李 偉，張帥磊，高喜杰，黃玉祥，朱瑞祥

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

目前，分層深松技術已引起學者們的廣泛關注[1]。分層深松采用前后鏟分層作業(yè)，前鏟疏松上層土壤，后鏟深松下層土壤[2]。探明分層深松對土壤擾動效果的影響有助于深入理解分層深松的原理，可以為分層深松機的設計提供依據(jù)。

前鏟的入土深度是影響分層深松土壤擾動的重要參數(shù)之一，國內外學者針對分層深松技術進行了大量的研究工作。Mielkes等通過田間試驗，對比研究了不同入土深度的前鏟、分層深松鏟和固定深度的單鏟對功耗和土壤坑形擾動面積的影響[3]。Kasisira和du Plessis研究了前后鏟間距和前鏟入土深度對分層深松能耗的影響，得到前后鏟間距的理論表達公式，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲取了能耗最優(yōu)條件下的前鏟入土深度[4]。Hamza等研究了在后鏟前布置單個、兩個前鏟和前后鏟偏置條件下分層深松鏟的工作阻力和土壤擾動的變化[5]。國內方面，王微通過正交試驗方法，分析了深松深度、前鏟鏟形、后鏟鏟形和前后鏟距等因素對分層深松鏟的耕作阻力和上、下溝槽寬度的影響[6]。趙艷忠等研究了深松深度、前后鏟形組合、分層高度差和前后鏟縱向距等參數(shù)對分層深松鏟牽引阻力的影響[2]?，F(xiàn)有研究主要集中于前鏟入土深度對深松阻力的影響研究，有關分層深松土壤擾動效果的研究較少，且評價指標較為單一。

本文通過土槽試驗方法，利用土壤宏觀擾動輪廓、深松深度及其穩(wěn)定性、土壤蓬松度、土壤擾動系數(shù)和地表平整度等深松土壤擾動效果的評價指標，研究前鏟入土深度為100、150、200、250mm對分層深松土壤擾動性能的影響，為前鏟最佳入土深度的確定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點選在西北農林科技大學機電學院的數(shù)字化土槽內，試驗用土壤為主要分布于關中地區(qū)的塿土，容重為1.36g/cm3[7]。試驗用深松鏟柄為圓弧形深松鏟柄，鏟柄的長度、厚度和寬度分別為770、30、80mm，入土角為23°，鏟柄切土刃角為60°[8]。前鏟采用翼形鏟，后鏟采用入土性能較強的箭形鏟。土槽試驗中使用的分層深松鏟如圖1所示。

1.2 試驗方案設計

前鏟入土深度會對分層深松的土壤擾動效果產生重要影響。根據(jù)文獻可知，土壤的耕作層厚度一般為150mm[9]。本文以50mm為梯度，確定前鏟入土深度分別為100、150、200和250mm 4個水平，后鏟深松深度為300mm；以入土深度為100、150、200和250mm的單個翼形鏟和深松深度為300mm的單個箭形鏟作為對照組進行對比試驗。此外，分層深松鏟的前后縱向鏟間距設定為350mm[1, 10]。試驗方案如表1所示。

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1.3 試驗過程

為模擬真實的大田試驗環(huán)境，土槽土壤采用分層制備的方法進行處理[11-12]。試驗前土槽土壤的平均含水率為17.5%；0～200mm、200～400mm內土壤硬度值范圍分別為0.5～1.2MPa和1.5～2.0MPa。

試驗中土槽試驗車的牽引速率設定為3km/h[12]。實驗室土槽的可用長度為20m，考慮到土槽車存在一定的加速和減速時間，設定前、后4m為緩沖區(qū)，中間的12m為實際的有效測量區(qū)域。

2 結果與分析

2.1 土壤宏觀擾動輪廓分析

為分析前鏟入土深度對分層深松土壤擾動輪廓的影響，在深松后的作業(yè)區(qū)域內獲取分層深松鏟的土壤宏觀擾動輪廓。深松后，仿形繪制得到土壤的橫向擾動輪廓，并測量土壤坑形輪廓的寬度，將輪廓坐標數(shù)據(jù)化，輸入Excel中得到土壤坑形輪廓，如圖2所示。

由圖2可知:前鏟入土深度不同時，分層深松鏟的土壤坑形擾動輪廓存在較大差異。當前鏟入土深度為100、150、200、250mm時，分層深松的土壤坑形輪廓平均寬度分別為476.0、495.0、519.0、573.0mm，表明分層深松后，土壤坑形輪廓的寬度隨著前鏟入土深度的增加而增大。可能的原因是:隨著前鏟入土深度的增加，前鏟深松區(qū)域的土壤擾動范圍不斷增大，而后鏟對作業(yè)區(qū)域的二次疏松進一步擴大了土壤的擾動范圍，導致前、后深松鏟兩次抬起的土壤體積不斷增加，形成的深松土壤坑形輪廓寬度隨之增加。

(a) 前鏟入土深度為100mm的分層深松鏟

(b) 前鏟入土深度為150mm的分層深松鏟

(c) 前鏟入土深度為200mm的分層深松鏟

2.2 深松深度及其穩(wěn)定性

深松深度是指深松耕后形成的溝底至未耕地表的垂直距離。深松后，采用鋼尺在每個作業(yè)行程中按一定間隔選取3個測點測取深松深度，分別計算得到平均深松深度、深松深度標準差及深松深度穩(wěn)定性變異系數(shù)等[13]，具體計算結果如表2所示。

表2 不同前鏟入土深度條件下分層深松和單鏟深松的 深松深度及其穩(wěn)定性Table 2 The subsoiling depth and stability coefficient for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

由表2可知：當前鏟入土深度為150mm時，分層深松的深松深度穩(wěn)定性最佳；單鏟深松的深松深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.68%，可知分層深松的深松深度穩(wěn)定性要高于單鏟深松，分層深松可以改善深松深度的穩(wěn)定性。主要原因在于：單鏟深松時，深松鏟尖遇到堅硬的土塊或石塊時，由于無法克服上層土塊的重力作用，只能向上、向后彈跳，導致深松深度無法達到規(guī)定深度，且波動較大；分層深松時，前鏟先對耕作層土壤進行疏松、破碎，并帶至深松鏟兩側，實現(xiàn)耕作層與犁底層土壤的分離，后鏟只需深松剩余土層的土壤，這時上層土壤對深松鏟的抑制作用較小，后鏟可將土塊或石塊抬起，或發(fā)生較小幅度的向后、向上彈跳，能在繞開障礙后深松至設定深度，從而保證深松深度的穩(wěn)定性。

2.3 土壤蓬松度和土壤擾動系數(shù)

土壤蓬松度和土壤擾動系數(shù)是深松土壤擾動效果的主要評價指標，反映了深松前、后土壤結構體積與容積密度的變化差異[14]。

根據(jù)試驗測繪得到土壤坑形、壟形輪廓的橫向截面形狀，采用割補法和土壤蓬松度、土壤擾動系數(shù)的計算公式進行計算、匯總[13]，如表3所示。

表3 不同前鏟入土深度條件下分層深松和 單鏟深松的的土壤蓬松度和土壤擾動系數(shù)Table 3 Soil volume expansivity and soil disturbance coefficient for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

由表3可知：隨著前鏟入土深度的增加，分層深松的土壤蓬松度隨之增大?？赡茉蛟谟?，前鏟抬升的土壤體積會隨入土深度的增加而增加，后鏟在通過時除深松剩余土層外，還會對之前疏松過的部分土壤進行二次疏松，并抬升至地表，使得抬升至地表的土壤總體積隨之增加。

單鏟深松的土壤擾動系數(shù)均小于分層深松。主要是因為單鏟深松時，較深土層的土壤在表層土壤的重力影響下無法得到抬升，且會受到深松鏟的擠壓作用，因而擾動的土壤體積有限；在分層深松作業(yè)中，前鏟對表土進行了疏松、分離，后鏟在沒有上層土壤的干涉下可抬升較多的土壤體積，改善了深層土壤的擾動效果。

2.4 地表平整度和其他土壟參數(shù)

深松后的土壟堆積輪廓對播種、作物根系生長等產生重要影響，相應的參數(shù)包括地表平整度、土壟的壟溝寬度和壟高。其中，地表平整度的測量、計算方法詳見文獻[11]。土壟的壟溝寬度和壟高主要通過卷尺測定得到，對測量的3次重復試驗數(shù)據(jù)進行整理，得到的試驗結果如表4所示。

由表4可知：分層深松的土壤地表平整度均小于單鏟深松，因而分層深松的土壤地表平整性要好于單鏟深松。這是因為單鏟深松時抬升至地表的土塊較大，且土壟寬度有限，而分層深松時前鏟會先對地表土壤進行破碎、分離，后鏟的二次擾動減小了土塊的尺寸，并增加了土壤顆粒的側向運動位移；分層深松作業(yè)后形成的土壟高度變化較小，而前鏟鏟尖在土層中的深度位置不同會使土壟寬度發(fā)生較大變化，分層深松后的碎土塊尺寸、土壤內聚力基本相同，因此土壟高度受入土深度的影響較小、差異不大。同時，前鏟入土深度越大，鏟尖作用下的土壤側向運動逐漸減弱，形成的深松壟溝逐漸收窄。

表4 不同前鏟入土深度條件下分層深松和 單鏟深松的地表平整度和土壟參數(shù)Table 4 Soil roughness and soil ridge parameters for subsoilers in tandem with different front subsoiler depths and single subsoiler

當前鏟入土深度為100、150、200、250mm時，分層深松的土壟壟溝寬度大于單鏟深松。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是因為分層深松在作業(yè)過程中會對地表土壤進行二次擾動，土壤向兩側移動的距離會比單鏟大。不同前鏟入土深度條件下，分層深松后的土壟高度相差不大。單鏟深松的平均土壟高度為86.0mm，高于前鏟入土深度不同的分層深松?？赡茉蚴欠謱由钏社P的前鏟會先行對地表進行破碎、分離，使得深松后的地表土塊尺寸小于單鏟深松[15]。

合適的前鏟入土深度，能使前、后鏟分別疏松不同土層的土壤，避免上、下土層土壤的混合，還可減少前鏟對后鏟抬土作用的干涉影響，且作業(yè)后的土壤坑形輪廓寬度較小，有助于土壤的蓄水保墑。

3 結論

1)前鏟入土深度不同時，分層深松鏟的土壤坑形擾動輪廓存在較大差異。隨著前鏟入土深度的增加，土壤坑形輪廓的寬度增加。

2)當前鏟入土深度為150mm時，分層深松鏟的深松深度穩(wěn)定性最好；分層深松的深松深度穩(wěn)定性要高于單鏟深松，表明分層深松可以改善深松深度的穩(wěn)定性。

3)隨著前鏟入土深度的增加，分層深松鏟的土壤蓬松度隨之增大；單鏟深松的土壤擾動系數(shù)小于分層深松。

4)前鏟入土深度不同的分層深松鏟，其土壤地表平整性好于單鏟深松；分層深松的土壟壟溝寬度大于單鏟深松。單鏟深松的土壟高度高于前鏟入土深度不同的分層深松鏟，且分層深松鏟的土壟高度相差不大。