蘇打鹽堿地改良劑噴施自潤(rùn)式減阻深松機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

向美琦，姜立民，王景立

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

蘇打鹽堿地作為一種重要的土地資源，在我國(guó)分布廣泛，其脆弱的生態(tài)環(huán)境特征嚴(yán)重制約著生態(tài)、農(nóng)業(yè)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家和地方的重視，對(duì)于蘇打鹽堿地的改良、整治和再利用在各大科研院所和科研團(tuán)隊(duì)的不斷努力下，已經(jīng)有了極大改善。但對(duì)于蘇打鹽堿地的機(jī)械化改良同化學(xué)改良的有效結(jié)合，尤其是機(jī)械化深松作業(yè)與改良劑的選用和撒施相結(jié)合的研究較少。本文結(jié)合實(shí)際深松作業(yè)的試驗(yàn)效果，試制了一種用于蘇打鹽堿地的改良劑噴施自潤(rùn)式減阻深松機(jī)，對(duì)蘇打鹽堿地的機(jī)械化深松作業(yè)同化學(xué)改良劑的撒施進(jìn)行了有效的結(jié)合，進(jìn)行蘇打鹽堿地的改良和整治，為其再利用提供了技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)。

對(duì)于鹽堿地的機(jī)械化深松作業(yè)改良，郝新宇等團(tuán)隊(duì)探索了利用振動(dòng)深松改良蘇打鹽堿土的相關(guān)研究[2-3]。在改良劑的撒施上，多為利用脫硫石膏、硫酸鋁等硫酸鹽化合物結(jié)合農(nóng)家肥等生物材料進(jìn)行撒施改良蘇打鹽堿地[4]；但撒施過(guò)程較為粗獷，且改良深度較淺，一般為15～20cm。由此來(lái)看，研究一種以機(jī)械化作業(yè)的形式進(jìn)行更深層蘇打鹽堿地改良的聯(lián)合型作業(yè)機(jī)具顯得尤為重要。

1 深松模式及關(guān)鍵部件的優(yōu)選試驗(yàn)

試驗(yàn)地選為松嫩平原中部，擁有自然條件下的100hm2余原生蘇打鹽堿地草場(chǎng)(見(jiàn)圖1)，該地區(qū)是最具開(kāi)發(fā)潛力的鹽堿土壤資源之一。試驗(yàn)時(shí),在不同區(qū)域選取10處典型地塊進(jìn)行試驗(yàn)，每塊田塊50m×10m，分別選用不同廠家的拖拉機(jī)配套不同形式的深松機(jī)具及部件組合進(jìn)行適用于蘇打鹽堿地改良的深松模式及關(guān)鍵部件的優(yōu)選,如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)地自然情況實(shí)景圖

1.1 初期試驗(yàn)方法

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、對(duì)比設(shè)置的7種不同形式的機(jī)具匹配試驗(yàn)作業(yè)前后土壤相關(guān)理化性狀情況進(jìn)行分析。其中，利用X取樣法在不同作業(yè)地塊選取6個(gè)小區(qū)，每區(qū)0.25m2，運(yùn)用恒水頭發(fā)進(jìn)行了土壤水分入滲試驗(yàn)。由表1中可知：1號(hào)、6號(hào)和7號(hào)試驗(yàn)的用水量最大且土壤表面形成徑流用時(shí)最長(zhǎng)。這說(shuō)明該種機(jī)具組合方式對(duì)于優(yōu)化土壤水分入滲情況較好。因通過(guò)機(jī)械化深松作業(yè)進(jìn)行蘇打鹽堿地改良過(guò)程中，需要利用較好的土壤水分入滲，降低地表水分蒸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄水、保水和“洗鹽降堿”的作用[5-6]。因此，在后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試中，將主要對(duì)該3種機(jī)具組合形式的試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。

圖2 試驗(yàn)研究技術(shù)流程簡(jiǎn)圖

首先，對(duì)優(yōu)選的3種機(jī)具組合試驗(yàn)地塊的地表下0～20cm土壤的pH值情況進(jìn)行了測(cè)定(見(jiàn)圖3)，經(jīng)過(guò)取樣、混合、過(guò)篩、融解、過(guò)濾等處理后，利用E-201-9型pH復(fù)合電極進(jìn)行測(cè)試得出，7號(hào)試驗(yàn)的優(yōu)化效果最優(yōu)，優(yōu)化均值為0.25個(gè)單位；其次，對(duì)優(yōu)選的3種機(jī)具組合試驗(yàn)地塊的地表下0～20cm土壤的電導(dǎo)率情況進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表1、圖4所示。

表1 分體式小麥免耕播種機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

容器容積：13 797.16cm3。

圖3 作業(yè)前后試驗(yàn)地土壤pH值均值變化情況

圖4 作業(yè)前后試驗(yàn)地土壤電導(dǎo)率均值變化情況

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)圖表可以看出：在不同層次上，7號(hào)試驗(yàn)的機(jī)具組合形式對(duì)土壤電導(dǎo)率改善最佳，降低均值為0.41ms/cm，且蘇打鹽堿地的土壤含鹽量與土壤電導(dǎo)率呈正相關(guān)[7]，可推斷出經(jīng)過(guò)7號(hào)試驗(yàn)，即“B型機(jī)架+切草刀+弧形鏟配套箭型鏟尖+瓶形鼠道擴(kuò)充裝置” 的機(jī)具組合形式土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)改善最佳，且能夠較好地增大土壤孔隙度及一定程度阻止鹽、堿向地表運(yùn)移[8]，因此將針對(duì)優(yōu)選的深松關(guān)鍵部件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

2 深松模式及其關(guān)鍵部件的優(yōu)化與改進(jìn)

依據(jù)初期試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論，針對(duì)其深松關(guān)鍵部件即深松鏟及深松模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和梳理發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)機(jī)械化深松是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足蘇打鹽堿地改良和再利用的，而傳統(tǒng)的化學(xué)改良方式又相對(duì)簡(jiǎn)陋和粗獷。為此，進(jìn)行了一種既能滿(mǎn)足機(jī)械化深松作業(yè)，又能夠?qū)崿F(xiàn)改良劑撒施的深松技術(shù)模式研究。

相關(guān)資料顯示：化學(xué)改良途徑主要是利用石膏、硫酸鋁等硫酸鹽與蘇打鹽堿地土壤進(jìn)行機(jī)械或人工混拌的形式進(jìn)行改良。其中，石膏改良時(shí)施用量約為20～30t/hm2；硫酸鋁改良時(shí)施用量約為300kg/ hm2，改良深度一般為地表下18cm左右。

通過(guò)研究得知，硫酸鋁具有極易溶于水的物理特性，且其在0℃時(shí)溶水率為31.2%，且對(duì)比看來(lái)硫酸鋁改良的撒施量較低，因而提出了一種基于硫酸鋁水溶液的機(jī)械化深松作業(yè)與改良劑噴施聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制思路，并進(jìn)行了相關(guān)機(jī)具的三維建模，如圖5和圖6所示。

圖5 蘇打鹽堿地改良劑噴施聯(lián)合作業(yè)機(jī)三維圖

圖5中，在傳統(tǒng)深松機(jī)架上安裝了改良劑預(yù)混液箱，并通過(guò)液體泵及導(dǎo)管將預(yù)混液輸送至圖6所示的深松鏟鏟炳背部的噴頭上；選用的噴頭為扇形噴頭，其與土壤剖面的噴施夾角可調(diào)，安裝數(shù)量也可依據(jù)作業(yè)地塊鹽堿程度適當(dāng)增減。

3 硫酸鋁改良劑撒適量的研究與試驗(yàn)

進(jìn)行了硫酸鋁撒施量與土壤干重比為1‰～8‰的土壤pH值變化情況的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：通過(guò)硫酸鋁的撒施能有效降低土壤pH值，且在1‰～6‰時(shí)，隨撒施量的增加，土壤pH值降幅逐漸增大，到6‰時(shí)達(dá)到峰值，降幅約為2個(gè)單位；隨著硫酸鋁的不斷增加，pH值降幅開(kāi)始放緩，如圖7所示。因此，深松+預(yù)混液改良劑噴施聯(lián)合作業(yè)機(jī)的硫酸鋁撒施量應(yīng)控制在土壤干重的6‰比較合理，當(dāng)然，也需要針對(duì)不同的土壤鹽堿程度進(jìn)行變量撒施[9]。

圖6 蘇打鹽堿地改良劑噴施聯(lián)合作業(yè)機(jī)關(guān)鍵部件圖

圖7 不同改良劑施用量的土壤PH值均值變化情況

4 自潤(rùn)式減阻深松部件的研究與試驗(yàn)

通過(guò)結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中液化現(xiàn)象，如夏季時(shí)冷飲杯壁容易形成液化水膜及冬季時(shí)眼鏡鏡面形成霧膜等由于溫差而形成的液化現(xiàn)象，將作業(yè)時(shí)的預(yù)混液改良劑進(jìn)行降溫處理并噴施于深松鏟鏟尖背面，通過(guò)土壤與預(yù)混液形成的溫差，使土壤中原有水分液化，附著于深松鏟鏟尖正面，模擬出現(xiàn)實(shí)生活中的物理狀態(tài)，據(jù)此進(jìn)行一種自潤(rùn)減阻的深松鏟的設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8 自潤(rùn)式減阻深松鏟三維建模

針對(duì)該自潤(rùn)式減阻深松鏟的自潤(rùn)減阻水膜形成效果進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)地進(jìn)行了土壤含水率及8月份土壤地表下20cm處溫度情況測(cè)試，其平均含水率為20%,月平均土溫為22℃。在室溫19℃、空氣相對(duì)濕度23%的條件下，模擬深松鏟鏟尖在作業(yè)時(shí)與土壤相接觸，用7℃的水進(jìn)行模擬預(yù)混液箱中已降溫的液體，經(jīng)液體泵加壓后噴施在鏟尖背部(見(jiàn)圖9)，經(jīng)3min35s的連續(xù)工作，在鏟尖正面形成了密集、清晰可見(jiàn)的液化水滴(見(jiàn)圖10)，自潤(rùn)減阻水膜形成。

因?qū)嶋H作業(yè)時(shí)土壤中水分較模擬試驗(yàn)中更為密集、溫度更高，更容易形成類(lèi)似于表面冷卻式空氣取水技術(shù)的物理現(xiàn)象(空氣與低于其露點(diǎn)溫度的冷表面接觸時(shí)，空氣中的水蒸氣在冷表面冷卻結(jié)露，并收集凝結(jié)水的制水方法[10-11])，所以實(shí)際作業(yè)中形成自潤(rùn)減阻水膜的用時(shí)更短、更連續(xù)且水膜厚度更大。

圖9 自潤(rùn)式減阻深松鏟模擬試驗(yàn)實(shí)景

圖10 自潤(rùn)式減阻深松鏟自潤(rùn)減阻水膜形成實(shí)景

5 改良劑噴施自潤(rùn)式減阻深松機(jī)樣機(jī)制作

經(jīng)過(guò)前期的各項(xiàng)研究和試驗(yàn)，進(jìn)行了樣機(jī)模型的試制和相關(guān)部件的調(diào)試和安裝。初期將原機(jī)型進(jìn)行了1∶2等比例縮小，并以?xún)山M深松鏟部件為例進(jìn)行了組裝和試制。選用了12V半導(dǎo)體降溫器及XH-W2140數(shù)字控溫器進(jìn)行預(yù)混液的溫度控制，液體改良劑經(jīng)流量控制器控制的液體隔膜泵加壓后進(jìn)行噴施。試驗(yàn)表明：該機(jī)型確實(shí)能夠達(dá)到深松作業(yè)及改良劑噴施和自潤(rùn)減阻的效果。

6 結(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)與機(jī)具的改進(jìn)和優(yōu)化，探索了適用于蘇打鹽堿地的改良劑噴施自潤(rùn)式減阻深松機(jī)的相關(guān)機(jī)理，進(jìn)行了深松鏟自潤(rùn)減阻水膜形成機(jī)理等模擬試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了蘇打鹽堿地的機(jī)械化改良與化學(xué)改良的有效結(jié)合。

2)經(jīng)模擬試驗(yàn)，確定了當(dāng)硫酸鋁撒施量為土壤干重的6‰時(shí)，土壤pH值優(yōu)化均值為1.8個(gè)單位，為最優(yōu)撒施量。

3)整合各試驗(yàn)情況進(jìn)行了模擬樣機(jī)的試制，并結(jié)合溫控系統(tǒng)、流量調(diào)速器等部件的選配，為機(jī)具的進(jìn)一步研究和試驗(yàn)機(jī)型的試制、推廣提供理論支撐和技術(shù)保障。

4)后期，將繼續(xù)進(jìn)行該樣機(jī)模型的優(yōu)化和改進(jìn)，并嘗試與蘇打鹽堿地電導(dǎo)率、pH值等化學(xué)指標(biāo)速測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、深松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，以尋求更高效、更準(zhǔn)確、更集約化的蘇打鹽堿地精確、變量改良的自動(dòng)駕駛、深松作業(yè)可監(jiān)測(cè)的聯(lián)合作業(yè)新模式，推動(dòng)土壤鹽堿化信息獲取、改良及整治等技術(shù)的發(fā)展。