农业机械土壤压实研究方法现状

王宪良++王庆杰++李洪文++何进++李问盈

摘 要 通过文献调研和专家咨询的方法，综述现有国内外土壤压实测试方法，并分析其特点和性能，为我国科研工作者以后在土壤压实领域开展研究提供借鉴。

关键词 土壤压实 ；农业机械 ；研究方法 ；现状

分类号 S233

Current Research Status of Soil Compaction by Agricultural Machinery

WANG Xianliang WANG Qingjie LI Hongwen HE Jin LI Wenying

（College of Engineering / Beijing Key Laboratory of Design and Optimization

in Modern Agricultural Equipment， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract This paper reviewed the research progress of soil compaction by agricultural machinery， which focused on experimental method of research on soil compaction by agricultural machinery. Comparison was made to experimental methods to explicit this methods. Our efforts were made with the purpose of providing some references for further researches on soil compaction by agricultural machinery.

Keywords soil compaction ； agricultural machinery ； experimental method ； current situation

土壤压实是由于施加载重、振动或压力而导致土壤密度（单位体积质量）增大和土壤孔隙率降低的一种现象，主要是由于农业机械进行田间管理作业时，轮胎及机具对土壤发生碾压作用造成的[1-3]。农田土壤压实导致土壤密度增加，土壤孔隙度降低，水渗透能力降低，导致土壤侵蚀加重，耕作机具阻力增加，作物根系生长受阻，进而导致作物产量降低[4]。随着我国农业机械化水平迅速发展，大中型农机设备数量迅速增加，大中型农机具在田间作业的同时对土壤进行碾压，严重破坏土壤结构，影响农业生产可持续发展。土壤压实已经成为世界性问题，国内外科研工作者从20世纪50年代开始围绕农田土壤压实问题开展研究，并结合研究目的和试验需要提出了多种土壤压实测试方法，研发了配套测试设备，但这些研究方法往往存在技术单一，缺乏系统性的问题[5-7]。为了更好的研究土壤压实，需要系统总结现有的土壤压实研究方法。

目前土壤压实研究主要集中于土壤压实过程中应力分布及传递特性、土壤压实对土壤理化特性及效应研究、土壤压实对机具功耗影响三方面[8-9]。

1 国内外土壤压实特性研究方法

自20世纪50年代，美国、英国等农业发达国家科研工作者就开始对土壤压实机理、力学模型以及压实危害进行大量系统研究，目前已在农田土壤机械压实过程方面取得了一些成果，在土壤耕作技术方面形成了一套消减土壤机械压实的技术措施体系[10-12]。而国内对土壤压实方面研究起步较晚，基础薄弱。多道面波分析方法、测量土壤紧实度、测量土壤孔隙度、测量土壤容重等方法是目前国内比较广泛的测量和表示土壤压实度的方法[13-15]。

1.1 土壤压实过程中应力分布、传递特性研究方法

1.1.1 传感器铺设法

Schjonning P等[16]通过表层土壤传感器铺设法，将称重传感器铺设在10 cm的土壤中，测量拖拉机行走过程中轮胎-土壤接触面沿着拖拉机行走方向和垂直拖拉机行走方向压力的分布状况，应用FRIDA模型计算应力分布情况。Mathieu Lamande等[17]在一个大型土壤样本箱中，距离地平面4个深度（0.3，0.5，0.7和0.9 m）土层中总共埋设了21个传感器，传感器具体布置（如图1所示），研究了不同载荷、接触面积对土壤垂直方向应力的分布、传递特性的影响；在试验田中应用传感器土壤剖面设置法，通过土壤剖面，在垂直于轮胎滚动方向，将土壤应力传感器安装在3个土层深度（0.3，0.6和0.9 m），每层安装7个传感器，为防止测量应力干扰，每两个传感器中心距为16 cm，为防止土壤剖面干扰，传感器距离土壤剖面距离为1 m，传感器频率为2 kHz的动态传感器，可以记录轮胎滚动过程应力路径，研究了农业轮胎类型对土壤应力分布、传递特性影响[18]。Wiermann C等[19]利用土壤应力传感器和土壤应变传感器相结合的方法（图2），研究了载荷变化对土壤应力-应变关系的影响。传感器铺设法研究土壤压实，基本上可以准确测试农业机械工作时产生的应力在土壤中分布、传递特性，但是由于土壤结构复杂及传感器精度问题，目前主要测量垂直方向应力的分布、传递特性，尚缺乏测试土粒各个方向受力状态的方法和条件。

1.1.2 轮胎表面安装力学元件法

Raper R L，Bailey A C等[20]将7个动态传感器，分别安装于轮胎的胎花和胎面区（图3），测量轮胎在滚动过程中，轮胎-土壤接触面压力的分布规律。Roth， Jonathan等[21]在轮胎表面粘贴应变片的方法研究了轮胎-土壤接触面正应力测量问题，该实验应用了FlexiForce型号应变片式传感器，将传感器分别粘贴在轮胎胎花的前缘、后部以及胎面部分（图4），分别研究了轮胎在滚动过程中轮胎不同部位应力分布情况。

1.1.3 构建模型法

在农业生产过程中，土壤压实模型是一个研究农业机械作业引起的土壤压实很重要的工具[22]。土壤压实模型可以分为两种类型，一种是近似分析模型，另一种是有限元模型。近似分析模型主要确定机具载荷作用产生的应力特性，包括应力在土壤、轮胎-土壤接触面分布和传播特性；有限元模型主要通过模型分析土壤应力-应变特性[23]。

1.1.3.1 近似分析模型

SoilFlex模型是一种典型的近似分析模型，该模型是在总结各种土壤应力传递理论基础上建立的，在模型中可以根据土壤以及田间作业机械实际参数选择合适的理论子模型，进行预测土壤应力传递以及农业作业机械作业过程中，土壤应力-应变关系[24]。

1.1.3.2 有限元模拟法

Cui等[25]通过建立轮胎-土壤有限元模型，应用PLAXIS软件模拟土壤压实过程，研究了轮胎充气压力对土壤—轮胎接触面垂直方向应力分布、传递的影响。Fervers C W[26]用2维有限元方法建立充气轮胎模型、土壤模型，用有限元方法模拟轮胎-土壤相互作用，研究了轮胎气压与土壤压实的关系。刘姝等[27]利用Solidworks进行轮胎-土壤相互作用的有限元尝试，测出土壤特性参数，通过数据分析应用Solidworks软件建立车轮和土壤模型，将所测出的土壤特性参数输入到土壤模型的定义材料当中，使用Solidworks插件Solidworks Simulation对车轮压缩土壤进行有限元分析。有限元模拟最大的问题就是难以准确建立土壤和轮胎模型，进行真实度高的模拟，得到精确的结论。

1.2 土壤压实对土壤物理特性及作物生长影响研究方法

李汝莘等[28]采用小四轮拖拉机在春小麦和冬小麦种床上压地一遍，测定土壤容积密度、透水性、保水性以及热特性等参数，并与未经碾压的带状耕作的土壤诸参数进行对照分析的方法，研究了小四轮拖拉机压实对土壤容积密度、透水性、保水性、热特性等参数的影响，指出小四轮拖拉机可将耕层内的土壤压实，使土壤的容积密度明显增加超过作物的适应范围，入渗率比带状耕作下降了42%，土壤孔隙度减小20%～30%，其他土壤物理特性也相应产生了变化[29-31]。Li Y X等[32]设计试验方案（图5）研究了土壤压实和耕作方式对土壤径流和作物产量的影响效应。土壤压实对土壤物理特性及作物生长影响研究仅仅是在一定轴载的农机具引起的土壤压实，从而造成的土壤物理性状及作物生长方面的影响，研究内容以单项研究为主，缺乏系统性。研究结果虽然能初步指出农机作业对土壤的压实过程及其影响，但不能揭示其机理，也未形成土壤压实评价方法，不能预测机具作业对土壤压实的影响，无法科学指导土壤压实消减研究。

GR-保护行SM-秸秆覆盖行MT-少耕行ZT-免耕行。不同的耕作行全部一分为二（C为免压部分，W为压实部分），箭头表示地块倾斜角度为6%～8%，保证径流能流到收集器（a-f）。

1.3 土壤压实对机具功耗影响

功耗方面的研究主要是以机具作业阻力和能耗的研究为主。牵引功耗主要受其结构参数、作业性能和土壤特性的影响，土壤压实引起土壤结构破坏，土壤孔隙度减小，土壤耕作部件阻力增大，进而影响机具功耗。黄虎等[33]基于短期试验，通过测试压实后土壤对土壤耕作部件以及拖拉机滚动阻力影响，分析了土壤压实对开沟器作业阻力和免耕播种能耗的影响。杜兵[34]对比了压实对开沟器牵引力的影响，指出固定道系统减少机具牵引力40%。土壤压实对机具功耗影响仅仅停留在对土壤物理性状变化与农机具土壤耕作部件阻力的关系研究，并没有从理论方面研究分析土壤压实与农机具功耗的相互作用机理，提出减少农机具功耗的有效措施。

2 土壤压实特性研究方法存在的问题

我国对于土壤压实这一领域已经有一些研究，这些研究为确定农业机械与土壤相互作用关系提供了可视化数据。但这些研究主要以土壤物理特性为主，测试方法单一、缺乏系统性，各研究要素无法系统、全面地阐明土壤压实过程，揭示土壤压实机理。没有结合我国典型农业区，根据土壤物理特性和作物生长的影响，建立系统评价土壤压实的模型，为消减土壤压实提供理论依据。

3 讨论

随着我国土地流转和农机购置补贴政策的实施，我国农业机械发展迅速，大中型拖拉机数量逐年上升，导致土壤压实现象越来越普遍。但我国目前关于土壤压实的研究还很落后，停留在通过对土壤压实过后，土壤孔隙度、土壤容重、孔隙度、入渗率等土壤物理特性的测量来宏观表示土壤压实程度的水平，缺乏从理论方面全面、系统地揭示土壤压实机理，没有形成一套有效的消减土壤压实的技术理论体系。大量的研究已经证明了土壤压实会破坏土壤结构，影响作物产量。因此下一步研究土壤压实的重点在于优化土壤压实研究方法，明确压实过程，揭示大中型拖拉机压实机理，结合土壤物理特性和作物生长，建立土壤压实评价模型，提供消减土壤压实的方法，指导农业生产。

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