蘇打鹽堿地改良劑噴施自潤式減阻深松機的設計與試驗

向美琦，姜立民，王景立

(吉林農業大學 工程技術學院，長春 130118)

0 引言

蘇打鹽堿地作為一種重要的土地資源，在我國分布廣泛，其脆弱的生態環境特征嚴重制約著生態、農業和地區經濟社會發展[1]。近年來，隨著國家和地方的重視，對于蘇打鹽堿地的改良、整治和再利用在各大科研院所和科研團隊的不斷努力下，已經有了極大改善。但對于蘇打鹽堿地的機械化改良同化學改良的有效結合，尤其是機械化深松作業與改良劑的選用和撒施相結合的研究較少。本文結合實際深松作業的試驗效果，試制了一種用于蘇打鹽堿地的改良劑噴施自潤式減阻深松機，對蘇打鹽堿地的機械化深松作業同化學改良劑的撒施進行了有效的結合，進行蘇打鹽堿地的改良和整治，為其再利用提供了技術支撐和理論基礎。

對于鹽堿地的機械化深松作業改良，郝新宇等團隊探索了利用振動深松改良蘇打鹽堿土的相關研究[2-3]。在改良劑的撒施上，多為利用脫硫石膏、硫酸鋁等硫酸鹽化合物結合農家肥等生物材料進行撒施改良蘇打鹽堿地[4]；但撒施過程較為粗獷，且改良深度較淺，一般為15～20cm。由此來看，研究一種以機械化作業的形式進行更深層蘇打鹽堿地改良的聯合型作業機具顯得尤為重要。

1 深松模式及關鍵部件的優選試驗

試驗地選為松嫩平原中部，擁有自然條件下的100hm2余原生蘇打鹽堿地草場(見圖1)，該地區是最具開發潛力的鹽堿土壤資源之一。試驗時,在不同區域選取10處典型地塊進行試驗，每塊田塊50m×10m，分別選用不同廠家的拖拉機配套不同形式的深松機具及部件組合進行適用于蘇打鹽堿地改良的深松模式及關鍵部件的優選,如圖2所示。

圖1 試驗地自然情況實景圖

1.1 初期試驗方法

經過試驗、對比設置的7種不同形式的機具匹配試驗作業前后土壤相關理化性狀情況進行分析。其中，利用X取樣法在不同作業地塊選取6個小區，每區0.25m2，運用恒水頭發進行了土壤水分入滲試驗。由表1中可知：1號、6號和7號試驗的用水量最大且土壤表面形成徑流用時最長。這說明該種機具組合方式對于優化土壤水分入滲情況較好。因通過機械化深松作業進行蘇打鹽堿地改良過程中，需要利用較好的土壤水分入滲，降低地表水分蒸發來實現蓄水、保水和“洗鹽降堿”的作用[5-6]。因此，在后期的試驗數據測試中，將主要對該3種機具組合形式的試驗進行測定。

圖2 試驗研究技術流程簡圖

首先，對優選的3種機具組合試驗地塊的地表下0～20cm土壤的pH值情況進行了測定(見圖3)，經過取樣、混合、過篩、融解、過濾等處理后，利用E-201-9型pH復合電極進行測試得出，7號試驗的優化效果最優，優化均值為0.25個單位；其次，對優選的3種機具組合試驗地塊的地表下0～20cm土壤的電導率情況進行了測定，結果如表1、圖4所示。

表1 分體式小麥免耕播種機試驗性能結果

容器容積：13 797.16cm3。

圖3 作業前后試驗地土壤pH值均值變化情況

圖4 作業前后試驗地土壤電導率均值變化情況

1.2 試驗結果

通過圖表可以看出：在不同層次上，7號試驗的機具組合形式對土壤電導率改善最佳，降低均值為0.41ms/cm，且蘇打鹽堿地的土壤含鹽量與土壤電導率呈正相關[7]，可推斷出經過7號試驗，即“B型機架+切草刀+弧形鏟配套箭型鏟尖+瓶形鼠道擴充裝置” 的機具組合形式土壤各項理化指標改善最佳，且能夠較好地增大土壤孔隙度及一定程度阻止鹽、堿向地表運移[8]，因此將針對優選的深松關鍵部件進行進一步優化和改進。

2 深松模式及其關鍵部件的優化與改進

依據初期試驗的相關結論，針對其深松關鍵部件即深松鏟及深松模式進行了系統的研究和梳理發現，僅通過機械化深松是遠遠不能滿足蘇打鹽堿地改良和再利用的，而傳統的化學改良方式又相對簡陋和粗獷。為此，進行了一種既能滿足機械化深松作業，又能夠實現改良劑撒施的深松技術模式研究。

相關資料顯示：化學改良途徑主要是利用石膏、硫酸鋁等硫酸鹽與蘇打鹽堿地土壤進行機械或人工混拌的形式進行改良。其中，石膏改良時施用量約為20～30t/hm2；硫酸鋁改良時施用量約為300kg/ hm2，改良深度一般為地表下18cm左右。

通過研究得知，硫酸鋁具有極易溶于水的物理特性，且其在0℃時溶水率為31.2%，且對比看來硫酸鋁改良的撒施量較低，因而提出了一種基于硫酸鋁水溶液的機械化深松作業與改良劑噴施聯合作業機的研制思路，并進行了相關機具的三維建模，如圖5和圖6所示。

圖5 蘇打鹽堿地改良劑噴施聯合作業機三維圖

圖5中，在傳統深松機架上安裝了改良劑預混液箱，并通過液體泵及導管將預混液輸送至圖6所示的深松鏟鏟炳背部的噴頭上；選用的噴頭為扇形噴頭，其與土壤剖面的噴施夾角可調，安裝數量也可依據作業地塊鹽堿程度適當增減。

3 硫酸鋁改良劑撒適量的研究與試驗

進行了硫酸鋁撒施量與土壤干重比為1‰～8‰的土壤pH值變化情況的對比試驗，結果表明：通過硫酸鋁的撒施能有效降低土壤pH值，且在1‰～6‰時，隨撒施量的增加，土壤pH值降幅逐漸增大，到6‰時達到峰值，降幅約為2個單位；隨著硫酸鋁的不斷增加，pH值降幅開始放緩，如圖7所示。因此，深松+預混液改良劑噴施聯合作業機的硫酸鋁撒施量應控制在土壤干重的6‰比較合理，當然，也需要針對不同的土壤鹽堿程度進行變量撒施[9]。

圖6 蘇打鹽堿地改良劑噴施聯合作業機關鍵部件圖

圖7 不同改良劑施用量的土壤PH值均值變化情況

4 自潤式減阻深松部件的研究與試驗

通過結合現實生活中液化現象，如夏季時冷飲杯壁容易形成液化水膜及冬季時眼鏡鏡面形成霧膜等由于溫差而形成的液化現象，將作業時的預混液改良劑進行降溫處理并噴施于深松鏟鏟尖背面，通過土壤與預混液形成的溫差，使土壤中原有水分液化，附著于深松鏟鏟尖正面，模擬出現實生活中的物理狀態，據此進行一種自潤減阻的深松鏟的設計，如圖8所示。

圖8 自潤式減阻深松鏟三維建模

針對該自潤式減阻深松鏟的自潤減阻水膜形成效果進行了相關試驗。在試驗地進行了土壤含水率及8月份土壤地表下20cm處溫度情況測試，其平均含水率為20%,月平均土溫為22℃。在室溫19℃、空氣相對濕度23%的條件下，模擬深松鏟鏟尖在作業時與土壤相接觸，用7℃的水進行模擬預混液箱中已降溫的液體，經液體泵加壓后噴施在鏟尖背部(見圖9)，經3min35s的連續工作，在鏟尖正面形成了密集、清晰可見的液化水滴(見圖10)，自潤減阻水膜形成。

因實際作業時土壤中水分較模擬試驗中更為密集、溫度更高，更容易形成類似于表面冷卻式空氣取水技術的物理現象(空氣與低于其露點溫度的冷表面接觸時，空氣中的水蒸氣在冷表面冷卻結露，并收集凝結水的制水方法[10-11])，所以實際作業中形成自潤減阻水膜的用時更短、更連續且水膜厚度更大。

圖9 自潤式減阻深松鏟模擬試驗實景

圖10 自潤式減阻深松鏟自潤減阻水膜形成實景

5 改良劑噴施自潤式減阻深松機樣機制作

經過前期的各項研究和試驗，進行了樣機模型的試制和相關部件的調試和安裝。初期將原機型進行了1∶2等比例縮小，并以兩組深松鏟部件為例進行了組裝和試制。選用了12V半導體降溫器及XH-W2140數字控溫器進行預混液的溫度控制，液體改良劑經流量控制器控制的液體隔膜泵加壓后進行噴施。試驗表明：該機型確實能夠達到深松作業及改良劑噴施和自潤減阻的效果。

6 結論

1)通過試驗與機具的改進和優化，探索了適用于蘇打鹽堿地的改良劑噴施自潤式減阻深松機的相關機理，進行了深松鏟自潤減阻水膜形成機理等模擬試驗，實現了蘇打鹽堿地的機械化改良與化學改良的有效結合。

2)經模擬試驗，確定了當硫酸鋁撒施量為土壤干重的6‰時，土壤pH值優化均值為1.8個單位，為最優撒施量。

3)整合各試驗情況進行了模擬樣機的試制，并結合溫控系統、流量調速器等部件的選配，為機具的進一步研究和試驗機型的試制、推廣提供理論支撐和技術保障。

4)后期，將繼續進行該樣機模型的優化和改進，并嘗試與蘇打鹽堿地電導率、pH值等化學指標速測系統、自動控制系統、北斗導航系統、深松監測系統及拖拉機自動駕駛等技術進行有機組合，以尋求更高效、更準確、更集約化的蘇打鹽堿地精確、變量改良的自動駕駛、深松作業可監測的聯合作業新模式，推動土壤鹽堿化信息獲取、改良及整治等技術的發展。