左勝甲，孔德剛，劉立意，董　欣，趙永超（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

?

基于氣壓劈裂原理的氣壓深松效果試驗

左勝甲，孔德剛※，劉立意，董欣，趙永超
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：針對傳統(tǒng)深松方式存在深松影響范圍小、程度不均勻、能耗大的問題，該文基于氣壓劈裂原理與技術(shù)，提出了一種新的旱作耕地深松方式-氣壓深松，即向耕地土壤中注入高壓氣體，利用氣壓劈裂原理與技術(shù)使土壤內(nèi)形成裂隙從而實現(xiàn)土壤深松的新方式。并以土壤孔隙度、土壤孔隙度提升率和土面抬升量為評價指標，通過模擬試驗，研究分析氣壓深松方式的效果得出：氣壓深松使土壤中空氣的比例增大、土壤體積膨脹、土面抬升，高壓氣體在土壤內(nèi)部形成裂隙，土壤孔隙度大面積變大。表明氣壓深松可有效打破犁底層，具有良好的深松效果。另外，氣壓深松與傳統(tǒng)的鏟式深松相比，具有深松影響范圍大、深松程度高、深松均勻等特點。

關(guān)鍵詞：土壤；農(nóng)業(yè)工程；優(yōu)化；氣壓深松；深松效果；土壤孔隙度；犁底層

左勝甲，孔德剛，劉立意，董欣，趙永超.基于氣壓劈裂原理的氣壓深松效果試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（01）：54-61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.007 http://www.tcsae.org

Zuo Shengjia, Kong Degang, Liu Liyi, Dong Xin, Zhao Yongchao.Experiment on effect of air-pressure subsoiling based on airpressure cracking theory[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32 （01）: 54-61.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.007 http://www.tcsae.org

0　引言

深松是保護性耕作方式的重要環(huán)節(jié)，對耕地進行深松作業(yè)，能打破耕地犁底層，防止地表徑流引起的水土流失[1]。可以增加土壤中的空隙，提高雨水的滲入速度和土壤的蓄水能力，在土壤中形成“土壤水庫”，可以有效提高降水利用率，增加土壤對農(nóng)作物的供水量[2-4]。目前，土壤深松作業(yè)主要以機械深松方式為主，如鏟式深松機、振動深松機等，但普遍存在著深松效果差、程度不均勻、能耗大等問題[5-7]。

本文基于氣壓劈裂原理與技術(shù)提出一種新的深松方式—氣壓深松,即對耕地土壤內(nèi)部注入高壓氣體，使土壤在高壓氣體作用下產(chǎn)生裂隙，從而打破犁底層，實現(xiàn)對耕地的深松。氣壓劈裂技術(shù)是采用高壓氣體使得巖土產(chǎn)生裂隙并擴展的一種技術(shù)[8-9]，在爆破領(lǐng)域和增加土體的滲透性方面國內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用，美、英、法、俄、波蘭、挪威等國先后進行了氣壓爆破試驗，效果良好。夏紅兵等利用氣壓劈裂技術(shù)對煤巖進行爆破[10]。有研究利用氣壓劈裂技術(shù)增加土體的滲透性來加固軟土地基[11-13]。但利用氣壓劈裂技術(shù)對耕地進1行深松，國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。

為了研究氣壓深松的效果，本文建立了土壤電阻率模型，通過電測探法，測量氣壓深松前后土壤各層的電阻率,根據(jù)土壤電阻率模型公式計算出氣壓深松前后的土壤孔隙度。同時利用自制的土面抬升測試裝置，測得氣壓深松后土面抬升量，通過分析土壤孔隙度變化和土面抬升量,來分析評價氣壓深松的效果，以此為氣壓深松這一新的深松方式的研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　土壤電阻率試驗與模型建立

1.1試驗材料與方法

1.1.1試驗用土壤

試驗用土壤取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場，是典型的東北旱作耕地中具有豐富腐殖質(zhì)的寒地黑土，所用土壤物理特性如表1所示[14-15]。因為深松作業(yè)通常在春季或秋季進行，作業(yè)時土壤的含水率為15%～22%、犁底層容重1.4～1.8 g/cm3、耕作層容重1.17 g/cm3[16-17]，所以需將試驗用土壤，調(diào)制成與實際深松作業(yè)時的土壤狀態(tài)（含水率、飽和度和孔隙度）一致，使土壤電阻率模型與實際相符。

表1　試驗用土壤的基本物理特性Table 1　 Soil test physical properties

1.1.2試驗裝置

土壤電阻率試驗裝置通常采用有Miller Soil Box測試裝置[18-19]，本試驗采用改進的Miller Soil Box作為電阻率試驗裝置[20]，如圖1所示。在盒子長度方向的2個相對面上嵌入鋁片，2個鋁片盒子的內(nèi)邊尺寸為L×B×H/m×m×m。為了減小試驗誤差，每組試驗條件下使用3種不同長、寬、高的盒子。

圖1　電阻率試驗裝置及原理圖Fig.1 Electrical resistivity testing apparatus and principle diagram

1.1.3試驗方法

1）將試驗用土壤放入容器內(nèi)拌制均勻，通過Miller Soil Box的體積和土壤含水率可算出對應(yīng)的孔隙度、飽和度土壤質(zhì)量[21]，再把計算好的土壤質(zhì)量放入相應(yīng)的Miller Soil Box中，用導(dǎo)線相連成電路如圖1所示，土壤的電阻率為：

式中ρ0為土壤的電阻率，Ω·m；U為Miller Soil Box兩端電壓，V；I為流過土壤的電流，A；L、B、H為Miller Soil Box的長、寬、高，m。

2）選取3因素、3水平進行全因素試驗。試驗因素水平如表2所示，試驗測試不同因素、水平組合下的土壤電阻率，每項組合重復(fù)3次。

表2　試驗因素水平表Table 2　 Test factor level table

1.2建立土壤電阻率模型

利用阿爾奇建立的土壤電阻率模型[22-23]：

式中ρ0為土壤電阻率，Ω·m；φ為土壤孔隙度；Sr為土壤的飽和度，%；K為與土壤特性有關(guān)的系數(shù)。

對試驗所得土壤電阻率按模型（2）進行回歸分析，可得土壤電阻率模型的系數(shù)和，其回歸公式為：

相關(guān)系數(shù)R2為0.96。

為了便于計算且能更直觀的反應(yīng)土壤電阻率與孔隙度之間數(shù)學(xué)關(guān)系，對模型做進一步處理。孔隙率、飽和度和含水率的關(guān)系式為[24]：

式中W為土壤含水率，%；φ為土壤孔隙度；es為土粒密度，通常取常取2.65 g/cm3。

把公式（4）代入到公式（3）可得到本試驗用土壤的電阻率與土壤孔隙度的關(guān)系式為：

公式（5）即為本試驗用土壤的電阻率計算模型。當(dāng)土壤的含水率一定，電阻率ρ0由試驗測得，則土壤孔隙度φ即可由公式（5）計算得到。

2　氣壓深松模擬試驗

2.1試驗設(shè)備

氣壓深松試驗設(shè)備主要包括土槽、高壓氣生成與控制系統(tǒng)、土面抬升量測試裝置和測量儀器，如圖2所示。

土槽內(nèi)部有效尺寸為1.8 m×1.9 m×0.5 m，土槽四周和底部鋪設(shè)塑料膜，以防土壤含水率變化。

高壓氣生成與控制系統(tǒng)包括高壓氣泵、壓力控制閥、高壓導(dǎo)管、氣槍、及其控制開關(guān)等。

圖2　試驗設(shè)備Fig.2 Test equipment

氣槍的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由導(dǎo)氣管1、噴氣管2、氣槍頭4組成，噴氣管上沿圓周均布4個φ5噴氣孔3。

圖3　氣槍結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Gun structure diagram

土面抬升量測試裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，主要由光點顯示屏1、紅外線發(fā)射燈2、導(dǎo)向管3、支撐架4、抬升管5和底座6組成。導(dǎo)向管等間隔固定在支撐架上，抬升管安裝在導(dǎo)向管中可自由滑動，抬升管的底部裝有平底底座，頂部裝有紅外線發(fā)射燈，紅外線發(fā)射燈的光點投射在光點顯示屏上，顯示屏固定在支撐架上。

圖4　土面抬升量測試裝置Fig.4　 Soil surface uplift test device

測量儀器主要有土壤電阻率測試儀、硬度計、環(huán)刀、天平、攝像機和計算機等。

2.2試驗方法

1）試驗設(shè)計根據(jù)實際深松作業(yè)時耕地土層狀態(tài)，設(shè)計氣壓深松試驗，本試驗選取犁底層容重和深松氣壓作為試驗因素，進行3組試驗，每組試驗重復(fù)3次，各組試驗的土壤容重和深松氣壓分別設(shè)定為1.4 g/cm3和1.4 MPa、1.6 g/cm3和1.8 MPa及1.8 g/cm3和2.2 MPa。

2）實際耕地土層狀態(tài)設(shè)置旱作耕地從地表向下主要分為耕作層和犁底層，耕作層厚度一般為0.10～0.2 m犁底層厚度一般為0.15～0.2 m[25-26]。為此，試驗前將部分含水率為18%[27]的試驗用土壤放入土槽中，攪拌均勻后鋪平、用石輥碾壓，使其容重達到犁底層的試驗設(shè)計要求，厚度為0.2 m。設(shè)置完成后，上面覆蓋約0.2 m厚的試驗用土壤作為耕作層，其表面用木板壓平。

3）氣槍設(shè)置在土面中心處插入氣槍，使氣槍噴氣孔位于距土壤表面深0.35 m的犁底層中。

4）試驗前土壤電阻率的測試采用溫納法[28]，利用土壤電阻率測試儀對測試點的土壤電阻率進行測試。溫納法也稱等距法，其電極布置示意圖如圖5所示，四電極排于一條直線，等間距插于地面，該法所測得的電阻率為P點周圍土壤的電阻率。測試點位置如圖6所示（x、y為水平距離（m），z為深度（m），O為土面中心）。

5）記錄顯示屏上光點的初始位置設(shè)置土面抬升量測試裝置，設(shè)置時注意抬升管的底部要與土壤表面緊密接觸，以保證試驗中抬升管隨土表平穩(wěn)、靈敏抬升，光點準確映射在顯示屏上，同時安裝調(diào)試攝影機記錄光點的初始位置。

6）氣壓調(diào)節(jié)與噴氣調(diào)整高壓氣生成與控制系統(tǒng)的壓力控制閥，在得到試驗設(shè)計中設(shè)定的壓力值時，開啟氣槍控制開關(guān)，噴氣2 s后關(guān)閉。

7）試驗后土壤電阻率測試用與試驗前相同的方法，測試氣壓深松試驗后測試點的土壤電阻率。

圖5　溫納法電極布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of wenner electrode layout method

圖6　測試點的位置Fig.6 Diagram of test points

8）土面抬升量測試把光點抬升影像導(dǎo)入到計算機中，通過圖像處理軟件測試出光點的上升量,得到土面抬升量。

2.3對比試驗的方法

柴民杰等[29]針對傳統(tǒng)深松鏟深松效果，分別利用箭形鏟、鑿形鏟和三角形深松鏟在深度為0.35 m處，對犁底層土壤容重為1.4 g/cm3，含水率為18%的東北旱作耕地進行了深松試驗，并利用環(huán)刀法測量了深松前、后深松鏟尖移動軌跡左右0.08、0.16和0.24 m，地表和深度分別為0.10～0.20 m、0.20～0.30 m和0.30～0.40 m處的土壤容重。該試驗的深松深度、土壤的基本物理性質(zhì)及測點位置與本文試驗一致。因此可利用土壤容重與土壤孔隙度的計算公式[14]：

式中φ為土壤孔隙度；eb為土壤容重，g/cm3；es為土粒密度，通常取2.65 g/cm3。

計算得到傳統(tǒng)深松鏟深松前后不同水平距離各深度的土壤孔隙度。在后述結(jié)果分析中選取對比試驗與本試驗條件一致的數(shù)據(jù)進行比較分析，以研究氣壓深松與傳統(tǒng)深松效果的差異。

3　試驗結(jié)果分析

3.1土壤內(nèi)孔隙度變化

深松效果優(yōu)劣，可由土壤孔隙度進行分析與評價。將試驗得到的土壤電阻率，代入公式（5）計算得到土壤孔隙度后，利用Origin軟件繪出深松前、后的土壤孔隙度等值線圖，對氣壓深松的效果進行分析。

圖7中的a和b，c和d，e和f分別為犁底層容重為1.4、1.6和1.8 g/cm3，深松氣壓1.4、1.8和2.2 MPa，噴氣點距土表面深0.35m條件下，深松前、后的不同水平距離各深度的土壤孔隙度等值線圖，如圖7所示，各試驗條件下，深松后犁底層（測試深度0.2～0.35 m，以下不再注明）、耕作層（測試深度0.1～0.2 m，以下不再注明）中的孔隙度等值線圖中的顏色比深松前的明顯變淺，例如，深松前的深藍色（圖7中a，c，e的左上部及左下部）深松后變?yōu)闇\藍色（圖7中b，d，f的左上部及左下部）；同一位置淺色面積均有不同程度的增大，例如，在水平距離0.4 m，深度0.3 m處，深松前的淺顏色（圖7中a，c，e）面積深松后增大或變?yōu)樯钌▓D7中b，d，f），且隨著水平距離的增加，變化幅度逐漸減小。這說明，氣壓深松后，高壓氣體在土壤內(nèi)部產(chǎn)生了裂隙，使犁底層和耕作層的孔隙度均有不同程度的增大即產(chǎn)生了良好的深松效果，并且其效果隨水平距離的增加緩慢變小。

圖7　不同水平距離各深度土壤孔隙度等值線圖Fig.7 Contour map of soil porosity of different horizontal distance and depth

3.2氣壓深松的效果及特點

為了深入分析氣壓深松效果，定義深松前、后的土壤孔隙度的差值與深松前土壤孔隙度之比為氣壓深松土壤孔隙度提升率。同樣，利用Origin軟件將深松前后的不同水平距離各深度的土壤孔隙度提升率繪成等值線圖如圖8所示。

1）圖8a是在犁底層容重為1.4 g/cm3，深松氣壓為1.4 MPa時，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線圖。由圖8a可知，犁底層的孔隙度提升率主要在18.78%～21.47%之間，如圖中綠色→黃綠色；耕作層的提升率在2.68%～32.20%之間，如圖中藍色→深紅色，在深度0.125～0.2 m，水平距離0.375～0.45 m的范圍內(nèi)的孔隙度提升率最高，為24.15%～32.20%（圖中黃色到紅色）。孔隙度提升率在水平距離0.55和0.75 m出現(xiàn)最小值零（圖中黑色）。這表明在此范圍內(nèi)，氣壓深松后犁底層和耕作層的土壤均得到了深松，其深松影響半徑（本文定義為噴氣點到孔隙度提升率為零時的水平距離）至少為0.55 m。

2）圖8b是在犁底層容重為1.6 g/cm3，深松氣壓為1.8 MPa時，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線圖。由圖8b可知,犁底層的孔隙度提升率在11.67%～20%（圖中綠色→紅色），其中在水平距離0.35～0.65 m時，孔隙度提升率較高，在13.33%～20%之間（圖中黃綠色→紅色）；耕作層的孔隙度提升率在3.33%～13.33%之間（見圖8b的淺藍和黃綠色），其中在水平距離0.55～0.65 m的孔隙度的提升率較高，為13.33%～16.67%（圖中黃綠色和橙色）。在水平距離0.7 m時，孔隙度提升率為1.67%（圖中深藍色）?？梢?，深松氣壓1.8 MPa對容重為1.6 g/cm3的犁底層具有良好的深松效果，其深松影響半徑至少為0.7m。

3）圖8c是在犁底層容重為1.8 g/cm3，深松氣壓為2.2 MPa時，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線圖。由圖8c可知，犁底層的孔隙度提升率主要在5.95%～14.88%之間（見圖中淺藍到淺綠），其中在水平距離0.55～0.65 m處的犁底層的孔隙度提升率較高，為14.88%～23.80%（見圖中淺綠到深綠）；耕作層的孔隙度提升率主要分布在11.90%～23.80%（見圖中青色到深綠色），其中在水平距離0.15～0.25 m的孔隙度的提升率較大，為26.78%～35.70%（見圖中黃色到紅色）。在水平距離0.7 m處的孔隙度提升率為2.98%（見圖中深藍色）?？梢?，深松氣壓2.2 MPa對容重1.8 g/cm3的犁底層具有良好的深松效果，深松影響半徑至少為0.7 m。

圖8　不同水平距離各深度土壤孔隙度提升率等值線圖Fig.8　 Contour map of soil porosity soil lift rate of different horizontal distance and depth

上述分析表明：在設(shè)定的3種試驗條件下，氣壓深松后，耕作層和犁底層的孔隙度提升率較高，且具有較大的影響范圍，即氣壓深松方式具有良好的深松效果。

3.3土面抬升量

土壤由固、液、氣3相組成，某一相的增加或減少都會使土壤的體積發(fā)生變化。King等通過對巖土進行氣壓劈裂試驗研究表明：當(dāng)噴氣點較淺，上覆壓力較小，土體發(fā)生明顯的抬升，忽略由于土體壓縮引起的變形，這一抬升值可以認為是氣壓劈裂過程中土體產(chǎn)生的裂隙寬度[30]，本文的試驗條件與King的上述研究條件相近，因此也可以用土面抬升量來分析評價氣壓深松效果。

在噴氣點距地表面0.35 m，不同犁底層容重和不同深松氣壓的試驗條件下所得土面抬升量數(shù)據(jù)，利用Origin軟件繪成不同水平距離土面抬升量的等高線圖如圖9所示。

圖9a是犁底層容重為1.4 g/cm3，深松氣壓1.4 MPa的土面抬升量的等高線圖。由圖9a可知，土面抬升量最大值出現(xiàn)在土面中心，其值為4.46 mm，隨水平距離的增加抬升量逐漸減小，在水平距離0.35 m處時為1.7 mm，之后隨著水平距離的增加抬升量逐漸減小到零。

圖9b是犁底層容重為1.6 g/cm3，深松氣壓1.8 MPa時得到的土面抬升量的等高線圖，由圖9b可知，土面抬升量最大值出現(xiàn)在土面中心，其值為9.5 mm，隨水平距離的增加抬升量逐漸減小，在水平距離0.45 m處為1.44 mm，之后隨著水平距離的增加抬升量逐漸減小到零。對比圖9b和圖9a可知，對容重為1.6 g/cm3的犁底層施加1.8 MPa的深松氣壓時產(chǎn)生的土面抬升量最大值和土面抬升影響半徑（土面抬升量零點處到噴氣點的水平距離）均大于對容重為1.4 g/cm3的犁底層施加深松氣壓1.4 MPa時。

圖9c為犁底層容重為1.8 g/cm3，深松氣壓2.2 MPa時的土面抬升量的等高線圖，由圖9c可知，土面抬升量最大值出現(xiàn)在土面中心，其值為9.62 mm，隨水平距離的增加抬升量逐漸減小，在水平距離0.45 m處為3.2 mm，之后隨著水平距離的增加抬升量逐漸減小到零。由圖9b和圖9a比較可知，對容重為1.8 g/cm3的犁底層施加2.2 MPa深松氣壓時產(chǎn)生的土面抬升量最大值要大于對容重為1.6 g/ cm3的犁底層施加1.8 MPa深松氣壓時，其土面抬升影響半徑要大于對容重為1.4 g/cm3的犁底層施加1.4 MPa深松氣壓時。

圖9　不同水平距離土面抬升量等高線圖Fig.9 Contour map of soil surface uplift of different horizontal distance

上述分析表明，氣壓深松增加了土壤中空氣的含量，使土壤體積膨脹，導(dǎo)致土面抬升。但隨著水平距離的增加土壤中的氣壓逐漸減弱，土面抬升量也逐漸減小。對不同容重的犁底層施加不同的深松氣壓產(chǎn)生的土面抬升量及土面抬升影響半徑不同，上述3種試驗條件下，犁底層容重為1.8 g/cm3，深松氣壓2.2 MPa時，產(chǎn)生的土面抬升量最大，土面抬升影響半徑也最大。

另外，土體的應(yīng)力歷史、應(yīng)力狀態(tài)及土層成層性均會影響裂隙的擴展方向，現(xiàn)有的研究成果對裂隙擴展方向的認識是一致的，裂隙的擴展方向垂直于最小主應(yīng)力方向，當(dāng)最小主應(yīng)力為水平向時，裂隙為豎向裂隙，當(dāng)最小主應(yīng)力為豎向時，裂隙為水平裂隙，大多數(shù)情況下，淺層土最小主應(yīng)力為豎向方向，因此淺層的氣壓劈裂多產(chǎn)生水平的裂隙[31]。

比較上述3組試驗（犁底層容重和深松氣壓分別為1.4 g/cm3和1.4 MPa、1.6 g/cm3和1.8 MPa、1.8 g/cm3和2.2 MPa）的土面抬升量與孔隙度提升率的變化可知，二者分別從土壤表面和內(nèi)部顯示了氣壓深松后土壤的變化量，其共同點是二者均有隨水平距離的增加而下降的傾向，但所顯示的影響范圍不同，由上述分析結(jié)果可知，土面抬升量顯示的影響半徑為0.35、0.45、0.45 m,分別小于孔隙度提升率顯示的影響半徑0.55、0.75、0.75 m。在水平距離大于0.35或0.45 m以后，土面抬升量顯示微小接近于零，而土壤孔隙度提升率依然顯示延至0.7 m以后，這說明，在水平距離大于0.35或0.45 m以后，土面雖然沒有明顯抬升但土壤內(nèi)的孔隙度提升率卻仍然存在，由上述文獻[31]的研究成果可知，淺層的氣壓劈裂多產(chǎn)生水平的裂隙，氣壓深松為淺層的氣壓劈裂，產(chǎn)生的裂隙主要為水平裂隙，該裂隙使得犁底層土壤的孔隙度增加，盡管土面在水平距離大于0.35或0.45 m以后沒有明顯抬升，但其內(nèi)部卻已得到了深松。就是說氣壓深松能在不翻動耕作層土壤的情況下對耕地進行深松，而這正好與深松作業(yè)所追求的打破犁底層、節(jié)省能耗的目標一致。另據(jù)氣壓深松試驗過程觀察可知，高壓氣體使土面抬升而沒有出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，這也驗證了文獻[31]提出的淺層氣壓劈裂多產(chǎn)生水平的裂隙這一結(jié)論。

3.4與傳統(tǒng)深松鏟深松效果比較

繪制傳統(tǒng)深松鏟深松后不同水平距離各深度的土壤孔隙度提升率等值線圖如圖10所示。從深松后犁底層的土壤孔隙度提升率、深松均勻性及深松影響半徑3個方面比較分析氣壓深松與傳統(tǒng)深松的深松效果。

1）圖10與3.2所述圖8a的試驗條件接近，對其深松后犁底層土壤孔隙度提升率進行對比，由圖8a可知，氣壓深松后犁底層的孔隙度提升率為8.05%～21.47%（圖中淺藍色到黃綠色），其中在水平距離0.5 m以內(nèi)的孔隙度提升率大部分在18.78%（圖中綠色）左右。再由圖10可知，箭形鏟a、鑿形鏟b和三角形鏟c深松后犁底層孔隙度提升率在2.68%～24.15%，并且孔隙度提升率大部分在水平距離0.24 m以內(nèi)。其中僅鏟尖附近孔隙度提升率為21.47%～24.15%大于18.78%，如圖10中深度0.2～0.3 m，水平距離0～0.08 m處所示的黃綠色和黃色面積。由上可知，氣壓深松后犁底層的深松程度除鏟尖附近外普遍要高于傳統(tǒng)深松鏟的。

2）由圖8a可以看出氣壓深松后犁底層孔隙度提升率，在水平距離0.5 m以內(nèi)隨水平距離的變化，數(shù)值變化較小為18.78%～21.47%（圖中綠色和黃綠色），其數(shù)值變化差值為2.69%。而由圖10可以看出深松鏟深松后，犁底層孔隙度提升率在水平距離0.24 m以內(nèi)，隨水平距離的變化，其變化幅度較大為0～24.15%（圖中黑色到黃色），其差值為24.15%?？梢?，其在較小的水平距離內(nèi)孔隙度提升率的變化幅度要遠大于氣壓深松。表明氣壓深松的均勻性明顯優(yōu)于深松鏟式深松。

3）傳統(tǒng)深松鏟深松時形成的斷面是以鏟尖為頂點，沿45°角向兩側(cè)上方延伸形成的扇面，其影響寬度通常為深松深度的1.6倍，在深松深度為0.35 m時，在地表的影響寬度最大，為0.56 m[32]，將其換算為影響半徑（相當(dāng)于深松鏟在地表的影響寬度的二分之一）為0.28 m。如圖10所示，箭形鏟、鑿形鏟、三角形鏟深松后，在水平距離0.24 m處犁底層中土壤的孔隙度提升率為零（圖10a、10b、10c中的黑色），表明深松鏟對犁底層的深松影響半徑為0.24 m。如圖8a所示，在水平距離0.55 m的耕作層、水平距離0.7 m處犁底層中土壤的孔隙度提升率為零（8a所示的黑色），表明氣壓深松對耕地表層深松影響半徑為0.55～0.7 m，對犁底層深松影響半徑至少為0.7 m。比較可知，氣壓深松對耕地表層深松影響半徑為傳統(tǒng)深松鏟的2～2.5倍，對犁底層的深松影響半徑是深松鏟的3倍。

此外，由3.2分析可知，氣壓深松對容重1.6、1.8 g/cm3的犁底層同樣具有較好的深松效果，深松后耕作層和犁底層的孔隙度均有大幅度提升，并且影響范圍較廣，可以克服傳統(tǒng)深松鏟對容重較大的犁底層難以實施深松的問題。

圖10　不同水平距離各深度深松鏟土壤孔隙度提升率等值線圖Fig.10　 Contour map of subsoiling shovel soil porosity soil lift ratethe of different horizontal distance and depth

4　結(jié)論

1）建立了適合于深松作業(yè)時的東北黑土土壤電阻率與土壤孔隙度和含水率的數(shù)學(xué)模型。

2）對于容重分別為1.4、1.6、1.8 g/cm3的犁底層，在深松氣壓分別為1.4、1.8、2.2 MPa的試驗條件下，高壓氣體在土壤內(nèi)部主要產(chǎn)生水平裂隙，水平裂隙的發(fā)展使犁底層的孔隙度明顯增大，可有效的打破犁底層，深松后土壤中空氣的含量增加，使土壤體積膨脹、土面抬升，可在不擾動或少擾動耕作層的情況下得到良好的深松效果。

3）氣壓深松與傳統(tǒng)深松鏟相比有深松影響范圍廣、深松均勻、深松程度高等特點，對耕地表層的深松影響半徑是傳統(tǒng)深松的2～2.5倍，對犁底層深松影響半徑至少為傳統(tǒng)深松的3倍。

[參考文獻]

[1]張瑞富，楊恒山，高聚林，等.深松對春玉米根系形態(tài)特征和生理特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（5）：78-84.Zhang Ruifu, Yang Hengshan, Gao Julin, et al.Effect of subsoiling on root morphological and physiological characteristics of spring maize[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2015, 31（5）: 78-84.（in Chinese with English abstract）

[2]朱瑞祥，張軍昌，薛少平，等.保護性耕作條件下的深松技術(shù)試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（6）：145-147.Zhu Ruixiang, Zhang Junchang, Xue Shaoping, et al.Experimentation about subsoiling technique for conservation tillage[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2009, 25（6）: 145-147.（in Chinese with English abstract）

[3]李洪文，陳君達，李問盈.保護性耕作條件下深松技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2000，31（6）：42-45.Li Hongwen, Chen Junda, Li Wenying.Study on subsoiling technique for conservation tillage field[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2000, 31（6）: 42-45.（in Chinese with English abstract）

[4]朱鳳武，王景利，潘世強.土壤深松技術(shù)研究進展[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，（4）：57-461.Zhu Fengwu, Wang Jingli, Pan Shiqiang.Advances in researches of soil subsoiling technique[J].Journal of Jilin Agricultural University, 2003,（4）: 57-461.（in Chinese with English abstract）

[5]閆寶生.機械化保護性耕作深松機具的研究現(xiàn)狀與展望[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2004，（4）：115-116.Yan Baosheng.Researching situation and prospect of deep digging tools for mechanized protective tillage[J].Sci/tech Information Development & Economy, 2004,（4）: 115-116.（in Chinese with English abstract）

[6]李霞，付俊峰，張東興，等.基于振動減阻原理的深松機牽引阻力的試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（1）：32-36.Li Xia, Fu Junfeng, Zhang Dongxing, et al.Experiment analysis on traction resistance of vibration subsoiler[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2012, 28（1）: 32-36.（in Chinese with English abstract）

[7]武廣偉，宋建農(nóng)，李永磊，等.草地振動式間隔松土機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（2）：42-46.Wu Guangwei, Song Jiannong, Li Yonglei, et al.Design and experiment on vibration spacing scarifier for meadow [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41（2）: 42-46.（in Chinese with English abstract）

[8]韓文君，劉松玉，章定文.荷載作用下土體氣壓劈裂效果試驗研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（7）：1951-1956.Han Wenjun, Liu Songyu, Zhang Dingwen.Experimental study of pneumatic fracturing effect in soil under overburden load[J].Rock and Soil Mechanics, 2011, 32（7）: 1951-1956.（in Chinese with English abstract）

[9] Shen S L, Miura N, Koga H.Interaction mechanism between deep mixing column and surrounding clay during installation[J].Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40（2）: 293-307.

[10]夏紅兵，劉松玉.爆炸荷載作用下裂隙巖體內(nèi)損傷范圍的觀測研究[J].巖土力學(xué)，2007，28（4）：795-799.Xia Hongbing, Xu Ying, et al.Observation study of fissure rock damage range under blasting load[J].Rock and Soil Mechanics, 2007, 28（4）: 795-799.（in Chinese with English abstract）

[11]韓文君，劉松玉，章定文.土體氣壓劈裂裂隙擴展特性及影響因素分析[J].土木工程學(xué)報，2011，44（9）：87-97.Han Wenjun, Liu Songyu, Zhang Dingwen.Characteristics and influencing factors analysis of propagation of pneumatic fracturing in soils[J].China Civil Engineering Journal, 2011, 44 （9）: 87-97.（in Chinese with English abstract）

[12] Larsson S, Dahlstrom M, Nilsson B.Uniformity of lime-cement columns for deep mixing: a field study[J].Ground Improvement, 2005, 9（1）: 1-15.

[13] Venkatraman S N, Schuring J R, Boland T M, et al.Application of pneumatic fracturing to enhance in situ bioremediation [J].Journal of Soil Contamination, 1998, 7（2）: 143-162.

[14]中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室.土壤物理性質(zhì)測定法[M].北京：科學(xué)出版社，1978：10-11.

[15]孫一源等.農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1985：8-15.

[16]齊華，劉明，張衛(wèi)建.深松方式對土壤物理性狀及玉米根系分布的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2012，27（4）：191-196.Qi Hua, Liu Ming, Zhang Weijian.Effect of deep loosening mode on soil physical characteristics and maize root distribution [J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2012, 27（4）: 191-196.（in Chinese with English abstract）

[17]張俊麗，Sikander K T，溫曉霞，等.不同耕作方式下旱作玉米田土壤呼吸及其影響因素[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（18）：192-199.Zhang Junli, Sikander K T, Wen Xiaoxia, et al.Soil respiration and its affecting factors in dry-land maize field under different tillage systems[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2012, 28 （18）: 192-199.（in Chinese with English abstract）

[18]劉盛東，吳榮新.高密度電阻率法觀測煤層上覆巖層破壞[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29（4）：18-21.Liu Shengdong, Wu Rongxin.High density electric resistance method applied to monitor and measure overburden failure above seam[J].Coal Science and Technology, 2001, 29（4）: 18-21.（in Chinese with English abstract）

[19] Alain T, Michel D, Albert H, et al.Soil resistivity: a noninvasive tool to map soil structure horizonation[J].Geoderma, 2000: 393-404.

[20]李瑛，龔曉南，郭彪，等.電滲軟黏土電導(dǎo)率特性及其導(dǎo)電機制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，29（2）：18-21.4027-4033.Li Ying, Gong Xiaonan, Guo Biao, et al.Research on conductivity characteristics of soft clay during electro-osmosis and its conductive mechanism[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 29（2）: 18-21.4027-4033.（in Chinese with English abstract）

[21]賈紅晶，李順群，尚軍.土的電阻率與飽和度的關(guān)系研究[J].天津城建大學(xué)學(xué)報，2014，20（4）：87-90.Jia Hongjing, Li Shunqun, Shang Jun.Study of relationship between electrical resistivity and saturation degree of soils[J].Journal of Tianjin Chengjian University, 2014, 20（4）: 87-90.（in Chinese with English abstract）

[22]劉國華，王振宇，黃建平.土的電阻率特性及其工程應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報，2011，44（9）：87-97.Liu Guohua, WangZhengyu, Huang Jianping.Research onelectrical resistivity feature of soil and it’s application [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineerin, 2011, 44（9）: 87－97.（in Chinese with English abstract）

[23] Kalinski R J, Kelly W E, Bogardi I, et al.Electrical resistivity measurements to estimate travel times through unsaturated ground water protective layers[J].Journal of Applied Geophysics, 1993, 30: 161－173.

[24]姚賢良，呈云生，等．土壤物理學(xué)[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1983：206－207．

[25]中國科學(xué)院南京土壤研究所．土壤理化分析[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983：62－126.

[26]呂東山．機械化深松技術(shù)的實施要點[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012，220（10）：18-21, 75－79．Lv Dongshan.The key points for the implementation of mechanized deep loosening Technology[J].Agricultural Science & Technology and Equipment, 2012, 220（10）: 18-21, 75－79.（in Chinese with English abstract）

[27]毛紅玲，李軍，賈志寬，等．旱作麥田保護性耕作蓄水保墑和增產(chǎn)增收效應(yīng)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（8）：44－51． Mao Hongling, Li Jun, Jia Zhikuan, et al.Soil water conservation effect, yield and income increments of conservation tillagemeasures on dryland wheat field[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2010, 26（8）: 44－51.（in Chinese with English abstract）

[28]李良福．土壤電學(xué)[M]．北京：氣象出版社，2008：100-103．

[29]柴民杰.秸稈覆蓋地深松機研究[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006．Chai Mingjie.Study on Subsoiler for Stubble Cover Field[D].Beijing: China Agricultural University, 2006.（in Chinese with English abstract）

[30] King T C.Mechanism of Pneumatic Fracturing[D].New Jersey: New Jersey Institute of Technology, 1993.

[31] Suthersen S S.Remediation engineering: design concepB[M].Boca Raton: CRC Press LLC, 1999.238－239.

[32]王瑞麗．保護性耕作條件下行間深松機的研究[D]．沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006．Wang Ruili.Study on Wlthin: Row Subsoiler in Conseration Tillage[D].Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2006.（in Chinese with English abstract）

Experiment on effect of air-pressure subsoiling based on air-pressure cracking theory

Zuo Shengjia, Kong Degang※, Liu Liyi, Dong Xin, Zhao Yongchao
（College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China）

Abstract:Developing a new subsoling method is one of the important ways to improve the subsoiling efficiency and overcome the traditional subsoling weakness, i.e.limited range and inhomogeneity.The present paper proposed a noval subsoiling method based on pneumatic split technology, namely, air pressure subsoiling.During the air pressure subsoiling, air was injected into cultivated soil to result in plenty of cracks inside the soil.In order to investigate the effect of air pressure subsoiling, a simulation experiment was carried out to observe the inner and external changes of soil before and after air pressure subsoiling with 3 indices including soil porosity, soil porosity increasing rate and soil surface uplift.Experiment was carried out from December 10, 2014 to February 10, 2015 in the Agricultural Machinery Laboratory of the Engineering Research Center of Northeast Agricultural University.Test and research methods were as follows: 1）Firstly, the Miller Soil Box test equipment was used to test soil resistivity of different moisture content, porosity and saturation of black cultivated soil in the Northeast of China.The various parameters of Archie soil resistivity model were formed based on the regression analysis of our test result.Then a regression formula was acquired to calculate soil porosity by soil resistivity and soil moisture content acquired.2）According to the actual cultivated land status of subsoiling in the Northeast of China, the plough layer and plow pan were made.The procedure was that 0.2 m plow pan was set on the groove bottom at first, and then 0.2 m plough layer was covered, which had 1.17 g/cm3bulk density and 18% moisture.Two factors and 3 levels（plow pan bulk density of 1.4, 1.6 and 1.8 g/cm3, and subsoiling air pressure of 1.4, 1.6 and 2.2 MPa）were set in the experiment.Our experiment used the self-made air pressure subsoiling equipment to inject air into the plow pan with different bulk density（0.35 m deep）, before and after air pressure subsoiling, used the regression formula to calculate the soil porosity and its increasing rate before and after air pressure subsoiling, and at the same time measured the vertical rise of soil surface when measuring the soil resistivity.3）Draw contour map of soil resistivity, soil resistivity increasing rate and vertical rise by the Origin software in order to analyze the distributions and changes of soil resistivity, soil resistivity increasing rate and vertical rise before and after subsoiling.Further more, we compared air pressure subsoiling with 3 traditional subsoilers （triangle shovel, arrow shovel and chisel shovel）on the effect of subsoiling by analyzing the scope of subsoiling, uneven extent and soil porosity increasing rate.Main results obtained were as follows: 1）The regression formula of subsoiling soil porosity, soil resistivity and moisture content was obtained, which was suitable for the black soil in the Northeast of China.2）For the plow pan with bulk density of 1.4, 1.6 and 1.8 g/cm3, when subsoiling air pressure was 1.4, 1.6 and 2.2 MPa, air pressure mainly formed horizontal cracks which resulted in an obvious increase of soil porosity.These cracks could effectively break the plow pan, increase the air content in the soil after subsoiling, make the soil volume expand and the surface uplift.Excellent subsoiling could be obtained with fewer changes or effects for plough layer.3）Compared with traditional subsoiling, air pressure subsoiling had the merits of larger scope, more uniformity and higher efficiency.For the effectively influenced radius on land surface, air pressure subsoiling was about 2～2.5 times of traditional subsoiling, and it was at least 3 times of traditional subsoiling on plow pan.The results and the data obtained in this paper can provide a reference for the further study and the design of air pressure subsoiling equipment.

Keywords:soils; agricultural engineering; optimization; air pressure subsoiling; subsoiling effect; soil porosity; plow

通信作者：※孔德剛（1956-），男，吉林省白山市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程研究。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：kong-degang@hotmail.com

作者簡介：左勝甲（1984-），男，吉林通化人，博士生，從事農(nóng)業(yè)機械化工程研究。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：zuoshengjia1984@163.com

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2014BAD06B04）

收稿日期：2015-09-14

修訂日期：2015-11-19

中圖分類號：S222.1+9

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0054-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.007