自激振動深松對土壤物理特性的影響

屈 通，李 霞，湯明軍，王維新，張思遠

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

目前，耕地減少、質量變差進一步加重糧食需求問題。國家規劃綱要指出，在2020年我國糧食產量要達到5 400億kg以上[1]。目前，適合耕種的土壤面積日益減少，糧食產量增加的重要途徑之一是提高土壤質量。新疆地廣人稀，平均每人可耕種面積位列全國之首，達到0.21hm2，因此提高新疆耕地土壤質量、增加作物產量對全國糧食增產具有重要意義[2]。

自20世紀80年代以來，新疆耕地長期采用翻耕或旋耕方式整地，導致耕層變薄、土壤板結，土壤比阻逐年增加，所需耕作動力也越來越大。在農業機械化推廣應用大背景下，大馬力拖拉機等大型農機的廣泛使用又進一步加劇對土壤的壓實，導致惡性循環，使得耕地土壤形成一層又厚又硬的犁底層[3-5]。犁地層的存在使得耕層容量減少，土壤結構變差[6]；導致地表徑流、水土流失越發嚴重，貯水能力減弱，農田肥力日趨衰竭；土壤孔隙度降低，限制田間作物植株根系生長發育；作物抗逆性下降，制約了高產和穩產[7]。要從根本上改良土壤，只有通過深松技術。

研究表明：深松使犁底層破碎，在疏松土壤時土壤透氣性和土壤結構得以改善；深松后，深層土壤得到疏松，且表層土壤與深層土壤不發生翻轉與混合，使松動土壤便于與外界交換氣體的同時可以容納更多的水量，增加作物抗旱能力，同時改善作物根系生長環境，增強作物抗倒伏能力[8-11]。

2010年，中央一號文件明確提出“大力推廣機械深松整地”重要任務，將深松技術作為實現糧食增產和可持續發展的重要技術手段。因此，自激振動深松作為深松減阻降耗的有效方法，研究其對土壤質量物理特性的影響對新疆現有耕作方式優化及耕作資源合理配置具有重要意義[12]。

1 自激振動深松方式及工作原理

自激振動深松機主要由機架、牽引裝置、自激振動深松裝置和深度控制裝置構成。機架的前梁設有牽引裝置，后梁設有4組自激振動深松裝置，橫梁兩側設有深度控制裝置。自激振動深松裝置由前后固定板、振動固定梁、深松機構和自激振動機構構成。其中，自激振動機構由預緊端蓋、自激振動彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸及彈簧心軸構成，是自激振動深松機核心部分。利用SolidWorks三維軟件對自激振動深松機機型三維造型，得到如圖1所示的自激振動深松機結構圖。

2 材料和方法

2.1 試驗地點

2016年9月8日，在新疆維吾爾自治區石河子市145團石河子大學教學試驗場二連內的新疆農墾科學院試驗田進行田間試驗，試驗田內的前茬作物為打瓜，試驗時田間的滴灌帶已回收，殘膜未回收，有打瓜收獲后的殘留打瓜皮。

深松耕作前，對于土壤深度為0～15cm、15～30cm和30～45cm的土壤，土壤堅實度依次為2 077、2 603、2 654kPa；耕前土壤密度為1.75、1.83、1.71g/cm3；耕前土壤容重依次為1.55、1.61、1.49g/cm3；耕前土壤含水率依次為12.87%、13.46%、14.46%。

2.2 試驗方法

選取直徑相同、中徑不同的3組自激振動彈簧進行深松試驗。試驗過程中，將不添加自激振動彈簧的非振動深松組作為對照試驗組，耕作后對不同耕層(0～15cm、15～30cm、30～45cm)土壤物理特性進行測量分析。自激振動彈簧的具體參數如表1所示。

表1 自激振動彈簧尺寸系數Table 1 Dimension factors of the self-excited spring

在打瓜收獲后的試驗田中，舍棄四周雜草叢生、土壤高低起伏過大和存在大量石塊的少耕地段，選取試驗田中間長60m、寬50m的地塊作為試驗區，并通過標桿對試驗區范圍進行標記；同時，在試驗區的兩端預留出10m的拖拉機耕作調整區域，方便拖拉機行進與轉向[13]。在試驗區中，按照平行四邊形對角線對深松方式下土壤物理參數的測點進行選擇，并且通過標桿標記，通過相同距離選取測試點的方法消除用于試驗數據分析處理參數獲取點位置選取的隨意性[14-15]。

2.3 試驗設備與方法

試驗采用美國Spectrum公司生產的Field Scout SC900型土壤深度硬度測量儀; 緊實度儀的測量范圍是0～700kg(即 0～7 000kPa),測量精度為0.1kg(即10kPa)，靈敏度為0.05kg(即5kPa)，測量深度為0～400mm；環刀(內徑為6.18cm，高為20mm，壁厚為1.5mm)；電子天平(稱量為 500g分度值為0.1g)；修土刀；圓玻璃片；自動控制電熱恒溫烘箱(保持溫度在105℃～110℃)；天平(稱量為200g，分度值為0.01g)；密封袋若干、鐵鍬2把。

2.3.1 土壤堅實度

使用堅實度儀按照平行四邊形對角線法在不同深松方式區域測定土壤堅實度，測量過程中記錄堅實度儀壓入土壤深度0～15cm、15～30cm、30～45cm土壤堅實度數值，重復3次求取平均值。

2.3.2 土壤密度、容重和含水率

取土前對環刀質量進行稱量，記為m1；在試驗田中，按照試驗方案設計在測量點進行取土，將環刀刀刃一端垂直壓入耕層土壤，并將環刀中的多余土壤利用修土刀修平，稱量環刀和取出的土壤質量，記為m2；將環刀和取出的土壤一并放入烘箱中，在105℃溫度下進行24h烘干，取出后進行干燥冷卻，稱量環刀和烘干土質量，記為m3，則土壤容重計算公式為

(1)

其中，環刀容積V=πr2h。

其中，ρb為土壤容重(g/cm3)；m1為環刀的重量(g)；m3為環刀和烘干土質量(g)；V為環刀容積(cm3)。

土壤的密度計算公式為

(2)

其中，ρ為土壤的密度(g/cm3)；m為濕土的質量(g)；m2為環刀與濕土的總質量(g)；m1為環刀的質量(g)；V為環刀的體積(cm3)。

土壤含水率的計算公式為

(3)

其中，ω為土壤含水率(%)；m1為環刀質量(g)；m2為環刀和濕土總質量(g)；m3為環刀和干土總質量(g)。

3 試驗結果分析

3.1 土壤堅實度

試驗中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤堅實度數據采集并整理，如表2所示。

表2 堅實度測試數據Table 2 Datas of soil penetration resistance MPa

由表2可知：深松耕前，土壤的堅實度呈現出“由表層土壤至底層土壤逐漸增大”的現象。其原因是：每年打瓜地收獲后，土塊經過翻轉五鏵犁進行翻耕，耕深為30cm，打瓜根系較淺，生長過程中土壤自然板結，造成土壤顆粒之間粘結緊密性由表層土壤至底層土壤逐漸增大的現象。深松耕后，土壤堅實度大致呈現出“表層小、中層大、底層小”的現象。其原因是：深松過程中只松土不翻土，深松最大深度大概為30～45cm，表層土壤自身堅實度比較低，底層土壤被深松鏟尖打破，形成虛實相間的現象。

將耕前、耕后各測量點土壤堅實度分別求取平均值，相較于耕前，無論非振動深松還是振動深松，均能使耕層土壤堅實度均下降。相較于非振動深松，彈簧Ⅲ耕作后>15～30cm耕層堅實度下降17.44%，0～15cm耕層堅實度下降20.17%；彈簧Ⅱ耕后0～15cm耕層堅實度下降23.24%，>15～30cm耕層堅實度下降10.09%；彈簧Ⅰ與非振動對土壤各耕層堅實度減少效果相差不大，原因可能是彈簧Ⅰ剛度較小，耕作過程中彈簧被全部壓縮，深松情況與非振動組類似。

3.2 土壤密度

試驗中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤密度數據采集并整理，如表3所示。

表3 土壤密度測試結果Table 3 The test results of soil density g/cm3

由表3可知：土壤密度隨著耕層加深逐漸變大。相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動均能減小土壤密度，但彈簧振動降低土壤容重效果更明顯。其中，在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于耕前和非振動情況，土壤密度下降依次為10.86%和6.02%；在>15～30cm耕層，依次為18.58%和16.29%。彈簧Ⅱ較于耕前和非振動情況，在>15～30cm耕層，土壤密度下降依次為10.93%和8.43%；彈簧Ⅰ對淺層土壤密度減少效果稍明顯，在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于耕前和非振動情況，土壤密度下降依次為5.14%和1.81%；對于>30～45cm的深層土壤，彈簧振動和非振動情況對于土壤密度減小效果相差不大。其原因是：深層深松時，耕深最多達到40cm，由于拖拉機動力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動效果相近。

3.3 土壤容重

試驗中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤容重數據采集并整理，如表4所示。

表4 土壤容重測試結果Table 4 The test results of soil bulk density g/cm3

由表4可知：隨著耕深的增加，土壤容重逐漸變大。相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動均能減小土壤容重，但彈簧振動降低土壤容重效果更明顯。其中，在15～30cm耕層，彈簧振動土壤容重相較于耕前土壤容重下降18.01%，相較于非振動土壤容重下降13.73%，而0～15cm下降百分比依次是9.68%和4.11%；但對于30～45cm，非振動與彈簧振動處理對土壤容重下降百分比相差不大。其原因是：深層深松時，耕深最多達到40cm，由于拖拉機動力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動效果相近。

3.4 土壤含水率

試驗中，將耕前、非振動參照組及各彈簧類型下的土壤含水率數據采集并整理，如表5所示。

表5 耕作前及不同處理耕后下土壤含水率Table 5 The test results of soil moisture content before tillage %

由表5可知：相較于耕前各耕層，非振動和彈簧振動使土壤含水率下降。其中，相較于耕前土壤含水率，非振動深松、彈簧Ⅰ、彈簧Ⅱ和彈簧Ⅲ等自激振動深松方式下，0～15cm表層土的土壤含水率下降依次為4.04%、11.27%、9.25%和8.08%；隨著耕深的增加，土壤含水率下降幅度依次減少。此次土壤含水率測定為深松耕作前和深松耕作后立即對土樣進行采集測定，因此土壤水分發生蒸發，導致耕作后土壤含水率下降，且深松過程中和深松過程后表層土壤中的水分蒸發最易發生，因此表層土壤的含水率下降嚴重，同時蒸發量隨著耕層深度的加深而減少，含水率下降幅度也隨之減少。

4 結論

1) 無論是非振動深松還是自激振動深松，都可以降低土壤的堅實度、密度、容重；但針對各耕層土壤，自激振動深松對上述土壤物理特性的降低幅度大于非振動深松。

2) 相較于非振動深松，彈簧Ⅱ耕后0～15cm耕層堅實度下降23.24%，>15～30cm耕層堅實度下降10.09%；在0～15cm耕層，彈簧Ⅲ相較于非振動，在>15～30cm耕層為16.29%；彈簧Ⅲ相較于非振動情況，在0～15cm耕層和>15～30cm耕層，土壤容重下降依次為4.11%和13.73%；彈簧Ⅰ與非振動對各耕層土壤容重相差不大，同時對于>30～45cm的深層土壤自激振動和非振動情況土壤密度減小效果相差不大，深層深松時，由于牽引阻力增加使彈簧被完全壓縮，深松效果下降。對于不同耕層土壤，自激振動彈簧參數對土壤物理性質變化有影響。

3) 相較于耕前，非振動、彈簧Ⅰ、彈簧Ⅱ和彈簧Ⅲ耕作方式下，0～15cm表層土的土壤含水率下降依次為4.04%、11.27%、9.25%和8.08%。自激振動深松處理方式下，通過土壤容重和堅實度變化，可以間接推測自激振動深松方式后各耕層土壤顆粒破碎更為嚴重，土壤水分蒸發幅度更大，導致耕后土壤含水率下降。