传统的耕作包括诸如犁耕、筑堤、耙地、播种、施肥和收割等任 务。在该耕作过程中，土壤常遗留成松散的状态，其中土壤遭到水份 蒸发及冲蚀。有通过以下方式来完成这些耕作任务的增加的需求，即 通过减少冲蚀来保护土壤及通过增加土壤的渗透能力来保存水。另外， 有使这些操作多任务化的要求，使得能够单次通过土地时完成多项任 务因而改善耕种操作的效率及降低成本。由于对保护土壤及水分的增 加的要求以及在耕种和土地管理实践中的多任务化，因此必须设计机 械及支持系统。
传统地，已用筑堤、压印及压紧系统以及蓄水式耕作系统来解决 土壤侵蚀及地表水的管理。已设计这些系统用来密封土壤的表面和/ 或从水落下处留住水来减少侵蚀。现时已有很多形式的设备用来在土 壤表面建立灌水坑和蓄水槽。使用设备压实土壤成坑的方法的实例包 括沟灌、筑堤、压实以及冲击、挖掘和用铲挖、盖印和压印。所有这 些方法结合可机械驱动或地面驱动的装置，并在它们的操作中可线性 移动或转动。但是，这些传统的方法和相关的装置不能提供减少侵蚀、 减小水的流失，增加吸水性和允许同时完成多项任务的系统或装置。
压印和压实装置压紧土壤以通过产生坑来解决侵蚀的问题。这些 装置要求垂直于土壤的表面施加过份的重量，允许土壤结构被压印以 便产生它们的印痕。压印机械的一个实例是商标为Dixon Wheel RollerTM的机械，该机械设计成具有要求的重量以克服土壤表面结构 以便产生一个压印。由于压实的结果，土壤表面被密封，这使得土壤 表面成为基本是不透水的。
土壤中的压实是加到土壤表面的重量的直接结果。在农田中很经 常发生压实，因为所用的设备的类型，例如模板犁或压印和压实装置。 在土壤表面的进一步压实是通过重型交通工具、拖拉机以及二轮车等。 压实的土壤表面通常已知是硬盘。当重量施加到土壤上，土壤结构被 压缩。加到土壤上的重量或负载越大，压实量越大。压实使地面土壤 压缩到成为基本密封和不透水的程度。因此在压实的地面土壤下面的 顶部土壤基本密封和几乎没有水能渗透。这进而导致促成当前供水问 题的、在下面蓄水层的再补充水的减少。另外，农民需要使用如 RippersTM、SubSoilersTM或Pan BustersTM穿透硬盘下面和使其破裂 以允许水份渗透，因而促进庄稼上的根部系统生长。这些实践几乎不 能提供这样一种系统，该系统减少水流失、增加水渗透并允许多任务 化。
最近，已设计出压印类型的机械，只要求用小的重量来产生土壤 表面的压印，力求克服一些相关的问题。即使这些最近设计的机械比 Dixon WheelTM和其它类似的装置更轻，但它们仍比较重，并降低土 壤的吸水性。
已设计土壤筑堤系统和装置以解决与压印和压实系统有关的一些 问题。通过铲土、挖土和/或耙土来完成筑堤，随后土壤成松的状态以 形成坑或蓄水槽。挖土比压印或压实装置需要更小的重量，企图使土 壤表面更易透水。但是，当水加到松土时，其冲击和移去在堤防侧上 的细土粒和有机物，并冲洗它们进入坑的底部。随后这些土粒密封坑 的底部，这减小了土壤的渗透性并减少了减流。另外，在小雨及大雨 的情形下，松土从场地被冲蚀。
现时在耕作中提供土壤和水的保护的另一个企图是无耕耕作的实 践。无耕耕作是从收割到种植，土壤留下原状不动。种植在由盘式开 土机产生的窄的苗床或槽中完成。犁刀、渣滓处理器、种子稳固器和 改型的封闭轮用于播种机以提供合适的种子-土壤的接触。但是无耕 法有一些缺点。无耕法要求使用除草剂来消除杂草的竞争，这使生产 成本增加。留在土壤上的庄稼残余物妨碍土壤加热及干燥，使种植更 困难并减少了种子的发芽。普通的耕种系统不能用来结合肥料和除草 剂，留在地里的多的残余物或簇叶导致差的土壤种子接触，因而减少 了种子发叶。另外，土壤的表面不留在高的透水性的状态，导致雨水 流失，并减少渗透到亚地面土壤和下面的蓄水层。
最近已设计如美国专利US 5 628372(′372专利)教导的蓄水耕 作系统来解决与上述耕作实践有关的问题。′372专利教导了一种农业 机械，其具一系列多面周边凸脊元件，所述元件具有有选择间隔地外 接一个盘的、平的前缘和后缘。凸脊元件具有其间隔开的、平的圆周 段。′372装置的构造在转动中由于凸脊元件在土壤上的垂直冲击使土 壤压实而形成水保持坑。该压实减少了水渗入土中。另外，多面周边 凸脊元件的平的尾缘在对有效的耕作实践必须的转速下扔土。这一扔 土用细颗粒充填产生的坑，使坑的底部密封，这进一步减小了土壤的 吸水性。另外，扔土使坑的结构的一部分破坏，导致坑的其余结构更 早的破坏。
存在改进土和水的保护及提供有效的耕作实践(如同时完成多项 任务及土地管理实践)的需要。

本发明提供了一种土壤调节装置，其具有一系列船头形周边凸脊 元件，所述周边凸脊元件任选地由外接一个盘、轮或鼓的亚凸脊元件 连接。当土壤调节装置滚过土壤表面时，在土壤中产生一系列加固的 船头形坑及任选的堰结构，从而增加了土壤的渗透性并减少了水的流 失。把土壤调节装置滚过土壤表面可用机械、人力、兽力装置来实施。 土壤调节装置可用作滚动土壤调节装置的设备的轮、或被动地由设备 拉着。优选地，诸如拖拉机之类的运输装置拉动其上装有多个土壤调 节装置的圆筒滚动工具。土壤调节装置的主要目的是使下雨时土壤可 留住雨水并因此减少侵蚀，并增加土壤的水保持性及渗透性，以及提 供多任务化能力。
土壤调节装置是一个转动装置，该装置可连接到大多数现时的农 业和园艺机械，并且也可以连接到要求土方工程的、用于建筑、开矿 或其它情形(包括家庭园艺的)的专门设计的机械。另外，土壤调节 装置也可装到兽力或人力装置上，如一个三轮车上，它用土壤调节装 置作为轮子。几个土壤调节装置可相邻对齐以形成一个土壤调节工具， 其形式为带有多个土壤调节装置的圆柱辊。在与地面接触时，驱动或 滚动所述装置或工具，形成一系列船头形坑和任选的邻接堰。另外， 土壤调节装置或工具可装有棘齿释放、制动或离合部件，或可通过各 种动力源以完成多项任务需要的速度被机械驱动。
土壤调节装置由比较轻的材料组成。这种材料包括木头、聚氨酯 泡沫塑料、橡胶、硅橡胶、合成橡胶、HytrelTM、氨基甲酸乙酯、各 种塑料或聚合材料、和上述的材料的组合。优选地，土壤调节装置由 塑料或聚合材料(如高密度聚乙烯、聚氯乙烯、乙烯)或其它这类模 制塑料材料制成。已发现高密度聚乙烯有优点，因为它是重量轻、坚 固、有柔性和应用到土壤中呈现自清洁性的材料。任选地，可加入诸 如碳黑之类的紫外线稳定剂，来改进抗风化性。多种聚合材料的组合 也已显示重量轻和有一定柔软性的期望性能。
土壤调节装置模制成产生一圆形的外壳，具有一系列船头形周边 凸脊元件，所述凸脊元件任选地由包着空心芯部的亚凸脊元件连接着。 这种设计和制造的材料允许农民或其它使用者对于各种土壤类型在使 用点调节形状、硬度和重量。该可调节性允许它在多种条件下有效工 作。调节是通过一个在土壤调节装置中的阀充填空心的芯部来实施的。 芯部可充填压缩空气或其它气体、水或其它液体、凝胶、固体、膨胀 泡沫、空气和水的混合物或上述材料的任意组合以得到要求的形状、 硬度和/或重量。
通过沿基本水平方向把轻的压力施加到土壤表面以便使土壤的最 外表面轻轻地加固或粘结在一起，土壤调节装置使其滚过或驱动经过 的土壤模压或加固。轻轻地加固土壤表面把最外地面土壤颗粒粘在一 起，留下多孔的渗水的土壤表面以便具有更大的渗透能力。当土壤调 节装置运动通过土壤时，土壤流过并绕着装置的各个元件的表面，使 土壤重构造成要求的形式。当土壤流过并围绕各个元件表面时，土壤 在装置或有多个装置的工具后面被提升并成船头波方式流动。在土壤 流动的状态下，装置在土壤流中转动并成型、引导和轻度揉捏土壤， 同时引导其进入合适位置，产生一系列加固的坑和任选的堰，因而在 已知的“液压成形”过程中，留下土壤表面成为“几何要求的粗糙度 (GOR)”，这对于控制由水和风引起的侵蚀是必须。该加固土壤的过 程要求小的或不要求垂直土壤表面的附加压力或力，因而为表面土壤 提供小的压缩或不提供压缩。加固是沿基本上横向方向实施的并在土 壤中成形包括各种曲线和角的结构，形成船头形坑和任选的邻接堰， 这增加了土壤的表面积。渗水性及土壤表面面积的增加都使土壤的吸 水性增加和侵蚀减少。另外，凸脊的船头形允许装置在对于有效的耕 作实践需要的速度下操作。
本发明的土壤调节装置使土壤表面加固成一系列可渗水的或多孔 的船头形坑和任选的邻接堰，控制水流并增加土壤与雨水接触的表面 积，从而增加土壤的有效的吸水率。这些船头形坑和任选的邻接堰设 计成使流水减慢或停下但仍然允许土壤吸水。这些结构在土壤的整个 表面上被均匀加固，增加了土壤的表面积并增加了土壤的渗透率。另 外，增加的表面积使土壤被阳光加热增加，改进了种子发芽。在该模 压或加固的表面下面，土壤结构保持松的，因而允许水渗过土壤。这 些船头形坑和任选的邻接堰增加了土壤的孔隙率、渗水率和吸水能力， 通过基本消除和/或减慢水的流出使土壤的侵蚀减少。另外，由于雨水 或灌溉水容易为有高孔隙率及与水接触的表面积的土壤吸收，所以减 少了田野里的表面积水。
土壤调节装置有很多应用及优点。它可工作在几乎所有的土壤类 型及农业应用上，如种植、地表水控制、土壤加温、减少风蚀、栽培 和犁地、或普通的建筑应用，如铲土、建护道、翻修地面或甚至产生 州际公路间的子午线。
附图说明
图1是本发明土壤调节装置的透视图，示出外接在一个轮上的船 头形凸脊元件和亚凸脊元件；
图2是本发明土壤调节装置的一个实施例的透视图，示出外接在 一个轮上的多个隔开的船头形凸脊元件；
图3是图1的土壤调节装置的侧视图，示出外接在一个轮上的船 头形凸脊元件和亚凸脊元件的相对尺寸；
图4是图1的土壤调节装置的前视图，示出外接在一个轮上的船 头形凸脊元件的相对侧之间的角度；
图5是结合有多个图1的土壤调节装置的土壤调节工具的正视图；
图6是在种植后用的、结合多个图1的土壤调节装置的土壤调节 工具的顶视图；
图7是由图5的工具形成的土壤压印的顶视图；
图8是由图1的装置加固的土壤的横剖面图；
图8a是由图2装置加固的土壤的顶视图；
图9是处在伸出状态的土壤调节工具的横剖面图；
图9a是处在缩回状态的土壤调节工具的横剖面图。

图1示出一种土壤调节装置100，其具有一系列船头形周边凸脊 元件104，所述凸脊元件104由外接在一个轮或盘102上的多个亚凸 脊元件110连接。多个凸脊元件104的每一个具有船头形的前表面106 和船头形后表面108。在各前表面106和后表面108之间的间隔是一 个亚凸脊元件110。土壤调节装置的该实施例也可以是一个轮元件 102，围绕轮元件102的圆周有变化高度的、中部连续的外周边凸脊。 周边凸脊由具有船头形前表面106和船头形后表面108的船头形周边 凸脊元件104形成。凸脊元件104由亚凸脊元件110连接或穿插，并 有一个圆形顶表面和朝着轮元件102倾斜的侧壁114和116。
示出土壤调节装置100外接一个轮102并且它是具有空心内部的 单一材料。优选地，土壤调节装置100由聚合材料制成。更优选地， 形成本发明的土壤调节装置的聚合材料是高密度聚乙烯。任选地，如 碳黑之类的紫外线稳定剂可加入聚合材料来改善耐候性。
示出阀112设在凸脊元件104的斜侧壁114中，并且阀112提供 到装置100的内芯部的注射通道。压缩空气或其它气体、液体、胶、 固体或上述的结合可通过阀112注射入内芯部以使装置100得到要求 的形状、硬度和/或重量。
在土壤表面滚动或驱动土壤调节装置100可产生可渗透的土壤表 面，该土壤表面具有一系列堰和增加的表面积以改进渗透性并控制其 上的水流。土壤表面被加固以改进土壤颗粒对于被流动的水带动的抗 力，同时增加可渗透性，因而改进土壤的渗透能力。堰使土壤表面的 水流减慢及被定向，导致一个级联效果。该级联效果减小了流水的惯 性，减小了土壤的侵蚀。这些土壤结构增加了土壤的表面积并减少了 水的流失。
图2示出了土壤调节装置200，其具有围绕轮或盘202的周边表 面选择地间隔的多个船头形周边凸脊元件204。多个凸脊元件204的 每一个具有一个船头形的前表面206和一个船头形后表面208。土壤 调节装置200也可以描述为具有一系列中部隔开的外周边凸脊元件 204的轮元件202，其中各周边凸脊元件204具有一个船头形前端206 和一个船头形后端208，以及朝着轮元件202倾斜的两个相对的斜侧 壁214和216。
示出土壤调节装置200外接一个轮202，并且它是具有空心内部 的单一材料。示出任选的阀212设在轮202中提供到装置200芯部的 材料通路。在土壤表面的滚动土壤调节装置200从侧面加固地面土壤 成为一系列预选定间隔的船头形坑。
图3示出图1的土壤调节装置100，其具有用外接轮或盘102的 亚凸脊元件或部分110穿插的船头形凸脊元件或部分104。穿插的凸 脊元件104和亚凸脊元件110形成外接轮102的变化高度的、中部连 续的外周边凸脊。凸脊部分104有第一高度h2，而亚凸脊部分110有 第二高度h1。第一高度h2大于第二高度h1。优选地，h2大于h1约1.5 英寸至5英寸。另外在该实施例中，每个凸脊部分104具有第一高度 h2，其围绕轮102(1)的圆周连续延伸约5英寸到10英寸。
图4示出土壤调节装置100的正视图，其具有外接轮102的船头 形凸脊元件104和亚凸脊元件110。这里示出的凸脊元件或部分104 的相对侧壁114和116中间夹一角α。优选地，角α的范围为约40°至 80°。更优选地，角α为约60°。
图5示出结合多个土壤整修装置100的土壤整修工具500。土壤 整修装置100沿轴向对齐及保持以形成土壤滚动工具500。在所示的 实施例中，土壤调节装置100以交错排列凸脊元件104的方式彼此毗 邻。但是，土壤调节装置100可成为圆柱辊510上的间隔结构，还可 成为具有绕圆柱辊510径向对齐的凸脊元件104的结构。连结毂512 从圆柱辊510各端径向延伸以可转动地连接到如拖拉机之类的运输装 置上，或作为用耕作工具的多项任务链中的最后一个装置，或任选地 放在耕作工具链内的各种位置中，提供容易结合到现时耕作实践中的 有效的保护土和水的方法。
图6示出在种植后用的、结合多个图1的土壤调节装置的土壤调 节工具的顶视图。土壤调节装置100轴向对齐、隔开和保持以形成圆 柱形滚动工具600。多对土壤调节装置100相互邻近成在圆柱辊602 上的交错排列的凸脊元件104的对齐安排。但是，土壤调节装置100 可以是隔开的，使三个、四个或更多的土壤调节装置100邻近对齐， 土壤调节装置100之间的间距可根据庄稼的尺寸而变化。圆柱辊602 可成为使凸脊元件104沿圆柱辊602径向对齐的结构。连接臂604从 圆柱辊602的中部径向伸出以便可转动地连接到如拖拉机之类的运输 装置上或作为耕作工具的多项任务链中的最后一个装置。
图7示出由图5所示的土壤调节工具500或结合至少一个土壤调 节装置的其它装置形成的土壤压印装置700的顶视图。由机械、动物 或人力在地面土壤上驱动(也就是用作动力轮)或滚动(也就是被动 地拉或推)的土壤调节工具500同时与地面接触，使土壤加固成一系 列船头形坑704和邻接堰702。前端708、中部710和后端706组成坑 704，这些是分别由装置100的部分或壁106、114、116和108形成的。
图8示出由图1的土壤调节装置100调节的土壤的横剖面图。这 里示出力矢量800主要沿横向加固土壤表面。当装置100在地上滚时， 船头形前表面106与土壤接触，当装置100继续滚动时，船头形前表 面106和凸脊元件104横向加固土壤，如力矢量700所示。使船头形 前缘106先接触土壤，这使得用每个凸脊元件104小于约50磅的力加 固土壤。另外，使后表面108成船头形，这允许装置100以高达约14mph 的速度经过土壤表面而没有扔或丢土。
图8a示出已经由图2的土壤调节装置200调节的土壤的平面图。 这里示出的力矢量812指示加固的横方向并主要示出由形成一系列船 头形坑804的船头形凸脊元件204达到的加固的前后方向。船头形坑 804有前端808、中部810和后端806，且分别由装置200的部分或壁 206、214、216和208形成。
图9和9a分别示出处在伸出和缩回状态的、土壤调节装置100 的横剖面图。使土壤调节工具100由诸如聚合材料之类的柔性材料制 成并形成有空心的中部或腔，这允许当装置100受到径向力时凸脊元 件104缩回，当装置100遇到地面土壤中的石块或其它硬材料时容易 受到上述径向力。把凸脊元件104缩回装置100要求的力可通过用压 缩空气或其它气体、液体、凝胶、固体或上述的结合充填装置100的 芯部900以得到要求的硬度来调节。凸脊元件104的缩回能力提供在 地面土壤内基本恒定的水平力，因而达到均匀的加固。可缩回l1减去 l2的量而基本不改变凸脊元件104的结构。
本发明提供了一种土壤调节装置，其具有一系列船头形周边凸脊 元件，所述凸脊元件任选地由外接一个盘、轮或鼓的亚凸脊元件连接， 本发明提供了一种用于产生可渗透土壤表面的方法。船头形周边凸脊 元件从压印的顶部到压印的底部成变化程度地加固土壤，这增加了水 渗透性并减小了土壤的侵蚀。在压印的顶部，土壤有被地表水流失而 侵蚀的很大危险，因此土壤的加固程度大。在压印的底部，侵蚀的危 险显著减小，并由于要求最大渗透率以吸收聚积的水，土壤被最小程 度地加固以允许土壤留在原位，从而允许通过空隙中流动使聚积水的 浸透最大化。当土壤调节装置在地上运动时，船头形凸脊元件进入土 壤中，把土壤往旁侧扫以便横向加固土壤。这与在传统装置情形下压 实土壤的情形是不同的。另外，当装置离开土壤时，这种往旁侧扫土 的动作使在压印的前面横向加固土壤，留下结构稳定的压印，并允许 吸水和渗水最大化。这与其中在装置从土中出来时土壤留下成松的并 是极易被冲蚀的更传统的系统不同。
相关申请的交叉参考
本国际专利申请要求2005年7月7日递交的目前未决的美国专 利申请No.11/176,569的优先权。