王憲良++王慶杰++李洪文++何進(jìn)++李問(wèn)盈

摘 要 通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和專(zhuān)家咨詢(xún)的方法，綜述現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外土壤壓實(shí)測(cè)試方法，并分析其特點(diǎn)和性能，為我國(guó)科研工作者以后在土壤壓實(shí)領(lǐng)域開(kāi)展研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞 土壤壓實(shí) ；農(nóng)業(yè)機(jī)械 ；研究方法 ；現(xiàn)狀

分類(lèi)號(hào) S233

Current Research Status of Soil Compaction by Agricultural Machinery

WANG Xianliang WANG Qingjie LI Hongwen HE Jin LI Wenying

（College of Engineering / Beijing Key Laboratory of Design and Optimization

in Modern Agricultural Equipment， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract This paper reviewed the research progress of soil compaction by agricultural machinery， which focused on experimental method of research on soil compaction by agricultural machinery. Comparison was made to experimental methods to explicit this methods. Our efforts were made with the purpose of providing some references for further researches on soil compaction by agricultural machinery.

Keywords soil compaction ； agricultural machinery ； experimental method ； current situation

土壤壓實(shí)是由于施加載重、振動(dòng)或壓力而導(dǎo)致土壤密度（單位體積質(zhì)量）增大和土壤孔隙率降低的一種現(xiàn)象，主要是由于農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行田間管理作業(yè)時(shí)，輪胎及機(jī)具對(duì)土壤發(fā)生碾壓作用造成的[1-3]。農(nóng)田土壤壓實(shí)導(dǎo)致土壤密度增加，土壤孔隙度降低，水滲透能力降低，導(dǎo)致土壤侵蝕加重，耕作機(jī)具阻力增加，作物根系生長(zhǎng)受阻，進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[4]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平迅速發(fā)展，大中型農(nóng)機(jī)設(shè)備數(shù)量迅速增加，大中型農(nóng)機(jī)具在田間作業(yè)的同時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行碾壓，嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。土壤壓實(shí)已經(jīng)成為世界性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科研工作者從20世紀(jì)50年代開(kāi)始圍繞農(nóng)田土壤壓實(shí)問(wèn)題開(kāi)展研究，并結(jié)合研究目的和試驗(yàn)需要提出了多種土壤壓實(shí)測(cè)試方法，研發(fā)了配套測(cè)試設(shè)備，但這些研究方法往往存在技術(shù)單一，缺乏系統(tǒng)性的問(wèn)題[5-7]。為了更好的研究土壤壓實(shí)，需要系統(tǒng)總結(jié)現(xiàn)有的土壤壓實(shí)研究方法。

目前土壤壓實(shí)研究主要集中于土壤壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)力分布及傳遞特性、土壤壓實(shí)對(duì)土壤理化特性及效應(yīng)研究、土壤壓實(shí)對(duì)機(jī)具功耗影響三方面[8-9]。

1 國(guó)內(nèi)外土壤壓實(shí)特性研究方法

自20世紀(jì)50年代，美國(guó)、英國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家科研工作者就開(kāi)始對(duì)土壤壓實(shí)機(jī)理、力學(xué)模型以及壓實(shí)危害進(jìn)行大量系統(tǒng)研究，目前已在農(nóng)田土壤機(jī)械壓實(shí)過(guò)程方面取得了一些成果，在土壤耕作技術(shù)方面形成了一套消減土壤機(jī)械壓實(shí)的技術(shù)措施體系[10-12]。而國(guó)內(nèi)對(duì)土壤壓實(shí)方面研究起步較晚，基礎(chǔ)薄弱。多道面波分析方法、測(cè)量土壤緊實(shí)度、測(cè)量土壤孔隙度、測(cè)量土壤容重等方法是目前國(guó)內(nèi)比較廣泛的測(cè)量和表示土壤壓實(shí)度的方法[13-15]。

1.1 土壤壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)力分布、傳遞特性研究方法

1.1.1 傳感器鋪設(shè)法

Schjonning P等[16]通過(guò)表層土壤傳感器鋪設(shè)法，將稱(chēng)重傳感器鋪設(shè)在10 cm的土壤中，測(cè)量拖拉機(jī)行走過(guò)程中輪胎-土壤接觸面沿著拖拉機(jī)行走方向和垂直拖拉機(jī)行走方向壓力的分布狀況，應(yīng)用FRIDA模型計(jì)算應(yīng)力分布情況。Mathieu Lamande等[17]在一個(gè)大型土壤樣本箱中，距離地平面4個(gè)深度（0.3，0.5，0.7和0.9 m）土層中總共埋設(shè)了21個(gè)傳感器，傳感器具體布置（如圖1所示），研究了不同載荷、接觸面積對(duì)土壤垂直方向應(yīng)力的分布、傳遞特性的影響；在試驗(yàn)田中應(yīng)用傳感器土壤剖面設(shè)置法，通過(guò)土壤剖面，在垂直于輪胎滾動(dòng)方向，將土壤應(yīng)力傳感器安裝在3個(gè)土層深度（0.3，0.6和0.9 m），每層安裝7個(gè)傳感器，為防止測(cè)量應(yīng)力干擾，每?jī)蓚€(gè)傳感器中心距為16 cm，為防止土壤剖面干擾，傳感器距離土壤剖面距離為1 m，傳感器頻率為2 kHz的動(dòng)態(tài)傳感器，可以記錄輪胎滾動(dòng)過(guò)程應(yīng)力路徑，研究了農(nóng)業(yè)輪胎類(lèi)型對(duì)土壤應(yīng)力分布、傳遞特性影響[18]。Wiermann C等[19]利用土壤應(yīng)力傳感器和土壤應(yīng)變傳感器相結(jié)合的方法（圖2），研究了載荷變化對(duì)土壤應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。傳感器鋪設(shè)法研究土壤壓實(shí)，基本上可以準(zhǔn)確測(cè)試農(nóng)業(yè)機(jī)械工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力在土壤中分布、傳遞特性，但是由于土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜及傳感器精度問(wèn)題，目前主要測(cè)量垂直方向應(yīng)力的分布、傳遞特性，尚缺乏測(cè)試土粒各個(gè)方向受力狀態(tài)的方法和條件。

1.1.2 輪胎表面安裝力學(xué)元件法

Raper R L，Bailey A C等[20]將7個(gè)動(dòng)態(tài)傳感器，分別安裝于輪胎的胎花和胎面區(qū)（圖3），測(cè)量輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中，輪胎-土壤接觸面壓力的分布規(guī)律。Roth， Jonathan等[21]在輪胎表面粘貼應(yīng)變片的方法研究了輪胎-土壤接觸面正應(yīng)力測(cè)量問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了FlexiForce型號(hào)應(yīng)變片式傳感器，將傳感器分別粘貼在輪胎胎花的前緣、后部以及胎面部分（圖4），分別研究了輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中輪胎不同部位應(yīng)力分布情況。

1.1.3 構(gòu)建模型法

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，土壤壓實(shí)模型是一個(gè)研究農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)引起的土壤壓實(shí)很重要的工具[22]。土壤壓實(shí)模型可以分為兩種類(lèi)型，一種是近似分析模型，另一種是有限元模型。近似分析模型主要確定機(jī)具載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力特性，包括應(yīng)力在土壤、輪胎-土壤接觸面分布和傳播特性；有限元模型主要通過(guò)模型分析土壤應(yīng)力-應(yīng)變特性[23]。

1.1.3.1 近似分析模型

SoilFlex模型是一種典型的近似分析模型，該模型是在總結(jié)各種土壤應(yīng)力傳遞理論基礎(chǔ)上建立的，在模型中可以根據(jù)土壤以及田間作業(yè)機(jī)械實(shí)際參數(shù)選擇合適的理論子模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)土壤應(yīng)力傳遞以及農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械作業(yè)過(guò)程中，土壤應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[24]。

1.1.3.2 有限元模擬法

Cui等[25]通過(guò)建立輪胎-土壤有限元模型，應(yīng)用PLAXIS軟件模擬土壤壓實(shí)過(guò)程，研究了輪胎充氣壓力對(duì)土壤—輪胎接觸面垂直方向應(yīng)力分布、傳遞的影響。Fervers C W[26]用2維有限元方法建立充氣輪胎模型、土壤模型，用有限元方法模擬輪胎-土壤相互作用，研究了輪胎氣壓與土壤壓實(shí)的關(guān)系。劉姝等[27]利用Solidworks進(jìn)行輪胎-土壤相互作用的有限元嘗試，測(cè)出土壤特性參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用Solidworks軟件建立車(chē)輪和土壤模型，將所測(cè)出的土壤特性參數(shù)輸入到土壤模型的定義材料當(dāng)中，使用Solidworks插件Solidworks Simulation對(duì)車(chē)輪壓縮土壤進(jìn)行有限元分析。有限元模擬最大的問(wèn)題就是難以準(zhǔn)確建立土壤和輪胎模型，進(jìn)行真實(shí)度高的模擬，得到精確的結(jié)論。

1.2 土壤壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物生長(zhǎng)影響研究方法

李汝莘等[28]采用小四輪拖拉機(jī)在春小麥和冬小麥種床上壓地一遍，測(cè)定土壤容積密度、透水性、保水性以及熱特性等參數(shù)，并與未經(jīng)碾壓的帶狀耕作的土壤諸參數(shù)進(jìn)行對(duì)照分析的方法，研究了小四輪拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)土壤容積密度、透水性、保水性、熱特性等參數(shù)的影響，指出小四輪拖拉機(jī)可將耕層內(nèi)的土壤壓實(shí)，使土壤的容積密度明顯增加超過(guò)作物的適應(yīng)范圍，入滲率比帶狀耕作下降了42%，土壤孔隙度減小20%～30%，其他土壤物理特性也相應(yīng)產(chǎn)生了變化[29-31]。Li Y X等[32]設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案（圖5）研究了土壤壓實(shí)和耕作方式對(duì)土壤徑流和作物產(chǎn)量的影響效應(yīng)。土壤壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物生長(zhǎng)影響研究?jī)H僅是在一定軸載的農(nóng)機(jī)具引起的土壤壓實(shí)，從而造成的土壤物理性狀及作物生長(zhǎng)方面的影響，研究?jī)?nèi)容以單項(xiàng)研究為主，缺乏系統(tǒng)性。研究結(jié)果雖然能初步指出農(nóng)機(jī)作業(yè)對(duì)土壤的壓實(shí)過(guò)程及其影響，但不能揭示其機(jī)理，也未形成土壤壓實(shí)評(píng)價(jià)方法，不能預(yù)測(cè)機(jī)具作業(yè)對(duì)土壤壓實(shí)的影響，無(wú)法科學(xué)指導(dǎo)土壤壓實(shí)消減研究。

GR-保護(hù)行SM-秸稈覆蓋行MT-少耕行ZT-免耕行。不同的耕作行全部一分為二（C為免壓部分，W為壓實(shí)部分），箭頭表示地塊傾斜角度為6%～8%，保證徑流能流到收集器（a-f）。

1.3 土壤壓實(shí)對(duì)機(jī)具功耗影響

功耗方面的研究主要是以機(jī)具作業(yè)阻力和能耗的研究為主。牽引功耗主要受其結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)性能和土壤特性的影響，土壤壓實(shí)引起土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤孔隙度減小，土壤耕作部件阻力增大，進(jìn)而影響機(jī)具功耗。黃虎等[33]基于短期試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試壓實(shí)后土壤對(duì)土壤耕作部件以及拖拉機(jī)滾動(dòng)阻力影響，分析了土壤壓實(shí)對(duì)開(kāi)溝器作業(yè)阻力和免耕播種能耗的影響。杜兵[34]對(duì)比了壓實(shí)對(duì)開(kāi)溝器牽引力的影響，指出固定道系統(tǒng)減少機(jī)具牽引力40%。土壤壓實(shí)對(duì)機(jī)具功耗影響僅僅停留在對(duì)土壤物理性狀變化與農(nóng)機(jī)具土壤耕作部件阻力的關(guān)系研究，并沒(méi)有從理論方面研究分析土壤壓實(shí)與農(nóng)機(jī)具功耗的相互作用機(jī)理，提出減少農(nóng)機(jī)具功耗的有效措施。

2 土壤壓實(shí)特性研究方法存在的問(wèn)題

我國(guó)對(duì)于土壤壓實(shí)這一領(lǐng)域已經(jīng)有一些研究，這些研究為確定農(nóng)業(yè)機(jī)械與土壤相互作用關(guān)系提供了可視化數(shù)據(jù)。但這些研究主要以土壤物理特性為主，測(cè)試方法單一、缺乏系統(tǒng)性，各研究要素?zé)o法系統(tǒng)、全面地闡明土壤壓實(shí)過(guò)程，揭示土壤壓實(shí)機(jī)理。沒(méi)有結(jié)合我國(guó)典型農(nóng)業(yè)區(qū)，根據(jù)土壤物理特性和作物生長(zhǎng)的影響，建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)的模型，為消減土壤壓實(shí)提供理論依據(jù)。

3 討論

隨著我國(guó)土地流轉(zhuǎn)和農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策的實(shí)施，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，大中型拖拉機(jī)數(shù)量逐年上升，導(dǎo)致土壤壓實(shí)現(xiàn)象越來(lái)越普遍。但我國(guó)目前關(guān)于土壤壓實(shí)的研究還很落后，停留在通過(guò)對(duì)土壤壓實(shí)過(guò)后，土壤孔隙度、土壤容重、孔隙度、入滲率等土壤物理特性的測(cè)量來(lái)宏觀表示土壤壓實(shí)程度的水平，缺乏從理論方面全面、系統(tǒng)地揭示土壤壓實(shí)機(jī)理，沒(méi)有形成一套有效的消減土壤壓實(shí)的技術(shù)理論體系。大量的研究已經(jīng)證明了土壤壓實(shí)會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響作物產(chǎn)量。因此下一步研究土壤壓實(shí)的重點(diǎn)在于優(yōu)化土壤壓實(shí)研究方法，明確壓實(shí)過(guò)程，揭示大中型拖拉機(jī)壓實(shí)機(jī)理，結(jié)合土壤物理特性和作物生長(zhǎng)，建立土壤壓實(shí)評(píng)價(jià)模型，提供消減土壤壓實(shí)的方法，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李春林. 農(nóng)田土壤壓實(shí)過(guò)程的應(yīng)力表現(xiàn)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[D]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[2] Raper R L. Agricultural traffic impacts on soil[J]. Journal of Terramechanic， 2005， 42（3-4）： 259-280.

[3] Richard W. Soil compaction： Causes， concerns， and cures[EB/OL].http：//www.soils.wisc.edu/extension/pubs/A3367.pdf.

[4] 張興義，隋躍宇. 農(nóng)田土壤機(jī)械壓實(shí)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005（06）：122-125.

[5] 韋鵬飛，陳 浩，王良杰，等. 輪胎-土壤相互作用研究綜述[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013（09）：243-245.

[6] 陳 浩，楊亞莉. 農(nóng)業(yè)機(jī)械土壤壓實(shí)影響因素分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011（06）：245-248.

[7] 李汝莘，林成厚， 高煥文. 農(nóng)業(yè)機(jī)器引起土壤壓實(shí)的方差分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2001（03）：84-87.

[8] 徐飛軍，黃文倩，陳立平. 輪式拖拉機(jī)在典型路況下輪胎受力仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（S2）：61-65.

[9] Alakukku L， Weisskopf P， Chamen W C T， et al. Prevention strategies for field traffic-induced subsoil compaction： a review[J]. Soil and Tillage Research， 2003， 73（1-2）： 145-160.

[10] Haji R M H. Mechatronic application for agriculture mechanization analysis and education[J]. Software Engineering， 2012， 2（4）： 106-111.

[11] 祝飛華，王益權(quán)，胡衛(wèi)光，等. 關(guān)中農(nóng)田土壤剖面的主要物理性狀研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014（04）：145-150.

[12] 錢(qián)鳳魁，黃 毅，董婷婷，等. 不同秸稈還田量對(duì)旱地土壤水肥和玉米生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014（02）：61-65.

[13] 劉慶軍. 基于信號(hào)分析的土壤壓實(shí)度測(cè)量[D]. 昆明理工大學(xué)，2008.

[14] Mari G R. 拖拉機(jī)行走引起的土壤壓實(shí)對(duì)小麥和玉米生長(zhǎng)的影響[D]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[15] 張軍昌，師帥兵，朱瑞祥，等. 輪式作業(yè)機(jī)械對(duì)農(nóng)田土壤壓實(shí)的模擬試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（01）：161-164.

[16] Schjonning P， Lamandé M， Togersen F A， et al. Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil-tyre interface[J]. Biosystems Engineering， 2008， 99（11）： 119-133.

[17] Lamandé M， Schjonning P， Togersen F A. Mechanical behaviour of an undisturbed soil subjected to loadings： Effects of load and contact area[J]. Soil and Tillage Research， 2007，97（1）： 91-106.

[18] Lamandé M， Schjonning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part II： Effect of tyre size， inflation pressure and wheel load[J]. Soil and Tillage Research， 2011， 114（2）： 71-77.

[19] Wiermann C， Way T R， Horn R， et al. Effect of various dynamic loads on stress and strain behavior of a Norfolk sandy loam[J]. Soil and Tillage Research， 1999， 50（2）： 127-135.

[20] Raper R L，Bailey A C. The effects of reduced inflation pressure on soil-tire interface stresses and soil strength[J]. Journal of Terramechanics， 1995， 32（1）： 43-51.

[21] Roth J. Measurement of normal stresses at the soil-tire interface[J]. Agricultural and Biosystems Engineering， 2012， 55（2）：325.

[22] 趙清華，王黎明，張貴宏. 履帶式拖拉機(jī)作業(yè)性能模型的建立[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，1998（01）：45-49.

[23] 陳 浩，楊亞莉. 土壤壓實(shí)模型分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（01）：46-50.

[24] Keller T， Défossez P， Weisskopf P， et al. SoilFlex： A model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural field traffic including a synthesis of analytical approaches[J]. Soil and Tillage Research， 2007， 93（2）： 391-411.

[25] Cui Kai， Défossez Pauline， Richard Guy. A new approach for modelling vertical stress distribution at the soilre interface to predict the compaction of cultivated soils by using the PLAXIS code[J]. Soil and Tillage Research， 2007， 95（1-2）： 277-287.

[26] Fervers C W. Improved FEM simulation model for tire-soil interaction[J]. Journal of Terramechanics， 2004， 41（2-3）： 87-100.

[27] 劉 姝，李永奎. 基于Solidworks車(chē)輪-土壤相互作用的有限元分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（11）：42-45.

[28] 李汝莘，林成厚，高煥文，等. 小四輪拖拉機(jī)土壤壓實(shí)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002（01）：126-129.

[29] 閆小麗，薛少平，王 翔，等. 陜西關(guān)中一年兩熟地區(qū)保護(hù)性耕作關(guān)鍵技術(shù)綜合效應(yīng)研究-Ⅰ. 對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境理化性狀的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013（6）：1-7.

[30] 聶衛(wèi)波，武世亮，馬孝義，等. 農(nóng)田土壤入滲特性研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013（04）：31-37.

[31] 張鳳華，王建軍. 不同輪作模式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014（04）：113-116.

[32] Li Y X，Tullberg J N，F(xiàn)reebairn D M. Wheel traffic and tillage effects on runoff and crop yield[J]. Soil and Tillage Research， 2007， 97（2）： 282-292.

[33] 黃 虎. 固定道保護(hù)性耕作機(jī)械作業(yè)能耗效應(yīng)研究[D]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程，2007.

[34] 杜 兵，周興祥. 節(jié)約能耗的固定道耕作法[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（02）：63-66.