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保護(hù)性耕作是國際農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展保性耕作是國際農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢,秸稈還田技術(shù)是機(jī)械化保護(hù)性耕作中關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。使用機(jī)械化秸稈還田技術(shù)可以有效地解決農(nóng)忙期間爭農(nóng)時(shí)、爭勞力的矛盾,有力推動(dòng)秸稈還田的農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化進(jìn)程,避免由于焚燒秸稈產(chǎn)生的環(huán)境污染。本著一機(jī)多用、降低生產(chǎn)成本的原則,研制了既能滿足玉米秸稈、根茬直接粉碎還田,又能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)的新型多功能玉米秸稈還田機(jī)。(1)在對(duì)秸稈粉碎及滅茬基本理論分析的基礎(chǔ)上,提出多功能玉米秸稈還田機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 采用臥式結(jié)構(gòu),主要由懸掛裝置、變速箱、皮帶傳動(dòng)、秸稈粉碎機(jī)構(gòu)、滅茬旋耕機(jī)構(gòu)、限深滾筒等組成。拖拉機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)傳遞給變速箱,變速箱一軸經(jīng)齒輪、皮帶輪兩級(jí)增速后,帶動(dòng)粉碎刀輥工作;另一軸經(jīng)變速箱、皮帶輪變速后帶動(dòng)滅茬旋耕刀輥工作。 (2)設(shè)計(jì)了新型變速箱,實(shí)現(xiàn)了秸稈粉碎、滅茬、旋耕的復(fù)合或單項(xiàng)作業(yè),結(jié)構(gòu)簡單,一機(jī)多用。 主要由錐齒輪傳動(dòng)、撥叉、撥叉套、滾針軸承等組成。利用撥叉套與從動(dòng)齒輪的離合來實(shí)現(xiàn)粉碎、旋耕動(dòng)力的分離與結(jié)合,從而分別完成秸稈粉碎與滅茬復(fù)合作業(yè)或旋耕單項(xiàng)作業(yè),實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用之功能。 (3)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn),作業(yè)質(zhì)量滿足農(nóng)藝要求。 試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)秸稈和根茬具有良好的切碎效果,秸稈切碎平均長度為5.2 cm,粉碎合格率≥98%,滅茬率≥90%,碎茬拋撒均勻、覆蓋率高,作業(yè)性能穩(wěn)定。旋耕單項(xiàng)作業(yè)時(shí),旋耕深度可達(dá) 16 cm,碎土率 85.7%,作業(yè)后土碎地平,滿足農(nóng)藝要求,可直接進(jìn)行后續(xù)播種作業(yè)。作物秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的生物資源，作物秸稈資源的利用既涉及到整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的土壤肥力、水土保持，也涉及到環(huán)境安全以及再生資源的有效利用等可持續(xù)發(fā)展問題。秸稈機(jī)械還田是解決秸稈處理問題的有效途徑之一。 目前，秸稈機(jī)械還田機(jī)具已成為我國農(nóng)機(jī)近期研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。關(guān)于稻麥秸稈整株還田的機(jī)具研究目前還存在很多問題。為了研究水稻整株秸稈還田機(jī)具各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等因素對(duì)功率的影響，降低秸稈整株還田機(jī)具功率消耗，本文對(duì)秸稈還田機(jī)具的各參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。 (1)提出試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)秸稈還田機(jī)的機(jī)理分析，選擇(出)影響還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)作為主要研究因素； (2)對(duì)刀盤間距、刀的排列方式、刀片滑切角以及刀片安裝角等主要工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)； (3)合理選擇、設(shè)計(jì)、加工測試系統(tǒng)的傳感器部分，并對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定； (4)在影響參數(shù)中，選擇了對(duì)機(jī)具作業(yè)狀態(tài)和功率消耗有較大影響的刀盤間距、機(jī)器前進(jìn)速度以及刀滾旋轉(zhuǎn)速度三個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因子，按照二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，給出試驗(yàn)方案并進(jìn)行了試驗(yàn)研究； (5)通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，得到刀盤間距、機(jī)器前進(jìn)速度以及刀滾旋轉(zhuǎn)速度這三個(gè)因素對(duì)轉(zhuǎn)矩影響的數(shù)學(xué)模型，并分析了這三個(gè)因素對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律； (6)通過對(duì)得到模型的理論分析，最終得到刀盤間距、機(jī)器前進(jìn)速度以及刀滾旋轉(zhuǎn)速度這三個(gè)因素對(duì)作業(yè)機(jī)具功率消耗的數(shù)學(xué)模型，并分析了這三個(gè)因素對(duì)功率消耗的影響規(guī)律。 本文通過上述的試驗(yàn)和分析，給出了刀盤間距、機(jī)器前進(jìn)速度以及刀滾旋轉(zhuǎn)速度這三個(gè)因素在滿足作業(yè)要求(覆蓋率、埋草深度、碎土率)的前提下，降低功耗的最優(yōu)組合方案，為進(jìn)一步進(jìn)行整機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。長期定位肥料試驗(yàn)作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要研究方法,具有常規(guī)試驗(yàn)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)選用山東省齊河縣華店鄉(xiāng)和焦斌鄉(xiāng)兩地代表黃淮海農(nóng)區(qū)的潮土,設(shè)置秸稈不同用量與氮磷肥配施為 6 個(gè)主處理、兩種土質(zhì)為副處理,進(jìn)行盆栽試驗(yàn),對(duì)麥玉兩熟長期不同施肥條件下土壤理化性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化、土壤鉀庫形態(tài)的轉(zhuǎn)化、土壤養(yǎng)分的平衡狀況、土壤酶的活性及微生物區(qū)系等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,初步探討秸稈還田改土培肥的增產(chǎn)效應(yīng)與機(jī)理,主要研究結(jié)果如下: 1 秸稈還田量與土壤鹽分呈顯著正相關(guān)。秸稈與化肥配施的土壤可溶性鹽分有增加趨勢。砂壤土含鹽量高于中壤土。另外,土壤鹽分也與氣候和作物生育期等因素有關(guān)。 2 秸稈還田能改善土壤的通氣狀況,降低土壤容重和 pH 值,協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱等生態(tài)條件,為根系生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。 3 秸稈還田能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)積累,提高土壤養(yǎng)分的有效性。兩種質(zhì)地的土壤,其有機(jī)質(zhì)季節(jié)積累和養(yǎng)分生物有效性的變化動(dòng)態(tài)相似,即 6 月 2 日最高,6 月 22 日最低。土壤有機(jī)質(zhì)及有效養(yǎng)分含量都隨施肥年限的延長而遞減,且中壤土的各肥力指標(biāo)均大于砂壤土。 4 秸稈還田量與水溶性鉀、非特殊吸附鉀、特殊吸附鉀和非交換鉀含量呈顯著正相關(guān),與礦物鉀呈顯著負(fù)相關(guān)。長期秸稈還田土壤鉀素年度變化規(guī)律:非交換鉀、特殊吸附鉀呈逐年上升趨勢;水溶性鉀、非特殊吸附鉀、礦物鉀呈逐年下降趨勢。 5 秸稈還田量與土壤有效鐵、鋅、錳之間呈顯著正相關(guān),與速效銅相關(guān)性不好;兩種不同質(zhì)地土壤微量元素均有類似規(guī)律:除有效銅外,土壤有效鋅、錳、鐵季節(jié)性變化都較明顯。 6 兩種質(zhì)地的土壤脲酶和磷酸酶活性強(qiáng)度變化趨勢是 N1P1M3>N1P1M2>N1P1M1>N0P0M2>N1P1M0>N0P0M0。在 NP 肥用量相同的各處理中,秸稈還田量與土壤脲酶、磷酸酶活性密切相關(guān)。兩種土質(zhì)的土壤脲酶、磷酸酶與有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀均呈極顯著相關(guān)。 1 長期秸稈還田改土培肥綜合效應(yīng)的研究兩種酶都有隨施肥年限的延長而遞減的趨勢。 7 秸稈還田后,土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量均有所增加,且細(xì)菌>放線菌>真菌。在小麥分蘗期,各處理的微生物數(shù)量最少;小麥返青期后菌類數(shù)量迅速增加;微生物數(shù)量的高峰期出現(xiàn)在玉米拔節(jié)期和大喇叭口期。 8 秸稈還田能顯著提高作物產(chǎn)量,中壤土的增產(chǎn)效果比砂壤土好。總產(chǎn)量與秸稈還田量呈顯著正相關(guān);小麥的千粒重和生物量都與秸稈還田量呈顯著正相關(guān),而株高、穗粒數(shù)和有效穗數(shù)與秸稈還田量的相關(guān)性不顯著;玉米的穗粒重、千粒重與秸稈還田量之間達(dá)到了顯著水平,而穗粒數(shù)和穗行數(shù)與還田量的相關(guān)性不顯著。 9 作物對(duì) N、P、K 的吸收量隨秸稈還田量的增加而提高;在 N、P、K 投入量相同的條件下,中壤土中作物對(duì)養(yǎng)分的吸收量大于砂壤土;在化肥施入量相同的條件下,土壤氮素始終保持盈余狀態(tài),而磷素和鉀素均處于虧缺狀態(tài)。秸稈是自然界和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的資源,秸稈還田對(duì)于土壤的肥力狀況及其質(zhì)量和健康都有著非常重要的意義。土壤微生物尤其是其中與纖維素降解有關(guān)的微生物在秸稈的降解過程中起著關(guān)鍵性的作用。本文對(duì)秸稈還田土壤中與纖維素降解有關(guān)的微生物進(jìn)行了分子生態(tài)學(xué)研究,研究內(nèi)容共分為三個(gè)部分: 第一部分 :應(yīng)用 PCR-DGGE 分子技術(shù)并結(jié)合聚類分析、主成份分析(PCA)等統(tǒng)計(jì)分析方法,對(duì)土壤微生物在幾種不同的纖維素富集培養(yǎng)條件下的多樣性進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同的纖維素富集培養(yǎng)條件對(duì)土壤微生物的多樣性有不同程度的影響:CMC 和 PCS 兩種培養(yǎng)基在 50℃時(shí)所回收的土壤微生物的菌群結(jié)構(gòu)和組成比較相似;而纖維素富集培養(yǎng)基(J 培養(yǎng)基)同 CMC 兩種培養(yǎng)基所回收的土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)和組成卻有很大的差異;此外 50℃條件下所回收的土壤微生物其菌群結(jié)構(gòu)和組成同 28℃、37℃兩個(gè)溫度相比也相差較大。這一結(jié)果表明,組合不同的纖維素富集培養(yǎng)條件,結(jié)合分子和統(tǒng)計(jì)分析,可以對(duì)土壤樣品在不同纖維素富集培養(yǎng)條件下微生物的多樣性進(jìn)行檢測和評(píng)估,同時(shí)還可以為分離目標(biāo)菌時(shí)富集培養(yǎng)條件的選擇提供很有價(jià)值的參考。 第二部分:通過建立秸稈還田模擬體系,并應(yīng)用 PCR-DGGE 分子技術(shù)與聚類分析、主成份分析(PCA)以及偏最小二乘法顯著性分析。本研究采用尼龍網(wǎng)袋法、砂濾管法和植物組織切片的方法對(duì)秸稈在不同還田方式下的腐解速率及養(yǎng)分釋放規(guī)律，以及秸稈還田對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究。針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的稻草覆蓋影響小麥生長的問題，采用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了稻草對(duì)小麥的化感作用，以期找到解決稻草還田抑制小麥生長的技術(shù)和方法，為大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供急需的技術(shù)支撐和指導(dǎo)。本研究取得的主要研究結(jié)果如下： 1．麥稈、油菜稈還田后，腐解速率均表現(xiàn)為前期快，后期慢。整個(gè)試驗(yàn)期間(100d)，麥稈、油菜稈的累計(jì)腐解率分別為 66.18％和55.62％，麥稈高于油菜稈。兩種秸稈在養(yǎng)分釋放上均表現(xiàn)為，鉀(K)最快，磷(P)次之，氮(N)最慢。在還田初期(前 10d)K 釋放率分別達(dá)到了 98.92％和98.74％，已基本釋放完全。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在麥稈、油菜稈還田 6d 后，K 的釋放就已達(dá) 95％左右，釋放率分別為 94.76％和 95.93％。在麥稈還田腐解的過程中，組織結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在基本組織的薄壁細(xì)胞及其所包圍的維管束，表皮和機(jī)械組織以及其所包圍的維管束的破壞不明顯。且麥稈的基本組織及其所包圍的維管束的破壞在腐解前期(50d 前)并不明顯，主要發(fā)生在麥稈腐解的后期(50d 后)。在油菜稈腐解過程中，組織結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在腐解的前 10d。在 10d 之內(nèi)，次生木質(zhì)部以上的維管形成層、韌皮纖維、皮層薄壁組織和表皮均受到破壞而脫落。 2．稻草還田后，前期腐解快，后期較慢。翻埋還田的稻草腐解速率明顯快于覆蓋還田稻草，整個(gè)試驗(yàn)期間(210 d)翻埋還田的稻草累計(jì)腐解率達(dá)到 76.55％，而覆蓋還田的稻草僅為 53.50％。稻草覆蓋與翻埋兩種還田方式下養(yǎng)分釋放速率均以鉀(K)最快，磷(P)次之，氮(N)最慢。還田10d 內(nèi)，兩種方式下 K 分別釋放了 50.32％和 90.13％。稻草與土壤充分混合條件下，稻草和土壤礦化釋放的氮主要以 NO_3-N 形態(tài)(＞80％)存在，NH_4-N 和可溶性有機(jī)氮較少；在稻草還田后的前 40d 存在土壤微生物與作物競爭土壤礦質(zhì)氮的現(xiàn)象，40d 之后此現(xiàn)象消失，稻草開始氮的凈礦化；在稻草埋入土壤時(shí)同時(shí)配施適量的氮肥，可以消除微生物的奪氮現(xiàn)象。在稻草還田腐解過程中，組織結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在基本組織的薄壁細(xì)胞及其所包圍維管束，表皮和機(jī)械組織以及其所包圍的維管束的破壞不明顯。兩種還田方式比較，在還田初期，翻埋還田較覆蓋還田對(duì)組織結(jié)構(gòu)的破壞嚴(yán)重。隨著腐解的進(jìn)行，當(dāng)?shù)静葜幸妆黄茐牡幕窘M織及其所包圍的維管束被破壞之后，兩種還田方式對(duì)稻草中難以被破壞的表皮和機(jī)械組織及其所包圍的維管束的破壞程度差別不大。 3．秸稈還田能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤速效養(yǎng)分，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，增加作物的產(chǎn)量。秸稈還田后土壤容重比試驗(yàn)前降低了 0.03g／cm~3，土壤總孔隙度比試驗(yàn)前增加了 0.99％，土壤速效磷和速效鉀的含量增加，尤其是速效鉀，增加效果顯著。在大春階段，麥稈還田后水稻增產(chǎn) 5.61％，油菜稈還田水稻增產(chǎn) 1.31％；在小春階段，稻草還田小麥增產(chǎn)6.16％，油菜增產(chǎn) 7.08％。 4．通過測定水稻秸稈水浸提液對(duì)小麥發(fā)芽率、幼苗高度和根長的影響，研究了不同浸提液濃度對(duì)小麥幼苗的化感作用。結(jié)果表明：水稻秸稈水浸提液對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長的影響總體上表現(xiàn)為低促、高抑，即低濃度的浸提液對(duì)小麥發(fā)芽有促進(jìn)作用，隨著濃度的增加浸提液對(duì)小麥發(fā)芽開始產(chǎn)生抑制作用，濃度越高，抑制作用越強(qiáng)。在浸提液質(zhì)量濃度為0.01g／ml(低)時(shí)，浸提液對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長都具有促進(jìn)作用。在浸提液質(zhì)量濃度為 0.02g／ml(中)時(shí)，浸提液對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長產(chǎn)生抑制作用，且在小麥幼苗生長階段的抑制作用強(qiáng)于發(fā)芽階段。在此浸提液濃度下，加入外源激素的處理，不但能夠消除浸提液對(duì)小麥幼苗生長的抑制作用，還能對(duì)小麥幼苗的生長產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用。在浸提液質(zhì)量濃度為 0.04g／ml(高)時(shí)，小麥發(fā)芽和幼苗生長受到嚴(yán)重抑制。在此情況下，加入外源激素赤霉素或黃腐酸也不能對(duì)此抑制作用產(chǎn)生影響。