范虎軍 牛淑卿 唐春梅 田樹(shù)飛 屈振華

摘要 針對(duì)北方干旱坡地雨水存儲(chǔ)差、養(yǎng)分貧瘠、耕層淺、作物易倒伏等問(wèn)題，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外土壤改良方法，以河北省干旱半干旱地區(qū)為代表，對(duì)其典型地塊的土壤養(yǎng)分進(jìn)行豐缺狀況調(diào)查，提出了機(jī)械化土壤改良技術(shù)并確定了技術(shù)路線，同時(shí)設(shè)計(jì)了懸掛式土壤改良機(jī)械。

關(guān)鍵詞 干旱地區(qū);抗倒伏;機(jī)械化;土壤改良

中圖分類(lèi)號(hào) S156文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2018）34-0098-04

截至2015年末，全國(guó)耕地13 499.87萬(wàn)hm2[1]，干旱半干旱地區(qū)的土地面積占全國(guó)土地面積的52.5%。解決干旱半干旱地區(qū)土壤保墑保肥問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，通過(guò)土壤養(yǎng)分及含水量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)北方地區(qū)干旱及養(yǎng)分流失更為嚴(yán)重，以河北省北部干旱較嚴(yán)重的地區(qū)為例，這些地區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量在364.6～383.5 mm，土壤類(lèi)型主要為粟褐土，降水量較少，降水量的年際變化較大，均屬于干旱半干旱類(lèi)型耕地，糧食作物主要有玉米、馬鈴薯、谷子、黍子等。如何保留雨雪，避免土壤養(yǎng)分流失，有效實(shí)現(xiàn)保墑保肥，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收成為研究熱點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外土壤改良技術(shù)的研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤改良技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，主要包括土壤結(jié)構(gòu)改良、鹽堿地改良、酸化土壤改良、土壤科學(xué)耕作和土壤污染治理等。

1.1 土壤結(jié)構(gòu)改良

土壤結(jié)構(gòu)改良是通過(guò)施用土壤改良劑改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。施用有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤蓄水保墑等，有利于作物產(chǎn)量和水分利用率的提高[2-3]。施加土壤改良劑可以促使分散的土壤顆粒團(tuán)聚，形成團(tuán)粒，增加土壤中水穩(wěn)性團(tuán)粒的含量和穩(wěn)定性，顯著提高團(tuán)聚體的質(zhì)量，降低土壤容重，增大土壤總孔隙度，改善通氣透水性，促進(jìn)植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[4]。天然土壤改良劑沸石施入土壤后可提高耕層土壤的含水量1%～2%，在干旱條件下使耕層土壤田間持水量增加5%～15%[5]，也具有很強(qiáng)的吸附能力和很高的陽(yáng)離子交換量，可促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的釋放，提高土壤保肥能力和增加土壤肥力[6]。

1.2 鹽堿地改良

閆少鋒等[7]通過(guò)豎井抽排水試驗(yàn)，探討了天然降水條件下地下水位動(dòng)態(tài)及土壤脫鹽規(guī)律，結(jié)果表明，豎井排水的區(qū)域土壤鹽分含量呈下降趨勢(shì)，下降幅度為52%，未設(shè)豎井排水的區(qū)域土壤表層出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，土壤鹽分含量上升41%。劉長(zhǎng)江等[8]通過(guò)田間示范試驗(yàn)，研究了不同深松深度對(duì)蘇打鹽堿化田土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，通過(guò)深松，蘇打鹽堿土含鹽量和pH有所降低，土壤環(huán)境明顯改善，同時(shí)深松能夠促進(jìn)作物根系發(fā)育，提高產(chǎn)量。

1.3 物理覆蓋

用作物秸稈或塑料地膜進(jìn)行地表覆蓋是旱作農(nóng)業(yè)中一種常用的保墑耕作方式。地面覆蓋可有效降低土體的無(wú)效蒸發(fā)，秸稈覆蓋能夠增加對(duì)降雨的攔蓄，促進(jìn)水分就地入滲，地膜覆蓋能夠促進(jìn)下層水分向上移動(dòng)，提高土壤水分的利用率。秸稈覆蓋可穩(wěn)定土壤溫度，使土壤微生物數(shù)量及活性提高[9-12]。Tebrugge等[13]在西班牙進(jìn)行的試驗(yàn)表明，秸稈覆蓋后0～30 cm土層含水率比常規(guī)耕作提高了1%～5%。魯向暉等[14]在寧南山區(qū)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋可使春玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了3.5%和16.5%。

1.4 土壤科學(xué)耕作

機(jī)械深耕深松能有效解決土壤的板結(jié)。劉萬(wàn)鋒[15]對(duì)鹽池縣灘灌區(qū)鹽漬化土壤3年間利用全方位深松機(jī)分別對(duì)30、40 cm土層進(jìn)行2次不同深度的定位深松試驗(yàn)，結(jié)果表明，土壤平均容重由1.53 g/cm3下降至1.48 g/cm3，0～30 cm土層土壤含鹽量由0.80%下降至0.55%，認(rèn)為機(jī)械深松是鹽漬化土壤改良的一項(xiàng)重要措施。美國(guó)Aer Way公司生產(chǎn)的AWMP-100-AG-4型草地打孔機(jī)，通過(guò)打孔齒輪形成不連續(xù)深度可達(dá)20 cm的矩形孔，可以斷裂壓實(shí)的韌土，實(shí)現(xiàn)了增加空氣和水分運(yùn)動(dòng)、提高肥料利用率的目的[16]。于濤[17]研究表明，應(yīng)用機(jī)械深松深耕技術(shù)可提高小麥單產(chǎn)平均可達(dá)8 250 kg/hm2左右，較傳統(tǒng)地塊平均增產(chǎn)1 200 kg/hm2左右。適用于南方的粉壟耕作栽培制度，粉壟機(jī)螺旋鉆頭將土壤垂直旋磨粉碎，深入激活耕層以下土壤達(dá)30～60 cm（最深可達(dá)80 cm），不改變土壤主體層次，讓土壤團(tuán)顆粒細(xì)小而自然懸浮成壟，使土壤養(yǎng)分增加、保水透氣性好，實(shí)現(xiàn)作物大幅度增產(chǎn)、增效[18]。立式旋耕機(jī)較傳統(tǒng)的臥式旋耕機(jī)作業(yè)深度大，碎土能力強(qiáng)，沒(méi)有漏耕，耕后地表平整[19]。然而深耕深松、粉壟、立式旋耕等都是重負(fù)荷作業(yè)，需要大中型拖拉機(jī)與配套的農(nóng)機(jī)具進(jìn)行。

截至目前，國(guó)內(nèi)外土壤改良方法多種多樣，但機(jī)械化深坑土壤改良技術(shù)鮮見(jiàn)報(bào)道。

2 北方干旱地區(qū)土壤養(yǎng)分狀況

2.1 土壤樣品采集

2.1.1 采樣時(shí)間。2017年4月16日。

2.1.2 采集地點(diǎn)。調(diào)查地點(diǎn)為河北省懷安縣太平莊鄉(xiāng)、陽(yáng)原縣大田洼鄉(xiāng)。

其土壤為北方典型的干旱半干旱貧瘠類(lèi)型。河北省懷安縣太平莊鄉(xiāng)屬高寒山區(qū)與丘陵區(qū)，耕地2 323 hm 旱地2 306 hm 旱地占比99.3%。陽(yáng)原縣大田洼鄉(xiāng)耕地1 043 hm 旱地面積705 hm 旱地占比67.6%。

2.1.3 采樣方法。按照土壤樣品采集技術(shù)規(guī)范，以懷安縣太平莊鄉(xiāng)的2塊地、陽(yáng)原縣大田洼鄉(xiāng)的2塊地共4塊地為試驗(yàn)地塊，分別在每塊地的15和30 cm深度層面上隨機(jī)抽取5個(gè)位置，在每個(gè)位置上選擇3個(gè)不同點(diǎn)，然后將15個(gè)點(diǎn)得到的土壤按相同的重量混合在一起，獲得該地塊相應(yīng)深度層面的混合土壤樣本，重量以1 kg為宜，相同樣本采集3個(gè)，每塊地2個(gè)深度得到混合土壤樣本6個(gè)，4塊地共得到24個(gè)混合土壤樣本。

2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤濕度采用烘干法測(cè)定;土壤采用電位法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用NH4Ac浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)每個(gè)地塊各深度層面處的3個(gè)土壤樣本的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，用Origin2007進(jìn)行分析和圖標(biāo)的制作。

2.4 土壤養(yǎng)分狀況

由表1～3可知，該地區(qū)屬于瘠薄型的干旱坡地土壤。調(diào)查分析的4塊坡地土壤的有機(jī)質(zhì)含量為8.00～18.03 g/kg，處于中等偏低狀態(tài)，且每個(gè)地塊有機(jī)質(zhì)含量均呈隨著土層深度增加而降低的趨勢(shì)，這是由于該地區(qū)是一年一季種植，土壤耕層淺。堿解氮含量為27.44～81.20 mg/kg，不同地塊堿解氮含量差別較大，平均處于缺乏至中等水平。速效鉀含量為72.78～99.50 mg/kg，平均含量處于中等水平，速效鉀含量隨著土壤深度增加而降低。速效磷含量在0.64～3.95 mg/kg，屬于甚缺乏。土壤pH為8.05～8.16，深度對(duì)于pH影響不大，均屬于微堿性土壤。15 cm深度處土壤濕度在8.98～18.82 g/kg，30 cm深度處土壤濕度在25.27～32.59 g/kg，墑情類(lèi)型均為重旱的干土，即這些地區(qū)為干旱半干旱貧瘠地區(qū)，河北省北部

地區(qū)基本屬于同類(lèi)型土壤。

3 土壤改良機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 干旱半干旱地區(qū)機(jī)械化改良保墑技術(shù)農(nóng)藝參數(shù)的確定

根據(jù)試驗(yàn)研究，坑深度在15 cm，深坑間距為60 cm×60 cm，土壤保墑能力最強(qiáng)[21]。河北省大多數(shù)地區(qū)均使用旋耕機(jī)耕作，耕作深度為15 cm左右，長(zhǎng)期使用旋耕機(jī)容易導(dǎo)致15 cm以下土壤板結(jié)，降低作物的抗倒伏性，根據(jù)抗倒伏試驗(yàn)，耕作深度在30 cm左右時(shí)，可以提高作物的抗倒伏性，且可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，這種旋耕機(jī)無(wú)法達(dá)到要求，僅鏵式犁或者分組立式耕耙犁可以滿(mǎn)足要求，但這種耕作機(jī)械的動(dòng)力需要大大增加，同時(shí)也降低土壤的保墑能力，因此提出了機(jī)械化土壤改良保墑的工藝參數(shù)，即在每年10月，當(dāng)農(nóng)作物均收獲完畢后，利用懸掛式土壤改良機(jī)在干旱地區(qū)鉆成間距60 cm×60 cm、深度30 cm左右、孔直徑10 cm的陣列分布（圖1）。

3.2 懸掛式土壤改良機(jī)設(shè)計(jì)思路

為有效避免氣動(dòng)助力土壤鉆孔機(jī)[20]勞動(dòng)條件差、單鉆頭效率、精度低等問(wèn)題，根據(jù)農(nóng)藝參數(shù)設(shè)計(jì)了懸掛式土壤改良機(jī)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。主要由機(jī)架、行走輪、液壓馬達(dá)、升降架、鉆坑部件、定量施肥裝置、覆土板、位置傳感控制裝置等部分組成。牽引點(diǎn)與拖拉機(jī)連接。液壓馬達(dá)、鉆坑部件安裝在升降架上，其通過(guò)機(jī)架導(dǎo)滑槽、限位塊、液壓缸與機(jī)架連接。螺旋鉆罩后方設(shè)有半圓形的定向出土口。螺旋鉆頭部設(shè)有快換鉆頭。升降架后方設(shè)有肥箱，肥箱下部裝有步進(jìn)電機(jī)控制的排肥機(jī)構(gòu)，排肥機(jī)構(gòu)下方的彎型排肥管正好位于螺旋鉆罩后方，機(jī)架最后面安裝有4個(gè)覆土板。

3.3 懸掛式土壤改良機(jī)工作原理

土壤改良機(jī)的運(yùn)動(dòng)流程見(jiàn)圖3。由22.05 kW（30PS）拖拉機(jī)（張家口地區(qū)應(yīng)用較廣）提供動(dòng)力，動(dòng)力由液壓油泵傳輸至液壓馬達(dá)和液壓缸。液壓馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)升降架及鉆坑部件垂直下行20～25 cm以形成深坑。螺旋鉆罩的出土口定向排出鉆土，坑深由位置傳感器控制。深坑形成后液壓缸驅(qū)動(dòng)鉆坑部件回程，待螺旋鉆回到指定位置時(shí)，排肥機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)精確轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定量出肥，肥料依靠重力和彎型排肥管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)落入深坑，土壤改良機(jī)移動(dòng)至下一工位的過(guò)程中覆土板帶動(dòng)少量薄土實(shí)現(xiàn)覆蓋，完成深坑定量施肥。

4? 結(jié)論

解決干旱半干旱地區(qū)土壤保水保肥問(wèn)題是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，目前世界各國(guó)均積極嘗試各種有效技術(shù)，但由于各國(guó)各地的土壤條件不同，難以形成有效的、比較統(tǒng)一的干旱地區(qū)土壤保水保肥技術(shù)，機(jī)械化土壤改良保墑技術(shù)適合于北方干旱半干旱地區(qū)，這項(xiàng)技術(shù)一是能有效解決干旱地區(qū)的儲(chǔ)水保肥，降低了雨水沖刷造成的水分養(yǎng)分流失;二是不翻動(dòng)大部分土層，減少了其他耕作機(jī)械對(duì)土壤耕層的破壞、水分的揮發(fā)和有機(jī)質(zhì)的分解;三是兼具深松的特點(diǎn)，深坑打破了犁底層，增加了土壤耕層深度，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤板結(jié)，增強(qiáng)農(nóng)作物的抗倒伏性。懸掛式土壤改良機(jī)將有效提升土壤改良的效果和效率，從而為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收提供有效的保障。

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