土壤物理特性對(duì)深松阻力影響的試驗(yàn)

李 霞，張東興，張 瑞，崔 濤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083;2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832003)

近年來全國各地采用淺旋耕方式，造成土壤耕層“淺、實(shí)、少”，土壤耕層質(zhì)量下降已經(jīng)嚴(yán)重制約我國糧食作物生產(chǎn)能力的可持續(xù)發(fā)展，降低了水分養(yǎng)分的高效吸收，使得作物抵御自然災(zāi)害的能力下降.而深松技術(shù)能夠有效打破犁底層，加厚耕層深度10 cm以上，提高土壤蓄水能力和增加耕層活土量20%以上［1］，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用.一般年份深松可使玉米增產(chǎn)5%以上，嚴(yán)重旱災(zāi)年份產(chǎn)幅增量可達(dá)10% ～20%.因此，急需開展深松改土高產(chǎn)增效技術(shù)研究，但是目前的深松機(jī)普遍存在作業(yè)阻力大的問題［2］.針對(duì)這一問題，主要是靠使用大功率的牽引機(jī)具來解決.這就要求配套的拖拉機(jī)功率大，以至于現(xiàn)有拖拉機(jī)不能滿足.要推廣深松技術(shù)，必須要研究如何減少深松作業(yè)的牽引阻力問題，以及不同土壤特性對(duì)牽引阻力的影響.

國內(nèi)的一些專家學(xué)者對(duì)深松減阻問題做了分析研究，郭志軍等［3］采用仿生原理優(yōu)化深松鏟達(dá)到減阻的目的.邱立春等［4］采用自激振的原理來減少牽引阻力.由于土壤的情況復(fù)雜不可控因素較多，因此通過自激振來達(dá)到減小土壤耕作阻力目的很難控制減阻的程度.國外的一些學(xué)者針對(duì)土壤特性的不同，研究了深松的牽引阻力大?。?］，J.Arvidsson 等［6］認(rèn)為在中等含水率的情況下，低于土壤塑性極限下，深松能量消耗最少.J.H.Camacho-Tamayo 等［7］研究了深松機(jī)在不同的作業(yè)速度和土壤含水率下深松牽引阻力的變化.隨著深松技術(shù)越來越受到重視，這些研究為深松技術(shù)提供了理論依據(jù).雖然C.W.Watts等［8］研究表明，牽引阻力不僅和耕作技術(shù)有關(guān)，和土壤的含水率、堅(jiān)實(shí)度、容重等也有很大的關(guān)系，但把不同土壤特性作為試驗(yàn)因素的研究還很少.

文中針對(duì)我國土地耕層變淺、肥力下降的情況，研究不同土壤對(duì)深松機(jī)工作中阻力大小的影響，探索深松和土壤特性之間的關(guān)系.

1 深松機(jī)振動(dòng)工作原理

通過對(duì)土壤和深松鏟相互作用的分析研究，設(shè)計(jì)出振動(dòng)深松機(jī).經(jīng)過田間試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后確定了1SZDX-240型振動(dòng)深松機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該機(jī)主要由機(jī)架、偏心軸、深松鏟和限深輪等組成.主要特點(diǎn):振動(dòng)系統(tǒng)是拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與深松機(jī)的偏心軸組成，將輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)變成十字掛接器的上下運(yùn)動(dòng)［9］，從而實(shí)現(xiàn)深松鏟的往復(fù)振動(dòng);動(dòng)力由拖拉機(jī)的輸出軸傳給偏心軸，傳動(dòng)方式簡捷高效，并能放大振動(dòng)位移，使深松鏟易于入土，而且振幅是隨著耕深的增加而增大，振幅的增大有利于進(jìn)一步碎土和減少工作阻力;深松鏟形式為窄鑿型，能最大限度的保護(hù)土壤、減少水分蒸發(fā).

圖1 1SZ-460型振動(dòng)深松機(jī)

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)分別設(shè)在河北省固安縣西市村農(nóng)田和山西忻州市忻府區(qū)新路村的玉米增產(chǎn)技術(shù)示范田.試驗(yàn)田地形平坦，坡度均小于5°，田間有上一年玉米收獲后遺留的玉米秸稈及雜草.固安試驗(yàn)田土壤類型為輕壤土，忻州土壤類型為黃黏土.

2.1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)用2臺(tái)拖拉機(jī)，1臺(tái)拖拉機(jī)為牽引車，另1臺(tái)為工作機(jī)輸出軸額定轉(zhuǎn)速720 r·min-1.ALIYIQI艾力數(shù)顯式推拉力計(jì)，拉力計(jì)連接在2臺(tái)拖拉機(jī)的中間，該拉力計(jì)型號(hào)為HF-1000，生產(chǎn)廠家是浙江樂清市艾力儀器有限公司.拉力計(jì)的數(shù)據(jù)線連接聯(lián)想X200筆記本電腦，電腦時(shí)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)保存.標(biāo)桿16根用于劃分小區(qū)做標(biāo)記.牽引鋼絲繩1條，牽引插銷3個(gè)，用于連接拖拉機(jī)和拉力計(jì).取土環(huán)刀60個(gè)用來采集土樣，TJSD-750II型土壤緊實(shí)度儀1臺(tái)，1SZDX-240型振動(dòng)深松機(jī)1臺(tái).

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

深松田間試驗(yàn)為對(duì)比河北山西2個(gè)地區(qū)土壤改良情況，盡量減小誤差的影響.每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的長為80 m，寬度為2個(gè)往返作業(yè)行程寬度，兩端地頭留出3 m長的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎地帶，每個(gè)小區(qū)間隔12 m.拖拉機(jī)的工況一致，都采用慢3擋大油門工作.

2.2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)分3步進(jìn)行，第1步先按5點(diǎn)取樣法測(cè)0～40 cm深土層，分4層采集土壤的密度、堅(jiān)實(shí)度、含水率.第2步測(cè)牽引阻力大?。?0］，第3步測(cè)土壤深松后0～40 cm深土層，分4層采集土壤的密度、堅(jiān)實(shí)度、土壤深度斷面.

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理特性試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 土壤密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

深松能改變土壤的物理特性，深松前后土壤密度、堅(jiān)實(shí)度等會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化.但不同的土壤物理特性施加于深松機(jī)的阻力是有區(qū)別的.密度是土壤的重要物理性質(zhì)，它影響到土壤的孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力，進(jìn)而對(duì)土壤水分的入滲產(chǎn)生影響.

試驗(yàn)分別在山西忻州和河北固安試驗(yàn)地測(cè)定深松前土壤密度，結(jié)果如表1-4所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，山西忻州和河北固安土壤的差別較大，深松前河北固安的土壤密度平均要小于山西忻州土壤的密度.每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)取5點(diǎn)測(cè)量，深度0～40 cm，每10cm用環(huán)刀取一個(gè)土樣.河北固安深松前平均密度為1.59 g·cm-3，山西忻州深松前平均為 1.62 g·cm-3，深松前的密度都大于 1.50 g·cm-3，這 4 層土壤之間的密度相差不大.深松后土壤密度明顯減小，尤其在0～10 cm深的土層中變化最大，比深松前降低了28.7%.

表1 固安測(cè)點(diǎn)深松前土壤密度

表2 固安測(cè)點(diǎn)深松后土壤密度

表3 忻州測(cè)點(diǎn)深松前土壤密度

表4 忻州測(cè)點(diǎn)深松后密度

3.1.2 土壤含水率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

影響深松質(zhì)量的主要自然因素是土壤的物理機(jī)械性，而土壤水分狀況是影響物理機(jī)械性的重要條件［11］.含水率不同，土粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及抵抗外力所引起的土粒移動(dòng)能力也不同.水分過多的土壤黏結(jié)性強(qiáng)，耕作時(shí)費(fèi)勁，土塊不易破碎，耕作質(zhì)量差.一般旱地土壤的宜耕含水率應(yīng)稍低于可塑下限，大體相當(dāng)于田間持水量的60% ～80%［12］.試驗(yàn)兩地含水率數(shù)據(jù)見表5，6.

表5 固安土壤含水率

表6 忻州土壤含水率

土壤含水率對(duì)拖拉機(jī)牽引附著性能有很大影響，對(duì)土壤的物理機(jī)械性能也有很大影響.土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有所不同，因而土壤的承壓能力和抗剪能力也發(fā)生變化.根據(jù)對(duì)中型輪式拖拉機(jī)在不同土壤含水率條件下進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，當(dāng)土壤含水率小于13%～20%時(shí)，拖拉機(jī)的附著性能最好，且滾動(dòng)阻力也較?。?3］.從表5可以看出河北固安的深松前土壤的含水率20～30 cm層最大，這主要是土壤在該層變的較為黏重，在之后30～40 cm土壤變的砂性較大.從表6可以看出忻州的含水率在10～20 cm較大.深松后土壤的含水率均會(huì)隨著時(shí)間增加有輕度的跑墑，從后期的觀測(cè)來看變化不大.

3.1.3 土壤堅(jiān)實(shí)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

土壤堅(jiān)實(shí)度影響拖拉機(jī)的滾動(dòng)阻力、附著性能和滑轉(zhuǎn)率.土壤表面的堅(jiān)實(shí)度愈大，則拖拉機(jī)的牽引效率愈高.但是堅(jiān)實(shí)度大的土壤對(duì)深松鏟的阻力也較大，因此合適的土壤堅(jiān)實(shí)度和深松阻力大小及其機(jī)具功率發(fā)揮有著密切的關(guān)系.

試驗(yàn)用專用土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)試并記錄土壤的堅(jiān)實(shí)度，圖2為實(shí)測(cè)圖片，圖3為不同地區(qū)堅(jiān)實(shí)度對(duì)比圖.山西忻州黃黏土的平均堅(jiān)實(shí)度為806 kPa，河北固安的輕壤土平均堅(jiān)實(shí)度為795 kPa.從表7中可以看出，深松后固安和忻州的土壤堅(jiān)實(shí)度均下降，并且深松后各層的堅(jiān)實(shí)度相差不大.忻州的土壤從0～40cm深度上土質(zhì)變化不大均為黃黏土，而固安的土質(zhì)存在明顯的變化，在0～20 cm深度土壤變化不大有輕度砂性，在20～30 cm土壤變的非常堅(jiān)硬有點(diǎn)黏土的形狀，30～40 cm以后土壤砂性加強(qiáng)，堅(jiān)實(shí)度降低.總體看來山西忻州試驗(yàn)地的土壤堅(jiān)實(shí)度要大于河北固安試驗(yàn)地的土壤堅(jiān)實(shí)度.深松后忻州土壤堅(jiān)實(shí)度平均降低11%，固安土壤堅(jiān)實(shí)度平均降低9%.

圖2 土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)量圖

圖3 土壤堅(jiān)實(shí)度對(duì)比圖

表7 固安和山西土壤堅(jiān)實(shí)度 kPa

3.2 振動(dòng)深松對(duì)土壤斷面的結(jié)果分析

兩地深松作業(yè)的對(duì)比如圖4所示.

圖4 深松作業(yè)對(duì)比圖

從溝槽的剖面圖可以測(cè)得，上邊寬30 cm，下邊寬5 cm，深度可達(dá)40 cm.土壤剖面結(jié)構(gòu)的分析說明，深松鏟松土的影響范圍是以鏟尖為下底邊、土面為上頂邊，耕深為高度形成的等腰梯形的面積.從試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的深松剖面可以看出，深松后的土壤斷面可以分為3個(gè)不同松碎程度的土層，0～10 cm深的土層中土塊最大且呈扁塊形，10～20 cm深土層土塊大小居中，20～30 cm深土層中土塊均為細(xì)小土塊.在深松后的整個(gè)斷面內(nèi)，除表層(0～10 cm)土塊較大外，中心區(qū)域也有較大的土塊，而在斷面的周邊均為細(xì)小土塊.在山西忻州的深松土壤斷面可以看出，深松區(qū)域大的土塊較多，土塊之間的黏結(jié)較強(qiáng).而在河北固安的土壤斷面中小的土塊居多，并且在深松底部出現(xiàn)了明顯的鼠道，起到蓄水保墑的作用.這和該地區(qū)的土質(zhì)、土粒關(guān)系很大，從而決定了這2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)牽引阻力的不同.

3.3 振動(dòng)深松牽引阻力的影響

非振動(dòng)式深松機(jī)牽引阻力過大，就目前我國農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)能力和對(duì)深松的認(rèn)識(shí)等因素而言，通過采用大功率拖拉機(jī)來加大牽引動(dòng)力的辦法會(huì)嚴(yán)重阻礙深松技術(shù)的推廣.因此合適選擇合適的牽引動(dòng)力較為重要，深松牽引阻力的對(duì)比影響如圖5，6所示.

圖5 深松30 cm牽引阻力對(duì)比

圖6 深松40 cm牽引阻力對(duì)比

從圖5和圖6可以得出，當(dāng)深松30 cm時(shí)，河北固安輕壤土的牽引阻力比山西忻州黃黏土的牽引阻力平均減少61%，深松40 cm時(shí)，牽引阻力平均減少47%.

4 結(jié)論

1)山西忻州黃黏土深松前的土壤平均密度為1.62 g·cm-3，土壤堅(jiān)實(shí)度為 806 kPa，含水率為17.19%.河北固安帶狀壤土深松前密度為1.59 g·cm-3，土壤堅(jiān)實(shí)度為795 kPa含水率為18.67%.黃黏土的密度和堅(jiān)實(shí)度均大于帶狀壤土.密度和堅(jiān)實(shí)度對(duì)土壤深松時(shí)牽引力有一定的影響.

2)不同的土壤特性對(duì)深松地表狀況和深松斷面都有影響.河北土壤為輕壤土，山西忻州為黃黏土.河北固安輕壤土深松后地表較為平整，土壤擾動(dòng)不大.由于山西忻州黃黏土黏度大，深松地表翻動(dòng)也較大，深松后的土塊也比河北固安同深度深松后土塊大.

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，耕層土壤的物理特性不同，土壤產(chǎn)生的作業(yè)阻力也不一樣，它直接影響耕作機(jī)具的功率消耗.河北固安輕壤土的牽引阻力低于山西忻州黃黏土，這一點(diǎn)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果相吻合.

4)深松時(shí)土壤阻力在不斷變化，但振動(dòng)參數(shù)如振幅、頻率對(duì)不同土壤作用力影響的程度應(yīng)該進(jìn)一步探討.

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