錯位布置深松鏟距對土壤擾動和耕作阻力的影響

張帥磊，王學振，姚毓香，朱瑞祥，黃玉祥

(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

現有深松機布置形式多樣，主要有單排和多排布置兩種。其中，人字型、V型、M型、W型等是典型的錯位布置形式[1-4]。錯位布置下，橫向鏟距與縱向鏟距的不同使鏟間土壤的剪切擠壓作用產生差異，進而影響土壤擾動效果和耕作阻力。因此，研究深松鏟橫向和縱向鏟距變化有助于深入理解鏟距與土壤擾動和耕作阻力之間的關系，可以為深松鏟距的選擇提供依據。

鏟距是深松機的關鍵布置參數。Hang等研究了單排布置下橫向鏟距對土壤擾動的影響，發現鏟距布置為40cm時土壤擾動效果較好[5]。Godwin在深松單鏟作業土壤擾動模型的基礎上，分析了多鏟作業時鏟間交互區域深度與鏟距的關系并建立了相關方程[6]。杭程光等研究了單排布置下橫向鏟距對深松鏟表面應力的影響，結果發現在鏟距為40cm時深松鏟表面應力分布較為均勻[7]。國內外學者研究單排布置的鏟距較多，對應用更為廣泛的錯位布置鏟距布置研究比較匱乏[8]。

本文通過田間試驗的方法分析不同橫向和縱向鏟距布置下土壤壟形高度、土壤坑形寬度、耕作阻力、土壤擾動面積及比阻的差異，對比研究鏟距變化對土壤擾動和耕作阻力的影響，從而為深松鏟的優化布局提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在陜西楊凌西北農林科技大學試驗田中進行，其土壤類型塿土，粘性較大，經黃土母質逐步發育演變而成[9-10]。0～15cm、15～30cm內土壤耕層的緊實度分別為0～2 500kPa和2 500～6 000kPa，土壤密度分別為1.21g/cm3和1.48g/cm3，土壤含水率分別為17.3%和22.68%。試驗田面積為(65×70)m2，試驗區劃分為3個區域，中間為測試區域，兩端為轉向調整區，將測試區域進行等距劃分，如圖1所示。

圖1 試驗區布局圖

1.2 試驗儀器

本試驗選用翼型鏟進行深松作業。鏟柄選用中型圓弧形深松鏟鏟柄，鏟柄切土刃角為60°，鏟柄厚度為30mm，鏟尖翼張角為115°，結構簡圖如圖2所示(仿制JB/T 9788-1999《深松鏟和深松鏟柄》)。圖2中，h為鏟柄高度(mm)；b為鏟柄長度(mm)；S為鏟尖長度(mm)；R為鏟柄曲率半徑(mm)；α為入土角(°)。

圖2 深松鏟結構簡圖

錯位布置深松鏟包括橫向鏟距和縱向鏟距兩個鏟距布置因素。現有深松機一般橫向鏟距的布置范圍為30～50cm，縱向鏟距一般布置為20～40cm，最大布置范圍為60cm[7]。因此，本文中橫向鏟距以5cm為梯度，選取30、35、40、45、50cm等5個水平，縱向鏟距以10cm為梯度，選取20、30、40、50、60cm等5個水平，試驗因素水平如表1所示。

表1 試驗因素水平表

1.3 試驗過程

深松過程中，東方紅1204型拖拉機以高Ⅰ檔牽引作業，行進速度為1.74km/h，如圖3所示。通過調整活動梁和深松鏟位置來調節深松鏟橫向與縱向鏟距，通過壟型高度、坑形寬度及擾動面積、耕作阻力、深松比阻等參數評價不同橫向和縱向鏟距的深松作業效果。其中，耕作阻力由連接拖拉機與深松機的上拉桿傳感器和下拉桿傳感器檢測，經數據采集箱無線傳輸于電腦進行記錄，如圖4所示。耕作后對檢測區的土壤坑形、壟型擾動輪廓隨機選取3組進行測繪，并計算壟型高度、坑形寬度及擾動面積，如圖5所示。

圖3 田間試驗過程

圖4 耕作阻力測量裝置

圖5 土壤擾動輪廓測量

2 試驗結果與分析

2.1 土壤擾動輪廓分析

壟形高度可反映作業時土壤的堆積效果，坑形寬度在一定程度上可反映土壤的擾動效果[11]。圖6為橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時的土壤輪廓圖。其中，hb和ha分別表示前、后鏟的壟形高度，lb和la分別表示前、后鏟外側土壤擾動輪廓的坑形寬度。由圖6可知：前鏟的壟形高度大于后鏟，前鏟的坑形寬度也大于后鏟。

圖6 錯位布置深松鏟擾動輪廓

土壤壟形高度如表2所示。由表2可知：錯位布置下，前鏟的壟形高度均大于后鏟；在橫向鏟距為30cm時，土壤壟形高度在縱向鏟距為40cm時，最小，前鏟壟形高度為5.65cm，后鏟壟形高度為5.16cm；在橫向鏟距為35、40cm時，土壤壟形高度在縱向鏟距為30cm時最小，前鏟壟形高度分別為5.64cm和5.84cm，后鏟壟形高度分別為4.95cm和5.45cm；橫向鏟距為45cm和50cm時，土壤前后鏟壟形高度隨縱向鏟距的增加逐漸增加。縱向鏟距以20cm布置時，橫向鏟距為40cm的土壤前鏟壟形高度最小為5.93cm，橫向鏟距為35cm的土壤后鏟壟形高度最小為5.15cm；縱向鏟距以30cm布置時，橫向鏟距為35cm的土壤前后鏟壟形高度最小，分別為5.64cm和4.95cm；縱向鏟距為40、50、60cm時，前后鏟壟形高度隨橫向鏟距的增大而增大。前后鏟壟形高度的差異隨橫向鏟距的增加而逐漸減小，橫向鏟距為50cm時前后鏟的壟形高度差異已較小。其中，以橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時前后鏟的壟形高度最低，土壤堆積最小，地表平整性最好。

土壤坑形寬度如表3所示。由表3可知：橫向鏟距以30cm布置下，縱向鏟距為40cm時前鏟的坑形寬度最大；橫向鏟距以35、40、45cm布置、縱向鏟距為30cm時，前鏟的坑形寬度最大；橫向鏟距以50cm布置時，前鏟的坑形寬度隨縱向鏟距的增大而減小。縱向鏟距以20cm布置下，坑形寬度最大時的橫向鏟距為40cm；縱向鏟距以30cm布置下，前鏟的坑形寬度最大時對應的橫向鏟距為35cm；縱向鏟距為40、50、60cm時，前鏟的坑形寬度隨橫向鏟距的增大而減小。總體上，錯位布置下前鏟的坑形寬度大于后鏟，同一縱向鏟距布置下后鏟的坑形寬度隨橫向鏟距的增大而增大。前后鏟壟形高度的差異隨橫向鏟距的增大逐漸減小，橫向鏟距為50cm時前后鏟的坑形寬度差異已較小。

因此，在同一橫向鏟距下，縱向鏟距太小或太大都會造成土壤的壟形高度增大、坑形寬度變小；同理，在同一縱向鏟距下，橫向鏟距太小或太大時土壤的壟形高度增大、坑形寬度變小。這說明，鏟距較小時容易造成土壤堆積，且雙鏟共同作用會發生部分抵消，不利于土壤縱向擾動的拓展；鏟距較大時，深松鏟如同單獨作業，雙鏟的共同作用微弱，使土壟堆積較高且減少雙鏟協同的土壤縱向擾動延伸。

表2 土壤壟形高度

表3 土壤坑形寬度

2.2 土壤擾動面積分析

土壤擾動面積是反映耕作效果的關鍵參數之一。由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結果(見表4)可知：橫向鏟距與縱向差距對土壤擾動面積的顯著性檢驗值分別為0.000和0.020，說明橫向鏟距對土壤擾動面積的影響程度大于縱向鏟距。不同橫向鏟距與縱向鏟距布置下深松作業后土壤的擾動輪廓面積如表5所示。在同一縱向鏟距布置下，隨橫向鏟距的增大，土壤的擾動面積逐漸增加，說明隨橫向鏟距的增大，鏟間土壤交疊區域變小，總體擾動面積變大。在橫向鏟距為30、35、40cm時，土壤擾動面積均在縱向鏟距為30cm時最大，此時擾動面積分別為1 422.75、1 683.3、1 738.98cm2；當橫向鏟距為45cm和50cm時，土壤擾動面積隨縱向鏟距的增大逐漸減小。這說明，橫向鏟距與縱向鏟距較小時雙鏟的擾動作用發生部分抵消，導致土壤擾動面積較小。縱向鏟距較大時，雙鏟的共同作用減弱同樣會造成土壤擾動面積減小。因此，為增大深松作業擾動面積，深松鏟鏟距應適當選擇，不宜太大也不宜太小。

表4 土壤擾動面積單因素變量方差分析 Table 4 Single factor variance analysis of soil disturbance area

表5 土壤擾動面積

2.3 耕作阻力分析

耕作阻力是反映深松作業性能的重要指標，可以反應耕作過程中的機具的功率消耗情況[12-13]。由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結果(見表6)可知：橫向鏟距與縱向差距對耕作阻力顯著性檢驗值均為0.000，說明二者對耕作阻力均有顯著影響。耕作阻力如表7所示。由表7可知：在橫向與縱向鏟距分別布置為35cm和30cm時，耕作阻力最小。在同一縱向鏟距布置下，耕作阻力隨橫向鏟距的增大呈先減小后增大的變化趨勢；橫向鏟距為30、35cm時，同一橫向鏟距布置下耕作阻力最小值對應的縱向鏟距分別為40、30cm。橫向鏟距為40、45、50cm時，在同一橫向鏟距布置下，耕作阻力隨縱向鏟距的增大而增大。這說明，深松鏟在以縱向鏟距為20cm、橫向鏟距在30～35cm范圍內布置時，鏟間土壤發生壅積，造成耕作阻力變大。縱向鏟距為60cm或橫向鏟距為50cm時，因鏟距較大，雙鏟協同作用微小，深松鏟如獨立作業，導致各鏟的耕作阻力較大，同時深松鏟間距變大，也造成雙鏟作業力矩增大，導致雙鏟共同作業時的耕作阻力增大。

表6 耕作阻力的影響單因素變量方差分析結果

表7 耕作阻力

2.4 比阻分析

比阻SDF(Specific Draft Force)能夠反映耕作阻力及土壤擾動的綜合效果[14]，其計算公式為

(1)

式中DF—牽引阻力(N)；

A—深松作業后土壤橫截面擾動面積(cm2)。

由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結果(見表8)可知：橫向鏟距與縱向差距對比阻的變顯著性檢驗值均為0.000，說明二者對比阻均有顯著影響。比阻如表9所示。由表9可知：在橫向鏟距以30cm和35cm布置下，縱向鏟距為30cm時，比阻最小，分別為4.559和3.496；橫向鏟距為40、45、50cm時，在同一橫向鏟距布置下，比阻隨縱向鏟距的增大而增大。在同一縱向鏟距布置下，比阻隨橫向鏟距的增大呈先減小后增大的變化趨勢。諸多鏟距布置中，橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時，比阻值最小為3.496，此時深松作業的耕作阻力和土壤擾動的綜合作業效果最好。

表8 比阻的影響單因素變量方差分析結果

表9 比阻

3 結論

1)通過田間試驗，研究了深松鏟鏟距變化對土壤擾動和耕作阻力的影響。結果表明：深松鏟橫向和縱向鏟距變化對土壤擾動和耕作阻力均產生重要影響。

2)深松鏟橫向鏟距與縱向鏟距太小時，鏟間土壤發生壅積，雙鏟擾動作用發生部分抵消，造成壟形高度大、耕作阻力大，不利于土壤擾動的縱向延伸，坑形寬度和土壤擾動面積變小。深松鏟橫向鏟距與縱向鏟距太大時，雙鏟間協同作用較弱，且力矩較大，導致耕作阻力大、坑形寬度小、土壟堆積較高，深松作業效果較差。

3)當橫向鏟距和縱向鏟距布置為35cm和30cm時，耕作比阻最小，且壟形高度最低、坑形寬度較大，表明該鏟距布置方案的耕作阻力及土壤擾動的綜合效果較好。