深松土壤體裂隙擴散機理及其影響因素

班春華

摘要：以深松部件與土壤互作規律的研究成果為基礎，總結深松鏟與土壤體擾動的關系，分析影響深松作業質量的因素，探討減小深松阻力和降低能耗的模式，展望今后的研究重點和發展方向，為設計和優化深松機具提供理論依據。

關鍵詞：裂隙擴散;深松;土壤;深松鏟

深松作業不翻轉土層，能夠保持原土層狀態，是打破犁底層最直接和有效的方法。深松作業時，觸土部件以動載荷形式作用于周圍土壤體，使土壤體因受擠壓而破碎，產生大量隨機分布的裂紋并向周圍擴散，形成特定的宏觀擾動輪廓和擾動效果。研究深松過程中的土壤擾動行為，掌握深松部件與土壤的互作規律，分析土壤體裂隙擴散機理，總結深松鏟形狀對土壤擾動過程的影響，有助于獲得生產需要的土壤狀態，也有利于深松機具的設計和優化，為減小深松阻力和降低能耗奠定基礎。

1 土壤體裂隙擴散機理

在作業過程中，土壤擾動是一個復雜過程，其中裂紋擴散是土壤體破碎的基本形式。國內外學者采用多種方法研究深松過程中的土壤體裂紋擴散機理，并取得了諸多有價值的研究成果。

丁啟朔等結合田間實測土壤物理參數，借助離散元EDEM軟件建立適于粘性水稻土的深松耕作離散元模型，對比驗證機具的耕作阻力和土壤擾動，從仿真角度揭示深松土壤擾動微觀過程和土壤失效破碎機理。

奚小波等采用剖面法觀測土體裂隙及擾動情況，利用正交試驗分析氣爆參數對土體裂隙擴展的影響。同時，通過建立氣爆土體裂隙跡線方程及土體擾動模型，討論土體破壞形式對松土效果的影響。試驗結果表明：當氣爆深度﹤25 cm時，土體以張拉破壞為主，氣爆起劈力0.17 MPa，裂隙擴展隨氣壓增大而增大，土體擾動系數50%;當氣爆深度﹥25 cm時，土體以剪切破壞為主，土體裂隙中心下移，且下移量隨氣壓增大而增大，土體擾動系數大于50%。綜合分析，氣爆深度30 cm、氣爆壓力1 MPa時的效果較佳。

黃玉祥等采用離散元建立深松工作模型，對深松鏟—土壤互作規律進行了較為深入的研究，發現土壤的擾動范圍隨土壤與深松鏟之間距離增大而減小，擾動范圍依次為淺層﹥中層﹥深層;在深松范圍內，土壤的運動速度隨土壤與深松鏟之間距離的增大而逐漸減小，等速度土壤顆粒的分布曲線與深松鏟的鏟柄弧線基本吻合;土壤膨松度、土壤擾動系數仿真值與試驗值的相對誤差分別為13.21%，17.38%;地表土壤縱向堆積角的仿真值與試驗值相對誤差為9.42%。

此外，Godwin利用試驗研究了耕作部件深寬比和入土角對土壤擾動形式及擾動程度的影響。

2 深松鏟與土壤體擾動的關系

鏟尖是深松鏟的關鍵部件之一，其對土壤擾動具有重要影響，為此諸多科研工作者進行了相關研究和試驗。

為探討深松鏟的作業阻力問題，劉俊安等以鑿形、箭形、翼形3種深松鏟為研究對象，分析深松對土壤擾動的影響。試驗數據表明，鏟形對耕后土壤特性、深松溝形面積、阻力F、溝形面積比阻有顯著影響;對土壤擾動面積的影響順序為鑿形鏟﹥箭形鏟﹥翼形鏟;翼形鏟所受阻力分別比箭形鏟和鑿形鏟大123.6%和36.6%，箭形鏟比鑿形鏟所受阻力大63.7%（P<0.05）。溝形面積比阻順序為鑿形鏟﹤箭形鏟﹤翼形鏟。綜合分析疏松效果、牽引阻力和溝形面積比阻，認為鑿形鏟（入土角21 °）的作業效果最佳。

為研究深松過程中的水稻土結構和能量效應，丁啟朔等采用原位土壤耕作綜合測試平臺精準控制條件，設置10，15，20，25，30 cm共5種耕作深度，從耕作阻力及比阻、土壤宏觀擾動輪廓、土壤破碎體分布等方面，綜合評價鑿形鏟的深松作業效果。試驗數據顯示，耕作阻力與耕作深度符合二階函數擬合的遞增關系;耕深20 cm時，深松鏟對土壤的擾動程度最大，地表隆起、開裂和縱向起伏程度最強，土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動面積、平均土塊徑均達到最大值，耕作比阻相對較低;耕深超過20 cm時，作業對土壤的擾動顯著降低，表現為地表隆起、開裂和縱向起伏程度減弱，此時土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動面積、平均土塊徑數值均明顯減小;耕深超過30 cm時，耕作比阻急劇增大。綜合分析各項指標，確定耕深20 cm可獲得較佳的作業效果。

杭程光等以碎土率、土壤蓬松度、土壤擾動系數、地表平整度等作為評價指標，分別采用鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟進行深松作業，利用高速攝影技術研究鏟尖形狀對土壤擾動和作業效果的影響。試驗分析結果表明：鏟尖形狀對土壤擾動有一定影響，其中翼形鏟對壟溝和溝底寬度影響最大，箭形鏟次之，鑿形鏟最小;隨深松鏟鏟尖與土壤接觸面積，以及土塊間二次接觸概率的增加，土壤破碎效果不斷得到改善;同時，鏟尖形狀影響土壤疏松程度和地表平整性，鑿形鏟的疏松效果差但地表平整度優。

另外，Manuwa以3種寬度不同的鏟尖為研究對象，對比分析了不同入土深度條件下的土壤壟形寬度和高度、土壟間距和土壤坑形寬度等擾動參數的差異。

3 土壤體裂隙擴散的其他影響因素

設計深松機具時，應綜合考慮作業質量、減阻效果等因素，加強鏟尖對土壤類型的適應性研究，合理確定鏟尖與土壤接觸面積，以達到良好的作業效果。

王學振等綜合運用EDEM和室內土槽試驗，研究翼鏟高度對深松土壤擾動的影響。李偉等以鑿型深松鏟為研究對象，綜合使用離散元仿真和土槽試驗方法，利用土壤坑形輪廓寬度、土壤壟形輪廓高度、土壤蓬松度、土壤擾動系數和地表平整度等評價指標，研究不同深松深度對土壤擾動的影響。

4 土壤體裂隙擴散研究展望

當前，關于局部深松耕作下土壤體裂隙擴散機理的研究，主要集中于連續介質理論，側重于觸土部件對土壤擾動范圍、輪廓和形狀影響的宏觀行為分析。土壤宏觀擾動輪廓的研究成果較多，且部分研究成果已應用于生產實際。從土壤性質和結構著手，開展土壤體裂紋擴散機理和裂紋擴散過程研究的內容較少。

在今后研究中應綜合利用離散元方法、高速攝影技術、土槽試驗，研究深松耕作過程中的土壤體裂紋擴散機理、動力過程和變化規律，探討不同作業條件對土壤體裂紋擴散擾動效果的影響，以補充和創新現有的局部深松耕作相關研究，為優化耕作部件和改進深松作業模式提供數據支持和理論依據。

參考文獻

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