黑龍江省大豆玉米輪作輪耕機械化生產工藝方案設計

喬金友,郝雨萱,孫 健,陳海濤,王福林

(東北農業大學 工程學院,哈爾濱 150030)

0 引言

黑龍江省平原旱田以壟作為主,是我國大豆、玉米主產區,也是全國重要的商品糧基地。隨著玉米種植效益的不斷上升,農民為追求經濟效益,玉米種植面積不斷增加,很多地區不得不采取玉米連作方式。連年種植使玉米供大于求的現象日趨嚴重,價格也開始下跌。2015年12月31日,國內玉米價格為1 958元/t,比2015年初下跌13.39%,2016年秋玉米價格下降至1 817.92元/t[1]。為協調這一現象,改善土壤質量,2015年11月1日,出臺了《農業部關于“鐮刀灣”地區玉米結構調整的指導意見》,提出要減少玉米種植面積,構建合理輪作體系,推進種養結合[2]。同時,由于自2015年開始我國實施玉米改種大豆補貼政策,在一定程度上提高了種植大豆收益,有利于我國大豆種植面積的增加,且相關研究單位也不斷推出高產優質大豆新品種[3],無疑為大豆效益提升創造了較好的前提條件。根據黑龍江省氣候特點及作物的種植結構確定合理的輪作模式,根據不同前茬作物收后地表特征及后茬作物生長需求確定輪耕模式,是保持和提升土地生產能力和促進農業可持續發展的重要保障。

1 大豆—玉米輪作方式設計

輪作是在同一地塊上有順序地在季節間或年度間輪換種植不同作物的種植方式,合理輪作是用養地相結合的生物學措施。輪作體系設計的主要目的是確定不同地塊不同年份(季)種植作物種類及順序關系。不同的輪作方式對應的田間生產工藝過程也不同,需要結合生產區域的種植結構進行設計。近10年黑龍江省大豆和玉米的種植情況,如圖1所示。

圖1 黑龍江省大豆、玉米種植面積

由圖1可知:黑龍江省大豆、玉米種植結構逐年發生變化,近10年大豆種植面積逐年下降后接近平穩,玉米的種植面積逐年上升后亦接近平穩;到2016年,玉米種植面積為6 443khm2,大豆種植面積為3 125khm2[4]。因大豆不宜重茬和迎茬,所以應與其他作物實行3年以上的輪作,玉米連作只要管理得當可以實現不減產。結合黑龍江省作物種植結構,按上述要求,大豆玉米種植區較適合采取“玉米—玉米—大豆”輪作體系。

因此,實施“玉米-玉米-大豆”輪作方式,要求玉米種植面積約為大豆面積的2倍。近幾年黑龍江省玉米大豆種植面積接近于2∶1,同地塊不同年份按“玉米-玉米-大豆”更換種植作物。以此類推,3年循環1次。輪作模式如圖2所示。

圖2 玉米-玉米-大豆輪作模式

2 大豆玉米收后茬地輪耕方式設計

輪耕通過合理配置土壤耕作技術措施,來解決長期單一耕作的負效應。不同耕整地方式會對耕層產生不同的影響,進而影響作物生長發育過程,根據各地氣候特點及土壤情況選用適宜的耕作方式不但可有效改善土壤結構、構建合理耕層,還有利于培肥地力、提升土壤蓄水保墑效果,為增產增收提供基礎。

2.1 玉米收后茬地耕整地方法

隨著玉米種植面積的擴大,玉米秸稈總量日趨增多,除一小部分用作家畜飼料、生活燃料外,還有相當部分的玉米秸稈滯留田間。田間存留大量玉米秸稈和殘茬,若耕整地方式不當,會造成播種機組不能作業或達不到作業質量要求。這種情況下,農民不得不采取焚燒方式消除秸稈,以保證農業作業質量。因此,選擇和設計合理的耕整地技術對提高播種作業質量尤為重要。

結合區域自然特點及作物生長需求,較適用的玉米收后茬地機械化耕整地方式主要有以下幾種:

1)深翻整地方式。玉米聯合收獲后大量秸稈滯留田間,在對地表秸稈粉碎加工后,采用寬幅鏵式犁機組將粉碎的玉米秸稈及殘茬翻至30cm耕層以下,可以實現秸稈全量翻埋,對下季播種沒有影響。深翻后采用重耙破碎地面土塊,使土壤平整細碎,然后進行起壟、鎮壓作業,達到待播狀態。

2)聯合整地方式。采用此種耕整地方式,首先亦需要對地表覆蓋秸稈及殘茬進行打碎處理,然后采用大功率聯合整地機組進行深松耙地聯合整地作業,將粉碎的秸稈混拌至0～20cm土層中,同時間隔深松,深松30～40cm,以提高土壤蓄水能力,達到抗旱增產的目的[5]。聯合整地作業后,可耙地一遍,然后起壟、鎮壓。

3)免耕方式。采用聯合收獲機收獲玉米,收后不對地表秸稈及殘茬進行任何處理,春季直接采用免耕覆秸精量播種技術播種。機具一次進地即可完成側向清秸、精量播種、施肥、覆土、鎮壓及覆秸等多項工序,可以保證玉米茬地免耕播種作業質量。該方式不但節約了耕整地作業成本,而且有效解決了因玉米秸稈及殘茬存于田間影響整地、播種等作業質量的問題。

上述玉米收后茬地3種耕整地方式如圖3所示。

圖3 玉米收后茬地耕整地方式

2.2 大豆收后茬地耕整地方式

大豆收后茬地耕整地方式主要有聯合整地、深松及免耕等,聯合整地及深松后要進行耙地,保證土壤表層平整。聯合收獲機收獲大豆的同時將秸稈粉碎均勻拋灑田間,由于大豆秸稈量少,對后茬作物生長影響較小,無需收集、焚燒等,可直接采用上述方式完成土壤的耕整地過程,秸稈全量還田。大豆后茬耕整地方式如圖4所示。

圖4 大豆后茬耕整地方式

2.3 大豆、玉米輪耕方式設計

連年采取同一種耕作措施會帶來嚴重問題:免耕可以最大限度的保墑,防止水蝕風蝕,但長期免耕會造成土壤緊實度高,反而限制根系的生長;深松可以增加水分滲透速率、充分利用降水及增加有機質含量,但是翻埋秸稈效果較差;翻耕不但解決了秸稈深層翻埋的問題,且有利于促進養分分解,提高土壤有效肥力,但長期翻耕會造成耕層土壤過于疏松,土壤保墑性能下降[6]。

結合不同作物收后茬地特點,采用不同耕法建立合理土壤耕層狀態,既保證作物生長需求,又注重培肥地力,盡量杜絕水土流失,有效提升耕地的生產能力,促進農業可持續發展。因此,設計確定科學合理的輪耕制度尤為重要。

輪耕制度以輪作制度為前提,針對目前黑龍江省大部分地區的種植結構,依據前面制定的“玉米-玉米-大豆”輪作模式,設計輪耕制度,并依據輪作輪耕制度確定玉米大豆生產機械化作業工藝過程。

不同的作物及不同的種植方式所需的土壤環境不同,在設計輪耕制度時,應綜合考慮前后茬作物及其種植方式。依據圖1的輪作制度,第1年種植玉米,收獲后,粉碎地表秸稈并采用深翻方式將秸稈翻埋約30cm的土層中,采用此種耕作方式,1年后大約有38.31%～60.63%秸稈可腐解[7]。第2年仍種植玉米,收獲后耕整地時耕層下仍有40%～60%的第1年翻埋的秸稈未腐解,為避免該部分秸稈與耕層混合影響作物根系生長,該年收獲后采用免耕方式,無需整地。第3年春季直接采用免耕覆秸精量播種機免耕播種大豆。第3年秋,經過一年風吹日曬雨淋,當免耕留于地表的玉米秸稈已腐爛殆盡,而第1年深埋后的秸稈已腐解約82%～93%[7],玉米秸稈不對整地方式構成影響。由于大豆秸稈少,所以第3年大豆收后可采用聯合整地方式一次性完成深松、耙地兩項作業,減少進地次數和拖拉機作業對土壤的碾壓。同時,深松可打破犁底層,耙地不但可使深松后的土壤變得細碎平整,而且可將大豆秸稈與土壤耕層混合,秸稈分解可為下茬玉米的生長提供氮元素,降低氮肥的施用量。

3年輪耕輪作流程如圖5所示。

圖5 3年輪耕輪作流程圖

由上述分析及相關文獻數據,可以確定各年度耕地后土地秸稈狀態如圖6所示。

采取“玉米-玉米-大豆”輪作方式,每茬作物收后采取不同的耕作方式。3年為1個周期,每年秋后對秸稈與根茬處理方式不同,3年中進行一次土壤翻轉、一次免耕秸稈覆蓋及一次聯合整地,滿足3年深松一次、深翻一次、免耕一次[8],為構建合理耕層提供技術支撐。

(a) 第1年玉米茬地深翻后秸稈狀態圖

3 基于大豆、玉米輪作輪耕制度的機械化作業工藝過程及作業規范

3.1 大豆、玉米機械化作業工藝流程

結合上述輪作輪耕模式及黑龍江省不同作物的生產作業要求,可設計基于此輪耕輪作制度的機械化作業工藝流程如圖7所示。

圖7 玉米-大豆輪作輪耕機械化作業工藝流程圖

3.2 玉米機械化作業規范

3.2.1 耕整地作業規范

1)前茬作物為玉米時,采用秸稈粉碎設備打碎地表秸稈和殘茬;然后,采用進口寬幅鏵式犁機組深翻地,耕翻深度30cm,將秸稈翻埋在地下;深翻后采用重耙耙地,耙地深度15～18cm。耕翻及耙地作業應深淺一致,無漏耕、無大垡塊,耙地后起壟鎮壓,達到待播狀態。

2)前茬作物為大豆時,采用聯合整地機進行作業,機組一次進田可完成深松、碎土、平土等多項作業,深松深度30～40cm,聯合整地后地表平整,無明顯深松溝,無垡塊;然后,起壟鎮壓達到播種狀態。

3.2.2 機械播種和深施種肥

規模化種植條件下,可以選CASE2104或JD7830、JD7930等拖拉機配置滿勝、十方播種機組或其他大型播種機組完成玉米精量播種作業,要求株距均勻一致,播深5cm,同時種下分層深施種肥。

3.2.3 田間管理

玉米播后出苗前噴灑除草劑一次,全面封閉地表,抑制雜草。作物顯行后進行第1遍中耕,玉米8～9葉期拔節前進行第2遍中耕同時追肥,7月中旬視情況噴藥除蟲。

3.2.4 聯合收獲

采用JDS660、JD9660/9670等大型聯合收獲機收獲玉米籽粒,同時切割、粉碎秸稈,并均勻地拋灑田間,要求收獲籽粒損失率、破碎率、脫不凈率均不大于3%。

3.3 大豆機械化作業規范

3.3.1 免耕覆秸精量播種

玉米茬采用免耕覆秸精量播種技術播種大豆,播前無需整地,可選用2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播種機播種。該機播種部件前安裝旋轉撥秸裝置,播種前先將地表秸稈和部分根茬橫向拋撒在機具的兩側,創造出良好的種床環境,同時進行精量播種作業,可實現播深3～5cm、種側深度8～10cm施種肥;待返程作業時,又將被拋撒出的秸稈撥回,使其均勻地覆蓋在剛剛播完的土壤上[9]。

3.3.2 田間管理

苗前進行封閉除草,第1次中耕在大豆出苗后進行,壟溝深松30cm以上,達到增溫防寒蓄水的作用[10];第2次中耕結合噴除草劑和葉面追肥同時進行,第3次中耕在大豆封壟前結合培土進行。

3.3.3 聯合收獲

大豆可在適期內搶收早收。大豆聯合收獲要求割茬要低,不留底莢,田間損失率、破碎率、脫不凈率均不超過3%。

4 結論

1)依據黑龍江省典型區域作物種植結構及大豆、玉米生長需求,研究制定了“玉米-玉米-大豆”輪作制度,并依據此輪作制度制定了“深翻-免耕-聯合整地”輪耕制度。同時,分析了輪作輪耕制度對應的耕后(播后)地表及土層中秸稈狀態,為構建合理耕層提供技術支撐。

2)研究制定了與輪作輪耕制度對應的大豆、玉米機械化生產工藝過程及典型機械化作業項目的作業規范。

3)研究結論可為北方一年一熟地區大豆、玉米產區促進種植結構調整、制定科學合理的輪作輪耕制度提供理論基礎,為相似區域農業機械化科學發展及提供依據。