陳文岳等

摘要：結(jié)合美國防治耕地水土流失的技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹一種土壤條件改良新方法――土壤印痕裝置TerraStar。從理論上探討該裝置系統(tǒng)的產(chǎn)品特點(diǎn)和技術(shù)原理，并通過耕地水土流失、大豆直播栽培等對比試驗(yàn)加以驗(yàn)證。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置與同類方法或裝置相比較，具有極大的先進(jìn)性和優(yōu)越性，對有效保護(hù)耕地具有積極作用。

關(guān)鍵詞：土壤印痕裝置；耕地；水土流失；美國；免耕

中圖分類號：S2781 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0046-03

農(nóng)業(yè)是人類生存的基礎(chǔ)，而土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本。然而，在水文氣候變化加劇和人為活動(dòng)日益增強(qiáng)的背景下，嚴(yán)重的土壤侵蝕使得耕地面積減少，土壤質(zhì)量退化，并導(dǎo)致了一系列的生態(tài)和環(huán)境問題。為此，長期以來人們采用各種方法進(jìn)行耕地水土流失防治。美國在1934年經(jīng)歷史無前例的“黑風(fēng)暴”洗禮后，特別重視水土流失防治問題，制定保土法案，實(shí)行水土流失預(yù)測預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測，推廣水土流失治理措施。同時(shí)，在耕地保護(hù)方面，美國尤其重視新技術(shù)新方法的應(yīng)用，測土配方施肥、保護(hù)性耕作、固土劑等技術(shù)取得了良好成效。土壤印痕裝置是在筑埂囤水、蓄水翻耕等傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上改良優(yōu)化而成的耕地水土流失防治新技術(shù)。多年的推廣應(yīng)用表明，該裝置防止耕地水土流失、提高作物產(chǎn)量效益的作用明顯。

1 土壤印痕裝置的工作原理及產(chǎn)品特點(diǎn)

土壤印痕裝置是美國印第安納州塞倫市特拉康科技有限責(zé)任公司的科研專利產(chǎn)品（商品名為TerraStar）。TerraStar裝置系統(tǒng)的主要部件為船頭形的滾輪組合件（圖1）。當(dāng)該裝置在外力牽引下滾過土壤表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾何形的規(guī)則凹坑及任選的堰結(jié)構(gòu)，以此來增加土壤的比表面積、增強(qiáng)土壤的滲透性能，達(dá)到提高土壤溫度、減少水土流失的作用。該裝置無論是與壓碾滾輪裝置及筑埂囤水方法，還是與保護(hù)性耕作技術(shù)及相關(guān)性專利產(chǎn)品相比較，均具有極大的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

1.1 壓實(shí)深層土壤面積極小

TerraStar滾輪裝置的外周凸脊元件呈船頭形，此設(shè)計(jì)可有效減輕滾輪對土壤表面產(chǎn)生的垂直壓力，并能大幅度減少滾輪作業(yè)時(shí)壓實(shí)的土壤面積，避免了壓印法及蓄水耕作系統(tǒng)在憑借自身重量（或裝載負(fù)荷）產(chǎn)生土壤凹坑的同時(shí)，易壓實(shí)部分土壤表面、增加表土固結(jié)度、降低土壤滲透性的缺點(diǎn)。

1.2 加固表層土壤效果良好

TerraStar滾輪裝置通過側(cè)向（而非垂直）滾壓表土層，可提升揉捏、引導(dǎo)加固土壤，并在其表面產(chǎn)生一系列加固的船頭形凹坑（圖2），改進(jìn)了筑埂囤水方法采用過程中，由于土質(zhì)疏松造成堤埂側(cè)壁及土層表面的土壤微粒被沖刷沉積形成密封凹坑，影響土壤滲透的不足。

1.3 促進(jìn)作物生長作用顯著

TerraStar滾輪裝置具有良好的保溫、保水、保土、保肥性能，能夠促進(jìn)農(nóng)作物的生長發(fā)育，尤其對促進(jìn)根系生長、增強(qiáng)根系活性十分有利。與20世紀(jì)60年代開始盛行的免耕法相比，其雖然增加了操作成本，但卻克服了后者需要使用大量除草劑、污染環(huán)境、影響土壤加熱和干燥過程、妨礙種子萌發(fā)和幼苗生長的缺點(diǎn)。最為關(guān)鍵的是，少免耕法由于翻耕不夠充分，會(huì)阻礙水分滲流到深層土壤及蓄水層，不能有效地防止水土流失。而TerraStar滾輪裝置的最大優(yōu)勢在于不但能明顯增加作物生長量、提高生產(chǎn)效益，而且能顯著減少耕地水土流失。

2 土壤印痕裝置的試驗(yàn)效果及生產(chǎn)應(yīng)用

TerraStar滾輪裝置自被發(fā)明設(shè)計(jì)以來，進(jìn)行了多年多點(diǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該裝置能夠顯著增加土壤比表面積和田間持水量，明顯減少土壤養(yǎng)分流失量和雨水徑流量，具有良好的試驗(yàn)效果和生產(chǎn)效益。墨西哥Queretaro大學(xué)Eusebio Ventura博士于2001—2005年的研究結(jié)果表明：該裝置能有效減少地表徑流和水土流失，明顯提高土壤滲透性和土壤含水量，并可顯著促進(jìn)大豆種子的萌發(fā)和出苗，且雨水缺少年份的成效尤為突出。其中2002年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：田塊中的降雨有效利用率基本達(dá)到100%，無明顯的雨水徑流及土壤侵蝕現(xiàn)象發(fā)生，相反，雨水入滲率及殘積土壤含水量分別增加約50%，20%；大豆單產(chǎn)增加近100%。國際知名農(nóng)業(yè)試驗(yàn)公司——Arise Research & Discovery Inc的2006年分析結(jié)果顯示：試驗(yàn)田塊內(nèi)土壤容重降低、總孔隙度增大、水溶性硝酸鹽含量下降；作物的整齊度和健康度明顯提升，產(chǎn)量和效益顯著增加，其中番茄、馬鈴薯、玉米增產(chǎn)幅度分別達(dá)到12.18%，15.38%，12.29%。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理區(qū)肥料使用量減少10.00%時(shí)，作物產(chǎn)量、產(chǎn)品等級及經(jīng)濟(jì)效益仍均顯著優(yōu)于對照。

此外，2011年利用滾輪裝置開展坡耕地水土流失、大豆直播栽培等對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在模擬降雨及自然降雨過程中，處理區(qū)泥沙流失量平均為4.96 g/m2，而對照區(qū)則為14.47 g/m2，同比減少65.72%；在大豆對比試驗(yàn)中，處理與對照的大豆產(chǎn)量分別為658.37 kg/667m2，602.53 kg/667m2，增幅約9.27%。

TerraStar滾輪裝置還具有鮮明的產(chǎn)品特點(diǎn)和推廣優(yōu)勢：1） 成本低廉。裝置的滾輪元件由塑料或其它聚合材料一次模制而成，不但生產(chǎn)方便，而且成本低廉，整個(gè)裝置平均售價(jià)不超過100美元。2） 構(gòu)造簡單。裝置的基本元件為外周邊呈凸脊?fàn)畹闹锌請A輪，可被軸向?qū)R及組合，形成長度可調(diào)的圓柱形滾動(dòng)工具（圖3）。3） 用途廣泛。裝置的滾輪元件為中空設(shè)計(jì)，可通過閥門向空心芯部充填壓縮空氣、液體、凝膠填充物，以調(diào)節(jié)滾輪硬度和質(zhì)量，適應(yīng)多種作業(yè)條件和土壤類型。4） 操作便捷。裝置可單獨(dú)使用，在外力（機(jī)械、人力、畜力）牽引下完成操作，或安裝于其它動(dòng)力作業(yè)機(jī)械的相應(yīng)位置（如拖拉機(jī)），并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，能夠一次性完成翻耕作畦、固土播種等工作（見圖4）；5） 功能復(fù)合。裝置既能增加地表糙度、減緩坡面徑流，又能降低土壤容重、提高土壤滲水性和抗蝕性。同時(shí)，它還可以增加土壤比表面積和有效溫度，減少土壤養(yǎng)分流失，具有改善作物生長環(huán)境、提高作物產(chǎn)量的作用。

綜上所述，TerraStar滾輪裝置可穩(wěn)固表土，又不會(huì)使土壤固結(jié)。自2007年專利授權(quán)以來，該滾輪裝置在北美洲、南美洲及非洲等地得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

3 土壤印痕裝置的推廣意義及市場前景

水土流失是世界性的環(huán)境問題之一，它使土地退化、生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，對人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。因此，減緩或控制水土流失一直是個(gè)世界性的課題。自1877年德國土壤學(xué)家Ewald Wollny開展土壤侵蝕研究以來，在各國學(xué)者的努力下，對土壤侵蝕基本規(guī)律的認(rèn)識不斷發(fā)展和深入，水土流失控制措施也不斷得到完善。

TerraStar滾輪裝置不僅是多種耕地土壤保護(hù)措施中最為快捷有效的方法，而且是眾多防止土壤侵蝕產(chǎn)品中最為新穎實(shí)用的裝置，既能促進(jìn)作物生長、增加產(chǎn)量，又能減少水土流失、保護(hù)土壤環(huán)境。相信隨著人們環(huán)保意識的日益提高及對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式認(rèn)識的不斷深入，TerraStar滾輪裝置將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

我國是個(gè)人口大國，人多地少，保障糧食安全是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一要?jiǎng)?wù)，同時(shí)我國也是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺及水土流失最嚴(yán)重的國家。因此，在發(fā)展糧食生產(chǎn)的過程中，更需要注重節(jié)約用水和水土保持。TerraStar滾輪裝置是一項(xiàng)節(jié)水節(jié)能、生態(tài)高效的最新專利產(chǎn)品，如果加以引進(jìn)并在適宜地區(qū)（如北方干旱及半干旱地區(qū)）及相應(yīng)農(nóng)作物種類（玉米、大豆、馬鈴薯等）上推廣應(yīng)用，對我國的糧食生產(chǎn)及耕地保護(hù)有著積極的作用和意義。