秸秆富集深层还田对农田土壤质量影响的研究进展

我国农业生产面临秸秆数量不断增加和土地耕层浅、底层土壤紧实、肥力低下等突出问题。过去对农业用地的管理集中于表层土壤,直到近年来对深层土壤进行管理逐渐受到了学者的重视,也出现了各种创新的田间措施。秸秆富集深层还田就是一项新型高效的秸秆管理措施,在利用秸秆资源来改良土壤结构、培肥深层地力和提高作物产量等方面优势突出。该模式能够打破犁底层避免土壤压实、缓解微生物与作物争夺氮素、减轻秸秆还田对播种和出苗质量的负面影响,提升农田耕层土壤质量,实现秸秆资源的高质高效利用。秸秆富集深层还田为集约化农业生产提供了切实可行的秸秆田间处理和土地健康保育手段,对我国高质量农业发展具有现实意义。本文介绍了秸秆富集深层还田技术,归纳了秸秆富集深层还田的技术特点、研究进展和应用潜力,综述了秸秆深层还田对土壤容重、孔隙度、土壤水分、团聚体结构、养分、有机碳、盐分、微生物、酶活性和作物产量的影响及机制,并在此基础上提出了今后的研究重点,为进一步深入探究秸秆深层还田技术和耕地保育提供参考依据。

黑土地保护与秸秆富集深还分析

我国是世界上四大黑土产国之一。黑土主要位于东北地区。从某个层面上说,黑土地是促进高品质农畜牧产品有效发展的重要基础。加强对黑土地的保护有十分重大的意义。这些年来,在社会经济不断发展过程中,黑土地面临着十分严重的退化问题,开始变得"瘦""薄""硬",具有十分明显的内涝问题。文章就加强对黑土地的保护与秸秆富集深还进行了探讨。

黑土地保护与秸秆富集深还

介绍了吉林省黑土地保护的范围、存在的问题和保护措施,特别介绍了秸秆富集深还技术模式及其优点、适用条件和实施效果。我国黑土是世界上四大黑土区之一,吉林省的黑土区(软土)为8.63万km^2,其中发生学分类的黑土为1.1万km^2,分别占全国的32%和15%。黑土退化的主要表现是黑土"变少了""变薄了""变瘦了",其主要原因是建设占用和不当耕作。黑土地保护的主要措施是通过合理耕作和秸秆深还来形成深厚、肥沃、健康的耕作层和亚表层;对于不可避免的建设占用耕地实施表土剥离与再利用,同时尽快完成城市边界、永久基本农田边界、生态边界的"三界"划定,保护黑土资源。就秸秆深还而言,提倡机械化秸秆富集深还,即将玉米秸秆粉碎并富集到一个条带后,以风力注入的方式埋入土壤亚表层20~40 cm的技术模式。其优点是土层顺序不变,并可2~4倍量富集秸秆,达到连年条带轮耕深还秸秆的目的,彻底解决秸秆焚烧和土壤培肥之急需。

玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥

由于长期浅耕,土壤亚表层不仅缺乏有机质,还过于紧实,急需找到一种简单而有效的快速松土培肥方法。本文简要总结了已有3种秸秆还田模式的优缺点,重点介绍了秸秆"富集深还"技术及田间操作要领,以及采用该技术还田的秸秆的分解速率和亚土层培肥效果。富集深还,即将玉米联合收割机抛洒在地表的秸秆,按条带大比例富集,使用专用筒式犁具,以风力注入的方式埋入土壤亚表层(20—40 cm)。这种模式的最大特点是不扰动土层顺序、不影响第二年种植。秸秆埋置模拟试验表明,秸秆还田330天时,其分解率就达到65%以上,剩余秸秆腐殖化,使土壤有机碳含量增加10%~15%,土壤耕层由原来的15—18 cm增加到30—35 cm。秸秆深还对腐殖物质结构特征没有产生不良影响,对H/C、亲水性等指标还有改善作用,促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化。秸秆深还没有引起第二年玉米产量降低。因此,采用该方法,秸秆能够连年全量还田,实现了种还分离(种植条带与秸秆深埋条带分离)与免耕播种的有效结合,可打破犁底层,并快速提升犁底层土壤有机质含量,为土壤亚表层快速培肥及肥沃耕层构建提供技术手段。

秸秆“富集深还”新模式及工程技术

针对长期浅耕造成的土壤亚表层缺乏有机质和过于紧实以及目前秸秆还田成本高或效果差的实际问题,提出了一种简单而有效的快速松土培肥的秸秆还田新模式及相应机具创新和田间工程技术。该技术模式是基于优先快速培肥土壤亚表层的新理念,在条带轮耕深松土壤的同时,将秸秆富集深埋于指定条带的土壤亚表层。将这种秸秆还田新模式称为秸秆富集深埋还田(简称"富集深还"),其主要工程技术是发明研制了秸秆深还筒式犁新机具,通过机械化手段将秸秆富集、粉碎、埋入土壤。具体步骤包括:(1)用指盘式搂草机将玉米秸秆按4∶1~8∶1富集归行;(2)用秸秆还田筒式犁一体机将秸秆粉碎、风力注入指定条带土壤20~40 cm;(3)用免耕播种机在非埋秸秆条带正常免耕播种,实现种还分离,即种植条带(窄行)与埋秸秆条带(宽行)分离。该模式具有秸秆翻压还田与覆盖还田的优点,而克服二者各自的缺点,是秸秆还田与条带少免耕的完美结合,能够实现玉米秸秆连年、机械化全量还田,且不打乱土层顺序、不影响第二年种植。秸秆富集深埋还田,理念新颖,技术可行,对土壤尤其是亚表层有很好的培肥效果。有助于彻底解决秸秆还田成本高或效果差的瓶颈问题,为旱田秸秆田间处理与深厚肥沃耕层构建提供切实可行的机械化工程手段。

土施富集植物秸秆对牛膝菊生长及镉积累的影响

为研究富集植物秸秆对超富集植物的化感作用,通过盆栽试验,研究了镉污染条件下,土施4种镉富集植物(小飞蓬、碎米荠、旱莲草和豆瓣菜)秸秆对牛膝菊生长及镉积累的影响。结果表明:与未施用相比,施用小飞蓬和碎米荠秸秆提高了牛膝菊根系、茎秆、叶片、地上部分及整株生物量,也提高了牛膝菊株高和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性,但施用旱莲草和豆瓣菜秸秆则降低了牛膝菊的生物量、株高和抗氧化酶活性。施用小飞蓬、碎米荠、旱莲草和豆瓣菜秸秆均提高了牛膝菊地上部分镉含量,分别比未施用提高了12.01%,9.55%,22.03%,5.39%,但只有施用小飞蓬和碎米荠秸秆的牛膝菊地上部分镉积累量高于未施用(分别比未施用提高了35.78%和11.77%)。施用小飞蓬和碎米荠秸秆提高了土壤过氧化氢酶活性、土壤脲酶活性和土壤蔗糖酶活性,而施用旱莲草和豆瓣菜秸秆则降低了土壤酶活性。因此,土施小飞蓬和碎米荠秸秆均能提高牛膝菊对镉污染土壤的修复能力,以小飞蓬秸秆的效果最佳。

土施超富集植物秸秆对荠菜生长及镉积累的影响

[目的]研究超富集植物秸秆对富集植物重金属积累的化感作用,为镉污染土壤的植物修复研究提供参考。[方法]通过在镉污染土壤中施用镉超富集植物〔(红果黄鹌菜Youngia erythrocarpa)、三叶鬼针草(Bidens pilosa)、少花龙葵(Solanum americanum)和豨莶(Siegesbeckia orientalis)〕秸秆,研究了4种镉超富集植物秸秆施入土壤对镉富集植物荠菜生长及镉积累的影响。[结果]4种镉超富集植物秸秆施入土壤均提高了荠菜地上部分生物量、总生物量和抗性系数,同时提高了荠菜叶片SPAD值(绿色度)。土施红果黄鹌菜秸秆提高了荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量,分别比各自对照高11.81%,102.07%,12.00%和54.95%,同时也提高了土样有效态镉含量,其余3种处理均低于各自对照。土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜地上部分和整株的镉积累量均高于对照,分别为42.11和54.74μg/株,比各自对照高83.09%和54.11%,而其余3种处理的镉积累量均低于对照。[结论]土施红果黄鹌菜能够提高荠菜对土壤镉的积累,有利于提高荠菜对镉污染土壤的修复效果。

秸秆还田方式对土壤理化性质和玉米产量的影响

高强度集约化农业生产导致耕地质量下降、农田土壤退化,而秸秆还田是改善土壤环境、提高土壤有机质的重要途径。目前的秸秆还田方式主要针对表层土壤,忽略了对底土质量的改善效果。本研究设置了秸秆富集深层还田、秸秆覆盖还田、秸秆浅旋还田、秸秆深翻还田、秸秆不还田5种秸秆还田方式,以探究不同秸秆还田方式对不同土层土壤理化性质和玉米产量的影响,为高效利用秸秆资源、提高土壤质量和作物产量提供科学依据。本研究结果表明:秸秆覆盖还田提高了0~20 cm土层土壤含水量、有机碳含量、氮循环酶活性;深翻还田提高了表层土壤水分含量与磷循环酶活性;秸秆富集深层还田显著降低了20~40 cm土层土壤容重、增加了土壤含水量、有机碳含量、全氮含量、矿质氮含量以及胞外酶活性。与不还田相比,秸秆还田处理下玉米产量显著提高13.4%~21.0%。因此,秸秆还田是秸秆资源有效利用的重要方式,有利于改善农田土壤环境,提高土壤养分含量,减少化肥使用,促进作物增产,对农业可持续发展具有重要意义。秸秆富集深层还田对于改善底土质量,扩大土壤碳库,提高耕地质量和土地生产力具有重要作用,可以作为构建深厚肥沃耕层的有效措施。

施用富集植物秸秆对水田芥生长及镉积累的影响

【目的】研究陆生富集植物秸秆对水生富集植物的镉积累影响。【方法】采用盆栽试验,通过向土壤中施用4种陆生镉富集植物(白三叶、旱莲草、小飞蓬和繁缕)秸秆,研究在镉胁迫条件下,施用富集植物秸秆对挺水镉富集植物水田芥生长以及镉积累的影响。【结果】施用4种镉富集植物均提高了水田芥茎秆、叶片和地上部分生物量。与未施用相比,施用富集植物秸秆均提高了水田芥叶片的抗氧化酶活性,增加水田芥叶片的可溶性蛋白含量。施用白三叶、旱莲草、小飞蓬秸秆均降低了水田芥茎秆、叶片与地上部分的镉含量,只有施用繁缕秸秆增加了水田芥茎秆、叶片和地上部分镉含量,较未施用分别增加了40.57%、13.76%和25.44%。施用旱莲草秸秆与施用繁缕秸秆的水田芥茎秆、叶片和地上部分镉积累量增加,其中施用繁缕秸秆比未施用分别增加了53.70%、21.19%和35.62%。施用繁缕秸秆提高了土壤酶(过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶)活性,而其他3种处理则降低了土壤酶活性。【结论】施用繁缕秸秆能够增加水田芥对镉的积累,提高水田芥对镉污染土壤的修复能力。

土施超富集植物秸秆对镉污染条件下葡萄生长及镉含量的影响

通过盆栽试验,研究了在镉污染条件下,土施3种镉超富集植物(龙葵、野茼蒿、三叶鬼针草)秸秆对葡萄生长及镉含量的影响。结果表明:幼苗试验中,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗生物量、光合作用强度、抗氧化酶活性和代谢物质含量均增加,且葡萄幼苗地上部分镉含量减少,较未施用分别减少了37.63%、18.31%和22.25%。结果树试验中,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄果实镉含量均减少且提高了果实品质,其中果实镉含量较未施用分别减少了22.11%、14.07%和19.25%。因此,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆能促进葡萄的生长和降低其镉含量,有利于镉污染果园中葡萄的正常生长及安全生产,其中土施龙葵秸秆效果最佳。

土施富集植物秸秆对牛膝菊光合生理的影响

通过盆栽试验,研究了镉胁迫条件下(40 mg·kg-1)土壤施用镉富集植物(小飞蓬、豆瓣菜、碎米荠和旱莲草)秸秆对镉超富集植物牛膝菊光合生理的影响。结果表明:土壤施用镉富集植物小飞蓬和碎米荠秸秆能够提高镉超富集植物牛膝菊叶片的净光合速率和光能利用率,但施用镉富集植物豆瓣菜和旱莲草秸秆则降低。只有施用小飞蓬秸秆提高了牛膝菊叶片蒸腾速率,而施用碎米荠和旱莲草秸秆则提高了牛膝菊叶片水分利用效率。土壤施用小飞蓬、豆瓣菜、碎米荠和旱莲草秸秆均降低了牛膝菊叶片的胞间CO2浓度,但提高了牛膝菊的叶表面蒸汽压亏缺,而只有施用小飞蓬秸秆提高了牛膝菊叶片气孔导度。土壤施用小飞蓬、豆瓣菜和碎米荠秸秆均能提高牛膝菊叶片光合色素含量,四种富集植物秸秆均降低了牛膝菊茎杆和叶片的可溶性糖含量。因此,在镉胁迫条件下,土壤施用小飞蓬和碎米荠秸秆能够提高牛膝菊的光合能力,促进其生长。

土壤施用富集植物秸秆对荠菜镉积累的影响

通过在镉污染土壤中施用镉富集植物碎米荠、旱莲草、豆瓣菜和小飞蓬秸秆,研究了四种镉富集植物秸秆施入土壤对荠菜镉积累的影响。结果表明:四种镉富集植物秸秆施入土壤均提高了荠菜地上部分生物量、总生物量和抗性系数,同时也提高了荠菜叶片SPAD值(绿色度)。土壤施用旱莲草秸秆提高了荠菜茎、叶片及地上部分的镉含量,分别比各自对照提高了23.81%、1.51%和10.95%,同时也提高了土样有效态镉含量,其余三种处理均低于各自对照。土壤施用旱莲草秸秆的荠菜整株镉积累量显著高于未施用,为43.82μg plant-1,比未施用提高了17.35%,而其余三种处理的荠菜整株镉积累量均低于未施用。因此,土壤施用旱莲草秸秆能够提高荠菜对土壤镉的吸收与积累,有利于提高荠菜对镉污染土壤的修复。