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论述前铲入土深度对分层深松土壤扰动的影响

发布时间:2018-06-20 15:18所属分类:农业论文浏览:1

目前,分层深松技术已引起学者们的广泛关注。分层深松采用前后铲分层作业,前铲疏松上层土壤,后铲深松下层土壤 。探明分层深松对土壤扰动效果的影响有助于深入理解分层深松的原理,可以为分层深松机的设计提供依据。 关键词 : 分层深松 ,前铲入土深度, 土壤

  目前,分层深松技术已引起学者们的广泛关注。分层深松采用前后铲分层作业,前铲疏松上层土壤,后铲深松下层土壤 。探明分层深松对土壤扰动效果的影响有助于深入理解分层深松的原理,可以为分层深松机的设计提供依据。

  关键词 : 分层深松 ,前铲入土深度, 土壤扰动,数字化土槽试验

土壤学

  分层深松采用前后铲分层作业,深松后土壤松碎,避免上、下土层土壤翻转。以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究前铲的入土深度对分层深松土壤扰动的影响。结果表明 : 随着前铲入土深度的增加,土壤坑形轮廓宽度随之增大 ; 前铲入土深度为 150 mm 时,分层深松的深松深度稳定性最高,且分层深松的深松深度稳定性均高于单铲深松 ; 分层深松的土壤蓬松度随着前铲入土深度的增加而增大,土壤扰动系数均大于单铲深松 ; 分层深松的土壤地表平整性优于单铲深松,土垄垄沟宽度大于单铲深松,而土垄高度低于单铲深松。

  前铲的入土深度是影响分层深松土壤扰动的重要参数之一,国内外学者针对分层深松技术进行了大量的研究工作 。Mielkes 等通过田间试验,对比研究了不同入土深度的前铲、分层深松铲和固定深度的单铲对功耗和土壤坑形扰动面积的影响 。Kasisira 和 du Plessis 研究了前后铲间距和前铲入土深度对分层深松能耗的影响,得到前后铲间距的理论表达公式,并根据实验数据获取了能耗最优条件下的前铲入土深度。

  Hamza 等研究了在后铲前布置单个 、两个前铲和前后铲偏置条件下分层深松铲的工作阻力和土壤扰动的变化 。国内方面,王微通过正交试验方法,分析了深松深度、前铲铲形、后铲铲形和前后铲距等因素对分层深松铲的耕作阻力和上、下沟槽宽度的影响。赵艳忠等研究了深松深度 、前后铲形组合 、分层高度差和前后铲纵向距等参数对分层深松铲牵引阻力的影响。现有研究主要集中于前铲入土深度对深松阻力的影响研究,有关分层深松土壤扰动效果的研究较少,且评价指标较为单一。

  本文通过土槽试验方法,利用土壤宏观扰动轮廓、深松深度及其稳定性、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等深松土壤扰动效果的评价指标,研究前铲入土深度为 100 、150、200、250mm 对分层深松土壤扰动性能的影响,为前铲最佳入土深度的确定提供依据。

  1材料与方法

  1. 1 试验材料

  试验地点选在西北农林科技大学机电学院的数字化土槽内,试验用土壤为主要分布于关中地区的塿土,容重为 1.36g / cm3 。试验用深松铲柄为圆弧形深松铲柄,铲柄的长度 、厚度和宽度分别为 770 、30 、80mm,入土角为 23°,铲柄切土刃角为 60° 。前铲采用翼形铲,后铲采用入土性能较强的箭形铲。

  1. 2 试验方案设计

  前铲入土深度会对分层深松的土壤扰动效果产生重要影响。根据文献可知,土壤的耕作层厚度一般为150mm 。本文以 50mm 为梯度,确定前铲入土深度分别为 100 、150 、200 和 250mm 4 个水平,后铲深松深度为 300mm; 以入土深度为 100 、150 、200 和 250mm 的单个翼形铲和深松深度为 300mm 的单个箭形铲作为对照组进行对比试验。此外,分层深松铲的前后纵向铲间距设定为 350mm[1,1 0] 。

  1. 3 试验过程

  为模拟真实的大田试验环境,土槽土壤采用分层制备的方法进行处理 。试验前土槽土壤的平均含水率为 17.5% ; 0 ~ 200mm、200 ~ 400mm 内土壤硬度值范围分别为 0 .5 ~ 1 . 2MPa 和 1.5 ~ 2 .0MPa。

  试验中土槽试验车的牵引速率设定为 3km / h[1 2]。实验室土槽的可用长度为 20m,考虑到土槽车存在一定的加速和减速时间,设定前、后 4m为缓冲区,中间的 12m为实际的有效测量区域 。

  2结果与分析

  2. 1 土壤宏观扰动轮廓分析

  为分析前铲入土深度对分层深松土壤扰动轮廓的影响,在深松后的作业区域内获取分层深松铲的土壤宏观扰动轮廓。深松后,仿形绘制得到土壤的横向扰动轮廓,并测量土壤坑形轮廓的宽度,将轮廓坐标数据化,输入 Excel 中得到土壤坑形轮廓。前铲入土深度不同时,分层深松铲的土壤坑形扰动轮廓存在较大差异。

  当前铲入土深度为100、150、200、250mm 时,分层深松的土壤坑形轮廓平均宽度分别为 476. 0 、495. 0 、519.0 、573. 0mm,表明分层深松后,土壤坑形轮廓的宽度随着前铲入土深度的增加而增大。可能的原因是 : 随着前铲入土深度的增加,前铲深松区域的土壤扰动范围不断增大,而后铲对作业区域的二次疏松进一步扩大了土壤的扰动范围,导致前、后深松铲两次抬起的土壤体积不断增加,形成的深松土壤坑形轮廓宽度随之增加。

  2.2 深松深度及其稳定性

  深松深度是指深松耕后形成的沟底至未耕地表的垂直距离。深松后,采用钢尺在每个作业行程中按一定间隔选取 3 个测点测取深松深度,分别计算得到平均深松深度、深松深度标准差及深松深度稳定性变异系数等。

  当前铲入土深度为 150mm 时,分层深松的深松深度稳定性最佳; 单铲深松的深松深度稳定

  性系数为 95. 68% ,可知分层深松的深松深度稳定性要高于单铲深松,分层深松可以改善深松深度的稳定性。主要原因在于: 单铲深松时,深松铲尖遇到坚硬的土块或石块时,由于无法克服上层土块的重力作用,只能向上向后弹跳,导致深松深度无法达到规定深度,且波

  动较大; 分层深松时,前铲先对耕作层土壤进行疏松、破碎,并带至深松铲两侧,实现耕作层与犁底层土壤的分离,后铲只需深松剩余土层的土壤,这时上层土壤对深松铲的抑制作用较小,后铲可将土块或石块抬起,或发生较小幅度的向后、向上弹跳,能在绕开障碍后深松至设定深度,从而保证深松深度的稳定性。

  2.3 土壤蓬松度和土壤扰动系数

  土壤蓬松度和土壤扰动系数是深松土壤扰动效果的主要评价指标,反映了深松前、后土壤结构体积与容积密度的变化差异,根据试验测绘得到土壤坑形、垄形轮廓的横向截面形状,采用割补法和土壤蓬松度、土壤扰动系数的计算公式进行计算、汇总。得知随着前铲入土深度的增加,分层深松的土壤蓬松度随之增大。

  可能原因在于,前铲抬升的土壤体积会随入土深度的增加而增加,后铲在通过时除深松剩余土层外,还会对之前疏松过的部分土壤进行二次疏松,并抬升至地表,使得抬升至地表的土壤总体积随之增加。

  单铲深松的土壤扰动系数均小于分层深松。主要是因为单铲深松时,较深土层的土壤在表层土壤的重力影响下无法得到抬升,且会受到深松铲的挤压作用,因而扰动的土壤体积有限; 在分层深松作业中,前铲对表土进行了疏松、分离,后铲在没有上层土壤的干涉下可抬升较多的土壤体积,改善了深层土壤的扰动效果。

  2.4地表平整度和其他土垄参数

  深松后的土垄堆积轮廓对播种、作物根系生长等产生重要影响,相应的参数包括地表平整度、土垄的垄沟宽度和垄高。其中,地表平整度的测量、计算方法详见文献。土垄的垄沟宽度和垄高主要通过卷尺测定得到,对测量的 3 次重复试验数据进行整理,可知 : 分层深松的土壤地表平整度均小于单铲深松,因而分层深松的土壤地表平整性要好于单铲深松。

  这是因为单铲深松时抬升至地表的土块较大,且土垄宽度有限,而分层深松时前铲会先对地表土壤进行破碎、分离,后铲的二次扰动减小了土块的尺寸,并增加了土壤颗粒的侧向运动位移 ; 分层深松作业后形成的土垄高度变化较小,而前铲铲尖在土层中的深度位置不同会使土垄宽度发生较大变化,分层深松后的碎土块尺寸、土壤内聚力基本相同,因此土垄高度受入土深度的影响较小、差异不大。同时,前铲入土深度越大,铲尖作用下的土壤侧向运动逐渐减弱,形成的深松垄沟逐渐收窄。

  当前铲入土深度为 100、150、200、250mm 时,分层深松的土垄垄沟宽度大于单铲深松。出现上述现象可能是因为分层深松在作业过程中会对地表土壤进行二次扰动,土壤向两侧移动的距离会比单铲大。不同前铲入土深度条件下,分层深松后的土垄高度相差不大。单铲深松的平均土垄高度为 86. 0mm,高于前铲入土深度不同的分层深松。可能原因是分层深松铲的前铲会先行对地表进行破碎、分离,使得深松后的地表土块尺寸小于单铲深松。

  合适的前铲入土深度,能使前、后铲分别疏松不同土层的土壤,避免上、下土层土壤的混合,还可减少前铲对后铲抬土作用的干涉影响,且作业后的土壤坑形轮廓宽度较小,有助于土壤的蓄水保持。

  3结论

  1 ) 前铲入土深度不同时,分层深松铲的土壤坑形扰动轮廓存在较大差异。随着前铲入土深度的增加,土壤坑形轮廓的宽度增加。

  2 ) 当前铲入土深度为 150mm 时,分层深松铲的深松深度稳定性最好 ; 分层深松的深松深度稳定性要高于单铲深松,表明分层深松可以改善深松深度的稳定性。

  3 ) 随着前铲入土深度的增加,分层深松铲的土壤蓬松度随之增大 ; 单铲深松的土壤扰动系数小于分层深松。

  4 ) 前铲入土深度不同的分层深松铲,其土壤地表平整性好于单铲深松 ; 分层深松的土垄垄沟宽度大于单铲深松。单铲深松的土垄高度高于前铲入土深度不同的分层深松铲,且分层深松铲的土垄高度相差不大。

  参考文献 :

  [1] 汪懋华. 农业机械化工程技术[M]. 郑州 : 河南科学技术出版社,2000 .

  [2] 赵艳忠,杨阳,张晨光,等 . 分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响[J]. 东北农业大学学报,2016 ,47 ( 2 ) :102 - 108 .

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