美國土壤印痕裝置的耕地水土流失防治效果

陳文岳等

摘要：結(jié)合美國防治耕地水土流失的技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展，詳細介紹一種土壤條件改良新方法――土壤印痕裝置TerraStar。從理論上探討該裝置系統(tǒng)的產(chǎn)品特點和技術(shù)原理，并通過耕地水土流失、大豆直播栽培等對比試驗加以驗證。理論分析和試驗結(jié)果表明：該裝置與同類方法或裝置相比較，具有極大的先進性和優(yōu)越性，對有效保護耕地具有積極作用。

關(guān)鍵詞：土壤印痕裝置；耕地；水土流失；美國；免耕

中圖分類號：S2781 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0046-03

農(nóng)業(yè)是人類生存的基礎(chǔ)，而土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本。然而，在水文氣候變化加劇和人為活動日益增強的背景下，嚴重的土壤侵蝕使得耕地面積減少，土壤質(zhì)量退化，并導致了一系列的生態(tài)和環(huán)境問題。為此，長期以來人們采用各種方法進行耕地水土流失防治。美國在1934年經(jīng)歷史無前例的“黑風暴”洗禮后，特別重視水土流失防治問題，制定保土法案，實行水土流失預測預報與動態(tài)監(jiān)測，推廣水土流失治理措施。同時，在耕地保護方面，美國尤其重視新技術(shù)新方法的應(yīng)用，測土配方施肥、保護性耕作、固土劑等技術(shù)取得了良好成效。土壤印痕裝置是在筑埂囤水、蓄水翻耕等傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上改良優(yōu)化而成的耕地水土流失防治新技術(shù)。多年的推廣應(yīng)用表明，該裝置防止耕地水土流失、提高作物產(chǎn)量效益的作用明顯。

1 土壤印痕裝置的工作原理及產(chǎn)品特點

土壤印痕裝置是美國印第安納州塞倫市特拉康科技有限責任公司的科研專利產(chǎn)品（商品名為TerraStar）。TerraStar裝置系統(tǒng)的主要部件為船頭形的滾輪組合件（圖1）。當該裝置在外力牽引下滾過土壤表面時，會產(chǎn)生幾何形的規(guī)則凹坑及任選的堰結(jié)構(gòu)，以此來增加土壤的比表面積、增強土壤的滲透性能，達到提高土壤溫度、減少水土流失的作用。該裝置無論是與壓碾滾輪裝置及筑埂囤水方法，還是與保護性耕作技術(shù)及相關(guān)性專利產(chǎn)品相比較，均具有極大的先進性和優(yōu)越性。

1.1 壓實深層土壤面積極小

TerraStar滾輪裝置的外周凸脊元件呈船頭形，此設(shè)計可有效減輕滾輪對土壤表面產(chǎn)生的垂直壓力，并能大幅度減少滾輪作業(yè)時壓實的土壤面積，避免了壓印法及蓄水耕作系統(tǒng)在憑借自身重量（或裝載負荷）產(chǎn)生土壤凹坑的同時，易壓實部分土壤表面、增加表土固結(jié)度、降低土壤滲透性的缺點。

1.2 加固表層土壤效果良好

TerraStar滾輪裝置通過側(cè)向（而非垂直）滾壓表土層，可提升揉捏、引導加固土壤，并在其表面產(chǎn)生一系列加固的船頭形凹坑（圖2），改進了筑埂囤水方法采用過程中，由于土質(zhì)疏松造成堤埂側(cè)壁及土層表面的土壤微粒被沖刷沉積形成密封凹坑，影響土壤滲透的不足。

1.3 促進作物生長作用顯著

TerraStar滾輪裝置具有良好的保溫、保水、保土、保肥性能，能夠促進農(nóng)作物的生長發(fā)育，尤其對促進根系生長、增強根系活性十分有利。與20世紀60年代開始盛行的免耕法相比，其雖然增加了操作成本，但卻克服了后者需要使用大量除草劑、污染環(huán)境、影響土壤加熱和干燥過程、妨礙種子萌發(fā)和幼苗生長的缺點。最為關(guān)鍵的是，少免耕法由于翻耕不夠充分，會阻礙水分滲流到深層土壤及蓄水層，不能有效地防止水土流失。而TerraStar滾輪裝置的最大優(yōu)勢在于不但能明顯增加作物生長量、提高生產(chǎn)效益，而且能顯著減少耕地水土流失。

2 土壤印痕裝置的試驗效果及生產(chǎn)應(yīng)用

TerraStar滾輪裝置自被發(fā)明設(shè)計以來，進行了多年多點試驗。結(jié)果表明，該裝置能夠顯著增加土壤比表面積和田間持水量，明顯減少土壤養(yǎng)分流失量和雨水徑流量，具有良好的試驗效果和生產(chǎn)效益。墨西哥Queretaro大學Eusebio Ventura博士于2001—2005年的研究結(jié)果表明：該裝置能有效減少地表徑流和水土流失，明顯提高土壤滲透性和土壤含水量，并可顯著促進大豆種子的萌發(fā)和出苗，且雨水缺少年份的成效尤為突出。其中2002年田間試驗數(shù)據(jù)表明：田塊中的降雨有效利用率基本達到100%，無明顯的雨水徑流及土壤侵蝕現(xiàn)象發(fā)生，相反，雨水入滲率及殘積土壤含水量分別增加約50%，20%；大豆單產(chǎn)增加近100%。國際知名農(nóng)業(yè)試驗公司——Arise Research & Discovery Inc的2006年分析結(jié)果顯示：試驗田塊內(nèi)土壤容重降低、總孔隙度增大、水溶性硝酸鹽含量下降；作物的整齊度和健康度明顯提升，產(chǎn)量和效益顯著增加，其中番茄、馬鈴薯、玉米增產(chǎn)幅度分別達到12.18%，15.38%，12.29%。試驗中還發(fā)現(xiàn)，當處理區(qū)肥料使用量減少10.00%時，作物產(chǎn)量、產(chǎn)品等級及經(jīng)濟效益仍均顯著優(yōu)于對照。

此外，2011年利用滾輪裝置開展坡耕地水土流失、大豆直播栽培等對比試驗，結(jié)果顯示：在模擬降雨及自然降雨過程中，處理區(qū)泥沙流失量平均為4.96 g/m2，而對照區(qū)則為14.47 g/m2，同比減少65.72%；在大豆對比試驗中，處理與對照的大豆產(chǎn)量分別為658.37 kg/667m2，602.53 kg/667m2，增幅約9.27%。

TerraStar滾輪裝置還具有鮮明的產(chǎn)品特點和推廣優(yōu)勢：1） 成本低廉。裝置的滾輪元件由塑料或其它聚合材料一次模制而成，不但生產(chǎn)方便，而且成本低廉，整個裝置平均售價不超過100美元。2） 構(gòu)造簡單。裝置的基本元件為外周邊呈凸脊狀的中空圓輪，可被軸向?qū)R及組合，形成長度可調(diào)的圓柱形滾動工具（圖3）。3） 用途廣泛。裝置的滾輪元件為中空設(shè)計，可通過閥門向空心芯部充填壓縮空氣、液體、凝膠填充物，以調(diào)節(jié)滾輪硬度和質(zhì)量，適應(yīng)多種作業(yè)條件和土壤類型。4） 操作便捷。裝置可單獨使用，在外力（機械、人力、畜力）牽引下完成操作，或安裝于其它動力作業(yè)機械的相應(yīng)位置（如拖拉機），并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計組合，能夠一次性完成翻耕作畦、固土播種等工作（見圖4）；5） 功能復合。裝置既能增加地表糙度、減緩坡面徑流，又能降低土壤容重、提高土壤滲水性和抗蝕性。同時，它還可以增加土壤比表面積和有效溫度，減少土壤養(yǎng)分流失，具有改善作物生長環(huán)境、提高作物產(chǎn)量的作用。

綜上所述，TerraStar滾輪裝置可穩(wěn)固表土，又不會使土壤固結(jié)。自2007年專利授權(quán)以來，該滾輪裝置在北美洲、南美洲及非洲等地得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

3 土壤印痕裝置的推廣意義及市場前景

水土流失是世界性的環(huán)境問題之一，它使土地退化、生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。因此，減緩或控制水土流失一直是個世界性的課題。自1877年德國土壤學家Ewald Wollny開展土壤侵蝕研究以來，在各國學者的努力下，對土壤侵蝕基本規(guī)律的認識不斷發(fā)展和深入，水土流失控制措施也不斷得到完善。

TerraStar滾輪裝置不僅是多種耕地土壤保護措施中最為快捷有效的方法，而且是眾多防止土壤侵蝕產(chǎn)品中最為新穎實用的裝置，既能促進作物生長、增加產(chǎn)量，又能減少水土流失、保護土壤環(huán)境。相信隨著人們環(huán)保意識的日益提高及對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式認識的不斷深入，TerraStar滾輪裝置將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

我國是個人口大國，人多地少，保障糧食安全是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一要務(wù)，同時我國也是一個水資源嚴重短缺及水土流失最嚴重的國家。因此，在發(fā)展糧食生產(chǎn)的過程中，更需要注重節(jié)約用水和水土保持。TerraStar滾輪裝置是一項節(jié)水節(jié)能、生態(tài)高效的最新專利產(chǎn)品，如果加以引進并在適宜地區(qū)（如北方干旱及半干旱地區(qū)）及相應(yīng)農(nóng)作物種類（玉米、大豆、馬鈴薯等）上推廣應(yīng)用，對我國的糧食生產(chǎn)及耕地保護有著積極的作用和意義。