牛淑卿　唐春梅　田樹飛　屈振華　段汝和　范虎軍

摘要：針對北方地區(qū)地理位置及氣候的特點，干旱現(xiàn)象日漸突導致播種困難，提出了機械化土壤改良保墑技術并設計研發(fā)了懸掛式土壤改良保墑機械，該技術在每年秋收結束進行田間試驗，播種前測試不同深度土壤含水量。結果表明，該技術不僅可以提高土壤的含水量，還可以改變由于長期使用旋耕機而導致的土壤板結問題，為保證農民實時播種、增加農民收入提供了必要的技術支持。

關鍵詞：干旱地區(qū);懸掛式;土壤保墑;機械

中圖分類號：S23-0 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）18-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.029 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research and apply about soil moisture retention machinery by suspension in arid region

NIU Shu-qing，TANG Chun-mei，TIAN Shu-fei，QU Zhen-hua，DUAN Ru-he，F(xiàn)AN Hu-jun

（Anmail Science and Engineening Department of Hebei North College，Zhangjiakou 075131，Hebei，China）

Abstract： The soil improvement and soil moisture technology by agricultural machinery were put forward， designing and making it according to the characteristics of geographical position and climate in the north， drought phenomenon is becoming more and more serious， leading to the difficulty of sowing. Annually， soil moisture is measured before sowing， experiment showing， the technology not only can increase soil moisture but also improve the problem of soi soil hardening by using rotary cultivator in the long time. Meanwhile， it provides the necessary technical support to ensure the farmers to sow seeds and to increase the income of farmers.

Key words： arid region; suspension type; soil moisture; machinery

全球干旱半干旱地區(qū)遍及60多個國家和地區(qū)，約占陸地面積的35%。中國地域特點是北方地區(qū)由于受地理位置、大氣環(huán)流、土壤和植被等因素的相互影響，干旱現(xiàn)象日漸突出。全年降水量的季節(jié)分布和年際變化不均衡，常以暴雨落下，水土流失嚴重。春季降水量小，而且蒸發(fā)量大，導致土壤大量失墑。同時隨著中國城鄉(xiāng)建設的快速擴張和人口數(shù)量的日益增加，農業(yè)有效耕地面積正逐年減少，但對農產品的需求量卻逐年在增加，許多種植戶過分追求產量而憑經驗灌水并盲目大量施肥，耕地土壤長期處于高濕、高溫、高施肥量的特殊生態(tài)環(huán)境，加上無降水淋洗措施，土地的超負荷利用而導致土壤化學、物理性質及生物性質發(fā)生突出變化。另外，在農業(yè)耕作過程中，中國北方地區(qū)基本采用旋耕機進行耕作，能夠達到地表平整，省時省工，因而普及較高，但旋耕的深度往往太淺，平均不到20 cm，耕層以下土壤由于長期得不到耕作，土壤中毛細管孔隙較少，通氣、透水、增溫性較差，隨著耕種年限的不斷延長，旋耕層以下土壤出現(xiàn)了不同程度的板結、酸化、次生鹽漬化、養(yǎng)分不平衡、通透性差、肥力低下等一系列嚴峻的生產問題，從而導致植物根系淺、降低了農產品的產量和品質，因此對土壤進行改良和保墑是迫切需要。

1 ?國內外土壤改良保墑技術研究進展

1.1 ?保濕劑改良

代表性的包括日本研制的液體通氣保濕劑、陶瓷保濕劑;比利時研制的瀝青乳化保濕劑;埃及制成的聚合物固沙保濕劑。

1.2 ?土壤結構改良劑蓄水保墑法

土壤結構改良劑蓄水保墑法就是利用高分子化合物施入土壤，改善土壤結構，以達到蓄水保墑的目的。這些高分子化合物主要包括礦物質制劑、腐殖質制劑和人工合成聚合物制劑3大類，主要由比利時研制，并應用于旱地農業(yè)中。

1.3 ?聚合物親水松土劑

法國利用聚合物制成了一種親水松土劑，能濕潤和疏松土壤。該松土劑呈顆粒狀，撒在土壤中（用量為每平方米100 g）后即起作用。當土壤潮濕時，顆粒吸收水分而劇烈膨脹，其體積可增大數(shù)百倍。然后逐漸釋放出水分，使作物在干早時也有一定的水分可供維持生長。隨著含水量逐漸減少，顆粒的體積也隨之減小，空出原來占據(jù)的位置，從而使土壤疏松。

1.4 ?注射松土法

德國專家采用注射法來改良土壤結構，效果很好。研制成了一種專門的使用壓縮空氣的注射裝置，向土壤中注入塑料顆粒和石灰，不僅可使土壤疏松，石灰還可中和土壤中的酸性。

1.5 ?覆蓋保墑

20世紀40年代后，美國采用秸稈覆蓋技術，不同程度上減少了蒸發(fā)，起到了保墑作用。20世紀中期，日本首次開始使用塑料薄膜于農田地面覆蓋。法國、美國、意大利、前蘇聯(lián)等也都相繼采用該技術，迄今在世界上已成為應用面積廣、行之有效的節(jié)水保墑技術。20世紀80年代初，中國正式在全國各地進行試驗、示范和推廣覆蓋技術。

1.6 ?施用有機肥料改良土壤

施用有機肥料使土壤中有機質含量增加，土壤通透性增加，土壤保水保肥作用增強。同時，有機物料施入土壤能顯著改善土壤質地結構和理化性質，土壤孔隙度增大、土壤容重降低、土壤持水量增大、緩沖性能提高。

2 ?干旱地區(qū)機械化土壤保墑技術的研究

2.1 ?懸掛式土壤保墑機農藝設計要求

機械化土壤改良保墑技術由于深孔有效匯集雨雪，減少雨水沖刷造成的水分養(yǎng)分流失，不翻動大部分土層，減少耕作機械對土壤耕層的破壞，鉆孔深度達300 mm以上，打破了犁底層，減少了土壤板結兼具深松的特點，有效地起到土壤保墑改良的效果。懸掛式土壤改良保墑一體機的設計恰好滿足了這一需求。在干旱地塊通過鉆孔、定向排土等作業(yè)內容實現(xiàn)機械化土壤改良保墑，所以對機具設計應達到以下效果：

1）該機具通過與22.05 kW（30PS）的拖拉機牽引，作業(yè)速度70～80 m/h，作業(yè)寬幅1.8 m。

2）該機具須同時完成3個間距一定的深孔，作業(yè)深度可實現(xiàn)調節(jié)。

3）鉆孔直徑、孔深、孔間距等關鍵參數(shù)為鉆孔直徑100 mm、孔深250～330 mm、孔間距550～650 mm。

4）排土呈定向半圓形河堤狀分布，且位于地勢較低的一側有利于匯集雨雪入孔。

機械土壤改良保墑技術的研究在河北省張家口地區(qū)進行試驗，目前已經設計并制造了一臺拖拉機懸掛式土壤改良保墑機械，申請專利3項。

2.2 ?懸掛式土壤保墑機械主要零部件

2.2.1 ?安全離合器 ?安全離合器如圖1所示，主要用于拖拉機后輸出軸與農機具之間的傳動，拖拉機后輸出軸只有正轉，當拖拉機后懸掛的農機具需要正反轉和改變傳動方向時，增加萬向節(jié)加減速機加換向器，但結構復雜占用空間大、換向操作極其不方便。由于農機具載荷的不可預見性，高端點的農機具都設有過載保護裝置。安全離合器具有將減速器、換向器、安全離合器，三者功能集于一身的功能及特點。采用軟軸操控換向，換向器操作手柄可以安裝在任何司機操作方便的位置而不受空間位置的限制，司機操作手感好。農機具不工作、轉移地塊、檢修時減速器的換向操作手柄置于空擋位置并鎖死。

2.2.2 ?換擋操作機構 ?根據(jù)工作需要司機或操作工通過換擋操作機構（圖2）的換擋手柄控制換擋操縱器實現(xiàn)正轉、反轉、空檔3種工作狀態(tài)之間的轉換并鎖死在任一擋位。將手柄搬動至垂直狀態(tài)時，手柄在長槽內自由轉動。當換擋手柄向一側搬動并推入相應的卡槽時，在卡槽與拉緊彈簧作用下實現(xiàn)擋位鎖死完成換擋動作。

2.2.3 ?換向變速組裝箱體 ?換向變速組裝箱體（圖3）的作用就是改變旋轉軸的空間位置、改變旋轉方向、改變傳動比。通過調整圓螺母，改變碟型彈簧的變形量來改變壓力從而改變摩擦力。當主防過載鏈輪的扭矩超過摩擦力的扭矩時，主防過載鏈輪與摩擦片間產生滑動完成保護動作。將旋轉運動傳遞到輸出軸，當錐齒輪軸的齒輪與換向齒輪齒數(shù)相同時不變轉速、少時減速、多時增速。當換擋手柄置于空擋位置時，在彈簧拉力軟軸拉力共同作用下錐齒輪軸的齒輪與換向齒輪進行無嚙合不傳遞旋轉運動。當換擋手柄置于反轉位置時，在彈簧拉力、軟軸拉力共同作用下，換向桿順時針旋轉推動換向齒輪套向下運動帶動錐齒輪軸的齒輪與上換向齒輪嚙合，換向齒輪通過自身的空芯六棱軸將旋轉運動傳遞到輸出軸，完成反轉動作。

2.2.4 ?旋轉刀具 ?旋轉刀具（圖4），動力來自于拖拉機，通過機器的傳動機構使得3個刀具同時做旋轉運動并且保證孔距600 mm，孔的直徑100 mm，且同一方向出土，由傳動機構保證3個刀具同時升起與落下，該項目專利正在申請過程中。

3 ?懸掛式土壤保墑機械的應用

2017年10月、2018年5月中上旬在河北省張家口地區(qū)陽原縣、懷安縣對懸掛式土壤保墑機械進行試驗，試驗地塊經緯度基本相同。2017年10月底沒有使用懸掛式保墑機械的地塊設為對照組，使用了懸掛式保墑機械的地塊設為試驗組，2018年5月中上旬播種前分別在這兩個縣試驗地塊提取土樣，測定了試驗用地的旋耕層150 mm與旋耕深度300 mm以下土壤濕度，每個地塊不同位置取5個點，每個點測量3個數(shù)據(jù)，取平均值而得試驗數(shù)據(jù)，試驗結果如表1、表2所示。試驗組土壤含水量明顯得到改善，同時也改變了由于長期使用旋耕機導致耕層以下土壤板結的問題，從而提高了農作物的抗倒伏性，為農作物增產、農民增收提供了有效途徑，促進了農作物高產優(yōu)質。

4 ?小結

1）針對大部分土壤耕作機械連續(xù)作業(yè)、功率消耗大、耕層淺的現(xiàn)狀，導致在干旱半干旱地區(qū)難以有效保留僅有的雨雪、打破犁底層，土壤出現(xiàn)板結，作物耕層淺等問題。本研究提出了在干旱耕地鉆成的矩形陣列（600 mm×600 mm）分布的深孔（深度達300 mm），達到了最大化匯集雨雪、打破犁底層、減少土壤板結的效果。

2）創(chuàng)新性地設計了懸掛式土壤保墑機。機具主要由三鉆頭鉆孔部件、鉆孔部件提升機構、排土方向轉換機構、機架等組成，傳輸不受空間限制，容易實現(xiàn)調整，能夠滿足不同土壤作業(yè)需要。

3）田間試驗表明，機具作業(yè)后深孔分布均勻;排土樣態(tài)破壞率低，形態(tài)和重量穩(wěn)定;排土方向可根據(jù)作業(yè)方向調整有助于最大化收集雨雪，機具效率高、勞動強度低，為后續(xù)其他類型土壤保墑機械的研制提供參考。

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