前鏟入土深度對(duì)分層深松土壤擾動(dòng)的影響研究

李 偉，張帥磊，高喜杰，黃玉祥，朱瑞祥

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

目前，分層深松技術(shù)已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1]。分層深松采用前后鏟分層作業(yè)，前鏟疏松上層土壤，后鏟深松下層土壤[2]。探明分層深松對(duì)土壤擾動(dòng)效果的影響有助于深入理解分層深松的原理，可以為分層深松機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

前鏟的入土深度是影響分層深松土壤擾動(dòng)的重要參數(shù)之一，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)分層深松技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。Mielkes等通過田間試驗(yàn)，對(duì)比研究了不同入土深度的前鏟、分層深松鏟和固定深度的單鏟對(duì)功耗和土壤坑形擾動(dòng)面積的影響[3]。Kasisira和du Plessis研究了前后鏟間距和前鏟入土深度對(duì)分層深松能耗的影響，得到前后鏟間距的理論表達(dá)公式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取了能耗最優(yōu)條件下的前鏟入土深度[4]。Hamza等研究了在后鏟前布置單個(gè)、兩個(gè)前鏟和前后鏟偏置條件下分層深松鏟的工作阻力和土壤擾動(dòng)的變化[5]。國內(nèi)方面，王微通過正交試驗(yàn)方法，分析了深松深度、前鏟鏟形、后鏟鏟形和前后鏟距等因素對(duì)分層深松鏟的耕作阻力和上、下溝槽寬度的影響[6]。趙艷忠等研究了深松深度、前后鏟形組合、分層高度差和前后鏟縱向距等參數(shù)對(duì)分層深松鏟牽引阻力的影響[2]?，F(xiàn)有研究主要集中于前鏟入土深度對(duì)深松阻力的影響研究，有關(guān)分層深松土壤擾動(dòng)效果的研究較少，且評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一。

本文通過土槽試驗(yàn)方法，利用土壤宏觀擾動(dòng)輪廓、深松深度及其穩(wěn)定性、土壤蓬松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)和地表平整度等深松土壤擾動(dòng)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究前鏟入土深度為100、150、200、250mm對(duì)分層深松土壤擾動(dòng)性能的影響，為前鏟最佳入土深度的確定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)選在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院的數(shù)字化土槽內(nèi)，試驗(yàn)用土壤為主要分布于關(guān)中地區(qū)的塿土，容重為1.36g/cm3[7]。試驗(yàn)用深松鏟柄為圓弧形深松鏟柄，鏟柄的長度、厚度和寬度分別為770、30、80mm，入土角為23°，鏟柄切土刃角為60°[8]。前鏟采用翼形鏟，后鏟采用入土性能較強(qiáng)的箭形鏟。土槽試驗(yàn)中使用的分層深松鏟如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

前鏟入土深度會(huì)對(duì)分層深松的土壤擾動(dòng)效果產(chǎn)生重要影響。根據(jù)文獻(xiàn)可知，土壤的耕作層厚度一般為150mm[9]。本文以50mm為梯度，確定前鏟入土深度分別為100、150、200和250mm 4個(gè)水平，后鏟深松深度為300mm；以入土深度為100、150、200和250mm的單個(gè)翼形鏟和深松深度為300mm的單個(gè)箭形鏟作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。此外，分層深松鏟的前后縱向鏟間距設(shè)定為350mm[1, 10]。試驗(yàn)方案如表1所示。

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1.3 試驗(yàn)過程

為模擬真實(shí)的大田試驗(yàn)環(huán)境，土槽土壤采用分層制備的方法進(jìn)行處理[11-12]。試驗(yàn)前土槽土壤的平均含水率為17.5%；0～200mm、200～400mm內(nèi)土壤硬度值范圍分別為0.5～1.2MPa和1.5～2.0MPa。

試驗(yàn)中土槽試驗(yàn)車的牽引速率設(shè)定為3km/h[12]。實(shí)驗(yàn)室土槽的可用長度為20m，考慮到土槽車存在一定的加速和減速時(shí)間，設(shè)定前、后4m為緩沖區(qū)，中間的12m為實(shí)際的有效測量區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤宏觀擾動(dòng)輪廓分析

為分析前鏟入土深度對(duì)分層深松土壤擾動(dòng)輪廓的影響，在深松后的作業(yè)區(qū)域內(nèi)獲取分層深松鏟的土壤宏觀擾動(dòng)輪廓。深松后，仿形繪制得到土壤的橫向擾動(dòng)輪廓，并測量土壤坑形輪廓的寬度，將輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)化，輸入Excel中得到土壤坑形輪廓，如圖2所示。

由圖2可知:前鏟入土深度不同時(shí)，分層深松鏟的土壤坑形擾動(dòng)輪廓存在較大差異。當(dāng)前鏟入土深度為100、150、200、250mm時(shí)，分層深松的土壤坑形輪廓平均寬度分別為476.0、495.0、519.0、573.0mm，表明分層深松后，土壤坑形輪廓的寬度隨著前鏟入土深度的增加而增大?？赡艿脑蚴?隨著前鏟入土深度的增加，前鏟深松區(qū)域的土壤擾動(dòng)范圍不斷增大，而后鏟對(duì)作業(yè)區(qū)域的二次疏松進(jìn)一步擴(kuò)大了土壤的擾動(dòng)范圍，導(dǎo)致前、后深松鏟兩次抬起的土壤體積不斷增加，形成的深松土壤坑形輪廓寬度隨之增加。

(a) 前鏟入土深度為100mm的分層深松鏟

(b) 前鏟入土深度為150mm的分層深松鏟

(c) 前鏟入土深度為200mm的分層深松鏟

2.2 深松深度及其穩(wěn)定性

深松深度是指深松耕后形成的溝底至未耕地表的垂直距離。深松后，采用鋼尺在每個(gè)作業(yè)行程中按一定間隔選取3個(gè)測點(diǎn)測取深松深度，分別計(jì)算得到平均深松深度、深松深度標(biāo)準(zhǔn)差及深松深度穩(wěn)定性變異系數(shù)等[13]，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同前鏟入土深度條件下分層深松和單鏟深松的 深松深度及其穩(wěn)定性Table 2 The subsoiling depth and stability coefficient for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

由表2可知：當(dāng)前鏟入土深度為150mm時(shí)，分層深松的深松深度穩(wěn)定性最佳；單鏟深松的深松深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.68%，可知分層深松的深松深度穩(wěn)定性要高于單鏟深松，分層深松可以改善深松深度的穩(wěn)定性。主要原因在于：單鏟深松時(shí)，深松鏟尖遇到堅(jiān)硬的土塊或石塊時(shí)，由于無法克服上層土塊的重力作用，只能向上、向后彈跳，導(dǎo)致深松深度無法達(dá)到規(guī)定深度，且波動(dòng)較大；分層深松時(shí)，前鏟先對(duì)耕作層土壤進(jìn)行疏松、破碎，并帶至深松鏟兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)耕作層與犁底層土壤的分離，后鏟只需深松剩余土層的土壤，這時(shí)上層土壤對(duì)深松鏟的抑制作用較小，后鏟可將土塊或石塊抬起，或發(fā)生較小幅度的向后、向上彈跳，能在繞開障礙后深松至設(shè)定深度，從而保證深松深度的穩(wěn)定性。

2.3 土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)

土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)是深松土壤擾動(dòng)效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，反映了深松前、后土壤結(jié)構(gòu)體積與容積密度的變化差異[14]。

根據(jù)試驗(yàn)測繪得到土壤坑形、壟形輪廓的橫向截面形狀，采用割補(bǔ)法和土壤蓬松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算、匯總[13]，如表3所示。

表3 不同前鏟入土深度條件下分層深松和 單鏟深松的的土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)Table 3 Soil volume expansivity and soil disturbance coefficient for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

由表3可知：隨著前鏟入土深度的增加，分層深松的土壤蓬松度隨之增大?？赡茉蛟谟?，前鏟抬升的土壤體積會(huì)隨入土深度的增加而增加，后鏟在通過時(shí)除深松剩余土層外，還會(huì)對(duì)之前疏松過的部分土壤進(jìn)行二次疏松，并抬升至地表，使得抬升至地表的土壤總體積隨之增加。

單鏟深松的土壤擾動(dòng)系數(shù)均小于分層深松。主要是因?yàn)閱午P深松時(shí)，較深土層的土壤在表層土壤的重力影響下無法得到抬升，且會(huì)受到深松鏟的擠壓作用，因而擾動(dòng)的土壤體積有限；在分層深松作業(yè)中，前鏟對(duì)表土進(jìn)行了疏松、分離，后鏟在沒有上層土壤的干涉下可抬升較多的土壤體積，改善了深層土壤的擾動(dòng)效果。

2.4 地表平整度和其他土壟參數(shù)

深松后的土壟堆積輪廓對(duì)播種、作物根系生長等產(chǎn)生重要影響，相應(yīng)的參數(shù)包括地表平整度、土壟的壟溝寬度和壟高。其中，地表平整度的測量、計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[11]。土壟的壟溝寬度和壟高主要通過卷尺測定得到，對(duì)測量的3次重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知：分層深松的土壤地表平整度均小于單鏟深松，因而分層深松的土壤地表平整性要好于單鏟深松。這是因?yàn)閱午P深松時(shí)抬升至地表的土塊較大，且土壟寬度有限，而分層深松時(shí)前鏟會(huì)先對(duì)地表土壤進(jìn)行破碎、分離，后鏟的二次擾動(dòng)減小了土塊的尺寸，并增加了土壤顆粒的側(cè)向運(yùn)動(dòng)位移；分層深松作業(yè)后形成的土壟高度變化較小，而前鏟鏟尖在土層中的深度位置不同會(huì)使土壟寬度發(fā)生較大變化，分層深松后的碎土塊尺寸、土壤內(nèi)聚力基本相同，因此土壟高度受入土深度的影響較小、差異不大。同時(shí)，前鏟入土深度越大，鏟尖作用下的土壤側(cè)向運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，形成的深松壟溝逐漸收窄。

表4 不同前鏟入土深度條件下分層深松和 單鏟深松的地表平整度和土壟參數(shù)Table 4 Soil roughness and soil ridge parameters for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

當(dāng)前鏟入土深度為100、150、200、250mm時(shí)，分層深松的土壟壟溝寬度大于單鏟深松。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是因?yàn)榉謱由钏稍谧鳂I(yè)過程中會(huì)對(duì)地表土壤進(jìn)行二次擾動(dòng)，土壤向兩側(cè)移動(dòng)的距離會(huì)比單鏟大。不同前鏟入土深度條件下，分層深松后的土壟高度相差不大。單鏟深松的平均土壟高度為86.0mm，高于前鏟入土深度不同的分層深松?？赡茉蚴欠謱由钏社P的前鏟會(huì)先行對(duì)地表進(jìn)行破碎、分離，使得深松后的地表土塊尺寸小于單鏟深松[15]。

合適的前鏟入土深度，能使前、后鏟分別疏松不同土層的土壤，避免上、下土層土壤的混合，還可減少前鏟對(duì)后鏟抬土作用的干涉影響，且作業(yè)后的土壤坑形輪廓寬度較小，有助于土壤的蓄水保墑。

3 結(jié)論

1)前鏟入土深度不同時(shí)，分層深松鏟的土壤坑形擾動(dòng)輪廓存在較大差異。隨著前鏟入土深度的增加，土壤坑形輪廓的寬度增加。

2)當(dāng)前鏟入土深度為150mm時(shí)，分層深松鏟的深松深度穩(wěn)定性最好；分層深松的深松深度穩(wěn)定性要高于單鏟深松，表明分層深松可以改善深松深度的穩(wěn)定性。

3)隨著前鏟入土深度的增加，分層深松鏟的土壤蓬松度隨之增大；單鏟深松的土壤擾動(dòng)系數(shù)小于分層深松。

4)前鏟入土深度不同的分層深松鏟，其土壤地表平整性好于單鏟深松；分層深松的土壟壟溝寬度大于單鏟深松。單鏟深松的土壟高度高于前鏟入土深度不同的分層深松鏟，且分層深松鏟的土壟高度相差不大。