CN108377677A - 一种二氧化碳膨胀松土装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳膨胀松土装置及方法，装置包括管体和锥头，所述管体内设有充装液体二氧化碳的空腔，所述管体的出气口端密封安装有锥头，所述锥头中部设有气体通道，所述气体通道通过安装在气体通道上的压力阀与管体的出气口连通，所述锥头上沿锥头轴向排布有至少一组喷射孔组，方法包括布点、植管、连线、激发、检查、撤收等六步，本发明能够选择松土土层的深度，使所需深度土层实现均匀、整体蓬松，改善土壤结构，同时该装置重量轻、体积小，操作轻便，免除了大型机械碾压土壤的缺陷。

Description

一种二氧化碳膨胀松土装置及方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳膨胀松土装置及方法。

背景技术

土壤板结是农田、果园、草地、菜园农作过程中的普遍现象，是土壤退化、土壤质量下降、土壤生产力不可持续的重要障碍因子。土壤板结主要与土壤质地粘重、耕作层浅、有机质含量低、化肥施用过量、机械耕作压实等因素有关。松土是消除或减轻土壤板结问题的重要技术措施。通过松土增大土壤颗粒之间的空隙，使土壤变得疏松，提高土壤通气性，增加根细胞的呼吸，促进根毛与土壤中矿质元素交换和根对矿质元素的吸收；同时，为土壤微生物活动创造良好条件，促进有机物质分解，增加土壤养分供应能力，改善营养条件；松土还可以调节土壤水分，保墒防旱。在干旱条件下，松土后能破除土壤板结，截断毛细管，防止土壤水分的蒸发，达到蓄水保墒作用；当水分过多时，又可以增加土壤水分蒸发，使植物生长发育良好。

传统松土技术主要包括人工松土、畜力翻耕及添加有机土等，传统技术需要花费大量时间和人力、畜力的投入，且松土效果不理想。近年来在草坪、园艺上发展了打洞机松土技术，农田应用中发展了挖掘机松土器和推土机松土器。松土机械的发展无疑对松土过程劳动投入的减少和松土效率的提高起到重要作用，但这些松土机械及其使用也存在一定的局限。如打洞机松土主要通过探针在地上形成小窟窿，尽管有利于土面的水通过打洞形成的针洞流到深层土壤，但是这一技术并未从本质上改变土壤孔隙度及土壤松紧度来达到土壤真正松土的目的。挖掘机式松土器或推土机式松土器需要将松土装置与动力牵引设备连接进行工作，一般庞大笨重，在土地休闲期、开阔平整的地面较易作业，而难以对面积较小或细碎地块及不平整地块及有植物生长的土地开展松土作业，同时，大型机械作业时还可能存在对土壤的压实作用，进一步加剧土壤板结。因此，发明一种能针对不同土地利用方式、不同地面平整程度、不同田块大小、不同作物覆盖条件的土壤松土技术，同时不会对土壤产生二次压实的装置和技术具有重要的应用价值和前景。

发明内容

针对现有技术的不足本发明提出一种可以应用于不同土地利用方式、不同面积土地、不同地面条件土壤的松土，通过液态二氧化碳相变产生高压二氧化碳气体膨胀作用于土壤，使一定深度周围及其上层土壤发生蓬松的二氧化碳膨胀松土装置及方法，而且本发明能够选择松土土层的深度，使所需深度土层实现均匀、整体蓬松，改善土壤结构，同时该装置重量轻、体积小，操作轻便，免除了大型机械碾压土壤的缺陷。

本发明的目的通过采用下述技术方案予以实现：

一种二氧化碳膨胀松土装置，包括管体和锥头，所述管体内设有充装液体二氧化碳的空腔，所述管体的一端封闭，另一端设有出气口，所述管体内设有将管体内液体二氧化碳向气态的转变的加热装置，所述管体的出气口端密封安装有锥头，所述锥头中部设有气体通道，所述气体通道通过安装在气体通道上的压力阀与管体的出气口连通，所述锥头上沿锥头轴向排布有至少一组喷射孔组，每组喷射孔组由多个沿锥头周向均匀排布的喷射孔构成，所述喷射孔通过喷射通道与气体通道连通。

所述管体上设有可朝管体内充装液体二氧化碳的充装口。

所述加热装置为加热管，所述加热管设置在管体内并且与管体同轴设置。

所述加热管为基于火药式的加热管或基于电磁加热式的加热管或基于铝热效应式的加热管或基于电加热式的加热管。

所述加热装置由外界控制装置控制。

所述喷射孔与锥头轴向设有一夹角。

所述夹角为5-20度。

一种二氧化碳膨胀松土方法，利用上述的二氧化碳膨胀松土装置，包括如下步骤：

a、布点：

确定松土点深度和松土点间距，在板结土范围内布设一定数量的松土点，各松土点间应呈三角形布设；

松土点深度值等于待蓬松土壤的最低点到地面的垂直距离，一般不大于 80cm；松土点间距值指的是相邻松土点之间的中心距离，该值应考虑作物/果树之间的间距，实际应用时需要经试验进行确定，一般不超过4m。

b、植管：

按设计的松土点深度和松土点距离将二氧化碳膨胀松土装置植入点位土壤中；植管的深度应为松土点深度加上锥头的长度。

c、连线：

首先用支导线将二氧化碳膨胀松土装置的引出线连接成串联网路，敷设主导线，主导线一端连接支导线，另一端连接控制器；

d、激发：用控制器对二氧化碳膨胀松土装置进行激发，激发后进行效果检查，确认并记录板结土壤蓬松质量。

所述步骤a中布点时，确定好点位后应作好标记和记录。

由于采用上述结构，本发明具有如下有点：

1、创新性地提出了一种基于二氧化碳相态变化产生气体高压作用实现板结土壤松土技术。

2、本发明实现了一定土层土壤整体、均匀蓬松效果，避面了针管式松土器械只实现局部打孔，将水分引入底层，而未实际改变土壤板结的效果。

3、本发明钻一个孔即可实现周围较大面积土壤的松土作用，避免了挖掘机式松土器或推土机式松土器需要动力牵引，机械笨重对土壤碾压等破坏作用。

4、本发明实现了作业期间不论地面是否有作物生长都可进行非破坏性松土作业，松土过程对作物生长不产生影响，突破了翻耕松土机只能在未种植作物时操作的限制。

5、本装置小巧、轻便、应用范围广，操作简单，可循环使用于不同土地利用方式的土壤松土，菜地、果园、园艺、草坪、农田均适用，也可适用于不同面积、不同地形条件的土壤。

综上所述，本发明通过将液态二氧化碳通过激发以后变成气态，在标准状态下(温度约15度，压力约1个大气压)其体积会增大约600倍，利用二氧化碳液-气相变产生大量气体的这一特性，研发了一种基于二氧化碳液-气相变膨胀松土装置，首先将压缩液态二氧化碳灌注入装置中，然后将该装置***待蓬松的土壤中，通过专用激发器实现二氧化碳的液-气相变，产生的二氧化碳气体膨胀作功，通过其准静压作用和气楔作用对板结土壤进行总体蓬松，改善土壤结构，为我国中低产田土质粘重、土壤板结障碍因子的消除及农田、果园、草地、菜园板结土壤改良提供技术支撑，对促进作物生长和提高土壤质量等均具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明铺设的结构示意图。

附图中，1－接线触点，2－加热管，3－液体二氧化碳，4－管体，5-锥头， 6－喷射孔，7－压力阀，8－充装囗，9－手柄。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，来详细说明一种二氧化碳膨胀松土装置及方法的具体实施方式。

如图1所示，一种二氧化碳膨胀松土装置，包括接线触点1、加热管2、液体二氧化碳3、管体4、锥头5、喷气囗6、压力阀7、充装囗8、手柄9；所述管体内为充装液体二氧化碳3的空腔，管体4的一端封闭，另一端设有出气口，所述管体4 上设有可朝管体内充装液体二氧化碳3的充装口8，所述管体4内设有将管体内液体二氧化碳3向气态的转变的加热装置，所述加热装置由外界控制启动，所述加热装置可以为加热管2，加热管2的形式可以为基于火药式的，可以是基于电磁加热式的，也可以是基于铝热效应式的，还可以是基于电加热式，所述管体4的出气口端密封同轴安装有锥头5，所述锥头5中部设有气体通道，所述气体通道通过安装在气体通道上的压力阀7与管体4的出气口连通，所述锥头5上沿锥头轴向排布有至少一组喷射孔组，每组喷射孔组由多个沿锥头周向均匀排布的喷射孔构成，所述喷射孔6通过喷射通道与气体通道连通，所述喷射孔6与锥头轴向设有 5-20度的夹角，防止锥头5***土壤时，土壤堵塞喷射孔6。

上述接线触点1的作用是将加热管2的二个脚线引出，外界的电能通过该接线触点向管体里的加热管输送；加热管2的作用是为液体二氧化碳3的气相变提供能量，通过加热管2的快速加热可以实现二氧化碳由液态向气态的转变；液体二氧化碳3采用灌装机通过充装口8加压灌装进入；管体4由高强度特种钢材制作而成，主要作用是用于盛装液体二氧化碳3和加热管，并为二氧化碳相变提供成长空间和强度；锥头5由普通钢材制作而成，其主要作用有三个，一是通过螺纹连接用于封堵管体4的下端，二是用于安放压力阀4和的喷射孔6，三是利于装置***板结土壤中。喷射孔6设置于锥头5内，有4～10条喷射通道，喷射通道一端通过气体通道、压力阀与管体相连，通道另一端通过喷射孔6与外界连通；喷射孔6的主要作用是将高压二氧化碳气体喷射到外面进行土壤蓬松；压力阀7是一种能承载一定压力(如80-100MPa)的复合材料板形结构，安装于锥头内；当管体内的二氧化碳气体压力达到该压力阈值后，压力阀打开，高压气体进入喷射通道；手柄9 用于操作该装置从土壤中***和取出。整个二氧化碳膨胀松土装置的尺寸规格可以变化，可根据需要进行定型。

松土原理

通过控制装置激发管体4内的加热管2，加热管2瞬间放出大量热量，达到二氧化碳液－气相变的条件，管体4内的液体二氧化碳3瞬间实现液态向气态的相变；由于二氧化碳相变过程会放出大量的气体，该气体密闭于管体4内，其压力会快速升高；当管体4内的二氧化碳气体压力达到压力阀7的压力阈值后，压力阀7打开，高压二氧化碳气体会沿着喷射口往外喷射，并对管体4外的板结土壤做功，在板结土壤中形成大量的径向、横向和环向裂纹，并在地面形成一定的***，达到蓬松板结土壤的目的。

二氧化碳膨胀松土装置性能：

以外径51mm的二氧化碳膨胀松土装置为例，装置长度约为100cm，管体外径约为51mm，管体壁厚约为8mm，可以对深度60～80cm、直径约4m范围内的板结土壤进行蓬松。

操作方法及注意事项

根据每次使用二氧化碳膨胀松土装置个数，将其操作分为单个和多个二种情形。

下面以外径51mm的二氧化碳膨胀松土装置为例，来说明操作方法。

(一)单个二氧化碳膨胀松土装置操作方法

单个二氧化碳膨胀松土装置操作方法，共分为布点、植管、连线、激发、检查、撤收等六步。

第一步布点：

对将要蓬松的板结土壤段进行测量或目测，确定板结土位置、厚度、宽度等基本参数；根据板结土壤的基本情况，确定松土点位、角度、深度；由于中间没有作物受阻，因此，每直径4m范围内布设一个松土点，深度不超过80cm，角度垂直或微倾斜，确定好点位后应作好标记和记录。

第二步植管：

按设计的深度和角度将二氧化碳膨胀松土装置植入点位土壤中；

第三步连线：

敷设一条长度不小于30m的导线，一端连接松土装置，另一端连接激发器；

第四步激发：

用激发器对线路进行激发；

第五步检查：

激发后，需要进行效果检查，确认并记录板结土壤蓬松质量。

第六步撤收：

二氧化碳膨胀松土装置完成喷射，经上述检查效果后，可以撤收该装置，进行下一个点位的循环使用。

(二)多个二氧化碳膨胀松土装置操作方法

如图2所示，多个二氧化碳膨胀松土装置操作方法与单个松土作业基本相同，也分为布点、植管、连线、激发、检查、撤收等六步，只是布点和连线的要求不同。

第一步布点：

要求：多排布点时，尽量呈三角形布设点位；各点位间、排距约取4m，深度不超过80cm，角度垂直，确定好点位后应作好标记和记录。

第二步植管：

按设计的深度和角度将二氧化碳膨胀松土装置植入点位土壤中；

第三步连线：

首先用支线将各松土装置的引出线连接成串联网路，再敷设一条长度不小于 30m的干线，干线一端连接松土装置，另一端连接激发器；

第四步激发：

用激发器对线路进行激发；

第五步检查：

激发后，需要进行效果检查，确认并记录板结土壤蓬松质量。

第六步撤收：

二氧化碳膨胀松土装置完成喷射，经上述检查效果后，可以撤收该装置，进行下一个点位的循环使用。

注意事项：

1、连线时线路应有10％的松弛度，接头处包缠绝缘胶布，并检测线路导通情况。

2、激发前需确保松土地块上没有其他人员、牲畜后再进行激发。

3、激发后检查时，首先不靠近装置，人站在作业地块***直接观察判定是否蓬松；当确定装置未动作时需要激发后十分钟再接近现场进行检查。

实施例：

新化县槎溪镇油茶种植区，30亩油茶林。该油茶林造林15年，处于盛产期，由于管理水平粗放，存在土壤板结问题，严重影响产量，亩产油茶籽仅15-20公斤左右，距离正常产量75～100公斤相差甚远，急需进行土地蓬松。

该油茶林的油茶树间距约3～4米，且根系密布，无法采用机械深松来处理土地板结问题；茶树的生长发育与根系的生育密切相关，“根深叶茂、本固枝荣”，人工进行松土无法达到深松。

采用二氧化碳膨胀松土装置进行深松解决了上述难题。

按照操作方法(二)的操作方法进行操作，详细如下：由于油茶树的间距不超过4米，因此在油茶树正中间布设深松点，深度约80厘米，角度垂直；将二氧化碳膨胀松土装置植入上述布设的点位土壤中；每次准备深松8～10个点，将各松土装置连接成串联网路，用激发器进行激发，按2个劳动力计，每天可深松20亩油茶林。

上述为本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：包括管体和锥头，所述管体内设有充装液体二氧化碳的空腔，所述管体的一端封闭，另一端设有出气口，所述管体内设有将管体内液体二氧化碳向气态的转变的加热装置，所述管体的出气口端密封安装有锥头，所述锥头中部设有气体通道，所述气体通道通过安装在气体通道上的压力阀与管体的出气口连通，所述锥头上沿锥头轴向排布有至少一组喷射孔组，每组喷射孔组由多个沿锥头周向均匀排布的喷射孔构成，所述喷射孔通过喷射通道与气体通道连通。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：所述管体上设有可朝管体内充装液体二氧化碳的充装口。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳膨胀松土装置及方法，其特征在于：所述加热装置为加热管，所述加热管设置在管体内并且与管体同轴设置。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳膨胀松土装置及方法，其特征在于：所述加热管为基于火药式的加热管或基于电磁加热式的加热管或基于铝热效应式的加热管或基于电加热式的加热管。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：所述加热装置由外界控制装置控制。

6.根据权利要求1至5之一所述的二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：所述喷射孔与锥头轴向设有一夹角。

7.根据权利要求6所述的二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：所述夹角为5-20度。

8.一种二氧化碳膨胀松土方法，利用权利要求5至7之一所述的多个二氧化碳膨胀松土装置，其特征在于：包括如下步骤：

a、布点：

对待蓬松土壤段进行测量，确定板结土的范围、厚度和宽度，在板结土位置布设多个松土点；

b、植管：

按设计的深度和角度将至少一个二氧化碳膨胀松土装置植入点位土壤中；

c、连线：

首先用支导线将二氧化碳膨胀松土装置的引出线连接成串联网路，敷设主导线，主导线一端连接支导线，另一端连接控制器；

d、激发：用控制器对二氧化碳膨胀松土装置进行激发，激发后进行效果检查，确认并记录板结土壤蓬松质量。

9.根据权利要求8所述的二氧化碳膨胀松土方法，其特征在于：所述步骤a中布点时，松土点呈三角形布设；所述松土点的深度不超过80cm，间距不超过4m，确定好点位后应作好标记和记录。