刘文政,李问盈,郑 侃, 赵宏波
(中国农业大学 工学院/现代农业装备优化设计北京市重点实验室,北京 100083)
我国保护性耕作技术研究现状及展望
刘文政,李问盈,郑 侃, 赵宏波
(中国农业大学 工学院/现代农业装备优化设计北京市重点实验室,北京 100083)
保护性耕作是我国一种重要的耕作模式,对于保障我国粮食安全以及促进农业可持续发展具有重要意义。为此,介绍了我国近几年机械化免耕播种面积、机械深松面积、机械化免耕覆盖播种面积及保护性耕作面积变化情况;结合保护性耕作工艺特点,对秸秆残茬处理、免少耕施肥播种、土壤深松和杂草病虫害防治等关键技术研究现状进行了分析,总结了现有的秸秆还田、免耕播种、深松机械和植保机械等相关配套机具的工作原理及作业特点,并对相关典型机具进行了介绍。最后,对于目前保护性耕作存在的问题提出了一些解决方案,为我国保护性耕作的研究及发展提供参考依据。
保护性耕作;关键技术;配套机具;现状;展望
保护性耕作是用大量秸秆残茬覆盖地表,将耕作减少到只要能保证种子发芽即可,主要用农药来控制杂草和病虫害的耕作技术[1]。美国是最早研究保护性耕作的国家,起因于20世纪30年代震惊世界的“黑风暴”事件,经过几十年的发展,逐步创立了以秸秆、残茬覆盖和免耕播种为核心的保护性耕作,并发展成为美国主流的耕作制度[2]。继美国之后,保护性耕作在澳大利亚、加拿大、巴西等国家得到迅速推广[3]。
我国是主要的干旱国家之一,干旱、半干旱面积占国土面积的52.5%,旱作农业面积约3 300万hm2,对于旱地农业,干旱、土壤贫瘠、水土流失严重是3个亟待解决的问题,极大地制约了我国农业的可持续发展[4-5],发展保护性耕作为解决这些问题提供了一种新的思路和方法。我国保护性耕作研究始于20世纪60年代初,在吸收国外先进经验的基础上,经过30年多的理论研究和科研实践,在理论和技术方面均取得丰硕成果[6]。2007年,农业部出台《关于大力发展保护性耕作的意见》[7],标志着中国保护性耕作的实施迈入一个新时期[8]。与国外相比,我国保护性耕作技术还有很多不足,因此了解和掌握保护性耕作技术在我国的发展状况,探讨存在的主要问题,对保护性耕作技术的研究和推广均具有十分重要的意义。
自2007年农业部出台《关于大力发展保护性耕作的意见》[7]以来,保护性耕作在全国得到迅速发展。2009年农业部和国家发展改革委联合印发《保护性耕作工程建设规划(2009-2015年)》[9],规划提出新的建设目标,即通过工程建设,基本形成我国保护性耕作支撑服务体系,建成600个高标准、高效益保护性耕作工程区,总规模133.3万hm2,占项目县总耕地面积的3.1%。通过项目建设与辐射带动,新增保护性耕作面积约0.11亿hm2,占我国北方15个相关省(区、市)及苏北、皖北总耕地面积的17%。2008-2014年机械化免耕播种面积、机械深松面积、机械化免耕覆盖播种面积以及保护性耕作面积变化趋势如图1所示[10]。由图1可知:机械化免耕播种面积、机械深松面积、机械化免耕覆盖播种面积:及保护性耕作面积均明显增加。其中,2014年机械化免耕播种面积为13 420.97khm2,比2008年多4 464.83khm2;2014年机械深松面积为10 890.01khm2,比2008年多2 220.18khm2;2014年机械化免耕覆盖播种面积7 349.28khm2,比2008年多2 750.07khm2;2014年保护性耕作面积为8 622.80khm2,比2008年多5 637.46khm2。由此可见,国家政策的大力支持对于促进保护性耕作在我国的快速发展具有重要作用。
图1 2008-2014年保护性耕作作业面积变化图
结合保护性耕作工艺特点,其关键技术分为秸秆残茬处理、免少耕施肥播种、土壤深松和杂草病虫害防治[11]。其工艺过程为:收获后进行秸秆处理,必要时进行深松或耙地,冬季休闲,春季免耕播种,田间管理及收获[12]。其配套机具主要可分为秸秆还田机械、免耕施肥播种机械、深松机械及植保机械。
2.1 秸秆残茬处理技术
秸秆残茬覆盖是保护性耕作的核心内容之一。它将作物秸秆残茬覆盖在耕地地表,以调节地温,控制土壤侵蚀,增强土壤微生物活动,抑制土壤水分蒸发,提高雨水利用率,改善土壤结构,增强土壤肥力,最终达到提高作物产量的目的[13-15]。在保护性耕作中,秸秆残茬处理主要包括免耕覆盖与深松覆盖两种方式且均能提高作物产量,但增产效应不同。其中,免耕覆盖在5年以后稳定增产,深松覆盖在所有年份均实现增产,相对深松覆盖(年年深松),4年免耕覆盖+1年深松覆盖的耕作方式能够使经济效益提高约25%[16-17]。然而,长期秸秆覆盖对土壤及农作物会产生不利影响,秸秆覆盖增加了病虫基数及害虫危害率,且加重了土传病害,同时秸秆覆盖导致土壤表层及下耕层温度降低,特别在春季气温回暖时,土壤温度回升缓慢将会降低出苗率,推迟返青、拔节、开花和灌浆时间,使灌浆持续时间缩短,影响千粒质量的增加,最终导致作物减产[18-21]。为解决这些问题,需对秸秆残茬覆盖做进一步研究,减小其对土壤和作物的负面影响。
保护性耕作中对秸秆残茬进行处理需利用秸秆还田机对秸秆残茬进行覆盖还田。根据保护性耕作工艺特点,在秸秆残茬处理方面生产使用的秸秆还田机主要有两种[22-24]:一种是安装在联合收割机上的茎秆切碎装置,茎秆经脱粒滚筒排草口和振动筛进入切碎装置,切割刀随刀轴做高速回转切割运动对茎秆进行无支撑切割;切碎后的茎秆直接抛撒至田间,或者在抛撒装置风力的作用下送至田间。如新疆新联万国农牧机械有限公司生产的新疆-3谷物联合收割机[25]。另一种则是用拖拉机悬挂的秸秆还田机。机具与拖拉机通过动力输出轴进行挂接,拖拉机动力输出轴传递的动力经万向联轴节传给变速箱,在直齿轮、三角带两级增速后带动刀轴及锤爪(或弯刀、甩刀)一起高速旋转;高速旋转的锤爪(或弯刀、甩刀)冲击力将秸秆捡起,在喂入口负压的辅助作用下,秸秆被吸入机壳并多次打击、剪切、揉搓、撕拉,使秸秆达到粉碎要求,最后被气流抛送至外面且均匀的落到地面并经压辊压平。国内较典型的机具如河北农哈哈机械集团有限公司生产的1JHY系列秸秆粉碎还田机[26]。
2.2 免少耕施肥播种技术
免少耕施肥播种是保护性耕作技术的重要内容,该技术是指在作物秸秆切碎还田覆盖的情况下,使用与36.8kW以上拖拉机配套的免耕施肥播种机直接进行播种作业,一次完成开沟、肥料深施、播种、覆土、镇压等作业工序[24-25]。免耕施肥播种机是按照播种前或播种时是否对土壤进行耕整处理进行区分命名的,是实现机械化免少耕施肥播种作业的关键机具[26]。其工作时,拖拉机的动力经传动轴直接传入免耕施肥播种机的中间变速箱,并带动左右刀轴作旋切运转;当刀具与地面接触的瞬间,前部的旋耕刀将部分秸秆或根茬切断后入土作带状旋松,紧随其后的播种施肥开沟器在开沟的同时,将秸秆及根茬推送到播种施肥位置的两侧,达到秸秆粉碎还田和防堵的目的;后部的限深镇压轮(辊)靠自重与地面摩擦转动,经链条传动机构带动排种和排肥机构实施排种排肥,排下的种子和化肥分别经输种输肥管进入开沟器,依次落入沟槽内,镇压轮(辊)随即将沟槽内松土压实(带喷洒装置的药液在喷雾泵的作用下,经喷杆喷头均匀的喷洒在地表),完成免耕施肥播种作业[27-28]。根据破茬开沟技术,免耕施肥播种机可分为驱动式破茬和被动式破茬两种型式[11,29]。其中,驱动式破茬也称为主动破茬,工作原理是拖拉机通过动力输出轴驱动破茬装置中的破茬部件,将残茬切开或打碎,以此保证播种机能顺利通过而不被堵塞;被动式破茬则是拖拉机牵引破茬装置在垄上向前运动,主要包括锄铲式破茬和滚动圆盘式破茬两种方式。通过对破茬开沟技术的分析,在保护性耕作中,破茬开沟技术主要分为移动式破茬开沟技术、驱动式破茬开沟技术和滚动圆盘式破茬开沟技术。
目前,移动式破茬开沟技术中主要应用窄形尖角式开沟器破茬开沟。由于该开沟器入土角为锐角,故其具有入土性能好、质量轻、造价低等优点;但由于其破茬方式为砍切式破茬,会出现根茬未被切断而被连根掀起或根茬被挖出地面造成垄沟出现空穴的现象,最终影响播种质量。国内较典型的机具为山西河东雄风农机有限公司生产的2BFM系列小麦免耕施肥播种机[30]。驱动式破茬开沟技术中应用较广的为旋耕刀破茬开沟技术,该技术分为全面旋耕播种与带状旋耕两种,全面旋耕播种是指在旋转轴上均匀安装若干把旋耕刀,工作时对土壤全面旋耕且实现破茬。运用该技术的机具如河南豪丰机械制造有限公司生产的2BXS系列免耕施肥播种机[31],河北农哈哈机械集团有限公司生产的2BGSF系列免耕施肥播种机[32]。带状旋耕则是指只在开沟器前方安装旋耕刀,粉碎开沟器前方秸秆,并旋耕与土壤混合,国内普遍使用的机具如河北农哈哈机械集团有限公司生产的2BMFS系列免耕施肥播种机[33-34]。滚动圆盘式破茬开沟技术在我国主要应用的是圆盘刀式,其工作原理是圆盘刃口将残茬、茎秆和杂草切断后耕出种床。圆盘破茬刀较广泛应用的为平面圆盘、波纹圆盘、涡轮圆盘[29],典型的有现代农装科技股份有限公司生产的2BMG系列免耕施肥播种机[35],其开沟器为直面双圆盘式。
2.3 土壤深松技术
土壤深松是指用深松机具疏松土壤,打破坚硬的犁底层,增加土壤耕层深度而又不翻转土壤层,从而增加土壤透气透水性,改善作物根系生长环境的一种耕作方式,作业深度可达20cm以上,是保护性耕作的一项重要作业模式。在进行深松时,由于只松土而不翻土,使坚硬的犁底层得到疏松,以调节土壤三相(固、液、气)比,创造虚实并存的犁层结构、减轻土壤侵蚀,使耕作层的肥力和水分得到提高。因此,深松技术可大幅增加作物产量,尤其对于深根系作物是一门重要的增产技术,可每2~3年深松一次[36-39];但深松作业由于耕作阻力大而导致能耗升高,同时,在保护性耕作中,地表有大量秸秆残茬覆盖,需考虑机具的防堵能力。
深松机是机械化深松不可缺少的机具。其中,深松铲则是深松机的重要部件,代表着深松技术水平,是深松机上实现疏松土壤、打破犁底层及不翻转土壤的关键机具。其主要由深松铲柄和铲尖组成,因其切土、破碎和松动土壤的过程是同时进行的,故深松铲结构形状对深松机具土壤耕作阻力具有很大影响。深松铲种类很多,一般由铲柄和铲尖构成,现有铲柄主要有直立式和圆弧形铲柄两种,铲尖主要有凿形、箭形或鸭掌形、双翼形[40-41]。按照不同标准,深松机可分为多种类型:
1)按照工作方式进行分类,可分为机械式深松机和振动式深松机;
2)按照项目数量进行分类,可分为单一深松机和深松联合作业机;
3)按照深松范围进行分类,可分为全方位深松机和局部深松机;
4)按照作业机具结构原理进行分类,可分为凿式、鸭掌式和双翼式等[42]。
本文根据工作原理及作业特点将深松机分为凿式铲深松机、翼式铲深松机、震动深松机及全方位深松机[38,43-44]。
1)凿式铲深松机由铲柱和铲尖组成,无论铲柱后倾或制成曲线型,它们在横垂面内的投影总是铅锤的。作业时,铲柄与铲尖撬动土壤,使未深松土壤不断产生自下而上的剪切裂纹,进而使土壤松碎;但在土层稍深处,铲柄与凿尖对两侧土壤产生强烈的挤压,反而不能起到松碎的效果。如山西河东雄风农机有限公司生产的1S系列深松机,其深松铲采用弯弧式铲柄和凿形铲尖[45]。
2)翼式铲深松机是在凿式铲两侧安装侧翼,使土壤松碎面积增加,但会对两侧土壤产生挤压,如连云港市兴安机械制造有限公司生产的1S系列深松机[46]。
3)振动深松在切削土壤方面除具有普通深松机所具有的水平切削方式外,还有垂直切削,属于二维切削。其利用土壤具有弹塑性力学性质,将振动位移置于土壤的弹性变形区,使其在阻力小于塑性变形最大阻力的同时获得塑性变形的特点,从而显著减小牵引阻力。按照工作原理,振动深松机可分为强迫式和自激式两种类型:强迫式振动深松机以拖拉机动力输出轴为动力源,使深松铲按一定振幅和频率进行振动;自激式振动深松机则主要是利用弹性元件使深松机产生自激振动,目前在我国投入使用的振动深松机属于强迫振动式[40,47-50],如山东郓城工力有限公司生产的ZS系列振动深松机[51]。
4)全方位深松是利用深松铲进行全面松土并打破坚硬犁底层的作业,在土壤中切成梯形截面土垡之后铺放回田中,创造出有利于作物生长的“上虚下实、左右松紧相间及紧层下部有鼠道”的土壤层结构,以此提高土壤通水透气、储蓄雨水的能力,改善土壤耕层特性。全方位深松作业对土壤的扰动量较大,耕作之后土壤中水分蒸发较严重,且需较大的动力输出。全方位深松机的深松铲由左右对称的侧刀与一个底刀通过左右连接板与横梁连接形成梯形框架式结构,使土壤受剪切、拉伸、弯曲等作用而松碎,但不会对深松铲底部及侧边土壤进行挤压[37,44,52-54],如北京银华春翔农机有限公司生产的春翔1SQ系列全方位深松机[55]。
近年来,仿生学的发展为解决深松耕作阻力大、功耗高等问题提供一种新思路,且取得丰硕的研究成果,如仿生防粘减阻技术、仿生耐磨技术、仿生减阻降噪技术及仿生耐腐蚀技术等,为深松机具的发展注入新的活力[36,40,56-58]。
2.4 杂草、病虫害防治技术
保护性耕作条件下,由于失去了传统晒土垡减少病虫害的方法,相对容易滋生杂草和病虫害,同时深松、秸秆覆盖和作物栽培管理等各项技术措施都会影响农田生态环境及增加病虫草害的发生率,因此控制杂草和防止病虫害是保护性耕作技术的一个重要环节[59-60]。目前,在杂草控制方面主要采用化学防治措施,会对生态环境造成危害,因此需要重视非化学除草技术的研究,如机械除草、覆盖压制除草、轮作控制杂草、生物除草及臭氧除草等,建立杂草综合防控技术体系。在病虫害防治方面,主要采用药物防治和生物防治两种方式,在药物防治方面需选用可靠性强、副作用小的化学制剂[2,61]。
植保机械是实现农业丰产丰收必不可少的生产工具,是防治病虫草害的有力武器,也是保护经济作物、果树、牧草等不可或缺的器械。其在植物保护中的作用主要有[62-63]:对农作物进行叶面追肥;喷施农药以防治植物病虫害以及田间杂草;喷洒药剂对土壤消毒、灭菌等。我国的植保机械发展较慢,随着国情的改变,劳动力价格的不断提高,植保机械开始得到发展,但我国植保技术和机械仍处于较落后阶段。国产植保机械有20多个品种、型号达80多个,其中手动喷雾器、中小型机动喷雾器和拖拉机配套喷雾机的市场占有量分别为93%、6%和1%。单管、压缩和背负式喷雾器等老三样手动喷雾器完成78%的防治面积。农民普遍采用单一机型“打遍百药”来防治各种作物的病虫害,只有约30%的农药被有效利用,仅有0.1%左右的农药可以作用于目标病虫[64]。由于手动式喷雾器效率低且易使农民在作业过程中产生中毒现象,我国政府大力支持推广植保机械的开发及应用,目前国内出现的新型植保机械主要有[65]:航空植保机械,如深圳天鹰兄弟航空科技有限公司生产的TY-787电池动力植保飞机[66];喷杆式喷雾机,如山东五征集团有限公司生产的3WP4-1100型喷杆式喷雾器[67];自走式高地隙喷杆喷药机,如现代农装科技股份有限公司研制生产的中农机3WZG-650型高地隙自走式喷杆喷雾机[68-69],该机地隙高,解决了农作物中、后期无法喷药作业的难题。
保护性耕作是一项新型耕作模式,可实现我国农业可持续发展。相对于传统耕作方式,保护性耕作有很多优点[70]:
1)减少劳动强度,节省时间;
2)节省燃料,减少机械磨损;
3)改善土壤结构,增加农田有机质含量;
4)减少农田蒸发,提高土壤水分利用率;
5)保持水土,提高水质;
6)增大野生动植物种群数量,促进生态群落良性循环;
7)秸秆覆盖可防治风蚀,相对于传统焚烧秸秆的处理方式可提高空气质量,减少大气污染。
尽管近年来保护性耕作在我国有了一定的发展,但仍存在一些不容忽视的问题[71-75]:
1)传统耕作理念根深蒂固;
2)政府扶持力度不足;
3)保护性耕作机具和售后服务不够完善;
4)技术规范性差;
5)缺乏大面积示范基地。
这些问题阻碍了保护性耕作的推广及应用,不利于农业的可持续发展,解决这些问题,应从以下几个发面入手:
1)加强宣传教育,让农民了解和掌握保护性耕作相关知识,认清保护性耕作的意义;
2)加大扶持力度,对保护性耕作的推广应用提供专项资金和技术支持;
3)大力培养相关科技人才,为保护性耕作的发展提供人才支持;
4)建立大面积示范基地,形成气候,让人们切身体会到保护性耕作相对于传统耕作的优势;
5)农机与农艺相结合,根据各地实际情况,具体问题具体分析,研发适合当地的耕作机具并完善售后服务。
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The Current Research Status of Conservation Tillage Technology
Liu Wenzheng, Li Wenying, Zheng Kan, Zhao Hongbo
(College of Engineering/Beijing Key Laboratory of Design and Optimization in Modern Agricultural Equipment,China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Conservation tillage technology, a kind of important cultivation mode in our country, is of great significance for the guarantee of food security and the promotion of sustainable agricultural development in China. Therefore, changes of planting area in mechanization of no-till seeding,mechanical subsoiling, no-till planting and conservation tillage in recent years were introduced in this paper.Combining with the characteristics of conservation tillage technology, the key technology research status such as straw residues management, zero or reduced tillage fertilizing and seeding, soil subsoiling and weed pest control were analyzed. Working principles and characteristics of current machinery and relevant supporting tools in straw counters-field, no-till seeding, subsoiling and plant protection were summarized and described in detail. Finally, several solutions were put forward for the present problems existing in conservation tillage in this paper, so as to provide a reference for the research and development of conservation tillage.
conservation tillage; the key technology; supporting equipment; current status; prospect
2016-05-24
教育部创新团队发展计划项目(IRT13039);公益性行业(农业)科研专项(201503136)
刘文政(1991-),男,河南商丘人,硕士研究生,(E-mail)caulwzheng@126.com。
李问盈(1960-),男,陕西澄城人,教授,硕士生导师,(E-mail)wwyyli@yahoo.com.cn。
S345
A
1003-188X(2017)07-0256-06