干旱地區(qū)土壤養(yǎng)分調(diào)查及土壤改良機械研究

范虎軍 牛淑卿 唐春梅 田樹飛 屈振華

摘要 針對北方干旱坡地雨水存儲差、養(yǎng)分貧瘠、耕層淺、作物易倒伏等問題，通過分析國內(nèi)外土壤改良方法，以河北省干旱半干旱地區(qū)為代表，對其典型地塊的土壤養(yǎng)分進行豐缺狀況調(diào)查，提出了機械化土壤改良技術(shù)并確定了技術(shù)路線，同時設(shè)計了懸掛式土壤改良機械。

關(guān)鍵詞 干旱地區(qū);抗倒伏;機械化;土壤改良

中圖分類號 S156文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）34-0098-04

截至2015年末，全國耕地13 499.87萬hm2[1]，干旱半干旱地區(qū)的土地面積占全國土地面積的52.5%。解決干旱半干旱地區(qū)土壤保墑保肥問題已經(jīng)迫在眉睫，通過土壤養(yǎng)分及含水量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國北方地區(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，有效實現(xiàn)保墑保肥，保護生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收成為研究熱點。

1 國內(nèi)外土壤改良技術(shù)的研究進展

國內(nèi)外學(xué)者針對土壤改良技術(shù)進行了諸多研究，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。施用有機肥可增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤蓄水保墑等，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聚，形成團粒，增加土壤中水穩(wěn)性團粒的含量和穩(wěn)定性，顯著提高團聚體的質(zhì)量，降低土壤容重，增大土壤總孔隙度，改善通氣透水性，促進植物對水分和養(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]，也具有很強的吸附能力和很高的陽離子交換量，可促進土壤中養(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]通過豎井抽排水試驗，探討了天然降水條件下地下水位動態(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，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%。劉長江等[8]通過田間示范試驗，研究了不同深松深度對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，同時深松能夠促進作物根系發(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效蒸發(fā)，秸稈覆蓋能夠增加對降雨的攔蓄，促進水分就地入滲，地膜覆蓋能夠促進下層水分向上移動，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]在西班牙進行的試驗表明，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

機械深耕深松能有效解決土壤的板結(jié)。劉萬鋒[15]對鹽池縣灘灌區(qū)鹽漬化土壤3年間利用全方位深松機分別對30、40 cm土層進行2次不同深度的定位深松試驗，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)為機械深松是鹽漬化土壤改良的一項重要措施。美國Aer Way公司生產(chǎn)的AWMP-100-AG-4型草地打孔機，通過打孔齒輪形成不連續(xù)深度可達20 cm的矩形孔，可以斷裂壓實的韌土，實現(xiàn)了增加空氣和水分運動、提高肥料利用率的目的[16]。于濤[17]研究表明，應(yīng)用機械深松深耕技術(shù)可提高小麥單產(chǎn)平均可達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，粉壟機螺旋鉆頭將土壤垂直旋磨粉碎，深入激活耕層以下土壤達30～60 cm（最深可達80 cm），不改變土壤主體層次，讓土壤團顆粒細小而自然懸浮成壟，使土壤養(yǎng)分增加、保水透氣性好，實現(xiàn)作物大幅度增產(chǎn)、增效[18]。立式旋耕機較傳統(tǒng)的臥式旋耕機作業(yè)深度大，碎土能力強，沒有漏耕，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)，需要大中型拖拉機與配套的農(nóng)機具進行。

截至目前，國內(nèi)外土壤改良方法多種多樣，但機械化深坑土壤改良技術(shù)鮮見報道。

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 采樣時間。2017年4月16日。

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

其土壤為北方典型的干旱半干旱貧瘠類型。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、陽原縣大田洼鄉(xiāng)的2塊地共4塊地為試驗地塊，分別在每塊地的15和30 cm深度層面上隨機抽取5個位置，在每個位置上選擇3個不同點，然后將15個點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，每塊地2個深度得到混合土壤樣本6個，4塊地共得到24個混合土壤樣本。

2.2 測定指標(biāo)與方法

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

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行處理，對每個地塊各深度層面處的3個土壤樣本的有效試驗數(shù)據(jù)取平均值，用Origin2007進行分析和圖標(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塊坡地土壤的有機質(zhì)含量為8.00～18.03 g/kg，處于中等偏低狀態(tài)，且每個地塊有機質(zhì)含量均呈隨著土層深度增加而降低的趨勢，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)基本屬于同類型土壤。

3 土壤改良機械設(shè)計

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

根據(jù)試驗研究，坑深度在15 cm，深坑間距為60 cm×60 cm，土壤保墑能力最強[21]。河北省大多數(shù)地區(qū)均使用旋耕機耕作，耕作深度為15 cm左右，長期使用旋耕機容易導(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，耕作深度在30 cm左右時，可以提高作物的抗倒伏性，且可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，這種旋耕機無法達到要求，僅鏵式犁或者分組立式耕耙犁可以滿足要求，但這種耕作機械的動力需要大大增加，同時也降低土壤的保墑能力，因此提出了機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 懸掛式土壤改良機設(shè)計思路

為有效避免氣動助力土壤鉆孔機[20]勞動條件差、單鉆頭效率、精度低等問題，根據(jù)農(nóng)藝參數(shù)設(shè)計了懸掛式土壤改良機，結(jié)構(gòu)見圖2。主要由機架、行走輪、液壓馬達、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。牽引點與拖拉機連接。液壓馬達、鉆坑部件安裝在升降架上，其通過機架導(dǎo)滑槽、限位塊、液壓缸與機架連接。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，肥箱下部裝有步進電機控制的排肥機構(gòu)，排肥機構(gòu)下方的彎型排肥管正好位于螺旋鉆罩后方，機架最后面安裝有4個覆土板。

3.3 懸掛式土壤改良機工作原理

土壤改良機的運動流程見圖3。由22.05 kW（30PS）拖拉機（張家口地區(qū)應(yīng)用較廣）提供動力，動力由液壓油泵傳輸至液壓馬達和液壓缸。液壓馬達帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時液壓缸驅(qū)動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)動鉆坑部件回程，待螺旋鉆回到指定位置時，排肥機構(gòu)中的步進電機精確轉(zhuǎn)動實現(xiàn)定量出肥，肥料依靠重力和彎型排肥管獨特的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)落入深坑，土壤改良機移動至下一工位的過程中覆土板帶動少量薄土實現(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)土壤保水保肥問題是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，目前世界各國均積極嘗試各種有效技術(shù)，但由于各國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)，這項技術(shù)一是能有效解決干旱地區(qū)的儲水保肥，降低了雨水沖刷造成的水分養(yǎng)分流失;二是不翻動大部分土層，減少了其他耕作機械對土壤耕層的破壞、水分的揮發(fā)和有機質(zhì)的分解;三是兼具深松的特點，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)，增強農(nóng)作物的抗倒伏性。懸掛式土壤改良機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。

參考文獻

[1]本刊訊.2016中國國土資源公報發(fā)布[J].地質(zhì)裝備，2017，18（4）：3-4.

[2]BOLAN N S，ADRIANO D C，NATESAN R，et al.Effects of organic amendments on the reduction and phytoavailability of chromate in mineral soil[J].Journal of environmental quality，2003，32（1）：120-128.

[3]PAGLIAI M，VIGNOZZI N，PELLEGRINI S.Soil structure and the effect of management practices[J].Soil & tillage research，2004，79（2）：131-143.

[4]張黎明，鄧萬剛.土壤改良劑的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，11（2）：32-34.

[5]邵玉翠，張余良，李悅，等.天然礦物改良劑在微咸水灌溉土壤中應(yīng)用效果的研究[J].水土保持學(xué)報，2005，19（4）：100-103.

[6]陳義群，董元華.土壤改良劑的研究與應(yīng)用進展[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（3）：1282-1289.

[7]閆少鋒，吳玉柏，俞雙恩，等.江蘇沿海地區(qū)豎井排鹽試驗研究[J].節(jié)水灌溉，2014，2014（8）：42-44.

[8]劉長江，李取生，李秀軍.深松對蘇打鹽堿化旱田改良與利用的影響[J].土壤，2007，39（2）：306-309.

[9]許翠平，劉洪祿，車建明，等.秸稈覆蓋對冬小麥耗水特征及水分生產(chǎn)率的影響[J].灌溉排水，200 21（3）：24-27.

[10]張秋英，李發(fā)東，歐國強，等.土壤水對降水和地表覆蓋的響應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（5）：37-41.

[11]陳素英，張喜英，裴冬，等.玉米秸稈覆蓋對麥田土壤溫度和土壤蒸發(fā)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（10）：171-173.

[12]蔡太義，賈志寬，黃耀威，等.中國旱作農(nóng)區(qū)不同量秸稈覆蓋綜合效應(yīng)研究進展I.不同量秸稈覆蓋的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，201 29（5）：63-68，74.

[13]TEBRGGE F，BHRNSEN A.Farmers and experts opinion on notillage in West Europe and Nebraska（USA）[C]//GARCIATORRES L，BENITES J，MARTNEZVILELA A，et al.Conservation agriculture.Dordrecht，Netherlands：Kluwer Academic Publishers，2003.

[14]魯向暉，高鵬，王飛，等.寧夏南部山區(qū)秸稈覆蓋對春玉米水分利用及產(chǎn)量的影響[J].土壤通報，2008，39（6）：1248-1251.

[15]劉萬鋒.鹽池縣瘠薄鹽漬土壤現(xiàn)狀及機械化改良措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（3）：249，251.

[16]賀長彬，王德成，王光輝，等.天然草地機械化改良技術(shù)研究進展[J].農(nóng)機化研究，2015，37（6）：258-263.

[17]于濤.機械化深耕深松技術(shù)分析[J].農(nóng)機使用與維修，2012（5）：101-102.

[18]如一.廣西五豐機械：以粉壟技術(shù)助力中國綠色耕作革命[N].中國工業(yè)報，2017-12-05（002）.

[19]高連興，劉俊峰，鄭德聰.農(nóng)業(yè)機械化概論[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2011：102.

[20]趙義濤，姜佰文，梁云江.土壤肥料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：22 262-265，277.

[21]牛淑卿，唐春梅，屈振華，等.機械化土壤保墑技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，2015，37（1）：235-237.