摘要 针对北方干旱坡地雨水存储差、养分贫瘠、耕层浅、作物易倒伏等问题，通過分析国内外土壤改良方法，以河北省干旱半干旱地区为代表，对其典型地块的土壤养分进行丰缺状况调查，提出了机械化土壤改良技术并确定了技术路线，同时设计了悬挂式土壤改良机械。
关键词 干旱地区;抗倒伏;机械化;土壤改良
中图分类号 S156文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）34-0098-04
截至2015年末，全国耕地13 499.87万hm2[1]，干旱半干旱地区的土地面积占全国土地面积的52.5%。解决干旱半干旱地区土壤保墒保肥问题已经迫在眉睫，通过土壤养分及含水量的调查发现，我国北方地区干旱及养分流失更为严重，以河北省北部干旱较严重的地区为例，这些地区属于温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量在364.6～383.5 mm，土壤类型主要为粟褐土，降水量较少，降水量的年际变化较大，均属于干旱半干旱类型耕地，粮食作物主要有玉米、马铃薯、谷子、黍子等。如何保留雨雪，避免土壤养分流失，有效实现保墒保肥，保护生态环境，促进农业增产、农民增收成为研究热点。
1 国内外土壤改良技术的研究进展
国内外学者针对土壤改良技术进行了诸多研究，主要包括土壤结构改良、盐碱地改良、酸化土壤改良、土壤科学耕作和土壤污染治理等。
1.1 土壤结构改良
土壤结构改良是通过施用土壤改良剂改善土壤结构，提高土壤肥力。施用有机肥可增加土壤有机质，改善土壤结构，促进土壤蓄水保墒等，有利于作物产量和水分利用率的提高[2-3]。施加土壤改良剂可以促使分散的土壤颗粒团聚，形成团粒，增加土壤中水稳性团粒的含量和稳定性，显著提高团聚体的质量，降低土壤容重，增大土壤总孔隙度，改善通气透水性，促进植物对水分和养分的吸收[4]。天然土壤改良剂沸石施入土壤后可提高耕层土壤的含水量1%～2%，在干旱条件下使耕层土壤田间持水量增加5%～15%[5]，也具有很强的吸附能力和很高的阳离子交换量，可促进土壤中养分的释放，提高土壤保肥能力和增加土壤肥力[6]。
1.2 盐碱地改良
闫少锋等[7]通过竖井抽排水试验，探讨了天然降水条件下地下水位动态及土壤脱盐规律，结果表明，竖井排水的区域土壤盐分含量呈下降趋势，下降幅度为52%，未设竖井排水的区域土壤表层出现返盐现象，土壤盐分含量上升41%。刘长江等[8]通过田间示范试验，研究了不同深松深度对苏打盐碱化田土壤理化性状及作物产量的影响，结果表明，通过深松，苏打盐碱土含盐量和pH有所降低，土壤环境明显改善，同时深松能够促进作物根系发育，提高产量。
1.3 物理覆盖
用作物秸秆或塑料地膜进行地表覆盖是旱作农业中一种常用的保墒耕作方式。地面覆盖可有效降低土体的无效蒸发，秸秆覆盖能够增加对降雨的拦蓄，促进水分就地入渗，地膜覆盖能够促进下层水分向上移动，提高土壤水分的利用率。秸秆覆盖可稳定土壤温度，使土壤微生物数量及活性提高[9-12]。Tebrugge等[13]在西班牙进行的试验表明，秸秆覆盖后0～30 cm土层含水率比常规耕作提高了1%～5%。鲁向晖等[14]在宁南山区进行研究，结果表明，与不覆盖处理相比，秸秆覆盖可使春玉米产量和水分利用效率分别提高了3.5%和16.5%。
1.4 土壤科学耕作
机械深耕深松能有效解决土壤的板结。刘万锋[15]对盐池县滩灌区盐渍化土壤3年间利用全方位深松机分别对30、40 cm土层进行2次不同深度的定位深松试验，结果表明，土壤平均容重由1.53 g/cm3下降至1.48 g/cm3，0～30 cm土层土壤含盐量由0.80%下降至0.55%，认为机械深松是盐渍化土壤改良的一项重要措施。美国Aer Way公司生产的AWMP-100-AG-4型草地打孔机，通过打孔齿轮形成不连续深度可达20 cm的矩形孔，可以断裂压实的韧土，实现了增加空气和水分运动、提高肥料利用率的目的[16]。于涛[17]研究表明，应用机械深松深耕技术可提高小麦单产平均可达8 250 kg/hm2左右，较传统地块平均增产1 200 kg/hm2左右。适用于南方的粉垄耕作栽培制度，粉垄机螺旋钻头将土壤垂直旋磨粉碎，深入激活耕层以下土壤达30～60 cm（最深可达80 cm），不改变土壤主体层次，让土壤团颗粒细小而自然悬浮成垄，使土壤养分增加、保水透气性好，实现作物大幅度增产、增效[18]。立式旋耕机较传统的卧式旋耕机作业深度大，碎土能力强，没有漏耕，耕后地表平整[19]。然而深耕深松、粉垄、立式旋耕等都是重负荷作业，需要大中型拖拉机与配套的农机具进行。
截至目前，国内外土壤改良方法多种多样，但机械化深坑土壤改良技术鲜见报道。
2 北方干旱地区土壤养分状况
2.1 土壤样品采集
2.1.1 采样时间。2017年4月16日。
2.1.2 采集地点。调查地点为河北省怀安县太平庄乡、阳原县大田洼乡。
其土壤为北方典型的干旱半干旱贫瘠类型。河北省怀安县太平庄乡属高寒山区与丘陵区，耕地2 323 hm 旱地2 306 hm 旱地占比99.3%。阳原县大田洼乡耕地1 043 hm 旱地面积705 hm 旱地占比67.6%。
2.1.3 采样方法。按照土壤样品采集技术规范，以怀安县太平庄乡的2块地、阳原县大田洼乡的2块地共4块地为试验地块，分别在每块地的15和30 cm深度层面上随机抽取5个位置，在每个位置上选择3个不同点，然后将15个点得到的土壤按相同的重量混合在一起，获得该地块相应深度层面的混合土壤样本，重量以1 kg为宜，相同样本采集3个，每块地2个深度得到混合土壤样本6个，4块地共得到24个混合土壤样本。
2.2 测定指标与方法
土壤湿度采用烘干法测定;土壤采用电位法测定;有机质采用重铬酸钾稀释热法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾采用NH4Ac浸提-火焰光度计法测定[20]。
2.3 数据处理
利用Excel 2010对试验数据进行处理，对每个地块各深度层面处的3个土壤样本的有效试验数据取平均值，用Origin2007进行分析和图标的制作。
2.4 土壤养分状况
由表1～3可知，该地区属于瘠薄型的干旱坡地土壤。调查分析的4块坡地土壤的有机质含量为8.00～18.03 g/kg，处于中等偏低状态，且每个地块有机质含量均呈随着土层深度增加而降低的趋势，这是由于该地区是一年一季种植，土壤耕层浅。碱解氮含量为27.44～81.20 mg/kg，不同地块碱解氮含量差别较大，平均处于缺乏至中等水平。速效钾含量为72.78～99.50 mg/kg，平均含量处于中等水平，速效钾含量随着土壤深度增加而降低。速效磷含量在0.64～3.95 mg/kg，属于甚缺乏。土壤pH为8.05～8.16，深度对于pH影响不大，均属于微碱性土壤。15 cm深度处土壤湿度在8.98～18.82 g/kg，30 cm深度处土壤湿度在25.27～32.59 g/kg，墒情类型均为重旱的干土，即这些地区为干旱半干旱贫瘠地区，河北省北部
地区基本属于同类型土壤。
3 土壤改良机械设计
3.1 干旱半干旱地区机械化改良保墒技术农艺参数的确定
根据试验研究，坑深度在15 cm，深坑间距为60 cm×60 cm，土壤保墒能力最强[21]。河北省大多数地区均使用旋耕机耕作，耕作深度为15 cm左右，长期使用旋耕机容易导致15 cm以下土壤板结，降低作物的抗倒伏性，根据抗倒伏试验，耕作深度在30 cm左右时，可以提高作物的抗倒伏性，且可以提高农作物产量，这种旋耕机无法达到要求，仅铧式犁或者分组立式耕耙犁可以满足要求，但这种耕作机械的动力需要大大增加，同时也降低土壤的保墒能力，因此提出了机械化土壤改良保墒的工艺参数，即在每年10月，当农作物均收獲完毕后，利用悬挂式土壤改良机在干旱地区钻成间距60 cm×60 cm、深度30 cm左右、孔直径10 cm的阵列分布（图1）。
3.2 悬挂式土壤改良机设计思路
为有效避免气动助力土壤钻孔机[20]劳动条件差、单钻头效率、精度低等问题，根据农艺参数设计了悬挂式土壤改良机，结构见图2。主要由机架、行走轮、液压马达、升降架、钻坑部件、定量施肥装置、覆土板、位置传感控制装置等部分组成。牵引点与拖拉机连接。液压马达、钻坑部件安装在升降架上，其通过机架导滑槽、限位块、液压缸与机架连接。螺旋钻罩后方设有半圆形的定向出土口。螺旋钻头部设有快换钻头。升降架后方设有肥箱，肥箱下部装有步进电机控制的排肥机构，排肥机构下方的弯型排肥管正好位于螺旋钻罩后方，机架最后面安装有4个覆土板。
3.3 悬挂式土壤改良机工作原理
土壤改良机的运动流程见图3。由22.05 kW（30PS）拖拉机（张家口地区应用较广）提供动力，动力由液压油泵传输至液压马达和液压缸。液压马达带动钻头旋转，同时液压缸驱动升降架及钻坑部件垂直下行20～25 cm以形成深坑。螺旋钻罩的出土口定向排出钻土，坑深由位置传感器控制。深坑形成后液压缸驱动钻坑部件回程，待螺旋钻回到指定位置时，排肥机构中的步进电机精确转动实现定量出肥，肥料依靠重力和弯型排肥管独特的结构精准落入深坑，土壤改良机移动至下一工位的过程中覆土板带动少量薄土实现覆盖，完成深坑定量施肥。
4 结论
解决干旱半干旱地区土壤保水保肥问题是农业生产中的关键技术，目前世界各国均积极尝试各种有效技术，但由于各国各地的土壤条件不同，难以形成有效的、比较统一的干旱地区土壤保水保肥技术，机械化土壤改良保墒技术适合于北方干旱半干旱地区，这项技术一是能有效解决干旱地区的储水保肥，降低了雨水冲刷造成的水分养分流失;二是不翻动大部分土层，减少了其他耕作机械对土壤耕层的破坏、水分的挥发和有机质的分解;三是兼具深松的特点，深坑打破了犁底层，增加了土壤耕层深度，改善土壤结构，减少土壤板结，增强农作物的抗倒伏性。悬挂式土壤改良机将有效提升土壤改良的效果和效率，从而为农业增产、农民增收提供有效的保障。
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