整地机械作业对土壤结构的影响

(松原市余字乡综合服务中心,吉林 松原 131411)

0 引言

我国农业生产历史悠久,是世界上最早进行农业生产的国家之一。土壤耕作作为农业生产的第一步,主要是利用农业机械将前茬作业后的土地进行翻转、疏松、平整、细碎等,通过改变原本的土壤结构,清理前茬残留残根或杂草,为后续播种作业和幼苗生长创造适合的生长环境,在农业生产中具有重要地位[1]。传统整地方式多为铧式犁翻转土壤,该方法仅是翻耕表层土壤,土壤深层由于长时间的压实,产生坚实的犁底层,影响作物吸收养分和水分,减少作物产量。因此,近些年国家大力推广保护性耕作技术,以少耕或免耕的方式改变精耕细作的传统生产模式,保护性耕作具有减轻土壤风蚀、水蚀,提高土壤蓄水保墒的能力[2-3]。目前,保护性耕作整地机械主要分为深松机、旋耕机和联合整地机三种。

1 整地机械国内外研究现状

1.1 国外发展现状

1.1.1 深松机

欧美国家对深松机研究较早,在研究过程中总结积累了很多先进的技术和成果[4]。1980年左右,为最大程度上减轻牵引作业的阻力,美国、德国、日本等国家相继研究出振动式深松机。随着对深松机的深入研究,以约翰迪尔公司生产的900V型深松机为代表,如图1所示。欧美国家的深松机多数采用大马力的拖拉机作为牵引动力,深松作业深度大、作业效率高、稳定性好。

图1 约翰迪尔深松机

国际上的新型深松机包括侧弯刀式深松机、振动深松机等。意大利的ATTILA型深松机,最大耕深45～60 cm。作业宽幅170～300 cm,搭配110.32 kW(150马力)以上的拖拉机,在深松作业时可一次性打破犁底层,最大程度上改变土壤的疏松性能[5]。

1.1.2 旋耕机

随着对耕整地和保护性耕作意识的增强,国外也开始了农业整地机械的研制,主要为了减少机具耕整的次数、降低能源消耗和保护土壤。比如,英国研制的一种牵引自驱式旋耕机,在机具前后配置有水平横轴刀辊,这种旋耕机作业效率是传统机具的两倍,能源损耗是传统旋耕机的1/3[6]。目前,发达国家对旋耕机的研究也逐步趋向于自动化和智能化,但因其产品价格较高,无法在我国进行大面积的推广使用。

1.1.3 联合整地机

20世纪30年代,国外学者开始对联合整地机械进行研究[7]。随着研究的不断深入,以约翰迪尔、雷肯、贝松等公司为代表,生产的联合整地机械在大型化、智能化方向发展处于领先水平。例如,约翰迪尔公司生产的2623VT联合整地机,如图2所示,其最大工作速度为16.1 km/h,最大作业宽幅为12.4 m,在保证作业质量的同时提高了整地效率[8]。

1.2 国内发展现状

1.2.1 深松机

国内对深松机的研究相比于国外研究较晚,但经过不断引进和改进国外机型,国产深松机的市场占比不断升高。例如,国内推广使用较多的山东大华宝来W型侧弯刀式深松机,该深松机使用硼钢制造,极大延长了其使用寿命。黑龙江省农业机械工程科学研究院研究的1SL-35型杆齿式深松机,在作业过程中深松铲更易入土。王振卿[9]研究了一款1SY-180型深松机,设计了一种间隔式深松机结构,在机械入土作业后形成部分的松土区,提高了土壤的蓄水能力。

1.2.2 旋耕机

随着农机技术的不断创新和升级,国内旋耕机的设计和性能有了显著提高,普遍采用先进的机械、液压和电子控制技术,提高了旋耕机的操作效率和精度,能够满足不同作物的种植需求。例如江苏大学的高建民等[10]通过改进前人的研究成果,结合犁耕和旋耕优势,设计斜置式旋耕机,提高耕作效果的同时降低了作业油耗。

1.2.3 联合整地机

随着国内的农机研究水平逐渐提高,极大地促进了联合整地机的发展。采用先进的机械、液压和电子技术、高效的动力传动系统、智能控制系统和先进的传感器技术促进了联合整地机械的智能化水平及作业效率。此外,现代联合整地机通常配备自动化控制系统,能够实现自主导航、智能化作业路径规划和作业参数的实时调整,提高了机器的精确性和作业效率。

通过总结国内外整地机械研究现状,不同的整地机械优势各有不用,但是针对三种主流的整地机械作业后对土壤结构影响对比研究较少,本文通过总结不同的整地机械特点,并对其分别进行实地试验,对比不同的整地机械对土壤结构的影响情况。

2 机具特点

2.1 深松机

保护性耕地机械中的深松机主要是利用深松机在不翻土、不大面积破坏原有土壤结构的条件下,通过深松铲的碎土、松土能力打碎坚实的犁底层,提高土壤的蓄水能力,促进作物根系向下生长,为作物生长提供合适的土壤环境,提高了农作物抗倒伏能力。

2.2 旋耕机

旋耕机因其刀轴结构使得旋耕机有着强大的碎土能力,并且在作业后的地块平整度方面能达到一定标准,旋耕机相比于其他的整地机械入土行程较小。因此,作业效率高,并且能源消耗较少,卧式的旋耕机在一定程度上有向前的驱动力,能节省部分行走消耗的能量。

2.3 联合整地机

联合整地机是根据传统的整地机械发展而来,一次作业可以同时完成深松、灭茬、旋耕、平整、镇压等耕整地作业流程,实现一机多用的现代化农业政策要求。根据实际的作业需求,联合整地机分为不同类型的整地机,如深松旋耕联合整地机、灭茬深松联合整地机等。一机多用的作业模式,可以最大程度上减少翻地、整地次数,减少土壤的风蚀、水蚀。但是,联合整地机要求动力较大,并且联合作业后的作业质量相对于单种整地机械略差。

3 试验方案

3.1 机具选择与试验场地

本文根据三种整地机械的作业特点,深松机选用山东凯兴机械有限公司生产的1S-250悬挂式深松机,主要参数如表1所示。

旋耕机选用一拖(洛阳)中成机械有限公司生产的1GQQN250GG型旋耕机,主要参数如表2所示。

表2 1GQQN250GG型旋耕机

联合整地机选用河北双天机械制造有限公司生产的1SZL-250型深松整地联合作业机,主要参数如表3所示。

表3 1SZL-250型深松整地联合作业机

为统一试验变量,选用东方红LX1104型拖拉机作为动力机车。试验地点选在吉林农业大学农机试验田进行,在试验田内选定6个较为平整的试验区域,每个试验区长40 m。试验田前茬作物为玉米,土壤含水率为12.83%;土壤坚实度为1 315.4 kPa;采用田间土壤相对高程标准偏差Sd分析平整度,计算公式如式(1)所示。

(1)

式中Sd—为平整度,cm;

hi—为田间的第i个采样点的相对高程,cm;

h—为该田间相对期望高程,cm;

e—为田块内所有采样点的数量。

经计算得试验田土壤平整度为10.58 cm。

以任意每30 cm×30 cm的区域内,随机挑选20个土块,土块最长边小于10 cm的土块占比表示碎土率,计算公式如式(2)

(2)

式中w—为碎土率%;

u—为土块最长边小于10 cm的土块个数。

经计算得试验田碎土率为40%。

3.2 试验方法

使用一种整地机械在随机两个试验区域进行作业,每个区域随机选中50个30 cm×30 cm的测量区,测量该区的土壤含水率、土壤坚实度、平整度和碎土率,每个区域求平均值后在计算两个区域的总平均值。使用1S-250型悬挂式深松机耕深保持35 cm;使用1GQQN250GG型旋耕机耕深保持14 cm;使用1SZL-250型深松整地联合作业机耕深保持35 cm。

4 试验结果

试验结果如表4所示。分析三种整地机械作业后的试验结果,1S-250型悬挂式深松机相比于其他两种机械,对土壤的疏松能力较强,能促使农作物向下生根;1GQQN250GG型旋耕机相比于其他两种机械,对土壤的碎土能力较强,且平整度明显优于其他机械;1SZL-250型深松整地联合作业机相比于其他两种机械,综合能力较强,且可实现一机多用,减少了翻耕土壤的次数。

表4 试验结果

5 结论

本文针对不同整地机械对土壤结构影响展开研究,选用了1S-250型悬挂式深松机、1GQQN250GG型旋耕机和1SZL-250型深松整地联合作业机作为试验机具进行了实际的对比试验。试验结果表明,深松机对土壤的疏松能力较好,旋耕机的碎土能力较好且能保证一定的土壤平整水平,联合作业机综合能力较强,促进农业生产效率,间接提高作物产量。获得不同整地机械对土壤结构的作业特点,为后续相关研究和整地机械的研制提供参考。