不同农用轮胎对东北黑土区土壤压实的影响

杨敏丽 彭 健 金 剑 杨 晓 宋正河 李 栋

(1.中国农业大学工学院, 北京 100083; 2.中国农业大学中国农业机械化发展研究中心, 北京 100083;3.米其林(中国)投资有限公司, 上海 200335)

0 引言

东北黑土地是我国珍贵的土壤资源和不可再生的自然资源,是肥力最高、最适宜耕作和最具生产力的土壤。近年来,黑土地保护问题备受关注[1-3]。农业机械化在提升农业生产力、提高作业质量、促进农业增产增收同时,东北地区大型农业机械在生产实际中应用越来越多,由于大型农机作业时牵引力大,一定程度上将会造成农田土壤压实,导致土壤孔隙度降低、土壤颗粒排列紧密、土壤紧实度升高[4]。

目前,国内外学者对于轮胎压实的研究主要集中于轮胎压实次数[5-6]、不同耕作方式[7-10]、轮胎载荷[11-14]对于土壤物理特性的影响。SMITH等[15]研究表明,轮胎承载重量不同对土壤压实的影响不一致,地面压力的增加会显著增加土壤表面附近的容重,但在较大深度时影响较小。TOBIAS等[16]提出一种田间实地监测土壤垂直运动的方法,研究表明采用大型机械作业,会造成土壤紧实度明显增大,并且履带载荷和轮载荷所引起的压实程度不同,轮载荷会使得深度60～70 cm的土层产生形变。SHAHGHOLI等[17]利用应变传感器测量轮胎压实后的土壤密实度,得到在未到达土壤的临界水分前,土壤压实度随着土壤含水率的增加呈线性增加。张兴义等[18]研究表明,随着碾压次数的增加,压实较前一次略有加剧,同时被压实深度有所增加,但增加幅度都变小。乔金友等[19]采用大、中、小3种型号拖拉机开展试验,得出各机型压实后土壤坚实度均随压实次数增加递增,在深度0～30 cm土层出现明显压实核,压实核内土壤坚实度随压实次数增加逐渐增大。

综上所述,轮胎压实对土壤物理特性的改变有较为显著的影响,已有较多与轮胎压实相关的研究,但不同农用轮胎对土壤物理特性影响的对比研究未见报道。农业子午线轮胎的胎体帘线呈0°角排列,胎侧和胎面相对独立结构,在滚动过程中,胎侧曲绕、胎面接地面积可始终保持稳定[20]。超低压子午线轮胎的胎面采用独特的胎面结构设计和橡胶配方,使其能以极低的气压承担更高的负载。因此,在相同载荷下,超低压子午线轮胎可以降低其胎压来获得更大的接地面积。本文基于超低压子午线轮胎的技术特点,从轮胎技术改进的角度入手,开展不同轮胎的田间对比试验,通过测量土壤紧实度和土壤含水率来研究大型拖拉机轮胎技术对土壤物理特性的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021年4—5月在黑龙江省嫩江市尖山农场第三管理区(125°26′ E,48°52′ N)进行,试验地属于寒带大陆性气候,年平均气温-0.1～0.5℃,活动积温2 000～2 200℃,无霜期110～120 d。年降水量500 mm左右,年日照2 550～2 750 h,土壤类型以黑土为主。试验地以垄作为主,种植制度为玉米-大豆轮作,一年一熟。

1.2 试验设计

田间试验采取对比试验的方法,设置试验区和对照区,试验区由配置超低压子午线轮胎(VF)的拖拉机作业,对照区由配置普通子午线轮胎(CK)的拖拉机作业。

试验地长为1 450 m,宽475 m,沿东西方向共分为4个测试小区,自西向东依次为CK1、VF1、CK2、VF2。每个测试小区长为1 450 m,宽为118.75 m。为减小土壤空间变异性及其他因素对试验结果的干扰,试验中对地势起伏或由于其他因素影响破坏的轮辙进行剔除,采用等距取样法进行取样。测试各个样点土壤紧实度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度。考虑到土壤环境较为复杂,为增强测试数据的准确性,每个样点取3次测试的平均值作为该点的数值。测试时,均选择在轮胎碾压过的中心位置,避免轮胎中心与两侧位置受力不同对结果产生干扰。试验分区如图1所示。

图1 田间试验分区示意图Fig.1 Schematic of field trial zoning

试验选择JD7830型拖拉机为试验机型,拖拉机功率为155.78 kW,播种环节挂接1006NT型免耕播种机进行作业,使用相同机型的拖拉机分别配置超低压子午线轮胎和普通子午线轮胎进行对比试验,图2为拖拉机实际作业图。根据实际作业的负载需求及拖拉机机型的适配性选择试验用轮胎规格,轮胎参数如表1所示。

表1 试验用农用轮胎主要参数Tab.1 Comparison of parameters of agricultural tires with different technologies

图2 田间对比试验拖拉机作业图Fig.2 Field comparison test tractor operation diagram

1.3 数据采集方法

1.3.1土壤紧实度和土壤含水率

播种作业后,采集试验区和对照区各测试小区土壤紧实度和土壤含水率(图3a、3b)。使用手持GPS定位测量样点,记录测试位置,使用SYS-TJS100S型土壤紧实度测定仪(精度0.1 kPa)测量土壤紧实度。使用SK-100型便携式土壤水分测定仪(精度0.01%)测量土壤含水率,将土壤水分测定仪垂直插入指定深度后,静置5～10 s待仪器示数稳定后,记录该样点数据。土壤深度选择为5、10、15、20 cm。

图3 土壤物理性质测试过程Fig.3 Testing procedures for soil physical properties

1.3.2土壤容重和土壤孔隙度

使用AKR-J600型土壤密度计测量土壤容重和土壤孔隙度,取土深度为0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm和15～20 cm(图3c)。安装好测试仪后,首先利用砝码进行校正。将土壤样品按照顺序放在测量台上进行称量并存储,先后称量3次,仪器可以计算并显示出土壤容重、土壤孔隙度、样品体积等。

1.4 评价方法

为了衡量不同轮胎技术对土壤压实的影响,构建土壤压实综合评价模型。以土壤紧实度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度作为指标,对使用不同轮胎技术造成的土壤压实状况进行综合分析评价。其中,土壤紧实度、土壤容重为负向指标,土壤含水率、土壤孔隙度为正向指标。

针对土壤性质时空变化较大的特点,本文采取CRITIC法和熵权法综合评价的方法对土壤压实状况进行评价。CRITIC法是通过综合衡量评价指标间的冲突性,以及指标本身对比强度来实现评价指标客观赋权的一种方法,而熵权法是依据评价信息中的不确定性进而实现指标属性赋权的一种方法[21]。在土壤压实的过程中,各指标之间的冲突性会随着压实程度而发生变化,且与土壤状况联系更加紧密的指标会发生更大程度的影响。但是单一的CRITIC赋权法未能考虑到指标之间的离散性,熵权法则可有效弥补这一不足[22]。因此,本文将两种赋权相融合,构建基于CRITIC法和熵权法的组合赋权模型。

对各项指标的重要数据进行标准化处理,以消除各指标之间含义、量纲的差别。

对于正向指标,标准化公式为

(1)

对于负向指标,标准化公式为

(2)

使用CRITIC赋权法,计算各指标对应的权重Wj1,计算公式为

(3)

式中σj——第j项指标数据的标准差

rij——第i项与第j项指标的相关系数

根据熵权法原理,计算各项指标对应的信息熵Ej,计算公式为

(4)

其中

计算各指标对应的熵权法权重Wj2,计算公式为

(5)

在充分考虑指标对比强度及数据间的关联性,同时从离散程度间接反映指标重要性两个方面,使用乘法合成归一法确定综合指标权重Wj,计算公式为

(6)

基于指标选择和权重分配,构建基于CRITIC和熵权法的土壤压实综合评价模型,对不同压实后的土壤进行综合评价,评价得分计算公式为

(7)

1.5 数据处理

将试验采集的原始数据按照测试时间、轮胎类型等因素分别归类整理数据。为了消除试验数据的随机误差及由于人为因素影响造成的误差,提高数据可靠性,根据正态分布的3σ原则剔除异常数据。使用SPSS 22.0统计软件进行方差分析和显著性检验,利用Origin 2019软件拟合模型曲线并绘制变化趋势图。通过Matlab 2016编程计算土壤压实综合评价模型中各指标对应权重及最终得分。

2 结果与分析

2.1 土壤紧实度

土壤紧实度为测度土壤压实重要指标,能够反映作物根系穿透土壤阻力[23]。按照前述试验方案及测试方法测试各小区土壤紧实度,使用Origin 2019软件绘制不同分区测试的土壤紧实度等值线图(图4),通过等值线图分析不同农用轮胎的使用对土壤紧实度影响规律。

图4 不同分区土壤紧实度等值线图Fig.4 Contour maps of soil compactness in different zones

由图4可知,对照区和试验区在同一深度处的颜色分布差异较为显著。随着测试深度的增加,对照区土壤紧实度整体高于试验区。深度5 cm时,CK区土壤紧实度集中于1 200～1 600 kPa,VF区土壤紧实度集中于800～1 200 kPa,相较于CK区减小400 kPa左右;深度10 cm时,CK区土壤紧实度集中于2 200～2 600 kPa,VF区土壤紧实度集中于1 600～2 200 kPa,相较于CK区减小400～600 kPa;深度 15 cm时,CK区土壤紧实度集中于3 000～3 600 kPa,VF区土壤紧实度集中于2 800～3 200 kPa,相较于CK区减小200～400 kPa;深度20 cm时,CK区土壤紧实度集中于4 300～4 600 kPa,VF区土壤紧实度集中于4 000～4 400 kPa,相较于CK区减小200～300 kPa。因此,试验区各深度处土壤紧实度均小于对照区,随着深度增加,试验区与对照区间的土壤紧实度差异逐渐减小。轮胎压实后,土壤紧实度变化主要受不同轮胎与土壤接地面积的影响。大型拖拉机配置不同轮胎进行播种作业之后,超低压子午线轮胎和普通子午线轮胎压实后的土壤紧实度差异明显。

采用SPSS 23.0软件进行各测试分区的方差分析与多重性比较,不同轮胎压实处理下土壤紧实度的显著性分析结果如表2所示。

表2 不同测试分区平均土壤紧实度Tab.2 Average soil compactness in different test subdivisions kPa

由表2可知,使用超低压子午线轮胎和普通子午线轮胎进行作业,轮胎压实对土壤紧实度变化的影响有较大差异。随着土壤深度的不断增加,各个测试分区土壤紧实度总体均呈上升趋势。深度0～20 cm处,试验区VF1、VF2土壤紧实度平均值均小于对照区CK1、CK2,且随着深度的增加,试验区土壤紧实度降低的幅度逐渐减小。测试深度为5、10、15、20 cm时,试验区平均土壤紧实度比对照区分别减小11.38%、7.97%、5.36%、4.55%。试验区拖拉机配置超低压子午线轮胎进行作业,相比于普通子午线轮胎,超低压子午线轮胎可获得更大的接地面积。在相同负载条件下,超低压子午线轮胎传递到土壤的压应力相对更小,从而导致压实后土壤紧实度升高的幅度会相应减小。随着土壤深度的增加,由轮胎传递到土壤接触面的应力在土壤内部的传递过程中,会随着土壤颗粒运动逐渐消耗,更深层的土壤受到的应力会更小,土壤紧实度受到的影响也减小。由此说明在同种工作环境下,超低压子午线轮胎比普通子午线轮胎造成的土壤紧实度更低,超低压技术应用可以降低土壤的压实效果。

2.2 土壤含水率

土壤含水率是影响土壤压实的重要因素之一[24]。按照前述试验方案及测试方法测试各试验小区土壤含水率,图5为不同测试分区的土壤含水率变化曲线。由图5可知,随着测试深度的增加,土壤含水率总体呈上升趋势,0～10 cm处土壤含水率随着深度增加而提高的幅度较大,10～20 cm处土壤含水率随深度的增加而提高的幅度较小。测试深度0～20 cm处,试验区VF1、VF2平均土壤含水率均大于对照区的CK1、CK2平均土壤含水率。测试深度为5、10、15、20 cm时,试验区平均土壤含水率比对照区分别提高11.06%、10.07%、7.37%、5.95%。表明在同种工作环境下,相比于普通子午线轮胎,超低压子午线轮胎压实之后土壤含水率相对更高,有助于实现蓄水保墒。

图5 不同测试分区土壤含水率变化曲线Fig.5 Diagram of variation of soil moisture content in different test plots

2.3 土壤容重和土壤孔隙度

土壤容重和土壤孔隙度是土壤的重要物理性质,与土壤的结构及土壤松紧状况有关,同时也影响着土壤中水、肥、气、热等因素的变化与供应状况[25-26]。图6、7分别为试验区(VF)、对照区(CK)的土壤容重与土壤孔隙度分布情况。由图6可以看出,深度0～20 cm VF区土壤容重均低于CK区,分别低3.71%、3.81%、3.12%、2.73%;由图7得出,深度0～20 cm VF区土壤孔隙度均高于CK区,分别高0.697、0.773、0.798、0.562个百分点,可相对提高11.13%、12.25%、8.92%、5.86%。由此可表明,超低压子午线轮胎相对可降低土壤容重、提高土壤孔隙度。

图6 不同处理下土壤容重变化Fig.6 Changes of soil bulk density under different treatments

图7 不同处理下土壤孔隙度变化Fig.7 Changes of soil porosity under different treatments

2.4 土壤压实综合评价

基于前述评价方法,以土壤紧实度、含水率、容重、孔隙度为指标,构建土壤压实综合评价模型。利用CRITIC法和熵权法来确定指标权重,通过Matlab编程计算CRITIC法和熵权法对应的权重及综合权重。结果如表3所示。

表3 不同方法计算的权重Tab.3 Weight results calculated by different methods

根据综合赋权法确立的各指标权重,对超低压子午线轮胎和普通子午线轮胎压实后各深度处的土壤状况进行评价。按照土壤深度和农用轮胎种类,一共分为8组。评价结果如表4所示。结果表明,综合得分由大到小为:VF5、VF10、CK5、VF15、CK10、VF20、CK15、CK20。轮胎压实之后,超低压子午线轮胎压实区深度5 cm处的土壤状况最优,普通子午线轮胎压实区深度20 cm处的土壤状况最差。同等深度处,超低压子午线轮胎作业区得分均高于普通子午线轮胎,说明在同等条件下,超低压子午线轮胎压实后的土壤状况整体相对较好。同种农业轮胎作业后,随着深度的增加,土壤压实综合得分越低,土壤状况越差。

表4 不同轮胎压实后土壤综合得分Tab.4 Comprehensive soil scores after different tires compacted

3 讨论

3.1 轮胎技术对土壤紧实度和土壤容重的影响

土壤的压实破坏程度取决于由轮胎与土壤接触面传递到土壤内部压实应力[27]。相对于普通子午线轮胎,超低压子午线轮胎依靠胎面接地压力均衡设计及独特的人字花纹深度、角度设计,进一步保证轮胎滚动过程中胎面的稳定,增大接地面积[28]。在实际农田作业中,农用轮胎气压需要根据相关标准来进行设定。胎压设定过高会降低轮胎的接地面积、增加轮胎中心线区域的快速磨损,进而降低轮胎的使用寿命;胎压设定过低会造成胎面磨损严重、难以承受负载[29]。超低压子午线轮胎采用特殊的橡胶配方,提高胎面强度,同时优化了胎体内部结构,提高胎侧耐曲绕能力。在受到相同负载时,超低压子午线轮胎可以通过大幅降低胎压来获得更大的接地面积。当负载一定时,接地面积更大,轮胎与土壤接触面的垂直应力会减小。当土壤应力过大时,土壤紧实度、土壤容重会急剧升高。因此,超低压子午线轮胎可相对降低土壤的压实破坏程度。根据试验结果,轮胎压实会导致土壤紧实度升高,不同轮胎压实后导致土壤紧实度升高的变化不同。超低压子午线轮胎使土壤紧实度降低11.38%、7.97%、5.36%、4.55%,土壤容重降低3.71%、3.81%、3.12%、2.73%。在土壤深度0～20 cm内,超低压子午线轮胎相对可降低土壤紧实度、土壤容重。随着深度的增加,不同农用轮胎压实对土壤紧实度和土壤容重影响的差距逐渐减小。

3.2 轮胎技术对土壤含水率和土壤孔隙度的影响

在自然条件下,表层土壤水分蒸发作用较强,水分因蒸发而损失,同时表层土壤中作物根系更加发达,根系对土壤水分的吸收更多。因此,随着深度增加土壤体积含水率出现明显回升的趋势。但压实降低了土壤入渗和持水能力,尤其影响土壤水分、养分储存和供应[30]。土壤孔隙度是土壤结构的反映[31],良好的土壤孔隙有助于调节土壤中水分和养分的分布,促进作物根系的良好生长。试验表明,在深度0～20 cm范围内,超低压子午线轮胎压实后土壤孔隙度可相对提高11.13%、12.25%、8.92%、5.86%,平均土壤含水率分别提高11.06%、10.07%、7.37%、5.95%。土壤孔隙度提高使得土壤蓄水能力得到提升,从而使得土壤含水率提高,这与现有研究结果一致。王浩[32]研究发现压实会导致土壤总孔隙度降低,在土壤深度10～15 cm处土壤孔隙度会降低7.76%,土壤含水率降低5.52%。压实使土壤变得更加紧密,土壤水分难以下渗,蓄水保墒能力下降。因此,在保护土壤墒情、维持土壤水分能力方面,超低压子午线轮胎明显优于普通子午线轮胎。在深度0～10 cm处,超低压子午线轮胎对土壤含水率的影响程度随深度增加而缓慢降低,在深度10～20 cm处,超低压子午线轮胎对土壤含水率的影响程度逐渐降低。因此,超低压子午线技术的应用可提高土壤含水率和土壤孔隙度,增强土壤的蓄水保墒能力,维持土壤环境。

3.3 土壤压实综合评价模型分析

基于试验测得的4个土壤物理性质,构建土壤压实状况综合评价模型,利用CRITIC和熵权法组合赋权方法确定指标权重,综合评价两种技术的轮胎压实后土壤的状况。通过得分结果较为直观地发现,超低压子午线轮胎压实后土壤状况相对更优,且随着深度的增加,土壤的状况越差。

土壤内部环境是一个较为复杂的系统,而且同一类型的土壤也会受到地域、地形等影响,因此难以用一个统一的经验模型去衡量。本文通过筛选指标构建评价模型的方法来对土壤压实的状况进行评价,对后续研究有一定启发性。考虑到影响土壤的指标众多,仅考虑土壤紧实度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度4个指标具有一定的局限性。可拓宽土壤性质指标,构建更加全面、综合的体系。

4 结论

(1)通过超低压子午线轮胎技术与普通子午线轮胎技术的田间对比试验,采集了土壤紧实度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度,发现不同轮胎技术对土壤紧实度和土壤含水率的影响差异显著。在深度0～20 cm范围内,超低压子午线轮胎技术可相对降低土壤紧实度和土壤容重、提高土壤含水率和土壤孔隙度。且随着土壤深度的增加,超低压子午线轮胎技术降低土壤压实影响的效果逐渐减弱。

(2)基于CRITIC-熵权法,以土壤紧实度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度为指标,构建了土壤压实综合评价模型。经过模型测算,各深度处超低压子午线轮胎压实后的土壤状况均优于普通子午线轮胎,且同种农用轮胎技术下,表层土壤压实状况优于下层土壤。