深松作業(yè)效果試驗及評價方法研究

黃玉祥，杭程光，李 偉，張鵬鵬，朱瑞祥

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

深松作業(yè)效果試驗及評價方法研究

黃玉祥1,2，杭程光1，李 偉1，張鵬鵬1，朱瑞祥1,2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

【目的】 分析單、雙鏟深松作業(yè)效果及評價方法，為提高耕作質(zhì)量和減少能源消耗的深松作業(yè)提供決策依據(jù)?！痉椒ā?以箭形深松鏟為對象，在模擬大田土壤環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)土槽研究了單、雙鏟深松作業(yè)效果及評價方法，提出了土壤硬度變化系數(shù)、土壤體積膨松系數(shù)、單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)和土壤相互擾動系數(shù)等4個評價指標?！窘Y(jié)果】 (1)單、雙鏟深松作業(yè)后的平均土壟高度差分別為7.342 cm和6.492 cm，雙鏟比單鏟的平均土壟高度差減少11.58%，說明雙鏟深松后的地表平整性優(yōu)于單鏟，且深松鏟間距是影響土壤體積膨松程度的主要因素，其對深松后土壤形成的壟形與坑形有重要影響；(2)在土壤擾動區(qū)域內(nèi)，當(dāng)深松深度為3～17 cm時，雙鏟作業(yè)的土壤硬度變化程度較單鏟顯著，當(dāng)深度為17～30 cm時，單鏟作業(yè)的土壤硬度變化程度大于雙鏟；(3)深松單位松土帶寬度時，雙鏟的平均耕作阻力為單鏟的0.668倍，較單鏟減少69.31 N，雙鏟的能耗較單鏟減少33.2%；(4)雙鏟的土壤相互擾動系數(shù)為1.170，深松鏟布局方式對土壤擾動有重要影響?！窘Y(jié)論】 本研究結(jié)果有利于深入理解單、雙鏟的深松作業(yè)效果，促進符合節(jié)能減阻要求的深松機具的研發(fā)及田間作業(yè)機器系統(tǒng)的優(yōu)化選用。

農(nóng)業(yè)機械；深松鏟；土槽試驗；耕作效果；評價方法

機械深松具有改善耕層土壤結(jié)構(gòu)、活化犁底層、提高土壤蓄水能力、減少降雨徑流和土壤水蝕的作用，有利于農(nóng)作物的生長及實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。研究不同作業(yè)條件下深松耕作效果的目的是為了能夠通過采用合理的耕作方式以及合理的深松鏟布局方式，調(diào)節(jié)土壤的物理性狀(土壤的結(jié)構(gòu)性、機械阻力、土壤水的分布、孔隙尺寸與分布等)，改變土壤保水、導(dǎo)水、導(dǎo)氣以及土壤溶質(zhì)遷移的性能，最終達到作物增產(chǎn)和節(jié)能減阻的目的[6-8]。

現(xiàn)代土壤機械耕作研究是從內(nèi)在機制上探討機械耕作引起的土壤物理特性變化及其表現(xiàn)的定量化測試與描述[8-9]。目前，土壤耕作研究通常使用土壤破碎度、圓錐指數(shù)、體積質(zhì)量、飽和導(dǎo)水率、孔隙度等參數(shù)進行耕后土壤質(zhì)量的評價[10-12]。例如，孟鳳英等[13]建立了土壤破碎體分形維數(shù)與落錘質(zhì)量、沖擊行程、土壤含水率、破碎比能之間的關(guān)系；宮秀杰等[14]通過對土壤體積質(zhì)量、含水量、田間持水量及玉米產(chǎn)量的測定和分析，研究了深松免耕技術(shù)對黑龍江省第二積溫帶土壤物理性狀的影響；Hakansson等[15]提出了相對緊實度的概念，因其在不同土壤之間有很好的可比性，該指標被廣泛用于土壤理化性狀和作物產(chǎn)量評價；Godwin[16]研究了傳統(tǒng)深松鏟與翼式深松鏟作業(yè)對土壤宏觀擾動、坑形等因素的影響。以上對于機械深松效果的研究，大多建立在單鏟試驗的基礎(chǔ)上，然而在實際生產(chǎn)中，為了提高深松效率，通常以多鏟作業(yè)為主?，F(xiàn)有研究缺乏對單鏟、多鏟耕作效果的對比分析，且對多鏟布局方式耕作效果的研究涉及較少。

為此，本研究以箭形深松鏟為對象，在模擬大田土壤環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)土槽試驗，從單、雙鏟深松后的地表平整性、土壤體積膨松程度、土壤硬度、土壤相互擾動以及耕作阻力的變化等角度，研究單、雙鏟深松作業(yè)效果及評價方法，以期為提高土壤深松作業(yè)質(zhì)量和減少能源消耗提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用深松鏟為箭形深松鏟(仿制JB/T 9788-1999《深松鏟和深松鏟柄》所規(guī)定的圓弧形深松鏟柄)，鏟柄切土刃角為60°，鏟柄厚度為30 mm。

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院數(shù)字化土槽內(nèi)開展，土槽長22 m、寬1.7 m(軌距2.1 m)、土壤深度0.5 m。試驗土壤為土婁土，重壤質(zhì)，屬于黃土母質(zhì)上發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤[17]。耕層土壤干密度為1.34 g/cm3，含水率約為11.9%。

1.2 試驗方法

為保證土槽內(nèi)的土壤狀態(tài)均勻且符合大田土壤環(huán)境，制樣前先測定大田土壤耕作層、犁底層的硬度、水分等特性參數(shù)。采用分層處理的方法制備土槽土壤，使之接近大田土壤環(huán)境。首先，取出離土槽表面20 cm深度的土壤，用Y-CS06B 型振動壓實機將土槽中留下的底層土壤壓實，使土壤硬度與大田測量值一致；然后，在壓實的土表潑灑適量自來水，隨后均勻回填挖出的部分表層土壤(約10 cm)，滲透3 d后用1G100型旋耕機將表層土壤全面松碎、打勻，并用滾子壓實；最后，對處理后的表土再度潑灑適量自來水，均勻回填剩余土壤，并用滾子壓實。測量得到的土壤含水率為10%～15%，20 cm土層深度內(nèi)的土壤硬度為5～10 kg/cm2，20～40 cm 土層深度內(nèi)的土壤硬度達到10～20 kg/cm2[18-19]。

在試驗過程中，土槽車有效試驗長度為20 m，預(yù)備區(qū)前5 m為土槽車加速區(qū)域，后3 m為土槽車減速區(qū)域。試驗分別在單鏟、雙鏟(間距為43 cm)耕深為30 cm的條件下，以電力四驅(qū)農(nóng)機土槽試驗臺車(TCC-2.1)為平臺，在3 km/h的速度下進行土槽試驗。利用田間機械動力學(xué)參數(shù)遙測儀對耕作過程中單、雙鏟作業(yè)阻力進行六分力測量；測量雙鏟相互擾動區(qū)域以及單鏟距離中心線20 cm處(深度30 cm，間距為2 cm)的土壤硬度數(shù)據(jù)；測繪深松作業(yè)后不同距離處的壟形與坑形的截面圖，研究地表平整性。圖1為土槽試驗中單、雙鏟的作業(yè)過程。

圖1 單(左)、雙鏟(右)土槽試驗作業(yè)過程
Fig.1 The subsoiling operation of single (left) and double (right) subsoiler in soil bin test

2 深松作業(yè)效果的評價指標

2.1 土壤硬度變化系數(shù)

土壤硬度是反映土壤物理特性的一個重要指標[20]。土壤硬度的大小，反映了土壤的疏松程度以及作物根系發(fā)育的難易程度。為了準確反映深松前、后土壤硬度變化的程度，本研究定義了土壤硬度變化系數(shù)C，其表達式為：

(1)

式中：H為深松前土壤硬度值，kg/cm2；Hi為深松后土壤硬度值，kg/cm2。

土壤硬度變化系數(shù)主要用來評價深松后局部土壤的被疏松程度。土壤硬度變化系數(shù)越大，說明深松前、后的土壤硬度變化越大。

2.2 土壤體積膨松系數(shù)

在深松過程中，深松部件與土壤之間發(fā)生相互作用，土壤形成特定的宏觀擾動[21]，導(dǎo)致其宏觀擾動輪廓內(nèi)土壤的體積發(fā)生明顯變化。為了定量描述深松前、后土壤體積的變化，本研究定義了土壤體積膨松系數(shù)E，其表達式為：

(2)

式中：SK為土壤坑形截面面積，cm2；SL為土壤壟形截面面積，cm2。

土壤體積膨松系數(shù)主要用來描述單、雙鏟耕作后土壤整體被疏松的程度，土壤體積膨松系數(shù)越大，土壤整體疏松效果越好。

2.3 單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)

深松作業(yè)后，單、雙鏟的實際松土帶平均寬度不同[17]。本研究定義了單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)γ，以此描述兩種作業(yè)方式下耕作阻力的相對大小。r的表達式為：

(3)

式中：fs為多鏟的耕作阻力，N；fd為單鏟的耕作阻力，N；Bd為單鏟的松土帶平均寬度，cm；Bs為多鏟的松土帶平均寬度，cm。

2.4 土壤相互擾動系數(shù)

雙鏟深松時，土壤形成特定的宏觀擾動，擾動區(qū)域的土壤沿鏟前進的方向向兩側(cè)分離，在兩鏟中心線附近，土壤因為相互擠壓產(chǎn)生變形，形成如圖2所示的相互擾動區(qū)域，相互擾動區(qū)域截面面積(Sr)如圖3所示，多鏟深松時產(chǎn)生的相互擾動截面面積為(n-1)Sr(其中n為深松鏟的個數(shù),n≥2)。

圖2 雙鏟深松時兩鏟中心線附近的相互擾動區(qū)域

圖3 雙鏟作業(yè)相互擾動面積(陰影部分)示意圖

為了評價土壤相互擾動作用對耕作效果的影響，本研究定義了土壤相互擾動系數(shù)，并以此衡量多鏟深松產(chǎn)生的相互擾動對耕作效果的影響。土壤相互擾動系數(shù)是指相互擾動區(qū)域截面面積與多鏟中一個鏟的坑形截面面積(不含擾動)的比值。土壤相互擾動系數(shù)β的表達式為：

β=Sr/Sd。

(4)

式中：Sr為相互擾動區(qū)域截面面積，cm2；Sd為多鏟中一個鏟的坑形截面面積(不含擾動)，cm2； n為深松鏟的個數(shù)(n≥2)。

土壤相互擾動系數(shù)反映了土壤之間相互作用引起的土壤輪廓形變量的大小。土壤相互擾動系數(shù)越大，深松前、后土壤輪廓形變越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 單、雙鏟深松作業(yè)后的地表平整性

不同的深松作業(yè)條件下，地表形成土壟的形狀不同。為了研究單、雙鏟深松作業(yè)后地表的平整程度，本研究采用不同深松后地表形成土壟的平均高度差來評價地表的平整性[22]。土壟的平均高度差越小，地表的平整性越好。設(shè)雙鏟深松后形成的土壟高度差為H，單鏟深松后形成的土壟高度差為h，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的單、雙鏟深松作業(yè)后形成的土壟如圖4所示。

圖4 單、雙鏟深松作業(yè)后地表平整性的比較

根據(jù)試驗結(jié)果可知，單、雙鏟深松作業(yè)后的平均土壟高度差分別為7.342cm和6.492cm，雙鏟比單鏟的平均土壟高度差減少11.58%，表明雙鏟深松后地表的平整性優(yōu)于單鏟。主要原因在于雙鏟深松時，由于兩深松鏟之間的交互作用，使雙鏟中心線A-A(圖3)附近出現(xiàn)相互擾動，降低了地表形成的土壟高度差。因此，增加鏟數(shù)并合理地調(diào)節(jié)鏟間距，可以在一定程度上提高深松后的地表平整性。同時，在實際生產(chǎn)中，一般采用多鏟深松作業(yè)的方式，這種做法在提高工作效率的同時，也可顯著提高作業(yè)后的地表平整性。

另有研究表明，鏟型對地表平整性有重要影響。例如李洪文等[23]認為，可調(diào)翼鏟式深松機在土壤表層可以像全方位深松機一樣全面疏松土壤，且保持較為平整的地表，在深層可以像單柱鑿鏟一樣間隔疏松土壤。甄文斌等[24]認為，側(cè)翼安裝方式對松土作業(yè)后土表隆起土壤的寬度影響顯著，對松后土壤隆起高度影響不顯著。

3.2 單、雙鏟深松作業(yè)后的土壤硬度變化系數(shù)

通常，土壤硬度的大小隨深度的增加而增大。由于深松過程中，土壤被深松部件向前上方擠壓，不斷地產(chǎn)生剪切裂紋與松碎土塊，導(dǎo)致土壤深松前、后土壤的硬度發(fā)生較大的變化。

與單鏟深松相比，雙鏟深松過程中鏟與鏟之間的相互作用，使得雙鏟中心線A-A附近的土壤形成了相互擾動。為了研究這種相互擾動對土壤硬度變化的影響，本研究以單鏟距離坑形中心線20cm處的土壤硬度變化為參照，根據(jù)試驗前、后測量的土壤硬度數(shù)據(jù)，使用公式(1)計算得出單鏟距中心線20cm處以及雙鏟擾動區(qū)域A-A處深度間距為2cm(耕深為30cm)土層土壤的平均硬度變化系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 單、雙鏟深松作業(yè)后擾動區(qū)域土壤硬度

由圖5可知，當(dāng)耕深為3～17cm時，雙鏟深松條件下，由于土壤的相互擾動，使得雙鏟中心線A-A附近的土壤應(yīng)力發(fā)生改變，土壤因相互擠壓產(chǎn)生破裂，從而使雙鏟深松作業(yè)土壤的硬度變化較大；當(dāng)耕深為17～30cm時，由于雙鏟中心線A-A兩邊的土壤向中心線附近覆蓋，使得在耕深較大時，犁底層土壤所受的壓力增大，土壤硬度變化較小，局部土壤硬度變化系數(shù)為負值，從而導(dǎo)致單鏟深松作業(yè)土壤的硬度變化程度大于雙鏟深松作業(yè)。

3.3 單、雙鏟深松作業(yè)后的土壤體積膨松系數(shù)

根據(jù)試驗測繪的壟形圖與坑形圖，利用割補法計算可知單、雙鏟深松作業(yè)條件下平均壟形截面面積與坑形截面面積，使用公式(2)計算得土壤體積膨松系數(shù)如表1所示。由表1可知，雙鏟的土壤體積膨松系數(shù)為1.256。由3.1節(jié)可知，雙鏟間距的大小對深松后土壤壟形的形成具有重要影響，且雙鏟之間的交互作用導(dǎo)致土壤發(fā)生相互擾動，從而影響深松后土壤形成的坑形。因此，深松鏟的間距是影響土壤體積膨松系數(shù)的關(guān)鍵因素。此外，由于雙鏟作業(yè)過程中土壤的相互擾動作用，使得雙鏟作業(yè)的地表平整性較好，且形成壟形的面積較小。

表1 單、雙鏟深松作業(yè)后土壤體積膨松系數(shù)的比較Table 1 Comparison of soil volume expansivity after subsoiling by single and double subsoiler

由表1可知，單鏟作業(yè)的土壤體積膨松系數(shù)為1.285，深松鏟鏟形及入土角對單鏟作業(yè)的土壤體積膨松系數(shù)均有重要影響?，F(xiàn)有研究表明，深松鏟的側(cè)翼可擴大土壤內(nèi)部的松土范圍，使土壤內(nèi)部形成較明顯的分層；深松鏟的安裝角度越大，深松后土壤表面隆起的土高越大，土表的松土寬度越大[24]，從而改變了深松后形成的土壤坑形以及壟形。因此，合理地選擇深松鏟的類型以及調(diào)整深松鏟的入土角度可以在一定程度上改變單鏟深松作業(yè)的土壤體積膨松系數(shù)。

3.4 單、雙鏟深松作業(yè)后的耕作阻力與能耗

在土槽試驗過程中，利用田間機械動力學(xué)參數(shù)遙測儀對耕作過程中單、雙鏟作業(yè)阻力進行六分力測量。根據(jù)測量結(jié)果得知，雙鏟作業(yè)的平均水平阻力為7 387.55N，單鏟作業(yè)的平均水平阻力為5 496.06N；雙鏟作業(yè)的平均垂直阻力為8 040.72N，單鏟作業(yè)的平均垂直阻力為6 158.87N。使用平行四邊形法則對水平阻力與垂直阻力進行合成，可得雙鏟作業(yè)阻力合力與水平阻力的夾角為47.42°，單鏟作業(yè)阻力合力與水平阻力的夾角為 48.25°。單、雙鏟作業(yè)時耕作阻力(合力)曲線如圖6所示。

圖6 單、雙鏟深松作業(yè)時的耕作阻力(合力)曲線

由圖6可知，深松過程中，雙鏟作業(yè)的平均耕作阻力(合力)fs為11 576N，單鏟作業(yè)的平均耕作阻力(合力)fd為8 351.1N，雙鏟作業(yè)的阻力(合力)顯著大于單鏟。同時，經(jīng)試驗測定，在耕深為30cm時，單鏟作業(yè)的松土帶平均寬度為40cm，雙鏟(間距43cm)為83cm。本研究通過單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)來比較單、雙鏟耕作阻力的相對大小。由公式(3)計算可得，雙鏟作業(yè)時松土帶寬度的耕作阻力系數(shù)為0.668，即深松單位松土帶寬度時，雙鏟消耗的阻力為單鏟的0.668倍，比單鏟深松少 69.31N，導(dǎo)致雙鏟的相對耕作阻力較小的主要原因為：雙鏟深松過程中，由于鏟與鏟的交互作用，使得土壤發(fā)生相互擾動，降低了擾動區(qū)域土壤對耕作部件的阻礙作用，從而減小了耕作阻力。

研究表明拖拉機的能耗與牽引阻力呈正相關(guān)關(guān)系[25]，而牽引力與耕作阻力互為作用力與反作用力。因此，在不考慮深松過程中土槽車的滾動阻力時，耕作阻力與能耗也存在同樣的正相關(guān)關(guān)系。由于本試驗以深松鏟個數(shù)為變量，其他試驗條件均完全相同，因此，設(shè)單、雙鏟作業(yè)條件下牽引力與能耗的相關(guān)系數(shù)均為r(r≥0.8)，即雙鏟與單鏟的能耗比等于兩者耕作阻力的比值，雙鏟的能耗為單鏟的1.386倍。在單位松土帶寬度條件下，雙鏟的能耗為單鏟的0.668倍，即深松單位松土帶寬度土壤時，雙鏟的能耗比單鏟減少33.2%。

另外，由于土壤硬度分布不均勻，出現(xiàn)了局部土壤硬度過大等現(xiàn)象，使得深松過程中阻力出現(xiàn)波動，造成圖6中耕作阻力曲線的波動。

3.5 雙鏟作業(yè)時土壤的相互擾動分析

利用割補法對試驗測繪得到的雙鏟坑形圖進行處理，得到雙鏟的平均相互擾動截面面積為822.78cm2，雙鏟中每個鏟的坑形截面面積(不含擾動)為703.06cm2。使用公式(4)計算可知，雙鏟的土壤相互擾動系數(shù)為1.170。從土壤相互擾動系數(shù)的定義來看，引起其大小發(fā)生改變的主要因素為擾動區(qū)域截面面積的變化，而改變雙鏟的鏟間距大小可以改變土壤之間的相互擾動作用以及坑形截面面積的大小。因此，合理地調(diào)整深松鏟雙鏟之間的距離，能在一定程度上增加土壤的相互擾動作用，改善深松的耕作質(zhì)量。

4 結(jié) 論

為了表征深松機具的耕作效果，本研究提出了土壤硬度變化系數(shù)、土壤體積膨松系數(shù)、土壤相互擾動系數(shù)和單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)等4個評價指標，可以為深松效果評價和優(yōu)化深松鏟布局方式提供理論依據(jù)。

1)深松鏟間距是影響土壤體積膨松系數(shù)的主要因素，其對深松后土壤形成的壟形與坑形有重要影響。增加鏟數(shù)并合理地調(diào)節(jié)鏟間距，可以在一定程度上提高深松后的地表平整性。

2)雙鏟的交互作用對擾動區(qū)域土壤硬度的變化產(chǎn)生較大影響。從土壤相互擾動系數(shù)看，調(diào)整深松鏟之間的間距，可以改變土壤間的相互作用，進而對土壤宏觀擾動輪廓產(chǎn)生影響。因此，優(yōu)化深松鏟的布局方式對改善深松耕作質(zhì)量具有重要影響。

3)深松單位松土帶寬度時，雙鏟的耕作阻力較單鏟減少69.31N，雙鏟的能耗較單鏟減少33.2%。由此可見，適度增加深松鏟的數(shù)量，可以達到節(jié)能減阻的效果。

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Subsoiling test and evaluation methodology of tillage quality

HUANG Yu-xiang1,2,HANG Cheng-guang1,LI Wei1,ZHANG Peng-peng1,ZHU Rui-xiang1,2

(1CollegeofMechanicalandElectricEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；2ShaanxiEngineeringResearchCenterforAgriculturalEquipment,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Subsoiling quality of single and double subsoilers were analyzed to provide basis for subsoiling quality evaluation,tillage quality improvement and energy consumption reduction. 【Method】 Using single and double arrow shaped subsoilers as object,this paper studied the subsoiling effectiveness and its evaluation method,based on simulated farmland test environment and soil bin.Besides,four evaluation indexes including coefficient of variation of soil hardness,soil bulk volume expansivity,tillage drag coefficient per unit subsoil width, and interactive soil disturbance coefficient were proposed.【Result】 (1) The surface smoothness of double subsoiler was better than that of single subsoiler after subsoiling,and the main influence factor of soil bulk volume expansivity was the interval between subsoilers,which had an important impact on the formative ridge shape and pit shape after subsoiling.(2) Double subsoiler had larger significant hardness change than single subsoiler when subsoiling depth was 3 to 17 cm,while the hardness change of single subsoiler was bigger than double subsoiler when subsoiling depth was 17 to 30 cm.(3) Compared to single subsoiler with the same average width,average tillage resistance of double shovel was 69.31 N less than single shovel,and energy consumption decreased by 33.2%.(4) The interactive soil disturbance coefficient of double subsoiler was 1.170,and subsoiler shape and its layout had important influence on soil disturbance.【Conclusion】 The study helped to deeply understand the subsoiling effectiveness of single and double subsoilers and to promote the research and development of subsoiler for energy conservation and tillage resistance reduction and optimal selection of field operation machinery system.

agricultural machinery;subsoiler;soil bin test;tillage quality;evaluation method

時間:2015-10-13 08:46

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.11.034

2014-08-21

陜西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項目(2013K02-11)；楊凌示范區(qū)科技計劃項目(2014NY-29)

黃玉祥(1980-)，男，寧夏中寧人，副教授，博士，主要從事土壤機器系統(tǒng)研究。E-mail:hyx@nwsuaf.edu.cn

朱瑞祥(1956-)，男，陜西三原人，教授，主要從事保護性耕作技術(shù)與裝備研究。

S341

A

1671-9387(2015)11-0228-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151013.0846.068.html