農(nóng)業(yè)機械土壤壓實研究方法現(xiàn)狀

王憲良++王慶杰++李洪文++何進++李問盈

摘 要 通過文獻調研和專家咨詢的方法，綜述現(xiàn)有國內外土壤壓實測試方法，并分析其特點和性能，為我國科研工作者以后在土壤壓實領域開展研究提供借鑒。

關鍵詞 土壤壓實 ；農(nóng)業(yè)機械 ；研究方法 ；現(xiàn)狀

分類號 S233

Current Research Status of Soil Compaction by Agricultural Machinery

WANG Xianliang WANG Qingjie LI Hongwen HE Jin LI Wenying

（College of Engineering / Beijing Key Laboratory of Design and Optimization

in Modern Agricultural Equipment， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract This paper reviewed the research progress of soil compaction by agricultural machinery， which focused on experimental method of research on soil compaction by agricultural machinery. Comparison was made to experimental methods to explicit this methods. Our efforts were made with the purpose of providing some references for further researches on soil compaction by agricultural machinery.

Keywords soil compaction ； agricultural machinery ； experimental method ； current situation

土壤壓實是由于施加載重、振動或壓力而導致土壤密度（單位體積質量）增大和土壤孔隙率降低的一種現(xiàn)象，主要是由于農(nóng)業(yè)機械進行田間管理作業(yè)時，輪胎及機具對土壤發(fā)生碾壓作用造成的[1-3]。農(nóng)田土壤壓實導致土壤密度增加，土壤孔隙度降低，水滲透能力降低，導致土壤侵蝕加重，耕作機具阻力增加，作物根系生長受阻，進而導致作物產(chǎn)量降低[4]。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平迅速發(fā)展，大中型農(nóng)機設備數(shù)量迅速增加，大中型農(nóng)機具在田間作業(yè)的同時對土壤進行碾壓，嚴重破壞土壤結構，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。土壤壓實已經(jīng)成為世界性問題，國內外科研工作者從20世紀50年代開始圍繞農(nóng)田土壤壓實問題開展研究，并結合研究目的和試驗需要提出了多種土壤壓實測試方法，研發(fā)了配套測試設備，但這些研究方法往往存在技術單一，缺乏系統(tǒng)性的問題[5-7]。為了更好的研究土壤壓實，需要系統(tǒng)總結現(xiàn)有的土壤壓實研究方法。

目前土壤壓實研究主要集中于土壤壓實過程中應力分布及傳遞特性、土壤壓實對土壤理化特性及效應研究、土壤壓實對機具功耗影響三方面[8-9]。

1 國內外土壤壓實特性研究方法

自20世紀50年代，美國、英國等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家科研工作者就開始對土壤壓實機理、力學模型以及壓實危害進行大量系統(tǒng)研究，目前已在農(nóng)田土壤機械壓實過程方面取得了一些成果，在土壤耕作技術方面形成了一套消減土壤機械壓實的技術措施體系[10-12]。而國內對土壤壓實方面研究起步較晚，基礎薄弱。多道面波分析方法、測量土壤緊實度、測量土壤孔隙度、測量土壤容重等方法是目前國內比較廣泛的測量和表示土壤壓實度的方法[13-15]。

1.1 土壤壓實過程中應力分布、傳遞特性研究方法

1.1.1 傳感器鋪設法

Schjonning P等[16]通過表層土壤傳感器鋪設法，將稱重傳感器鋪設在10 cm的土壤中，測量拖拉機行走過程中輪胎-土壤接觸面沿著拖拉機行走方向和垂直拖拉機行走方向壓力的分布狀況，應用FRIDA模型計算應力分布情況。Mathieu Lamande等[17]在一個大型土壤樣本箱中，距離地平面4個深度（0.3，0.5，0.7和0.9 m）土層中總共埋設了21個傳感器，傳感器具體布置（如圖1所示），研究了不同載荷、接觸面積對土壤垂直方向應力的分布、傳遞特性的影響；在試驗田中應用傳感器土壤剖面設置法，通過土壤剖面，在垂直于輪胎滾動方向，將土壤應力傳感器安裝在3個土層深度（0.3，0.6和0.9 m），每層安裝7個傳感器，為防止測量應力干擾，每兩個傳感器中心距為16 cm，為防止土壤剖面干擾，傳感器距離土壤剖面距離為1 m，傳感器頻率為2 kHz的動態(tài)傳感器，可以記錄輪胎滾動過程應力路徑，研究了農(nóng)業(yè)輪胎類型對土壤應力分布、傳遞特性影響[18]。Wiermann C等[19]利用土壤應力傳感器和土壤應變傳感器相結合的方法（圖2），研究了載荷變化對土壤應力-應變關系的影響。傳感器鋪設法研究土壤壓實，基本上可以準確測試農(nóng)業(yè)機械工作時產(chǎn)生的應力在土壤中分布、傳遞特性，但是由于土壤結構復雜及傳感器精度問題，目前主要測量垂直方向應力的分布、傳遞特性，尚缺乏測試土粒各個方向受力狀態(tài)的方法和條件。

1.1.2 輪胎表面安裝力學元件法

Raper R L，Bailey A C等[20]將7個動態(tài)傳感器，分別安裝于輪胎的胎花和胎面區(qū)（圖3），測量輪胎在滾動過程中，輪胎-土壤接觸面壓力的分布規(guī)律。Roth， Jonathan等[21]在輪胎表面粘貼應變片的方法研究了輪胎-土壤接觸面正應力測量問題，該實驗應用了FlexiForce型號應變片式傳感器，將傳感器分別粘貼在輪胎胎花的前緣、后部以及胎面部分（圖4），分別研究了輪胎在滾動過程中輪胎不同部位應力分布情況。

1.1.3 構建模型法

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤壓實模型是一個研究農(nóng)業(yè)機械作業(yè)引起的土壤壓實很重要的工具[22]。土壤壓實模型可以分為兩種類型，一種是近似分析模型，另一種是有限元模型。近似分析模型主要確定機具載荷作用產(chǎn)生的應力特性，包括應力在土壤、輪胎-土壤接觸面分布和傳播特性；有限元模型主要通過模型分析土壤應力-應變特性[23]。

1.1.3.1 近似分析模型

SoilFlex模型是一種典型的近似分析模型，該模型是在總結各種土壤應力傳遞理論基礎上建立的，在模型中可以根據(jù)土壤以及田間作業(yè)機械實際參數(shù)選擇合適的理論子模型，進行預測土壤應力傳遞以及農(nóng)業(yè)作業(yè)機械作業(yè)過程中，土壤應力-應變關系[24]。

1.1.3.2 有限元模擬法

Cui等[25]通過建立輪胎-土壤有限元模型，應用PLAXIS軟件模擬土壤壓實過程，研究了輪胎充氣壓力對土壤—輪胎接觸面垂直方向應力分布、傳遞的影響。Fervers C W[26]用2維有限元方法建立充氣輪胎模型、土壤模型，用有限元方法模擬輪胎-土壤相互作用，研究了輪胎氣壓與土壤壓實的關系。劉姝等[27]利用Solidworks進行輪胎-土壤相互作用的有限元嘗試，測出土壤特性參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析應用Solidworks軟件建立車輪和土壤模型，將所測出的土壤特性參數(shù)輸入到土壤模型的定義材料當中，使用Solidworks插件Solidworks Simulation對車輪壓縮土壤進行有限元分析。有限元模擬最大的問題就是難以準確建立土壤和輪胎模型，進行真實度高的模擬，得到精確的結論。

1.2 土壤壓實對土壤物理特性及作物生長影響研究方法

李汝莘等[28]采用小四輪拖拉機在春小麥和冬小麥種床上壓地一遍，測定土壤容積密度、透水性、保水性以及熱特性等參數(shù)，并與未經(jīng)碾壓的帶狀耕作的土壤諸參數(shù)進行對照分析的方法，研究了小四輪拖拉機壓實對土壤容積密度、透水性、保水性、熱特性等參數(shù)的影響，指出小四輪拖拉機可將耕層內的土壤壓實，使土壤的容積密度明顯增加超過作物的適應范圍，入滲率比帶狀耕作下降了42%，土壤孔隙度減小20%～30%，其他土壤物理特性也相應產(chǎn)生了變化[29-31]。Li Y X等[32]設計試驗方案（圖5）研究了土壤壓實和耕作方式對土壤徑流和作物產(chǎn)量的影響效應。土壤壓實對土壤物理特性及作物生長影響研究僅僅是在一定軸載的農(nóng)機具引起的土壤壓實，從而造成的土壤物理性狀及作物生長方面的影響，研究內容以單項研究為主，缺乏系統(tǒng)性。研究結果雖然能初步指出農(nóng)機作業(yè)對土壤的壓實過程及其影響，但不能揭示其機理，也未形成土壤壓實評價方法，不能預測機具作業(yè)對土壤壓實的影響，無法科學指導土壤壓實消減研究。

GR-保護行SM-秸稈覆蓋行MT-少耕行ZT-免耕行。不同的耕作行全部一分為二（C為免壓部分，W為壓實部分），箭頭表示地塊傾斜角度為6%～8%，保證徑流能流到收集器（a-f）。

1.3 土壤壓實對機具功耗影響

功耗方面的研究主要是以機具作業(yè)阻力和能耗的研究為主。牽引功耗主要受其結構參數(shù)、作業(yè)性能和土壤特性的影響，土壤壓實引起土壤結構破壞，土壤孔隙度減小，土壤耕作部件阻力增大，進而影響機具功耗。黃虎等[33]基于短期試驗，通過測試壓實后土壤對土壤耕作部件以及拖拉機滾動阻力影響，分析了土壤壓實對開溝器作業(yè)阻力和免耕播種能耗的影響。杜兵[34]對比了壓實對開溝器牽引力的影響，指出固定道系統(tǒng)減少機具牽引力40%。土壤壓實對機具功耗影響僅僅停留在對土壤物理性狀變化與農(nóng)機具土壤耕作部件阻力的關系研究，并沒有從理論方面研究分析土壤壓實與農(nóng)機具功耗的相互作用機理，提出減少農(nóng)機具功耗的有效措施。

2 土壤壓實特性研究方法存在的問題

我國對于土壤壓實這一領域已經(jīng)有一些研究，這些研究為確定農(nóng)業(yè)機械與土壤相互作用關系提供了可視化數(shù)據(jù)。但這些研究主要以土壤物理特性為主，測試方法單一、缺乏系統(tǒng)性，各研究要素無法系統(tǒng)、全面地闡明土壤壓實過程，揭示土壤壓實機理。沒有結合我國典型農(nóng)業(yè)區(qū)，根據(jù)土壤物理特性和作物生長的影響，建立系統(tǒng)評價土壤壓實的模型，為消減土壤壓實提供理論依據(jù)。

3 討論

隨著我國土地流轉和農(nóng)機購置補貼政策的實施，我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展迅速，大中型拖拉機數(shù)量逐年上升，導致土壤壓實現(xiàn)象越來越普遍。但我國目前關于土壤壓實的研究還很落后，停留在通過對土壤壓實過后，土壤孔隙度、土壤容重、孔隙度、入滲率等土壤物理特性的測量來宏觀表示土壤壓實程度的水平，缺乏從理論方面全面、系統(tǒng)地揭示土壤壓實機理，沒有形成一套有效的消減土壤壓實的技術理論體系。大量的研究已經(jīng)證明了土壤壓實會破壞土壤結構，影響作物產(chǎn)量。因此下一步研究土壤壓實的重點在于優(yōu)化土壤壓實研究方法，明確壓實過程，揭示大中型拖拉機壓實機理，結合土壤物理特性和作物生長，建立土壤壓實評價模型，提供消減土壤壓實的方法，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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