0、 引言
随着能源危机与环境污染成为当前世界的焦点问题,农作物秸秆作为可再生生物质资源成为研究的热点,而农作物根茬同样也是一种重要的生物质能燃料。
目前,对玉米、高粱、大豆、小麦和水稻等作物根茬处理方式的研究主要集中在根茬粉碎还田和保护性免耕作业下的根茬处理技术与装备上,对根茬机械化挖掘收获技术的相关研究较少。玉米根茬与其它作物根茬相比质量大、根系发达、热值高,是一种极具开发价值的生物质能燃料。我国是玉米种植大国,2012 年播种面积达 3 495 × 105hm2,估计玉米根茬的年产量为 0. 67 ×108t 左右,如此庞大的生物质资源需要开发利用。
为此,通过系统地分析玉米根茬的特性及处理模式的特点,提出玉米根茬收获、根茬还田、免耕作业相互轮作的玉米根茬处理模式,为今后根茬的处理方法提供了有效途径。
1、 玉米根茬特点
1. 1 玉米根茬生长特点
玉米根茬由地上部分的残余秸秆和地下部分的根系两部分组成。根系绝大部分生长在地表下面的几个基节上,成辐射状向外生长,在根茬的上部围绕中央茎部形成栅栏状的锥形框架。根系以侧根为主线、次生根为支线向土壤中延伸,通过散布、交叉、缠绕等形式固结了周围土壤,形成了一种天然的根系土壤紧密结合的复合结构,称为根土复合体。玉米根土复合体及根茬的结构形态。
1. 2 玉米根茬热值分析
玉米根茬富含纤维素、半纤维素和木质素。相关研究结果表明,纤维素、木质素含量与热值呈正相关,且达极显著水平。据测试,2t 秸秆的热值就相当于1t 标准煤。玉米秸秆的热值从上到下逐渐升高,如表1 所示; 而玉米根茬的热值要比玉米秸秆的热值更高(约高 10% ~20% )。
玉米根茬灰分含量低、平均含硫量低、热值高,非常适合燃烧发热。以玉米根茬年产量 0. 67 × 108t 计算,全国根茬年产量转换为热值约相当于 0. 35 × 108t标准煤。
2、 玉米根茬机械化处理模式现状
2. 1 传统根茬处理模式
农村传统的根茬处理方式主要有 3 种: 一是靠人工把根茬翻到地表,经过一段时间晾晒后,通过人工敲打方式把根茬和土块分开,最后再人工捡拾装运回家里作为燃料; 二是利用犁将根茬扣到地里,任其腐烂; 三是用刨茬锹刨出或用拉茬机将茬原地割断,由人工集堆后放火烧掉,灰烬还田。传统的玉米根茬处理模式劳动强度大、效率极低,且焚烧根茬产生了大量的烟雾,造成大气污染,严重影响正常的交通运输,给国民经济造成严重的损失。另外,根茬通过焚烧变成灰烬还田,有机质含量大量流失,焚烧过程中产生的热量没有得到利用,浪费严重。
这种对根茬处理的处理方式尽管近期已被根茬粉碎还田和免耕模式下的根茬处理所代替,但在局部地区仍然存在。
2. 2 玉米根茬粉碎还田技术
根茬还田技术,是利用机械将玉米根茬粉碎成丝条直接抛撒在地表上,随即进行旋耕作业,将粉碎根茬混入土壤中作有机肥的一项农机作业项目。随着玉米产量的逐年提高,加重了地力消耗,使土壤中的有机质含量下降、土壤容重增加、板结严重,玉米根茬粉碎还田技术为培肥地力开辟了新途径。根茬被粉碎还田后,均匀拌入土层中,可增加土壤有机质,使土壤微生物活动增强,提高了肥料的利用率。
秸秆与根茬还田最早由美国在 20 世纪 30 年代提出。欧美一些发达国家利用机械化秸秆和根茬直接或间接还田方法与施肥应用技术相结合来提高土壤肥力,改善土壤耕作性能,进而促进农业持续稳定的发展。国外并未见单独的灭茬作业机具的研究,只有在免耕播种机上安装的粉碎根茬部件。
20 世纪 80 年代末,我国在引进国外技术的基础上自主研究开发出多种类型的秸秆还田机。随着对地上秸秆粉碎技术研究的深入和机具性能的不断完善,人们又把目光转向对地下根茬的粉碎处理,开始逐步重视根茬粉碎还田技术,发展并研制了旋转灭茬、振动灭茬、对行灭茬及复合灭茬等新原理和新机具。目前,我国根茬粉碎还田机已并不仅局限在单一的功能上,为了适应一机多用和新的农艺要求,传统的灭茬机在增加了深松、起垄、旋耕部件后,向复式作业发展。
根茬粉碎还田机按使用功能可分为单轴式根茬粉碎还田机、根茬粉碎起垄(或深松) 机、秸秆及根茬粉碎还田机和双轴式灭茬旋耕机。国内几种典型玉米根茬还田机具如表 2 所示。
玉米根茬粉碎还田虽然有利于增加土壤的有机质成分,但是在切茬、碎茬还田处理过程中,土壤扰动水平较大,易造成适耕表层土壤的流失; 耕作阻力大、能耗高,相应加大了整地成本。
2. 3 免耕模式下的根茬处理技术
留茬免耕播种是保护性耕作的核心技术之一,是旱地农业保水保土行之有效的种植方法。这种作业模式是指前茬作物收获后,不单独进行土壤耕作,而在茬地上直接播种后作物的一种耕作方式。一般用联合作业免耕播种机在前茬地上一次完成切茬、开沟、喷药除草、施肥、播种和覆土等多道工序。国外从 20 世纪 60 年代开始推广免耕播种法,并进行了大量研究,国内从 90 年代开始研制免耕播种机。
免耕模式下的根茬处理部件主要是安装在免耕播种机前方的破茬装置上,保证机具作业时具有很好的破茬入土能力。目前,免耕播种机上采用的破茬装置主要有破茬圆盘刀、锄铲式分茬开沟器和动力驱动的主动式破茬装置 3 种形式。
国外的免耕播种机一般为牵引式联合作业机具,可以一次完成破茬、松土、开沟、施肥、播种、镇压和覆土等多项作业。代表机型有美国 John Deere 1590 免耕条播机,该机采用圆盘破茬刀,对秸秆根茬有很好的破除作用; 意大利 GASPARDO 免耕播种机采用波纹盘施肥开沟器及激光监视系统,可显示播种情况和播种量; 我国免耕播种机主要采用悬挂式,具有减少转弯半径、适应小地块的特点,如 2BMFS - 5/10 型免耕覆盖施肥播种机,可一次完成碎秆、施肥、播种、覆土和镇压等多项作业,既可在玉米秸秆直立状态下播种小麦,又可在高麦茬地中播种玉米。
免耕模式下的根茬处理技术存在的问题是被动式破茬装置对秸秆覆盖量适应性差,难以解决秸秆覆盖量大时的堵塞问题; 而主动式破茬装置功率消耗大、刀片磨损快、平稳性差。
2. 4 玉米根茬机械化收获技术
2. 4. 1 工艺
玉米根茬机械化收获技术是利用玉米根茬收获机械,完成玉米根茬挖掘、捡拾、脱土和集装的根茬处理技术,主要目的是破坏根土复合体结构,使根茬与包裹其上的土壤分离,最终将根茬进行收集。研究发现,在粘湿的土壤条件下,根土复合体对外部作用方式和作用强度的反应极为敏感: 当土壤含水量为25% ~ 30% 时,土壤组分主要为壤土和粘土的土质条件下,对根土复合体的外力作用将导致土壤更加紧密地包裹在玉米根系中,使得根系与土壤的分离更为困难; 当土壤含水量为 15% ~ 20% 时,土壤呈现较为松碎的状态,此时易于根茬脱土。因此,当玉米根茬与土壤含水量高时,需采用分段式机械化收获工艺。
即: 先使用玉米根茬起铺机实现玉米根茬的挖掘、捡拾、初步根土分离及集条放铺,然后将玉米根茬在田间晾晒,待土壤含水率降低到 15% 左右时,再采用玉米根茬收集机实现玉米根茬的捡拾、根土分离和集装。
2. 4. 2 机具研究现状
目前,国外未见关于玉米根茬收获机具的研究,国内主要有华南农业大学、吉林大学、佳木斯大学等研究机构对玉米根茬收获机具进行了相关研究。玉米根茬收获机具从功能上分,主要有玉米根茬起铺机、玉米根茬收集机和玉米根茬根土分离装置,机具结构各具特点,性能差别较大。其主要机型如表 3 所示。
3、 玉米根茬处理模式的综合分析
根茬粉碎还田、免耕作业和根茬收获是目前根茬处理的主要模式,这 3 种模式需相辅相成、互相补充,应根据各地的土壤质地、地形特点和种植制度的差异,因地制宜,采用不同的作业模式。
根茬处理模式首要作业就是根茬机械化挖掘收获。当土壤有机质含量达到一定程度,继续根茬粉碎还田得到的有机质边际效率势必递减,此时若根茬粗大,难以腐烂时,就可选择根茬收获。当玉米秸秆、根茬病虫害严重时,免耕和还田都有可能把病害带到下一季耕种,这时也可进行根茬收获。所以,采用不同的根茬作业模式轮作制是今后的发展方向。比如“1∶ 1∶ 1”或“1∶ 2”轮作制,即根茬还田 1 年、免耕作业1 年、收获 1 年,或根茬还田 / 免耕作业 1 年再收获两年 2 年,根据不同地区选择不同的比例轮作。这样使根茬回收、根茬粉碎还田和免耕作业有机结合,使根茬的热值和有机质利用达到最优化。
4、 结论与展望
1) 传统的手工刨茬劳动量大、效率低,需要对根茬进行机械化收获。国内外玉米根茬处理主要采用根茬粉碎还田和免耕作业,对玉米根茬回收机械的研究较少,需开展相关设备的研制。
2) 玉米根茬粉碎直接还田机械化技术适用于有机质含量低的土壤。将根茬粉碎后直接均匀混拌于耕层中,有利于提高增加土壤有机质、改善土壤环境、蓄水保墒,并达到播前除茬整地的要求。
3) 免耕作业主要用于干旱地区,可充分利用作物残茬保护土壤,减少水土流失,保护自然资源,利于水分渗透、吸收、蓄水保墒,以及减少土面水分蒸发损失。
4) 展望: 根茬粉碎还田、免耕作业和根茬收获今后将采用轮作制,这样将使根茬回收、根茬粉碎还田和免耕作业有机结合,使根茬的热值和有机质利用达到最优化。
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