)>微团聚体(53
‑
250μm)>粉黏微团聚体(<53μm)>粗大团聚体(>2000μm)，各处理粗大团聚体和微团聚体的含量显著下降，细大团聚体含量显著上升，各级团聚体均有向细大团聚体聚拢的趋势。在不施肥条件下(nsf0和sf0)，秸秆还田能显著增加细大团聚体含量，增幅达42.17％，降低粗大团聚体和微团聚体含量。在常规施肥条件下(nsfr、sfr和isfr)，秸秆覆盖还田增加细大团聚体的比例为25.16％，秸秆行间掩埋还田增加细大团聚体的比例为28.11％。在无秸秆还田条件下(nsf0和nsfr)，常规施肥能使细大团聚体增加15.15％。与nsf0相比，激发式秸秆深还能增加48.30％
‑
58.88％细大团聚体含量，其中在相同激发氮肥配比条件下，配施有机氮肥激发(isom)的处理效果优于无机氮肥激发(isf)的处理。
[0062]
表2. 10
‑
20cm不同处理下土壤水稳性团聚体组成
[0063][0064][0065]
注：表中数据为4次重复平均值；同一列数据后不同字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)(lsd法检验)
[0066]
由表2可得，在10
‑
20cm土层，各粒级土壤水稳性团聚体的分布规律与0
‑
10cm土层相似，但细大团聚体的主导优势没有上层土壤显著，细大团聚体与微团聚体的分配比例较为平均，且不同处理对细大团聚体的增加效果也没有上层土壤明显。在不施肥条件下(nsf0和sf0)，秸秆还田减少细大团聚体含量而增加粗大团聚体含量，这与其他处理有所不同。在常规施肥条件下(nsfr、sfr和isfr)，秸秆覆盖还田增加细大团聚体的比例为6.11％，秸秆行间掩埋还田增加细大团聚体的比例为5.46％。在无秸秆还田条件下(nsf0和nsfr)，常规施肥能使细大团聚体增加5.17％。与nsf0相比，激发式秸秆深还能增加12.44％
‑
32.44％细大团聚体含量，其中在相同激发氮肥配比条件下，配施有机氮肥激发(isom)的处理效果优于无机氮肥激发(isf)的处理。
[0067]
2、土壤有机质
[0068]
如图3所示，比较不同处理下0
‑
10cm土壤有机碳含量可知，与nsf0相比，单一的秸秆覆盖还田(sf0)或常规施肥(nsfr)措施均不能显著提高土壤有机碳，而两者结合(sfr)条件下则能显著增加土壤有机碳含量，增幅达27.75％，isfr与sfr在对土壤有机碳增加上无显著差异，激发式秸秆深还(isom和isf)在对原状土壤有机碳的增加上差异达到显著水平，增幅达31.66％
‑
43.95％。比较不同处理下10
‑
20cm土壤有机碳含量可知，秸秆覆盖或常规施肥措施均能使土壤有机碳有显著提高，且is处理增加效果更明显，增幅达67.16％，激发式秸秆深还(isom和isf)对土壤有机碳的增加量达76.72％
‑
112.5％。比较同一处理分层土壤有机碳可知，激发式秸秆掩埋还田处理表现为下层土壤有机碳含量高于上层，其余处理则相反。
[0069]
3、作物产量
[0070]
如图4所示不同处理下作物产量图，与秸秆深还相比，秸秆覆盖还田导致产量降低
的原因为：1、秸秆入土深度不足20cm，造成土壤空隙大，从而影响作物出苗和根系下扎；2、秸秆表层覆盖还田，降低表层土壤持水能力，且秸秆本身及微生物分解秸秆均会吸收水分，不利于秸秆的分解和腐熟；3、土壤微生物分解秸秆时需要一定量的氮素，而不施肥进行秸秆还田会导致土壤c/n失衡，并且微生物与麦苗争夺土壤氮素，最终引起减产。