整地機械作業對土壤結構的影響

(松原市余字鄉綜合服務中心,吉林 松原 131411)

0 引言

我國農業生產歷史悠久,是世界上最早進行農業生產的國家之一。土壤耕作作為農業生產的第一步,主要是利用農業機械將前茬作業后的土地進行翻轉、疏松、平整、細碎等,通過改變原本的土壤結構,清理前茬殘留殘根或雜草,為后續播種作業和幼苗生長創造適合的生長環境,在農業生產中具有重要地位[1]。傳統整地方式多為鏵式犁翻轉土壤,該方法僅是翻耕表層土壤,土壤深層由于長時間的壓實,產生堅實的犁底層,影響作物吸收養分和水分,減少作物產量。因此,近些年國家大力推廣保護性耕作技術,以少耕或免耕的方式改變精耕細作的傳統生產模式,保護性耕作具有減輕土壤風蝕、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、旋耕機和聯合整地機三種。

1 整地機械國內外研究現狀

1.1 國外發展現狀

1.1.1 深松機

歐美國家對深松機研究較早,在研究過程中總結積累了很多先進的技術和成果[4]。1980年左右,為最大程度上減輕牽引作業的阻力,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的900V型深松機為代表,如圖1所示。歐美國家的深松機多數采用大馬力的拖拉機作為牽引動力,深松作業深度大、作業效率高、穩定性好。

圖1 約翰迪爾深松機

國際上的新型深松機包括側彎刀式深松機、振動深松機等。意大利的ATTILA型深松機,最大耕深45～60 cm。作業寬幅170～300 cm,搭配110.32 kW(150馬力)以上的拖拉機,在深松作業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,國外也開始了農業整地機械的研制,主要為了減少機具耕整的次數、降低能源消耗和保護土壤。比如,英國研制的一種牽引自驅式旋耕機,在機具前后配置有水平橫軸刀輥,這種旋耕機作業效率是傳統機具的兩倍,能源損耗是傳統旋耕機的1/3[6]。目前,發達國家對旋耕機的研究也逐步趨向于自動化和智能化,但因其產品價格較高,無法在我國進行大面積的推廣使用。

1.1.3 聯合整地機

20世紀30年代,國外學者開始對聯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,生產的聯合整地機械在大型化、智能化方向發展處于領先水平。例如,約翰迪爾公司生產的2623VT聯合整地機,如圖2所示,其最大工作速度為16.1 km/h,最大作業寬幅為12.4 m,在保證作業質量的同時提高了整地效率[8]。

1.2 國內發展現狀

1.2.1 深松機

國內對深松機的研究相比于國外研究較晚,但經過不斷引進和改進國外機型,國產深松機的市場占比不斷升高。例如,國內推廣使用較多的山東大華寶來W型側彎刀式深松機,該深松機使用硼鋼制造,極大延長了其使用壽命。黑龍江省農業機械工程科學研究院研究的1SL-35型桿齒式深松機,在作業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,設計了一種間隔式深松機結構,在機械入土作業后形成部分的松土區,提高了土壤的蓄水能力。

1.2.2 旋耕機

隨著農機技術的不斷創新和升級,國內旋耕機的設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,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。例如江蘇大學的高建民等[10]通過改進前人的研究成果,結合犁耕和旋耕優勢,設計斜置式旋耕機,提高耕作效果的同時降低了作業油耗。

1.2.3 聯合整地機

隨著國內的農機研究水平逐漸提高,極大地促進了聯合整地機的發展。采用先進的機械、液壓和電子技術、高效的動力傳動系統、智能控制系統和先進的傳感器技術促進了聯合整地機械的智能化水平及作業效率。此外,現代聯合整地機通常配備自動化控制系統,能夠實現自主導航、智能化作業路徑規劃和作業參數的實時調整,提高了機器的精確性和作業效率。

通過總結國內外整地機械研究現狀,不同的整地機械優勢各有不用,但是針對三種主流的整地機械作業后對土壤結構影響對比研究較少,本文通過總結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構的影響情況。

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構的條件下,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境,提高了農作物抗倒伏能力。

2.2 旋耕機

旋耕機因其刀軸結構使得旋耕機有著強大的碎土能力,并且在作業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動力,能節省部分行走消耗的能量。

2.3 聯合整地機

聯合整地機是根據傳統的整地機械發展而來,一次作業可以同時完成深松、滅茬、旋耕、平整、鎮壓等耕整地作業流程,實現一機多用的現代化農業政策要求。根據實際的作業需求,聯合整地機分為不同類型的整地機,如深松旋耕聯合整地機、滅茬深松聯合整地機等。一機多用的作業模式,可以最大程度上減少翻地、整地次數,減少土壤的風蝕、水蝕。但是,聯合整地機要求動力較大,并且聯合作業后的作業質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

本文根據三種整地機械的作業特點,深松機選用山東凱興機械有限公司生產的1S-250懸掛式深松機,主要參數如表1所示。

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

表2 1GQQN250GG型旋耕機

聯合整地機選用河北雙天機械制造有限公司生產的1SZL-250型深松整地聯合作業機,主要參數如表3所示。

表3 1SZL-250型深松整地聯合作業機

為統一試驗變量,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業大學農機試驗田進行,在試驗田內選定6個較為平整的試驗區域,每個試驗區長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—為田塊內所有采樣點的數量。

經計算得試驗田土壤平整度為10.58 cm。

以任意每30 cm×30 cm的區域內,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。

經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域進行作業,每個區域隨機選中50個30 cm×30 cm的測量區,測量該區的土壤含水率、土壤堅實度、平整度和碎土率,每個區域求平均值后在計算兩個區域的總平均值。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型深松整地聯合作業機耕深保持35 cm。

4 試驗結果

試驗結果如表4所示。分析三種整地機械作業后的試驗結果,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,且平整度明顯優于其他機械;1SZL-250型深松整地聯合作業機相比于其他兩種機械,綜合能力較強,且可實現一機多用,減少了翻耕土壤的次數。

表4 試驗結果

5 結論

本文針對不同整地機械對土壤結構影響展開研究,選用了1S-250型懸掛式深松機、1GQQN250GG型旋耕機和1SZL-250型深松整地聯合作業機作為試驗機具進行了實際的對比試驗。試驗結果表明,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,聯合作業機綜合能力較強,促進農業生產效率,間接提高作物產量。獲得不同整地機械對土壤結構的作業特點,為后續相關研究和整地機械的研制提供參考。