干旱地區(qū)懸掛式土壤保墑機(jī)械的研究與應(yīng)用

牛淑卿　唐春梅　田樹飛　屈振華　段汝和　范虎軍

摘要：針對(duì)北方地區(qū)地理位置及氣候的特點(diǎn)，干旱現(xiàn)象日漸突導(dǎo)致播種困難，提出了機(jī)械化土壤改良保墑技術(shù)并設(shè)計(jì)研發(fā)了懸掛式土壤改良保墑機(jī)械，該技術(shù)在每年秋收結(jié)束進(jìn)行田間試驗(yàn)，播種前測(cè)試不同深度土壤含水量。結(jié)果表明，該技術(shù)不僅可以提高土壤的含水量，還可以改變由于長(zhǎng)期使用旋耕機(jī)而導(dǎo)致的土壤板結(jié)問題，為保證農(nóng)民實(shí)時(shí)播種、增加農(nóng)民收入提供了必要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：干旱地區(qū);懸掛式;土壤保墑;機(jī)械

中圖分類號(hào)：S23-0 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）18-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.029 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(gè)國(guó)家和地區(qū)，約占陸地面積的35%。中國(guó)地域特點(diǎn)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(yán)重。春季降水量小，而且蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土壤大量失墑。同時(shí)隨著中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)的快速擴(kuò)張和人口數(shù)量的日益增加，農(nóng)業(yè)有效耕地面積正逐年減少，但對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求量卻逐年在增加，許多種植戶過分追求產(chǎn)量而憑經(jīng)驗(yàn)灌水并盲目大量施肥，耕地土壤長(zhǎng)期處于高濕、高溫、高施肥量的特殊生態(tài)環(huán)境，加上無(wú)降水淋洗措施，土地的超負(fù)荷利用而導(dǎo)致土壤化學(xué)、物理性質(zhì)及生物性質(zhì)發(fā)生突出變化。另外，在農(nóng)業(yè)耕作過程中，中國(guó)北方地區(qū)基本采用旋耕機(jī)進(jìn)行耕作，能夠達(dá)到地表平整，省時(shí)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(zhǎng)期得不到耕作，土壤中毛細(xì)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(zhǎng)，旋耕層以下土壤出現(xiàn)了不同程度的板結(jié)、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(yán)峻的生產(chǎn)問題，從而導(dǎo)致植物根系淺、降低了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，因此對(duì)土壤進(jìn)行改良和保墑是迫切需要。

1 ?國(guó)內(nèi)外土壤改良保墑技術(shù)研究進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)改良劑蓄水保墑法

土壤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以達(dá)到蓄水保墑的目的。這些高分子化合物主要包括礦物質(zhì)制劑、腐殖質(zhì)制劑和人工合成聚合物制劑3大類，主要由比利時(shí)研制，并應(yīng)用于旱地農(nóng)業(yè)中。

1.3 ?聚合物親水松土劑

法國(guó)利用聚合物制成了一種親水松土劑，能濕潤(rùn)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(dāng)土壤潮濕時(shí)，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(shí)也有一定的水分可供維持生長(zhǎng)。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(guó)專家采用注射法來改良土壤結(jié)構(gòu)，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(jì)40年代后，美國(guó)采用秸稈覆蓋技術(shù)，不同程度上減少了蒸發(fā)，起到了保墑作用。20世紀(jì)中期，日本首次開始使用塑料薄膜于農(nóng)田地面覆蓋。法國(guó)、美國(guó)、意大利、前蘇聯(lián)等也都相繼采用該技術(shù)，迄今在世界上已成為應(yīng)用面積廣、行之有效的節(jié)水保墑技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，中國(guó)正式在全國(guó)各地進(jìn)行試驗(yàn)、示范和推廣覆蓋技術(shù)。

1.6 ?施用有機(jī)肥料改良土壤

施用有機(jī)肥料使土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤通透性增加，土壤保水保肥作用增強(qiáng)。同時(shí)，有機(jī)物料施入土壤能顯著改善土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，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(jī)械化土壤保墑技術(shù)的研究

2.1 ?懸掛式土壤保墑機(jī)農(nóng)藝設(shè)計(jì)要求

機(jī)械化土壤改良保墑技術(shù)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(dòng)大部分土層，減少耕作機(jī)械對(duì)土壤耕層的破壞，鉆孔深度達(dá)300 mm以上，打破了犁底層，減少了土壤板結(jié)兼具深松的特點(diǎn)，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(jī)的設(shè)計(jì)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(nèi)容實(shí)現(xiàn)機(jī)械化土壤改良保墑，所以對(duì)機(jī)具設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到以下效果：

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

2）該機(jī)具須同時(shí)完成3個(gè)間距一定的深孔，作業(yè)深度可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

3）鉆孔直徑、孔深、孔間距等關(guān)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(shì)較低的一側(cè)有利于匯集雨雪入孔。

機(jī)械土壤改良保墑技術(shù)的研究在河北省張家口地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)拖拉機(jī)懸掛式土壤改良保墑機(jī)械，申請(qǐng)專利3項(xiàng)。

2.2 ?懸掛式土壤保墑機(jī)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(jī)后輸出軸與農(nóng)機(jī)具之間的傳動(dòng)，拖拉機(jī)后輸出軸只有正轉(zhuǎn)，當(dāng)拖拉機(jī)后懸掛的農(nóng)機(jī)具需要正反轉(zhuǎn)和改變傳動(dòng)方向時(shí)，增加萬(wàn)向節(jié)加減速機(jī)加換向器，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜占用空間大、換向操作極其不方便。由于農(nóng)機(jī)具載荷的不可預(yù)見性，高端點(diǎn)的農(nóng)機(jī)具都設(shè)有過載保護(hù)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(diǎn)。采用軟軸操控?fù)Q向，換向器操作手柄可以安裝在任何司機(jī)操作方便的位置而不受空間位置的限制，司機(jī)操作手感好。農(nóng)機(jī)具不工作、轉(zhuǎn)移地塊、檢修時(shí)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(jī)構(gòu) ?根據(jù)工作需要司機(jī)或操作工通過換擋操作機(jī)構(gòu)（圖2）的換擋手柄控制換擋操縱器實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、空檔3種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換并鎖死在任一擋位。將手柄搬動(dòng)至垂直狀態(tài)時(shí)，手柄在長(zhǎng)槽內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)換擋手柄向一側(cè)搬動(dòng)并推入相應(yīng)的卡槽時(shí)，在卡槽與拉緊彈簧作用下實(shí)現(xiàn)擋位鎖死完成換擋動(dòng)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(zhuǎn)軸的空間位置、改變旋轉(zhuǎn)方向、改變傳動(dòng)比。通過調(diào)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(dāng)主防過載鏈輪的扭矩超過摩擦力的扭矩時(shí)，主防過載鏈輪與摩擦片間產(chǎn)生滑動(dòng)完成保護(hù)動(dòng)作。將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到輸出軸，當(dāng)錐齒輪軸的齒輪與換向齒輪齒數(shù)相同時(shí)不變轉(zhuǎn)速、少時(shí)減速、多時(shí)增速。當(dāng)換擋手柄置于空擋位置時(shí)，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(jìn)行無(wú)嚙合不傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)換擋手柄置于反轉(zhuǎn)位置時(shí)，在彈簧拉力、軟軸拉力共同作用下，換向桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)推動(dòng)換向齒輪套向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到輸出軸，完成反轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2.2.4 ?旋轉(zhuǎn)刀具 ?旋轉(zhuǎn)刀具（圖4），動(dòng)力來自于拖拉機(jī)，通過機(jī)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得3個(gè)刀具同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且保證孔距600 mm，孔的直徑100 mm，且同一方向出土，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保證3個(gè)刀具同時(shí)升起與落下，該項(xiàng)目專利正在申請(qǐng)過程中。

3 ?懸掛式土壤保墑機(jī)械的應(yīng)用

2017年10月、2018年5月中上旬在河北省張家口地區(qū)陽(yáng)原縣、懷安縣對(duì)懸掛式土壤保墑機(jī)械進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地塊經(jīng)緯度基本相同。2017年10月底沒有使用懸掛式保墑機(jī)械的地塊設(shè)為對(duì)照組，使用了懸掛式保墑機(jī)械的地塊設(shè)為試驗(yàn)組，2018年5月中上旬播種前分別在這兩個(gè)縣試驗(yàn)地塊提取土樣，測(cè)定了試驗(yàn)用地的旋耕層150 mm與旋耕深度300 mm以下土壤濕度，每個(gè)地塊不同位置取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值而得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。試驗(yàn)組土壤含水量明顯得到改善，同時(shí)也改變了由于長(zhǎng)期使用旋耕機(jī)導(dǎo)致耕層以下土壤板結(jié)的問題，從而提高了農(nóng)作物的抗倒伏性，為農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收提供了有效途徑，促進(jìn)了農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

4 ?小結(jié)

1）針對(duì)大部分土壤耕作機(jī)械連續(xù)作業(yè)、功率消耗大、耕層淺的現(xiàn)狀，導(dǎo)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(jié)，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(dá)300 mm），達(dá)到了最大化匯集雨雪、打破犁底層、減少土壤板結(jié)的效果。

2）創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了懸掛式土壤保墑機(jī)。機(jī)具主要由三鉆頭鉆孔部件、鉆孔部件提升機(jī)構(gòu)、排土方向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成，傳輸不受空間限制，容易實(shí)現(xiàn)調(diào)整，能夠滿足不同土壤作業(yè)需要。

3）田間試驗(yàn)表明，機(jī)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(diào)整有助于最大化收集雨雪，機(jī)具效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，為后續(xù)其他類型土壤保墑機(jī)械的研制提供參考。

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