黑土耕地不仅数量逐渐减少，而且质量也逐渐下降。黑土耕地质量下降的主要表现，一方面是耕层结构变差，耕作层变薄，犁底层变得浅、厚、硬，亚表层过于紧实；另一方面耕层特别是亚表层土壤有机质含量降低，土壤肥力下降 (犁底层和亚表层的概念见图1)。黑土开垦前表层有机质含量多在3%～6%之间，低于3%的比较少见。目前吉林省耕地土壤有机质含量基本在1.5%～3%之间，较开垦前下降了30%～50%。土壤肥力下降主要有以下几方面原因：一是有机肥料施用量低，秸秆还田量不足；二是种植结构不合理，玉米连作现象普遍；三是不合理的耕作造成土壤物理性状退化^[1]。如何提升黑土耕地的土壤质量？理论上要求合理耕作的同时，还能补充土壤有机质，最终形成深厚、肥沃、健康的表土层 (耕作层和亚表层)。实现上述目标最重要的技术手段之一，是机械化深松结合秸秆还田，快速培肥有机质缺乏、土体上下水气不畅的土壤耕作层和亚表层^[2]。

在我国现行的秸秆还田主要有三种模式：一是浅旋，二是地表覆盖，三是翻压。采用这些模式进行秸秆还田虽然有一定的效果，但其推广比较困难，主要原因除了需要大型机具之外，浅旋一般会引起“种地漏风”；覆盖在一些地区会导致地温降低、病害增多，且由于无法打破犁底层，对提升整个土层 (特别是亚表层) 土壤有机质含量作用有限 (覆盖的“冒气”与焚烧的“冒烟”，都属于温室气体排放)；翻压处理费工、土层颠倒，有些地区会引起减产，第二年难以连续还田操作，再翻地时没有完全分解的秸秆又会被翻上来。

我国现阶段推广秸秆还田，应遵循以下原则：1) 解决土壤有机质最缺乏的关键土层—亚表层培肥问题；2) 尽可能将秸秆多转化为土壤有机质 (SOM)，特别是腐殖物质 (HS)；3) 不影响来年种植；4) 能够连年还田；5) 保证耕作后土层顺序不颠倒；6) 适应已有的机具和宽窄行免耕播种成熟技术。按照上述需求，我们提出了秸秆富集深还与土壤亚表层培肥的新技术模式。

土壤亚表层是指土体20—40 cm深，一般包括犁底层和心土层的上部分^[3] ，与植物生长和土壤固碳关系密切 (图1)。东北黑土区几十年的小四轮耕作模式，使犁底层变得浅、厚、硬，亚表层过于紧实，上下水气不通，相当于有效土层变薄，制约土壤肥力发挥。因此，以打破犁底层和增加有机质为特征的“亚表层培肥”应尽快提上日程。

图1(Fig. 1)

图1 耕地土壤主要层次 Fig. 1 Main layers of farmland

秸秆还田，特别是还田至亚土层，需要有专用机械把秸秆输送到亚表层。第一代秸秆深还机具是由秸秆深还开沟犁、双筒直排式秸秆还田机 (发明专利，201610181128.1) 和秸秆深埋还田覆土施肥联合作业机 (实用新型，201620102002.6) 组成，简称为“三件套”^[4–5]。经过三次连续作业，可将秸秆粉碎埋入土壤亚表层，并形成玉米大垄双行的种植基础；但是需要三套设备和三次作业，较为麻烦。第二代秸秆深还机具是“一种聚翻组合式秸秆深还机”(发明专利，201610359059.9)^[6]，一次性将秸秆埋入土壤亚表层，优点是作业简单，一次性完成；缺点是属于翻压性质，土层顺序颠倒。第三代秸秆深还机具是一种风力注入秸秆深还筒式犁(发明专利，201610418091.X)^[7]，可以将秸秆粉碎风力送入绞龙直接注入到土壤亚表层，还田效果十分理想，实现了一次性作业完成大比例秸秆富集深还的重任 (图2)。

图2(Fig. 2)

图2 第三代秸秆深还机具—风力注入筒式犁 Fig. 2 The machines for third generation of corn stover deep incorporation—wind injection tube plough

依托第三代秸秆深还机具，结合秸秆深还的农艺要求和目前耕作栽培的实际情况，我们提出了“秸秆富集深还”的概念和技术模式。

秸秆富集深还是把秸秆资源化与土壤培肥结合起来，把深松与秸秆还田结合起来，把秸秆还田与免耕播种结合起来，将玉米联合收割机 (即“玉米收”) 抛洒在地表的秸秆，通过机械化手段大比例 (4∶1～8∶1) 富集到预定的条带并施入土壤亚表层 (20—40 cm)，同时能种、还分离，适应免耕播种的新模式。该模式的核心技术是用吉林农业大学发明的第三代秸秆深还机具，像“打针”一样，一次性将秸秆粉碎注入土壤亚表层。

秸秆富集深还的优点：1) 土层顺序不变；2) 宽窄行种还分离，即当年埋秸秆的条带为宽行，不播种，不减密度；3) 免耕播种，即直接用免耕播种机在未埋秸秆条带播种；4) 条带状轮耕种植，每年埋秸秆的条带依次轮换，周期为4～8年任选，可连年全量深埋秸秆；5) 土壤搅动作业面积只有1/4或1/8，节省动力；6) 由于深埋，对土壤打破犁底层、实现亚表层培肥效果极好，并可以取代免耕的周期性深松。

秸秆富集深还技术模式的田间操作流程见图3～图6，具体如下：

步骤一，秸秆富集幅宽的确定　在玉米种植集中连片且适于机械化的区域，根据不同的种植模式，收获机械类型以及经营者的种植规模确定秸秆富集的幅宽。一般来说，玉米人工收获的富集幅宽为4垄，2.6 m(图3a)，机械化收获的富集幅宽为8垄，5.2 m(图3b)。

图3(Fig. 3)

图3 秸秆富集位置 Fig. 3 The straw enrichment position

步骤二，中聚成带　对于四垄一带富集，采用四指盘搂草机将玉米收割机打碎落地的秸秆中聚成带，带宽1.5～1.8 m (如图3a)。对于八垄一带富集，采用八指盘搂草机将八垄散落在地的秸秆向中间集聚成一带，富集后秸秆放置带宽为1.5～1.8 m (如图3b)。

步骤三，粉碎入土　采用风注式秸秆深层还田机通过三个环节将粉碎秸秆集中注入地下。首先用碎杆刀轴将集聚的秸秆打碎抛入绞龙，通过绞龙输送至风机，再经风机将碎秸秆送入管式开掘体继而落入土中，秸秆入土最大深度为35～40 cm，秸秆层厚度为15～40 cm，覆盖秸秆的覆土厚度为10～15 cm。两种比例富集秸秆粉碎入土位置如图4a和图4b。

图4(Fig. 4)

图4 秸秆粉碎入土位置 Fig. 4 The straw crush position with a belt in soil

步骤四，带状免耕播种　富集的秸秆深层注入土层后，以深埋秸秆的垄为中心，两侧相邻的垄均实施免耕种植，其免耕种植形式分为两种：一种是以深埋秸秆的垄为中心留出空带，带宽90 cm，空带两侧各种植2行玉米，行距为40 cm。玉米的株距依种植品种要求的密度而定。其播种机行走路线见图5a，免耕播种后的出苗位置见图5b。另一种还是以深埋秸秆的垄为中心留出空带，带宽90 cm，空带两侧各种植4行 (两带) 玉米，行距为40 cm，带宽90 cm。其播种路线与出苗位置见图5c和图5d。

图5(Fig. 5)

图5 秸秆富集深还免耕播种和出苗位置 Fig. 5 Sowing and seedling lines under the no-till and corn stover enrichment and deep incorporation

步骤五，按带依次逐年富集深还　由于秸秆富集深还的独到之处是多垄归为一垄，故每年产生的秸秆可以依次逐年持续条带深还。其深还位置与最初深还位置重合为一个循环周期，四垄富集深还的循环周期为四年。八垄富集深还的循环周期为八年。

由于本技术模式属于种、还分离，当季基本不存在秸秆分解与作物争氮的问题，可以少配或不配施多余的氮肥，犁具具有自动补肥、施肥功能，一切与正常免耕播种和栽培管理一致，不增加生产成本。

另外，由于秸秆埋在土壤深层，不影响第二年春天播种，到第二年秋天秸秆腐烂得像草炭一样，成为优质的肥料。所以一般不需要加施秸秆腐熟剂或其他菌剂，不增加还田成本。

原来人们认为秸秆深还可能分解缓慢，影响第二年播种。但模拟埋置试验中，秸秆还田120天时，其分解率就达到60%以上，330天时超过65% (图6，T6)^[8]。这从田间实际调查的照片中可以得到印证，经过1年的分解和腐殖化，形成像泥炭一样的层次，不仅第二年不会影响种植，而且还培肥了亚表层土壤 (图7)^[9]。

图6(Fig. 6)

图6 不同埋置时间秸秆混土 (T6) 与不混土 (T2) 处理的累计分解率[8] Fig. 6 Cumulative decomposition rate of the straw mixed with soil (T6) or without soil (T2)

图7(Fig. 7)

图7 秸秆富集深还后1年腐烂情况 (2015.10～2016.10)[9] Fig. 7 The rotted corn stover after 1-year’ enriched and deep incorporation (2015.10–2016.10)

人们对于秸秆深还是否会引起第二年玉米产量降低也存在疑虑，但在榆树黑土区玉米产量可以达到10吨以上，比传统耕作高5%^[1]。辽宁省的试验也表明，秸秆深还对玉米产量没有不良影响^[10–11]。秸秆深还的改土效果很明显，一般土层厚度增加，土壤容重、水分和结构状况等物理性质有所改善^[10–17]。秸秆深还可促使土壤亚表层有机碳含量增加 10%～15%，土壤耕层由原来的约15 cm增加到30 cm^[17]。增加胡敏酸、富里酸和胡敏素的数量，改善腐殖质组成^[19–22]，胡敏酸PQ从53%增加到63%^[22]。秸秆深还对腐殖质结构特征没有产生不良影响，对有些指标 (如H/C、亲水性) 还有改善作用，如胡敏酸的H/C摩尔比从0.977提高到1.269^[22]，促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化^[19–22]。秸秆富集深还技术模式适用于玉米秸秆露天焚烧压力比较大、连年需要全量还田并且没有条件休耕的地区，以及土壤耕作层特别是亚表层急需培肥的耕地，一般在东北平原、台地的黑土地区域，土体厚度在35 cm以上都可以应用。由于是四分之一到八分之一耕作，加之不用预先打碎秸秆和还田后耙地、镇压等工序，秸秆富集深还比一般的翻压、旋耕还田节省动力成本，经济效益和生态环境效益俱佳。

本文提出秸秆富集深还新技术模式，即将玉米秸秆用机械化手段大比例富集、按条带埋入土壤亚表层的全量还田模式，并给出了实际的田间操作图解。秸秆富集深还新模式可以做到土层顺序不颠倒、不影响第二年种植和产量、能够连年全量还田、适用于宽窄行免耕播种，并可以提升土壤有机质含量，打破犁底层，实现疏松土壤与培肥土壤的结合及土壤亚表层培肥的目的。

从土壤培肥的角度，需建立新的土壤亚表层培肥长期定位试验，并通过深入研究，逐渐认识到土壤亚表层是合理耕层构建的重要组成部分。