黑土是一种珍贵的稀有耕地资源,不仅支撑着粮食安全,也保障着区域生态安全。但由于近年来持续高强度利用、用养失调、肥力失衡、土壤退化严重以及秸秆资源不合理利用等原因,导致黑土耕地地力持续下降,环境污染问题较为突出^[1,2]。我们应保障黑土资源安全,巩固提升粮食生产能力^[3]。

农业发达国家早已重视用地与养地相结合^[4,5,6]。美国经过几十年的研究与探索,其玉米带已经形成了以机械化为载体,将合理耕作、秸秆还田、轮作和病虫害防治等技术高度集成的现代化农业生产体系^[7,8,9]。国内针对黑土退化和地力下降等问题,围绕种植模式优化和耕种制度改革等从“体质”和“体型”上的探索对土壤肥力产生了一定的影响^[10],但现行大多数技术模式均未涉及整个种植链条,在大范围推广时其技术效果得不到完全发挥。

在吉林省玉米生产中,单项技术的推广应用较多,但技术集成度不够,应用到位率不高,因此基于不同生态资源及生产特征的春玉米集约化和规模化丰产增效技术一直是科技人员关注的重点领域。蔡红光等^[11]构建了基于玉米秸秆直接还田技术的耕种模式。本研究根据吉林省中南部生态区域特征,以秸秆全量深翻还田技术为核心,集成精播保苗、病虫害防控、养分高效管理和机械收获等关键技术,构建了玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式,并依托规模经营主体进行实证,以期构建具有区域特色的玉米丰产增效技术体系,为大面积示范推广提供技术支撑。

技术模式实证于2018-2019年在吉林省公主岭和伊通两地进行,共选择18个规模经营主体（Opt）,每个规模经营主体选择12~30hm²耕地,种植面积共计402hm²（表1）。种植地块肥力大部分为当地中等水平,整个种植链条均以玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式为主体,由技术人员全程指导,以附近普通农户（Tra,仅根茬还田）作为对照。2018和2019年公主岭降雨量分别为598.3mm和599.8mm,伊通分别为715.0mm和986.0mm（图1）。

在整个种植过程中详细记录各规模经营主体及普通农户整地、施肥、播种、植保和收获等机械作业型号和标准,并记录各生产环节成本。每年在玉米收获期,按种植面积实测籽粒产量,并折算成标准水（14%）的单位面积产量,以偏生产力方法计算表征水肥资源生产效率。

表2列出了玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式的主要作业环节及机械要求。

1.3.1 播种施肥 采用机械化平地播种方式,一次性完成播种与施肥,播种深度3~5cm,在机械精量播种的同时,进行机械深施肥,根据土壤肥力和目标产量确定合理施肥量。肥料养分投入总量为N 180~220kg/hm²、P₂O₅ 50~90kg/hm²及K₂O 60~100kg/hm²,施肥深度在种床下3~5cm。播后对苗带进行镇压。根据播种时间选用中熟或中晚熟品种,低肥力地块种植密度5.5万~6.0万株/hm²,高肥力地块种植密度6.0万~7.0万株/hm²。

1.3.2 除草 视当季雨量选择苗前或苗后除草。若雨量较小,则选择苗前封闭除草,选用莠去津类胶悬剂及乙草胺乳油,在玉米播后苗前土壤较湿润时进行土壤喷雾;若雨量充沛,应在降雨后选择苗后除草,使用烟嘧磺隆、苞卫以及与阔草清、耕杰和溴苯腈混用可有效防除玉米田杂草。药剂按照推荐量使用。

1.3.3 病虫害防治 玉米螟防治主要采用释放赤眼蜂及使用新型白僵菌颗粒剂或粉剂。赤眼蜂投放量为22.5万头/hm²,分3次投放,投放时间为5~7d;白僵菌粉剂为封垛施用,规格25亿/g孢子,用量1.5kg/hm²;白僵菌颗粒为田间撒施或无人机投放,规格300亿/g孢子,用量0.5kg/hm²。黏虫防治主要采用喷施丙环•嘧菌酯+氯虫•噻虫嗪。药剂按照推荐量使用。

1.3.4 收获 使用玉米收割机适时晚收。玉米生理成熟后7~15d,籽粒含水率20%~25%为最佳收获期,田间损失率≤5%,杂质率≤3%,破损率≤5%。

1.3.5 秸秆还田 玉米收获同时将玉米秸秆粉碎（长度≤20cm）,并均匀抛散于田间,采用液压翻转犁将秸秆翻埋入土（机械动力在95.63kW以上,行驶速度在6~10km/h以上,翻耕深度30~35cm）,将秸秆深翻至20~30cm土层,在翻埋后用重耙耙地,耙深16~18cm,达到不漏耙、不拖堆、土壤细碎且地表平整的待耕状态。

结果（表3）表明,与农民习惯（Tra）对比,所有产区技术在实施后（Opt）均表现出明显的增产趋势,平均增产7.8%,其中,伊通增产幅度较大,为6.8%~11.9%,平均增产8.1%,公主岭增产幅度较小,为4.5%~11.0%,平均增产7.5%。

技术实施后,公主岭和伊通两地籽粒产量水平提升的同时,化肥生产效率和水分生产效率较农户习惯也有了大幅提高（表4）,平均提高7.8%。其中公主岭示范区化肥和水分生产效率2018年分别提高7.8%和7.7%,2019年分别提高7.4%和7.3%;伊通示范区2018年二者均提高8.0%,2019年分别提高8.1%和8.0%,表明采用玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式实现了玉米产量和效率的协同提高。

通过对规模经营主体及普通农户田间生产作业跟踪调研,结果（表5）表明,与普通农户相比,规模经营主体的农资采用集中采购,成本下降约600元/hm²,田间作业成本减少约1400元/hm²,其减少部分主要来自播种施肥和机械收获两部分,而秸秆深翻还田作业成本与普通农户传统耕整地费用大体相同。将土地流转费用去除后,与农户习惯相比净利润提高约2000元/hm²,其中公主岭地区净利润增加约13.0%,伊通地区增加约16.2%。

由于我国人多地少的基本国情,必须在保护东北黑土地的同时还要进行高效的利用。东北地区玉米秸秆资源十分丰富,年均收集量超过1.7亿t,结合东北地区的生产实际情况,实施秸秆全量还田是解决黑土肥力退化的主要途径,但实施秸秆全量还田需要保证玉米稳产高产^[12,13]。蔡红光等^[14]针对东北寒区玉米秸秆腐解慢和保苗差等问题,提出了玉米秸秆全量深翻还田技术,与常规耕作相比,实施该技术后可有效改善土壤结构,补充土壤养分。本研究在此基础上将技术模式链条进一步延长至整个种植链,同时通过多个规模经营主体进行大面积的技术实证。结果表明,与农民习惯操作相比,所有规模经营主体技术实证区均表现出明显的增产趋势,平均增产7.8%,化肥生产效率和水分生产效率平均提高7.8%,同时由于在播种施肥和机械收获环节机械作业成本较农民习惯降低1280~1560元/hm²,所以增加了约2000元/hm²的利润收益。表明玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式以秸秆全量深翻还田为核心,将养分调控、平播播种、田间除草、病虫害防治和机械收获等多项技术集成实施,优化了全种植链。但在实施本项技术模式时尚需要注意3点,一是玉米种植区的农田土壤至少35cm表土层内无砂石和盐碱等障碍层,适合机械化作业;二是基于不同区域的土壤和气候条件需要适时调整肥料的用量,尤其是氮肥的施用量;三是本项技术模式多适用于面积较大的连片农田规模化作业,小地块分散实施尚存在一定难度。

2年田间实证表明,与农民习惯操作相比,基于整个玉米种植链条的秸秆全量深翻还田地力提升技术模式在所有规模经营主体田块应用均表现为增产趋势,产量增幅为4.5%~11.9%,化肥生产效率和水分生产效率均提高7.8%,利润收益增加约2000元/hm²,实现了培肥、增产和增收等多重效益,可以在吉林省中南部地区大面积推广应用。