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）

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基于氣壓劈裂原理的氣壓深松效果試驗(yàn)

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(duì)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(wèn)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(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)模擬試驗(yàn)，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(diǎn)。

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(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(hù)性耕作方式的重要環(huán)節(jié)，對(duì)耕地進(jìn)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]?？梢栽黾油寥乐械目障?，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(kù)”，可以有效提高降水利用率，增加土壤對(duì)農(nóng)作物的供水量[2-4]。目前，土壤深松作業(yè)主要以機(jī)械深松方式為主，如鏟式深松機(jī)、振動(dòng)深松機(jī)等，但普遍存在著深松效果差、程度不均勻、能耗大等問(wèn)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—?dú)鈮荷钏?即對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(kuò)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(guó)內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用，美、英、法、俄、波蘭、挪威等國(guó)先后進(jìn)行了氣壓爆破試驗(yàn)，效果良好。夏紅兵等利用氣壓劈裂技術(shù)對(duì)煤巖進(jìn)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(lái)加固軟土地基[11-13]。但利用氣壓劈裂技術(shù)對(duì)耕地進(jìn)1行深松，國(guó)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(guò)電測(cè)探法，測(cè)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(jì)算出氣壓深松前后的土壤孔隙度。同時(shí)利用自制的土面抬升測(cè)試裝置，測(cè)得氣壓深松后土面抬升量，通過(guò)分析土壤孔隙度變化和土面抬升量,來(lái)分析評(píng)價(jià)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(yàn)與模型建立

1.1試驗(yàn)材料與方法

1.1.1試驗(yàn)用土壤

試驗(yàn)用土壤取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)，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?yàn)樯钏勺鳂I(yè)通常在春季或秋季進(jìn)行，作業(yè)時(shí)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(yàn)用土壤，調(diào)制成與實(shí)際深松作業(yè)時(shí)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(shí)際相符。

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

1.1.2試驗(yàn)裝置

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

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

1.1.3試驗(yàn)方法

1）將試驗(yàn)用土壤放入容器內(nèi)拌制均勻，通過(guò)Miller Soil Box的體積和土壤含水率可算出對(duì)應(yīng)的孔隙度、飽和度土壤質(zhì)量[21]，再把計(jì)算好的土壤質(zhì)量放入相應(yīng)的Miller Soil Box中，用導(dǎo)線(xiàn)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(guò)土壤的電流，A；L、B、H為Miller Soil Box的長(zhǎng)、寬、高，m。

2）選取3因素、3水平進(jìn)行全因素試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平如表2所示，試驗(yàn)測(cè)試不同因素、水平組合下的土壤電阻率，每項(xiàng)組合重復(fù)3次。

表2　試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)所得土壤電阻率按模型（2）進(jìn)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(jì)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(duì)模型做進(jìn)一步處理?？紫堵省柡投群秃实年P(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(yàn)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(yàn)用土壤的電阻率計(jì)算模型。當(dāng)土壤的含水率一定，電阻率ρ0由試驗(yàn)測(cè)得，則土壤孔隙度φ即可由公式（5）計(jì)算得到。

2　氣壓深松模擬試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備

氣壓深松試驗(yàn)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(cè)試裝置和測(cè)量?jī)x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(kāi)關(guān)等。

圖2　試驗(yàn)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(gè)φ5噴氣孔3。

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

土面抬升量測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，主要由光點(diǎn)顯示屏1、紅外線(xiàn)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(dòng)，抬升管的底部裝有平底底座，頂部裝有紅外線(xiàn)發(fā)射燈，紅外線(xiàn)發(fā)射燈的光點(diǎn)投射在光點(diǎn)顯示屏上，顯示屏固定在支撐架上。

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

測(cè)量?jī)x器主要有土壤電阻率測(cè)試儀、硬度計(jì)、環(huán)刀、天平、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)等。

2.2試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際深松作業(yè)時(shí)耕地土層狀態(tài)，設(shè)計(jì)氣壓深松試驗(yàn)，本試驗(yàn)選取犁底層容重和深松氣壓作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，各組試驗(yàn)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(shí)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(yàn)前將部分含水率為18%[27]的試驗(yàn)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(dá)到犁底層的試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)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?zhuān)箽鈽寚姎饪孜挥诰嗤寥辣砻嫔?.35 m的犁底層中。

4）試驗(yàn)前土壤電阻率的測(cè)試采用溫納法[28]，利用土壤電阻率測(cè)試儀對(duì)測(cè)試點(diǎn)的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試。溫納法也稱(chēng)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(xiàn)，等間距插于地面，該法所測(cè)得的電阻率為P點(diǎn)周?chē)寥赖碾娮杪?。測(cè)試點(diǎn)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(diǎn)的初始位置設(shè)置土面抬升量測(cè)試裝置，設(shè)置時(shí)注意抬升管的底部要與土壤表面緊密接觸，以保證試驗(yàn)中抬升管隨土表平穩(wěn)、靈敏抬升，光點(diǎn)準(zhǔn)確映射在顯示屏上，同時(shí)安裝調(diào)試攝影機(jī)記錄光點(diǎn)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(yàn)設(shè)計(jì)中設(shè)定的壓力值時(shí)，開(kāi)啟氣槍控制開(kāi)關(guān)，噴氣2 s后關(guān)閉。

7）試驗(yàn)后土壤電阻率測(cè)試用與試驗(yàn)前相同的方法，測(cè)試氣壓深松試驗(yàn)后測(cè)試點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)的位置Fig.6 Diagram of test points

8）土面抬升量測(cè)試把光點(diǎn)抬升影像導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)圖像處理軟件測(cè)試出光點(diǎn)的上升量,得到土面抬升量。

2.3對(duì)比試驗(yàn)的方法

柴民杰等[29]針對(duì)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(duì)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(jìn)行了深松試驗(yàn)，并利用環(huán)刀法測(cè)量了深松前、后深松鏟尖移動(dòng)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(yàn)的深松深度、土壤的基本物理性質(zhì)及測(cè)點(diǎn)位置與本文試驗(yàn)一致。因此可利用土壤容重與土壤孔隙度的計(jì)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(jì)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(duì)比試驗(yàn)與本試驗(yàn)條件一致的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)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(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。將試驗(yàn)得到的土壤電阻率，代入公式（5）計(jì)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(xiàn)圖，對(duì)氣壓深松的效果進(jìn)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(diǎn)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(xiàn)圖，如圖7所示，各試驗(yàn)條件下，深松后犁底層（測(cè)試深度0.2～0.35 m，以下不再注明）、耕作層（測(cè)試深度0.1～0.2 m，以下不再注明）中的孔隙度等值線(xiàn)圖中的顏色比深松前的明顯變淺，例如，深松前的深藍(lán)色（圖7中a，c，e的左上部及左下部）深松后變?yōu)闇\藍(lán)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(shuō)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(xiàn)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(diǎn)

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(xiàn)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(shí)，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線(xiàn)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(lán)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）?？紫抖忍嵘试谒骄嚯x0.55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(diǎn)到孔隙度提升率為零時(shí)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(shí)，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線(xiàn)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(shí)，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(jiàn)圖8b的淺藍(lán)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(shí)，孔隙度提升率為1.67%（圖中深藍(lán)色）。可見(jiàn)，深松氣壓1.8 MPa對(duì)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(shí)，氣壓深松后的土壤孔隙度提升率的等值線(xiàn)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(jiàn)圖中淺藍(lán)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖中深藍(lán)色）。可見(jiàn)，深松氣壓2.2 MPa對(duì)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(xiàn)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(yàn)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(huì)使土壤的體積發(fā)生變化。King等通過(guò)對(duì)巖土進(jìn)行氣壓劈裂試驗(yàn)研究表明：當(dāng)噴氣點(diǎn)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(rèn)為是氣壓劈裂過(guò)程中土體產(chǎn)生的裂隙寬度[30]，本文的試驗(yàn)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(lái)分析評(píng)價(jià)氣壓深松效果。

在噴氣點(diǎn)距地表面0.35 m，不同犁底層容重和不同深松氣壓的試驗(yàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(shí)得到的土面抬升量的等高線(xiàn)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(duì)比圖9b和圖9a可知，對(duì)容重為1.6 g/cm3的犁底層施加1.8 MPa的深松氣壓時(shí)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(diǎn)處到噴氣點(diǎn)的水平距離）均大于對(duì)容重為1.4 g/cm3的犁底層施加深松氣壓1.4 MPa時(shí)。

圖9c為犁底層容重為1.8 g/cm3，深松氣壓2.2 MPa時(shí)的土面抬升量的等高線(xiàn)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(duì)容重為1.8 g/cm3的犁底層施加2.2 MPa深松氣壓時(shí)產(chǎn)生的土面抬升量最大值要大于對(duì)容重為1.6 g/ cm3的犁底層施加1.8 MPa深松氣壓時(shí)，其土面抬升影響半徑要大于對(duì)容重為1.4 g/cm3的犁底層施加1.4 MPa深松氣壓時(shí)。

圖9　不同水平距離土面抬升量等高線(xiàn)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(duì)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(yàn)條件下，犁底層容重為1.8 g/cm3，深松氣壓2.2 MPa時(shí)，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(huì)影響裂隙的擴(kuò)展方向，現(xiàn)有的研究成果對(duì)裂隙擴(kuò)展方向的認(rèn)識(shí)是一致的，裂隙的擴(kuò)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(shí)，裂隙為豎向裂隙，當(dāng)最小主應(yīng)力為豎向時(shí)，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(yàn)（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(diǎn)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(shuō)明，在水平距離大于0.35或0.45 m以后，土面雖然沒(méi)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(xiàn)[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(méi)有明顯抬升，但其內(nèi)部卻已得到了深松。就是說(shuō)氣壓深松能在不翻動(dòng)耕作層土壤的情況下對(duì)耕地進(jìn)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(biāo)一致。另?yè)?jù)氣壓深松試驗(yàn)過(guò)程觀察可知，高壓氣體使土面抬升而沒(méi)有出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[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(xiàn)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(gè)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(yàn)條件接近，對(duì)其深松后犁底層土壤孔隙度提升率進(jìn)行對(duì)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(lán)色到黃綠色），其中在水平距離0.5 m以?xún)?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?xún)?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?xún)?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?xún)?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?jiàn)，其在較小的水平距離內(nèi)孔隙度提升率的變化幅度要遠(yuǎn)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(shí)形成的斷面是以鏟尖為頂點(diǎn)，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(shí)，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(duì)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(duì)耕地表層深松影響半徑為0.55～0.7 m，對(duì)犁底層深松影響半徑至少為0.7 m。比較可知，氣壓深松對(duì)耕地表層深松影響半徑為傳統(tǒng)深松鏟的2～2.5倍，對(duì)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(duì)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(duì)容重較大的犁底層難以實(shí)施深松的問(wèn)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(xiàn)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(shí)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(duì)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(yàn)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(dòng)或少擾動(dòng)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(diǎn)，對(duì)耕地表層的深松影響半徑是傳統(tǒng)深松的2～2.5倍，對(duì)犁底層深松影響半徑至少為傳統(tǒng)深松的3倍。

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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(jī)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(jiǎn)介：左勝甲（1984-），男，吉林通化人，博士生，從事農(nóng)業(yè)機(jī)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(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAD06B04）

收稿日期：2015-09-14

修訂日期：2015-11-19

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.1+9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-01-0054-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.007