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农民的心腹大患——机械对土壤的 压实和破坏是农业可持续发展的根本障碍

已有 989 次阅读 2021-7-26 15:14 |个人分类:生活点滴|系统分类:论文交流

农民的心腹大患——机械对土壤的

压实和破坏是农业可持续发展的根本障碍


(二论“轨道航车”的意义)


刘闻铎

 

机械化对农业发展的历史性贡献是巨大的是不容置疑的。但是也应该看到机械对土壤的压实和破坏对种植业造成危害也是严重的。土地是农业的基础性资源,农业可持续发展离不开土地生产力的培育,机械对土壤的压实和破坏问题必须予以高度重视并加以解决。土地压实问题是一个物理现象,不是在追究谁的“责任”。如果这是一个牛顿定律一样的不可突破的力学铁律,讨论这一问题就毫无意义。要认同的是只要“机械行走区与作物生长区分离”就能解决压实问题,接着要研究采取什么可行的方式和设备。

 

一、“犁底层”是遍布耕作区地下挥之不去的阴影

机械进地作业,拖拉机联合收割机各种大小运输车辆反复碾压土地,相当拖拉机每年进地十几次,相当于无间隔全面压实几次,构成土壤压实问题。多年机耕作业还在耕作层以下形成一个坚硬的犁底层造成透水性差不容易渗透,蓄水能力下降,加速水土流失。土壤被压缩容重增加,透气性、孔隙度等指标变坏,破坏了土壤微生物活动条件,使土壤失去活力,导致水肥利用率低下。

土壤容重一般在1.11.3克/厘米3时,团粒结构丰富,作物生长良好,对大多数作物适宜的容重为1.0~1.2克/厘米3;当容重超过1.4克/厘米3时,作物生长受到抑制,产量下降[1]。当容重达到1.65克/厘米3小麦根系不能穿透[2.3]作物根系难于穿过犁底层,这样深层土壤的水份和养份得不到利用,耕作层变浅作物容易倒伏,严重影响作物量,玉米减产12~20%,美国小麦减产20%,各国研究普遍认同减产幅度为10~30%[2]

黄淮海地区普遍存在犁底层,作层平均厚度只有 厘米,犁底层主要分布在深度15~30 厘米之间,犁底层平均容重约为1.54克/厘米3,最大容重达到1.85克/厘米3[3]。山西省太原、临汾、长治地区测定犁底层容重达到1.52~1.57克/厘米3[4]有几十多年机械耕作历史的东北三江平原肥沃草甸黑土地带在20厘米耕层以下机械从来没有扰动过心土层出现了60—80厘米厚的僵化紧实的死土层“犁底层”,容重在1.4克/厘米3以上,硬度达到2~6千克/厘米2,比耕作层硬1倍以上鱼卵状团粒结构被压紧压扁成为带棱角的小粒状体,结构体间隙注有胶体物质,这是个不可逆的过程,使原有的毛细管作用大为降低。遇风成为沙尘发源地,遇到雨季则很容易发生地表径流,成为既不耐旱也不耐涝的土体构造类型。

由于连年耕作反复压实,土壤的自然缓解和修复过程消失。冻融现象,干湿交替过程,微生物活动、蚯蚓和植物根系的作用,这些物理生物活动逐渐消失停止,成为微观上是趋于寂静的土地[2]

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“犁底层”对作物根系繁育影响的示意图

 

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        打通“犁底层”的土层                        板结的土壤与小苗

 

其实,这是自有耕作以来就存在的现象,也是世界各主要农业区所面临的问题,包括原苏联西伯利亚、加拿大、澳大利亚和欧洲各国,美国东部、密西西比河流域及加利福尼亚土地条件好的玉米产区也成为压实的重灾区[4]。可以说“犁底层”是遍布世界耕作区底下的一层挥之不去的阴影,成为农民的心腹大患。                    

 

二、犁底层是怎样形成的

农业机械作业时拖拉机必须有足够的质量压在地面上,从而产生足够的附着力才能获得所需要的牵引力。也就是说拖拉机对土地的压力是产生牵引力的前提条件,压力小了产生的牵引力就不足。所以拖拉机都比较重,还经常在轮胎或前架上增加几百千克的“配重铁”

image.png机械作业对土壤反复碾压造成土壤被压实和破坏,压实了就要耕翻疏松,疏松作业的同时又在压实。这是一个目的与结果相互矛盾恶性循环的物理过程,是现有机械化方式无法回避也无法克服的根本性矛盾[5]一般轮式及履带式拖拉机一次通过就会使土壤容重增至1.4—1.5克/厘米3,也比未耕作地段提高10~20%。反复作用压力向下面传递影响到深层距地面40~60厘米深处的紧实度,甚至达到一米深度的心土层。由于连年机械耕作,拖拉机每年进地十几次重复碾压,相当于无间隔全面压实几次。压实的轮迹不均匀,有的重复多次,后果更差。包括人、畜践踏,各种作业机具铧底作用,联合收割机和地块内的运送种子、肥料、农药及收获的谷物秸秆车轮轮胎造成的压实。拖拉机产生的高频、低频震动更加剧了深层土壤压实后果[2]


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上面15~20厘米耕作层经过耕翻疏松,耕作层以下的就是“犁底层”。这个犁底层可以说是存在于全国所有耕地下面,机耕地这一问题更突出更严重。还有一个原因,耕地时所有犁都有地轮和在犁体下面的一个叫“犁床”的零件俗称叫“犁底”或“犁后跟”。这两个零件有很大的力作用到下面的土壤上,对犁起到稳定平衡的作用,否则犁上下跳动,深度不稳定,不好使。包括古老的畜力犁都有这一零件。它对土壤的压力很大,年年作业碾压摩擦使“犁底层上表面出现搓衣板一样的坚硬的纵向沟条槽。


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“犁底”起到平衡作用,面积较小压强(千克/厘米2)很大,对土壤的破坏作用不可小视

 

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三、克服犁底层的斗争

农民最了解犁底层的危害,早在60多年前曾经把“深翻”作为农业重要增产措施来抓。近些年有些省份也把深松土作为任务落实检查。要破坏犁底层需要消耗很大能量,也不是轻而易举的事。从技术层面解决的办法有:使用履带及低压轮胎减小压强,推广少耕、免耕、机具尽可能联合作业,减少进地次数减轻压实的危害,但都未能从根本上解决问题。甚至深耕的进展赶不上新的犁底层生成速度。

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超大型拖拉机牵引的深松土铲,可以想见下面的“犁底层”有多么坚固,作业也只是把犁底层打通,坚硬的大土块需要很长时间才能通过“冻融”作用化开。

3张图也看到深松土作业是同时超大型机械也在压实——所谓“恶性循环”就是这个意思。

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立式旋耕(粉垄)作业机

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有采用大马力拖拉机带动的深松土铲把犁底层“钩通”破坏成大土块,动力消耗非常大,上下有了水、汽流通,但坚硬的大块还需要很长时间才能经过“冻融”原理化开。这几张图也看到深松土作业的同时这些超大型机械也在压实——所谓“恶性循环”就是这个意思。采用深松(耕)深松土铲,逐年加深耕作层是个办法。也有立式旋耕(粉垄)破坏犁底层,效果显著,但是消耗的能量很大,维持的有效时间不长,新的犁底层又形成了。一年下来,机械就压过十几次,土壤又恢复了紧实状态。对于水田除了犁底层问题,压实过的轮沟经过耢平表面上平坦了,平面以下“虚”“实”不均是造成“漂秧”现象的主要原因。轮沟处密度很小,还有能把拖拉机陷下去的陷坑,在上面插秧也很困难。

 

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拖拉机在农田滚动阻力增加,对压实的土壤耕作犁的阻力增加,据山西省实地测验这两项加起来拖拉机的油耗增加55~72%[4]。这样学者们提出了将机械行走区与耕作区分离的概念。英国、美国、以色列、苏联等国家先后进行了研究[2.4]国内外针对压实问题的“固定道耕作法”就是一例,让拖拉机一直行走在压实的“固定道”上,不压4~6米宽的作物生长区。经过对“固定道耕作法”长期试验研究,肯定了机械压实对土壤的破坏作用。根据“固定道”的多年试验的试验报告,在固定道占耕地面积20%情况下,减轻耕作阻力节省能源,每亩仍能增产10.8%[5] 。作为固定道占去20%的耕地太可惜了。也充分证明克服机械压实基本能增加作物产量30%。是贯彻“机械行走区与耕作区分离概念”实验较多的措施之一。但是,这种大轮距拖拉机在设计上和配套农机具也存在困难,上路、转弯、调头也很麻烦。

   

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这是国外的轮距4米的“固定道”拖拉机

 

四、从根本上解决压实和“犁底层”问题

“轨道航车”的原始出发点就是针对这一问题而设计的,是在当前实施的“高标准农田”基础上建设的轨道航车系统,一劳永逸地解决机械对土壤的压实和破坏,为培育土地资源,创造作物生长的最好土壤条件。


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浙江省机械研究所罗高华先生的论文插图



 

 

福建沈双庆先生的论文插图

 

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苏联的桥式耕作系统概念图(М.А.Прваторов)

这是新近发现的资料,其实就是“轨道航车”,所不同的是我们一台航车

可以横向运动完成多跨度作业,也进行了具体机构设计和计算

 

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本方案示意图

“轨道”可以选择退役的旧钢轨或采用预应力钢筋混凝土结构(上面有起到横向定位作用的突台)。轨道固定在若干个夯入土地深层的圆柱体(间隔58米)上端。

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轨道每隔30米为一个跨度,有多个跨度,纵向每隔500~800米设置横向轨道(轨距0.81.0米轻轨)。

轨道航车有强大的牵引力,并不是不需要压力,而是把机组的所有重力和工作部件所受力通过航车横梁转移到特别建造的“轨道”上,再通过基桩把压力传递到地下深层,避免压实作物生长区的土壤。

“轨道”的“道”的另一个意义是构建最好的即坚硬、平坦,滚动阻力最小的机组驱动条件

“轨”是在“道”的基础上确定作业机械的纵向直线性、横向行距一致性和高度(耕播插深度、割茬)的运行基准。(解决大跨度驾驶问题)

“航车”横梁成为挂载农机具的改变耕作幅的横向“滑台”,构成了执行程序实现自动化的超级底盘。

30米跨度的航车两端的二轴驱动轮行走在轨道上。航车的箱式横梁上对称安装农机具挂接架。挂接架能沿横梁移动、升降和转动,相当于从横梁上伸出的刚性臂悬挂或牵引农机具。

挂接架上安装动力电机和工具化农机具机组(如立式卧式旋耕机、垄翻犁、播种、水稻插秧、水稻直播、中耕铲、培土、喷灌喷雾头、收割台,玉米摘穗、捡拾器、打捆机等)。大部分机具以“悬空”方式离地面作业;

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挂接玉米播种机的示意图:两端各挂一台8行(窄行距)4.8米,往返3行程完成一个跨度作业



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航车挂接玉米收获机和秸秆还田机的示意图,参照某样机尺寸结构:航车梁调高至2.8米,两端各挂一台63.6

机及还田机,往返4行程完成28.8米宽一个跨度作业


到田头挂接架自动提升农具、在航车横梁上横移一个工作幅、原地转180度、下降至工作高度,返回作业,如此往返;完成一个跨度作业后由横向轮支撑起航车沿横向轨道下一跨度。航车梁挂接周转箱,作业区内纵向由轨道航车将周转箱由运至横轨。横轨上有遥控小车,在横轨处将周转箱落装在小车上,遥控小车将收获物运往集中点,组成全覆盖田间运输网。轨道航车从此担负起这一有相当规模耕作区(如225公顷)的全部全程机械化作业,不再负担“跨区作业”任务,无需上公路。   

轨道航车在启动之初针对犁底层可以采用耕翻犁、旋耕、深松部件结合的方式加深耕作层,一次性或逐步打通“犁底层”,改善耕作层水、气、热量调节功能和微生物环境,充分发挥“精耕细作”的优势从而提高作物产量。又是改土、换土、深层施肥及平整土地,人工创造优质农田的得力设备。国内外“固定道”的多年试验研究,均证明免压实效果显著。轨道航车就是把拖拉机的机行道加宽至到30米,免压的效果是相同的或只有更好。

创造良好的机械运动条件,“航车”系统和工作部件的重力、受力通过航车横梁作用在轨道上,取代通过拖拉机大质量对土壤的附着力产生牵引力的物理机制,可以大幅度提高动力利用率,降低机器行走滚动阻力。拖拉机的牵引效率超不过47%,轨道机械牵引效率在90%以上[7]。土壤不压实减小耕作阻力节省能源40%[8]犁等受力大的部件由于与质量10几吨的航车主梁的支撑,有足够的部件稳定性储备,无需设置犁床一类的压实土壤的零件。轨道很窄,轨道设计的干涉作物宽度为1.2米,占地面积减至4.8%。更减少田边地头、机耕道、水沟、田埂、田间小路,大幅提高土地利用率[6]。当然,打通犁底层”并不意味着土层越“松”越是好,疏松后的表层和播种种床还是需要适合的紧实度。各种作物对不同层次土壤紧实度的要求将随着农学家的要求给予满足。电力取代柴油将大幅度降低农机作业能源消耗成本,一个kWh电价是柴油的分之一。廉价能源可敞开使用,充分满足农艺需要,精耕细作“三铲三耥”也不为过。

 

小结

在依靠人畜作业年代就存在的压实和犁底层问题,随着机械化的实施不但没有解决反而愈加严重。无论何种拖拉机,只要是需要机械压在地面上产生牵引力的作业无法避免压实和犁底层问题,更不可能创造出理想的土壤环境除非能证明这种压实和破坏对种植业是无害的。

要想从根本上解决压实问题只有机械行走区与耕作区分离

若需要“分离”,大跨度能减少占地,减少工程投资;

超大轮距拖拉机技术难以解决,工业航车技术成熟可以借鉴;

构建高质量轨道为机组创建理想的驱动条件;

依轨道为基准解决了驾驶,加上成熟机械技术实现自动化;

强大运输能力组成全覆盖轻便快捷农田运输网;

一步跨入电动化,减少碳排放,大幅度降低作业成本。

设计思路是连贯的顺理成章的,只要想解决压实问题,

轨道航车也许是唯一出路。

 

               参考文献

1.周艳丽卢秉福.农田机械压实对土壤物理性的影响.中国农机化学报.2018.9

2.周绍权.试论拖拉机行走系统压实土壤的问题.土壤学进展.1981.03期

3.翟振.犁底层对作物生产与环境的影响及其机制研究.中国农业科学院.2017

4.刘杰等.从机械、土壤、作物体系看农业机械化发展途径.华北农学报.1987.2期

5.王晓燕李洪文.固定道保护性耕作原理与实践.中国农业科技出版社.2009

6.刘闻铎.桁架式作业机组的设想.中国农业机械学会论文.1980

7.沈双庆.轨道农业机械系统的可行性研究.福建农机.2003增刊

8.罗高华.桁架作业机的探讨.农业机械学报.1984.9 3期

 

 

 




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1 杨正瓴

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