氣壓深松參數(shù)對(duì)耕地滲透性影響規(guī)律試驗(yàn)研究

左勝甲，杜明昊，孔德剛，丁旭旭

氣壓深松參數(shù)對(duì)耕地滲透性影響規(guī)律試驗(yàn)研究

左勝甲1，杜明昊1，孔德剛2*，丁旭旭1

（1.通化師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 通化 134001；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

【目的】探尋氣壓深松參數(shù)對(duì)耕地滲透性及灌溉蓄水能力的影響?！痉椒ā拷⒘耸覂?nèi)模擬耕層結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)氣壓深松機(jī)理的分析，選取噴氣壓力、犁底密度、深松位置、噴氣方向?yàn)樵囼?yàn)因素（采用四因素三水平兩兩交互作用正交試驗(yàn)），以深松后犁底孔隙變化度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了氣壓深松模擬試驗(yàn)。【結(jié)果】深松位置對(duì)犁底孔隙變化度即對(duì)滲透性的影響最大，犁底密度影響最小；各因素的交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響明顯，二因素的交互作用下，評(píng)價(jià)指標(biāo)最大的因素?cái)?shù)值組合為：噴氣方向?yàn)?5°時(shí)與噴氣壓力2.2 MPa及其與犁底密度1.8 g/cm3、深松位置0.35 m時(shí)兩兩組合；深松位置0.25 m與噴氣壓力2.2 MPa和犁底密度1.8 g/cm3的兩兩組合；噴氣壓力1.4 MPa和犁底密度1.8 g/cm3的組合?！窘Y(jié)論】氣壓深松可以增加耕地滲透性，增強(qiáng)灌溉蓄水性；試驗(yàn)條件下75°的噴氣方向?yàn)檩^適宜的噴氣方向；距土面0.35 m處為較適宜的深松深度；氣壓深松可提升高密度犁底層滲透性，為解決高密度犁底層不易被打破而導(dǎo)致水土保持效果不好的問(wèn)題提供了新的思路。

氣壓深松；深松參數(shù)；滲透性；影響規(guī)律；灌溉蓄水

0 引言

【研究意義】由于耕地犁底層的存在，使空氣和水分難進(jìn)入到作物的根部，影響根系的生長(zhǎng)發(fā)育，深松作業(yè)可以打破耕地犁底層，是保護(hù)性耕作的重要方式，且易于在土體內(nèi)形成水庫(kù)，減少土表水土流失[1]，另外實(shí)施深松作業(yè)可調(diào)節(jié)土壤三相比，增加土壤的孔隙度，有利于創(chuàng)造更好的作物生長(zhǎng)環(huán)境，增強(qiáng)耕地灌溉蓄水性、增產(chǎn)效果明顯[2-3]。氣壓深松是不同于機(jī)械式深松的一種新型方式[4]。其原理是通過(guò)對(duì)耕地犁底層內(nèi)部注入高壓氣體，利用氣壓劈裂原理使其打破，實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地的深松。【研究進(jìn)展】氣壓深松概念最早由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)左勝甲等于2014年提出[5]，并進(jìn)行了可行性及深松特性試驗(yàn)，證明氣壓深松的最大作用半徑為傳統(tǒng)機(jī)械式深松的2倍，并且作用范圍內(nèi)的土體被疏松的程度差異性較小[6-7]，說(shuō)明其均勻性較好。另外，試驗(yàn)證明氣壓深松相對(duì)于傳統(tǒng)深松更容易加深深松的深度。【切入點(diǎn)】關(guān)于氣爆松土裂隙跡線方程，奚小波等[8]進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉明財(cái)?shù)萚9]利用高壓氣體對(duì)傳統(tǒng)深松進(jìn)行減阻，對(duì)其減阻機(jī)理進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了氣劈式深松鏟。但國(guó)內(nèi)外針對(duì)于耕地氣壓深松機(jī)理的研究，以及氣壓深松關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)耕地滲透性的影響研究則相對(duì)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文通過(guò)對(duì)氣壓深松機(jī)理的分析，選取影響深松裂隙擴(kuò)展的主要參數(shù)。利用氣壓深松室內(nèi)模擬裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，以所選取的深松參數(shù)作為試驗(yàn)因素，并以犁底層內(nèi)深松前后的犁底孔隙度增加率作為分析指標(biāo)，研究氣壓深松參數(shù)對(duì)耕地滲透性的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用東北典型黑土作為試驗(yàn)土壤，土壤以有機(jī)質(zhì)量高、土壤肥沃、土質(zhì)疏松、最適宜耕作而聞名于世。試驗(yàn)土壤的基本物理特性如表1所示。因?yàn)樯钏勺鳂I(yè)通常在春季或秋季進(jìn)行，作業(yè)時(shí)土壤的含水率為15%～22%、犁底層密度為（體積質(zhì)量）1.4～1.8 g/cm3、耕作層密度（體積質(zhì)量）為1.17 g/cm3，所以需將試驗(yàn)土壤調(diào)制成與實(shí)際深松作業(yè)時(shí)的土壤狀態(tài)一致。

氣壓深松試驗(yàn)裝置主要由高壓氣體生成部分、氣壓調(diào)節(jié)部分、氣體注入部分及支撐架3和土槽7組成，高壓氣體由高壓氣泵1生成、由調(diào)壓閥2進(jìn)行氣體調(diào)壓、氣體通過(guò)導(dǎo)氣管4、氣槍開(kāi)關(guān)5、氣槍6注入到土體中，從而模擬氣壓深松作業(yè)。其測(cè)試原理如圖1所示。

表1 試驗(yàn)土壤的基本物理特性

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)因素選取

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)氣壓深松機(jī)理分析，選取氣壓深松作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)作為試驗(yàn)因素。當(dāng)高壓氣體注入到犁底層后，由于氣壓的存在，高壓氣體會(huì)在犁底層內(nèi)快速形成裂隙并擴(kuò)散。由于高壓氣體的擴(kuò)散導(dǎo)致其壓力衰減，從而影響裂隙擴(kuò)展發(fā)育。因此，氣壓深松裂隙的擴(kuò)展模型應(yīng)考慮通過(guò)氣體壓力分布模式、氣體泄漏特征、裂隙發(fā)育擴(kuò)展3個(gè)方面進(jìn)行構(gòu)建及表述。

①模型假設(shè)

氣壓深松時(shí)土體內(nèi)裂隙的產(chǎn)生及擴(kuò)展是氣體和土體耦合作用過(guò)程[10-11]，為了便于對(duì)氣壓深松裂隙擴(kuò)展模型的研究，做如下假設(shè)：

Murdoch等[12]統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)氣壓劈裂裂隙形態(tài)和Alfaro等[13]的室內(nèi)模型試驗(yàn)均表明，土體內(nèi)劈裂裂隙在起劈點(diǎn)一定范圍內(nèi)均為水平狀，且近似為圓形。因此可以假設(shè)氣壓深松裂隙在噴氣起劈點(diǎn)一定范圍內(nèi)，一直保持橢圓形狀態(tài)，其裂隙擴(kuò)展模型如圖2所示。

圖2 氣壓深松裂隙擴(kuò)展模型

②氣體壓力分布方程

氣壓深松時(shí)氣壓分布模型構(gòu)建應(yīng)考慮高壓氣體擴(kuò)展過(guò)程中土體與高壓氣體間的摩擦力，導(dǎo)致其衰減，通過(guò)Nautiyal[14]提出的考慮裂流體與隙壁摩擦影響，基于2個(gè)無(wú)限平板模型的壓力分布模式解析式，建立距噴氣點(diǎn)不同距離下氣壓深松土體內(nèi)壓力分布方程，如式（1）所示：

式中：為高壓氣體壓力（MPa）；gas為高壓氣體黏滯系數(shù)；g為重力加速度（N/kg）；max為氣體的密度（kg/m3）；為高壓氣體徑向流速（m/s）。

考慮到氣體的可壓縮性，求解式（1）得到：

式中：P+1為注氣點(diǎn)+1處的高壓氣體壓力（MPa）；P為注氣點(diǎn)r處的高壓氣體壓力（MPa）；為注氣點(diǎn)r+1與r之間的流量（m3/s）；為深松裂隙寬度（mm）。

③高壓氣體泄漏方程

氣壓深松裂隙的擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，為了研究問(wèn)題的方便，依據(jù)土力學(xué)理論中關(guān)于流體與土體滲流作用的一維固結(jié)理論分析中的假設(shè)前提[15]，假設(shè)土體是彈性體、均質(zhì)、各向同性的，氣體在土體中的滲漏速率相等。在氣體擴(kuò)散產(chǎn)生裂隙，由于增大了土體內(nèi)的孔隙度導(dǎo)致氣體泄漏，可以將漏氣裂隙通道劃分為以噴氣點(diǎn)為中心的若干個(gè)同心圓環(huán)，計(jì)算出單個(gè)同心圓環(huán)滲漏量。便可累計(jì)得到總的滲漏量，其計(jì)算式為：

式中：leak為氣體泄漏的總量（m3）；leak為氣體在土體中的滲透系數(shù)；為第個(gè)圓環(huán)距深松注氣點(diǎn)的距離（m）；-1為第-1個(gè)圓環(huán)距深松注氣點(diǎn)的距離（m）；為每個(gè)圓環(huán)的平均氣體壓力（MPa）；為滲透的距離（m）。

④土體位移方程

關(guān)于高壓流體對(duì)土體劈裂機(jī)理，主要有剪切機(jī)理和抬升張拉機(jī)理。韓文君等[16]認(rèn)為氣壓劈裂過(guò)程中土體位移模型是指土體對(duì)裂隙擴(kuò)展的響應(yīng)，裂隙寬度是裂隙內(nèi)壓力引起的土體變形。對(duì)于淺層土體的氣壓劈裂其根據(jù)Murdoch等[12]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，假定上覆土體的豎向位移等于裂隙寬度，獲取淺層土裂隙寬度公式：

式中：為處的裂隙寬度（mm）；為上腹土層厚度（m）；為土體的壓縮模量（MPa）；為噴氣壓力（MPa）；為裂隙半徑（mm）。

通過(guò)對(duì)氣壓深松裂隙擴(kuò)展模型分析可知，氣壓、土體的壓縮模量、上腹土層厚度為影響氣壓深松裂隙擴(kuò)展的關(guān)鍵參數(shù)，犁底層土體的壓縮模量與犁底密度高度相關(guān)。同時(shí)，深松位置與上腹土層厚度高度相關(guān)，另外考慮到裂隙的擴(kuò)展受?chē)姎夥较虻挠绊?。因此試?yàn)設(shè)計(jì)中將“噴氣方向、噴氣壓力、犁底密度和深松位置”作為試驗(yàn)因素分析在其交互作用對(duì)耕地滲透性影響規(guī)律。

2）試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

犁底層的孔隙度是耕地滲透性的重要表征。為了深入分析氣壓深松對(duì)提升耕地滲透性的效果和影響規(guī)律，本試驗(yàn)將犁底孔隙變化度（深松前、后的犁底層內(nèi)土壤孔隙度的差值與深松前土壤孔隙度之比）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本研究利用阿爾奇建立的土壤電阻率模型，經(jīng)由試驗(yàn)用土的電阻率與土壤孔隙度關(guān)系式標(biāo)定試驗(yàn)[17]，獲取試驗(yàn)土壤在含水率為18%（通常深松作業(yè)時(shí)土壤含水率）時(shí)土壤電阻率與土壤孔隙度的關(guān)系式如式（5）所示：

式中：0為土壤電阻率（Ω·m）；為土壤孔隙度。

利用溫納法[18-19]測(cè)得“犁底層”試驗(yàn)前后的土壤電阻率，代入式（5），通過(guò)數(shù)學(xué)求解軟件1stopt v1.5，進(jìn)行編程求解，可以得出試驗(yàn)前后“犁底層”土壤孔隙度值，進(jìn)而得到犁底孔隙變化度。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

旱作耕地結(jié)構(gòu)從下至上大體為0.2～0.25 m的犁底層及厚度約為0.2 m的耕作層（松土）[20-21]，為了模擬實(shí)際深松作業(yè)時(shí)的土層狀態(tài)，本試驗(yàn)構(gòu)建了旱作耕地模型，預(yù)先鋪設(shè)了約0.25 m的“犁底層”，使其密度達(dá)到試驗(yàn)所需密度。然后在犁底層上面鋪設(shè)約0.2 m厚的試驗(yàn)土壤作為“耕作層”（密度約為1.17 g/cm3），土壤含水率調(diào)至18%。

本試驗(yàn)的因素水平如表2所示。試驗(yàn)的4個(gè)因素為：噴氣方向A如圖3所示，通過(guò)氣槍噴氣孔的角度不同獲得不同的噴氣方向、噴氣壓力B、犁底密度C和深松位置D（距地面深度），犁底孔隙變化度用表示。本試驗(yàn)采用四因素三水平兩兩交互作用正交試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)因素水平

圖3 氣搶注氣示意圖

采用27(313)正交試驗(yàn)表，其表頭設(shè)計(jì)如表3所示。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

表4為試驗(yàn)方案及結(jié)果，由表4可知，氣壓深松前后犁底層孔隙變化度均為正值。證明犁底被疏松孔隙變大，達(dá)到了增加滲透性的效果，分析比較各個(gè)列的極差值可直觀得出，各因素對(duì)犁底孔隙變化度影響最大的為：深松位置D（第九列），其次是噴氣方向A（第一列），然后是噴氣壓力B（第二列），犁底密度C（第5列）的極差值相對(duì)較小，對(duì)指標(biāo)的影響程度相對(duì)較低。

本試驗(yàn)分別從噴氣方向與噴氣壓力的交互作用、噴氣方向與犁底密度的交互作用、噴氣方向與深松位置的交互作用，犁底密度與深松位置交互作用、噴氣壓力與犁底密度的交互作用、噴氣壓力與深松位置的交互作用，6個(gè)方面對(duì)犁底孔隙變化度的影響進(jìn)行分析。4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別為深松位置與犁底密度為（0.35 m、1.6 g/cm3）中間水平、噴氣壓力與深松位置為（1.8 MPa、0.35 m）中間水平、噴氣壓力與犁底密度為中間水平（1.8 MPa、0.35 m）時(shí)，噴氣方向分別與噴氣壓力、犁底密度和深松位置兩因素交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)犁底孔隙變化度影響的曲面圖。

由圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）可知，在交互作用下，犁底孔隙變化度隨著噴氣方向角度（與水平方向的夾角）的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；在任一噴氣方向，隨著噴氣壓力的增加，犁底孔隙變化度逐漸增大，當(dāng)噴氣方向?yàn)?5°、噴氣壓力為2.2 MPa時(shí)，犁底孔隙變化度最大。在任一噴氣方向，犁底孔隙變化度隨著犁底密度的增加而增大，當(dāng)噴氣方向?yàn)?5°，犁底密度為1.8 g/cm3時(shí)，犁底孔隙變化度較大；在任一噴氣方向，犁底孔隙變化度隨著深松位置的加深，呈小幅波動(dòng)減小的趨勢(shì)，噴氣方向?yàn)?5°時(shí)，深松位置在0.35 m時(shí)，犁底孔隙變化度較大。

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

注R為第因素的極差值；k為試驗(yàn)指標(biāo)之和的算數(shù)平均值。

圖4（d）、圖4（e）分別為噴氣方向與深松位置為中間水平（75°、0.35 m），噴氣方向與犁底密度為中間水平（75°、1.6 g/cm3），噴氣壓力與深松位置為（1.8 MPa、1.6 g/cm3）時(shí)，噴氣壓力與犁底密度和深松位置兩因素交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)犁底孔隙變化度的曲面圖。

由圖4（d）可知，犁底密度低時(shí)，隨著噴氣壓力的增加犁底孔隙變化度增大，犁底密度高時(shí)，犁底孔隙變化度變化幅度相對(duì)較小；另外，任一噴氣壓力作用下，隨著犁底密度的增加，犁底孔隙變化度增加率也隨之增大。試驗(yàn)條件下，當(dāng)噴氣壓力為1.4 MPa時(shí)，犁底密度為1.8 g/cm3時(shí)犁底孔隙增加度較大。由圖4（e）可知，隨著噴氣壓力增加犁底孔隙變化度增大；隨著深松位置的加深，犁底孔隙變化度減??；噴氣壓力2.2 MP時(shí)，深松位置在深度0.25 m時(shí)，犁底孔隙變化度較大。

圖4 各因素交互作用的影響

圖4（f）為噴氣壓力為中間水平1.8 MPa時(shí)，噴氣方向75°時(shí)，犁底密度與深松位置的交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的曲面圖。由圖4（f）可知，隨著犁底密度的增加，犁底孔隙變化度增大；隨著深松位置深度的加深，犁底孔隙變化度減?。划?dāng)犁底密度為1.8 g/cm3，深松位置在深度0.25 m時(shí)，犁底孔隙變化度最大。

3 討論

本試驗(yàn)過(guò)程中，在氣壓深松時(shí)，發(fā)現(xiàn)土面明顯抬升，并隨著距噴氣點(diǎn)距離的增加抬升幅度逐漸減小，這與韓文君等[16]關(guān)于高壓流體對(duì)土體劈裂機(jī)理研究中，得出高壓流體對(duì)土體劈裂存在剪切機(jī)理和抬升張拉機(jī)理，其中對(duì)于淺層土體更符合抬升張拉機(jī)理的表述一致。分析原因，高壓氣體由噴氣孔噴出后，氣體沿水平方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)向四周擴(kuò)散且壓力逐漸減小，另外高壓氣體以噴氣點(diǎn)為中心向四周球面擴(kuò)散形成了壓力場(chǎng)，壓力場(chǎng)使土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，因?yàn)橥敛凵戏經(jīng)]有足夠約束，所以上方壓力場(chǎng)的合力使得上方的土面抬升，即越接近土面中心處土面抬升量就越大。另外，隨著與噴氣點(diǎn)距離的增加，高壓氣體的泄漏，其沖擊力逐漸降低，導(dǎo)致土面抬升量隨著距離的增加逐漸減小。

本研究中的深松高壓氣體的壓力通過(guò)預(yù)試驗(yàn)選取的最小深松氣壓為1.4 MPa，壓力區(qū)間為1.4～2.2 MPa，在高壓氣體的作用下，不同密度犁底層內(nèi)的土壤孔隙度均增大，實(shí)現(xiàn)了增加土體滲透性的目的。而馮壯壯等[22]通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)的灰漠土進(jìn)行氣壓深松模擬試驗(yàn)的氣壓深松壓力最小值為1.0 MPa，也同樣達(dá)到了增加土體滲透性的效果，這表明土壤質(zhì)地不同，土壤凝聚力不同，深松氣壓參數(shù)的選取也不同，說(shuō)明在設(shè)計(jì)氣壓深松裝備時(shí)注氣裝置應(yīng)該具有壓力可調(diào)功能以適應(yīng)不同的土壤質(zhì)地。

土體的應(yīng)力歷史、應(yīng)力狀態(tài)及土層成層性均會(huì)影響裂隙的擴(kuò)展方向?，F(xiàn)有的研究成果對(duì)裂隙擴(kuò)展方向的認(rèn)識(shí)是一致的，裂隙的擴(kuò)展方向垂直于最小主應(yīng)力方向，當(dāng)最小主應(yīng)力為水平向時(shí)，裂隙為豎向裂隙；當(dāng)最小主應(yīng)力為豎向時(shí)，裂隙為水平裂隙，本試驗(yàn)的結(jié)果可以一定程度上反映裂隙的發(fā)展方向，犁底層內(nèi)一定水平范圍內(nèi)的土壤孔隙度提升證明了裂隙的水平擴(kuò)展與Suthersan[23]認(rèn)為淺層超固結(jié)土的氣壓劈裂多產(chǎn)生水平裂隙的表述一致?？梢缘贸鐾馏w的應(yīng)力狀態(tài)是控制裂隙傳播的主要因素，控制淺層土的應(yīng)力狀態(tài)一定程度上是可以控制裂隙擴(kuò)展的方向。

本研究表明，試驗(yàn)參數(shù)中對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響最顯著的是深松位置，而土體密度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響相對(duì)較小，這與涂杰等[24]研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樵囼?yàn)條件下的高壓氣體產(chǎn)生的沖擊力大于最大土體密度所產(chǎn)生的阻力，高壓氣體可以在瞬間打破試驗(yàn)條件下犁底密度的土體產(chǎn)生裂隙，同時(shí)高壓氣體向土面泄漏，導(dǎo)致其沖擊力受泄漏路徑長(zhǎng)短即深松位置影響明顯，從另一角度也可以說(shuō)明，深松作業(yè)時(shí)上腹土層厚度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響顯著，而上腹土層厚度與土壓密切相關(guān)，將來(lái)在對(duì)氣壓深松機(jī)理深入研究及相關(guān)試驗(yàn)應(yīng)將土壓作為一重要影響因素。

4 結(jié)論

1）氣壓深松后，犁底層內(nèi)的土壤孔隙度增大，高壓氣體打破了耕地犁底層，增加了耕地的滲透性，利于水土保持與灌溉。

2）氣壓深松作業(yè)時(shí)，試驗(yàn)條件下75°的噴氣方向?yàn)檩^適宜的噴氣方向；距土表0.35 m處為較適宜深松深度；氣壓深松對(duì)高密度（1.8 g/cm3）犁底層同樣具有較好的提升滲透性的效果。

3）氣壓深松后土體內(nèi)犁底孔隙變化度即滲透性的提升，受深松參數(shù)的影響明顯但并非正相關(guān)。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在利益沖突）

[1] 司振江, 袁輔恩, 陶延懷, 等. 振動(dòng)深松蓄水保墑機(jī)理的試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2005, 24(5): 42-45.

SI Zhenjiang, YUAN Fuen, TAO Yanhuai, et al. Experimental study of mechanism to deeply vibrating-loosen and storage and preservation of soil moisture[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2005, 24(5): 42-45.

[2] 張瑞富, 楊恒山, 高聚林, 等. 深松對(duì)春玉米根系形態(tài)特征和生理特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 78-84.

ZHANG Ruifu, YANG Hengshan, GAO Julin, et al. Effect of subsoiling on root morphological and physiological characteristics of spring maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(5): 78-84.

[3] 劉戰(zhàn)東, 劉祖貴, 寧東峰, 等. 深松耕作對(duì)玉米水分利用和產(chǎn)量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2015, 34(5): 6-12.

LIU Zhandong, LIU Zugui, NING Dongfeng, et al. Effects of subsoiling tillage on water utilization and yield of maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(5): 6-12.

[4] 孔德剛, 左勝甲, 李紫輝, 等. 一種機(jī)械式氣壓深松機(jī): CN104186040A[P]. 2014-12-10.

[5] 左勝甲, 孔德剛, 劉立意, 等. 基于氣壓劈裂原理的氣壓深松效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(1): 54-61.

ZUO Shengjia, KONG Degang, LIU Liyi, et al. Experiment on effect of air-pressure subsoiling based on air-pressure cracking theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(1): 54-61.

[6] 牛文學(xué), 趙永來(lái), 高偉, 等. 氣爆輔助式深松機(jī)設(shè)計(jì)與田間性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2022, 44(1): 183-188.

NIU Wenxue, ZHAO Yonglai, GAO Wei, et al. Design and field performance test of gas explosion assisted subsoiler design and performance test of air explosion assisted subsoiler[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2022, 44(1): 183-188.

[7] 左勝甲, 孔德剛, 陳海霞, 等. 基于氣壓劈裂原理的氣壓深松機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2017, 38(4): 5-10.

ZUO Shengjia, KONG Degang, CHEN Haixia, et al. Pneumatic subsoiler design based on pneumatic fracturing theory[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(4): 5-10.

[8] 奚小波, 張瑞宏, 單翔, 等. 基于土體裂隙跡線方程和土體擾動(dòng)模型的氣爆松土參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018, 34(6): 15-24.

XI Xiaobo, ZHANG Ruihong, SHAN Xiang, et al. Optimization of gas explosion subsoiling parameters based on soil fissure trace equation and soil disturbance model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(6): 15-24.

[9] 劉明財(cái), 蘇繼龍. 基于南方紅壤耕地氣壓深松鏟的設(shè)計(jì)與深松仿真分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 24(4): 119-123.

LIU Mingcai, SU Jilong. Design of pneumatic deep shovel and gas pressure deep loose simulation analysis in red soil of the Southern farmland[J]. Journal of China Agricultural University, 2019, 24(4): 119-123.

[10] 左勝甲. 氣壓深松特性及技術(shù)的試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2016.

ZUO Shengjia. Experimental study on the characteristic and technology of air-pressure subsoiling[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016.

[11] SHEN S L, MIURA N, KOGA H. Interaction mechanism between deep mixing column and surrounding clay during installation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(2): 293-307.

[12] MURDOCH L C, SLACK W W. Forms of hydraulic fractures in shallow fine-grained formations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(6): 479-487.

[13] ALFARO M C, WONG R C. Laboratory studies on fracturing of low-permeability soils[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2001, 38(2): 303-315.

[14] NAUTIYAL D. Fluid flow modeling for pneumatically fractured formations[D]. [Master thesis]. New Jersey Institute of Technology，1994.

[15] 金超奇, 徐長(zhǎng)節(jié), 江平, 等. 考慮滲透系數(shù)隨時(shí)間變化及固結(jié)狀態(tài)影響的一維固結(jié)計(jì)算[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)(中英文), 2022, 44(5): 157-164.

JIN Chaoqi, XU Changjie, JIANG Ping, et al. One dimensional consolidation calculation considering the change of permeability coefficient with time and the influence of consolidation state[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering, 2022, 44(5): 157-164.

[16] 韓文君, 劉松玉, 章定文. 土體氣壓劈裂裂隙擴(kuò)展特性及影響因素分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2011, 44(9): 87-93.

HAN Wenjun, LIU Songyu, ZHANG Dingwen. Characteristics and influencing factors analysis of propagation of pneumatic fracturing in soils[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(9): 87-93.

[17] 左勝甲, 孔德剛, 劉春生, 等. 氣壓深松土壤孔隙度測(cè)試與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(1): 162-166.

ZUO Shengjia, KONG Degang, LIU Chunsheng, et al. Test and analysis of soil porosity with pneumatic subsoiling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(1): 162-166.

[18] 譚偉, 何勝林, 張海榮, 等. 基于自然伽馬和電阻率曲線的高溫高壓氣層孔隙度計(jì)算方法[J]. 天然氣地球科學(xué), 2020, 31(2): 307-316.

TAN Wei, HE Shenglin, ZHANG Hairong, et al. Porosity calculation method of high temperature and high pressure gas reservoir based on natural gamma ray and resistivity curve[J]. Natural Gas Geoscience, 2020, 31(2): 307-316.

[19] 李忠平. 基于高密度電法溫納裝置的三維電阻率反演應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2020, 35(3): 970-975.

LI Zhongping. Application of 3-D resistivity inversion based on Winner device of high density electricity method[J]. Progress in Geophysics, 2020, 35(3): 970-975.

[20] 楊永輝, 武繼承, 王洪慶, 等. 不同耕作與保墑措施對(duì)小麥、玉米周年水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2014, 33(S1): 63-66.

YANG Yonghui, WU Jicheng, WANG Hongqing, et al. Effects of different measures of tillage and soil moisture conservation on anniversary water use efficiencies of wheat and corn[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(S1): 63-66.

[21] 滕云, 張忠學(xué), 司振江, 等. 振動(dòng)深松耕作對(duì)不同類(lèi)型土壤水分特征曲線影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2017, 36(5): 52-58.

TENG Yun, ZHANG Zhongxue, SI Zhenjiang, et al. Impact of vibration-tillage of subsoils on their water retention curves[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(5): 52-58.

[22] 馮壯壯, 李霞, 王維新, 等. 基于氣壓劈裂法的氣動(dòng)深松模擬試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2019, 41(11): 178-184.

FENG Zhuangzhuang, LI Xia, WANG Weixin, et al. Based on air-pressure cracking method[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(11): 178-184.

[23] SUTHERSAN S S．Remediation engineering：design concepts[M]. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999: 238-239.

[24] 涂杰, 張建軍, 歲立云. 氣爆壓力對(duì)深耕深松效果的影響[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù), 2019, 39(12): 33-34.

Impact of Air Pressure in Subsoiling on Soil Permeability

ZUO Shengjia1, DU Minghao1, KONG Degang2*, DING Xuxu1

(1. School of Physics, Tonghua Normal University, Tonghua 134001, China;2. College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

【Objective】The dense plough layer is difficult for airs and water to move into and out the root zone, hindering root penetration as a result. Deep loosening techniques, including the innovative air pressure subsoiling method, offer a solution by effectively breaking up this compacted layer. In contrast to traditional mechanical subsoiling, air-pressure subsoiling involves injecting high-pressure gas into the bottom of the plough layer. This paper studies the influence of air pressure on permeability of the loosen plough layer.【Method】Laboratory experiments were conducted to investigate the effect of air pressure subsoiling. We analyzed the mechanism underlying this process and assessed the impact of operating factors, including air jet pressure, bulk density of the plough layer, subsoiling position, and air jet direction, on loosening the soil. 【Result】Among the factors we studied, subsoiling position had the most pronounced effect on soil permeability, and bulk density of the plough layer had the least impact. These factors collectively influenced the porosity of the loosened plough layer. Under the test conditions, when the bulk soil density was 1.8 g/cm3and the subsoiling depth was 0.35 m, an air jet direction of 75°combined with a jet pressure of 2.2 MPa yielded the most effective results. Similarly, with the bulk density was 1.8 g/cm3and subsoiling depth was 0.25 m, using a jet pressure 2.2 MPa was highly effective. 【Conclusion】Deep loosening the plough layer by air injecting can increase the permeability of the plough layer and enhance its water storage capacity. Under the test condition, 75° is an appropriate angle to inject the air; injecting the air at the depth of 0.35 m is the most suitable for plough layer loosening.

air pressure deep loosening; deepening parameters; permeability; law of influence; irrigation water storage

1672 - 3317（2023）10 - 0098 - 07

S22.1+9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022667

左勝甲, 杜明昊, 孔德剛, 等. 氣壓深松參數(shù)對(duì)耕地滲透性影響規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(10): 98-104.

ZUO Shengjia, DU Minghao, KONG Degang, et al. Impact of Air Pressure in Subsoiling on Soil Permeability[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 98-104.

2022-11-25

2023-06-20

2023-09-14

吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（20191096KJ）；通化師范學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新與技能訓(xùn)練項(xiàng)目（CS2023134）

左勝甲（1984-），男，吉林通化人。副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail: zuoshengjia@163.com

孔德剛（1956-），男，吉林白山人。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail: 509152836@qq.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開(kāi)放獲取 CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍