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国家大学生创新性实验计划项目申请书项目名称: 秸秆全量沟埋还田技术关键及 对土壤理化环境影响的研究 申请者: 王文博 学 院: 农学院 专 业: 农村区域发展专业 指导教师: 卞新民 职称: 教授 2008 年 05 月 26 日南京农业大学教务处制一、简表申请人姓名王文博学号1167103班级区域71班年级一年级电-项目名称秸秆全量沟埋还田技术关键及对土壤理化环境影响的研究项目来源A、 自立项目 B、教师科研课题的子项目 C、其它项目类型A、实验研究 B、调查研究 C、软件制作经费来源A、国家资助 B、学校资助 C、导师课题资助经费额度35000元 （其中国家资助10000元，学校资助10000元，学院及导师课题资助15000元）指导教师姓名卞新民指导教师职称教授参加人姓名学院班级学号合作者签名吴颖超农学院区域71班1167112申请时间2008年05月26日完成时间2010年06月 项目研究内容摘要本实验采用秸秆集中沟埋还田新思路寻求稻麦两熟区农田就地处理全部作物秸秆的技术新途径，通过大田试验研究小麦和水稻秸秆大量(400-800公斤/亩)集中就地沟埋处理中适宜沟宽、沟深和沟距，秸秆适宜掩埋量和方式等技术关键的解决方案，以及秸秆集中沟埋还田处理后秸秆在土壤中腐熟变化的特点及对土壤主要理化性状的影响。为实现稻麦两熟地区大量秸秆全部还田寻求更加安全、可靠、适宜机械化操作的新途径提供重要的技术和理论依据。二、立论依据 （包括项目的研究意义、现状分析，并附主要参考文献及出处）2.1 研究意义我国是世界最大的农业生产国，粮食总产量雄居世界首位，全国秸秆年产生量达6亿吨以上，如何处理大量的农作物秸秆是一个非常严峻的问题。我国长城以南大部分地区实施多熟种植，特别是长江流域地区大多采用稻麦（油菜）或双季稻两熟种植方式，稻麦目标产量和实际单产很高，秸秆生产量大，且两熟之间（双抢）季节和劳力紧张。一般情况下，年亩产秸秆（两熟）可达800-1000公斤，如果不能把前茬作物秸秆及时有效地从农田清除，对土壤耕作、作物播种、水稻栽插都会产生不利影响。作物秸秆直接翻耕或免耕还田是一种常用的方法，但是数量太大往往会影响土壤耕作，因而处理量受到限制，一般还田量占秸秆总量的1/3-1/2。有人提出多种作物秸秆集中处理的方案，但是由于作物产地分散，秸秆密度低、体积大，秸秆的田间收集和向集中处理场所运输的工本较高，对农民和企业而言经济上不可行。秸秆堆积田边河沿自然腐熟，影响景观、传播病虫、污染环境，与新农村建设要求背道而驰，也不是理想途径。虽然国内外对秸秆的综合开发利用进行了大量的研究，提出了种种方案，但是由于上述问题，实际上农民仍然大量采取田间焚烧的办法进行处理，一二十年来屡禁不止，成为农村环境综合整治中最令人头疼的老大难问题之一。作物秸秆生于农田，富含有机物，就地还田是最为理想的处理方案，既可以改良土壤增加产量，又可以防止污染改善环境，应当是解决秸秆问题的首选途径。但是，必须寻找一种对土壤耕作影响最小，对下茬作物播种和水稻栽插影响最小，就地还田能力最大，且具有机械化操作前景的技术新途径。秸秆就地集中沟埋还田技术的思路就是：在作物收获后立即在田间开挖一定深度的填埋沟，就地集中埋入收获残留秸秆，随之在沟内秸秆上覆盖泥土。其优点是：一方面可以全部实现秸秆的就地还田，另一方面可以保持地表良好的可耕作性，同时可以通过每年变换秸秆填埋沟的位置，实现麦稻两熟制农田土壤的轮换“耕翻”“少免结合深度轮耕”，逐步加深土壤耕作层，增强土壤有机碳库存能力。更重要的是在稻麦耕作制度机械化十分普及的条件下，可以实现机械收获、机械灭茬、机械开沟、机械覆土等一体化收埋的机械操作，在不提高费用和操作难度的前提下实现秸秆全量还田。本校耕作制度研究课题组已经在江苏省南通地区农科所开展了2年的预期研究，结果表明，使用秸秆就地集中沟埋还田技术可以轻易的处理全部的农田秸秆，结合配套的特种栽培技术可以保证当季作物的高产稳产，初步显现出良好的综合效果。进一步开展秸秆就地集中沟埋还田技术的机理和配套关键技术的研究，对于完善这一技术，为今后开展机械化配套技术体系的研发，彻底解决目前农村普遍存在的秸秆焚烧问题，具有紧迫而又重要的科学意义和实用价值。2.2 现状分析作物秸秆还田参与土壤生态系统的物质循环，是保持土壤肥力的重要方法。我国对这方面的研究从50年代开始探索，70年代发展和推广了残茬覆盖减耕法，80年代初开始研究以免耕、覆盖为主的保护性耕作系统，20年来，保护性耕作方式已被广泛应用。并且这种耕作方式与保水、保土耕作措施相结合，形成了多种类型的保护性耕作技术，主要耕作方式有秸秆覆盖、秸秆覆盖免耕、秸秆覆盖减耕、少耕、免耕等。这些措施的推广和应用解决了旱作农田“旱”与“薄”的问题，对减少土壤水分蒸发，增加土壤有机氮，增加作物产量，简化耕作手续，降低生产成本，提高劳动生产率和经济效益均有非常显著的效果。因为秸秆覆盖、秸秆还田和免耕不仅改善了土壤生态系统的物质循环，保蓄了水肥，而且改善土壤的结构和物理性状，提高养分的有效性，增加了土壤中全氮、全磷含量。我国南方在90年代后，加强了免耕与秸秆覆盖相结合的稻田保护性耕作栽培技术的研究与推广，近年成都平原已广泛应用“小麦免耕露播稻草覆盖栽培技术”和“水稻免耕覆盖抛秧技术”，长江中下游平原积极示范推广“稻麦套播免耕秸秆覆盖技术”、“水稻免少耕旱育抛秧技术”，稻田越冬休闲期的绿色覆盖技术研究已有相当基础。高云超研究认为秸秆覆盖具有增加土壤养分含量、改善土壤结构等作用，既可为作物生长提供养分来源，又有利于土壤水分的保蓄。刁春友等研究认为秸秆覆盖后土壤有机质含量的增加为土壤微生物提供了良好的生存环境，使得土壤微生物的种类和数量有所增加，提高了土壤微生物的活性。杨显云研究表明，经三季稻草覆盖1.32万kg/hm2后，土壤有机质含量增加23.5%，耕层土壤全氮、碱解氮、土壤缓效钾与速效钾含量分别增加21.4%、31.1%、 40%、80%，有效锌、有效硅含量分别增加80%和60.4%。内蒙古武川、松山和河北丰宁等地的田间监测和风洞模拟试验结果表明，秸秆覆盖分别减少农田扬尘60%、54.4%和48%。秸秆覆盖还可增加土壤蓄水量16-19%，提高水分利用率12-16%。对于一年两熟地区，全程采用保护性耕作后，每季作物至少可以减少一次灌水量，两季作物可以少灌水100m3/亩。以北京市为例，100多万亩作物全部实施保护性耕作，每年至少可节约灌溉用水1亿m3，相当于整个怀柔水库的蓄水量。秸秆还田还可提高土壤肥力，麦田每年可增加土壤有机质0.01-0.03%，玉米田每年可增加0.02-0.06%。但现实中，由于我国人口众多，绝大多数农田都采取家庭承包的小规模经营，很少有大规模农场经营。又由于农作物秸秆容积密度小，一般堆积密度为0.1-0.2t/m3，很难作为商品被直接收集运输，因此目前很多试验、研究都集中针对如何将秸秆直接还田来解决其作为一种宝贵的生物资源却白白焚烧造成环境、大气污染问题以及如何在还田的同时不会对土壤产生负面影响。这些研究在秸秆还田问题上取得了很大的进展，但客观上也存在一些问题，因而实施和推广效果不佳。秸秆堆沤还田也称高温堆肥。它是一种传统积肥方式，是利用夏秋季高温季节，将秸秆堆积，采用厌氧发酵沤制。现已推广应用了301菌剂、催腐剂、HEM菌剂、酵素菌等快速堆沤秸秆还田技术，大大缩短了沤制时间。但是由于操作时间周期较长，受环境影响大，劳动强度高，产出量少，目前农村只有少量农户采用。少量秸秆直接覆盖还田。在解决一部分秸秆问题的同时，可改善土壤，起到一定增产作用，但同时有相当一部分秸秆问题还是存在，因此秸秆问题仍没能得到彻底解决。将秸秆埋入田间现有的墒沟进行大量秸秆处理还田，在油菜和玉米秸秆处理方面有少量报道。但是由于玉米秸秆叶片很大，虽然处置方便，但是覆土困难，油菜秸秆数量不大、秸秆松散，所以处理效果并不理想。另外，这样处理秸秆埋得过浅，有时导致地面温度过高，上层土壤水分不足，影响作物生长，覆盖不严也不利于提高害虫灭杀效果。同时也存在劳动强度大、操作过程复杂、不便于机械化操作、经济效用小等问题，生产实际中应用很少。机械化秸秆还田。即将农作物秸秆经机械粉碎后直接还田，每亩还田量350-500千克。机械化秸秆还田是近年来农业及农机推广部门为解决剩余秸秆的利用问题而大力推广的项目，即采用联合收割机或大马力拖拉机配带的秸秆还田机，在地里直接将作物秸秆粉碎，再用深耕犁翻埋到土壤深处去，其特点是作业机械化程度高，秸秆处理时间短，腐烂时间长，是用机械对秸秆简单处理的方法。但从目前的情况看，由于需要搬运、操作较为复杂，碎秸秆在土壤里不能很快腐烂，影响犁耕和旋耕作业，特别是不利于农作物的播种而难于被农民接受，因此还田量受到明显影响，农民多在使用秸秆还田机将秸秆粉碎之后，再付之一炬，如此既达不到秸秆还田的目的，增加了农业成本，还污染了环境。综上所述，稻麦高产地区实行秸秆全量还田是当前仍未解决的难点问题，也是农业可持续发展研究的热点问题之一。本项研究吸收以往研究的成果和经验，在思路上有所创新全量大量还田、实现清洁地表和水田深度轮耕、考虑机械化应用前景与要求，从技术关键、秸秆腐熟过程和还田对土壤作用机制三方面开展研究，可保证研究的新颖性、理论性和实用性，对解决稻麦两熟高产地区秸秆全量还田问题具有重要的意义。主要参考文献：1章秀福,王丹英,符冠富,李 华. 南方稻田保护性耕作的研究进展与研究对策J.土壤通报2006(2) 2刘振友.我国保护性耕作的发展应用J.农机化研究.2005(4)3柳林景,蔡鹏升,钱存进,钱宏兵.墒沟埋草新型耕作配肥模式J.土肥耕作.2001(4)284缪 明.机械化墒沟埋草秸秆还田技术研究J.江苏农机化.2007(3)5韩春贵,邱宝泰,钱宏兵,薛爱华,严桂珠.墒沟埋草技术研究与应用J.土壤肥料.1992(6)6匡伟群,张祝军,李明如.水田埋草旋耕机的技术经济性能试验及推广J.广东机.1999(1)7沈裕琥,黄相国,王海庆.秸秆覆盖的农田效应.干旱地区农业研究,1998,16(1):45-50.8Breace.Transformation and distribution of organic nitrogen forms soil. Journal of Agricultural Science.1986,2:17-15. 9Balesdent J.A. Effects of tillage on soil organic carbon mineralization estimated from 13C abundance in maize fields. J Soil Sic. Oxford.Blackwell Scientific publications. 1990,41(4):58759810孙海国,任图生.直立作物残茬和整株秸秆覆盖对麦田土壤湿度及温度的影响.干旱地区农业研究, 1996,14(2):1-4.11巩杰,黄高宝,陈利顶等.旱作麦田秸秆覆盖的生态综合效应研究.干旱地区农业研究,2003,21(3): 69-73.12马世均.旱农作物、品种和栽培技术.见马世均主编.旱农学.北京:农业出版社,1991.204-235.13吴玉林.稻草覆盖栽培技术与农业可持续发展 J .作物研究,2002,(4):168-169.14王长生,王遵义,苏成贵等.保护性耕作技术的发展现状 J .农业机械学报,2004,35 (1):167-169.15John E Monison.美国保护性耕作的过去和未来A.牛盾.面向二十一世纪的机械化旱作节水农业 C.北京:中国农业大学出版社,2000.35-37.16黄锦法,俞彗明,陆建贤等.稻田免耕直播对土壤肥力性状与水稻生长的影响J.浙江农业科学,1997, (5):226-228.17张勇勇,顾克章,张顺泉.水稻旱播耕作法的效益及其对土壤理化性状的影响J.浙江农业科学,1997, (3):118-120.18中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室.土壤物理性质测定法M.北京:科学出版社,1978.19鲁如坤.土壤农业化学分析方法M.北京:中国农业科技出版社,2000.20魏朝富,高明,车福才等. 垄作免耕下稻田土壤团聚体和水热状况变化的研究J.土壤学报,1990,27 (2):172-177.21李新举，张志国 等.免耕对土壤生态环境的影响J.山东农业大学学报.1998,29（4）:520-52622朱文珊.秸秆覆盖免耕法的节水培肥增产效益及应用前景J.干旱地区农业研究.三、研究方案1.项目研究目标、内容和拟解决的关键问题1.1研究目标本项目旨在明确秸秆就地集中沟埋还田的土壤生态机制和与之相关的关键配套技术要领，为实行稻麦两熟高产地区农田的全量机械低成本还田、从根本上解决大规模焚烧秸秆的生态经济难题，寻找更加有效可行的途径；为开发秸秆还田新技术体系提供科学依据和技术基础。1.2 研究内容 (1) 秸秆集中沟埋还田技术的关键（主要包括最佳埋深、沟宽、沟距、埋草量以及秸秆长度）。(2) 秸秆集中沟埋还田对土壤理化性状和根系的影响（主要包括掩埋沟内与无沟区土壤容重、土壤紧实度，土壤温度、水分、养分，土壤有机质等变化特征、对作物根系生长发育的影响等）。(3) 秸秆集中沟埋还田处理过程中秸秆的腐熟过程与特征（主要包括秸秆腐熟进度、形态变化、养分吸附与释放等）。1.3 拟解决的关键问题(1) 秸秆集中沟埋还田能否起到消除污染、增产增收的双重效果，机理何在；(2) 采用怎样的具体措施组合才能够稳定有效解决秸秆全量入土还田的问题，并且可以与机械化收获和耕翻土地的作业相结合。2.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析2.1研究方法主要采用大田田间试验方法。首先重点研究在大田生产的实际情况下掩埋沟的深度、宽度、间距、秸秆数量、秸秆长度等因素对秸秆处理过程、效果，对土壤理化性状和温度、湿度等环境条件以及作物生长和根系的影响，找出相对重要的影响因素；然后在分析单因素试验结果的基础上，选择两个最重要的因素设计以双因素为主体的复合试验，进一步明确技术关键和秸秆处理过程、效果，以及对土壤和作物生长根系的影响。2.2 技术路线分析总结第一年数据，制定第二年试验方案验方案试验方案设计文献资料查阅论文形成数据整理实验室分析定时取样田间作业文献资料查阅试验方案分析总结第一年数据制定第二年试验方案设计 图1 试验技术路线图 备注：田间管理、田间作业、定时取样部分在试验田完成，其余均在学校完成。2.3 试验方案2.3.1 试验说明：(1) 本实验采用随机区组试验设计。(2) 作物播种或栽插距沟边距离5-10cm，其他技术参照常规进行。(3) 小麦、水稻分别进行同样的试验，两季作物的沟位相邻但不重叠，避免田块在同一地点上秸秆重复还田。(4) 秸秆来源：在本试验中，水稻季填埋上季小麦收获后的秸秆，小麦季填埋上季水稻收获后的秸秆。(5) 本试验共进行四茬作物，即第一茬水稻、第二茬小麦、第三茬水稻、第四茬小麦。2.3.2 单因素试验设计方案 （1）单因素的取值标准掩埋沟深度20 cm掩埋沟宽度20 cm掩埋沟距离200 cm埋草数量750 g/m2秸秆长度30 cm说明：在以下各组单因素试验中，除处理因素外，其余因素均按上表标准取值。 （2）单因素的试验取值水平掩埋沟深度（cm）0/10/15/20/25 掩埋沟宽度（cm）10/15/20/25 掩埋沟距离（cm）100/150/200/250/300埋草数量（g/m2）500/1000/1500/2000秸秆长度（cm）10/30/整秆 （3）掩埋深度试验小区排列方案区组125cm0 cm15cm10cm20cm区组220cm15cm10cm0 cm25cm区组30 cm25cm20cm15cm10cm （4）掩埋沟宽度试验小区排列方案区组125cm15cm20cm10cm区组220cm10cm25cm15cm区组310cm20cm15cm25cm （5）掩埋沟距离试验小区排列方案区组1100cm150cm300cm200cm250cm区组2200cm150cm250cm100cm300cm区组3300cm200cm150cm250cm100cm （6）埋草数量试验小区排列方案 区组10 g/m2500g/m21500g/m21000g/m22000g/m2区组21500g/m21000g/m22000g/m2500g/m20 g/m2区组3500g/m22000g/m20 g/m21500g/m21000g/m2（7）秸秆长度试验小区排列方案 区组110cm30cm整秆区组230cm整秆10cm区组3整秆10cm30cm 2.3.3 复合试验设计方案根据第一年的实验结果选出2个最重要的单因素，并进行多因素组合设计试验，其中重要性较大的因素设置4-5水平，重要性小一点的因素设置3个水平。2.3.4 试验测定内容 秸秆集中沟埋还田对土壤理化性状的影响（主要测定掩埋沟内与无沟区土壤容重、土壤温度、水分、养分、有机质等）。试验开始前和每茬作物收获后进行取样测定。秸秆集中沟埋还田处理过程中秸秆的腐熟过程与特征（主要测定秸秆腐熟进度、形态变化、秸秆养分吸附与释放、作物根系作用特点）。在作物种植后每隔45天及作物收获后进行测定。2.4 可行性分析(1) 研究方案比较合理。本项目的研究目标明确，思路清晰，试验方案合理，分析方法常规，工作难度适中，具有很好的可操作性，预计在两年内可以达到预期结果。(2) 试验条件相对完善。本项目研究已有现成的实验基地，有富有生产经验的技术工人进行现场生产管理，有设备比较齐全的分析化验实验室和各种试验条件，尚缺少的条件可以通过项目资助经费进行解决。(3) 有较好的工作基础。本实验在开始之前已经有教师和研究生进行过两年相关试验，表现出较好的预期效果，积累了相关的经验。 (4) 有高质量的团结协作团队。本项研究与耕作课题组正在实施的“保护性耕作”和“农村环境整治技术”相关课题具有密切的联系，在试验实施和取样最紧张的时期，课题组有足够的人员和技术力量进行集中性操作，本课题组人员还可以与相关研究生和教师进行“换工”协作，多承担室内分析工作，请他们协助多做一些田间工作。3本项目的创新之处(1) 秸秆还田处理技术思路的创新：主动开沟、集中就地处理、全量全部入土、掩埋量大、掩埋干净，将秸秆还田与土壤轮耕有机结合，考虑到机械化运用的要求，对作物播种和栽插没有直接的不良影响，为一年两熟和三熟高产地区解决秸秆污染问题创造出新的可行技术。(2) 秸秆还田的还田方式的创新：本项目对传统的秸秆还田方式予以改进，采用开沟填埋秸秆的秸秆还田方式来处理秸秆，动土量少、耕作深度大、掩埋性好，且在一年两熟的耕作制度中依次将上季的秸秆进行掩埋，可以保障做到全量、大量、地表清洁、操作方便、适宜机械化。(3) 实验内容的创新：在以往实验研究的基础上通过对水稻、小麦季不同土壤、植株指标的测定，获得符合生产实际条件的重要数据，通过分析对比从而为秸秆沟埋的实施提供可靠的理论和技术依据。4.项目研究计划及预期进展2008.06-2008.08资料文献查找、前期研究资料的分析总结，试验方案制定开始第一茬作物试验工作。2008.09 采集基础土样、开沟、埋草等一系列田间试验、管理。2008.10 - 2008.11水稻季收获、田间取样、实验室分析。2008.11整地、开沟、小麦季播种前取土样，小麦播种，开始第二茬作物试验工作。2008.12 - 2009.05田间观测、取样、田间管理。2009.06- 2009.07小麦季收获、取样，实验室分析，拟定双因素组合试验方案，开始第三茬作物和双因素试验工作。2009.08-2009 .10进行初步的数据处理和分析。2009.11-2010.02参与第四茬作物试验实施，总结分析整个实验过程、完成项目研究初稿并进行修订。2010.03-2010.06最终完成总报告的撰写、发表论文及完成本科毕业论文。5. 预期研究成果 （1）撰写一篇结题报告（2）发表一篇以上论文 （3）一篇高质量的优秀本科毕业论文四、研究基础1. 与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩相关试验研究方面：（1）在此试验之前，实验室已经连续2年在试验田进行秸秆还田试验，大田基础条件好。（2）本项目开展实验室试验仪器齐全，开展相关研究的教授长期从事保护性耕作研究，具有多方面科研经验，发表过多篇关于保护性耕作方面的论文。（3）项目试验点设在南通沿江农科所，大田实施一年两熟制耕作。试验地归属研究所稻麦室，有多位经验丰富、学术严谨的老师长期从事农业科研工作。小组成员方面：（1）小组成员查阅了一定的书籍文献，对本项目的研究有了更深层次的了解。（2）小组成员曾完成过相关的农业课程论文（3）小组成员均参与过农业生产实践，在大田实验中有一定的实验基础。本团队成员学习能力强，对生态农业兴趣浓厚，对本项目的研究具有很强的自信心，相信能在研究过程提出创新观点、培养创新意识。2. 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）已具备主要条件：（1）图书资料。学校图书馆、期刊网等为研究查询相关资料提供方便。（2）研究设备。目前基本具备完成各项测定指标的实验室仪器、设备，另有实验所需试验田。（3）知识结构。本实验小组成员系农村区域发展专业学生，结合课题准备已经积累较多的农业知识。另外小组成员均来自农村，在农业生产实践上有一定的基础，有利于大田实验的进行。尚缺少的条件和拟解决的途径：（1）缺少一部分必要的相关知识和具体的试验经验：通过学习、实践、积累习得。（2）缺乏适用于本试验的土壤温度、湿度、水分多点综合测量系统：通过对现有温度测量系统的改造，创造综合测量系统。五、经费预算支 出 科 目金 额（元）计 算 根 据 及 理 由差旅费用4000按每人每天50元