模擬農業機械對土壤壓實的試驗研究

摘要[目的] 進行模擬農業機械對土壤壓實的實驗，為研究農業機械對土壤造成的壓實破壞提供理論依據。 [方法]重塑含水率（級差為3%）和體積密度（級差為0.2 g/cm3）不同的水稻土和黃棕壤，利用土壤固結儀對其進行模擬壓實，分析壓實對土壤容重、飽和持水率和應力傳遞系數的影響。 [結果]隨著含水率的增加，壓實對土壤的影響逐漸加重，且當土壤含水率在16%～22%時壓實對土壤產生的破壞較為嚴重。土壤抗壓實能力隨體積密度的增加而增加。相同含水率和體積密度土壤應力傳遞系數不變，即傳遞至土壤底層應力σz與土壤表面施加力σ0呈相對穩定的線性關系。 [結論]機械壓實會使土壤容重增加，飽和持水率降低。隨著土壤含水率的減少和體積密度的增加，壓實對土壤的影響減弱。土壤應力傳遞系數與土壤類型、含水率、體積密度等有關。對于給定狀態的土壤，其土壤應力傳遞系數不變。

關鍵詞土壤壓實；含水率；體積密度；土壤應力傳遞系數

中圖分類號S23文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0117-03

Experimental Study on Soil Compaction by Simulated Agricultural Machinery

DONG Zeyuan

（College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing，210031）

Abstract[Objective] The experiment was carried out to simulate the soil compaction of agricultural machinery， and the theoretical basis was provided to study the compaction and failure of soil caused by agricultural machinery. [Method] The paddy soils and yellow brown soils with different water content （rank differences：3%） and bulk density （rank difference：0.2 g/cm3） were reconstructed. The soil consolidation was simulated by soil consolidation instrument and analyzed the effects of compaction on soil bulk density， saturated waterholding capacity and stress transfer coefficient. [Result] With the increase of water content， the effect of compaction on soil gradually increased， and when soil moisture content was 16%-22%， soil damage was more serious. The compressive capacity of soil increased with the increase of bulk density. The soil moisture transfer coefficient of the same moisture content and bulk density was constant， that was， the linear relationship between the stress σz and the soil surface application force σ0 was relatively stable. [Conclusion] Mechanical compaction will increase the soil bulk density and reduce the saturated waterholding capacity. With the decrease of soil moisture content and the increase of bulk density， the effect of compaction on soil becomes weak. Soil stress transfer coefficient is related to soil type， water content， bulk density and so on. For a given state of soil， the soil stress transfer coefficient remains unchanged.

Key wordsSoil compaction；Moisture content；Bulk density；Soil stress transfer coefficient

農業機械對土壤造成的壓實破壞是土壤退化的重要原因之一。隨著農業和農村經濟的發展，我國農業機械化程度越來越高，農業機械在作業過程中對土壤造成壓實破壞也十分嚴重。該研究在含水量不同的水稻土和黃棕壤上，模擬農業機械在非連續載荷情況下對不同體積密度的土壤進行壓實，分析壓實對水稻土和黃棕壤土壤容重、飽和持水率和應力傳遞系數[1]的影響，為今后研究土壤壓實機理提供理論依據。

1材料與方法

1.1儀器設備

碎土機1臺；烘箱1臺；電子秤1臺；土壤固結儀1臺；電子天平1臺，精密度001 g；千分表1個；取土器及環刀若干。

1.2試驗方法

水稻土取自南京農業大學浦口農場，在水稻收獲后將耕作層土壤（0～15 cm）帶回實驗室；黃棕壤是從南京浦口老山地區丘陵緩坡地取得。將取回的水稻土和黃棕壤風干，破碎，用2 mm篩網過篩，根據汪攀峰等[2]的方法按照3%的級差調制含水率為10%、13%、16%、19%、22%、25%的土壤樣品，并分別密封于塑料膜中，靜置24 h，使其水分充分混合。在φ 50 mm×50 mm的環刀內壁涂抹凡士林，以減弱土壤內壁摩擦效應，制備體積密度為1.3、1.5、1.7 g/cm3的土壤樣品。每種參數的土壤樣品制備4個，其中3個土壤樣品用來取平均數，以消除測量誤差和隨機誤差的影響，第4個用來作對照。

對制備好的土壤樣品在土壤固結儀上進行單軸壓縮試驗[3]，通過逐漸添加砝碼使環刀中的土壤依次承受50、100、200、300、400 kPa的壓實力，同時利用土壤樣品下的力傳感器記錄傳遞到土壤底層的應力以及利用千分表記錄加載板下陷的位移。之后利用袁娜娜[4]的方法測定土壤持水率。

2結果與分析

2.1壓實對土壤容重的影響

容重可有效反映土壤壓實程度，容重越大土壤壓實程度越大。利用千分表測量下陷板下陷深度后可計算出壓實后土壤體積，同時根據壓實前后土壤質量不變計算在不同含水率和體積密度下水稻土和黃棕壤壓實后的土壤容重。

為了更清晰地體現出含水率與體積密度分別對壓實后土壤容重的影響，繪制體積密度在1.5 g/cm3 下水稻土與黃棕壤的容重與含水率關系圖（圖1）。

從圖1可以看出，隨著含水率的增加，壓實后的土壤容重逐漸增大，說明含水率越高土壤抗壓實能力越弱，相同條件下水稻土抗壓實能力比黃棕壤強。

從圖2、3可看出，對于同一種土壤，當含水率低于16%時，土壤容重變化趨勢較小；當含水率超過16%時，土壤容重會存在一段急劇增大區間；隨著含水率的增加趨于平穩。說明含水率較低時土壤抗壓實能力比含水率高的土壤抗壓實能力強。

度依次為1.7、1.5、1.3 g/cm3，說明土壤體積密度越大，抗壓實能力越強。

2.2壓實對飽和持水率的影響

飽和持水率是指土壤所能保持的最大含水量與土壤干重之比，將壓實之后的土壤放置24 h，利用袁娜娜[4]的方法測定土壤持水率。通過分析發現，壓實對水稻土和黃棕壤的飽和持水率影響相近，在此以水稻土為例進行分析。

從表1可以看出，當體積密度一定時，沒有壓實和經過壓實的水稻土飽和持水率都隨含水率的增加而減少，但未壓實的水稻土持水率會略高于壓實后的水稻土持水率，可證實壓實會降低土壤孔隙度，使土壤保持水分不流失的能力降低。當土壤含水率一定時，土壤持水率隨著土壤體積密度的增加而逐漸降低，壓實后的土壤持水率小于未壓實的土壤持水率，且在含水率10%～19%時，體積密度越小的土壤壓實后飽和持水率與未壓實的土壤飽和持水率差距越大，說明壓實對體積密度越小的土壤持水率影響越大。

2.3壓實土壤的應力傳遞分析

土壤應力傳遞評價指標為傳遞至土壤底層應力與土壤表面施加力之比，稱土壤應力傳遞系數。由力傳感器測得，根據所掛砝碼計算得到[5-6]。 圖4、5分別為水稻土（含水率為19%）和黃棕壤（含水率22%）在模擬壓實過程中傳遞至土壤底層應力隨土壤表面施加力變化關系圖。由圖4、5可知，對于給定狀態的土壤，傳遞至土壤底層應力與土壤表面施加力呈相對穩定的線性關系（即土壤應力傳遞系數不變），這說明應力傳遞系數可作為一個可測穩定的土壤應力傳遞性能參數來研究。當改變土壤的類型、含水率、體積密度三者之一時，土壤應力傳遞系數會發生變化，但仍呈線性穩定關系。體積密度為1.3、1.5、17 g/cm3時，水稻土應力傳遞系數分別為0.82、0.69、0.60，黃棕壤應力傳遞系數分別為 0.61、0.62、0.58。

由土壤應力傳遞系數可知，隨著土壤體積密度的增大，土壤表面應力傳遞至土壤底層（試驗中土壤為50 mm深）能力越弱；含水率的增大會導致土壤應力傳遞系數增大，高含水率的土壤條件更有利于應力往土壤底層傳遞。

3結論

（1）含水率會對土壤壓實效果產生影響。壓實對土壤的破壞隨著含水率的增加而加劇，且當土壤含水率在16%～22%時，壓實對土壤產生的破壞較為嚴重。相同條件下水稻土抗壓實破壞能力比黃棕壤強。

（2）壓實不同體積密度的土壤其產生的壓實破壞效果不同。隨著土壤體積密度的增加，壓實的影響減弱，土壤抗壓實能力增強。當土壤體積密度足夠大時，壓實對土壤產生的破壞趨于平穩。

（3）土壤壓實會造成土壤破壞，使土壤孔隙度減小，容重增加，土壤飽和持水率降低。土壤應力傳遞系數與土壤類型、含水率、體積密度等有關。對于給定狀態的土壤，傳遞至土壤底層應力與土壤表面施加力呈相對穩定的線性關系，即土壤應力傳遞系數不變。

參考文獻

[1] 賀亭峰，叢文杰，ADAM B E，等.基于壓實分析模型的土壤應力傳遞系數研究[J].農業機械學報，2017（6）：1-11.

[2] 汪攀峰，丁啟朔.黏土單層擊實試驗與制樣因子研究[J].巖土力學，2010，31（6）：1797-1802.

[3] 李春林，丁啟朔，陳青春.水稻土的先期固結壓力測定與分析[J].農業工程學報，2010，26（8）：141-144.

[4] 袁娜娜.室內環刀法測定土壤田間持水量[J].中國新技術新產品，2014（9）：184.

[5] 陳浩，楊亞莉.土壤壓實模型分析[J].農機化研究，2012，34（1）：46-50.

[6] 郭淑麗.基于GPR的復墾土壤壓實探測模型研究[D].泰安：山東農業大學，2013.

45卷21期東澤源模擬農業機械對土壤壓實的試驗研究