整地機械作業(yè)對土壤結(jié)構(gòu)的影響

(松原市余字鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心,吉林 松原 131411)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久,是世界上最早進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家之一。土壤耕作作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一步,主要是利用農(nóng)業(yè)機械將前茬作業(yè)后的土地進行翻轉(zhuǎn)、疏松、平整、細碎等,通過改變原本的土壤結(jié)構(gòu),清理前茬殘留殘根或雜草,為后續(xù)播種作業(yè)和幼苗生長創(chuàng)造適合的生長環(huán)境,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位[1]。傳統(tǒng)整地方式多為鏵式犁翻轉(zhuǎn)土壤,該方法僅是翻耕表層土壤,土壤深層由于長時間的壓實,產(chǎn)生堅實的犁底層,影響作物吸收養(yǎng)分和水分,減少作物產(chǎn)量。因此,近些年國家大力推廣保護性耕作技術(shù),以少耕或免耕的方式改變精耕細作的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式,保護性耕作具有減輕土壤風(fēng)蝕、水蝕,提高土壤蓄水保墑的能力[2-3]。目前,保護性耕作整地機械主要分為深松機、旋耕機和聯(lián)合整地機三種。

1 整地機械國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 深松機

歐美國家對深松機研究較早,在研究過程中總結(jié)積累了很多先進的技術(shù)和成果[4]。1980年左右,為最大程度上減輕牽引作業(yè)的阻力,美國、德國、日本等國家相繼研究出振動式深松機。隨著對深松機的深入研究,以約翰迪爾公司生產(chǎn)的900V型深松機為代表,如圖1所示。歐美國家的深松機多數(shù)采用大馬力的拖拉機作為牽引動力,深松作業(yè)深度大、作業(yè)效率高、穩(wěn)定性好。

圖1 約翰迪爾深松機

國際上的新型深松機包括側(cè)彎刀式深松機、振動深松機等。意大利的ATTILA型深松機,最大耕深45～60 cm。作業(yè)寬幅170～300 cm,搭配110.32 kW(150馬力)以上的拖拉機,在深松作業(yè)時可一次性打破犁底層,最大程度上改變土壤的疏松性能[5]。

1.1.2 旋耕機

隨著對耕整地和保護性耕作意識的增強,國外也開始了農(nóng)業(yè)整地機械的研制,主要為了減少機具耕整的次數(shù)、降低能源消耗和保護土壤。比如,英國研制的一種牽引自驅(qū)式旋耕機,在機具前后配置有水平橫軸刀輥,這種旋耕機作業(yè)效率是傳統(tǒng)機具的兩倍,能源損耗是傳統(tǒng)旋耕機的1/3[6]。目前,發(fā)達國家對旋耕機的研究也逐步趨向于自動化和智能化,但因其產(chǎn)品價格較高,無法在我國進行大面積的推廣使用。

1.1.3 聯(lián)合整地機

20世紀30年代,國外學(xué)者開始對聯(lián)合整地機械進行研究[7]。隨著研究的不斷深入,以約翰迪爾、雷肯、貝松等公司為代表,生產(chǎn)的聯(lián)合整地機械在大型化、智能化方向發(fā)展處于領(lǐng)先水平。例如,約翰迪爾公司生產(chǎn)的2623VT聯(lián)合整地機,如圖2所示,其最大工作速度為16.1 km/h,最大作業(yè)寬幅為12.4 m,在保證作業(yè)質(zhì)量的同時提高了整地效率[8]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 深松機

國內(nèi)對深松機的研究相比于國外研究較晚,但經(jīng)過不斷引進和改進國外機型,國產(chǎn)深松機的市場占比不斷升高。例如,國內(nèi)推廣使用較多的山東大華寶來W型側(cè)彎刀式深松機,該深松機使用硼鋼制造,極大延長了其使用壽命。黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院研究的1SL-35型桿齒式深松機,在作業(yè)過程中深松鏟更易入土。王振卿[9]研究了一款1SY-180型深松機,設(shè)計了一種間隔式深松機結(jié)構(gòu),在機械入土作業(yè)后形成部分的松土區(qū),提高了土壤的蓄水能力。

1.2.2 旋耕機

隨著農(nóng)機技術(shù)的不斷創(chuàng)新和升級,國內(nèi)旋耕機的設(shè)計和性能有了顯著提高,普遍采用先進的機械、液壓和電子控制技術(shù),提高了旋耕機的操作效率和精度,能夠滿足不同作物的種植需求。例如江蘇大學(xué)的高建民等[10]通過改進前人的研究成果,結(jié)合犁耕和旋耕優(yōu)勢,設(shè)計斜置式旋耕機,提高耕作效果的同時降低了作業(yè)油耗。

1.2.3 聯(lián)合整地機

隨著國內(nèi)的農(nóng)機研究水平逐漸提高,極大地促進了聯(lián)合整地機的發(fā)展。采用先進的機械、液壓和電子技術(shù)、高效的動力傳動系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和先進的傳感器技術(shù)促進了聯(lián)合整地機械的智能化水平及作業(yè)效率。此外,現(xiàn)代聯(lián)合整地機通常配備自動化控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、智能化作業(yè)路徑規(guī)劃和作業(yè)參數(shù)的實時調(diào)整,提高了機器的精確性和作業(yè)效率。

通過總結(jié)國內(nèi)外整地機械研究現(xiàn)狀,不同的整地機械優(yōu)勢各有不用,但是針對三種主流的整地機械作業(yè)后對土壤結(jié)構(gòu)影響對比研究較少,本文通過總結(jié)不同的整地機械特點,并對其分別進行實地試驗,對比不同的整地機械對土壤結(jié)構(gòu)的影響情況。

2 機具特點

2.1 深松機

保護性耕地機械中的深松機主要是利用深松機在不翻土、不大面積破壞原有土壤結(jié)構(gòu)的條件下,通過深松鏟的碎土、松土能力打碎堅實的犁底層,提高土壤的蓄水能力,促進作物根系向下生長,為作物生長提供合適的土壤環(huán)境,提高了農(nóng)作物抗倒伏能力。

2.2 旋耕機

旋耕機因其刀軸結(jié)構(gòu)使得旋耕機有著強大的碎土能力,并且在作業(yè)后的地塊平整度方面能達到一定標準,旋耕機相比于其他的整地機械入土行程較小。因此,作業(yè)效率高,并且能源消耗較少,臥式的旋耕機在一定程度上有向前的驅(qū)動力,能節(jié)省部分行走消耗的能量。

2.3 聯(lián)合整地機

聯(lián)合整地機是根據(jù)傳統(tǒng)的整地機械發(fā)展而來,一次作業(yè)可以同時完成深松、滅茬、旋耕、平整、鎮(zhèn)壓等耕整地作業(yè)流程,實現(xiàn)一機多用的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)政策要求。根據(jù)實際的作業(yè)需求,聯(lián)合整地機分為不同類型的整地機,如深松旋耕聯(lián)合整地機、滅茬深松聯(lián)合整地機等。一機多用的作業(yè)模式,可以最大程度上減少翻地、整地次數(shù),減少土壤的風(fēng)蝕、水蝕。但是,聯(lián)合整地機要求動力較大,并且聯(lián)合作業(yè)后的作業(yè)質(zhì)量相對于單種整地機械略差。

3 試驗方案

3.1 機具選擇與試驗場地

本文根據(jù)三種整地機械的作業(yè)特點,深松機選用山東凱興機械有限公司生產(chǎn)的1S-250懸掛式深松機,主要參數(shù)如表1所示。

旋耕機選用一拖(洛陽)中成機械有限公司生產(chǎn)的1GQQN250GG型旋耕機,主要參數(shù)如表2所示。

表2 1GQQN250GG型旋耕機

聯(lián)合整地機選用河北雙天機械制造有限公司生產(chǎn)的1SZL-250型深松整地聯(lián)合作業(yè)機,主要參數(shù)如表3所示。

表3 1SZL-250型深松整地聯(lián)合作業(yè)機

為統(tǒng)一試驗變量,選用東方紅LX1104型拖拉機作為動力機車。試驗地點選在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機試驗田進行,在試驗田內(nèi)選定6個較為平整的試驗區(qū)域,每個試驗區(qū)長40 m。試驗田前茬作物為玉米,土壤含水率為12.83%;土壤堅實度為1 315.4 kPa;采用田間土壤相對高程標準偏差Sd分析平整度,計算公式如式(1)所示。

(1)

式中Sd—為平整度,cm;

hi—為田間的第i個采樣點的相對高程,cm;

h—為該田間相對期望高程,cm;

e—為田塊內(nèi)所有采樣點的數(shù)量。

經(jīng)計算得試驗田土壤平整度為10.58 cm。

以任意每30 cm×30 cm的區(qū)域內(nèi),隨機挑選20個土塊,土塊最長邊小于10 cm的土塊占比表示碎土率,計算公式如式(2)

(2)

式中w—為碎土率%;

u—為土塊最長邊小于10 cm的土塊個數(shù)。

經(jīng)計算得試驗田碎土率為40%。

3.2 試驗方法

使用一種整地機械在隨機兩個試驗區(qū)域進行作業(yè),每個區(qū)域隨機選中50個30 cm×30 cm的測量區(qū),測量該區(qū)的土壤含水率、土壤堅實度、平整度和碎土率,每個區(qū)域求平均值后在計算兩個區(qū)域的總平均值。使用1S-250型懸掛式深松機耕深保持35 cm;使用1GQQN250GG型旋耕機耕深保持14 cm;使用1SZL-250型深松整地聯(lián)合作業(yè)機耕深保持35 cm。

4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表4所示。分析三種整地機械作業(yè)后的試驗結(jié)果,1S-250型懸掛式深松機相比于其他兩種機械,對土壤的疏松能力較強,能促使農(nóng)作物向下生根;1GQQN250GG型旋耕機相比于其他兩種機械,對土壤的碎土能力較強,且平整度明顯優(yōu)于其他機械;1SZL-250型深松整地聯(lián)合作業(yè)機相比于其他兩種機械,綜合能力較強,且可實現(xiàn)一機多用,減少了翻耕土壤的次數(shù)。

表4 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對不同整地機械對土壤結(jié)構(gòu)影響展開研究,選用了1S-250型懸掛式深松機、1GQQN250GG型旋耕機和1SZL-250型深松整地聯(lián)合作業(yè)機作為試驗機具進行了實際的對比試驗。試驗結(jié)果表明,深松機對土壤的疏松能力較好,旋耕機的碎土能力較好且能保證一定的土壤平整水平,聯(lián)合作業(yè)機綜合能力較強,促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,間接提高作物產(chǎn)量。獲得不同整地機械對土壤結(jié)構(gòu)的作業(yè)特點,為后續(xù)相關(guān)研究和整地機械的研制提供參考。