李 霞，張東興，張 瑞，崔 濤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083;2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832003)

近年來全國各地采用淺旋耕方式，造成土壤耕層“淺、實、少”，土壤耕層質(zhì)量下降已經(jīng)嚴(yán)重制約我國糧食作物生產(chǎn)能力的可持續(xù)發(fā)展，降低了水分養(yǎng)分的高效吸收，使得作物抵御自然災(zāi)害的能力下降.而深松技術(shù)能夠有效打破犁底層，加厚耕層深度10 cm以上，提高土壤蓄水能力和增加耕層活土量20%以上［1］，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用.一般年份深松可使玉米增產(chǎn)5%以上，嚴(yán)重旱災(zāi)年份產(chǎn)幅增量可達(dá)10% ～20%.因此，急需開展深松改土高產(chǎn)增效技術(shù)研究，但是目前的深松機(jī)普遍存在作業(yè)阻力大的問題［2］.針對這一問題，主要是靠使用大功率的牽引機(jī)具來解決.這就要求配套的拖拉機(jī)功率大，以至于現(xiàn)有拖拉機(jī)不能滿足.要推廣深松技術(shù)，必須要研究如何減少深松作業(yè)的牽引阻力問題，以及不同土壤特性對牽引阻力的影響.

國內(nèi)的一些專家學(xué)者對深松減阻問題做了分析研究，郭志軍等［3］采用仿生原理優(yōu)化深松鏟達(dá)到減阻的目的.邱立春等［4］采用自激振的原理來減少牽引阻力.由于土壤的情況復(fù)雜不可控因素較多，因此通過自激振來達(dá)到減小土壤耕作阻力目的很難控制減阻的程度.國外的一些學(xué)者針對土壤特性的不同，研究了深松的牽引阻力大?。?］，J.Arvidsson 等［6］認(rèn)為在中等含水率的情況下，低于土壤塑性極限下，深松能量消耗最少.J.H.Camacho-Tamayo 等［7］研究了深松機(jī)在不同的作業(yè)速度和土壤含水率下深松牽引阻力的變化.隨著深松技術(shù)越來越受到重視，這些研究為深松技術(shù)提供了理論依據(jù).雖然C.W.Watts等［8］研究表明，牽引阻力不僅和耕作技術(shù)有關(guān)，和土壤的含水率、堅實度、容重等也有很大的關(guān)系，但把不同土壤特性作為試驗因素的研究還很少.

文中針對我國土地耕層變淺、肥力下降的情況，研究不同土壤對深松機(jī)工作中阻力大小的影響，探索深松和土壤特性之間的關(guān)系.

1 深松機(jī)振動工作原理

通過對土壤和深松鏟相互作用的分析研究，設(shè)計出振動深松機(jī).經(jīng)過田間試驗和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后確定了1SZDX-240型振動深松機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該機(jī)主要由機(jī)架、偏心軸、深松鏟和限深輪等組成.主要特點:振動系統(tǒng)是拖拉機(jī)動力輸出軸與深松機(jī)的偏心軸組成，將輸出軸轉(zhuǎn)動變成十字掛接器的上下運動［9］，從而實現(xiàn)深松鏟的往復(fù)振動;動力由拖拉機(jī)的輸出軸傳給偏心軸，傳動方式簡捷高效，并能放大振動位移，使深松鏟易于入土，而且振幅是隨著耕深的增加而增大，振幅的增大有利于進(jìn)一步碎土和減少工作阻力;深松鏟形式為窄鑿型，能最大限度的保護(hù)土壤、減少水分蒸發(fā).

圖1 1SZ-460型振動深松機(jī)

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設(shè)備

2.1.1 試驗地概況

試驗分別設(shè)在河北省固安縣西市村農(nóng)田和山西忻州市忻府區(qū)新路村的玉米增產(chǎn)技術(shù)示范田.試驗田地形平坦，坡度均小于5°，田間有上一年玉米收獲后遺留的玉米秸稈及雜草.固安試驗田土壤類型為輕壤土，忻州土壤類型為黃黏土.

2.1.2 試驗儀器

試驗用2臺拖拉機(jī)，1臺拖拉機(jī)為牽引車，另1臺為工作機(jī)輸出軸額定轉(zhuǎn)速720 r·min-1.ALIYIQI艾力數(shù)顯式推拉力計，拉力計連接在2臺拖拉機(jī)的中間，該拉力計型號為HF-1000，生產(chǎn)廠家是浙江樂清市艾力儀器有限公司.拉力計的數(shù)據(jù)線連接聯(lián)想X200筆記本電腦，電腦時時將采集的數(shù)據(jù)保存.標(biāo)桿16根用于劃分小區(qū)做標(biāo)記.牽引鋼絲繩1條，牽引插銷3個，用于連接拖拉機(jī)和拉力計.取土環(huán)刀60個用來采集土樣，TJSD-750II型土壤緊實度儀1臺，1SZDX-240型振動深松機(jī)1臺.

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗設(shè)計

深松田間試驗為對比河北山西2個地區(qū)土壤改良情況，盡量減小誤差的影響.每個試驗小區(qū)的長為80 m，寬度為2個往返作業(yè)行程寬度，兩端地頭留出3 m長的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎地帶，每個小區(qū)間隔12 m.拖拉機(jī)的工況一致，都采用慢3擋大油門工作.

2.2.2 試驗步驟

試驗分3步進(jìn)行，第1步先按5點取樣法測0～40 cm深土層，分4層采集土壤的密度、堅實度、含水率.第2步測牽引阻力大?。?0］，第3步測土壤深松后0～40 cm深土層，分4層采集土壤的密度、堅實度、土壤深度斷面.

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理特性試驗結(jié)果

3.1.1 土壤密度的試驗數(shù)據(jù)分析

深松能改變土壤的物理特性，深松前后土壤密度、堅實度等會發(fā)生相應(yīng)的變化.但不同的土壤物理特性施加于深松機(jī)的阻力是有區(qū)別的.密度是土壤的重要物理性質(zhì)，它影響到土壤的孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力，進(jìn)而對土壤水分的入滲產(chǎn)生影響.

試驗分別在山西忻州和河北固安試驗地測定深松前土壤密度，結(jié)果如表1-4所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，山西忻州和河北固安土壤的差別較大，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.每個試驗點取5點測量，深度0～40 cm，每10cm用環(huán)刀取一個土樣.河北固安深松前平均密度為1.59 g·cm-3，山西忻州深松前平均為 1.62 g·cm-3，深松前的密度都大于 1.50 g·cm-3，這 4 層土壤之間的密度相差不大.深松后土壤密度明顯減小，尤其在0～10 cm深的土層中變化最大，比深松前降低了28.7%.

表1 固安測點深松前土壤密度

表2 固安測點深松后土壤密度

表3 忻州測點深松前土壤密度

表4 忻州測點深松后密度

3.1.2 土壤含水率的試驗數(shù)據(jù)分析

影響深松質(zhì)量的主要自然因素是土壤的物理機(jī)械性，而土壤水分狀況是影響物理機(jī)械性的重要條件［11］.含水率不同，土粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及抵抗外力所引起的土粒移動能力也不同.水分過多的土壤黏結(jié)性強(qiáng)，耕作時費勁，土塊不易破碎，耕作質(zhì)量差.一般旱地土壤的宜耕含水率應(yīng)稍低于可塑下限，大體相當(dāng)于田間持水量的60% ～80%［12］.試驗兩地含水率數(shù)據(jù)見表5，6.

表5 固安土壤含水率

表6 忻州土壤含水率

土壤含水率對拖拉機(jī)牽引附著性能有很大影響，對土壤的物理機(jī)械性能也有很大影響.土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有所不同，因而土壤的承壓能力和抗剪能力也發(fā)生變化.根據(jù)對中型輪式拖拉機(jī)在不同土壤含水率條件下進(jìn)行的對比試驗表明，當(dāng)土壤含水率小于13%～20%時，拖拉機(jī)的附著性能最好，且滾動阻力也較小［13］.從表5可以看出河北固安的深松前土壤的含水率20～30 cm層最大，這主要是土壤在該層變的較為黏重，在之后30～40 cm土壤變的砂性較大.從表6可以看出忻州的含水率在10～20 cm較大.深松后土壤的含水率均會隨著時間增加有輕度的跑墑，從后期的觀測來看變化不大.

3.1.3 土壤堅實度試驗數(shù)據(jù)分析

土壤堅實度影響拖拉機(jī)的滾動阻力、附著性能和滑轉(zhuǎn)率.土壤表面的堅實度愈大，則拖拉機(jī)的牽引效率愈高.但是堅實度大的土壤對深松鏟的阻力也較大，因此合適的土壤堅實度和深松阻力大小及其機(jī)具功率發(fā)揮有著密切的關(guān)系.

試驗用專用土壤堅實度儀測試并記錄土壤的堅實度，圖2為實測圖片，圖3為不同地區(qū)堅實度對比圖.山西忻州黃黏土的平均堅實度為806 kPa，河北固安的輕壤土平均堅實度為795 kPa.從表7中可以看出，深松后固安和忻州的土壤堅實度均下降，并且深松后各層的堅實度相差不大.忻州的土壤從0～40cm深度上土質(zhì)變化不大均為黃黏土，而固安的土質(zhì)存在明顯的變化，在0～20 cm深度土壤變化不大有輕度砂性，在20～30 cm土壤變的非常堅硬有點黏土的形狀，30～40 cm以后土壤砂性加強(qiáng)，堅實度降低.總體看來山西忻州試驗地的土壤堅實度要大于河北固安試驗地的土壤堅實度.深松后忻州土壤堅實度平均降低11%，固安土壤堅實度平均降低9%.

圖2 土壤堅實度測量圖

圖3 土壤堅實度對比圖

表7 固安和山西土壤堅實度 kPa

3.2 振動深松對土壤斷面的結(jié)果分析

兩地深松作業(yè)的對比如圖4所示.

圖4 深松作業(yè)對比圖

從溝槽的剖面圖可以測得，上邊寬30 cm，下邊寬5 cm，深度可達(dá)40 cm.土壤剖面結(jié)構(gòu)的分析說明，深松鏟松土的影響范圍是以鏟尖為下底邊、土面為上頂邊，耕深為高度形成的等腰梯形的面積.從試驗測點的深松剖面可以看出，深松后的土壤斷面可以分為3個不同松碎程度的土層，0～10 cm深的土層中土塊最大且呈扁塊形，10～20 cm深土層土塊大小居中，20～30 cm深土層中土塊均為細(xì)小土塊.在深松后的整個斷面內(nèi)，除表層(0～10 cm)土塊較大外，中心區(qū)域也有較大的土塊，而在斷面的周邊均為細(xì)小土塊.在山西忻州的深松土壤斷面可以看出，深松區(qū)域大的土塊較多，土塊之間的黏結(jié)較強(qiáng).而在河北固安的土壤斷面中小的土塊居多，并且在深松底部出現(xiàn)了明顯的鼠道，起到蓄水保墑的作用.這和該地區(qū)的土質(zhì)、土粒關(guān)系很大，從而決定了這2個試驗點牽引阻力的不同.

3.3 振動深松牽引阻力的影響

非振動式深松機(jī)牽引阻力過大，就目前我國農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)能力和對深松的認(rèn)識等因素而言，通過采用大功率拖拉機(jī)來加大牽引動力的辦法會嚴(yán)重阻礙深松技術(shù)的推廣.因此合適選擇合適的牽引動力較為重要，深松牽引阻力的對比影響如圖5，6所示.

圖5 深松30 cm牽引阻力對比

圖6 深松40 cm牽引阻力對比

從圖5和圖6可以得出，當(dāng)深松30 cm時，河北固安輕壤土的牽引阻力比山西忻州黃黏土的牽引阻力平均減少61%，深松40 cm時，牽引阻力平均減少47%.

4 結(jié)論

1)山西忻州黃黏土深松前的土壤平均密度為1.62 g·cm-3，土壤堅實度為 806 kPa，含水率為17.19%.河北固安帶狀壤土深松前密度為1.59 g·cm-3，土壤堅實度為795 kPa含水率為18.67%.黃黏土的密度和堅實度均大于帶狀壤土.密度和堅實度對土壤深松時牽引力有一定的影響.

2)不同的土壤特性對深松地表狀況和深松斷面都有影響.河北土壤為輕壤土，山西忻州為黃黏土.河北固安輕壤土深松后地表較為平整，土壤擾動不大.由于山西忻州黃黏土黏度大，深松地表翻動也較大，深松后的土塊也比河北固安同深度深松后土塊大.

3)試驗結(jié)果表明，耕層土壤的物理特性不同，土壤產(chǎn)生的作業(yè)阻力也不一樣，它直接影響耕作機(jī)具的功率消耗.河北固安輕壤土的牽引阻力低于山西忻州黃黏土，這一點理論分析與試驗結(jié)果相吻合.

4)深松時土壤阻力在不斷變化，但振動參數(shù)如振幅、頻率對不同土壤作用力影響的程度應(yīng)該進(jìn)一步探討.

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