干旱地区悬挂式土壤保墒机械的研究与应用

牛淑卿　唐春梅　田树飞　屈振华　段汝和　范虎军

摘要：针对北方地区地理位置及气候的特点，干旱现象日渐突导致播种困难，提出了机械化土壤改良保墒技术并设计研发了悬挂式土壤改良保墒机械，该技术在每年秋收结束进行田间试验，播种前测试不同深度土壤含水量。结果表明，该技术不仅可以提高土壤的含水量，还可以改变由于长期使用旋耕机而导致的土壤板结问题，为保证农民实时播种、增加农民收入提供了必要的技术支持。

关键词：干旱地区;悬挂式;土壤保墒;机械

中图分类号：S23-0         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）18-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.029           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research and apply about soil moisture retention machinery by suspension in arid region

NIU Shu-qing，TANG Chun-mei，TIAN Shu-fei，QU Zhen-hua，DUAN Ru-he，FAN Hu-jun

（Anmail Science and Engineening Department of Hebei North College，Zhangjiakou 075131，Hebei，China）

Abstract： The soil improvement and soil moisture technology by agricultural machinery were put forward， designing and making it according to the characteristics of geographical position and climate in the north， drought phenomenon is becoming more and more serious， leading to the difficulty of sowing. Annually， soil moisture is measured before sowing， experiment showing， the technology not only can increase soil moisture but also improve the problem of soi soil hardening by using rotary cultivator in the long time. Meanwhile， it provides the necessary technical support to ensure the farmers to sow seeds and to increase the income of farmers.

Key words： arid region; suspension type; soil moisture; machinery

全球干旱半干旱地區遍及60多个国家和地区，约占陆地面积的35%。中国地域特点是北方地区由于受地理位置、大气环流、土壤和植被等因素的相互影响，干旱现象日渐突出。全年降水量的季节分布和年际变化不均衡，常以暴雨落下，水土流失严重。春季降水量小，而且蒸发量大，导致土壤大量失墒。同时随着中国城乡建设的快速扩张和人口数量的日益增加，农业有效耕地面积正逐年减少，但对农产品的需求量却逐年在增加，许多种植户过分追求产量而凭经验灌水并盲目大量施肥，耕地土壤长期处于高湿、高温、高施肥量的特殊生态环境，加上无降水淋洗措施，土地的超负荷利用而导致土壤化学、物理性质及生物性质发生突出变化。另外，在农业耕作过程中，中国北方地区基本采用旋耕机进行耕作，能够达到地表平整，省时省工，因而普及较高，但旋耕的深度往往太浅，平均不到20 cm，耕层以下土壤由于长期得不到耕作，土壤中毛细管孔隙较少，通气、透水、增温性较差，随着耕种年限的不断延长，旋耕层以下土壤出现了不同程度的板结、酸化、次生盐渍化、养分不平衡、通透性差、肥力低下等一系列严峻的生产问题，从而导致植物根系浅、降低了农产品的产量和品质，因此对土壤进行改良和保墒是迫切需要。

1  国内外土壤改良保墒技术研究进展

1.1  保湿剂改良

代表性的包括日本研制的液体通气保湿剂、陶瓷保湿剂;比利时研制的沥青乳化保湿剂;埃及制成的聚合物固沙保湿剂。

1.2  土壤结构改良剂蓄水保墒法

土壤结构改良剂蓄水保墒法就是利用高分子化合物施入土壤，改善土壤结构，以达到蓄水保墒的目的。这些高分子化合物主要包括矿物质制剂、腐殖质制剂和人工合成聚合物制剂3大类，主要由比利时研制，并应用于旱地农业中。

1.3  聚合物亲水松土剂

法国利用聚合物制成了一种亲水松土剂，能湿润和疏松土壤。该松土剂呈颗粒状，撒在土壤中（用量为每平方米100 g）后即起作用。当土壤潮湿时，颗粒吸收水分而剧烈膨胀，其体积可增大数百倍。然后逐渐释放出水分，使作物在干早时也有一定的水分可供维持生长。随着含水量逐渐减少，颗粒的体积也随之减小，空出原来占据的位置，从而使土壤疏松。

1.4  注射松土法

德国专家采用注射法来改良土壤结构，效果很好。研制成了一种专门的使用压缩空气的注射装置，向土壤中注入塑料颗粒和石灰，不仅可使土壤疏松，石灰还可中和土壤中的酸性。

1.5  覆盖保墒

20世纪40年代后，美国采用秸秆覆盖技术，不同程度上减少了蒸发，起到了保墒作用。20世纪中期，日本首次开始使用塑料薄膜于农田地面覆盖。法国、美国、意大利、前苏联等也都相继采用该技术，迄今在世界上已成为应用面积广、行之有效的节水保墒技术。20世纪80年代初，中国正式在全国各地进行试验、示范和推广覆盖技术。

1.6  施用有机肥料改良土壤

施用有机肥料使土壤中有机质含量增加，土壤通透性增加，土壤保水保肥作用增强。同时，有机物料施入土壤能显著改善土壤质地结构和理化性质，土壤孔隙度增大、土壤容重降低、土壤持水量增大、缓冲性能提高。

2  干旱地区机械化土壤保墒技术的研究

2.1  悬挂式土壤保墒机农艺设计要求

机械化土壤改良保墒技术由于深孔有效汇集雨雪，减少雨水冲刷造成的水分养分流失，不翻动大部分土层，减少耕作机械对土壤耕层的破坏，钻孔深度达300 mm以上，打破了犁底层，减少了土壤板结兼具深松的特点，有效地起到土壤保墒改良的效果。悬挂式土壤改良保墒一体机的设计恰好满足了这一需求。在干旱地块通过钻孔、定向排土等作业内容实现机械化土壤改良保墒，所以对机具设计应达到以下效果：

1）该机具通过与22.05 kW（30PS）的拖拉机牵引，作业速度70～80 m/h，作业宽幅1.8 m。

2）該机具须同时完成3个间距一定的深孔，作业深度可实现调节。

3）钻孔直径、孔深、孔间距等关键参数为钻孔直径100 mm、孔深250～330 mm、孔间距550～650 mm。

4）排土呈定向半圆形河堤状分布，且位于地势较低的一侧有利于汇集雨雪入孔。

机械土壤改良保墒技术的研究在河北省张家口地区进行试验，目前已经设计并制造了一台拖拉机悬挂式土壤改良保墒机械，申请专利3项。

2.2  悬挂式土壤保墒机械主要零部件

2.2.1  安全离合器  安全离合器如图1所示，主要用于拖拉机后输出轴与农机具之间的传动，拖拉机后输出轴只有正转，当拖拉机后悬挂的农机具需要正反转和改变传动方向时，增加万向节加减速机加换向器，但结构复杂占用空间大、换向操作极其不方便。由于农机具载荷的不可预见性，高端点的农机具都设有过载保护装置。安全离合器具有将减速器、换向器、安全离合器，三者功能集于一身的功能及特点。采用软轴操控换向，换向器操作手柄可以安装在任何司机操作方便的位置而不受空间位置的限制，司机操作手感好。农机具不工作、转移地块、检修时减速器的换向操作手柄置于空挡位置并锁死。

2.2.2  换挡操作机构  根据工作需要司机或操作工通过换挡操作机构（图2）的换挡手柄控制换挡操纵器实现正转、反转、空档3种工作状态之间的转换并锁死在任一挡位。将手柄搬动至垂直状态时，手柄在长槽内自由转动。当换挡手柄向一侧搬动并推入相应的卡槽时，在卡槽与拉紧弹簧作用下实现挡位锁死完成换挡动作。

2.2.3  换向变速组装箱体  换向变速组装箱体（图3）的作用就是改变旋转轴的空间位置、改变旋转方向、改变传动比。通过调整圆螺母，改变碟型弹簧的变形量来改变压力从而改变摩擦力。当主防过载链轮的扭矩超过摩擦力的扭矩时，主防过载链轮与摩擦片间产生滑动完成保护动作。将旋转运动传递到输出轴，当锥齿轮轴的齿轮与换向齿轮齿数相同时不变转速、少时减速、多时增速。当换挡手柄置于空挡位置时，在弹簧拉力软轴拉力共同作用下锥齿轮轴的齿轮与换向齿轮进行无啮合不传递旋转运动。当换挡手柄置于反转位置时，在弹簧拉力、软轴拉力共同作用下，换向杆顺时针旋转推动换向齿轮套向下运动带动锥齿轮轴的齿轮与上换向齿轮啮合，换向齿轮通过自身的空芯六棱轴将旋转运动传递到输出轴，完成反转动作。

2.2.4  旋转刀具  旋转刀具（图4），动力来自于拖拉机，通过机器的传动机构使得3个刀具同时做旋转运动并且保证孔距600 mm，孔的直径100 mm，且同一方向出土，由传动机构保证3个刀具同时升起与落下，该项目专利正在申请过程中。

3  悬挂式土壤保墒机械的应用

2017年10月、2018年5月中上旬在河北省张家口地区阳原县、怀安县对悬挂式土壤保墒机械进行试验，试验地块经纬度基本相同。2017年10月底没有使用悬挂式保墒机械的地块设为对照组，使用了悬挂式保墒机械的地块设为试验组，2018年5月中上旬播种前分别在这两个县试验地块提取土样，测定了试验用地的旋耕层150 mm与旋耕深度300 mm以下土壤湿度，每个地块不同位置取5个点，每个点测量3个数据，取平均值而得试验数据，试验结果如表1、表2所示。试验组土壤含水量明显得到改善，同时也改变了由于长期使用旋耕机导致耕层以下土壤板结的问题，从而提高了农作物的抗倒伏性，为农作物增产、农民增收提供了有效途径，促进了农作物高产优质。

4  小结

1）针对大部分土壤耕作机械连续作业、功率消耗大、耕层浅的现状，导致在干旱半干旱地区难以有效保留仅有的雨雪、打破犁底层，土壤出现板结，作物耕层浅等问题。本研究提出了在干旱耕地钻成的矩形阵列（600 mm×600 mm）分布的深孔（深度达300 mm），达到了最大化汇集雨雪、打破犁底层、减少土壤板结的效果。

2）创新性地设计了悬挂式土壤保墒机。机具主要由三钻头钻孔部件、钻孔部件提升机构、排土方向转换机构、机架等组成，传输不受空间限制，容易实现调整，能够满足不同土壤作业需要。

3）田间试验表明，机具作业后深孔分布均匀;排土样态破坏率低，形态和重量稳定;排土方向可根据作业方向调整有助于最大化收集雨雪，机具效率高、劳动强度低，为后续其他类型土壤保墒机械的研制提供参考。

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