深松鏟擾動(dòng)下天然草地復(fù)合土層失效特性的試驗(yàn)研究

賀長(zhǎng)彬 桑洪超 劉美玉 畢玉革* 尤 泳

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

天然草地是我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障，是發(fā)展畜牧業(yè)重要的自然資源[1]。羊草是一種多年生禾本科植物，其適口性好、產(chǎn)量高，具有較高的飼料價(jià)值[2]。近年來(lái)，由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，羊草草地呈現(xiàn)出大規(guī)模硬化和退化趨勢(shì)[3-4]；同時(shí)由于地下盤(pán)根錯(cuò)節(jié)的根系與周?chē)寥老嗷ソ豢椇湾^定，形成土壤-根系復(fù)合土層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤通透性下降，草地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)逆向演替，草地植被覆蓋度、生產(chǎn)力、牧草質(zhì)量和利用效率下降，阻礙了其生態(tài)服務(wù)功能的有效發(fā)揮[5]。通過(guò)機(jī)械手段打破板結(jié)的草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)，改善草地植被的生長(zhǎng)環(huán)境，建立合理的草地耕作層，改善草地土壤通透性，促進(jìn)植被根系擴(kuò)繁，是改良退化草地的有效方式[6-12]。

研究表明，采用深松的方式能夠有效降低土層的緊實(shí)程度，改善土壤狀況[13-14]。鄧佳玉等[15]通過(guò)仿真與田間試驗(yàn)，得出深松鏟的耕作阻力隨著工作速度和耕作深度的增大而增大，隨著入土角度的增大而減小。劉俊安等[16]以深松鏟的鏟形、入土角和張角為變量，基于土壤擾動(dòng)參數(shù)和牽引阻力對(duì)深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的深松鏟為入土角是21°的鑿形鏟。Askari等[17]研究了深松鏟不同雙翼形狀對(duì)耕作阻力、土壤疏松面積、單位牽引力、土壤容重和土壤貫入阻力的影響，發(fā)現(xiàn)翼角為10°的前翼式深耕鏟作業(yè)效果最好。近些年，在深松耕作部件與土壤相互作用方面，主要通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)和形狀參數(shù)，并基于受力和擾動(dòng)失效相結(jié)合的方法，利用力學(xué)傳感器對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中的受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)作業(yè)后形成的擾動(dòng)區(qū)域、相關(guān)溝形形狀參數(shù)和作業(yè)引起的土壤運(yùn)移等結(jié)果進(jìn)行研究[18-23]。然而，幾乎所有關(guān)于深松類(lèi)耕作部件的研究和試驗(yàn)都集中在普通農(nóng)田，對(duì)于適用于天然草地作業(yè)的專(zhuān)用深松耕作部件則鮮有報(bào)道。

本研究旨在探討具有不同形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)的深松鏟與天然草地相互作用過(guò)程中的擾動(dòng)失效特性，擬從耕作部件受到的耕作阻力以及天然草地失效特性參數(shù)2方面出發(fā)，重點(diǎn)研究典型傳統(tǒng)深松鏟對(duì)天然草地復(fù)合土層失效效應(yīng)的影響，以期為開(kāi)發(fā)適用于板結(jié)性退化草地的專(zhuān)用深松部件提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概述

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省察北管理區(qū)的天然退化草地(41°29′10.733″ N，15°0′42.649″ E，海拔1 380 m)。試驗(yàn)區(qū)草地植被類(lèi)型以羊草為主，優(yōu)勢(shì)雜草如蒿草等入侵嚴(yán)重，草地呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，試驗(yàn)區(qū)處于禁牧狀態(tài)。試驗(yàn)區(qū)土壤屬于砂質(zhì)壤土[24-25]，其中砂粒(2 mm≥D>0.02 mm。D為粒徑，下同)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.72%～77.72%，粉粒(0.02 mm≥D>0.002 mm)為9.80%～13.60%，黏粒(D<0.002 mm)為9.68%～13.28%。采集并測(cè)定試驗(yàn)區(qū)0～20 cm草地土層的堅(jiān)實(shí)度、容重、含水率和孔隙度[5]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)域草地土層物理特性參數(shù)Table 1 Soil physical parameters in the test area

試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，草地土壤-根系復(fù)合土層結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為“夾層式”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即從地表至地下20 cm深度范圍內(nèi)形成了“地表干草+植物根莖+土壤”的復(fù)合土層結(jié)構(gòu)。復(fù)合土層中，根系主要分布在0～10 cm深度范圍內(nèi)。根據(jù)地表覆蓋植物種類(lèi)的不同，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草地土壤-根系復(fù)合土層結(jié)構(gòu)主要有2種類(lèi)型：一種為地表覆蓋植被只以羊草為主，復(fù)合土層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為地表干草交錯(cuò)與羊草根莖錨固地表土層、地下羊草錯(cuò)綜的橫走根莖與土層形成復(fù)合土層結(jié)構(gòu)；另一種為地表覆蓋植被以羊草+蒿草為主，復(fù)合土層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為地表干草交錯(cuò)與蒿草和羊草根莖錨固地表土層、地下蒿草直立根系和羊草錯(cuò)綜復(fù)雜的橫走根莖與土層形成復(fù)合土層結(jié)構(gòu)。2種草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)類(lèi)型見(jiàn)圖1。

圖1 草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)類(lèi)型Fig.1 Typical soil-roots composite structure of the natural grassland

1.2 試驗(yàn)部件及設(shè)備

試驗(yàn)使用的深松鏟類(lèi)耕作部件見(jiàn)圖2。參考JB/T 9788—1999《深松鏟和深松鏟柄》[26]進(jìn)行深松鏟的設(shè)計(jì)。鏟柄選用中型深松鏟鏟柄，鏟尖選用箭形鏟尖(簡(jiǎn)稱(chēng)AS)和雙翼形鏟尖(WS)。以雙翼傾角為因素，設(shè)計(jì)了3種具有不同雙翼傾角的鏟尖：箭形鏟尖為AS115°；雙翼形鏟尖分別為WS80°、WS115°、WS150°；箭形鏟尖和雙翼形鏟尖鏟寬分別100和150 mm，鏟長(zhǎng)均為165 mm；4個(gè)鏟尖共用一個(gè)鏟柄，需要更換時(shí)可拆卸。箭形鏟AS115°的鏟尖表面積為71.51 cm2；雙翼形鏟WS80°、WS115°和WS150°的鏟尖表面積分別為127.70、112.00和108.24 cm2。

草地耕作部件試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)(悍沃-1204)掛接。試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、傳感器連接部件、限深部件、耕作部件、測(cè)力傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置等部分組成。耕作部件的作業(yè)阻力采用布置

AS115°，雙翼傾角為115°的箭形鏟尖；WS80°、WS115°、WS150°，雙翼傾角分別為80°、115°、150°的雙翼形鏟尖。圖6～9同。 AS115°, arrow-shaped shovel tip with wing inclination angle of 115°; WS80°, WS115° and WS150°, the wing inclination angle of double-wing shaped shovel tips are 80°, 115° and 150°,Figs 6-9 are the same.圖2 試驗(yàn)中采用的不同鏟尖和鏟柄Fig.2 Different tips and the shared shank of subsoilers used in the experiments

在水平和垂直方向的傳感器(安徽省蚌埠大洋傳感器有限公司，DYX-301，0～2 000 kg)進(jìn)行測(cè)量。待工作穩(wěn)定后，傳感器數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器(杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化有限公司無(wú)紙記錄儀，SIN-R9600)采集并導(dǎo)出到筆記本電腦上。通過(guò)限深輪控制工作深度(0～cm，可調(diào))。在試驗(yàn)臺(tái)上安裝2臺(tái)運(yùn)動(dòng)記錄儀，采集耕作部件在草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)圖像。試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)儀器見(jiàn)圖3。

1.機(jī)架；2.傳感器連接部件；3.限深部件；4.耕作部件；5.測(cè)力傳感器；6.數(shù)據(jù)采集裝置 1.Test bench frame； 2.Sensor connection parts； 3.Depth-controlled component； 4.Tillage parts； 5.Load cell； 6.Data acquisition unit 圖3 草地耕作試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Grassland tillage test bench

1.3 試驗(yàn)步驟

為研究深松鏟類(lèi)耕作部件作用下的草地復(fù)合土層的擾動(dòng)失效特性，以耕作部件的受力和土層擾動(dòng)參數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，雙翼傾角為影響因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究箭形和雙翼形深松鏟在不同作業(yè)深度下的作用效果。通過(guò)傳感器采集耕作部件的作業(yè)阻力，選取地下擾動(dòng)截面積、地表翻垡率、蓬松度和擾動(dòng)系數(shù)作為草地復(fù)合土層擾動(dòng)參數(shù)，通過(guò)觀測(cè)和測(cè)量相關(guān)擾動(dòng)參數(shù)，分析耕作部件在作業(yè)過(guò)程中對(duì)草地的擾動(dòng)情況。

試驗(yàn)時(shí)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為(1.8±0.14) km/h，單次試驗(yàn)長(zhǎng)度為12 m，根據(jù)草地根系分布情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)深度分別為15和20 cm，通過(guò)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)和限深輪，將耕作深度控制分別在10～15和15～20 cm范圍內(nèi)，每次試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，在完成不同深度作業(yè)后再更換另一深松鏟。

1.4 草地?cái)_動(dòng)失效特性參數(shù)測(cè)量及計(jì)算

1)地下擾動(dòng)截面積。每次試驗(yàn)作業(yè)后隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量草地上、下擾動(dòng)輪廓的坐標(biāo)參數(shù)，測(cè)量時(shí)，設(shè)置相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的距離為1 cm。草地復(fù)合土層擾動(dòng)截面積計(jì)算公式[17,27]為：

(1)

式中：A為擾動(dòng)橫截面積，cm2；di(i=1,2,…，n)為輪廓儀測(cè)深讀數(shù)，cm；d1和dn為第一個(gè)和最后一個(gè)測(cè)深讀數(shù)的絕對(duì)值，cm；h為相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平間距，本研究中h=1 cm。

2)地表翻垡率。根據(jù)JB/T 7135—2007《羊草地潛松耕犁》[28]進(jìn)行測(cè)量，若溝面一側(cè)與溝底夾角大于100°，則為翻垡。為方便計(jì)算，只計(jì)算土塊直徑大于5 cm的情況，翻垡率計(jì)算公式[28]為：

(2)

式中：Lf為翻垡總長(zhǎng)度的平均值，m；b為耕作部件數(shù)；L為行程長(zhǎng)度，m。

3)蓬松度和擾動(dòng)系數(shù)。參考農(nóng)田深松部件作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[29-30]，用土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)進(jìn)一步描述草地復(fù)合土層的失效擾動(dòng)情況。

土壤蓬松度P按式(3)[31]計(jì)算：

(3)

式中：Ah為實(shí)際作業(yè)深度溝底線(xiàn)與耕作后地表線(xiàn)的截面積，cm2；Aq為實(shí)際作業(yè)深度溝底線(xiàn)和溝形寬度圍成的截面積，cm2。

土壤擾動(dòng)系數(shù)γ按式(4)[31]計(jì)算：

(4)

式中：As為實(shí)際開(kāi)溝作業(yè)線(xiàn)與耕作前地表線(xiàn)的截面積，cm2。

4)溝形面積比阻。參考 Raper[32]的溝形面積比阻概念，進(jìn)一步的通過(guò)溝形面積比阻(耕作阻力與地下擾動(dòng)截面積比值)反映深松鏟鏟形及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地下擾動(dòng)截面積與耕作阻力的綜合影響。溝形面積比阻Af按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：F為耕作阻力，N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 草地地表擾動(dòng)直觀分析

土壤擾動(dòng)定義為耕作部件通過(guò)土壤時(shí)引起土壤結(jié)構(gòu)的松動(dòng)、運(yùn)移和混合[33]。深松鏟在作業(yè)過(guò)程中，鏟柄通常被草根、土塊和干草包裹。在鏟柄前側(cè)刃口的切割和擠壓作用下，草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)被割裂并向兩側(cè)移動(dòng)，復(fù)合土層中錯(cuò)綜復(fù)雜的根莖或被割斷，或被拉扯斷，或被帶起。因草地復(fù)合土層中根莖與土壤錨固為一體，隨著耕作部件向前移動(dòng)，兩側(cè)局部范圍內(nèi)的土層被擾動(dòng)，過(guò)程和擾動(dòng)結(jié)果如下：

地表干草、碎土塊與部分根莖纏繞在鏟柄上(圖4(a))，不斷積累，形成局部擋土墻(圖4(b))，隨著耕作部件逐漸移動(dòng)，土層被逐漸割裂，同時(shí)部分土層被擋土墻掀起，翻轉(zhuǎn)后回落至溝縫兩邊(圖4(c))，形成根莖-土壤復(fù)合土塊地表翻垡。

圖4 深松鏟-土層相互作用過(guò)程Fig.4 Interaction process between the soil layer and subsoiler

箭形鏟和雙翼形鏟作業(yè)后易產(chǎn)生翻垡，擾動(dòng)形式多為凸起和大塊的土壤-根系復(fù)合土塊翻垡，產(chǎn)生的地表擾動(dòng)情況受雙翼傾角的影響，不同作業(yè)深度下草地地表擾動(dòng)情況見(jiàn)圖5。

1)所形成的擋土墻將土層掀起，一部分復(fù)合土塊形成翻垡，一部分復(fù)合土塊旋轉(zhuǎn)后回落至溝縫兩側(cè)，或受根系的拉扯，未發(fā)生翻垡，隨著耕作部件移動(dòng)，復(fù)合土塊回落至原位置，形成地表凸起，最終形成翻垡土塊、旋轉(zhuǎn)土塊、地表凸起交替出現(xiàn)或同時(shí)存在的地表擾動(dòng)情況(圖5(a)和5(b))。

2)隨著鏟柄將土層割裂，土層中的橫走根系被切斷，溝槽兩側(cè)的土層受深松鏟尖的作用向上運(yùn)移，但受其他未斷根系的牽扯，受擾動(dòng)的復(fù)合土層通過(guò)根系與原有復(fù)合土層結(jié)構(gòu)連接，未發(fā)生翻垡或旋轉(zhuǎn)，鏟柄移動(dòng)過(guò)后，這部分復(fù)合土層又回落至原位置，形成具有明顯斷裂邊界但未翻垡的地表凸起(圖5(c))。

圖5 草地復(fù)合土層失效特征Fig.5 Typical disturbance characteristics of the natural grassland created by the subsoilers

此外，隨著耕作深度的增加，雙翼傾角的增加，擾動(dòng)效果從大量的大塊土壤-根系復(fù)合土塊翻垡向凸起轉(zhuǎn)變，在15 cm的耕作深度下， WS80°產(chǎn)生了大量的土塊翻垡，而WS150°只有較少土塊出現(xiàn)了翻垡，產(chǎn)生了許多凸起。耕作深度增加到20 cm，土塊翻垡也得到了改善，并有很多的凸起出現(xiàn)。WS80°產(chǎn)生的大塊翻垡減少，出現(xiàn)了很多小土塊翻垡和一定量的凸起。而WS150°雖然有很多的凸起，但依舊有一定的土塊翻垡。AS115°在不同耕作深度下均比WS115°的土塊翻垡少、凸起多。不同深度下，所有鏟形均不能避免圖4所示的相互作用過(guò)程出現(xiàn)，均有土塊翻垡產(chǎn)生。

2.2 草地復(fù)合土層擾動(dòng)失效特性參數(shù)

1)翻垡率。深松鏟不同深度下產(chǎn)生的地表翻垡率見(jiàn)圖6。深松鏟作業(yè)后，形成的地表翻垡率為5.67%～12.25%。相同深度下，深松鏟結(jié)構(gòu)與雙翼傾角對(duì)地表翻垡率均產(chǎn)生了顯著性影響。不同作業(yè)深度下，除WS80°的地表翻垡率具有顯著性影響，其他深松鏟造成的土壤翻垡率無(wú)明顯差別。在相同深度下，雙翼形鏟的翻垡率隨著雙翼傾角的增大先增大后減小，WS115°的翻垡率最大，WS150°的翻垡率較小，其原因主要是較小的雙翼傾角對(duì)土層的擠壓和運(yùn)移作用較強(qiáng)。AS115°與WS115°相比，AS115°更易產(chǎn)生較小的翻垡率。綜合看，WS150°在不同深度作業(yè)時(shí)不容易造成草地地表翻垡。

大寫(xiě)字母表示同種鏟尖不同作業(yè)深度的組間差異顯著，小寫(xiě)字母表示不同鏟尖同種作業(yè)深度的組內(nèi)差異顯著；柱上豎直線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)差。圖7、8、9同。 Uppercase letters represent significant differences between groups with different working depths of the same shovel tip, lowercase letters represent significant differences within groups with different working depths of the same shovel tip. The vertical line on the column is standard deviation,Figs 7-9 are the same.圖6 不同作業(yè)深度下的地表翻垡率Fig.6 Soil overturning rate under different working depths

2)擾動(dòng)系數(shù)和蓬松度。深松鏟在不同深度下的土壤擾動(dòng)系數(shù)和蓬松度見(jiàn)圖7?？梢钥闯觯煌鳂I(yè)深度下，深松鏟類(lèi)耕作部件的土壤擾動(dòng)系數(shù)為65%～74%，土壤蓬松度為40%～47%，除AS115°的土壤擾動(dòng)系數(shù)差異顯著外，其他深松鏟造成的土壤擾動(dòng)系數(shù)和土壤蓬松度無(wú)明顯變化。從總體趨勢(shì)上看，隨著雙翼傾角的增大，土壤擾動(dòng)系數(shù)變化不大。在不同作業(yè)深度下，箭形鏟的土壤蓬松度小于不同雙翼傾角下的雙翼形鏟，但不存在顯著性差別。綜合看，雙翼形深松鏟能使草地復(fù)合土層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)區(qū)域和地表蓬松度，其中WS150°能夠產(chǎn)生相對(duì)較低的地表蓬松度，但獲得較大的土層擾動(dòng)系數(shù)。

圖7 不同作業(yè)深度下的土壤擾動(dòng)系數(shù)和蓬松度Fig.7 Soil disturbance coefficient and Soil bulkiness values at different working depths

2.3 耕作部件受力分析

對(duì)不同作業(yè)深度下的深松鏟耕作阻力情況進(jìn)行分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 深松鏟類(lèi)耕作部件受力示意圖Fig.8 Working forces of different subsoilers under different working depths

隨著作業(yè)深度的增加，深松鏟作業(yè)阻力隨著作業(yè)深度的增加顯著性增大(P<0.05)。WS80°作業(yè)阻力最大，WS115°和WS150°的受力均小于WS80°的受力。在作業(yè)深度為15 cm時(shí)，WS150°作業(yè)阻力最小，與WS80°相比，作業(yè)阻力降低了78.0%。作業(yè)深度為20 cm時(shí)，與WS80°和WS150°相比，WS115°作業(yè)時(shí)的阻力較小，但與WS150°作業(yè)時(shí)的耕作阻力不存在顯著性差別。對(duì)于雙翼形深松鏟，作業(yè)深度為15 cm時(shí)，作業(yè)阻力隨雙翼傾角增大而減小，作業(yè)深度為20 cm時(shí)，WS150°作業(yè)阻力受力較大的原因可能是土層的重力造成的，但需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。AS115°與WS115°相比，AS115°作業(yè)阻力更小，作業(yè)深度15 cm時(shí)作業(yè)阻力降低48.1%，作業(yè)深度20 cm時(shí)作業(yè)阻力降低22.2%。

對(duì)不同作業(yè)深度下的溝形面積比阻進(jìn)行分析結(jié)果見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，不同作業(yè)深度下，深松鏟的溝形面積比阻無(wú)明顯差別。隨著作業(yè)深度的增加，WS80°和WS115°的溝形面積比阻呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而WS150°隨著作業(yè)深度的增加溝形面積比阻增加，但

圖9 不同作業(yè)深度下的溝形面積比阻Fig.9 Specific draft force at different working depths

均沒(méi)有顯著性差別。AS115°與WS115°相比，AS115°在不同深度下的溝形面積比阻均較小。作業(yè)深度為15 cm時(shí)，雙翼形深松鏟中，WS150°獲得最小的溝形面積比阻；作業(yè)深度為20 cm時(shí)，雙翼形深松鏟中，WS115°獲得最小的溝形面積比阻，但與WS150°的溝形面積比阻并不存在顯著性差別。

2.4 深松鏟類(lèi)耕作部件作用下的草地?cái)_動(dòng)失效特性綜合分析

深松鏟在土層中移動(dòng)時(shí)，與土層形成了抬升區(qū)和擠壓抬升區(qū)2個(gè)相互作用區(qū)域(圖10(a))，以及接觸面與土壤的相互作用力(圖10(b))。結(jié)合鏟尖表面積可以看出，對(duì)于雙翼形深松鏟，當(dāng)鏟尖寬度相同時(shí)，雙翼傾角越大，其與土壤作用的表面積越小，作業(yè)時(shí)形成的擾動(dòng)區(qū)域也越小。假設(shè)土壤為均質(zhì)且各向同性，則有土壤對(duì)鏟尖表面任意3點(diǎn)A、B、C的作用力FA=FB=FC，根據(jù)鏟尖形狀參數(shù)，可得FAy>FBy>FCy，F(xiàn)Cx>FBx>FAx，可以看出，雙翼傾角較大的鏟尖對(duì)土壤的提升作用較強(qiáng)，雙翼傾角小的鏟尖對(duì)土壤的側(cè)向擠壓作用較強(qiáng)，這也是雙翼傾角小的鏟尖產(chǎn)生較大翻垡率、擾動(dòng)系數(shù)和獲得較大作業(yè)阻力的原因之一。

根據(jù)深松鏟類(lèi)耕作部件的受力情況以及作業(yè)對(duì)

A，B，C為鏟翼表面任意一點(diǎn)。A, B, C is any point on the surface of the shovel wing. FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C為土壤對(duì)鏟尖表面的作用力；Fx為使土壤沿水平方向運(yùn)移的分力；Fy為使土壤在豎直方向運(yùn)移的分力。 FA， FB， FC is the force of soil on the surface of the shovel tip; Fxis the force that makes the soil migrate along the horizontal direction; Fy is the force that makes the soil migrate in the vertical direction.圖10 鏟尖投影面積和土壤抬升擠壓受力分析Fig.10 Analysis of the shovel tip projection area and soil uplifting force

草地土壤和表層的擾動(dòng)情況，深松鏟的類(lèi)型以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耕作阻力和草地?cái)_動(dòng)失效特性有較大影響。隨著深度的增加，耕作部件的作業(yè)阻力顯著增加(P<0.05)。深松鏟引起的地表擾動(dòng)主要包括重度翻垡、中度翻垡和凸起，所產(chǎn)生的翻垡中，大塊的土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)較多。在不同作業(yè)深度下，深松鏟進(jìn)行草地作業(yè)時(shí)的土壤擾動(dòng)系數(shù)為63%～74%，土壤蓬松度38%～ 49%。與具有相同雙翼傾角的雙翼形深松鏟相比，箭形深松鏟獲得較小的地表翻垡率、蓬松度和土層擾動(dòng)系數(shù)，隨之也擁有較小的作業(yè)阻力和溝形面積比阻，但在翻垡率、蓬松度和擾動(dòng)系數(shù)等方面的綜合效應(yīng)不如雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟。

對(duì)于具有不同雙翼傾角的雙翼形深松鏟中，當(dāng)作業(yè)深度為15 cm時(shí)，雙翼傾角為150°的深松鏟作業(yè)效果最好，當(dāng)作業(yè)深度為20 cm時(shí)，雙翼傾角為115°的深松鏟作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的地表蓬松度、作業(yè)阻力和耕作面積比阻最小，與雙翼傾角為150°的深松鏟產(chǎn)生的結(jié)果無(wú)顯著性差別，但對(duì)地表造成的翻垡卻最嚴(yán)重。

綜合所有的擾動(dòng)失效特性參數(shù)，在所試驗(yàn)的4種深松鏟耕作部件中，雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟在草地深松作業(yè)時(shí)作業(yè)效果最佳。

3 結(jié) 論

本研究采用草地耕作部件試驗(yàn)臺(tái)搭載不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的深松鏟，進(jìn)行了不同深度下的深松草地?cái)_動(dòng)失效試驗(yàn)。分析了深松鏟的受力以及天然草地土壤-根系復(fù)合土層的運(yùn)移和擾動(dòng)失效情況。主要結(jié)論如下：

1)利用深松鏟可打破草地復(fù)合土層結(jié)構(gòu)，并對(duì)天然草地復(fù)合土層產(chǎn)生一定的擾動(dòng)區(qū)域，且深松鏟作業(yè)深度和結(jié)構(gòu)參數(shù)均對(duì)草地作業(yè)效果產(chǎn)生了一定的影響。天然草地所呈現(xiàn)的“夾層式”復(fù)合土層結(jié)構(gòu)影響耕作部件的作業(yè)效果和地表的擾動(dòng)情況，在設(shè)計(jì)天然草地耕作部件時(shí)，應(yīng)綜合考慮草地地表和地下的復(fù)合土層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2)雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟作業(yè)時(shí)對(duì)草地地表擾動(dòng)和土壤翻垡情況影響較小，對(duì)土壤的擾動(dòng)系數(shù)較高，綜合各項(xiàng)擾動(dòng)失效特性參數(shù)，所設(shè)計(jì)的雙翼傾角為150°的深松鏟更適用于草地深松作業(yè)。

3)通過(guò)土壤運(yùn)移過(guò)程分析，以及作業(yè)過(guò)程的耕作阻力、溝形面積比阻、翻垡率、擾動(dòng)系數(shù)和蓬松度等擾動(dòng)失效特性參數(shù)，能夠綜合反映耕作部件的草地作業(yè)效果，可作為天然草地專(zhuān)用耕作部件設(shè)計(jì)和優(yōu)化的評(píng)價(jià)依據(jù)。