土壤物理特性对深松阻力影响的试验

李 霞，张东兴，张 瑞，崔 涛

(1.中国农业大学工学院，北京100083;2.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832003)

近年来全国各地采用浅旋耕方式，造成土壤耕层“浅、实、少”，土壤耕层质量下降已经严重制约我国粮食作物生产能力的可持续发展，降低了水分养分的高效吸收，使得作物抵御自然灾害的能力下降.而深松技术能够有效打破犁底层，加厚耕层深度10 cm以上，提高土壤蓄水能力和增加耕层活土量20%以上［1］，实现粮食增产和耕地可持续利用.一般年份深松可使玉米增产5%以上，严重旱灾年份产幅增量可达10% ～20%.因此，急需开展深松改土高产增效技术研究，但是目前的深松机普遍存在作业阻力大的问题［2］.针对这一问题，主要是靠使用大功率的牵引机具来解决.这就要求配套的拖拉机功率大，以至于现有拖拉机不能满足.要推广深松技术，必须要研究如何减少深松作业的牵引阻力问题，以及不同土壤特性对牵引阻力的影响.

国内的一些专家学者对深松减阻问题做了分析研究，郭志军等［3］采用仿生原理优化深松铲达到减阻的目的.邱立春等［4］采用自激振的原理来减少牵引阻力.由于土壤的情况复杂不可控因素较多，因此通过自激振来达到减小土壤耕作阻力目的很难控制减阻的程度.国外的一些学者针对土壤特性的不同，研究了深松的牵引阻力大小［5］，J.Arvidsson 等［6］认为在中等含水率的情况下，低于土壤塑性极限下，深松能量消耗最少.J.H.Camacho-Tamayo 等［7］研究了深松机在不同的作业速度和土壤含水率下深松牵引阻力的变化.随着深松技术越来越受到重视，这些研究为深松技术提供了理论依据.虽然C.W.Watts等［8］研究表明，牵引阻力不仅和耕作技术有关，和土壤的含水率、坚实度、容重等也有很大的关系，但把不同土壤特性作为试验因素的研究还很少.

文中针对我国土地耕层变浅、肥力下降的情况，研究不同土壤对深松机工作中阻力大小的影响，探索深松和土壤特性之间的关系.

1 深松机振动工作原理

通过对土壤和深松铲相互作用的分析研究，设计出振动深松机.经过田间试验和结构优化，最后确定了1SZDX-240型振动深松机的总体结构，如图1所示.该机主要由机架、偏心轴、深松铲和限深轮等组成.主要特点:振动系统是拖拉机动力输出轴与深松机的偏心轴组成，将输出轴转动变成十字挂接器的上下运动［9］，从而实现深松铲的往复振动;动力由拖拉机的输出轴传给偏心轴，传动方式简捷高效，并能放大振动位移，使深松铲易于入土，而且振幅是随着耕深的增加而增大，振幅的增大有利于进一步碎土和减少工作阻力;深松铲形式为窄凿型，能最大限度的保护土壤、减少水分蒸发.

图1 1SZ-460型振动深松机

2 材料与方法

2.1 试验材料与设备

2.1.1 试验地概况

试验分别设在河北省固安县西市村农田和山西忻州市忻府区新路村的玉米增产技术示范田.试验田地形平坦，坡度均小于5°，田间有上一年玉米收获后遗留的玉米秸秆及杂草.固安试验田土壤类型为轻壤土，忻州土壤类型为黄黏土.

2.1.2 试验仪器

试验用2台拖拉机，1台拖拉机为牵引车，另1台为工作机输出轴额定转速720 r·min-1.ALIYIQI艾力数显式推拉力计，拉力计连接在2台拖拉机的中间，该拉力计型号为HF-1000，生产厂家是浙江乐清市艾力仪器有限公司.拉力计的数据线连接联想X200笔记本电脑，电脑时时将采集的数据保存.标杆16根用于划分小区做标记.牵引钢丝绳1条，牵引插销3个，用于连接拖拉机和拉力计.取土环刀60个用来采集土样，TJSD-750II型土壤紧实度仪1台，1SZDX-240型振动深松机1台.

2.2 试验方法

2.2.1 试验设计

深松田间试验为对比河北山西2个地区土壤改良情况，尽量减小误差的影响.每个试验小区的长为80 m，宽度为2个往返作业行程宽度，两端地头留出3 m长的拖拉机转弯地带，每个小区间隔12 m.拖拉机的工况一致，都采用慢3挡大油门工作.

2.2.2 试验步骤

试验分3步进行，第1步先按5点取样法测0～40 cm深土层，分4层采集土壤的密度、坚实度、含水率.第2步测牵引阻力大小［10］，第3步测土壤深松后0～40 cm深土层，分4层采集土壤的密度、坚实度、土壤深度断面.

3 结果与分析

3.1 土壤物理特性试验结果

3.1.1 土壤密度的试验数据分析

深松能改变土壤的物理特性，深松前后土壤密度、坚实度等会发生相应的变化.但不同的土壤物理特性施加于深松机的阻力是有区别的.密度是土壤的重要物理性质，它影响到土壤的孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力，进而对土壤水分的入渗产生影响.

试验分别在山西忻州和河北固安试验地测定深松前土壤密度，结果如表1-4所示，从表中数据可以看出，山西忻州和河北固安土壤的差别较大，深松前河北固安的土壤密度平均要小于山西忻州土壤的密度.每个试验点取5点测量，深度0～40 cm，每10cm用环刀取一个土样.河北固安深松前平均密度为1.59 g·cm-3，山西忻州深松前平均为 1.62 g·cm-3，深松前的密度都大于 1.50 g·cm-3，这 4 层土壤之间的密度相差不大.深松后土壤密度明显减小，尤其在0～10 cm深的土层中变化最大，比深松前降低了28.7%.

表1 固安测点深松前土壤密度

表2 固安测点深松后土壤密度

表3 忻州测点深松前土壤密度

表4 忻州测点深松后密度

3.1.2 土壤含水率的试验数据分析

影响深松质量的主要自然因素是土壤的物理机械性，而土壤水分状况是影响物理机械性的重要条件［11］.含水率不同，土粒之间的黏结强度以及抵抗外力所引起的土粒移动能力也不同.水分过多的土壤黏结性强，耕作时费劲，土块不易破碎，耕作质量差.一般旱地土壤的宜耕含水率应稍低于可塑下限，大体相当于田间持水量的60% ～80%［12］.试验两地含水率数据见表5，6.

表5 固安土壤含水率

表6 忻州土壤含水率

土壤含水率对拖拉机牵引附着性能有很大影响，对土壤的物理机械性能也有很大影响.土壤的内聚力和内摩擦角有所不同，因而土壤的承压能力和抗剪能力也发生变化.根据对中型轮式拖拉机在不同土壤含水率条件下进行的对比试验表明，当土壤含水率小于13%～20%时，拖拉机的附着性能最好，且滚动阻力也较小［13］.从表5可以看出河北固安的深松前土壤的含水率20～30 cm层最大，这主要是土壤在该层变的较为黏重，在之后30～40 cm土壤变的砂性较大.从表6可以看出忻州的含水率在10～20 cm较大.深松后土壤的含水率均会随着时间增加有轻度的跑墒，从后期的观测来看变化不大.

3.1.3 土壤坚实度试验数据分析

土壤坚实度影响拖拉机的滚动阻力、附着性能和滑转率.土壤表面的坚实度愈大，则拖拉机的牵引效率愈高.但是坚实度大的土壤对深松铲的阻力也较大，因此合适的土壤坚实度和深松阻力大小及其机具功率发挥有着密切的关系.

试验用专用土壤坚实度仪测试并记录土壤的坚实度，图2为实测图片，图3为不同地区坚实度对比图.山西忻州黄黏土的平均坚实度为806 kPa，河北固安的轻壤土平均坚实度为795 kPa.从表7中可以看出，深松后固安和忻州的土壤坚实度均下降，并且深松后各层的坚实度相差不大.忻州的土壤从0～40cm深度上土质变化不大均为黄黏土，而固安的土质存在明显的变化，在0～20 cm深度土壤变化不大有轻度砂性，在20～30 cm土壤变的非常坚硬有点黏土的形状，30～40 cm以后土壤砂性加强，坚实度降低.总体看来山西忻州试验地的土壤坚实度要大于河北固安试验地的土壤坚实度.深松后忻州土壤坚实度平均降低11%，固安土壤坚实度平均降低9%.

图2 土壤坚实度测量图

图3 土壤坚实度对比图

表7 固安和山西土壤坚实度 kPa

3.2 振动深松对土壤断面的结果分析

两地深松作业的对比如图4所示.

图4 深松作业对比图

从沟槽的剖面图可以测得，上边宽30 cm，下边宽5 cm，深度可达40 cm.土壤剖面结构的分析说明，深松铲松土的影响范围是以铲尖为下底边、土面为上顶边，耕深为高度形成的等腰梯形的面积.从试验测点的深松剖面可以看出，深松后的土壤断面可以分为3个不同松碎程度的土层，0～10 cm深的土层中土块最大且呈扁块形，10～20 cm深土层土块大小居中，20～30 cm深土层中土块均为细小土块.在深松后的整个断面内，除表层(0～10 cm)土块较大外，中心区域也有较大的土块，而在断面的周边均为细小土块.在山西忻州的深松土壤断面可以看出，深松区域大的土块较多，土块之间的黏结较强.而在河北固安的土壤断面中小的土块居多，并且在深松底部出现了明显的鼠道，起到蓄水保墒的作用.这和该地区的土质、土粒关系很大，从而决定了这2个试验点牵引阻力的不同.

3.3 振动深松牵引阻力的影响

非振动式深松机牵引阻力过大，就目前我国农民的经济能力和对深松的认识等因素而言，通过采用大功率拖拉机来加大牵引动力的办法会严重阻碍深松技术的推广.因此合适选择合适的牵引动力较为重要，深松牵引阻力的对比影响如图5，6所示.

图5 深松30 cm牵引阻力对比

图6 深松40 cm牵引阻力对比

从图5和图6可以得出，当深松30 cm时，河北固安轻壤土的牵引阻力比山西忻州黄黏土的牵引阻力平均减少61%，深松40 cm时，牵引阻力平均减少47%.

4 结论

1)山西忻州黄黏土深松前的土壤平均密度为1.62 g·cm-3，土壤坚实度为 806 kPa，含水率为17.19%.河北固安带状壤土深松前密度为1.59 g·cm-3，土壤坚实度为795 kPa含水率为18.67%.黄黏土的密度和坚实度均大于带状壤土.密度和坚实度对土壤深松时牵引力有一定的影响.

2)不同的土壤特性对深松地表状况和深松断面都有影响.河北土壤为轻壤土，山西忻州为黄黏土.河北固安轻壤土深松后地表较为平整，土壤扰动不大.由于山西忻州黄黏土黏度大，深松地表翻动也较大，深松后的土块也比河北固安同深度深松后土块大.

3)试验结果表明，耕层土壤的物理特性不同，土壤产生的作业阻力也不一样，它直接影响耕作机具的功率消耗.河北固安轻壤土的牵引阻力低于山西忻州黄黏土，这一点理论分析与试验结果相吻合.

4)深松时土壤阻力在不断变化，但振动参数如振幅、频率对不同土壤作用力影响的程度应该进一步探讨.

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