丁啟朔 葛雙洋 任 駿 李毅念 何瑞銀

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

水稻土深松阻力與土壤擾動(dòng)效果研究

丁啟朔 葛雙洋 任 駿 李毅念 何瑞銀

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

為探討機(jī)械深松過程的水稻土擾動(dòng)、土壤結(jié)構(gòu)及能量的效應(yīng)，利用原位土壤耕作綜合測試平臺進(jìn)行精準(zhǔn)控制條件的深松試驗(yàn)，采用鑿形鏟，設(shè)置5種耕作深度(10、15、20、25、30 cm)，從耕作阻力及比阻、土壤宏觀擾動(dòng)輪廓、土壤破碎體尺度分布指標(biāo)綜合評價(jià)水稻土深松作業(yè)的效果。結(jié)果表明，深松耕作阻力與耕作深度符合二階函數(shù)擬合的遞增關(guān)系。耕深20 cm時(shí)，深松鏟對土壤擾動(dòng)程度最大，地表隆起、開裂和縱向起伏程度最強(qiáng)，此時(shí)土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動(dòng)面積、平均土塊徑均達(dá)到最大值，分別為16.3 cm、42.2 cm、0.030 5 m2、28.77 cm，耕作比阻則相對較低，為62 kN/m2；然而在耕深超過20 cm之后，深松鏟的土壤擾動(dòng)效果顯著降低，地表隆起、開裂和縱向起伏程度減弱，土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動(dòng)面積、平均土塊徑數(shù)值均明顯減小，耕深30 cm時(shí)分別降至10.3 cm、31.2 cm、0.026 8 m2、19.12 cm，相比耕深20 cm降幅分別為36.8%、26.1%、12.1%和33.54%，而此時(shí)耕作比阻急劇增大至195 kN/m2，相比耕深20 cm增幅高達(dá)214.5%。因此，在水稻土條件下，耕作深度20 cm時(shí)能夠獲得最佳的土壤擾動(dòng)、土壤結(jié)構(gòu)及耕作能量的綜合效應(yīng)。

水稻土； 深松； 土壤擾動(dòng)； 耕作阻力

引言

合理的耕作系統(tǒng)能夠改善耕層土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤三相比例、協(xié)調(diào)土壤的水肥氣熱關(guān)系并為作物生長發(fā)育創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件[1-7]。機(jī)械耕作引起的土壤物理狀態(tài)變化及其效應(yīng)的定量是耕作系統(tǒng)機(jī)理研究的重要內(nèi)容[8]，也是優(yōu)化耕作部件設(shè)計(jì)、選擇最佳耕作方式、指導(dǎo)田間耕作管理的重要理論依據(jù)[9-10]。

機(jī)械化深松是目前廣泛應(yīng)用的保護(hù)性耕作方式，該耕作系統(tǒng)利用深松鏟疏松土壤、加深耕層而不翻轉(zhuǎn)土壤、降低土壤容重、提高蓄水能力，促進(jìn)作物的根系生長并提高作物產(chǎn)量[11-12]。深松鏟與土壤的作用機(jī)理屬于窄齒類觸土部件的力學(xué)范疇，近年來圍繞深松鏟的幾何設(shè)計(jì)、仿生設(shè)計(jì)研究形成了大量的成果[13-18]。在深松作業(yè)的機(jī)理研究方面多使用2類評價(jià)指標(biāo)：深松部件的阻力特性和耕后土壤結(jié)構(gòu)(包括宏觀松土結(jié)構(gòu)和土壤松碎狀況)[19-21]，分別涉及深松作業(yè)的不同方面，如土壤的宏觀擾動(dòng)輪廓和阻力的關(guān)系[22]、鏟寬及作業(yè)參數(shù)(速度、耕深等)對耕作阻力的影響[23]、基于土壤擾動(dòng)質(zhì)量的深松機(jī)具評價(jià)指標(biāo)(土壤硬度變化系數(shù)、土壤體積膨松系數(shù)、單位松土帶寬度耕作阻力系數(shù)和土壤相互擾動(dòng)系數(shù)等)[24]、振動(dòng)型深松機(jī)的擾動(dòng)剖面特征[15]、以土壤隆起及開裂等指標(biāo)進(jìn)行的不同鏟型深松機(jī)碎土質(zhì)量評價(jià)[20]等。

然而，不同的土壤條件引起的深松鏟受力及耕后土壤擾動(dòng)狀態(tài)完全不同[21,25]，進(jìn)而決定了某一個(gè)土壤條件的研究成果并不能普遍應(yīng)用于其他土壤條件。另外，多數(shù)研究工作是在室內(nèi)土槽的重塑土條件下完成的[22-24]，測試過程無法體現(xiàn)田間真實(shí)土壤的結(jié)構(gòu)性及特有的約束條件。因此，針對具體的土壤類型及輪作制度的深松研究是完善保護(hù)性農(nóng)業(yè)理論和實(shí)踐的一個(gè)重要方面。

稻麥輪作制是廣泛分布于長江中下游的高產(chǎn)種植制度，覆蓋面積高達(dá)1 300萬hm2[26]，周年理論產(chǎn)量高達(dá)21 t/hm2[27]。然而該輪作制的周年干濕交替、水旱輪替耕作、稻麥根系的低效穿插及不良水肥運(yùn)籌等導(dǎo)致水稻土特殊的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和耕作力學(xué)屬性。研究發(fā)現(xiàn)長期以旋耕代替深耕造成水稻土耕層變淺、土壤硬化嚴(yán)重、孔隙率低、機(jī)械阻力增大等問題[7,28-33]，雖然水稻土的機(jī)械深松能夠有效提升土壤物理質(zhì)量，但濕粘型水稻土的深松作業(yè)十分困難[34]，這也是南方水田制度難于開展深松推廣的根本原因之一。

目前針對水稻土的機(jī)械化深松研究已開始探討水稻土的機(jī)械深松作業(yè)的適應(yīng)性等問題[35]。然而水稻土的機(jī)械化深松過程的土壤結(jié)構(gòu)變化、耕層構(gòu)造及擾動(dòng)剖面響應(yīng)狀況、深松的能效、適宜深松深度、最佳深松作業(yè)參數(shù)等指標(biāo)都缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)。因此，本文擬利用最新研發(fā)的土壤耕作原位綜合測試平臺[36]對水稻土的機(jī)械化深松進(jìn)行精準(zhǔn)控制試驗(yàn)，探討水稻土在機(jī)械深松過程的土壤擾動(dòng)、土壤結(jié)構(gòu)及能效特征，為水稻土條件的合理深松機(jī)械設(shè)計(jì)及耕作技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2015年12月水稻收獲后進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于南京市六合區(qū)八百橋試驗(yàn)田(118°59′E，31°98′N)，地勢平坦，土壤類型為壤質(zhì)粘土，該地區(qū)常年稻麥輪作。土壤pH值7.6，土壤砂粒、壤粒、黏粒、有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.06%、40.39%、35.55%和2.27%，液限41.94%，塑限25.18%。0～50 cm土層土壤容重、含水率、總孔隙度見表1。試驗(yàn)前進(jìn)行人工地表清茬。

表1 0～50 cm土層基礎(chǔ)物理參數(shù)
Tab.1 Basic physical properties in 0～50 cm soil layer

土層深度/cm容重/(g·cm-3)含水率/%總孔隙度/%0～51.2535.6952.665～101.2634.8552.4110～151.3233.4050.1115～201.5325.4342.3420～251.5623.6841.1125～301.5624.8941.2430～351.5624.4541.0735～401.5624.1341.0040～451.5924.0440.1145～501.6423.3138.16

1.2 試驗(yàn)方法

所用深松鏟類型為鑿形深松鏟，采用單因素試驗(yàn)方法，設(shè)置5種耕作深度：10、15、20、25、30 cm，牽引速度均控制在0.1 m/s，使用單鏟進(jìn)行耕作試驗(yàn)。

圖1 土壤耕作原位綜合測試平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of in-situ experimental platform1.牽引電動(dòng)機(jī) 2.控制柜 3.鏈條 4.信號拖鏈 5.臺車機(jī)構(gòu)6.升降電動(dòng)機(jī) 7.臺車導(dǎo)軌 8.電源拖鏈 9.信號終端計(jì)算機(jī)10.移動(dòng)導(dǎo)軌

為保證田間試驗(yàn)的可靠性，在最新設(shè)計(jì)的土壤耕作原位綜合測試平臺[36](圖1)上進(jìn)行深松耕作試驗(yàn)。試驗(yàn)臺架基本參數(shù)為：長度8 m，寬度1.8 m。耕作時(shí)由功率為4 kW牽引電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，牽引測試臺車(圖2)整體向前、向后移動(dòng)。控制柜可調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而調(diào)節(jié)臺車移動(dòng)速度和移動(dòng)方向。深松鏟懸掛于臺車下方的升降懸架上，升降懸架與升降絲桿連接，由升降電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿上下移動(dòng)，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)耕深的目的。臺車前、后各裝2個(gè)拉壓力傳感器，工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器信號，通過信號線傳輸至終端計(jì)算機(jī)內(nèi)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測并記錄耕作阻力數(shù)據(jù)。臺架4個(gè)柱腳下方鋪設(shè)導(dǎo)軌，4個(gè)0.75 kW的升降電動(dòng)機(jī)控制柱腳內(nèi)部萬向輪伸出或收起，從而實(shí)現(xiàn)臺架在田間橫向和縱向移動(dòng)。

圖2 臺車結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of moving car1.升降絲桿 2.升降電動(dòng)機(jī) 3.移動(dòng)懸架 4.深松鏟 5.升降懸架 6.拉力傳感器 7.信號采集柜 8.導(dǎo)向柱

每次測試的有效深松行程為5 m，去除前后各1 m的非穩(wěn)定工作區(qū)，取中間3 m為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和土壤擾動(dòng)質(zhì)量測試區(qū)。每次深松后試驗(yàn)臺橫向移動(dòng)2 m再進(jìn)行下一次深松作業(yè)，以防止擾動(dòng)區(qū)域相交或試驗(yàn)臺不良擾動(dòng)對下一次測試的破壞。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 耕作阻力及比阻

試驗(yàn)臺內(nèi)部臺車前、后各安裝2個(gè)LKL-101/1T型拉壓力傳感器，分別編號：前1(f1)、前2(f2)、后1(r1)、后2(r2)，耕作阻力F=Ff1+Ff2-(Fr1+Fr2)，利用Excel 2010軟件進(jìn)行信號處理，得出原始耕作阻力波動(dòng)曲線(圖3a)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后(圖3b)，截取波動(dòng)穩(wěn)定段并求其平均值，作為相應(yīng)耕作深度下的耕作阻力，并由此計(jì)算耕作比阻(耕作阻力與擾動(dòng)截面積比值)[37]。

圖3 耕作阻力波動(dòng)曲線Fig.3 Wave curves of tillage iraction

1.3.2 土壤宏觀擾動(dòng)輪廓

根據(jù)田間試驗(yàn)觀測到的具體情況，并參考前人研究方法[20,22-23,38]，將深松后土壤宏觀擾動(dòng)輪廓分為：橫剖面、俯視平面、縱向地表起伏，繪制簡易輪廓圖(圖4a、圖5)，并規(guī)定適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)，以此來反映不同耕作深度下的土壤宏觀擾動(dòng)輪廓變化規(guī)律。

圖4 橫剖面擾動(dòng)輪廓Fig.4 Disturbed profile of cross-section

圖5 俯視平面擾動(dòng)輪廓Fig.5 Disturbed profile from plan view

圖6 土壤輪廓測量儀結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic of soil profile meter1.底架 2.水平移動(dòng)架 3.讀數(shù)面板 4.測量鋼纖 5.抬針柵條

圖7 縱向地表起伏測量Fig.7 Test of earth’s surface smooth in lengthways direction

利用卷尺和自制的土壤輪廓測量儀(圖6)測量土壤宏觀擾動(dòng)輪廓。土壤輪廓測量儀主要參數(shù)為：長3 m，寬1.2 m，鋼釬間隔10 mm，鋼釬總數(shù)100個(gè)，測量高度范圍為-450～400 mm。深松耕作后，土壤輪廓測量儀鋼釬沿深松溝橫向放置(圖4b)，測量土壤隆起輪廓和對應(yīng)的擾動(dòng)邊界輪廓，兩者合并組成土壤剖面擾動(dòng)輪廓；利用卷尺手工測量俯視平面的地表裂紋以及擾動(dòng)土垡取出后的俯視剖面輪廓參數(shù)，每項(xiàng)參數(shù)取5次重復(fù)；土壤輪廓測量儀鋼釬縱向放置(圖7)，測量縱向地表起伏情況，為防止鋼釬全部落入隆起裂縫中，鋼釬排列向深松溝兩側(cè)偏離5～10 cm，總測量長度2 m。

1.3.3 土壤破碎體尺度分布

每次5 m深松行程完成后，取數(shù)據(jù)測量區(qū)域內(nèi)的2 m進(jìn)行土壤取樣。沿著裂紋方向用雙手緩慢取出大尺度土垡，平放于海綿墊上，利用卷尺測量土垡直徑。然后收集深松溝內(nèi)的小尺度土壤破碎體，進(jìn)行篩分，篩孔直徑分別為64、32、16、8 mm。對留在64 mm孔篩內(nèi)的土塊再次手工測量土塊直徑，其他孔篩內(nèi)土壤以孔篩分級區(qū)間上、下限的算術(shù)平均值作為其土塊直徑[39]，依次為48、24、12 mm，0～8 mm土壤粒徑默認(rèn)為4 mm。所有土塊自然風(fēng)干3 d后稱量，計(jì)算平均土塊徑[40]和質(zhì)量分形維數(shù)[41]，公式為

(1)

式中D——平均土塊徑di——土塊粒徑mi——對應(yīng)粒徑的土塊質(zhì)量

(2)

式中dj——篩分孔徑dmax——最大土塊粒徑M(δ

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作阻力及比阻

耕作阻力在一定程度上反映了實(shí)際耕作中的拖拉機(jī)功率消耗情況[42]。圖8a展示了耕作阻力與耕作深度的擬合關(guān)系曲線，回歸函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)R2=0.991 8，擬合可靠。耕作阻力y與耕作深度x滿足二階函數(shù)擬合關(guān)系：y=0.009 4x2-0.16x+1.503 9。從圖中可以看出，耕作阻力隨著耕作深度增大而增大，并且耕作深度越大，增長速度越快，這與IBRAHMI等[43]、齊關(guān)宇等[44]的研究結(jié)果相一致。以上結(jié)果與水稻土土層性質(zhì)變化有關(guān)(表1)，即隨著耕作深度的增加，土壤容重逐漸增大，孔隙度逐漸減小，土壤愈加緊實(shí)，且土壤擾動(dòng)量增加，從而工作阻力迅速增大[44-45]。

對于耕作系統(tǒng)的優(yōu)化來說，僅知道耕作阻力是一方面，更重要的是耕作比阻信息(耕作阻力與擾動(dòng)面積比值)[37]，耕作比阻能更全面地反映機(jī)具耕作效率[9]。圖8b展示了耕作比阻隨著耕作深度的變化趨勢。從圖中可以看出，耕作比阻隨著耕作深度變化缺乏規(guī)律性，當(dāng)耕深為10、15、20 cm時(shí)，耕作比阻呈平緩的線性增長趨勢，比阻在50 kN/m2水平。然而當(dāng)耕深增大到25、30 cm時(shí)，耕作比阻急劇增大，分別達(dá)192、195 kN/m2，相比耕深20 cm增幅依次為209.7%和214.5%。水稻土條件下深松耕作比阻呈現(xiàn)這一變化特征的原因是，當(dāng)耕深不超過20 cm時(shí)，土壤容重較低、孔隙度較大、土壤較為松散、易于松動(dòng)，耕作阻力隨耕深增長的同時(shí)土壤擾動(dòng)面積S也成比例增長(表2)，因此耕作比阻穩(wěn)定在相對較低水平；但當(dāng)耕深超過20 cm后，土壤容重增大、孔隙度減小、土壤變得緊實(shí)、不易于松動(dòng)，耕作阻力隨耕深大幅增長，但土壤擾動(dòng)面積S卻沒有相應(yīng)比例地增長，甚至?xí)霈F(xiàn)下降現(xiàn)象，因此造成耕作比阻急劇增大，耕作能效顯著降低，無法保證深松作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。因此，在只考慮能量投入和土壤擾動(dòng)程度的情況下，本文水稻土條件下的深松耕作深度應(yīng)該控制在20 cm左右。

圖8 不同耕深下耕作阻力和耕作比阻的變化曲線Fig.8 Changing curves of tillage traction and specific traction at different tillage depths

耕作深度H/cm壟起寬度W/cm裂縫寬度W1/cm擾動(dòng)寬度W2/cm溝槽寬度W3/cm壟起高度H1/cm臨界深度H2/cm擾動(dòng)面積S/m21026.49.026.311.70.01681535.013.232.715.30.02722042.221.929.12.616.315.20.03052537.410.122.92.511.314.80.01753031.213.724.12.510.314.80.0268

2.2 土壤宏觀擾動(dòng)輪廓

2.2.1 橫剖面擾動(dòng)輪廓

以往研究表明，深松鏟耕作時(shí)存在擾動(dòng)臨界深度[46]，當(dāng)耕深小于臨界深度時(shí)，土壤向前、向上、向兩側(cè)移動(dòng)，形成新月形破壞區(qū)；當(dāng)耕深超過臨界深度時(shí)，臨界深度下方土壤只向前、向兩側(cè)移動(dòng)，由新月形破壞區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向破壞區(qū)，此深度下方發(fā)生更多的是鏟具對土壤的擠壓，而不是有效松土(圖9)[45, 47-49]。本文研究也同樣發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律，由圖10所示的不同耕作深度下的土壤橫剖面擾動(dòng)輪廓可知，耕深為20、25、30 cm時(shí)，橫剖面擾動(dòng)輪廓存在擾動(dòng)臨界深度，大致位于15 cm深度處。深松鏟耕作過程中，臨界深度以上土壤被擾動(dòng)且向兩側(cè)抬起，中間形成裂縫，地表以上呈“山峰狀”的隆起形態(tài)，擾動(dòng)邊界呈“上寬下窄”的扇形；而臨界深度下方土壤則受深松鏟側(cè)向擠壓作用，形成寬度與鏟寬大致相等的矩形溝槽。因此當(dāng)耕深小于或接近臨界深度時(shí)，擾動(dòng)邊界輪廓整體呈“扇形”狀；當(dāng)耕深大于臨界深度時(shí)，擾動(dòng)邊界輪廓?jiǎng)t整體呈“漏斗”狀。

圖9 深松土壤擾動(dòng)示意圖Fig.9 Schematic of soil failure produced by subsoiler tines

圖10 不同耕深下土壤橫剖面擾動(dòng)輪廓Fig.10 Profiles cross-sections of soil at different tillage depths

深松鏟入土深度的變化造成了整體剖面輪廓形態(tài)的變化，同時(shí)也造成了隆起參數(shù)和擾動(dòng)邊界參數(shù)的變化。表2展示了深松后橫剖面擾動(dòng)輪廓各項(xiàng)參數(shù)情況，從表中數(shù)據(jù)可以看出，地表以上的壟起高度H1、壟起寬度W、裂縫寬度W1均隨著耕深的增大整體呈“先增大后減小”的趨勢，均在耕深20 cm時(shí)達(dá)最大值；地表處的擾動(dòng)寬度W2于耕深15 cm時(shí)最大，耕深20 cm次之，但差別不大；地表下方的土壤擾動(dòng)面積S隨著耕深增大同樣呈現(xiàn)“先增大后減小”的趨勢，于耕深20 cm時(shí)達(dá)最大值0.030 5 m2，耕深25 cm時(shí)擾動(dòng)截面積相比耕深20 cm不升反降，只有0.017 5 m2。

以上分析表明，水稻土條件下深松耕作深度對深松鏟的松土、抬土能力有著較大影響。當(dāng)耕深超過臨界深度(15 cm左右)時(shí)，土壤破壞失效模式發(fā)生改變，由臨界深度上方的新月形破壞失效轉(zhuǎn)變成臨界深度下方的側(cè)向破壞失效。這一臨界深度位置可能與水稻土犁底層的位置有關(guān)。由表1數(shù)據(jù)可知，犁底層同樣處于15 cm左右深度處，此深度附近土壤物理性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，15～20 cm土層相比10～15 cm土層容重增加15.9%、孔隙度降低15.5%、含水率降低23.9%，犁底層下方土壤相比上方耕層土壤更加緊實(shí)，難以被松動(dòng)、抬升，只能受到深松鏟的側(cè)向擠壓破壞?？傮w上，深松鏟的整體土壤擾動(dòng)能力在耕深20 cm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)地表隆起程度和土壤擾動(dòng)量均達(dá)到最大值。但耕深超過20 cm后，深松鏟更多部分處于臨界深度下方，形成對土壤側(cè)向擠壓而不是有效松土，整體土壤擾動(dòng)能力減弱，地表隆起程度下降，土壤擾動(dòng)量減少。因此在本文水稻土條件下，為獲得最大土壤擾動(dòng)效果，深松鏟耕作深度應(yīng)在20 cm左右。

2.2.2 俯視平面裂紋及剖面擾動(dòng)輪廓

深松耕作后，地表形成裂紋，沿前進(jìn)方向左右交替分布(圖5a)，這與GODWIN等[50]研究結(jié)果相一致。將擾動(dòng)土垡取出后，俯視剖面兩側(cè)的擾動(dòng)邊界呈平行的曲線波動(dòng)形態(tài)(圖5b)。而在LISOWSKI等[51]的土槽試驗(yàn)中，擾動(dòng)土壤取出后深松鏟兩側(cè)的擾動(dòng)邊界呈平行的直線形態(tài)。因此，在高含水率的水稻土條件下，土壤團(tuán)粒間粘性較大，深松鏟對兩側(cè)的土壤難以進(jìn)行同步的擾動(dòng)破壞，而是沿前進(jìn)方向左右交替依次進(jìn)行，沿前進(jìn)方向形成獨(dú)特的曲線波動(dòng)的擾動(dòng)邊界形態(tài)。

表3展示了俯視平面裂紋及剖面擾動(dòng)輪廓參數(shù)。裂紋長度a和裂紋寬度b反映了深松鏟前進(jìn)過程中的表層土壤破裂程度，裂紋間隔c和波峰間隔d反映了深松鏟完成一次左右交替擾動(dòng)的間隔長度。從表中數(shù)據(jù)可以看出，深松鏟入土深度對地表破裂程度和擾動(dòng)間隔均存在影響。隨著耕作深度的增大，裂紋長度a和裂紋寬度b均呈現(xiàn)“先增大后減小”的趨勢，均于耕深20 cm時(shí)達(dá)到最大值，耕深15 cm次之，耕深超過20 cm后均大幅下降；裂紋間隔c和波峰間隔d均在耕深15 cm時(shí)達(dá)最大值，耕深20 cm次之，且耕深超過20 cm后同樣出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象。

表3 俯視平面裂紋及剖面輪廓參數(shù)Tab.3 Properties of cracks and profiles from plan view cm

以上分析表明，當(dāng)耕深不超過20 cm時(shí)，深松鏟對土壤的擾動(dòng)能力隨入土深度增大而逐漸增大，左右交替擾動(dòng)間隔長，地表破裂程度大，擾動(dòng)充分。然而，當(dāng)耕深超過20 cm后，深松鏟對土壤的擾動(dòng)能力大幅下降，左右交替擾動(dòng)間隔縮短，地表破裂程度下降，擾動(dòng)不充分。

2.2.3 縱向地表起伏

由前文得知，深松后地表土壤隆起，且在前進(jìn)方向上深松鏟對土壤的擾動(dòng)是左右交替依次進(jìn)行，因此縱向的土垡壟起排列呈現(xiàn)一定的起伏波動(dòng)狀態(tài)(圖11)。從圖中可以看出，耕深15、20 cm時(shí)，地表高低起伏劇烈，波動(dòng)間隔大。但耕深達(dá)到25、30 cm時(shí)，地表高低起伏程度急劇減弱，波動(dòng)間隔有所減小?？傮w上，隨著耕作深度的增加，地表起伏劇烈性也大致呈“先增大后減小”趨勢，耕深20 cm時(shí)達(dá)最大程度，耕深超過20 cm后則急劇下降。

以上結(jié)果與橫剖面擾動(dòng)輪廓、俯視平面裂紋及剖面擾動(dòng)輪廓的研究結(jié)果相吻合。在土層20 cm深度內(nèi)，土壤容重相對較低，孔隙度較大，含水率較高，土壤松散且易于松動(dòng)、抬升，深松鏟入土深度的增加導(dǎo)致土壤擾動(dòng)量的增加，地表破裂程度加劇，土壤隆起增高，深松鏟對土壤擾動(dòng)能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致縱向地表起伏劇烈性增大。然而，當(dāng)耕作深度超過20 cm后，深松鏟更多部分處于臨界深度下方緊實(shí)且不易于松動(dòng)、抬升的土壤中，深松鏟對土壤擾動(dòng)能力有所減弱，土壤擾動(dòng)量減少，地表破裂程度減弱，土壤隆起降低，從而導(dǎo)致縱向地表起伏程度較小。

圖11 不同耕深下縱向地表起伏情況Fig.11 Earth’s surface smooth of different tillage depth in lengthways direction

2.3 土壤破碎體尺度分布

對土壤破碎體(或土塊)進(jìn)行尺度分析，是土壤宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)研究的基本內(nèi)容之一[52]。平均土塊徑從整體上反映了耕作后的土塊大小[40]，質(zhì)量分形維數(shù)則是對土壤破碎體的定量描述[53]。機(jī)械耕作后，質(zhì)量分形維數(shù)越大，土壤破碎程度就越高，平均土塊徑越??；質(zhì)量分形維數(shù)越小，土壤破碎程度就越低，平均土塊徑越大[54]。本文水稻土深松耕作后，土壤破碎體粒徑主要分布在10～40 cm區(qū)間(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%)(圖12)。隨著耕作深度的增加，粒徑大于20 cm的土壤破碎體質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，耕深20 cm時(shí)達(dá)最大值78.37%，耕深30 cm時(shí)最小，為38.80%；平均土塊徑先增大后減小(表4)，耕深20 cm時(shí)達(dá)最大值28.77 cm，耕深30 cm時(shí)達(dá)最小值19.12 cm，降低33.54%；質(zhì)量分形維數(shù)于耕深20 cm時(shí)達(dá)最小值1.75，耕深10 cm時(shí)達(dá)最大值1.97。

圖12 土壤破碎體徑級分布Fig.12 Relative size distribution of soil clods by weight

以上結(jié)果表明，在土層20 cm深度內(nèi)，隨著耕作深度的增加，深松擾動(dòng)后大尺度土壤破碎體比例上升，平均土塊徑增大，質(zhì)量分形維數(shù)降低，整體破碎程度下降；但耕深超過20 cm后，大尺度土壤破碎體比例下降，平均土塊徑減小，質(zhì)量分形維數(shù)增大，整體破碎程度升高。這是因?yàn)椋谒就镣翆?0 cm深度內(nèi)，耕作深度的增加導(dǎo)致了土壤擾動(dòng)量的增加，更多土壤被松動(dòng)、抬升，但由于水稻土的濕粘性，被擾動(dòng)土壤不易破碎，仍能保持較大的土垡結(jié)構(gòu)，因此深松后的土壤破碎體尺度逐漸增大，整體破碎程度下降；當(dāng)耕深超過20 cm后，深松鏟更多部分處于臨界深度(15 cm左右)下方，形成對土壤側(cè)向擠壓而不是有效松土，土壤擾動(dòng)量減少，被松動(dòng)、抬升起的土壤也相應(yīng)減少，土垡結(jié)構(gòu)尺度下降，因此深松后形成的土壤破碎體尺度較小，整體破碎程度較高。

表4 不同耕深下的平均土塊徑和分形維數(shù)
Tab.4 Mean diameters of soilDand mass fractal dimensionDm

耕作深度H/cm1015202530平均土塊徑D/cm20.9528.2228.7719.3219.12質(zhì)量分形維數(shù)Dm1.971.841.751.911.79

3 結(jié)論

使用土壤耕作原位綜合測試平臺針對南方稻麥輪作制開展機(jī)械深松的定量化研究表明，水稻土條件的深松作業(yè)對土壤擾動(dòng)、土壤結(jié)構(gòu)及耕作用能的影響特征如下：

(1)深松耕作阻力隨耕作深度的增大而增大，且兩者呈二階函數(shù)擬合關(guān)系：y=0.009 4x2-0.16x+1.503 9，決定系數(shù)R2=0.991 8，擬合關(guān)系可靠。

(2) 深松鏟對土壤的擾動(dòng)程度隨著耕作深度的變化而變化，整體呈“先增大后減小”的趨勢。在土層深度20 cm內(nèi)，隨著耕作深度的增加，土壤擾動(dòng)量逐漸增加，破碎體尺度增大，地表隆起、開裂以及縱向起伏程度加劇，整體擾動(dòng)程度增大；當(dāng)耕深超過20 cm后，深松鏟更多部分處于臨界深度(15 cm左右深度處)下方，土壤擾動(dòng)量變少，破碎體尺度減小，地表隆起、開裂以及縱向起伏程度減弱，整體擾動(dòng)程度下降。

(3) 耕深20 cm時(shí)，土壤擾動(dòng)量最大，耕作比阻處于相對較低水平。但當(dāng)耕深超過20 cm后，土壤擾動(dòng)量減少，但耕作阻力仍大幅增長，耕作比阻急劇增大，能效大大降低。因此，在僅考慮耕作能效和土壤擾動(dòng)程度的前提下，水稻土條件下深松最佳耕作深度在20 cm左右，但此時(shí)土壤結(jié)構(gòu)尺度大，破碎程度低，地表平整性較差，因此后期應(yīng)配合旋耕或耙地等整地措施，以便于后期作物播種。

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Characteristics of Subsoiler Traction and Soil Disturbance in Paddy Soil

DING Qishuo GE Shuangyang REN Jun LI Yinian HE Ruiyin

(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

Optimization of tillage system for paddy soil requires a precise quantification of soil disturbance, soil structure and tillage energy efficiency. An in-situ tillage test plateform was applied for precise control on the working parameters of a subsoiler, which was a chisel design and was evaluated in five depths (i.e., 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm and 30 cm). Traction, specific resistance, disturbed soil profile and soil fragment distribution were measured to evaluate the performance of the subsoiler. Results showed an increased traction with respect to the engaging depth, which satisfied a second-order equation. In the 20 cm tilling depth the degree of soil disturbance, soil surface humping, soil cracking and longitudinal humping were found the maximum. The bumping height, width, disturbed area of soil profile, mean weight diameter were 16.3 cm, 42.2 cm, 0.030 5 m2and 28.77 cm, respectively. Specific resistance in this depth was the minimum, i.e. 62 kN/m2. When surpassing 20 cm depth, the bumping height, width, disturbed soil profile area, mean weight diameter were significantly decreased, which were 10.3 cm, 31.2 cm, 0.026 8 m2and 19.12 cm, respectively, for the 30 cm depth. Compared with the 20 cm depth, these parameters were decreased by 36.8%,26.1%,12.1% and 33.54%, respectively. Meanwhile, the specific resistance was 195 kN/m2for the 30 cm depth which was increased by 214.5% compared with 20 cm depth. In considerating the overall effect of tillage-induced soil struction,soil tilth quality and energy use efficiency, tilling the paddy soil into 20 cm provided the best results.

paddy soil; subsoiler; soil disturbance; tillage traction

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.007

2016-06-01

2016-06-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300900)和江蘇省農(nóng)機(jī)基金項(xiàng)目(201-051028)

丁啟朔(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤耕作力學(xué)研究，E-mail: qsding@njau.edu.cn

S222

A

1000-1298(2017)01-0047-10