0、 引言
隨著能源危機與環境污染成為當前世界的焦點問題,農作物秸稈作為可再生生物質資源成為研究的熱點,而農作物根茬同樣也是一種重要的生物質能燃料。
目前,對玉米、高粱、大豆、小麥和水稻等作物根茬處理方式的研究主要集中在根茬粉碎還田和保護性免耕作業下的根茬處理技術與裝備上,對根茬機械化挖掘收獲技術的相關研究較少。玉米根茬與其它作物根茬相比質量大、根系發達、熱值高,是一種極具開發價值的生物質能燃料。我國是玉米種植大國,2012 年播種面積達 3 495 × 105hm2,估計玉米根茬的年產量為 0. 67 ×108t 左右,如此龐大的生物質資源需要開發利用。
為此,通過系統地分析玉米根茬的特性及處理模式的特點,提出玉米根茬收獲、根茬還田、免耕作業相互輪作的玉米根茬處理模式,為今后根茬的處理方法提供了有效途徑。
1、 玉米根茬特點
1. 1 玉米根茬生長特點
玉米根茬由地上部分的殘余秸稈和地下部分的根系兩部分組成。根系絕大部分生長在地表下面的幾個基節上,成輻射狀向外生長,在根茬的上部圍繞中央莖部形成柵欄狀的錐形框架。根系以側根為主線、次生根為支線向土壤中延伸,通過散布、交叉、纏繞等形式固結了周圍土壤,形成了一種天然的根系土壤緊密結合的復合結構,稱為根土復合體。玉米根土復合體及根茬的結構形態。
1. 2 玉米根茬熱值分析
玉米根茬富含纖維素、半纖維素和木質素。相關研究結果表明,纖維素、木質素含量與熱值呈正相關,且達極顯著水平。據測試,2t 秸稈的熱值就相當于1t 標準煤。玉米秸稈的熱值從上到下逐漸升高,如表1 所示; 而玉米根茬的熱值要比玉米秸稈的熱值更高\\(約高 10% ~20% \\)。
玉米根茬灰分含量低、平均含硫量低、熱值高,非常適合燃燒發熱。以玉米根茬年產量 0. 67 × 108t 計算,全國根茬年產量轉換為熱值約相當于 0. 35 × 108t標準煤。
2、 玉米根茬機械化處理模式現狀
2. 1 傳統根茬處理模式
農村傳統的根茬處理方式主要有 3 種: 一是靠人工把根茬翻到地表,經過一段時間晾曬后,通過人工敲打方式把根茬和土塊分開,最后再人工撿拾裝運回家里作為燃料; 二是利用犁將根茬扣到地里,任其腐爛; 三是用刨茬鍬刨出或用拉茬機將茬原地割斷,由人工集堆后放火燒掉,灰燼還田。傳統的玉米根茬處理模式勞動強度大、效率極低,且焚燒根茬產生了大量的煙霧,造成大氣污染,嚴重影響正常的交通運輸,給國民經濟造成嚴重的損失。另外,根茬通過焚燒變成灰燼還田,有機質含量大量流失,焚燒過程中產生的熱量沒有得到利用,浪費嚴重。
這種對根茬處理的處理方式盡管近期已被根茬粉碎還田和免耕模式下的根茬處理所代替,但在局部地區仍然存在。
2. 2 玉米根茬粉碎還田技術
根茬還田技術,是利用機械將玉米根茬粉碎成絲條直接拋撒在地表上,隨即進行旋耕作業,將粉碎根茬混入土壤中作有機肥的一項農機作業項目。隨著玉米產量的逐年提高,加重了地力消耗,使土壤中的有機質含量下降、土壤容重增加、板結嚴重,玉米根茬粉碎還田技術為培肥地力開辟了新途徑。根茬被粉碎還田后,均勻拌入土層中,可增加土壤有機質,使土壤微生物活動增強,提高了肥料的利用率。
秸稈與根茬還田最早由美國在 20 世紀 30 年代提出。歐美一些發達國家利用機械化秸稈和根茬直接或間接還田方法與施肥應用技術相結合來提高土壤肥力,改善土壤耕作性能,進而促進農業持續穩定的發展。國外并未見單獨的滅茬作業機具的研究,只有在免耕播種機上安裝的粉碎根茬部件。
20 世紀 80 年代末,我國在引進國外技術的基礎上自主研究開發出多種類型的秸稈還田機。隨著對地上秸稈粉碎技術研究的深入和機具性能的不斷完善,人們又把目光轉向對地下根茬的粉碎處理,開始逐步重視根茬粉碎還田技術,發展并研制了旋轉滅茬、振動滅茬、對行滅茬及復合滅茬等新原理和新機具。目前,我國根茬粉碎還田機已并不僅局限在單一的功能上,為了適應一機多用和新的農藝要求,傳統的滅茬機在增加了深松、起壟、旋耕部件后,向復式作業發展。
根茬粉碎還田機按使用功能可分為單軸式根茬粉碎還田機、根茬粉碎起壟\\(或深松\\) 機、秸稈及根茬粉碎還田機和雙軸式滅茬旋耕機。國內幾種典型玉米根茬還田機具如表 2 所示。
玉米根茬粉碎還田雖然有利于增加土壤的有機質成分,但是在切茬、碎茬還田處理過程中,土壤擾動水平較大,易造成適耕表層土壤的流失; 耕作阻力大、能耗高,相應加大了整地成本。
2. 3 免耕模式下的根茬處理技術
留茬免耕播種是保護性耕作的核心技術之一,是旱地農業保水保土行之有效的種植方法。這種作業模式是指前茬作物收獲后,不單獨進行土壤耕作,而在茬地上直接播種后作物的一種耕作方式。一般用聯合作業免耕播種機在前茬地上一次完成切茬、開溝、噴藥除草、施肥、播種和覆土等多道工序。國外從 20 世紀 60 年代開始推廣免耕播種法,并進行了大量研究,國內從 90 年代開始研制免耕播種機。
免耕模式下的根茬處理部件主要是安裝在免耕播種機前方的破茬裝置上,保證機具作業時具有很好的破茬入土能力。目前,免耕播種機上采用的破茬裝置主要有破茬圓盤刀、鋤鏟式分茬開溝器和動力驅動的主動式破茬裝置 3 種形式。
國外的免耕播種機一般為牽引式聯合作業機具,可以一次完成破茬、松土、開溝、施肥、播種、鎮壓和覆土等多項作業。代表機型有美國 John Deere 1590 免耕條播機,該機采用圓盤破茬刀,對秸稈根茬有很好的破除作用; 意大利 GASPARDO 免耕播種機采用波紋盤施肥開溝器及激光監視系統,可顯示播種情況和播種量; 我國免耕播種機主要采用懸掛式,具有減少轉彎半徑、適應小地塊的特點,如 2BMFS - 5/10 型免耕覆蓋施肥播種機,可一次完成碎稈、施肥、播種、覆土和鎮壓等多項作業,既可在玉米秸稈直立狀態下播種小麥,又可在高麥茬地中播種玉米。
免耕模式下的根茬處理技術存在的問題是被動式破茬裝置對秸稈覆蓋量適應性差,難以解決秸稈覆蓋量大時的堵塞問題; 而主動式破茬裝置功率消耗大、刀片磨損快、平穩性差。
2. 4 玉米根茬機械化收獲技術
2. 4. 1 工藝
玉米根茬機械化收獲技術是利用玉米根茬收獲機械,完成玉米根茬挖掘、撿拾、脫土和集裝的根茬處理技術,主要目的是破壞根土復合體結構,使根茬與包裹其上的土壤分離,最終將根茬進行收集。研究發現,在粘濕的土壤條件下,根土復合體對外部作用方式和作用強度的反應極為敏感: 當土壤含水量為25% ~ 30% 時,土壤組分主要為壤土和粘土的土質條件下,對根土復合體的外力作用將導致土壤更加緊密地包裹在玉米根系中,使得根系與土壤的分離更為困難; 當土壤含水量為 15% ~ 20% 時,土壤呈現較為松碎的狀態,此時易于根茬脫土。因此,當玉米根茬與土壤含水量高時,需采用分段式機械化收獲工藝。
即: 先使用玉米根茬起鋪機實現玉米根茬的挖掘、撿拾、初步根土分離及集條放鋪,然后將玉米根茬在田間晾曬,待土壤含水率降低到 15% 左右時,再采用玉米根茬收集機實現玉米根茬的撿拾、根土分離和集裝。
2. 4. 2 機具研究現狀
目前,國外未見關于玉米根茬收獲機具的研究,國內主要有華南農業大學、吉林大學、佳木斯大學等研究機構對玉米根茬收獲機具進行了相關研究。玉米根茬收獲機具從功能上分,主要有玉米根茬起鋪機、玉米根茬收集機和玉米根茬根土分離裝置,機具結構各具特點,性能差別較大。其主要機型如表 3 所示。
3、 玉米根茬處理模式的綜合分析
根茬粉碎還田、免耕作業和根茬收獲是目前根茬處理的主要模式,這 3 種模式需相輔相成、互相補充,應根據各地的土壤質地、地形特點和種植制度的差異,因地制宜,采用不同的作業模式。
根茬處理模式首要作業就是根茬機械化挖掘收獲。當土壤有機質含量達到一定程度,繼續根茬粉碎還田得到的有機質邊際效率勢必遞減,此時若根茬粗大,難以腐爛時,就可選擇根茬收獲。當玉米秸稈、根茬病蟲害嚴重時,免耕和還田都有可能把病害帶到下一季耕種,這時也可進行根茬收獲。所以,采用不同的根茬作業模式輪作制是今后的發展方向。比如“1∶ 1∶ 1”或“1∶ 2”輪作制,即根茬還田 1 年、免耕作業1 年、收獲 1 年,或根茬還田 / 免耕作業 1 年再收獲兩年 2 年,根據不同地區選擇不同的比例輪作。這樣使根茬回收、根茬粉碎還田和免耕作業有機結合,使根茬的熱值和有機質利用達到最優化。
4、 結論與展望
1\\) 傳統的手工刨茬勞動量大、效率低,需要對根茬進行機械化收獲。國內外玉米根茬處理主要采用根茬粉碎還田和免耕作業,對玉米根茬回收機械的研究較少,需開展相關設備的研制。
2\\) 玉米根茬粉碎直接還田機械化技術適用于有機質含量低的土壤。將根茬粉碎后直接均勻混拌于耕層中,有利于提高增加土壤有機質、改善土壤環境、蓄水保墑,并達到播前除茬整地的要求。
3\\) 免耕作業主要用于干旱地區,可充分利用作物殘茬保護土壤,減少水土流失,保護自然資源,利于水分滲透、吸收、蓄水保墑,以及減少土面水分蒸發損失。
4\\) 展望: 根茬粉碎還田、免耕作業和根茬收獲今后將采用輪作制,這樣將使根茬回收、根茬粉碎還田和免耕作業有機結合,使根茬的熱值和有機質利用達到最優化。
參考文獻:
[1] 李強. 2013 年中美玉米播種面積及影響[J]. 黑龍江糧食,2013\\(7\\) : 31 -33.
[2] 廖醒龍. 玉米根茬起鋪機關鍵部件的研究[D]. 廣州: 華南農業大學,2011.
[3] 孫劍. 玉米根茬結構和力學特征及與土壤的摩擦學性能[D]. 長春: 吉林大學,2011.
[4] 岳建芝,張杰,徐桂轉,等. 玉米秸稈主要成分及熱值的測定與分析[J]. 河南農業科學,2006\\(9\\) : 30 -32.
[5] 楊新義. 玉米根茬根土分離裝置的設計與研究[D]. 長春: 吉林大學,2011.
[6] 羅紅旗,高煥文,沈曉紅. 壟作保護性機械化耕作技術中玉米根茬處理模式[J]. 農機化研究,2008\\(8\\) : 208 -210.
