自激振動深松對土壤物理特性的影響

屈 通，李 霞，湯明軍，王維新，張思遠(yuǎn)

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

目前，耕地減少、質(zhì)量變差進(jìn)一步加重糧食需求問題。國家規(guī)劃綱要指出，在2020年我國糧食產(chǎn)量要達(dá)到5 400億kg以上[1]。目前，適合耕種的土壤面積日益減少，糧食產(chǎn)量增加的重要途徑之一是提高土壤質(zhì)量。新疆地廣人稀，平均每人可耕種面積位列全國之首，達(dá)到0.21hm2，因此提高新疆耕地土壤質(zhì)量、增加作物產(chǎn)量對全國糧食增產(chǎn)具有重要意義[2]。

自20世紀(jì)80年代以來，新疆耕地長期采用翻耕或旋耕方式整地，導(dǎo)致耕層變薄、土壤板結(jié)，土壤比阻逐年增加，所需耕作動力也越來越大。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣應(yīng)用大背景下，大馬力拖拉機(jī)等大型農(nóng)機(jī)的廣泛使用又進(jìn)一步加劇對土壤的壓實(shí)，導(dǎo)致惡性循環(huán)，使得耕地土壤形成一層又厚又硬的犁底層[3-5]。犁地層的存在使得耕層容量減少，土壤結(jié)構(gòu)變差[6]；導(dǎo)致地表徑流、水土流失越發(fā)嚴(yán)重，貯水能力減弱，農(nóng)田肥力日趨衰竭；土壤孔隙度降低，限制田間作物植株根系生長發(fā)育；作物抗逆性下降，制約了高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[7]。要從根本上改良土壤，只有通過深松技術(shù)。

研究表明：深松使犁底層破碎，在疏松土壤時(shí)土壤透氣性和土壤結(jié)構(gòu)得以改善；深松后，深層土壤得到疏松，且表層土壤與深層土壤不發(fā)生翻轉(zhuǎn)與混合，使松動土壤便于與外界交換氣體的同時(shí)可以容納更多的水量，增加作物抗旱能力，同時(shí)改善作物根系生長環(huán)境，增強(qiáng)作物抗倒伏能力[8-11]。

2010年，中央一號文件明確提出“大力推廣機(jī)械深松整地”重要任務(wù)，將深松技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)手段。因此，自激振動深松作為深松減阻降耗的有效方法，研究其對土壤質(zhì)量物理特性的影響對新疆現(xiàn)有耕作方式優(yōu)化及耕作資源合理配置具有重要意義[12]。

1 自激振動深松方式及工作原理

自激振動深松機(jī)主要由機(jī)架、牽引裝置、自激振動深松裝置和深度控制裝置構(gòu)成。機(jī)架的前梁設(shè)有牽引裝置，后梁設(shè)有4組自激振動深松裝置，橫梁兩側(cè)設(shè)有深度控制裝置。自激振動深松裝置由前后固定板、振動固定梁、深松機(jī)構(gòu)和自激振動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中，自激振動機(jī)構(gòu)由預(yù)緊端蓋、自激振動彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸及彈簧心軸構(gòu)成，是自激振動深松機(jī)核心部分。利用SolidWorks三維軟件對自激振動深松機(jī)機(jī)型三維造型，得到如圖1所示的自激振動深松機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2016年9月8日，在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市145團(tuán)石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場二連內(nèi)的新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田內(nèi)的前茬作物為打瓜，試驗(yàn)時(shí)田間的滴灌帶已回收，殘膜未回收，有打瓜收獲后的殘留打瓜皮。

深松耕作前，對于土壤深度為0～15cm、15～30cm和30～45cm的土壤，土壤堅(jiān)實(shí)度依次為2 077、2 603、2 654kPa；耕前土壤密度為1.75、1.83、1.71g/cm3；耕前土壤容重依次為1.55、1.61、1.49g/cm3；耕前土壤含水率依次為12.87%、13.46%、14.46%。

2.2 試驗(yàn)方法

選取直徑相同、中徑不同的3組自激振動彈簧進(jìn)行深松試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，將不添加自激振動彈簧的非振動深松組作為對照試驗(yàn)組，耕作后對不同耕層(0～15cm、15～30cm、30～45cm)土壤物理特性進(jìn)行測量分析。自激振動彈簧的具體參數(shù)如表1所示。

表1 自激振動彈簧尺寸系數(shù)Table 1 Dimension factors of the self-excited spring

在打瓜收獲后的試驗(yàn)田中，舍棄四周雜草叢生、土壤高低起伏過大和存在大量石塊的少耕地段，選取試驗(yàn)田中間長60m、寬50m的地塊作為試驗(yàn)區(qū)，并通過標(biāo)桿對試驗(yàn)區(qū)范圍進(jìn)行標(biāo)記；同時(shí)，在試驗(yàn)區(qū)的兩端預(yù)留出10m的拖拉機(jī)耕作調(diào)整區(qū)域，方便拖拉機(jī)行進(jìn)與轉(zhuǎn)向[13]。在試驗(yàn)區(qū)中，按照平行四邊形對角線對深松方式下土壤物理參數(shù)的測點(diǎn)進(jìn)行選擇，并且通過標(biāo)桿標(biāo)記，通過相同距離選取測試點(diǎn)的方法消除用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理參數(shù)獲取點(diǎn)位置選取的隨意性[14-15]。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用美國Spectrum公司生產(chǎn)的Field Scout SC900型土壤深度硬度測量儀; 緊實(shí)度儀的測量范圍是0～700kg(即 0～7 000kPa),測量精度為0.1kg(即10kPa)，靈敏度為0.05kg(即5kPa)，測量深度為0～400mm；環(huán)刀(內(nèi)徑為6.18cm，高為20mm，壁厚為1.5mm)；電子天平(稱量為 500g分度值為0.1g)；修土刀；圓玻璃片；自動控制電熱恒溫烘箱(保持溫度在105℃～110℃)；天平(稱量為200g，分度值為0.01g)；密封袋若干、鐵鍬2把。

2.3.1 土壤堅(jiān)實(shí)度

使用堅(jiān)實(shí)度儀按照平行四邊形對角線法在不同深松方式區(qū)域測定土壤堅(jiān)實(shí)度，測量過程中記錄堅(jiān)實(shí)度儀壓入土壤深度0～15cm、15～30cm、30～45cm土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)值，重復(fù)3次求取平均值。

2.3.2 土壤密度、容重和含水率

取土前對環(huán)刀質(zhì)量進(jìn)行稱量，記為m1；在試驗(yàn)田中，按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在測量點(diǎn)進(jìn)行取土，將環(huán)刀刀刃一端垂直壓入耕層土壤，并將環(huán)刀中的多余土壤利用修土刀修平，稱量環(huán)刀和取出的土壤質(zhì)量，記為m2；將環(huán)刀和取出的土壤一并放入烘箱中，在105℃溫度下進(jìn)行24h烘干，取出后進(jìn)行干燥冷卻，稱量環(huán)刀和烘干土質(zhì)量，記為m3，則土壤容重計(jì)算公式為

(1)

其中，環(huán)刀容積V=πr2h。

其中，ρb為土壤容重(g/cm3)；m1為環(huán)刀的重量(g)；m3為環(huán)刀和烘干土質(zhì)量(g)；V為環(huán)刀容積(cm3)。

土壤的密度計(jì)算公式為

(2)

其中，ρ為土壤的密度(g/cm3)；m為濕土的質(zhì)量(g)；m2為環(huán)刀與濕土的總質(zhì)量(g)；m1為環(huán)刀的質(zhì)量(g)；V為環(huán)刀的體積(cm3)。

土壤含水率的計(jì)算公式為

(3)

其中，ω為土壤含水率(%)；m1為環(huán)刀質(zhì)量(g)；m2為環(huán)刀和濕土總質(zhì)量(g)；m3為環(huán)刀和干土總質(zhì)量(g)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土壤堅(jiān)實(shí)度

試驗(yàn)中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)采集并整理，如表2所示。

表2 堅(jiān)實(shí)度測試數(shù)據(jù)Table 2 Datas of soil penetration resistance MPa

由表2可知：深松耕前，土壤的堅(jiān)實(shí)度呈現(xiàn)出“由表層土壤至底層土壤逐漸增大”的現(xiàn)象。其原因是：每年打瓜地收獲后，土塊經(jīng)過翻轉(zhuǎn)五鏵犁進(jìn)行翻耕，耕深為30cm，打瓜根系較淺，生長過程中土壤自然板結(jié)，造成土壤顆粒之間粘結(jié)緊密性由表層土壤至底層土壤逐漸增大的現(xiàn)象。深松耕后，土壤堅(jiān)實(shí)度大致呈現(xiàn)出“表層小、中層大、底層小”的現(xiàn)象。其原因是：深松過程中只松土不翻土，深松最大深度大概為30～45cm，表層土壤自身堅(jiān)實(shí)度比較低，底層土壤被深松鏟尖打破，形成虛實(shí)相間的現(xiàn)象。

將耕前、耕后各測量點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度分別求取平均值，相較于耕前，無論非振動深松還是振動深松，均能使耕層土壤堅(jiān)實(shí)度均下降。相較于非振動深松，彈簧Ⅲ耕作后>15～30cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降17.44%，0～15cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降20.17%；彈簧Ⅱ耕后0～15cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降23.24%，>15～30cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降10.09%；彈簧Ⅰ與非振動對土壤各耕層堅(jiān)實(shí)度減少效果相差不大，原因可能是彈簧Ⅰ剛度較小，耕作過程中彈簧被全部壓縮，深松情況與非振動組類似。

3.2 土壤密度

試驗(yàn)中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤密度數(shù)據(jù)采集并整理，如表3所示。

表3 土壤密度測試結(jié)果Table 3 The test results of soil density g/cm3

由表3可知：土壤密度隨著耕層加深逐漸變大。相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動均能減小土壤密度，但彈簧振動降低土壤容重效果更明顯。其中，在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于耕前和非振動情況，土壤密度下降依次為10.86%和6.02%；在>15～30cm耕層，依次為18.58%和16.29%。彈簧Ⅱ較于耕前和非振動情況，在>15～30cm耕層，土壤密度下降依次為10.93%和8.43%；彈簧Ⅰ對淺層土壤密度減少效果稍明顯，在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于耕前和非振動情況，土壤密度下降依次為5.14%和1.81%；對于>30～45cm的深層土壤，彈簧振動和非振動情況對于土壤密度減小效果相差不大。其原因是：深層深松時(shí)，耕深最多達(dá)到40cm，由于拖拉機(jī)動力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩(wěn)定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動效果相近。

3.3 土壤容重

試驗(yàn)中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤容重?cái)?shù)據(jù)采集并整理，如表4所示。

表4 土壤容重測試結(jié)果Table 4 The test results of soil bulk density g/cm3

由表4可知：隨著耕深的增加，土壤容重逐漸變大。相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動均能減小土壤容重，但彈簧振動降低土壤容重效果更明顯。其中，在15～30cm耕層，彈簧振動土壤容重相較于耕前土壤容重下降18.01%，相較于非振動土壤容重下降13.73%，而0～15cm下降百分比依次是9.68%和4.11%；但對于30～45cm，非振動與彈簧振動處理對土壤容重下降百分比相差不大。其原因是：深層深松時(shí)，耕深最多達(dá)到40cm，由于拖拉機(jī)動力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩(wěn)定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動效果相近。

3.4 土壤含水率

試驗(yàn)中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤含水率數(shù)據(jù)采集并整理，如表5所示。

表5 耕作前及不同處理耕后下土壤含水率Table 5 The test results of soil moisture content before tillage %

由表5可知：相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動使土壤含水率下降。其中，相較于耕前土壤含水率，非振動深松、彈簧Ⅰ、彈簧Ⅱ和彈簧Ⅲ等自激振動深松方式下，0～15cm表層土的土壤含水率下降依次為4.04%、11.27%、9.25%和8.08%；隨著耕深的增加，土壤含水率下降幅度依次減少。此次土壤含水率測定為深松耕作前和深松耕作后立即對土樣進(jìn)行采集測定，因此土壤水分發(fā)生蒸發(fā)，導(dǎo)致耕作后土壤含水率下降，且深松過程中和深松過程后表層土壤中的水分蒸發(fā)最易發(fā)生，因此表層土壤的含水率下降嚴(yán)重，同時(shí)蒸發(fā)量隨著耕層深度的加深而減少，含水率下降幅度也隨之減少。

4 結(jié)論

1) 無論是非振動深松還是自激振動深松，都可以降低土壤的堅(jiān)實(shí)度、密度、容重；但針對各耕層土壤，自激振動深松對上述土壤物理特性的降低幅度大于非振動深松。

2) 相較于非振動深松，彈簧Ⅱ耕后0～15cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降23.24%，>15～30cm耕層堅(jiān)實(shí)度下降10.09%；在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于非振動，在>15～30cm耕層為16.29%；彈簧Ⅲ相較于非振動情況，在0～15cm耕層和>15～30cm耕層，土壤容重下降依次為4.11%和13.73%；彈簧Ⅰ與非振動對各耕層土壤容重相差不大，同時(shí)對于>30～45cm的深層土壤自激振動和非振動情況土壤密度減小效果相差不大，深層深松時(shí)，由于牽引阻力增加使彈簧被完全壓縮，深松效果下降。對于不同耕層土壤，自激振動彈簧參數(shù)對土壤物理性質(zhì)變化有影響。

3) 相較于耕前，非振動、彈簧Ⅰ、彈簧Ⅱ和彈簧Ⅲ耕作方式下，0～15cm表層土的土壤含水率下降依次為4.04%、11.27%、9.25%和8.08%。自激振動深松處理方式下，通過土壤容重和堅(jiān)實(shí)度變化，可以間接推測自激振動深松方式后各耕層土壤顆粒破碎更為嚴(yán)重，土壤水分蒸發(fā)幅度更大，導(dǎo)致耕后土壤含水率下降。