氣壓深松土壤孔隙度測試與分析

左勝甲，孔德剛※，劉春生，李紫輝，張 超，陳 爽，吳艷鳳

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

氣壓深松土壤孔隙度測試與分析

左勝甲1，孔德剛1※，劉春生2，李紫輝1，張 超1，陳 爽1，吳艷鳳1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

為了明晰氣壓深松土壤孔隙度的變化規(guī)律及其效果，利用溫納電阻率法測試氣壓深松前、后的土壤孔隙度，并以孔隙度增加率為指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：深松氣壓和水平距離對(duì)孔隙度增加率有極顯著影響（P＜0.01），而犁底層容重沒有顯著影響；水平距離0.7 m內(nèi)的土壤孔隙度增大，犁底層孔隙度增加率隨水平距離增加呈現(xiàn)先緩慢變化在0.4 m處出現(xiàn)峰值后，急速減小的變化趨勢，水平距離0.1～0.4 m的孔隙度增加率均值顯著大于0.5～0.6 m的孔隙度增加率均值（P＜0.05）；深松氣壓2.2和1.8 MPa作用下的犁底層孔隙度增加率差異不顯著，但均顯著大于1.4 MPa作用下的犁底層孔隙度增加率（P＜0.05），1.8 MPa為最佳深松氣壓。結(jié)論可為氣壓深松技術(shù)及其設(shè)備的研發(fā)提供依據(jù)。

孔隙度；壓力；土壤；氣壓深松；溫納測試法

0 引 言

實(shí)施深松作業(yè)可打破長期機(jī)械化作業(yè)形成的犁底層，使犁底層的土壤得到松動(dòng)，能調(diào)節(jié)土壤三相比，提高土壤的孔隙度和透水、透氣性能，減少水土流失，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。傳統(tǒng)的深松方式主要是用深松鏟直接松動(dòng)耕地犁底層土壤，這種方式存在深松深度淺，影響范圍小等問題[1]。氣壓深松利用氣壓劈裂原理，向耕地土壤內(nèi)部注入高壓氣體，使土壤中空氣量增加，改變土壤三相比，同時(shí)也使土壤產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致土壤孔隙度增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地的深松，其具有深松深度深，影響范圍大等特點(diǎn)[2]。目前中國關(guān)于氣壓深松方面的研究很少，特別是氣壓深松土壤孔隙度隨深松參數(shù)的變化規(guī)律及其效果亟待研究。

深松效果可用深松后土壤孔隙度及其增加率來評(píng)價(jià)。目前針對(duì)土壤孔隙度的測量方法主要有傳感器測量、圖像分析及取樣分析 3 種[3]。其中傳感器測量法多為侵入式測量，探頭及傳輸線路會(huì)干擾被測土壤的物理特性[4]，圖像分析法測量效果及精度受土壤類型及觀測角度、距離等因素影響顯著[5-6]，取樣分析法需直接擾動(dòng)土壤，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量及分析。近年來，溫納（Wenner）電阻率法在土壤測試中的應(yīng)用增多，它是通過在被測量介質(zhì)中布設(shè)電極，測定土體電阻借助反演計(jì)算方法獲得電阻率，并利用電阻率與土體物理狀態(tài)參數(shù)的定量關(guān)系來表征和測量某一物理特性，是一種無損、多維、多尺度的實(shí)時(shí)測量方法。如 C hambers等[7]、劉漢樂等[8]利用此法研究了非水相有機(jī)物在土層中的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律；Greve等[9]、Hassan等[10]利用此法研究了土體裂縫展開規(guī)律；張志祥等[11]利用此法研究確定了土壤水分特征曲線。

因此，本文利用溫納電阻率法，測得氣壓深松前、后土壤中各測試點(diǎn)的土壤電阻率，并利用阿爾奇公式求其土壤孔隙度，進(jìn)一步計(jì)算土壤孔隙度增加率，分析研究氣壓深松后土壤內(nèi)的孔隙度增加率隨深松參數(shù)的變化規(guī)律，為氣壓深松技術(shù)及其設(shè)備的研發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

1 氣壓深松測試原理

土壤電阻率與含水量、孔隙度、結(jié)構(gòu)及溫度等多種因素有關(guān)，在其他因素不變或相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可通過測量土體的電阻率間接測量某單一因素的變化及分布特征[12-13]。

由拉普拉斯方程及歐姆定律可知一個(gè)點(diǎn)電流源電場中，均勻介質(zhì)中任一點(diǎn)的電位[14-16]。

式中U為電位，V；ρ為電阻率，?·m；I為點(diǎn)電流源電流，A；r為任一點(diǎn)到點(diǎn)電流源的距離，m。在2個(gè)異性點(diǎn)電流源電場中（圖1），按疊加原理，任一點(diǎn)的電位為點(diǎn)電流源A（+I）和B（-I）在該點(diǎn)所產(chǎn)生電位的矢量和。

圖1 2個(gè)異性點(diǎn)電流源的電場Fig.1 Electric field of 2 opposite point current source

由式（1）可得，M點(diǎn)的電位為

式中UM為M點(diǎn)的電位，V；AM為M點(diǎn)到電源A的距離，m；BM為M點(diǎn)到電源B的距離，m。

利用電阻率法測定土壤電阻率時(shí)（圖 2），先通過電測儀器測定MN電極間的電位差和AB回路的供電電流，再計(jì)算其電阻率。

圖2 任意4電極裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of any quadrupole device

任意四極裝置中的AB為供電電源，MN之間的電位差為

式中ΔUMN為MN之間的電位差，V；AN為N點(diǎn)到電源A的距離，m；BN為N點(diǎn)到電源B的距離，m。

則電阻率的公式為

式中k為電極排列系數(shù)，m。本試驗(yàn)采用的是溫納4電極測試法，其電極位于同一水平線上且間距相等，所以k=2π·a，a為相鄰電極間的間距，m。

由溫納法得到的電阻率是深度為電極間距、位置為電勢電極間連線中點(diǎn)處介質(zhì)的綜合電阻率，也稱為視電阻率[17]。

2 氣壓深松試驗(yàn)

2.1 供試土壤及試驗(yàn)儀器

2016年1—4月進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用土壤采自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場（45°45′N、128°39′E），為使試驗(yàn)用土壤的含水率與實(shí)際深松作業(yè)時(shí)的土壤含水率（15%～22%）[18-20]保持一致，試驗(yàn)前將其含水率調(diào)制為18%±0.5%，為了模擬實(shí)際深松作業(yè)時(shí)的土層狀態(tài)，在土槽底部設(shè)置犁底層，試驗(yàn)前用石磙碾壓使其容重為 1 .4～1.8 g/cm3[21-22]，厚度為0.2 m，碾壓過程中用環(huán)刀法監(jiān)測土壤容重。然后在犁底層上面覆蓋約0.2 m厚的試驗(yàn)用土壤作為耕作層，并使其表面平整光滑便于測試。

試驗(yàn)所用設(shè)備為自制的氣壓可調(diào)式氣壓深松試驗(yàn)裝置，主要由高壓氣泵、土槽、支撐架、調(diào)壓閥、氣槍開關(guān)和氣槍等組成（圖3）。高壓氣泵1產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)過調(diào)壓閥2、高壓輸氣管4、氣槍開關(guān)5，由氣槍6噴氣孔注入土槽7的土壤之中，使土壤孔隙度增加實(shí)現(xiàn)深松。高壓氣泵提供的氣壓為0.8～3.0 MPa，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，氣槍可得到不同的深松氣壓。其中氣槍由無縫鋼管制成，頂端為圓錐體，前部均布4個(gè)直徑為5 mm的噴氣孔，后部通過高壓輸氣管、調(diào)壓閥與高壓氣泵連接。

圖3 氣壓深松試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic of pneumatic subsoiling test equipment

試驗(yàn)儀器有電測儀器、硬度計(jì)、環(huán)刀、天平和計(jì)算機(jī)等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

為分析不同容重土壤中深松氣壓對(duì)土壤空隙度的影響，設(shè)置3個(gè)犁底層容重水平（1.4、1.6、1.8 g/cm3）和3個(gè)深松氣壓（1.4、1.8、2.2 kPa）水平，進(jìn)行全組合氣壓深松試驗(yàn)，并利用溫納法測試各測試點(diǎn)深松前、后的土壤電阻率。每項(xiàng)組合重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為分析計(jì)算值。

利用溫納法對(duì)各測試點(diǎn)的土壤電阻率進(jìn)行測試，測試時(shí)在土面中心將氣槍插入犁底層中，使噴氣孔距土面0.35 m，并固定在支撐架上。測試點(diǎn)的位置由坐標(biāo)（x，y）給出，其中x為水平距離（距土面中心的水平尺寸），分別取值0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.7 m；y為深度（距土面的垂直尺寸），分別取值0.1，0.15，0.3和0.35 m。

2.3 指標(biāo)測定及計(jì)算

2.3.1 土壤孔隙度計(jì)算

1）確定試驗(yàn)用土壤電阻率與孔隙度的計(jì)算公式。利用阿爾奇建立的土壤電阻率模型[23]

式中Ф為土壤孔隙度；Sr為土壤飽和度，%；K為與土壤特性有關(guān)的常數(shù)系數(shù)；m和n分別為模型待定常數(shù)。

試驗(yàn)前，采用供試土壤，設(shè)置不同飽和度和孔隙度試驗(yàn)進(jìn)行電阻率測試，對(duì)孔隙率與電阻率模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。通過回歸分析確定式（5）中m、n、K。得到其電阻率與孔隙度的計(jì)算公式

式中W為土壤含水率，%。決定系數(shù)R2為0.96（P＜0.05）。

本試驗(yàn)W為18%，將W及各測試點(diǎn)深松前后的土壤電阻率ρ的數(shù)值代入到式（6）中，即可得到各測試點(diǎn)深松前后的土壤孔隙度。

2.3.2 土壤孔隙度增加率計(jì)算

氣壓深松使土壤中空氣的含量增加，引起土壤體積膨脹、土面抬升，同時(shí)使土壤產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致土壤孔隙度增大。為了便于分析比較不同條件下的深松效果，本文以土壤孔隙度增加率（試驗(yàn)前、后土壤孔隙度之差與試驗(yàn)前土壤孔隙度比值的百分比）為指標(biāo)，分析研究土壤孔隙度增加率的變化規(guī)律并確定合理的技術(shù)參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤孔隙度增加率方差分析

通常深松作業(yè)時(shí)犁底層的容重為 1 .4～1.8 g/cm3[24-27]。對(duì)不同容重土壤犁底層在不同深松氣壓作用下各水平距離的孔隙度增加率進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，深松氣壓極顯著影響土壤孔隙率增加率（F=6.751＞F(2,44)=4.98），水平距離也極顯著影響土壤孔隙率增加率（F=4.98＞F(5,44)=3.65），而犁底層容重沒有顯著影響?？梢姡钏蓺鈮汉退骄嚯x是影響土壤孔隙度的重要影響因素。 因此，下文主要針對(duì)犁底層容重為1.6 g/cm3（平均值）的土壤，分析不同深松氣壓和水平距離孔隙度增加率的分布規(guī)律。

3.2 不同水平距離孔隙度增加率分布規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件，通過以三角形為基礎(chǔ)的三次方程內(nèi)插法，得到不同深松氣壓下孔隙度增加率在土壤中不同深度不同水平距離的分布如圖4所示。

圖4 不同深松氣壓下土壤孔隙度增加率分布Fig.4 Porosity increase rate distribution under different pressures of pneumatic subsoiling

3.2.1 深松氣壓1.4 MPa下的孔隙度增加率分布

由圖4a可知，深松氣壓為1.4 MPa時(shí)，孔隙度增加率在耕作層（0.2 m以上部分，以下不再注明）內(nèi)隨水平距離的增加呈減小趨勢，在水平距離0.7 m時(shí)減小為0；在犁底層（0.2～0.35 m，以下不再注明）內(nèi)隨水平距離增加呈現(xiàn)先波動(dòng)變化，在0.4 m處出現(xiàn)波峰后急速減小的變化趨勢。在相同水平距離時(shí)，孔隙度增加率隨深度的增加，在耕作層內(nèi)變化很小，而在犁底層內(nèi)變化較大；在深度約0.3 m，水平距離約0.4 m處，孔隙度增加率出現(xiàn)最大值，約為5.1 %。

3.2.2 深松氣壓1.8 MPa下的孔隙度增加率分布

由圖4b可知，深松氣壓為1.8 MPa時(shí)，在不同深度下，孔隙度增加率呈隨水平距離增加而減小的趨勢。在犁底層內(nèi)呈現(xiàn)先是緩慢變化，在0.4 m處急速出現(xiàn)波峰后急速減小，之后再次緩慢變化的趨勢；而在耕作層內(nèi)減小的速度相對(duì)較快，在水平距離0.7 m時(shí)減小為0。在相同水平距離下，孔隙度增加率隨深度增加呈增大趨勢，但在耕作層內(nèi)增大的速度較快；而在犁底層內(nèi)增大的速度相對(duì)較慢。在深度為0.3～0.35 m，水平距離約為0.4 m時(shí)，孔隙度增加率達(dá)到最大值，約為6.0 %。

3.2.3 深松氣壓2.2 MPa時(shí)的孔隙度增加率分布

由圖4c可知，深松氣壓為2.2 MPa時(shí)，孔隙度增加率在耕作層內(nèi)隨水平距離的增加呈波動(dòng)減小的趨勢，在0.7 m時(shí)減小為0；而在犁底層內(nèi)隨水平距離增加呈現(xiàn)先緩慢變化，在0.4 m處急速出現(xiàn)波峰后急速減小的變化趨勢。在相同水平距離下，孔隙度增加率隨深度的增加，在耕作層內(nèi)變化較大，而在犁底層內(nèi)變化相對(duì)較小。在深度0.3～0.35 m，水平距離約0.4 m處，孔隙度增加率出現(xiàn)最大值，其值約為7.5%。

由上分析可知，在不同深松氣壓作用下，土壤孔隙度增加率在水平距離0.7 m范圍內(nèi)均大于0，表明在此范圍得到了不同程度的深松；孔隙度增加率最大值均出現(xiàn)在水平距離約0.4 m，犁底層深度約0.3～0.35 m處；這個(gè)深度與氣槍噴氣孔深度位置相同，說明與氣槍噴氣孔深度相同的犁底層可得到最佳的深松效果。另外，孔隙度增加率在犁底層和耕作層無顯著差異，而在水平方向上則是0.1～0.4 m顯著大于0.5～0.6 m（P＜0.05），表明在0.4 m之后深松效果顯著減小。

3.3 深松氣壓對(duì)犁底層孔隙度增加率的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到容重為1.6 g/cm3的犁底底層（深度0.3 m），不同深松氣壓作用下不同水平距離的孔隙度增加率，如圖5所示。由圖5可以看出，犁底層在深松氣壓1.4、1.8和2.2 MPa深松后，在半徑0.6 m范圍內(nèi)任一水平距離下的孔隙度增加率，均以1.8 MPa的最大，1.4 MPa最?。≒＜0.05），2.2 與1.8 MPa無顯著差異，但二者均顯著大于1.4 MPa的孔隙度增加率（P＜0.05）。表明在水平距離0.6 m范圍內(nèi)，較大的深松氣壓產(chǎn)生較大孔隙度增加率，可獲得較好的深松效果。多項(xiàng)研究成果表明，氣壓劈裂時(shí)裂隙的擴(kuò)展方向垂直于最小主應(yīng)力方向，淺層土的氣壓劈裂其最小主應(yīng)力為豎向，裂隙為水平裂隙[28-30]。本試驗(yàn)的氣壓深松屬于淺層土的氣壓劈裂，其最小主應(yīng)力為豎向，容重為1.6 g/cm3犁底層，因其土壤凝聚力相對(duì)較小，使其豎向主應(yīng)力合力也相對(duì)較小，氣體在產(chǎn)生橫向水平擴(kuò)散的同時(shí)，會(huì)有部分產(chǎn)生豎向擴(kuò)散而泄漏出地表。 對(duì)于3種深松氣壓，1.4 MPa的深松氣壓相對(duì)較小，橫向擴(kuò)散勢力較弱擴(kuò)散到土壤中的氣體量較小，所以其孔隙度增加率較低；而1.8、2.2 MPa的深松氣壓相對(duì)較高，氣體橫向擴(kuò)散勢力增強(qiáng)，在土壤中易于形成裂紋增多，擴(kuò)散到土壤中的氣體量較多，孔隙度增加率較大。但同時(shí)其豎向擴(kuò)散勢力相對(duì)較強(qiáng)，引起的氣體泄漏量較大，導(dǎo)致 2 種深松氣壓下的孔隙度增加率的差異不顯著。另外，由1.4、1.8和2.2 MPa引起的孔隙度增加率在半徑0.6 m范圍的平均值分別為2.80，4.93和4.41，主要考慮土壤疏松程度兼顧能耗，選用1.8 MPa的深松氣壓可獲得較好的深松效果。

圖5 不同深松氣壓下犁底層孔隙度增加率Fig.5 Porosity increase rate of plow pan under different pressures of pneumatic subsoiling

4 結(jié) 論

1）深松氣壓和水平距離對(duì)犁底層孔隙度增加率有極顯著影響，而犁底層的容重對(duì)其沒有顯著影響。

2）氣壓深松后，水平距離0.7 m內(nèi)的土壤孔隙度增大，犁底層內(nèi)孔隙度增加率隨水平距離增加呈現(xiàn)先緩慢變化，在0.4 m處出現(xiàn)峰值后急速減小的變化趨勢，且水平距離0.1～0.4 m的孔隙度增加率均值顯著大于0.5～0.6 m的孔隙度增加率均值。

3）深松氣壓2.2和1.8 MPa作用下的犁底層孔隙度增加率差異不顯著，但均顯著大于1.4 MPa作用下的孔隙度增加率?？紤]土壤疏松程度兼顧能耗，選用1.8 MPa的深松氣壓最佳。

本文對(duì)氣壓深松技術(shù)的深入研究及其設(shè)備的研發(fā)有非常實(shí)際的意義，但試驗(yàn)中深松噴氣點(diǎn)的數(shù)量較少，僅有一個(gè)噴氣點(diǎn)，在后續(xù)的研究中應(yīng)該對(duì)多噴氣點(diǎn)下的氣壓深松效果及土壤內(nèi)的孔隙度的變化規(guī)律作進(jìn)一步研究。

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Test and analysis of soil porosity with pneumatic subsoiling

Zuo Shengjia1,Kong Degang1※,Liu Chunsheng2,Li Zihui1,Zhang Chao1,Chen Shuang1,Wu Yanfeng1
(1. College of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2. School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China)

Pneumatic subsoiling is a novel subsoiling method based on pneumatic split technology,which injects pressure-air into cultivated soil to form fractures. In order to study the change of soil porosity during pneumatic subsoiling based on Wenner electrical sounding method,a labroatory experiment was conducted in Agricultural Machinery Laboratory of the Engineering Research Center of Northeast Agricultural University from January to April in 2016. Different soil bulk density(1.4,1.6 and 1.8 g/cm3) and subsoiling pressure(1.4,1.8 and 2.2 kPa) were designed for the experiment. The initial soil moisture was kept at 18% for all the treatments. At the bottom of the soil bin,a plowpan in depth of 0.2 m was artificially designed by rolling. On the top,a plough layer was of the depth of 0.2 m. The resistivity was measured before and after subsoiling. Then the resistivity was converted into soil porosity by the model established based on a pre-experiment. Then,the porosity increase rate was used to evaluate the change of soil porosity. The results showed that the pressure had an extremely significant influence on soil porosity increase rate(P＜0.01) but the bulk density did not significantly affect the results. Thus,the change of soil porosity as affected by pressure was further investigated in soil with bulk density of 1.6 g/cm3. After subsoiling,the soil porosity increased within the horizontal distance of 0.7 m. In the plowpan(0.2-0.35 m),the porosity increase rate increased slowly with the horizontal distance before 0.4 m and reached its peak when the horizontal distance was 0.4 m. The maximum porosity increase rate was 5.1%,6.0% and 7.5% under the pressure of 1.4,1.8 and 2.2 Mpa,respectively. After the peak,the porosity increase rate rapidly decreased with the increase of the horizontal distance. The average of the porosity increase rate at the horizontal distance of 0.1-0.4 m was higher than that in the 0.5-0.6 m,indicating small subsoiling effect for the horizontal distance larger than 0.4 m. The porosity increase rate under the air pressure of 1.8 and 2.2 MPa were significantly higher than that with the air pressure of 1.4 MPa(P＜0.05). However,there was no significant difference between 1.8 and 2.2 MPa. Considering the effects of subsoiling and energy consumption for subsoiling,we suggested that the subsoiling air pressure was 1.8 MPa when the bulk density was 1.6 g/cm3. The results provides the technical support for development and application of pneumatic subsoiling equipment.

porosity;pressure;soils;pneumatic subsoiling;Wenner test method;

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022

S222.1+9

A

1002-6819(2017)-01-0162-05

左勝甲，孔德剛，劉春生，李紫輝，張 超，陳 爽，吳艷鳳. 氣壓深松土壤孔隙度測試與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：162－166.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022 http://www.tcsae.org

Zuo Shengjia,Kong Degang,Liu Chunsheng,Li Zihui,Zhang Chao,Chen Shuang,Wu Yanfeng.Test and analysis of soil porosity with pneumatic subsoiling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):162－166.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022 http://www.tcsae.org

2016-05-18

2016-10-10

國家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAD06B04）

左勝甲，男，吉林通化人，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。

Email：zuoshengjia1984@163.com

※通信作者：孔德剛，男，吉林省白山市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：kong-degang@hotmail.com