东北平原棕壤土区合理耕层耕作模式与配套机具研究

目前,土地沙漠化面积增大,传统耕作机械田间作业频繁,增加了土壤坚实度,使土壤容重增加,造成了土壤的板结,犁底层加厚上移,影响作物产量、制约了农业生产的可持续发展。针对东北平原棕壤土区辽宁省铁岭县的实际情况,结合联合整地、深松、深松联合整地及免耕播种4种耕作模式,与当地农作物种植合作社合作,对4种模式的土壤理化性质进行测试。在距地表5、10、15cm土壤深度时,深松模式土壤温度高于联合耕整地模式1.6、1.5、1.1℃;免耕播种比联合耕整地模式的土壤温度分别高了2.8、2.2、1.9℃。土壤含水率方面,免耕播种含水率最高,在垄台、向阳面、向阴面分别比联合耕整地模式高6.9%、12.2%、15.2%;在土壤容重与土壤紧实度方面,深松模式在深度10~30cm范围内土壤容重低于未深松模式0.3g/cm3。根据土壤理化特性,运用线性规划方法对现有配套机具进行优化配备,并对配备后进行效益分析,得出深松覆盖模式的收益最高,达到1.29万元/hm^2;其次是免耕播种模式,达到1.25万元/hm^2;深松联合整地模式与联合整地模式分别为0.90万元/hm^2和0.74万元/hm^2。同时,提出了一种适合当地土壤性质的耕作模式与合理配套机具。

构建油菜种床合理耕层的驱动型犁旋联合耕整机研究

针对长江中下游稻油轮作区多年采用传统机械耕整导致耕层变薄、犁底层增厚和土壤粘重板结,影响油菜根系生长等问题,提出了适应油菜生长的“深翻埋茬,上松下紧”种床合理耕层方式;结合油菜种床合理耕层构建及水旱轮作耕整作业要求,设计了一种主动对置式犁耕与旋耕碎土相结合的联合耕整作业方案,设计了具有切翻埋茬(草)、旋耕碎土、平整开畦沟等功能的驱动型犁旋联合耕整机,确定了驱动型圆盘犁的结构布局和旋耕刀的类型及排布,并设计了中间开畦沟的仿靴形锐角开沟器。田间试验表明,驱动型犁旋耕整机耕作深度为150~230 mm,耕深稳定性系数为90.4%,仿靴形锐角开沟器在中间开畦沟区域能开出满足要求的梯形沟,沟宽为200~400 mm,沟深为205.6~250.0 mm。整机作业后厢面平整度为15.25~18.60 mm,碎土率为80.52%~88.43%,植被埋覆率为92.3%,厢面单幅宽度为852~956 mm。各项性能指标均满足油菜种床合理耕层构建及水旱轮作耕整要求。

浅谈合理耕层构建理论与技术

本文综述了目前农田土壤耕层所面临的问题、合理耕层评价及构建技术,以期为今后合理耕层研究提供理论依据。

新疆河谷平原雨养旱地栗钙土合理耕层创建技术规程

针对新疆雨养旱地栗钙土区存在缺乏旱地合理耕层评价指标、合理耕层构建技术指标等问题,利用深耕改土、间隔耕作、增施有机肥、保水保肥等技术研究成果,合理土壤耕作制度与农艺农机相结合的综合技术措施,有针对性地形成"新疆河谷平原雨养旱地栗钙土合理耕层创建技术规程",为我区雨养旱地作物高产稳产与资源高效合理耕层构建技术模式提供依据和技术支撑。

旱作农田合理耕层意义及构建措施

我国是农业大国,我国的东北地区属于平原,气候属于干旱性质。笔者于2013年到2016年参与了吉林省农业科学院组织的"旱作农田合理耕层技术及配套设备研究示范"项目,对旱作农田耕层存在的问题、旱作农田合理耕层的意义及旱作农田合理耕层的构建及配套设计进行了研究,现对研究进行总结,以为农业生产提供参考。

辽宁中部稻区水田合理耕层构建技术规程

辽宁中部稻区主要包括沈阳市、辽阳市等地,属于北方一季粳稻区,气候适宜,温光条件好,土地平坦,稻田土层深厚,有机质、氮、磷、钾等较为丰富,非常适合水稻生产。但是,由于耕作水平不高、灌溉技术水平较低,且长期单一地使用化肥进行掠夺式生产,导致地力下降、土壤结构不良、耕性变差、耕层变浅、养分失衡、保水保肥和抗旱减灾能力下降,严重影响了水稻生产。为了很好地解决这些问题,辽宁省水稻研究所开展了针对性的研究,制定了辽宁中部稻区水田合理耕层构建技术规程,从机械耕整地、施肥管理、水分管理、秸秆还田四个方面,提出了辽宁中部棕壤型稻区水田合理耕层构建的技术措施,以期能够促进辽宁水稻可持续发展,实现水稻高产稳产。

基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

为准确评价红壤坡耕地耕层土壤质量特征,该文采用聚类分析法(CA)和主成分分析法(PCA)分别建立了南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量诊断最小数据集(minimum data set,MDS),并利用最小数据集土壤质量指数(soil quality index-CA,SQI-CA和soil quality index-PCA,SQI-PCA)和全量数据集土壤质量指数(soil quality index-total,SQI-T)对坡耕地耕层特征进行分析。结果表明:1)红壤坡耕地耕层土壤质量变化特征差异明显,其中耕层平均厚度(19.93±4.9)cm,接近作物生长适宜水平;土壤有机质、全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97±0.42)g/kg,处于中度贫瘠化水平;土壤有效磷和速效钾含量丰富,平均含量分别为(26.1±22.22)和(155.46±88.35)mg/kg;p H均值为(5.34±0.77),土壤呈弱酸性。2)红壤坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、p H值和有效磷组成。基于不同数据集的耕层土壤质量评价结果差异明显,土壤质量指数变化范围、均值表现为SQI-T>SQI-CA>SQI-PCA,变异系数表现为SQI-T<SQI-CA<SQI-PCA,SQI-CA与SQI-T的Nash有效系数和相关度高于SQI-PCA,而相对偏差系数和平均相对误差则低于SQI-PCA,这表明基于聚类分析最小数据集(MDS-CA)较基于主成分分析最小数据集(MDS-PCA)更适合替代全量数据集(total data set,TDS)对耕层土壤质量进行评价。3)从保水、保土、保肥及增产潜力角度看,红壤坡耕地合理耕层诊断指标适宜性阈值为耕层厚度≥20.39 cm,土壤容重0.92~1.21 g/cm3,土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3,土壤有机质含量≥18.82 g/kg,p H值5.04~5.38,有效磷≥28.83 mg/kg。合理深松是构建合理耕层的有效措施之一。该研究结果可为南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量恢复、农作物生产适宜性调控和坡耕地水土流失阻控提供参考,有利于红壤丘陵区坡耕地资源持续利用。

基于最小数据集的东北风沙土农田耕层土壤质量评价指标

2015年10月—2017年10月玉米收获期,在位于东北风沙土区的黑龙江省杜尔伯特蒙古自治县域内,调查采集了53个样点耕层土壤,测定了21项土壤理化性状指标和玉米产量。采用聚类分析法建立了东北风沙土农田耕层质量诊断最小数据集(MDS),利用全量数据集(TDS)、土壤质量指数(SQI-TDS)、玉米产量、最小数据集土壤质量指数(SQI-MDS)对风沙土耕层特征进行了分析评价。SQI-TDS、玉米产量与SQI-MDS呈极显著正相关(r^2分别为0.451 5,0.557 9),这表明MDS适合替代TDS对风沙土农田耕层土壤质量进行评价。调查区域东北风沙土平均土壤质量指数为0.46,基于MDS,根据土壤质量评价指数土壤地力划分为5级,野外调查53个点中34.0%样点土壤属于地力Ⅳ级,52.8%样点土壤属于地力Ⅲ级,11.2%样点土壤属于地力Ⅱ级,研究区域没有Ⅰ级和Ⅴ级地力分布。调查区域平均玉米产量7.6 Mg/hm^2,根据玉米产量土壤地力划分5级,野外调查53个点中1.9%样点属于地力Ⅴ级,35.8%样点土壤地力属于Ⅳ级,41.5%样点土壤地力属于Ⅲ级,18.9%样点土壤地力属于Ⅱ级,1.9%样点土壤地力属于Ⅰ级。利用最小数据集SQI-MDS能够较准确地定量描述风沙土农田耕层质量,为东北风沙土农田耕层土壤质量诊断、合理耕层评价提供理论依据。

土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用及其评价趋势展望

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层质量退化和土壤生产力不稳定的关键驱动因素。该文从水蚀区坡耕地侵蚀控制和生产功能角度,在解析地块尺度土壤侵蚀、水土保持、农业活动对坡耕地耕层生态过程作用特征的基础上,系统分析了土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用、影响效应及作用途径。认为:1)坡耕地耕层质量变化由降雨侵蚀、耕作活动交互作用的生态过程决定,2种作用的时间、空间尺度不同;耕层土壤参数在坡耕地农业生产中作用分为保水、保土、保肥和增产潜力,由地块尺度农作物-耕层耦合效应决定土壤生产能力、坡耕地水土流失特征及耕层侵蚀性退化方向及程度。2)土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用表现为土壤性质恶化、土壤质量劣化、土地生产力衰退3个方面,耕层土壤物理性质变异程度大于化学性质变异,径流作用导致的土地生产力衰退大于土壤流失作用。3)坡耕地耕层质量评价指标体系应兼顾侵蚀下降、产量提升2个目标,地块尺度诊断指标有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性可作为合理耕层评价最小数据集;坡耕地合理耕层适宜性分为5级,其诊断指标分级标准宜与土壤侵蚀分级和耕地地力分级衔接。4)坡耕地合理耕层评价未来应密切关注耕层质量诊断指标最小数据集、坡耕地合理耕层阈值/适宜值分级标准、坡耕地水土流失阻控标准拟定3个主要方向。研究可为深入认识坡耕地侵蚀性退化机制,辨识坡耕地合理耕层调控途径以及坡耕地合理耕层构建技术参数提供依据。

西南紫色土坡耕地农作物-耕层质量适宜性的耦合度诊断

【目的】紫色土坡耕地是西南区农业生产重要的耕地资源,其耕层质量集中表现为侵蚀性退化严重且农作物产量低而不稳,在地块尺度上农作物产量变化较土壤质量退化具有较明显的滞后效应。论文在紫色土不同地力等级坡耕地耕层土壤质量分析基础上,定量分析紫色土坡耕地耕层质量对农作物的适宜性程度。【方法】在不同地力等级耕层质量统计分析及聚类分析基础上,对农作物-耕层适宜性的耦合度程度进行诊断分析。【结果】(1)紫色土坡耕地不同地力等级的耕层厚度为19—21 cm,有效土层厚度在21—43 cm变化,耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄现象严重,五级坡耕地不存在心土层;五级坡耕地产量限制因素为田面坡度、有效土层厚度、耕层厚度。(2)紫色土坡耕地3种耕层类型特征明显,其中Ⅰ类耕层土壤显弱酸性(pH 6.4),阳离子交换量(21.0 cmol(+)·L^(-1))最大;Ⅱ类耕层田面坡度最小(11°),有效土层厚度(38 cm)和耕层厚度(22 cm)最厚,土壤速效钾含量(136.5 mg·kg^(-1))最多;Ⅲ类耕层有效土层厚度(28 cm)最薄,土壤显酸性(pH 4.8),阳离子交换量(9.2 cmol(+)·L^(-1))最小;田面坡度,有效土层厚度,土壤酸化,阳离子交换量是影响坡耕地作物产量主导因子。(3)紫色土坡耕地不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现,在同样地力条件下,农作物产量较耕层质量更为敏感,衰退表现更加明显;农作物-耕层耦合关系(C_d)为Ⅰ类耕层(0.4820)和Ⅱ类(0.5207)属于基本协调发展类农作物耕层同步型,农作物生长勉强适宜;Ⅲ类(0.3343)濒临失调衰退类耕层损益型,农作物生长中度不适宜。【结论】紫色土坡耕地耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄化现象严重,不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现,紫色土坡耕地改良应减小田面坡度,增加有效土层厚度,调节土壤酸碱度。研究结果可为地块尺度上紫色土坡耕地合理耕层调控及构建提供技术参数。

2ZZ-3型深松培垄施肥联合作业机的设计与试验

深松培垄施肥是玉米等作物种植过程中重要的田间管理环节,具有打破犁底层,加深耕作层,改善耕层结构,提高土壤蓄水保墒、抗旱耐涝的能力。针对东北地区常年作业所导致的土壤耕层较浅、土壤板结严重以及深松阻力大的问题,结合了深松、培土和施肥等关键技术,设计一种与32.5 k W以上拖拉机相配套的可一次性完成深松培垄和追肥等多项作业的深松培垄联合作业机。以拖拉机前进速度、垄沟深松深度、培土器开角为因素,伤苗率和比阻作为评价指标,进行了三因素三水平正交试验。结果表明:各因素对伤苗率和比阻影响的主次顺序依次为深松深度、培土器开角、前进速度;因素水平上的最优组合为深松深度为25 cm,起垄犁开角为60°,前进速度为5 km/h,伤苗率均值为3.31%,比阻均值为1.97 N/cm2。经过田间试验作业性能好,各项作业指标达到了农艺要求。深松培垄同时作业减少了动力消耗,减少了工作阻力,为旱地合理耕层的构建配套机具提供了参考。

1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验

为了改善土壤耕层结构,协调土壤水、肥、气矛盾,有机养分消耗与积累矛盾,实现秸秆深埋还田,研制了1JHL-2型秸秆深埋还田机,主要由秸秆粉碎装置、螺旋开沟装置、输送装置、落料装置和覆土装置等组成。该机具收集两垄秸秆埋于一条垄沟,可实现秸秆垄沟隔行交替深埋,一次完成秸秆粉碎、收集、开沟、深埋、镇压等多项作业,适用于东北平原中南部棕壤土区合理耕层构建的秸秆深埋还田的技术要求。通过对秸秆在输送装置上的斜抛运动分析和土壤颗粒相对于螺旋式开沟器动力学分析,确定了机具的结构参数与性能参数:秸秆粉碎装置的作业幅宽为120 cm,输送装置的工作宽度为80 cm,螺旋式开沟器开沟宽度为40 cm;秸秆粉碎轴转速为1 620 r/min,Y型甩刀的刀尖线速度为40 m/s,输送带带速为1.416 m/s。通过田间试验得到,在机具前进速度为3 km/h,开沟装置转速为270 r/min,开沟深度为28 cm的情况下,秸秆切碎合格率为93.5%,秸秆深埋率为92%。达到了秸秆深埋还田、增强土壤有机质的要求,实现虚实并存的耕层结构,为秸秆深埋还田机的设计和评价提供参考。

气力式1JH-2型秸秆深埋还田机设计与试验

针对东北黑土区合理耕层构建秸秆深埋还田的技术要求,实现虚实并存合理耕层结构,研制了气力式1JH-2型秸秆深埋还田机,能够一次完成破茬、秸秆捡拾粉碎、开沟碎土、行间深松、秸秆深埋、覆土镇压等功能。机具主要由传动系统、破茬装置、捡拾粉碎装置、气力输送装置、开沟装置、覆土装置、镇压装置等组成。其关键部件是气力输送装置,应用离散元气固耦合数值模拟法对秸秆在气力气力输送装置中不同转速下的运动过程进行了数值模拟研究,得到了秸秆和气流输送气固耦合的运动规律。正交试验结果表明,机具运行最优参数组合为开沟装置转速215 r/min,风机转速1 850 r/min,机具作业速度3.0 km/h。田间试验表明,在最优参数组合条件下,秸秆深埋率为94%,秸秆粉碎合格率为94.2%,碎土率为95.4%,满足了东北黑土区秸秆深埋还田技术指标要求,为秸秆深埋还田机的改制和评价提供参考。

玉米秸秆垄沟条带混埋还田机的设计与试验

为了满足东北地区旱地合理耕层构建技术的要求,改善土壤耕层结构,实现秸秆混埋还田,研制了一种玉米秸秆条带混埋还田机。该机具主要由限深破茬装置、弹齿清垄装置、深松装置、混拌装置、镇压装置等组成,可以同时在三个垄沟内将地表上的秸秆混埋于15～20cm深度的土壤中,同时完成清垄、深松、镇压等多项作业,适合东北棕壤土区旱地合理耕层的构建技术要求。通过对弹齿清垄装置的运动轨迹分析得出,当机具前进速度范围在1.1～1.6m·s^(-1)时,弹齿清垄器的弹齿端部的绝对速度为1.73～2.51m·s^(-1),弹齿的拨草范围角为46°。通过对混拌装置的运动轨迹分析得出,当机具前进速度为1.38m·s^(-1)时,混拌刀切土节距为4.6cm,单条混拌幅宽为350mm,混拌刀辊的转速为300r·min^(-1)。并根据切土节距和混拌耕深设计了一种C型混拌刀,通过分析计算得到了C型混拌刀的各项参数以及侧切刃的阿基米德螺线方程。利用二维软件CAXA和三维软件Solidworks对混拌刀进行参数设计和实体模型的建立,同时利用ANSYS Workbench对所设计的混拌刀进行静力学分析来验证混拌刀结构的合理性。通过Design-expert软件对田间试验数据分析得出各因素对田间秸秆混埋率的影响主次顺序为:混拌深度>秸秆覆盖量>机具前进速度。最佳试验条件:在机具前进速度为1.25m·s^(-1),混拌深度为17.5cm,田间秸秆覆盖量为0.93kg·m^(-2)的条件下,秸秆混拌率为94.6%。该试验结果验证了机具作业性能达到了设计要求,为条带秸秆还田机的改进设计提供理论和实践参考。

条带深松清垄秸秆混埋联合作业机的设计与试验

东北三省是全国最大的玉米主产区,玉米种植面积达1.53×107hm2,每年可收集的玉米秸秆量超过1.1×1 011kg。但是,东北玉米秸秆的总利用率不到5 0%,大部分秸秆被废弃或燃烧掉,在浪费大量农业资源的同时更造成了严重的环境污染。秸秆还田能够有效增加土壤有机质含量,改善土壤结构,也可以解决中国因秸秆过剩而产生的堆集、焚烧造成的环境污染问题。根据合理耕层构建中深耕改土、间隔耕作、秸秆还田农业技术要求,设计了一种一次作业可完成防堵深松、清垄、混埋及镇压等多功能秸秆混埋还田联合作业机。通过对关键部件防堵深松装置、清垄装置和混埋装置等结构优化设计和运动分析,确定了各关键部件的结构形式和参数,以及各部件的配置关系和整机性能参数。田间试验表明:该机在前进速度为5km/h时,秸秆覆盖量为1.0kg/m2;秸秆混埋深度为15.43cm时,混埋率为95.06%,碎土率为96.02%。该机作业性能达到了设计要求,为东北平原构建合理耕层配套机具的设计、改进和评价提供科学依据与方法。

玉米秸秆深埋还田机螺旋开沟装置参数优化与试验

在中国东北地区棕壤土玉米的生产过程中,通过秸秆深埋还田的方法,打破犁底层,在增加深层土壤肥力、蓄水保墒和构建合理耕层结构的同时,解决了秸秆有效处理问题。1JHL-2型秸秆深埋还田机能够对覆盖在地表的秸秆一次性完成粉碎、收集、开沟和掩埋作业。为了解决其开沟阻力大、整机受力不均和前进直线性差等问题,对其螺旋开沟装置进行了参数优化设计。针对开沟过程中叶片易粘土堵塞等问题,对螺旋开沟装置的螺旋叶片表面进行了仿生优化设计。通过动力学分析,确定出螺旋开沟装置的最佳结构参数。以玉米秸秆深埋率、开沟功耗和机组直线行驶最大偏移量为试验指标,以机具前进速度、开沟器转速和开沟深度为试验因素,进行三元二次回归正交旋转组合试验。试验结果表明:螺旋开沟器的最佳工作参数组合为:前进速度1.04 m/s、开沟器转速275 r/min、开沟深度28.5 cm。在最优参数组合下,田间试验验证表明:秸秆深埋率的均值为92.03%,开沟功耗均值为17.7 k W,机组直线行驶最大偏移量为74 mm,满足玉米秸秆深埋还田技术要求。

不同秋耕措施对黄土高原春玉米田土壤物理质量的影响

合理耕作是改善土壤物理质量及构建合理耕层的重要措施之一,对黄土高原农田改良具有重要意义。本研究采用旋耕、深翻和深松3种秋耕措施,探究了不同秋耕措施对黄土高原春玉米田0~30 cm土壤物理质量的影响。结果表明:深翻5~30 cm各层次土壤容重较旋耕显著降低了10.1%~14.58%,土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度则分别显著增加了11.59%~22.37%和26.52%~75.2%。深翻10~30 cm各层次土壤容重较深松显著降低了6.56%~13.48%,土壤总孔隙度则显著增加了9.3%~17.1%。深翻0~10 cm各层次土壤毛管孔隙度较深松显著增加了7.41%~11.75%,10~30 cm各层次土壤质量含水量显著增加了5.46%~16.57%。此外,5~10 cm土壤固、液、气三相比偏离以旋耕最佳,10~30 cm各层次则以深翻为最佳。综合来看,旋耕改善了5~10 cm土壤物理质量,深翻改善了10~30 cm土壤物理质量,采用旋耕+深翻轮耕模式可能是该研究区构建春玉米田合理耕层的潜在措施之一。