干旱地區土壤養分調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、養分貧瘠、耕層淺、作物易倒伏等問題，通過分析國內外土壤改良方法，以河北省干旱半干旱地區為代表，對其典型地塊的土壤養分進行豐缺狀況調查，提出了機械化土壤改良技術并確定了技術路線，同時設計了懸掛式土壤改良機械。

關鍵詞 干旱地區;抗倒伏;機械化;土壤改良

中圖分類號 S156文獻標識碼 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]，干旱半干旱地區的土地面積占全國土地面積的52.5%。解決干旱半干旱地區土壤保墑保肥問題已經迫在眉睫，通過土壤養分及含水量的調查發現，我國北方地區干旱及養分流失更為嚴重，以河北省北部干旱較嚴重的地區為例，這些地區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，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，避免土壤養分流失，有效實現保墑保肥，保護生態環境，促進農業增產、農民增收成為研究熱點。

1 國內外土壤改良技術的研究進展

國內外學者針對土壤改良技術進行了諸多研究，主要包括土壤結構改良、鹽堿地改良、酸化土壤改良、土壤科學耕作和土壤污染治理等。

1.1 土壤結構改良

土壤結構改良是通過施用土壤改良劑改善土壤結構，提高土壤肥力。施用有機肥可增加土壤有機質，改善土壤結構，促進土壤蓄水保墑等，有利于作物產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，增加土壤中水穩性團粒的含量和穩定性，顯著提高團聚體的質量，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及土壤脫鹽規律，結果表明，豎井排水的區域土壤鹽分含量呈下降趨勢，下降幅度為52%，未設豎井排水的區域土壤表層出現返鹽現象，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量的影響，結果表明，通過深松，蘇打鹽堿土含鹽量和pH有所降低，土壤環境明顯改善，同時深松能夠促進作物根系發育，提高產量。

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業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，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。秸稈覆蓋可穩定土壤溫度，使土壤微生物數量及活性提高[9-12]。Tebrugge等[13]在西班牙進行的試驗表明，秸稈覆蓋后0～30 cm土層含水率比常規耕作提高了1%～5%。魯向暉等[14]在寧南山區進行研究，結果表明，與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋可使春玉米產量和水分利用效率分別提高了3.5%和16.5%。

1.4 土壤科學耕作

機械深耕深松能有效解決土壤的板結。劉萬鋒[15]對鹽池縣灘灌區鹽漬化土壤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公司生產的AWMP-100-AG-4型草地打孔機，通過打孔齒輪形成不連續深度可達20 cm的矩形孔，可以斷裂壓實的韌土，實現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，應用機械深松深耕技術可提高小麥單產平均可達8 250 kg/hm2左右，較傳統地塊平均增產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，使土壤養分增加、保水透氣性好，實現作物大幅度增產、增效[18]。立式旋耕機較傳統的臥式旋耕機作業深度大，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荷作業，需要大中型拖拉機與配套的農機具進行。

截至目前，國內外土壤改良方法多種多樣，但機械化深坑土壤改良技術鮮見報道。

2 北方干旱地區土壤養分狀況

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。調查地點為河北省懷安縣太平莊鄉、陽原縣大田洼鄉。

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屬高寒山區與丘陵區，耕地2 323 hm 旱地2 306 hm 旱地占比99.3%。陽原縣大田洼鄉耕地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規范，以懷安縣太平莊鄉的2塊地、陽原縣大田洼鄉的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 數據處理

利用Excel 2010對試驗數據進行處理，對每個地塊各深度層面處的3個土壤樣本的有效試驗數據取平均值，用Origin2007進行分析和圖標的制作。

2.4 土壤養分狀況

由表1～3可知，該地區屬于瘠薄型的干旱坡地土壤。調查分析的4塊坡地土壤的有機質含量為8.00～18.03 g/kg，處于中等偏低狀態，且每個地塊有機質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，即這些地區為干旱半干旱貧瘠地區，河北省北部

地區基本屬于同類型土壤。

3 土壤改良機械設計

3.1 干旱半干旱地區機械化改良保墑技術農藝參數的確定

根據試驗研究，坑深度在15 cm，深坑間距為60 cm×60 cm，土壤保墑能力最強[21]。河北省大多數地區均使用旋耕機耕作，耕作深度為15 cm左右，長期使用旋耕機容易導致15 cm以下土壤板結，降低作物的抗倒伏性，根據抗倒伏試驗，耕作深度在30 cm左右時，可以提高作物的抗倒伏性，且可以提高農作物產量，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，即在每年10月，當農作物均收獲完畢后，利用懸掛式土壤改良機在干旱地區鉆成間距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，根據農藝參數設計了懸掛式土壤改良機，結構見圖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，其通過機架導滑槽、限位塊、液壓缸與機架連接。螺旋鉆罩后方設有半圓形的定向出土口。螺旋鉆頭部設有快換鉆頭。升降架后方設有肥箱，肥箱下部裝有步進電機控制的排肥機構，排肥機構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（張家口地區應用較廣）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，同時液壓缸驅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動鉆坑部件回程，待螺旋鉆回到指定位置時，排肥機構中的步進電機精確轉動實現定量出肥，肥料依靠重力和彎型排肥管獨特的結構精準落入深坑，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覆蓋，完成深坑定量施肥。

4? 結論

解決干旱半干旱地區土壤保水保肥問題是農業生產中的關鍵技術，目前世界各國均積極嘗試各種有效技術，但由于各國各地的土壤條件不同，難以形成有效的、比較統一的干旱地區土壤保水保肥技術，機械化土壤改良保墑技術適合于北方干旱半干旱地區，這項技術一是能有效解決干旱地區的儲水保肥，降低了雨水沖刷造成的水分養分流失;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、水分的揮發和有機質的分解;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，改善土壤結構，減少土壤板結，增強農作物的抗倒伏性。懸掛式土壤改良機將有效提升土壤改良的效果和效率，從而為農業增產、農民增收提供有效的保障。

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