一种改良板结性退化草地的方法及专用弹齿式松土机.pdf

本发明公开了一种改良板结性退化草地的方法及专用弹齿式松土机，属于草地生态治理与恢复技术领域。技术方案包括对待改良草地进行切根作业，同时沿切缝的一侧或两侧对地表以下的土层进行疏松，在地表下构成疏松带，形成虚实并存的土壤环境。专用的弹齿式松土机，包括：机架，安装在该机架上的动力传动系统，与该动力传动系统相连接的驱动轴，安装的驱动轴上的破土断根刀，位于破土断根刀之后的还有铲柱，在铲柱的下部安装有松土铲。本发明对板结性退化草地的松土方法、工艺、实施步骤和机械化作业手段等方面均提出了具体可行方案，既适用于天然退化草地的生态恢复与治理，也利于延长人工草场使用年限，因此应用前景广泛。

1、  一种改良板结性退化草地的方法，其特征在于，包括对待改良草地进行切根作业，同时沿切缝的一侧或两侧对地表以下的土层进行疏松，在地表下构成疏松带，形成虚实并存的土壤环境。

2、  根据权利要求1所述的改良板结性退化草地的方法，其特征在于，所述的切根作业为纵向或纵横交错方式进行。

3、  根据权利要求1或2所述的改良板结性退化草地的方法，其特征在于，所述的松土深度大于土壤板结层厚度，沿切缝形成的土壤疏松带宽度不小于10cm，松土比例达到20％～30％之间。

4、  一种如权利要求1所述的改良板结性退化草地的方法所使用的弹齿式松土机，包括：机架，安装在该机架上的动力传动系统，与该动力传动系统相连接的驱动轴，安装在驱动轴上的破土断根刀，其特征在于，位于破土断根刀之后的还有铲柱，在铲柱的下部安装有单侧松土铲或双侧松土铲。

5、  根据权利要求4所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的铲柱呈弧状，由弹性金属材料制成。

6、  根据权利要求4或5所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的松土铲的侧面形状呈倒“V”形，在铲柱的前后形成两个坡状铲板。

7、  根据权利要求4或5所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的松土铲的正面呈倒三角形。

8、  根据权利要求4或5所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的铲柱位于切根刀的回转平面内，所述铲柱的厚度等于或小于10mm。

9、  根据权利要求4所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的破土断根刀为弦月形锯齿式弯刀。

10、  根据权利要求4或5或9所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的破土根刀厚度为d＝6～8mm，刀面宽度w＝60～80mm，刃口宽度a＝10～15mm，刃口厚b＝1.5～2.5mm，横断面呈箭形。

11、  根据权利要求9所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的弦月形锯齿式弯刀刃口曲线为偏心圆。

12、  根据权利要求9所述的弹齿式松土机，其特征在于，所述的弦月形锯齿式弯刀刃口上有宽锯齿，锯齿数为5～8个，锯齿侧边为直线或曲线。

一种改良板结性退化草地的方法及专用弹齿式松土机
技术领域
本发明涉及一种用于改良板结性退化草地的方法及其专用弹齿式松土机，属于草地生态治理与恢复技术领域。
背景技术
我国草地资源丰富，拥有各类天然草地近4亿平方公顷，占国土面积的41.7％，分别是耕地面积和森林面积的3.2倍和2.5倍。我国的北方及西北地区是天然草地的集中分布区，面积约3.2亿平方公顷，占草原总面积的80％左右。另外，在西南和东南以草山、草坡为主，面积约0.8亿平方公顷，占草原总面积的20％左右。在我国960万平方公里的国土资源中，草地资源的总量和人均占有量，均居其他土地资源的首位。
截至2007年，虽然全国已有20％左右的可利用草原实施了禁牧、休牧和划区轮牧等保护措施，但由于气候变暖、降雨减少，加上长期过载放牧以及人为破坏，导致草原“三化”(退化、沙化、盐渍化)现象严重。据粗略估计，上世纪50年代以来，我国天然草地的单位面积产草量下降了40％以上，其中典型草原下降近60％。另据农业部的最新监测显示，，我国天然草地的干草单产已经由上世纪80年代中期的900公斤/平方公顷降至2007年的760公斤/平方公顷，载畜能力平均仅为0.59羊单位/平方公顷(新西兰为10羊单位/平方公顷左右)。
国外采用机械化浅松方法消除因放牧的踩踏而出现的板结，增加土壤的透气性；而在天然草地上翻转土层的耕作方式要比不翻转土层的耕作方式更利于土壤疏松，这种方式可使土壤保持疏松状态3～4年，但反转土层对植物根系造成损伤，影响草地植被；对沙壤土草地的27cm或47cm深度的底层土壤进行疏松，能使土壤的容重明显下降、孔隙度提高，土壤水流动性更好，由于改变了土壤的物理特性，使得根系繁殖速度加快。在免耕补播复壮促生草地方面，国外在补播品种、补播时间、补播地块的选择、杂草的控制等补播方式的具体要求以及补播后效果对比和分析等方面的研究比较集中。由此可见，国外一般采用两种机械化方法改良草地：一是采用清理草地，翻耕整地，播种优良牧草，建设人工草地的方法；二是采用免耕法补播施肥。这些方法对于人工草地和轻度退化的草地具有普遍适用性。由于我国天然草原面积广阔，人工种植草地面积有限，且天然草原板结性退化严重，土壤板结层厚、土壤硬度大，因此国外尚未针对我国独特的退化状况提出具体的松土工艺模式和工作部件，其资料文献中未见相关研究报道。
国内在机械化改良退化草地方面已展开了研究。其中贾树海等人对几种不同改良措施恢复改良退化草地过程中土壤物理性质、水分、养分状况的变化进行了初步探索，认为可以通过封育、耕、粑来调控土壤的物理性质的状态，使之利于对天然降水的利用和植物生长；一些学者围绕改良退化草地的基本方法、工艺及改良后的效果等方面进行了很多试验性研究，认为围栏封育、轻耙松土、浅耕翻松土和补播等几种改良措施都可以提高草地生产力。总结目前的研究成果，浅耕翻、重粑、深松等机械化改良方式适用于因长期无养息超载放牧而使得土壤板结退化的天然羊草草地和种植年达到7～8年的人工草地，然而这些研究目前仅停留在对改良后植被生长情况和效果的简单评定上，提出的浅耕翻、重耙和深松等机械化作业方式直接照搬的农田机械化作业工艺模式，忽视了草地生态系统脆弱，草地土壤有机质层浅这一特殊情况，作业过程中出现的翻垡、抛土等现象对草地土壤扰动大，易引起草地植被受损、草地土壤沙化。中国农业大学王德成等人曾提出了“一种促进羊草复壮促生的方法”(公开号CN101243750A)，对复壮促生羊草草地机械化作业规程进行了具体阐述，这种作业针对的草地类型有限，且提出的方法松土效果不显著，同时对具体实现机具没有进行详细说明。
国内在农田中使用的松土部件包括全方位深松机、凿式松土锄、燕尾式松土铲等。这些部件主要是为了打破农田土壤深处形成的犁底板结层，而草地板结出现在土壤表层和亚表层，使用这些部件无法形成均匀疏松的土壤环境，而是在草地表层形成了大量断裂的板结块。目前草地改良方面所使用的技术和机具，主要包括使用铧式犁彻底耕翻草地，翻后耙平围封；使用单翼形铲和双翼形铲切根和底层松土；使用重型圆盘耙、羊草潜松犁(无壁犁)耕翻草地；使用免耕补播机对重度退化草地实施补播，以上方法常同一段时间的封育和施肥同时进行。这些技术在一定程度上可以起到改善土壤结构的作用，但在应用过程中也遇到了不少问题。彻底耕翻的方法提供了最好的土壤疏松环境，利于根茎扩张，一般三年后可恢复成良好的羊草割草场。但是最直接的威胁是裸露的表土极易风蚀、水蚀、跑墒，沙化过程加速，干燥大风的季节甚至为沙尘暴提供沙源；松土铲松土后增加了土壤的透气透水性，但当田间持水量过少时，土壤易翻垡、起垄，作业后地表不平整，影响割草、搂草机等其它草地机械作业；使用重型耙、羊草潜松犁(无壁犁)减少了土壤翻垡率，对土壤破坏相对较小，但由于采用被动式耕作部件强制拖拉划开草皮，切根松土，部件易缠绕草根或将草根拉出地表，对草地原有植被造成破坏。
发明内容
本发明的目的是要提供一种改良板结性退化草地的方法及专用弹齿式松土机，以解决我国天然草地板结性退化严重，草地松土方法落后，已有农田松土机械对土壤扰动大，无法满足草地改良工艺要求等关键技术难题，为我国天然草地生态恢复与优质牧草生产提供途径和方法。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括：对待改良草地进行切根作业，同时沿切缝的一侧或两侧对地表以下的土层进行疏松，在地表下构成疏松带，形成虚实并存的土壤环境，在松土的过程中，土壤无翻垡、壅土，没有翻底层沙到地表等破坏土壤现象。
上述的改良板结性退化草地的方法中，所述的切根作业为纵向或纵横交错方式进行。
上述的改良板结性退化草地的方法中，所述的松土深度大于土壤板结层厚度，沿切缝形成的土壤疏松带宽度不小于10cm，松土比例达到20％～30％之间。
为了达到本发明的第二个目的所采取的技术方案包括：机架，安装在该机架上的动力传动系统，与该动力传动系统相连接的驱动轴，安装的驱动轴上的破土断根刀，其特征在于，位于破土断根刀之后的还有铲柱，在铲柱的下部安装有松土铲。
上述的弹齿式松土机中，所述的铲柱呈弧状，由弹性金属材料制成。
上述的弹齿式松土机中，所述的铲柱的下部安装有单侧松土铲或双侧松土铲。
上述的弹齿式松土机中，所述的松土铲的侧面形状呈倒“V”形，在铲柱的前后形成两个坡状铲板。
上述的弹齿式松土机中，所述的松土铲的正面呈倒三角形。
上述的弹齿式松土机中，所述的松土铲的宽度为5～10cm。
上述的弹齿式松土机中，所述的铲柱由弹簧钢制成。
上述的弹齿式松土机中，所述的铲柱位于切根刀的回转平面内，所述铲柱的厚度等于或小于10mm。
上述的弹齿式松土机中，所述的破土断根刀为弦月形锯齿式弯刀。
上述的弹齿式松土机中，所述的破土断根刀刀身厚度为6～8mm，刀面宽度60～80mm，刃口宽度10～15mm，刃口厚1.5～2.5mm，所述破土断根刀的横断面呈箭形。
上述的弹齿式松土机中，所述的破土断根刀刃口曲线为偏心圆。
上述的弹齿式松土机中，所述的破土断根刀刃口上有宽锯齿，锯齿数为5～8个，锯齿侧边为直线或曲线。
上述的弹齿式松土机中，所述的机架上还安装有可上下调节的限深镇压轮。
本发明具有如下优点：
(1)建立了无翻垡、不壅土、少破坏的草地疏松方法。本发明要求进行松土作业时，耕作部件在割裂草地亚表层板结土壤，并疏松土壤的同时不会出现翻垡、壅堵土等现象；耕作部件工作过程中对草地地上及地下植物破坏少。
(2)创造了虚实并存的土壤环境，在土壤亚表层形成“蓄水水库”。本发明要求松土时将切割形成的土条抬高、弹松再放下，使原有的板结土条呈现沿切缝两侧通透、疏松的状态，创造虚实并存的土壤环境，这里“虚”指疏松的土壤，“实”指未经疏松的土壤(松土铲未走过的两侧)，当地表有降水时，实部产生的地表径流，和虚部渗透的水份共同在土壤亚表层虚部形成“蓄水水库”，从而均衡调节各月份间草地土壤含水量。
(3)设计了包括弦月形锯齿式破土断根弯刀、开放型弹齿式松土部件和镇压轮的专用草地改良松土机。本发明设计的松土机前端是受拖拉机动力系统驱动的弦月形锯齿式破土断根刀，后面是与破土断根刀同一回转平面内的开放型弹齿式松土部件，最后是镇压轮。弦月形锯齿式破土断根刀滑切性能良好，保证劈切开土壤板结层，彻底斩断沟缝内根系，保证松土部件顺利入土不缠草，刃口上的锯齿可以排出土屑，减小工作阻力；开放型弹齿式松土部件铲柱采用弹簧钢等弹性材料，通过能量的积累和瞬时释放实现疏松土条；镇压轮起到控制松土深度与保证作业后地表平整的双重作用。
(4)本发明对板结性退化草地的松土方法、工艺、实施步骤和机械化作业手段等方面均提出了具体可行方案，即适用于天然退化草地的生态恢复与治理，也利于延长人工草场使用年限，因此应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的弹齿式松土机工作过程中土壤的横断面示意图；
图2为本发明的弹齿式松土机的侧视结构示意图；
图3为本发明的弹齿式松土机的主视结构示意图；
图4为本发明的弦月形锯齿式破土切根弯刀的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示为使用本发明改良板结性退化草地的方法创造的虚实并存的土壤环境和亚表层“蓄水库”。本方法对待改良草地进行切根作业，同时沿切缝的一侧或两侧对地表以下的土层进行疏松，在地表下构成疏松带，形成虚实并存的土壤环境，在松土的过程中，土壤无翻垡、壅土，没有翻底层沙到地表等破坏土壤现象。
其中，所述的切根作业为纵向或纵横交错方式进行。
本发明中的松土方法其工艺要求松土深度大于土壤板结层厚度，松土铲的底部达地表层以下10～15cm，沿切缝形成的土壤疏松带宽度不小于10cm，松土比例达到20％～30％之间，松土比例是指机具单行程作业后，土壤疏松带的总宽度与机具工作幅宽之比。
在本实施例中，在进行切根作业时，沿切缝的两侧对地表以下的土层进行疏松。
本发明中的松土方法其工艺要求主要涉及松土后土壤无翻垡、壅土，不翻底层沙到地表等破坏土壤现象；松土过程中较少出现缠草、拖拽草根等破坏草地地上地下植被现象。如图1所示，本发明中的松土方法主要涉及到破土断根刀1割裂退化草地土壤板结层2，形成沟缝3，使降水、溶淋的氮、氧等元素可以沿沟缝3和沟缝两侧疏松的土壤进入到土壤内部；弹齿式松土部件4同时创造一种“虚实并存”的土壤环境，使地表的降水在虚部形成一个小型“蓄水水库”5，从而减小地表径流，均衡各月份之间土壤含水量。
为了实施本发明的方法，设计的专用弹齿式松土机主要由机架6、动力传动系统7、破土断根刀1、弹齿式松土部件4和可上下调节的限深镇压轮8组成，其中，弹齿式松土部件4包括弹性铲柱，以及设在该弹性铲柱下部的松土铲，如图3所示，动力传动系统7、破土断根刀1、弹齿式松土部件4和可上下调节的限深镇压轮8都安装在机架6上。
如图4所示，本破土断根刀1为弦月形锯齿式，其厚度为d＝6～8mm，刀面宽度w＝60～80mm，刃口宽度a＝10～15mm，刃口厚b＝1.5～2.5mm，横断面呈箭形；本弦月形锯齿式弯刀刃口曲线为偏心圆；本弦月形锯齿式弯刀刃口上有宽锯齿，锯齿数为5～8个，本实施例为7个锯齿，构成锯齿的两条边(即“v”字形，或称锯齿侧边)为直线或曲线。实验证明本破土断根刀滑切性能良好，能劈切开土壤板结层，彻底斩断沟缝内根系，使松土部件顺利入土不缠草，其刃口上的宽锯齿可以保证滑切的同时排出土屑，减小工作阻力，减少功率损耗，且宽的锯齿保证了其强度。
本发明中的传动系统主要包括中间齿轮传动或侧边齿轮传动，这种传动方式传递载荷平稳、传递载荷效率高。由图2可知本实施例采用了中间齿轮传动。
本发明中的弦月形锯齿式破土断根刀固定在刀盘上，每个刀盘可安装3～5把刀，松土机上安装6～8组破土断根刀(如图2所示)。刀盘可沿刀轴移动，调节松土比例。“破土断根刀由传动系统带动高速正转旋转劈开土壤板结层，形成一条条纵向土条，同时斩断土壤中的植被根系。弦月形锯齿式破土断根刀刃口曲线滑切性能良好，保证松土部件顺利入土不缠草，高速正转从土壤表面向土壤深处压缩土壤形成沟缝，不翻沙。
本发明的弹齿式松土部件中，铲柱厚度等于或小于10mm，并与破土断根刀处于同一回转平面内。铲柱带有一定弧度，并采用弹簧钢等弹性材料制造。本实施例中，铲柱下部两侧各带有一个宽度为5～0cm，侧面形状呈倒“V”形的松土铲，在铲柱的前后形成两个坡状铲板(见图3)，松土铲的正面呈倒三角形，其宽度(即倒三角形的水平边)为5～10cm(见图2)。工作时，在拖拉机的牵引作用下，切缝两侧的板结状土条沿前侧铲板向上运动被抬高，同时阻挡松土铲运动并拉伸弹齿式松土铲柄，使弧形的铲柱受力、发生形变，根据胡克定律这一过程使松土部件逐渐积累弹性势能；当积累的弹性强度大于板结土条抗剪切强度时，积蓄的弹性势能释放，铲柱松土铲瞬时向前加速运动，松土铲将板结的土条弹松，疏松后的土条沿后侧铲板落回原位置。这样在拖拉机行进当中，松土部件处于静止或减速运动拉伸积累能量-加速运动释放能量两个过程的连续转换，形成脉动式弹力松土，使原有的板结土条呈现沿切缝两侧通透、疏松的状态，并创造出虚实并存的土壤环境。当有降水时，实部产生的地表径流沿切缝进入到土壤虚部，和虚部渗透的水分共同在土壤亚表层虚部形成“蓄水水库”，从而均衡调节各月份间草地土壤含水量。
在实际生产中，铲柱下部也可以只设一个单侧松土铲，如果该松土铲设在铲柱的一侧，则对该侧的土层进行疏松。
本发明中的限深镇压轮为圆筒式，采用螺杆、螺管提升或下降，从而精确调节松土深度，同时镇压切缝两侧的疏松土条，保证作业后的草地除形成的沟缝外地表平整。
本发明所涉及的松土方法和松土机械适合于草地土壤亚表层出现板结性退化的天然草地或人工草场，这种退化的草地土壤板结层较厚，土壤坚实度高，地表径流严重，植被生长的土壤环境恶劣。
本发明针对目前草地松土方式单一落后，全方位松土后对土壤扰动大，甚至加速土壤退化、沙化等现象，提出了无翻垡、不壅土、少破坏的草地疏松方法，使板结的土壤呈现虚实并存的状态，并在土壤亚表层形成“蓄水水库”，调节土壤水份和养分运移。
针对现有农田松土部件主要破碎犁底层板结，而无法满足本发明提出的松土要求，本发明设计了一种新型松土机，采用主动型破土断根刀割裂土壤板结层，开放型弹齿式松土部件沿切缝疏松土壤的方式，实现板结性退化草地无破坏性的松土。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。