深松鏟型式對深松作業(yè)的影響

陳 偉， 朱繼平， 陳小兵， 袁 棟， 姚克恒， 劉正剛， 丁 艷， 夏 敏， 張 曉

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014； 2.江蘇清淮機械有限公司，江蘇淮安 223005)

傳統(tǒng)的整地方式主要有犁翻耕和旋耕2種，常用機具為鏵式犁和旋耕機，在這2種機具的長期作用下，適耕土層薄化嚴(yán)重，地表下方15～20 cm處出現(xiàn)堅硬的土層，即犁底層[1-3]。犁底層的厚度因地域不同相差很大，由于犁底層土壤堅實度大，板結(jié)情況嚴(yán)重，會導(dǎo)致2種情況，一是阻礙地表水分下土壤深處滲透，大多數(shù)水分留存于淺土層增加了地表徑流和自然蒸發(fā)現(xiàn)象；二是阻礙了作物根系的生長，堅硬的犁底層大大增加了根系下扎阻力，作物根系發(fā)展空間小、增加倒伏、降低產(chǎn)量[4-6]。深松的主要目的在于打破田塊中的犁底層，提高土壤的蓄水能力，降低深處土層的容重、堅實度，為植物根系的生長創(chuàng)造有利的條件。國內(nèi)關(guān)于深松鏟的研究已展開多年，期間出現(xiàn)了很多新型樣式的深松鏟，然而現(xiàn)有的深松鏟型式在主體結(jié)構(gòu)上與幾種經(jīng)典的深松鏟型式很相似的如鑿型式、鑿型帶翼式、曲面式、箭型式[7-8]。在主體沒有變的情況下，很多企業(yè)或研究機構(gòu)以經(jīng)典深松鏟為主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了眾多型式的深松鏟[9-10]。為研究不同型式深松鏟的作業(yè)性能，本研究以上述經(jīng)典樣式深松鏟為研究對象，采取田間試驗的方式評價各型式深松鏟的作業(yè)性能，根據(jù)現(xiàn)有儀器條件及不可控因素，試驗評價指標(biāo)主要是土壤堅實度、功耗。

1 試驗條件和設(shè)計

1.1 試驗條件

試驗前，項目組對整個試驗區(qū)進(jìn)行了以下劃分，區(qū)別出穩(wěn)定區(qū)、耕前試驗區(qū)、耕后測試區(qū)、隔離區(qū)和種植試驗區(qū)。由于其他原因，項目組只對作業(yè)后的堅實度和功耗情況進(jìn)行詳細(xì)測量。圖1為試驗小區(qū)規(guī)劃，圖2為試驗地的現(xiàn)場劃分。

試驗地前茬為麥茬，土壤為沙壤土，試驗前對整個試驗地的水分、堅實度以及每個測區(qū)的堅實度進(jìn)行調(diào)查，測區(qū)堅實度在后面的結(jié)果對比分析中列出。

表1 試驗地水分調(diào)查

試驗機具選用國內(nèi)常用的4種機具，分別為鑿型鏟深松機、鑿型帶翼鏟深松機、曲面鏟深松機和箭型鏟深松機，機具配套動力使用江蘇-120A型拖拉機，采用3點懸掛式框架結(jié)構(gòu)，具體規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 試驗機具主要技術(shù)參數(shù)

1.2 主要儀器及測試方法

試驗效果的評價指標(biāo)是作業(yè)后土壤堅實度變化和作業(yè)功耗比較，堅實度測量使用TJSD-750土壤堅實度測量儀，內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(簡稱GPS)定位及深度測量系統(tǒng)，可同時顯示土壤緊實度，測量深度及地理位置。與計算機連接后，可自動生成每個測量點的土壤緊實度曲線，并且可由多個測量點生成區(qū)域性土壤緊實度分布圖，并且自動生成相關(guān)數(shù)據(jù)鏈。試驗人員前期測量了各個測區(qū)內(nèi)的土壤堅實度，作業(yè)后以右鏟溝的左右溝壁為起始點，分別測量距離(左右)溝壁處5、10、15、20 cm處的土壤堅實度。

牽引阻力測量使用ZX-2020牽引力測試儀，以MCS-51系列單片微型計算機為核心的智能化測試儀器，配以點陣式液晶屏作為顯示器件，漢字提示，實時顯示測試數(shù)據(jù)及峰值數(shù)據(jù)，并支持無線傳輸。深松機作業(yè)過程中，利用拖拉機的懸掛裝置支撐、調(diào)平、入土，儀器以牽引連接的方式固聯(lián)于被測設(shè)備與牽引設(shè)備之間，須要再配置一輛拖拉機以“車?yán)嚒钡姆绞竭M(jìn)行測量。

1.3 試驗設(shè)計

項目組安排每種深松機做3個重復(fù)試驗，記為行程1、行程2、行程3(圖3)，對每個行程后的堅實度、牽引阻力進(jìn)行測量。

以下將鑿型鏟、鑿型帶翼鏟、曲面鏟、箭型鏟分別記為ZC、YC、QC、JC。

2 結(jié)果與分析

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，項目組設(shè)計了每種鏟試驗做3次重復(fù)的操作，與耕后堅實度數(shù)據(jù)比較的耕前數(shù)據(jù)均來源于各自重復(fù)中的測量。

2.1 不同深松鏟作業(yè)在水平方向上對土壤堅實度的影響

2.1.1 水平方向土壤堅實度變化情況 項目組對深松鏟溝壁左右水平方向的堅實度都進(jìn)行了測量，選取溝壁左側(cè)的數(shù)據(jù)為研究對象，以5、10、15、20 cm為測點，統(tǒng)計出各測點土層堅實度的平均值和峰值作比較。

圖4反映的是不同結(jié)構(gòu)型式的深松鏟作業(yè)后，土壤堅實度在水平方向上的整體變化情況。項目組分別統(tǒng)計出每個試驗3個行程的數(shù)據(jù)，取平均數(shù)進(jìn)行比較。堅實度降低幅度隨著測點與溝壁距離的增加逐漸降低；在5 cm測點處，QC作業(yè)后土壤堅實度下降幅度最大，與耕前比較下降 72.12%；在 20 cm 測點處，ZC、YC、QC、JC作業(yè)后，堅實度平均值降低幅度分別為46.85%、4.25%、53.14%、14.98%。

圖5反映的是不同結(jié)構(gòu)型式的深松鏟作業(yè)后，土壤堅實度在水平方向上的峰值變化情況，項目組統(tǒng)計出每個測點 0～35 cm 內(nèi)土層的堅實度峰值數(shù)據(jù)用以分析。QC作業(yè)后，各測點的土壤堅實度峰值降低幅度均比較大，5、20 cm處土壤堅實度降低幅度分別為83.31%、59.32%；YC和JC在15、20 cm處，對土壤堅實度的影響比較低。

結(jié)合圖4和圖5可得出，深松作業(yè)對土壤堅實度的影響隨著距離的增加而降低；YC、JC對土壤堅實度的影響相對于QC、ZC較低。另外，由于圖7和圖9中YC和JC的作業(yè)影響相對其他2種鏟低得比較多，項目重新查閱了YC和JC的耕前堅實度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)YC和JC試驗區(qū)的15、20 cm測點區(qū)域土壤堅實度比其他2種鏟試驗地堅實度要大，導(dǎo)致作業(yè)效果并不明顯，下文分析會將這個因素考慮在內(nèi)。

2.1.2 深松鏟結(jié)構(gòu)型式對兩側(cè)土壤堅實度影響分析 為分析深松作業(yè)，深松鏟兩側(cè)土壤堅實度的變化情況，項目組統(tǒng)計出相應(yīng)數(shù)據(jù)并作出圖。由圖6至圖9可知，曲面式深松鏟兩側(cè)的土壤堅實度變化幅度相差比較大，5 cm測點處鏟右側(cè)土壤堅實度降低幅度為42.92%，左側(cè)為72.17%，其他2處測點右側(cè)土壤堅實度降低幅度均不足左側(cè)幅度的一半；其他3種鏟左右兩側(cè)對應(yīng)測點土壤堅實度降低幅度基本相同。

2.2 不同深松鏟作業(yè)在垂直方向上對土壤堅實度的影響

根據(jù)上文的分析結(jié)果，項目組選取了深松鏟左側(cè)5 cm處測點土下0～35 cm內(nèi)的土壤堅實度變化情況來研究不同深松鏟作業(yè)在垂直方向上對土壤堅實度的影響。由圖10可知，在0～5 cm 范圍內(nèi)，YC作業(yè)后，土壤堅實度下降幅度為71.58%，JC降低幅度為57.21%，比其他2種鏟的作業(yè)影響要大；各鏟在6～10 cm 和>11～15 cm內(nèi)對土壤堅實度的影響變化不大，這個范圍屬于適耕淺土層，土壤經(jīng)常整理，所以受影響幅度也相同；在16～20 cm和>21～25 cm范圍內(nèi)，各鏟對土壤堅實度的影響幅度均呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢，16～25 cm范圍的土層屬于較硬的犁底層，當(dāng)深松鏟打破犁底層后，堅實度會大幅度下降；深松作業(yè)對土壤深處的影響程度明顯高于淺層土壤的影響程度。

2.3 不同深松鏟作業(yè)功耗和土壤膨松度的比較

由圖11可知，曲面鏟和鑿型帶翼鏟在土壤膨松度方面要明顯高于鑿型鏟和箭型鏟；曲面鏟牽引阻力要明顯大于其他3種鏟，鑿型帶翼鏟牽引阻力次之。

3 結(jié)論

深松作業(yè)可以有效降低土壤堅實度，但影響幅度不同，從本試驗得出，鑿型鏟和曲面鏟在水平方向影響距離大，在 20 cm 測點處分別降低土壤堅實度46.85%、53.14%。從降低土壤堅實度最大值角度分析，曲面鏟作業(yè)效果最好，鑿型鏟次之。曲面型深松鏟深松作業(yè)在對土壤堅實度影響上具有明顯的不對稱性，兩側(cè)影響幅度不同。深松作業(yè)對于深層土壤堅實度影響比淺層土壤大。在相同作業(yè)條件下，曲面型深松鏟深松作業(yè)產(chǎn)生較大的功耗，對于土壤膨松度影響也較大。