苏打盐碱地改良剂喷施自润式减阻深松机的设计与试验

向美琦，姜立民，王景立

(吉林农业大学 工程技术学院，长春 130118)

0 引言

苏打盐碱地作为一种重要的土地资源，在我国分布广泛，其脆弱的生态环境特征严重制约着生态、农业和地区经济社会发展[1]。近年来，随着国家和地方的重视，对于苏打盐碱地的改良、整治和再利用在各大科研院所和科研团队的不断努力下，已经有了极大改善。但对于苏打盐碱地的机械化改良同化学改良的有效结合，尤其是机械化深松作业与改良剂的选用和撒施相结合的研究较少。本文结合实际深松作业的试验效果，试制了一种用于苏打盐碱地的改良剂喷施自润式减阻深松机，对苏打盐碱地的机械化深松作业同化学改良剂的撒施进行了有效的结合，进行苏打盐碱地的改良和整治，为其再利用提供了技术支撑和理论基础。

对于盐碱地的机械化深松作业改良，郝新宇等团队探索了利用振动深松改良苏打盐碱土的相关研究[2-3]。在改良剂的撒施上，多为利用脱硫石膏、硫酸铝等硫酸盐化合物结合农家肥等生物材料进行撒施改良苏打盐碱地[4]；但撒施过程较为粗犷，且改良深度较浅，一般为15～20cm。由此来看，研究一种以机械化作业的形式进行更深层苏打盐碱地改良的联合型作业机具显得尤为重要。

1 深松模式及关键部件的优选试验

试验地选为松嫩平原中部，拥有自然条件下的100hm2余原生苏打盐碱地草场(见图1)，该地区是最具开发潜力的盐碱土壤资源之一。试验时,在不同区域选取10处典型地块进行试验，每块田块50m×10m，分别选用不同厂家的拖拉机配套不同形式的深松机具及部件组合进行适用于苏打盐碱地改良的深松模式及关键部件的优选,如图2所示。

图1 试验地自然情况实景图

1.1 初期试验方法

经过试验、对比设置的7种不同形式的机具匹配试验作业前后土壤相关理化性状情况进行分析。其中，利用X取样法在不同作业地块选取6个小区，每区0.25m2，运用恒水头发进行了土壤水分入渗试验。由表1中可知：1号、6号和7号试验的用水量最大且土壤表面形成径流用时最长。这说明该种机具组合方式对于优化土壤水分入渗情况较好。因通过机械化深松作业进行苏打盐碱地改良过程中，需要利用较好的土壤水分入渗，降低地表水分蒸发来实现蓄水、保水和“洗盐降碱”的作用[5-6]。因此，在后期的试验数据测试中，将主要对该3种机具组合形式的试验进行测定。

图2 试验研究技术流程简图

首先，对优选的3种机具组合试验地块的地表下0～20cm土壤的pH值情况进行了测定(见图3)，经过取样、混合、过筛、融解、过滤等处理后，利用E-201-9型pH复合电极进行测试得出，7号试验的优化效果最优，优化均值为0.25个单位；其次，对优选的3种机具组合试验地块的地表下0～20cm土壤的电导率情况进行了测定，结果如表1、图4所示。

表1 分体式小麦免耕播种机试验性能结果

容器容积：13 797.16cm3。

图3 作业前后试验地土壤pH值均值变化情况

图4 作业前后试验地土壤电导率均值变化情况

1.2 试验结果

通过图表可以看出：在不同层次上，7号试验的机具组合形式对土壤电导率改善最佳，降低均值为0.41ms/cm，且苏打盐碱地的土壤含盐量与土壤电导率呈正相关[7]，可推断出经过7号试验，即“B型机架+切草刀+弧形铲配套箭型铲尖+瓶形鼠道扩充装置” 的机具组合形式土壤各项理化指标改善最佳，且能够较好地增大土壤孔隙度及一定程度阻止盐、碱向地表运移[8]，因此将针对优选的深松关键部件进行进一步优化和改进。

2 深松模式及其关键部件的优化与改进

依据初期试验的相关结论，针对其深松关键部件即深松铲及深松模式进行了系统的研究和梳理发现，仅通过机械化深松是远远不能满足苏打盐碱地改良和再利用的，而传统的化学改良方式又相对简陋和粗犷。为此，进行了一种既能满足机械化深松作业，又能够实现改良剂撒施的深松技术模式研究。

相关资料显示：化学改良途径主要是利用石膏、硫酸铝等硫酸盐与苏打盐碱地土壤进行机械或人工混拌的形式进行改良。其中，石膏改良时施用量约为20～30t/hm2；硫酸铝改良时施用量约为300kg/ hm2，改良深度一般为地表下18cm左右。

通过研究得知，硫酸铝具有极易溶于水的物理特性，且其在0℃时溶水率为31.2%，且对比看来硫酸铝改良的撒施量较低，因而提出了一种基于硫酸铝水溶液的机械化深松作业与改良剂喷施联合作业机的研制思路，并进行了相关机具的三维建模，如图5和图6所示。

图5 苏打盐碱地改良剂喷施联合作业机三维图

图5中，在传统深松机架上安装了改良剂预混液箱，并通过液体泵及导管将预混液输送至图6所示的深松铲铲炳背部的喷头上；选用的喷头为扇形喷头，其与土壤剖面的喷施夹角可调，安装数量也可依据作业地块盐碱程度适当增减。

3 硫酸铝改良剂撒适量的研究与试验

进行了硫酸铝撒施量与土壤干重比为1‰～8‰的土壤pH值变化情况的对比试验，结果表明：通过硫酸铝的撒施能有效降低土壤pH值，且在1‰～6‰时，随撒施量的增加，土壤pH值降幅逐渐增大，到6‰时达到峰值，降幅约为2个单位；随着硫酸铝的不断增加，pH值降幅开始放缓，如图7所示。因此，深松+预混液改良剂喷施联合作业机的硫酸铝撒施量应控制在土壤干重的6‰比较合理，当然，也需要针对不同的土壤盐碱程度进行变量撒施[9]。

图6 苏打盐碱地改良剂喷施联合作业机关键部件图

图7 不同改良剂施用量的土壤PH值均值变化情况

4 自润式减阻深松部件的研究与试验

通过结合现实生活中液化现象，如夏季时冷饮杯壁容易形成液化水膜及冬季时眼镜镜面形成雾膜等由于温差而形成的液化现象，将作业时的预混液改良剂进行降温处理并喷施于深松铲铲尖背面，通过土壤与预混液形成的温差，使土壤中原有水分液化，附着于深松铲铲尖正面，模拟出现实生活中的物理状态，据此进行一种自润减阻的深松铲的设计，如图8所示。

图8 自润式减阻深松铲三维建模

针对该自润式减阻深松铲的自润减阻水膜形成效果进行了相关试验。在试验地进行了土壤含水率及8月份土壤地表下20cm处温度情况测试，其平均含水率为20%,月平均土温为22℃。在室温19℃、空气相对湿度23%的条件下，模拟深松铲铲尖在作业时与土壤相接触，用7℃的水进行模拟预混液箱中已降温的液体，经液体泵加压后喷施在铲尖背部(见图9)，经3min35s的连续工作，在铲尖正面形成了密集、清晰可见的液化水滴(见图10)，自润减阻水膜形成。

因实际作业时土壤中水分较模拟试验中更为密集、温度更高，更容易形成类似于表面冷却式空气取水技术的物理现象(空气与低于其露点温度的冷表面接触时，空气中的水蒸气在冷表面冷却结露，并收集凝结水的制水方法[10-11])，所以实际作业中形成自润减阻水膜的用时更短、更连续且水膜厚度更大。

图9 自润式减阻深松铲模拟试验实景

图10 自润式减阻深松铲自润减阻水膜形成实景

5 改良剂喷施自润式减阻深松机样机制作

经过前期的各项研究和试验，进行了样机模型的试制和相关部件的调试和安装。初期将原机型进行了1∶2等比例缩小，并以两组深松铲部件为例进行了组装和试制。选用了12V半导体降温器及XH-W2140数字控温器进行预混液的温度控制，液体改良剂经流量控制器控制的液体隔膜泵加压后进行喷施。试验表明：该机型确实能够达到深松作业及改良剂喷施和自润减阻的效果。

6 结论

1)通过试验与机具的改进和优化，探索了适用于苏打盐碱地的改良剂喷施自润式减阻深松机的相关机理，进行了深松铲自润减阻水膜形成机理等模拟试验，实现了苏打盐碱地的机械化改良与化学改良的有效结合。

2)经模拟试验，确定了当硫酸铝撒施量为土壤干重的6‰时，土壤pH值优化均值为1.8个单位，为最优撒施量。

3)整合各试验情况进行了模拟样机的试制，并结合温控系统、流量调速器等部件的选配，为机具的进一步研究和试验机型的试制、推广提供理论支撑和技术保障。

4)后期，将继续进行该样机模型的优化和改进，并尝试与苏打盐碱地电导率、pH值等化学指标速测系统、自动控制系统、北斗导航系统、深松监测系统及拖拉机自动驾驶等技术进行有机组合，以寻求更高效、更准确、更集约化的苏打盐碱地精确、变量改良的自动驾驶、深松作业可监测的联合作业新模式，推动土壤盐碱化信息获取、改良及整治等技术的发展。