美国土壤印痕装置的耕地水土流失防治效果

陈文岳等

摘要：结合美国防治耕地水土流失的技术现状及研究进展，详细介绍一种土壤条件改良新方法――土壤印痕装置TerraStar。从理论上探讨该装置系统的产品特点和技术原理，并通过耕地水土流失、大豆直播栽培等对比试验加以验证。理论分析和试验结果表明：该装置与同类方法或装置相比较，具有极大的先进性和优越性，对有效保护耕地具有积极作用。

关键词：土壤印痕装置；耕地；水土流失；美国；免耕

中图分类号：S2781 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0046-03

农业是人类生存的基础，而土壤是农业生产的根本。然而，在水文气候变化加剧和人为活动日益增强的背景下，严重的土壤侵蚀使得耕地面积减少，土壤质量退化，并导致了一系列的生态和环境问题。为此，长期以来人们采用各种方法进行耕地水土流失防治。美国在1934年经历史无前例的“黑风暴”洗礼后，特别重视水土流失防治问题，制定保土法案，实行水土流失预测预报与动态监测，推广水土流失治理措施。同时，在耕地保护方面，美国尤其重视新技术新方法的应用，测土配方施肥、保护性耕作、固土剂等技术取得了良好成效。土壤印痕装置是在筑埂囤水、蓄水翻耕等传统方法的基础上改良优化而成的耕地水土流失防治新技术。多年的推广应用表明，该装置防止耕地水土流失、提高作物产量效益的作用明显。

1 土壤印痕装置的工作原理及产品特点

土壤印痕装置是美国印第安纳州塞伦市特拉康科技有限责任公司的科研专利产品（商品名为TerraStar）。TerraStar装置系统的主要部件为船头形的滚轮组合件（图1）。当该装置在外力牵引下滚过土壤表面时，会产生几何形的规则凹坑及任选的堰结构，以此来增加土壤的比表面积、增强土壤的渗透性能，达到提高土壤温度、减少水土流失的作用。该装置无论是与压碾滚轮装置及筑埂囤水方法，还是与保护性耕作技术及相关性专利产品相比较，均具有极大的先进性和优越性。

1.1 压实深层土壤面积极小

TerraStar滚轮装置的外周凸脊元件呈船头形，此设计可有效减轻滚轮对土壤表面产生的垂直压力，并能大幅度减少滚轮作业时压实的土壤面积，避免了压印法及蓄水耕作系统在凭借自身重量（或装载负荷）产生土壤凹坑的同时，易压实部分土壤表面、增加表土固结度、降低土壤渗透性的缺点。

1.2 加固表层土壤效果良好

TerraStar滚轮装置通过侧向（而非垂直）滚压表土层，可提升揉捏、引导加固土壤，并在其表面产生一系列加固的船头形凹坑（图2），改进了筑埂囤水方法采用过程中，由于土质疏松造成堤埂侧壁及土层表面的土壤微粒被冲刷沉积形成密封凹坑，影响土壤渗透的不足。

1.3 促进作物生长作用显著

TerraStar滚轮装置具有良好的保温、保水、保土、保肥性能，能够促进农作物的生长发育，尤其对促进根系生长、增强根系活性十分有利。与20世纪60年代开始盛行的免耕法相比，其虽然增加了操作成本，但却克服了后者需要使用大量除草剂、污染环境、影响土壤加热和干燥过程、妨碍种子萌发和幼苗生长的缺点。最为关键的是，少免耕法由于翻耕不够充分，会阻碍水分渗流到深层土壤及蓄水层，不能有效地防止水土流失。而TerraStar滚轮装置的最大优势在于不但能明显增加作物生长量、提高生产效益，而且能显著减少耕地水土流失。

2 土壤印痕装置的试验效果及生产应用

TerraStar滚轮装置自被发明设计以来，进行了多年多点试验。结果表明，该装置能够显著增加土壤比表面积和田间持水量，明显减少土壤养分流失量和雨水径流量，具有良好的试验效果和生产效益。墨西哥Queretaro大学Eusebio Ventura博士于2001—2005年的研究结果表明：该装置能有效减少地表径流和水土流失，明显提高土壤渗透性和土壤含水量，并可显著促进大豆种子的萌发和出苗，且雨水缺少年份的成效尤为突出。其中2002年田间试验数据表明：田块中的降雨有效利用率基本达到100%，无明显的雨水径流及土壤侵蚀现象发生，相反，雨水入渗率及残积土壤含水量分别增加约50%，20%；大豆单产增加近100%。国际知名农业试验公司——Arise Research & Discovery Inc的2006年分析结果显示：试验田块内土壤容重降低、总孔隙度增大、水溶性硝酸盐含量下降；作物的整齐度和健康度明显提升，产量和效益显著增加，其中番茄、马铃薯、玉米增产幅度分别达到12.18%，15.38%，12.29%。试验中还发现，当处理区肥料使用量减少10.00%时，作物产量、产品等级及经济效益仍均显著优于对照。

此外，2011年利用滚轮装置开展坡耕地水土流失、大豆直播栽培等对比试验，结果显示：在模拟降雨及自然降雨过程中，处理区泥沙流失量平均为4.96 g/m2，而对照区则为14.47 g/m2，同比减少65.72%；在大豆对比试验中，处理与对照的大豆产量分别为658.37 kg/667m2，602.53 kg/667m2，增幅约9.27%。

TerraStar滚轮装置还具有鲜明的产品特点和推广优势：1） 成本低廉。装置的滚轮元件由塑料或其它聚合材料一次模制而成，不但生产方便，而且成本低廉，整个装置平均售价不超过100美元。2） 构造简单。装置的基本元件为外周边呈凸脊状的中空圆轮，可被轴向对齐及组合，形成长度可调的圆柱形滚动工具（图3）。3） 用途广泛。装置的滚轮元件为中空设计，可通过阀门向空心芯部充填压缩空气、液体、凝胶填充物，以调节滚轮硬度和质量，适应多种作业条件和土壤类型。4） 操作便捷。装置可单独使用，在外力（机械、人力、畜力）牵引下完成操作，或安装于其它动力作业机械的相应位置（如拖拉机），并经优化设计组合，能够一次性完成翻耕作畦、固土播种等工作（见图4）；5） 功能复合。装置既能增加地表糙度、减缓坡面径流，又能降低土壤容重、提高土壤渗水性和抗蚀性。同时，它还可以增加土壤比表面积和有效温度，减少土壤养分流失，具有改善作物生长环境、提高作物产量的作用。

综上所述，TerraStar滚轮装置可稳固表土，又不会使土壤固结。自2007年专利授权以来，该滚轮装置在北美洲、南美洲及非洲等地得到了广泛的推广应用。

3 土壤印痕装置的推广意义及市场前景

水土流失是世界性的环境问题之一，它使土地退化、生产力下降、生态环境恶化，对人类社会可持续发展构成威胁。因此，减缓或控制水土流失一直是个世界性的课题。自1877年德国土壤学家Ewald Wollny开展土壤侵蚀研究以来，在各国学者的努力下，对土壤侵蚀基本规律的认识不断发展和深入，水土流失控制措施也不断得到完善。

TerraStar滚轮装置不仅是多种耕地土壤保护措施中最为快捷有效的方法，而且是众多防止土壤侵蚀产品中最为新颖实用的装置，既能促进作物生长、增加产量，又能减少水土流失、保护土壤环境。相信随着人们环保意识的日益提高及对现代农业生产方式认识的不断深入，TerraStar滚轮装置将具有广阔的推广应用前景。

4 结语

我国是个人口大国，人多地少，保障粮食安全是农业生产的第一要务，同时我国也是一个水资源严重短缺及水土流失最严重的国家。因此，在发展粮食生产的过程中，更需要注重节约用水和水土保持。TerraStar滚轮装置是一项节水节能、生态高效的最新专利产品，如果加以引进并在适宜地区（如北方干旱及半干旱地区）及相应农作物种类（玉米、大豆、马铃薯等）上推广应用，对我国的粮食生产及耕地保护有着积极的作用和意义。