陳 偉， 朱繼平， 陳小兵， 袁 棟， 姚克恒， 劉正剛， 丁 艷， 夏 敏， 張 曉

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014； 2.江蘇清淮機(jī)械有限公司，江蘇淮安 223005)

傳統(tǒng)的整地方式主要有犁翻耕和旋耕2種，常用機(jī)具為鏵式犁和旋耕機(jī)，在這2種機(jī)具的長(zhǎng)期作用下，適耕土層薄化嚴(yán)重，地表下方15～20 cm處出現(xiàn)堅(jiān)硬的土層，即犁底層[1-3]。犁底層的厚度因地域不同相差很大，由于犁底層土壤堅(jiān)實(shí)度大，板結(jié)情況嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致2種情況，一是阻礙地表水分下土壤深處滲透，大多數(shù)水分留存于淺土層增加了地表徑流和自然蒸發(fā)現(xiàn)象；二是阻礙了作物根系的生長(zhǎng)，堅(jiān)硬的犁底層大大增加了根系下扎阻力，作物根系發(fā)展空間小、增加倒伏、降低產(chǎn)量[4-6]。深松的主要目的在于打破田塊中的犁底層，提高土壤的蓄水能力，降低深處土層的容重、堅(jiān)實(shí)度，為植物根系的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利的條件。國(guó)內(nèi)關(guān)于深松鏟的研究已展開多年，期間出現(xiàn)了很多新型樣式的深松鏟，然而現(xiàn)有的深松鏟型式在主體結(jié)構(gòu)上與幾種經(jīng)典的深松鏟型式很相似的如鑿型式、鑿型帶翼式、曲面式、箭型式[7-8]。在主體沒有變的情況下，很多企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)以經(jīng)典深松鏟為主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了眾多型式的深松鏟[9-10]。為研究不同型式深松鏟的作業(yè)性能，本研究以上述經(jīng)典樣式深松鏟為研究對(duì)象，采取田間試驗(yàn)的方式評(píng)價(jià)各型式深松鏟的作業(yè)性能，根據(jù)現(xiàn)有儀器條件及不可控因素，試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是土壤堅(jiān)實(shí)度、功耗。

1 試驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前，項(xiàng)目組對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了以下劃分，區(qū)別出穩(wěn)定區(qū)、耕前試驗(yàn)區(qū)、耕后測(cè)試區(qū)、隔離區(qū)和種植試驗(yàn)區(qū)。由于其他原因，項(xiàng)目組只對(duì)作業(yè)后的堅(jiān)實(shí)度和功耗情況進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。圖1為試驗(yàn)小區(qū)規(guī)劃，圖2為試驗(yàn)地的現(xiàn)場(chǎng)劃分。

試驗(yàn)地前茬為麥茬，土壤為沙壤土，試驗(yàn)前對(duì)整個(gè)試驗(yàn)地的水分、堅(jiān)實(shí)度以及每個(gè)測(cè)區(qū)的堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行調(diào)查，測(cè)區(qū)堅(jiān)實(shí)度在后面的結(jié)果對(duì)比分析中列出。

表1 試驗(yàn)地水分調(diào)查

試驗(yàn)機(jī)具選用國(guó)內(nèi)常用的4種機(jī)具，分別為鑿型鏟深松機(jī)、鑿型帶翼鏟深松機(jī)、曲面鏟深松機(jī)和箭型鏟深松機(jī)，機(jī)具配套動(dòng)力使用江蘇-120A型拖拉機(jī)，采用3點(diǎn)懸掛式框架結(jié)構(gòu)，具體規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)

1.2 主要儀器及測(cè)試方法

試驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)是作業(yè)后土壤堅(jiān)實(shí)度變化和作業(yè)功耗比較，堅(jiān)實(shí)度測(cè)量使用TJSD-750土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)x，內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GPS)定位及深度測(cè)量系統(tǒng)，可同時(shí)顯示土壤緊實(shí)度，測(cè)量深度及地理位置。與計(jì)算機(jī)連接后，可自動(dòng)生成每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的土壤緊實(shí)度曲線，并且可由多個(gè)測(cè)量點(diǎn)生成區(qū)域性土壤緊實(shí)度分布圖，并且自動(dòng)生成相關(guān)數(shù)據(jù)鏈。試驗(yàn)人員前期測(cè)量了各個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度，作業(yè)后以右鏟溝的左右溝壁為起始點(diǎn)，分別測(cè)量距離(左右)溝壁處5、10、15、20 cm處的土壤堅(jiān)實(shí)度。

牽引阻力測(cè)量使用ZX-2020牽引力測(cè)試儀，以MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)為核心的智能化測(cè)試儀器，配以點(diǎn)陣式液晶屏作為顯示器件，漢字提示，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及峰值數(shù)據(jù)，并支持無(wú)線傳輸。深松機(jī)作業(yè)過程中，利用拖拉機(jī)的懸掛裝置支撐、調(diào)平、入土，儀器以牽引連接的方式固聯(lián)于被測(cè)設(shè)備與牽引設(shè)備之間，須要再配置一輛拖拉機(jī)以“車?yán)嚒钡姆绞竭M(jìn)行測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組安排每種深松機(jī)做3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，記為行程1、行程2、行程3(圖3)，對(duì)每個(gè)行程后的堅(jiān)實(shí)度、牽引阻力進(jìn)行測(cè)量。

以下將鑿型鏟、鑿型帶翼鏟、曲面鏟、箭型鏟分別記為ZC、YC、QC、JC。

2 結(jié)果與分析

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了每種鏟試驗(yàn)做3次重復(fù)的操作，與耕后堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)比較的耕前數(shù)據(jù)均來(lái)源于各自重復(fù)中的測(cè)量。

2.1 不同深松鏟作業(yè)在水平方向上對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

2.1.1 水平方向土壤堅(jiān)實(shí)度變化情況 項(xiàng)目組對(duì)深松鏟溝壁左右水平方向的堅(jiān)實(shí)度都進(jìn)行了測(cè)量，選取溝壁左側(cè)的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以5、10、15、20 cm為測(cè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出各測(cè)點(diǎn)土層堅(jiān)實(shí)度的平均值和峰值作比較。

圖4反映的是不同結(jié)構(gòu)型式的深松鏟作業(yè)后，土壤堅(jiān)實(shí)度在水平方向上的整體變化情況。項(xiàng)目組分別統(tǒng)計(jì)出每個(gè)試驗(yàn)3個(gè)行程的數(shù)據(jù)，取平均數(shù)進(jìn)行比較。堅(jiān)實(shí)度降低幅度隨著測(cè)點(diǎn)與溝壁距離的增加逐漸降低；在5 cm測(cè)點(diǎn)處，QC作業(yè)后土壤堅(jiān)實(shí)度下降幅度最大，與耕前比較下降 72.12%；在 20 cm 測(cè)點(diǎn)處，ZC、YC、QC、JC作業(yè)后，堅(jiān)實(shí)度平均值降低幅度分別為46.85%、4.25%、53.14%、14.98%。

圖5反映的是不同結(jié)構(gòu)型式的深松鏟作業(yè)后，土壤堅(jiān)實(shí)度在水平方向上的峰值變化情況，項(xiàng)目組統(tǒng)計(jì)出每個(gè)測(cè)點(diǎn) 0～35 cm 內(nèi)土層的堅(jiān)實(shí)度峰值數(shù)據(jù)用以分析。QC作業(yè)后，各測(cè)點(diǎn)的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值降低幅度均比較大，5、20 cm處土壤堅(jiān)實(shí)度降低幅度分別為83.31%、59.32%；YC和JC在15、20 cm處，對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響比較低。

結(jié)合圖4和圖5可得出，深松作業(yè)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響隨著距離的增加而降低；YC、JC對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響相對(duì)于QC、ZC較低。另外，由于圖7和圖9中YC和JC的作業(yè)影響相對(duì)其他2種鏟低得比較多，項(xiàng)目重新查閱了YC和JC的耕前堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)YC和JC試驗(yàn)區(qū)的15、20 cm測(cè)點(diǎn)區(qū)域土壤堅(jiān)實(shí)度比其他2種鏟試驗(yàn)地堅(jiān)實(shí)度要大，導(dǎo)致作業(yè)效果并不明顯，下文分析會(huì)將這個(gè)因素考慮在內(nèi)。

2.1.2 深松鏟結(jié)構(gòu)型式對(duì)兩側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度影響分析 為分析深松作業(yè)，深松鏟兩側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度的變化情況，項(xiàng)目組統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)數(shù)據(jù)并作出圖。由圖6至圖9可知，曲面式深松鏟兩側(cè)的土壤堅(jiān)實(shí)度變化幅度相差比較大，5 cm測(cè)點(diǎn)處鏟右側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度降低幅度為42.92%，左側(cè)為72.17%，其他2處測(cè)點(diǎn)右側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度降低幅度均不足左側(cè)幅度的一半；其他3種鏟左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度降低幅度基本相同。

2.2 不同深松鏟作業(yè)在垂直方向上對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

根據(jù)上文的分析結(jié)果，項(xiàng)目組選取了深松鏟左側(cè)5 cm處測(cè)點(diǎn)土下0～35 cm內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度變化情況來(lái)研究不同深松鏟作業(yè)在垂直方向上對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響。由圖10可知，在0～5 cm 范圍內(nèi)，YC作業(yè)后，土壤堅(jiān)實(shí)度下降幅度為71.58%，JC降低幅度為57.21%，比其他2種鏟的作業(yè)影響要大；各鏟在6～10 cm 和>11～15 cm內(nèi)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響變化不大，這個(gè)范圍屬于適耕淺土層，土壤經(jīng)常整理，所以受影響幅度也相同；在16～20 cm和>21～25 cm范圍內(nèi)，各鏟對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響幅度均呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)，16～25 cm范圍的土層屬于較硬的犁底層，當(dāng)深松鏟打破犁底層后，堅(jiān)實(shí)度會(huì)大幅度下降；深松作業(yè)對(duì)土壤深處的影響程度明顯高于淺層土壤的影響程度。

2.3 不同深松鏟作業(yè)功耗和土壤膨松度的比較

由圖11可知，曲面鏟和鑿型帶翼鏟在土壤膨松度方面要明顯高于鑿型鏟和箭型鏟；曲面鏟牽引阻力要明顯大于其他3種鏟，鑿型帶翼鏟牽引阻力次之。

3 結(jié)論

深松作業(yè)可以有效降低土壤堅(jiān)實(shí)度，但影響幅度不同，從本試驗(yàn)得出，鑿型鏟和曲面鏟在水平方向影響距離大，在 20 cm 測(cè)點(diǎn)處分別降低土壤堅(jiān)實(shí)度46.85%、53.14%。從降低土壤堅(jiān)實(shí)度最大值角度分析，曲面鏟作業(yè)效果最好，鑿型鏟次之。曲面型深松鏟深松作業(yè)在對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度影響上具有明顯的不對(duì)稱性，兩側(cè)影響幅度不同。深松作業(yè)對(duì)于深層土壤堅(jiān)實(shí)度影響比淺層土壤大。在相同作業(yè)條件下，曲面型深松鏟深松作業(yè)產(chǎn)生較大的功耗，對(duì)于土壤膨松度影響也較大。