深松鏟擾動下天然草地復合土層失效特性的試驗研究

賀長彬 桑洪超 劉美玉 畢玉革* 尤 泳

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018； 2.中國農業大學 工學院，北京 100083)

天然草地是我國北方重要的生態屏障，是發展畜牧業重要的自然資源[1]。羊草是一種多年生禾本科植物，其適口性好、產量高，具有較高的飼料價值[2]。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響，羊草草地呈現出大規模硬化和退化趨勢[3-4]；同時由于地下盤根錯節的根系與周圍土壤相互交織和錨定，形成土壤-根系復合土層結構，導致土壤通透性下降，草地生態系統呈現逆向演替，草地植被覆蓋度、生產力、牧草質量和利用效率下降，阻礙了其生態服務功能的有效發揮[5]。通過機械手段打破板結的草地復合土層結構，改善草地植被的生長環境，建立合理的草地耕作層，改善草地土壤通透性，促進植被根系擴繁，是改良退化草地的有效方式[6-12]。

研究表明，采用深松的方式能夠有效降低土層的緊實程度，改善土壤狀況[13-14]。鄧佳玉等[15]通過仿真與田間試驗，得出深松鏟的耕作阻力隨著工作速度和耕作深度的增大而增大，隨著入土角度的增大而減小。劉俊安等[16]以深松鏟的鏟形、入土角和張角為變量，基于土壤擾動參數和牽引阻力對深松鏟的結構參數進行了優化，發現最優的深松鏟為入土角是21°的鑿形鏟。Askari等[17]研究了深松鏟不同雙翼形狀對耕作阻力、土壤疏松面積、單位牽引力、土壤容重和土壤貫入阻力的影響，發現翼角為10°的前翼式深耕鏟作業效果最好。近些年，在深松耕作部件與土壤相互作用方面，主要通過設計和優化部件的結構和形狀參數，并基于受力和擾動失效相結合的方法，利用力學傳感器對其在運行過程中的受力進行監測，對作業后形成的擾動區域、相關溝形形狀參數和作業引起的土壤運移等結果進行研究[18-23]。然而，幾乎所有關于深松類耕作部件的研究和試驗都集中在普通農田，對于適用于天然草地作業的專用深松耕作部件則鮮有報道。

本研究旨在探討具有不同形狀和結構參數的深松鏟與天然草地相互作用過程中的擾動失效特性，擬從耕作部件受到的耕作阻力以及天然草地失效特性參數2方面出發，重點研究典型傳統深松鏟對天然草地復合土層失效效應的影響，以期為開發適用于板結性退化草地的專用深松部件提供技術參考和數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概述

試驗地點位于河北省察北管理區的天然退化草地(41°29′10.733″ N，15°0′42.649″ E，海拔1 380 m)。試驗區草地植被類型以羊草為主，優勢雜草如蒿草等入侵嚴重，草地呈現退化趨勢，試驗區處于禁牧狀態。試驗區土壤屬于砂質壤土[24-25]，其中砂粒(2 mm≥D>0.02 mm。D為粒徑，下同)質量分數為76.72%～77.72%，粉粒(0.02 mm≥D>0.002 mm)為9.80%～13.60%，黏粒(D<0.002 mm)為9.68%～13.28%。采集并測定試驗區0～20 cm草地土層的堅實度、容重、含水率和孔隙度[5]，結果見表1。

表1 試驗區域草地土層物理特性參數Table 1 Soil physical parameters in the test area

試驗區域內，草地土壤-根系復合土層結構主要表現為“夾層式”的結構特點，即從地表至地下20 cm深度范圍內形成了“地表干草+植物根莖+土壤”的復合土層結構。復合土層中，根系主要分布在0～10 cm深度范圍內。根據地表覆蓋植物種類的不同，試驗區內草地土壤-根系復合土層結構主要有2種類型：一種為地表覆蓋植被只以羊草為主，復合土層結構表現為地表干草交錯與羊草根莖錨固地表土層、地下羊草錯綜的橫走根莖與土層形成復合土層結構；另一種為地表覆蓋植被以羊草+蒿草為主，復合土層結構表現為地表干草交錯與蒿草和羊草根莖錨固地表土層、地下蒿草直立根系和羊草錯綜復雜的橫走根莖與土層形成復合土層結構。2種草地復合土層結構類型見圖1。

圖1 草地復合土層結構類型Fig.1 Typical soil-roots composite structure of the natural grassland

1.2 試驗部件及設備

試驗使用的深松鏟類耕作部件見圖2。參考JB/T 9788—1999《深松鏟和深松鏟柄》[26]進行深松鏟的設計。鏟柄選用中型深松鏟鏟柄，鏟尖選用箭形鏟尖(簡稱AS)和雙翼形鏟尖(WS)。以雙翼傾角為因素，設計了3種具有不同雙翼傾角的鏟尖：箭形鏟尖為AS115°；雙翼形鏟尖分別為WS80°、WS115°、WS150°；箭形鏟尖和雙翼形鏟尖鏟寬分別100和150 mm，鏟長均為165 mm；4個鏟尖共用一個鏟柄，需要更換時可拆卸。箭形鏟AS115°的鏟尖表面積為71.51 cm2；雙翼形鏟WS80°、WS115°和WS150°的鏟尖表面積分別為127.70、112.00和108.24 cm2。

草地耕作部件試驗臺通過三點懸掛裝置與拖拉機(悍沃-1204)掛接。試驗臺主要由機架、傳感器連接部件、限深部件、耕作部件、測力傳感器和數據采集裝置等部分組成。耕作部件的作業阻力采用布置

AS115°，雙翼傾角為115°的箭形鏟尖；WS80°、WS115°、WS150°，雙翼傾角分別為80°、115°、150°的雙翼形鏟尖。圖6～9同。 AS115°, arrow-shaped shovel tip with wing inclination angle of 115°; WS80°, WS115° and WS150°, the wing inclination angle of double-wing shaped shovel tips are 80°, 115° and 150°,Figs 6-9 are the same.圖2 試驗中采用的不同鏟尖和鏟柄Fig.2 Different tips and the shared shank of subsoilers used in the experiments

在水平和垂直方向的傳感器(安徽省蚌埠大洋傳感器有限公司，DYX-301，0～2 000 kg)進行測量。待工作穩定后，傳感器數據由數據采集器(杭州聯測自動化有限公司無紙記錄儀，SIN-R9600)采集并導出到筆記本電腦上。通過限深輪控制工作深度(0～cm，可調)。在試驗臺上安裝2臺運動記錄儀，采集耕作部件在草地復合土層結構中的運動圖像。試驗臺及相關儀器見圖3。

1.機架；2.傳感器連接部件；3.限深部件；4.耕作部件；5.測力傳感器；6.數據采集裝置 1.Test bench frame； 2.Sensor connection parts； 3.Depth-controlled component； 4.Tillage parts； 5.Load cell； 6.Data acquisition unit 圖3 草地耕作試驗臺Fig.3 Grassland tillage test bench

1.3 試驗步驟

為研究深松鏟類耕作部件作用下的草地復合土層的擾動失效特性，以耕作部件的受力和土層擾動參數為試驗指標，雙翼傾角為影響因素進行單因素試驗，研究箭形和雙翼形深松鏟在不同作業深度下的作用效果。通過傳感器采集耕作部件的作業阻力，選取地下擾動截面積、地表翻垡率、蓬松度和擾動系數作為草地復合土層擾動參數，通過觀測和測量相關擾動參數，分析耕作部件在作業過程中對草地的擾動情況。

試驗時拖拉機前進速度為(1.8±0.14) km/h，單次試驗長度為12 m，根據草地根系分布情況設計試驗深度分別為15和20 cm，通過拖拉機三點懸掛系統和限深輪，將耕作深度控制分別在10～15和15～20 cm范圍內，每次試驗進行3次重復試驗，在完成不同深度作業后再更換另一深松鏟。

1.4 草地擾動失效特性參數測量及計算

1)地下擾動截面積。每次試驗作業后隨機選取3個測量點，測量草地上、下擾動輪廓的坐標參數，測量時，設置相鄰測量點之間的距離為1 cm。草地復合土層擾動截面積計算公式[17,27]為：

(1)

式中：A為擾動橫截面積，cm2；di(i=1,2,…，n)為輪廓儀測深讀數，cm；d1和dn為第一個和最后一個測深讀數的絕對值，cm；h為相鄰2個測點的水平間距，本研究中h=1 cm。

2)地表翻垡率。根據JB/T 7135—2007《羊草地潛松耕犁》[28]進行測量，若溝面一側與溝底夾角大于100°，則為翻垡。為方便計算，只計算土塊直徑大于5 cm的情況，翻垡率計算公式[28]為：

(2)

式中：Lf為翻垡總長度的平均值，m；b為耕作部件數；L為行程長度，m。

3)蓬松度和擾動系數。參考農田深松部件作業標準[29-30]，用土壤蓬松度和土壤擾動系數進一步描述草地復合土層的失效擾動情況。

土壤蓬松度P按式(3)[31]計算：

(3)

式中：Ah為實際作業深度溝底線與耕作后地表線的截面積，cm2；Aq為實際作業深度溝底線和溝形寬度圍成的截面積，cm2。

土壤擾動系數γ按式(4)[31]計算：

(4)

式中：As為實際開溝作業線與耕作前地表線的截面積，cm2。

4)溝形面積比阻。參考 Raper[32]的溝形面積比阻概念，進一步的通過溝形面積比阻(耕作阻力與地下擾動截面積比值)反映深松鏟鏟形及結構參數對地下擾動截面積與耕作阻力的綜合影響。溝形面積比阻Af按式(5)計算：

(5)

式中：F為耕作阻力，N。

2 試驗結果與分析

2.1 草地地表擾動直觀分析

土壤擾動定義為耕作部件通過土壤時引起土壤結構的松動、運移和混合[33]。深松鏟在作業過程中，鏟柄通常被草根、土塊和干草包裹。在鏟柄前側刃口的切割和擠壓作用下，草地復合土層結構被割裂并向兩側移動，復合土層中錯綜復雜的根莖或被割斷，或被拉扯斷，或被帶起。因草地復合土層中根莖與土壤錨固為一體，隨著耕作部件向前移動，兩側局部范圍內的土層被擾動，過程和擾動結果如下：

地表干草、碎土塊與部分根莖纏繞在鏟柄上(圖4(a))，不斷積累，形成局部擋土墻(圖4(b))，隨著耕作部件逐漸移動，土層被逐漸割裂，同時部分土層被擋土墻掀起，翻轉后回落至溝縫兩邊(圖4(c))，形成根莖-土壤復合土塊地表翻垡。

圖4 深松鏟-土層相互作用過程Fig.4 Interaction process between the soil layer and subsoiler

箭形鏟和雙翼形鏟作業后易產生翻垡，擾動形式多為凸起和大塊的土壤-根系復合土塊翻垡，產生的地表擾動情況受雙翼傾角的影響，不同作業深度下草地地表擾動情況見圖5。

1)所形成的擋土墻將土層掀起，一部分復合土塊形成翻垡，一部分復合土塊旋轉后回落至溝縫兩側，或受根系的拉扯，未發生翻垡，隨著耕作部件移動，復合土塊回落至原位置，形成地表凸起，最終形成翻垡土塊、旋轉土塊、地表凸起交替出現或同時存在的地表擾動情況(圖5(a)和5(b))。

2)隨著鏟柄將土層割裂，土層中的橫走根系被切斷，溝槽兩側的土層受深松鏟尖的作用向上運移，但受其他未斷根系的牽扯，受擾動的復合土層通過根系與原有復合土層結構連接，未發生翻垡或旋轉，鏟柄移動過后，這部分復合土層又回落至原位置，形成具有明顯斷裂邊界但未翻垡的地表凸起(圖5(c))。

圖5 草地復合土層失效特征Fig.5 Typical disturbance characteristics of the natural grassland created by the subsoilers

此外，隨著耕作深度的增加，雙翼傾角的增加，擾動效果從大量的大塊土壤-根系復合土塊翻垡向凸起轉變，在15 cm的耕作深度下， WS80°產生了大量的土塊翻垡，而WS150°只有較少土塊出現了翻垡，產生了許多凸起。耕作深度增加到20 cm，土塊翻垡也得到了改善，并有很多的凸起出現。WS80°產生的大塊翻垡減少，出現了很多小土塊翻垡和一定量的凸起。而WS150°雖然有很多的凸起，但依舊有一定的土塊翻垡。AS115°在不同耕作深度下均比WS115°的土塊翻垡少、凸起多。不同深度下，所有鏟形均不能避免圖4所示的相互作用過程出現，均有土塊翻垡產生。

2.2 草地復合土層擾動失效特性參數

1)翻垡率。深松鏟不同深度下產生的地表翻垡率見圖6。深松鏟作業后，形成的地表翻垡率為5.67%～12.25%。相同深度下，深松鏟結構與雙翼傾角對地表翻垡率均產生了顯著性影響。不同作業深度下，除WS80°的地表翻垡率具有顯著性影響，其他深松鏟造成的土壤翻垡率無明顯差別。在相同深度下，雙翼形鏟的翻垡率隨著雙翼傾角的增大先增大后減小，WS115°的翻垡率最大，WS150°的翻垡率較小，其原因主要是較小的雙翼傾角對土層的擠壓和運移作用較強。AS115°與WS115°相比，AS115°更易產生較小的翻垡率。綜合看，WS150°在不同深度作業時不容易造成草地地表翻垡。

大寫字母表示同種鏟尖不同作業深度的組間差異顯著，小寫字母表示不同鏟尖同種作業深度的組內差異顯著；柱上豎直線為標準差。圖7、8、9同。 Uppercase letters represent significant differences between groups with different working depths of the same shovel tip, lowercase letters represent significant differences within groups with different working depths of the same shovel tip. The vertical line on the column is standard deviation,Figs 7-9 are the same.圖6 不同作業深度下的地表翻垡率Fig.6 Soil overturning rate under different working depths

2)擾動系數和蓬松度。深松鏟在不同深度下的土壤擾動系數和蓬松度見圖7。可以看出，不同作業深度下，深松鏟類耕作部件的土壤擾動系數為65%～74%，土壤蓬松度為40%～47%，除AS115°的土壤擾動系數差異顯著外，其他深松鏟造成的土壤擾動系數和土壤蓬松度無明顯變化。從總體趨勢上看，隨著雙翼傾角的增大，土壤擾動系數變化不大。在不同作業深度下，箭形鏟的土壤蓬松度小于不同雙翼傾角下的雙翼形鏟，但不存在顯著性差別。綜合看，雙翼形深松鏟能使草地復合土層產生較大的擾動區域和地表蓬松度，其中WS150°能夠產生相對較低的地表蓬松度，但獲得較大的土層擾動系數。

圖7 不同作業深度下的土壤擾動系數和蓬松度Fig.7 Soil disturbance coefficient and Soil bulkiness values at different working depths

2.3 耕作部件受力分析

對不同作業深度下的深松鏟耕作阻力情況進行分析結果見圖8。

圖8 深松鏟類耕作部件受力示意圖Fig.8 Working forces of different subsoilers under different working depths

隨著作業深度的增加，深松鏟作業阻力隨著作業深度的增加顯著性增大(P<0.05)。WS80°作業阻力最大，WS115°和WS150°的受力均小于WS80°的受力。在作業深度為15 cm時，WS150°作業阻力最小，與WS80°相比，作業阻力降低了78.0%。作業深度為20 cm時，與WS80°和WS150°相比，WS115°作業時的阻力較小，但與WS150°作業時的耕作阻力不存在顯著性差別。對于雙翼形深松鏟，作業深度為15 cm時，作業阻力隨雙翼傾角增大而減小，作業深度為20 cm時，WS150°作業阻力受力較大的原因可能是土層的重力造成的，但需要進一步的試驗驗證。AS115°與WS115°相比，AS115°作業阻力更小，作業深度15 cm時作業阻力降低48.1%，作業深度20 cm時作業阻力降低22.2%。

對不同作業深度下的溝形面積比阻進行分析結果見圖9。可以看出，不同作業深度下，深松鏟的溝形面積比阻無明顯差別。隨著作業深度的增加，WS80°和WS115°的溝形面積比阻呈現減小趨勢，而WS150°隨著作業深度的增加溝形面積比阻增加，但

圖9 不同作業深度下的溝形面積比阻Fig.9 Specific draft force at different working depths

均沒有顯著性差別。AS115°與WS115°相比，AS115°在不同深度下的溝形面積比阻均較小。作業深度為15 cm時，雙翼形深松鏟中，WS150°獲得最小的溝形面積比阻；作業深度為20 cm時，雙翼形深松鏟中，WS115°獲得最小的溝形面積比阻，但與WS150°的溝形面積比阻并不存在顯著性差別。

2.4 深松鏟類耕作部件作用下的草地擾動失效特性綜合分析

深松鏟在土層中移動時，與土層形成了抬升區和擠壓抬升區2個相互作用區域(圖10(a))，以及接觸面與土壤的相互作用力(圖10(b))。結合鏟尖表面積可以看出，對于雙翼形深松鏟，當鏟尖寬度相同時，雙翼傾角越大，其與土壤作用的表面積越小，作業時形成的擾動區域也越小。假設土壤為均質且各向同性，則有土壤對鏟尖表面任意3點A、B、C的作用力FA=FB=FC，根據鏟尖形狀參數，可得FAy>FBy>FCy，FCx>FBx>FAx，可以看出，雙翼傾角較大的鏟尖對土壤的提升作用較強，雙翼傾角小的鏟尖對土壤的側向擠壓作用較強，這也是雙翼傾角小的鏟尖產生較大翻垡率、擾動系數和獲得較大作業阻力的原因之一。

根據深松鏟類耕作部件的受力情況以及作業對

A，B，C為鏟翼表面任意一點。A, B, C is any point on the surface of the shovel wing. FA，FB，FC為土壤對鏟尖表面的作用力；Fx為使土壤沿水平方向運移的分力；Fy為使土壤在豎直方向運移的分力。 FA， FB， FC is the force of soil on the surface of the shovel tip; Fxis the force that makes the soil migrate along the horizontal direction; Fy is the force that makes the soil migrate in the vertical direction.圖10 鏟尖投影面積和土壤抬升擠壓受力分析Fig.10 Analysis of the shovel tip projection area and soil uplifting force

草地土壤和表層的擾動情況，深松鏟的類型以及結構參數對耕作阻力和草地擾動失效特性有較大影響。隨著深度的增加，耕作部件的作業阻力顯著增加(P<0.05)。深松鏟引起的地表擾動主要包括重度翻垡、中度翻垡和凸起，所產生的翻垡中，大塊的土壤-根系復合體結構較多。在不同作業深度下，深松鏟進行草地作業時的土壤擾動系數為63%～74%，土壤蓬松度38%～ 49%。與具有相同雙翼傾角的雙翼形深松鏟相比，箭形深松鏟獲得較小的地表翻垡率、蓬松度和土層擾動系數，隨之也擁有較小的作業阻力和溝形面積比阻，但在翻垡率、蓬松度和擾動系數等方面的綜合效應不如雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟。

對于具有不同雙翼傾角的雙翼形深松鏟中，當作業深度為15 cm時，雙翼傾角為150°的深松鏟作業效果最好，當作業深度為20 cm時，雙翼傾角為115°的深松鏟作業時產生的地表蓬松度、作業阻力和耕作面積比阻最小，與雙翼傾角為150°的深松鏟產生的結果無顯著性差別，但對地表造成的翻垡卻最嚴重。

綜合所有的擾動失效特性參數，在所試驗的4種深松鏟耕作部件中，雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟在草地深松作業時作業效果最佳。

3 結 論

本研究采用草地耕作部件試驗臺搭載不同類型和結構參數的深松鏟，進行了不同深度下的深松草地擾動失效試驗。分析了深松鏟的受力以及天然草地土壤-根系復合土層的運移和擾動失效情況。主要結論如下：

1)利用深松鏟可打破草地復合土層結構，并對天然草地復合土層產生一定的擾動區域，且深松鏟作業深度和結構參數均對草地作業效果產生了一定的影響。天然草地所呈現的“夾層式”復合土層結構影響耕作部件的作業效果和地表的擾動情況，在設計天然草地耕作部件時，應綜合考慮草地地表和地下的復合土層結構特點。

2)雙翼傾角為150°的雙翼形深松鏟作業時對草地地表擾動和土壤翻垡情況影響較小，對土壤的擾動系數較高，綜合各項擾動失效特性參數，所設計的雙翼傾角為150°的深松鏟更適用于草地深松作業。

3)通過土壤運移過程分析，以及作業過程的耕作阻力、溝形面積比阻、翻垡率、擾動系數和蓬松度等擾動失效特性參數，能夠綜合反映耕作部件的草地作業效果，可作為天然草地專用耕作部件設計和優化的評價依據。