深松耕作阻力的影響因素分析與減阻策略

杭程光，黃玉祥,2，李 偉，朱瑞祥,2

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

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深松耕作阻力的影響因素分析與減阻策略

杭程光1，黃玉祥1,2，李 偉1，朱瑞祥1,2

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

【目的】 識別深松耕作阻力的關鍵因素及其影響程度，為深松減阻技術與裝備研究奠定基礎?！痉椒ā?采用7因素3水平正交試驗和單因變量方差分析方法，研究深松機鏟形(箭形、鑿形)、鏟距(300，400，500 mm)、入土角(18°，23°，28°)、土壤含水率(10%，15%，20%)、土壤堅實度(1 000，1 500，2 000 kPa)、耕深(250，300，350 mm)及牽引速度(2，3，4 km/h)對深松耕作阻力的影響?！窘Y果】 鏟形、鏟距、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度的檢驗概率依次為0.613，0.057，0.056，0.495，0.013，0.001和0.797；不同因素對耕作阻力影響程度的排序為耕深>土壤堅實度>入土角>鏟距>土壤含水率>鏟形>牽引速度，且耕深、土壤堅實度、入土角、鏟距對深松耕作阻力變化影響顯著?！窘Y論】 為減小深松耕作阻力、提高耕作質量，建議在滿足農藝要求的前提下，深松深度的確定應以“耕作層+犁底層”的厚度為主要依據；深松作業(yè)間隔年限的確定應將土壤堅實度作為重要評價指標；合理配置深松鏟的入土角和鏟距有助于減小深松作業(yè)阻力和提高作業(yè)質量。

深松；保護性耕作；耕作阻力；減阻策略

深松作業(yè)作為保護性耕作的主要技術之一，具有改善耕層土壤結構、提高土壤蓄水保墑能力等作用，能夠有效地保護耕地質量，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。2010年，中央1號文件要求“大力推廣深松整地”作業(yè)，并出臺了深松整地補貼政策，2015年全國全年深松整地面積達到1 350萬hm2。由于深松機具的配套動力較大，作業(yè)功率消耗一般為收獲機械的3～5倍[6]。隨著全國深松作業(yè)面積的不斷擴大，如何減少耕作阻力，降低能源消耗是深松技術與裝備研究面臨的突出問題。

目前，國內外學者圍繞深松耕作阻力的影響因素開展了大量研究，主要集中于深松機結構參數(shù)、土壤物理特性參數(shù)、深松作業(yè)條件參數(shù)等方面[7-11]。例如，Mouazen等[12-14]研究了深松鏟入土角對耕作阻力的影響，并確定了4種深松鏟鏟柄傾角與鏟尖傾角的最優(yōu)組合；Shahgoli等[15-16]研究表明，在3 km/h的牽引速度下，入土角為22.5°的深松鏟節(jié)能減阻效果最佳；Awad-Allah等[17]研究了牽引機具速度以及深松鏟入土角對耕作阻力的影響；Camacho-Tamayo等[18]研究了土壤含水率及作業(yè)速度對耕作阻力的影響；Li等[19]采用離散元方法研究了耕深、速度等因素對耕作阻力的影響；齊關宇等[20]研究了鏟形及鏟尖與土壤接觸面積對耕作阻力的影響，表明耕作阻力隨鏟尖與土壤接觸面積的增加顯著增大。但現(xiàn)有研究側重于分析某一個或某幾個因素對耕作阻力的影響，且以單因素試驗為主。然而，深松耕作阻力受多種因素的協(xié)同影響，單因素研究具有較大的局限性，不足以準確評價不同因素對耕作阻力的影響程度。為此，本研究試圖通過多因素試驗，確定影響深松耕作阻力的主要因素及其影響程度，旨在為降低深松耕作阻力，及確定深松減阻方案提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 試驗因素及水平的選取

合理選取各因素的水平是保證研究有效性的前提。在分析國內外研究現(xiàn)狀的基礎上[7-11]，結合田間土壤物理特性參數(shù)試驗、深松機行業(yè)標準(JB/T 9788-1999)及已有研究成果[7,17,21-22]，確定鏟距、鏟形、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度等參數(shù)為試驗因素。

(1)鏟形(s)與鏟距(d)。目前，通用深松鏟鏟形主要包括鑿形、箭形和翼形。其中，鑿形、箭形鏟鏟間距的調整范圍一般為300～500 mm，例如高茂盛等[23]研究的手扶拖拉機專用深松機，深松行距為400～500 mm；翼形鏟的鏟距一般為600～800 mm。由于翼形鏟與鑿形、箭形鏟鏟距的合理選取范圍存在較大差異，為保證因素水平選取的合理性和可比性，鏟型選取1種鑿形鏟及2種不同的箭形鏟，鏟距分別選取300，400 和500 mm 3個水平。鏟尖形狀如圖1所示。

圖 1 試驗用深松鏟鏟尖的形狀

(2)入土角(α)。入土角是深松鏟的關鍵結構參數(shù)之一，其對深松鏟作業(yè)性能具有重要影響。從現(xiàn)有研究及實際應用來看，入土角的選取范圍一般為18°～28°[12-16,24]。本研究選取18°，23°，28°作為入土角的3個水平。

(3)土壤含水率(sm)和土壤堅實度(sh)。為確保土槽土壤制備的合理性，試驗前對楊凌地區(qū)的農田土壤含水率及土壤堅實度分布狀況進行了測量，不同時間段該區(qū)土壤含水率為10%～20%(不含雨后)，平均土壤堅實度小于2 000 kPa，測量過程如圖2所示。根據實際測量結果，選取土壤含水率(耕層)的3個水平為10%，15%和20%；平均土壤堅實度的3個水平為1 000，1 500 和2 000 kPa。

(4)耕深(h)。深松深度主要依據農藝要求確定，目前深松深度一般為250～400 mm；同時，不同區(qū)域土壤結構存在一定差異，“耕作層+犁底層”的深度通常為250～350 mm。因此，選取250，300 和350 mm為耕深的3個水平。

(5)牽引速度(v)。拖拉機牽引速度主要依據深松機作業(yè)的穩(wěn)定性和作業(yè)效率確定。目前，深松作業(yè)速度一般小于5 km/h，在綜合考慮深松機作業(yè)性能及試驗平臺性能的條件下，選取牽引速度的3個水平分別為2，3和4 km/h。

圖 2 田間土壤含水率及土壤堅實度的測量

在確定試驗因素及水平的基礎上，設計L27(37)正交試驗進行分析，正交試驗的因素和水平見表1，試驗共進行27組。

表 1 耕作阻力影響因素正交試驗的因素與水平

1.2 試驗方案

深松過程中，由于田間土壤環(huán)境較為復雜，秸稈殘茬及土壤雜物等因素均會對耕作阻力產生較大影響，從而造成試驗誤差。為準確控制試驗變量，避免不確定因素對試驗結果造成影響，試驗在西北農林科技大學機械與電子工程學院數(shù)字化土槽內展開，試驗動力由TCC-2.1電力驅動車提供。試驗土壤為塿土，重壤質，屬于黃土母質上發(fā)育的農業(yè)土壤，耕層土壤干密度為1.346 g/cm3[22,25]。

在測定田間土壤物理特性參數(shù)的基礎上，采用分層方法制備土槽土壤。首先，取出距土槽表面200 mm的土層，使用1GQN-125型旋耕機將剩余土壤旋耕松碎，并用鎮(zhèn)壓輥子壓實；其次，在壓實的土層表面潑灑定量(土壤實際含水率與設定含水率差值的1/2)的自來水，隨后均勻回填挖出的部分土壤(約100 mm)，滲透2 d后用旋耕機將表面土壤松碎、打勻，并用輥子壓實；最后，對處理后的土層再噴灑定量(土壤初步處理后的實際含水率與設定含水率之間的差值)自來水，均勻回填剩余土壤，并用輥子壓實。土壤制備過程中，自來水的噴灑量通過未加水前實際的土壤含水量與理論含水量之間的差值進行確定；通過土壤硬度計對土壤堅實度進行測量，并通過打夯次數(shù)以及輥子鎮(zhèn)壓次數(shù)控制0～150 mm土層土壤堅實度小于1 000 kPa，150～300 mm土層土壤堅實度為1 000～2 000 kPa，使土壤堅實度分布呈上虛下實狀態(tài)，并控制其平均土壤堅實度在試驗設計的范圍內。試驗過程中，為保證試驗條件的一致性，取前3 m為土槽車加速區(qū)，后3 m為土槽車減速區(qū)，中間20 m為有效試驗距離。土槽土壤制備及含水率測量過程如圖3所示。

圖 3 土壤制備及含水率測量

土槽土壤制備過程中，土壤堅實度及含水率無法精確控制，因此采用土壤堅實度及含水率的實測值替換設置的試驗水平進行分析。試驗測得土壤堅實度的3個實際水平分別為968.55，1 437.65和1 929.95 kPa；土壤含水率的3個實際水平分別為11.17%，14.56%和19.75%。

1.3 單因變量方差分析

單因變量多因素方差分析主要用于研究多因素試驗中不同水平以及各因素間相互作用對因變量的影響。在采用SPSS進行方差分析時，離差平方和(Sum of Squares of Deviations，SS)共有4種，其中Type Ⅰ SS和Type Ⅱ SS適用于均衡數(shù)據、無交互效應的模型；Type Ⅲ SS和Type Ⅳ SS適用于非均衡數(shù)據、有交互效應的模型。當被分析數(shù)據無缺失值時，一般選取TypeⅠSS和Type Ⅲ SS對方差分析結果進行輸出，若自變量中不存在交互效應時，TypeⅠSS和Type Ⅲ SS的輸出結果是完全一致的，反之則自變量中存在交互作用。

本研究擬通過7因素3水平正交試驗，研究不同因素對耕作阻力的影響程度，屬單因變量多因素試驗。因此，選用SPSS軟件的單因變量方差分析模塊，設定主效應模型，以耕作阻力為因變量，鏟距、鏟形、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度為自變量，分別采用TypeⅠSS及Type Ⅲ SS對方差分析結果進行輸出，獲取各因素與耕作阻力之間的檢驗概率，旨在確定不同因素之間是否存在交互作用以及各因素對耕作阻力的影響程度。

2 結果與分析

L27(37)試驗共獲取27組有效的耕作阻力數(shù)據，結果如表2所示。

表 2 耕作阻力影響因素的正交試驗結果

為確定不同因素對耕作阻力的影響程度及試驗因素之間是否存在交互作用，以耕作阻力為因變量，鏟距、鏟形、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度等因素為固定因子，在主效應模型下，分別采用TypeⅠSS和Type Ⅲ SS輸出分析結果，單因變量方差分析的復相關系數(shù)為0.998，決定系數(shù)為0.996，調整后的決定系數(shù)為0.992(由軟件分析過程直接獲取)，決定系數(shù)高，即分析結果準確性較好。分析結果如表3所示。由表3可知，采用TypeⅠSS輸出結果時，鏟形、鏟距、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度的檢驗概率依次為0.000，0.049，0.019，0.206，0.010，0.001和0.797，鏟形、耕深在1%水平影響顯著，土壤堅實度、入土角、鏟距在5%水平影響顯著；采用Type Ⅲ SS輸出結果時，鏟形、鏟距、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度的檢驗概率依次為0.613，0.057，0.056，0.495，0.013，0.001和0.797，耕深在1%水平影響顯著，土壤堅實度在5%水平影響顯著，鏟距、入土角在10%水平影響顯著。采用不同離差平方和輸出方差分析結果時，鏟距、入土角的顯著性水平存在較大差異，即說明不同變量之間存在交互效應。由于Type Ⅲ SS主要用于存在交互效應、無缺失的數(shù)據分析中，因此采用Type Ⅲ SS輸出的方差分析結果更加準確。

由Type Ⅲ SS輸出結果可知，耕深、土壤堅實度、入土角、鏟距對深松耕作阻力變化有顯著影響，不同因素對耕作阻力的影響程度排序為：耕深>土壤堅實度>入土角>鏟距>土壤含水率>鏟形>牽引速度。

表 3 耕作阻力影響因素的單因變量方差分析結果

注:“*”、“**”、“***”分別表示10%,5%及1%水平上的顯著性影響。

Note:“*”,“**” and “***” refer to significant difference at 10%,5% and 1%,respectively.

3 討論與結論

1)耕深是影響深松耕作阻力的最主要因素?，F(xiàn)有研究表明，農田土壤結構主要包括耕作層、犁底層、心土層，且各土層厚度受土壤類型、種植結構、淺層耕作時間及土壤壓實程度等因素的影響，不同區(qū)域土層結構分布存在較大差異，“耕作層+犁底層”的厚度一般為250～350 mm[26-27]。當深松深度過大時，深松鏟在打破犁底層的同時將擾動心土層土壤，從而降低土壤的蓄水保墑能力，不利于土壤結構的保護及農作物的生長。因此，合理選擇耕深對保護耕層土壤結構及減少耕作阻力均具有重要意義。

目前，我國深松作業(yè)深度一般為250～400 mm，但實際深松過程中，部分用戶追求土壤的被疏松效果，選擇較大的耕深進行深松，這不僅增大了耕作阻力及能耗，同時也增加了破壞土層結構的風險。因此，在滿足農藝要求的基礎上，對小區(qū)域內的土層結構分布狀況進行測定，根據“耕作層+犁底層”的實際厚度確定深松深度，可以達到保護農田土壤結構、提高土壤蓄水保墑能力的作用，同時也有助于降低深松耕作阻力。

2)土壤堅實度對深松耕作阻力影響顯著。土壤堅實度可以反映土壤抵抗外力壓實或破碎的能力，其對深松耕作阻力具有顯著影響。土壤在外加壓力下受到剪切、擠壓等作用，導致土壤內部結構產生變形與失效，土壤由整體狀態(tài)分離為細小的土塊[28-29]，而外加壓力是機具牽引阻力的重要組成部分。深松過程中，深松鏟鏟尖及鏟柄圓弧段刃口對土壤的切削作用是造成土壤破碎的主要原因。當土壤堅實度較小時，土壤抵抗外力破碎的能力較弱，土壤破碎所需的外力較小，耕作阻力也較?。环粗?，當土壤堅實度較大時，耕作阻力也較大。因此，選擇合理的土壤堅實度條件進行深松，對降低耕作阻力具有重要作用。

目前，在我國適宜深松的地區(qū)，深松間隔年限一般為2～4年，主要根據免耕、深松和翻耕等耕作方法及其輪耕體系對作物產量、土壤蓄水性能的影響進行確定[30]，并未充分考慮土壤堅實度狀況。土壤堅實度對土壤的物理、化學、生物性狀均具有顯著影響，較大的堅實度將會導致土壤的透氣性、透水性變化，不利于農作物的生長。研究表明，土壤含水率及機械壓實對土壤堅實度具有重要影響[8,10]。因此，土壤堅實度可以作為深松間隔時間確定的依據，適墑條件下，在土壤堅實度尚未對土壤理化性狀及作物生長產生危害之前進行深松，不僅能夠減少消除機械壓實造成的功率消耗、降低深松耕作阻力，同時也有助于保護土壤的理化性狀。

3)合理配置入土角是減小耕作阻力的重要途徑。入土角是深松鏟設計的關鍵參數(shù)之一，其對深松耕作阻力會產生重要影響。深松作業(yè)時，深松鏟-土壤系統(tǒng)之間的相互作用引起土壤之間產生擠壓、剪切、拉伸等效應是造成土壤結構失效、破碎的重要因素，而入土角的變化對深松鏟-土壤系統(tǒng)的相互作用過程有重要影響。McKyes[31]指出，深松部件與土壤相互作用過程中，深松鏟的推土作用隨入土角的增大而增加，抬土作用隨入土角的增大而減小，當入土角較大時，深松鏟在前進方向上受到土壤的阻礙作用較大，從而引起耕作阻力增大。在靠近深松鏟位置，過大或過小的入土角將會導致土壤錐體及土壤背棱的產生，土壤錐體及土壤背棱均會削弱深松鏟對土壤的切削作用，增加深松鏟切削土壤所需的外加壓力，導致耕作阻力增大。同時，深松過程中，受土壤條件、耕深穩(wěn)定程度及彈性元件變形的影響，深松鏟的入土角會在一定范圍內波動，從而引起作業(yè)效果及耕作阻力發(fā)生較大變化。綜上可知，深松鏟入土角的配置應該限定在一定范圍內，較小的入土角能夠降低深松作業(yè)的耕作阻力。

4)鏟距對深松耕作阻力產生重要影響。鏟距是深松機布局的重要參數(shù)，對深松耕作阻力及耕作效果的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，多鏟的協(xié)同作用是影響土壤之間相互擾動的重要因素，而這種擾動主要受鏟距變化的影響。當鏟距較小時，鏟與鏟之間的協(xié)同作用較強，鏟尖斜面及鏟柄切土刃口之間的協(xié)同作用能夠有效地增大土壤之間的相互擾動，降低土壤破碎所需的外加壓力，從而降低耕作阻力；第二，間隔深松的主要目的是形成“虛實并存”的“W”型土壤結構，在耕層內形成“富水區(qū)”與“貧水區(qū)”，提高土壤的蓄水保墑能力，從而促進農作物的生長。當鏟距過小時，雙鏟之間的土壤將完全被擾動，土壤結構將呈現(xiàn)“U”型，并不能使土壤水分呈貧富相間分布。綜上可知，合理配置深松鏟間距對耕作阻力及耕作效果均具有重要意義，鏟距的選取應該在合理的范圍內，不宜過大，也不宜過小。

實際深松過程中，鏟距的選擇多依靠經驗，且鑿形、箭形、翼形深松鏟間距的選取存在較大差異，并無配置標準。因此，針對不同鏟形，在充分考慮耕作質量、作業(yè)效果及作業(yè)效率的前提下，確定深松鏟間距的合理配置方案，是降低耕作阻力，優(yōu)化深松機布局方式，提高作業(yè)質量的重要途徑。

5)為確定不同因素對深松耕作阻力的影響程度，本研究選取鏟距、鏟形、入土角、土壤含水率、土壤堅實度、耕深、牽引速度等影響耕作阻力的通用因素，進行了27組正交試驗，采用SPSS軟件對試驗結果進行分析，結果表明：耕深、土壤堅實度、入土角、鏟距對耕作阻力的變化影響顯著，不同因素對耕作阻力影響程度的排序依次為：耕深>土壤堅實度>入土角>鏟距>土壤含水率>鏟形>牽引速度。

為減小深松耕作阻力、提高耕作質量，對影響深松耕作阻力的主要因素進行了綜合分析，可以得到以下結論：第一，在滿足農藝技術對深松深度要求的前提下，耕深主要依據“耕作層+犁底層”的厚度確定；第二，深松作業(yè)間隔年限的確定應將土壤堅實度作為重要評價指標；第三，合理配置深松鏟的入土角和鏟距是降低深松作業(yè)阻力、提高作業(yè)質量的重要途徑。

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Influencing factors and reduction strategies of subsoiling tillage resistance

HANG Chengguang1,HUANG Yuxiang1,2,LI Wei1,ZHU Ruixiang1,2

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

【Objective】 This study analyzed key factors and influences on subsoiling tillage resistance to provide basis for subsoiling resistance reduction technology and equipment.【Method】 The influences of tine shape (arrow tine and chisel tine),tool spacing (300,400,and 500 mm),rake angle(18°,23°,and 28°),soil moisture content (10%,15%,and 20%),soil hardness (1 000,1 500,and 2 000 kPa),tillage depth (250,300,and 350 mm) and speed (2,3,and 4 km/h) on subsoiling tillage resistance were analyzed by L27(37) orthogonal experiment method and analysis of variance for single dependent variable.【Result】 The test probabilities of tine shape,tool spacing,rake angle,soil moisture content,soil hardness,tillage depth and speed were 0.613,0.057,0.056,0.495,0.013,0.001 and 0.797,respectively.Effects of different factors were in a decreasing order of tillage depth>soil hardness>rake angle>tool spacing>soil moisture content>tine shape>speed.The effects of tillage depth,soil hardness,rake angle,and tool spacing were significant.【Conclusion】 To reduce tillage resistance and increase tillage quality,with the premise of agronomic requirement,reasonable tillage depth should be determined by the depth of ‘plough layer+plow pan’.Soil hardness should be regarded as an important evaluation index to decide interval time of subsoiling operation.Rational allocation of rake angle and tool spacing of subsoiler contributed to reducing tillage resistance and improved tillage quality.

subsoiling;conservation tillage;tillage resistance;reduction strategy

時間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.029

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.058.html

2016-04-01

陜西省科技攻關項目(2013K02-11)；楊凌示范區(qū)科技計劃項目(2014NY-29)；西北農林科技大學重點項目(Z101021501)

杭程光(1992-)，男，陜西西安人，在讀碩士，主要從事土壤-機器系統(tǒng)研究。E-mail:hcg@nwsuaf.edu.cn

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

S220.2

A

1671-9387(2016)11-0202-07