气压深松土壤孔隙度测试与分析

左胜甲，孔德刚※，刘春生，李紫辉，张 超，陈 爽，吴艳凤

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2. 黑龙江科技大学机械工程学院，哈尔滨 150022）

气压深松土壤孔隙度测试与分析

左胜甲1，孔德刚1※，刘春生2，李紫辉1，张 超1，陈 爽1，吴艳凤1

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2. 黑龙江科技大学机械工程学院，哈尔滨 150022）

为了明晰气压深松土壤孔隙度的变化规律及其效果，利用温纳电阻率法测试气压深松前、后的土壤孔隙度，并以孔隙度增加率为指标进行分析，结果表明：深松气压和水平距离对孔隙度增加率有极显著影响（P＜0.01），而犁底层容重没有显著影响；水平距离0.7 m内的土壤孔隙度增大，犁底层孔隙度增加率随水平距离增加呈现先缓慢变化在0.4 m处出现峰值后，急速减小的变化趋势，水平距离0.1～0.4 m的孔隙度增加率均值显著大于0.5～0.6 m的孔隙度增加率均值（P＜0.05）；深松气压2.2和1.8 MPa作用下的犁底层孔隙度增加率差异不显著，但均显著大于1.4 MPa作用下的犁底层孔隙度增加率（P＜0.05），1.8 MPa为最佳深松气压。结论可为气压深松技术及其设备的研发提供依据。

孔隙度；压力；土壤；气压深松；温纳测试法

0 引 言

实施深松作业可打破长期机械化作业形成的犁底层，使犁底层的土壤得到松动，能调节土壤三相比，提高土壤的孔隙度和透水、透气性能，减少水土流失，有利于农业生态环境保护。传统的深松方式主要是用深松铲直接松动耕地犁底层土壤，这种方式存在深松深度浅，影响范围小等问题[1]。气压深松利用气压劈裂原理，向耕地土壤内部注入高压气体，使土壤中空气量增加，改变土壤三相比，同时也使土壤产生裂隙，导致土壤孔隙度增大，从而实现对耕地的深松，其具有深松深度深，影响范围大等特点[2]。目前中国关于气压深松方面的研究很少，特别是气压深松土壤孔隙度随深松参数的变化规律及其效果亟待研究。

深松效果可用深松后土壤孔隙度及其增加率来评价。目前针对土壤孔隙度的测量方法主要有传感器测量、图像分析及取样分析 3 种[3]。其中传感器测量法多为侵入式测量，探头及传输线路会干扰被测土壤的物理特性[4]，图像分析法测量效果及精度受土壤类型及观测角度、距离等因素影响显著[5-6]，取样分析法需直接扰动土壤，无法实现实时准确测量及分析。近年来，温纳（Wenner）电阻率法在土壤测试中的应用增多，它是通过在被测量介质中布设电极，测定土体电阻借助反演计算方法获得电阻率，并利用电阻率与土体物理状态参数的定量关系来表征和测量某一物理特性，是一种无损、多维、多尺度的实时测量方法。如 C hambers等[7]、刘汉乐等[8]利用此法研究了非水相有机物在土层中的运移扩散规律；Greve等[9]、Hassan等[10]利用此法研究了土体裂缝展开规律；张志祥等[11]利用此法研究确定了土壤水分特征曲线。

因此，本文利用温纳电阻率法，测得气压深松前、后土壤中各测试点的土壤电阻率，并利用阿尔奇公式求其土壤孔隙度，进一步计算土壤孔隙度增加率，分析研究气压深松后土壤内的孔隙度增加率随深松参数的变化规律，为气压深松技术及其设备的研发提供技术依据。

1 气压深松测试原理

土壤电阻率与含水量、孔隙度、结构及温度等多种因素有关，在其他因素不变或相对稳定时，可通过测量土体的电阻率间接测量某单一因素的变化及分布特征[12-13]。

由拉普拉斯方程及欧姆定律可知一个点电流源电场中，均匀介质中任一点的电位[14-16]。

式中U为电位，V；ρ为电阻率，Ω·m；I为点电流源电流，A；r为任一点到点电流源的距离，m。在2个异性点电流源电场中（图1），按叠加原理，任一点的电位为点电流源A（+I）和B（-I）在该点所产生电位的矢量和。

图1 2个异性点电流源的电场Fig.1 Electric field of 2 opposite point current source

由式（1）可得，M点的电位为

式中UM为M点的电位，V；AM为M点到电源A的距离，m；BM为M点到电源B的距离，m。

利用电阻率法测定土壤电阻率时（图 2），先通过电测仪器测定MN电极间的电位差和AB回路的供电电流，再计算其电阻率。

图2 任意4电极装置示意图Fig.2 Schematic diagram of any quadrupole device

任意四极装置中的AB为供电电源，MN之间的电位差为

式中ΔUMN为MN之间的电位差，V；AN为N点到电源A的距离，m；BN为N点到电源B的距离，m。

则电阻率的公式为

式中k为电极排列系数，m。本试验采用的是温纳4电极测试法，其电极位于同一水平线上且间距相等，所以k=2π·a，a为相邻电极间的间距，m。

由温纳法得到的电阻率是深度为电极间距、位置为电势电极间连线中点处介质的综合电阻率，也称为视电阻率[17]。

2 气压深松试验

2.1 供试土壤及试验仪器

2016年1—4月进行试验。试验用土壤采自东北农业大学香坊农场（45°45′N、128°39′E），为使试验用土壤的含水率与实际深松作业时的土壤含水率（15%～22%）[18-20]保持一致，试验前将其含水率调制为18%±0.5%，为了模拟实际深松作业时的土层状态，在土槽底部设置犁底层，试验前用石磙碾压使其容重为 1 .4～1.8 g/cm3[21-22]，厚度为0.2 m，碾压过程中用环刀法监测土壤容重。然后在犁底层上面覆盖约0.2 m厚的试验用土壤作为耕作层，并使其表面平整光滑便于测试。

试验所用设备为自制的气压可调式气压深松试验装置，主要由高压气泵、土槽、支撑架、调压阀、气枪开关和气枪等组成（图3）。高压气泵1产生的高压气体经过调压阀2、高压输气管4、气枪开关5，由气枪6喷气孔注入土槽7的土壤之中，使土壤孔隙度增加实现深松。高压气泵提供的气压为0.8～3.0 MPa，通过调压阀调节，气枪可得到不同的深松气压。其中气枪由无缝钢管制成，顶端为圆锥体，前部均布4个直径为5 mm的喷气孔，后部通过高压输气管、调压阀与高压气泵连接。

图3 气压深松试验装置示意图Fig.3 Schematic of pneumatic subsoiling test equipment

试验仪器有电测仪器、硬度计、环刀、天平和计算机等。

2.2 试验设计及过程

为分析不同容重土壤中深松气压对土壤空隙度的影响，设置3个犁底层容重水平（1.4、1.6、1.8 g/cm3）和3个深松气压（1.4、1.8、2.2 kPa）水平，进行全组合气压深松试验，并利用温纳法测试各测试点深松前、后的土壤电阻率。每项组合重复3次，取3次试验结果的平均值作为分析计算值。

利用温纳法对各测试点的土壤电阻率进行测试，测试时在土面中心将气枪插入犁底层中，使喷气孔距土面0.35 m，并固定在支撑架上。测试点的位置由坐标（x，y）给出，其中x为水平距离（距土面中心的水平尺寸），分别取值0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.7 m；y为深度（距土面的垂直尺寸），分别取值0.1，0.15，0.3和0.35 m。

2.3 指标测定及计算

2.3.1 土壤孔隙度计算

1）确定试验用土壤电阻率与孔隙度的计算公式。利用阿尔奇建立的土壤电阻率模型[23]

式中Ф为土壤孔隙度；Sr为土壤饱和度，%；K为与土壤特性有关的常数系数；m和n分别为模型待定常数。

试验前，采用供试土壤，设置不同饱和度和孔隙度试验进行电阻率测试，对孔隙率与电阻率模型参数进行标定。通过回归分析确定式（5）中m、n、K。得到其电阻率与孔隙度的计算公式

式中W为土壤含水率，%。决定系数R2为0.96（P＜0.05）。

本试验W为18%，将W及各测试点深松前后的土壤电阻率ρ的数值代入到式（6）中，即可得到各测试点深松前后的土壤孔隙度。

2.3.2 土壤孔隙度增加率计算

气压深松使土壤中空气的含量增加，引起土壤体积膨胀、土面抬升，同时使土壤产生裂隙，导致土壤孔隙度增大。为了便于分析比较不同条件下的深松效果，本文以土壤孔隙度增加率（试验前、后土壤孔隙度之差与试验前土壤孔隙度比值的百分比）为指标，分析研究土壤孔隙度增加率的变化规律并确定合理的技术参数。

3 结果与分析

3.1 土壤孔隙度增加率方差分析

通常深松作业时犁底层的容重为 1 .4～1.8 g/cm3[24-27]。对不同容重土壤犁底层在不同深松气压作用下各水平距离的孔隙度增加率进行方差分析，结果表明，深松气压极显著影响土壤孔隙率增加率（F=6.751＞F(2,44)=4.98），水平距离也极显著影响土壤孔隙率增加率（F=4.98＞F(5,44)=3.65），而犁底层容重没有显著影响。可见，深松气压和水平距离是影响土壤孔隙度的重要影响因素。 因此，下文主要针对犁底层容重为1.6 g/cm3（平均值）的土壤，分析不同深松气压和水平距离孔隙度增加率的分布规律。

3.2 不同水平距离孔隙度增加率分布规律

根据试验所得数据，利用Matlab软件，通过以三角形为基础的三次方程内插法，得到不同深松气压下孔隙度增加率在土壤中不同深度不同水平距离的分布如图4所示。

图4 不同深松气压下土壤孔隙度增加率分布Fig.4 Porosity increase rate distribution under different pressures of pneumatic subsoiling

3.2.1 深松气压1.4 MPa下的孔隙度增加率分布

由图4a可知，深松气压为1.4 MPa时，孔隙度增加率在耕作层（0.2 m以上部分，以下不再注明）内随水平距离的增加呈减小趋势，在水平距离0.7 m时减小为0；在犁底层（0.2～0.35 m，以下不再注明）内随水平距离增加呈现先波动变化，在0.4 m处出现波峰后急速减小的变化趋势。在相同水平距离时，孔隙度增加率随深度的增加，在耕作层内变化很小，而在犁底层内变化较大；在深度约0.3 m，水平距离约0.4 m处，孔隙度增加率出现最大值，约为5.1 %。

3.2.2 深松气压1.8 MPa下的孔隙度增加率分布

由图4b可知，深松气压为1.8 MPa时，在不同深度下，孔隙度增加率呈随水平距离增加而减小的趋势。在犁底层内呈现先是缓慢变化，在0.4 m处急速出现波峰后急速减小，之后再次缓慢变化的趋势；而在耕作层内减小的速度相对较快，在水平距离0.7 m时减小为0。在相同水平距离下，孔隙度增加率随深度增加呈增大趋势，但在耕作层内增大的速度较快；而在犁底层内增大的速度相对较慢。在深度为0.3～0.35 m，水平距离约为0.4 m时，孔隙度增加率达到最大值，约为6.0 %。

3.2.3 深松气压2.2 MPa时的孔隙度增加率分布

由图4c可知，深松气压为2.2 MPa时，孔隙度增加率在耕作层内随水平距离的增加呈波动减小的趋势，在0.7 m时减小为0；而在犁底层内随水平距离增加呈现先缓慢变化，在0.4 m处急速出现波峰后急速减小的变化趋势。在相同水平距离下，孔隙度增加率随深度的增加，在耕作层内变化较大，而在犁底层内变化相对较小。在深度0.3～0.35 m，水平距离约0.4 m处，孔隙度增加率出现最大值，其值约为7.5%。

由上分析可知，在不同深松气压作用下，土壤孔隙度增加率在水平距离0.7 m范围内均大于0，表明在此范围得到了不同程度的深松；孔隙度增加率最大值均出现在水平距离约0.4 m，犁底层深度约0.3～0.35 m处；这个深度与气枪喷气孔深度位置相同，说明与气枪喷气孔深度相同的犁底层可得到最佳的深松效果。另外，孔隙度增加率在犁底层和耕作层无显著差异，而在水平方向上则是0.1～0.4 m显著大于0.5～0.6 m（P＜0.05），表明在0.4 m之后深松效果显著减小。

3.3 深松气压对犁底层孔隙度增加率的影响

根据试验结果，得到容重为1.6 g/cm3的犁底底层（深度0.3 m），不同深松气压作用下不同水平距离的孔隙度增加率，如图5所示。由图5可以看出，犁底层在深松气压1.4、1.8和2.2 MPa深松后，在半径0.6 m范围内任一水平距离下的孔隙度增加率，均以1.8 MPa的最大，1.4 MPa最小（P＜0.05），2.2 与1.8 MPa无显著差异，但二者均显著大于1.4 MPa的孔隙度增加率（P＜0.05）。表明在水平距离0.6 m范围内，较大的深松气压产生较大孔隙度增加率，可获得较好的深松效果。多项研究成果表明，气压劈裂时裂隙的扩展方向垂直于最小主应力方向，浅层土的气压劈裂其最小主应力为竖向，裂隙为水平裂隙[28-30]。本试验的气压深松属于浅层土的气压劈裂，其最小主应力为竖向，容重为1.6 g/cm3犁底层，因其土壤凝聚力相对较小，使其竖向主应力合力也相对较小，气体在产生横向水平扩散的同时，会有部分产生竖向扩散而泄漏出地表。 对于3种深松气压，1.4 MPa的深松气压相对较小，横向扩散势力较弱扩散到土壤中的气体量较小，所以其孔隙度增加率较低；而1.8、2.2 MPa的深松气压相对较高，气体横向扩散势力增强，在土壤中易于形成裂纹增多，扩散到土壤中的气体量较多，孔隙度增加率较大。但同时其竖向扩散势力相对较强，引起的气体泄漏量较大，导致 2 种深松气压下的孔隙度增加率的差异不显著。另外，由1.4、1.8和2.2 MPa引起的孔隙度增加率在半径0.6 m范围的平均值分别为2.80，4.93和4.41，主要考虑土壤疏松程度兼顾能耗，选用1.8 MPa的深松气压可获得较好的深松效果。

图5 不同深松气压下犁底层孔隙度增加率Fig.5 Porosity increase rate of plow pan under different pressures of pneumatic subsoiling

4 结 论

1）深松气压和水平距离对犁底层孔隙度增加率有极显著影响，而犁底层的容重对其没有显著影响。

2）气压深松后，水平距离0.7 m内的土壤孔隙度增大，犁底层内孔隙度增加率随水平距离增加呈现先缓慢变化，在0.4 m处出现峰值后急速减小的变化趋势，且水平距离0.1～0.4 m的孔隙度增加率均值显著大于0.5～0.6 m的孔隙度增加率均值。

3）深松气压2.2和1.8 MPa作用下的犁底层孔隙度增加率差异不显著，但均显著大于1.4 MPa作用下的孔隙度增加率。考虑土壤疏松程度兼顾能耗，选用1.8 MPa的深松气压最佳。

本文对气压深松技术的深入研究及其设备的研发有非常实际的意义，但试验中深松喷气点的数量较少，仅有一个喷气点，在后续的研究中应该对多喷气点下的气压深松效果及土壤内的孔隙度的变化规律作进一步研究。

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Test and analysis of soil porosity with pneumatic subsoiling

Zuo Shengjia1,Kong Degang1※,Liu Chunsheng2,Li Zihui1,Zhang Chao1,Chen Shuang1,Wu Yanfeng1
(1. College of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2. School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China)

Pneumatic subsoiling is a novel subsoiling method based on pneumatic split technology,which injects pressure-air into cultivated soil to form fractures. In order to study the change of soil porosity during pneumatic subsoiling based on Wenner electrical sounding method,a labroatory experiment was conducted in Agricultural Machinery Laboratory of the Engineering Research Center of Northeast Agricultural University from January to April in 2016. Different soil bulk density(1.4,1.6 and 1.8 g/cm3) and subsoiling pressure(1.4,1.8 and 2.2 kPa) were designed for the experiment. The initial soil moisture was kept at 18% for all the treatments. At the bottom of the soil bin,a plowpan in depth of 0.2 m was artificially designed by rolling. On the top,a plough layer was of the depth of 0.2 m. The resistivity was measured before and after subsoiling. Then the resistivity was converted into soil porosity by the model established based on a pre-experiment. Then,the porosity increase rate was used to evaluate the change of soil porosity. The results showed that the pressure had an extremely significant influence on soil porosity increase rate(P＜0.01) but the bulk density did not significantly affect the results. Thus,the change of soil porosity as affected by pressure was further investigated in soil with bulk density of 1.6 g/cm3. After subsoiling,the soil porosity increased within the horizontal distance of 0.7 m. In the plowpan(0.2-0.35 m),the porosity increase rate increased slowly with the horizontal distance before 0.4 m and reached its peak when the horizontal distance was 0.4 m. The maximum porosity increase rate was 5.1%,6.0% and 7.5% under the pressure of 1.4,1.8 and 2.2 Mpa,respectively. After the peak,the porosity increase rate rapidly decreased with the increase of the horizontal distance. The average of the porosity increase rate at the horizontal distance of 0.1-0.4 m was higher than that in the 0.5-0.6 m,indicating small subsoiling effect for the horizontal distance larger than 0.4 m. The porosity increase rate under the air pressure of 1.8 and 2.2 MPa were significantly higher than that with the air pressure of 1.4 MPa(P＜0.05). However,there was no significant difference between 1.8 and 2.2 MPa. Considering the effects of subsoiling and energy consumption for subsoiling,we suggested that the subsoiling air pressure was 1.8 MPa when the bulk density was 1.6 g/cm3. The results provides the technical support for development and application of pneumatic subsoiling equipment.

porosity;pressure;soils;pneumatic subsoiling;Wenner test method;

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022

S222.1+9

A

1002-6819(2017)-01-0162-05

左胜甲，孔德刚，刘春生，李紫辉，张 超，陈 爽，吴艳凤. 气压深松土壤孔隙度测试与分析[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：162－166.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022 http://www.tcsae.org

Zuo Shengjia,Kong Degang,Liu Chunsheng,Li Zihui,Zhang Chao,Chen Shuang,Wu Yanfeng.Test and analysis of soil porosity with pneumatic subsoiling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):162－166.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.022 http://www.tcsae.org

2016-05-18

2016-10-10

国家科技支撑计划课题（2014BAD06B04）

左胜甲，男，吉林通化人，博士生，主要从事农业机械化工程研究。哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。

Email：zuoshengjia1984@163.com

※通信作者：孔德刚，男，吉林省白山市人，教授，博士生导师，主要从事农业机械化工程研究。哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。Email：kong-degang@hotmail.com