自激振动深松对土壤物理特性的影响

屈 通，李 霞，汤明军，王维新，张思远

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

目前，耕地减少、质量变差进一步加重粮食需求问题。国家规划纲要指出，在2020年我国粮食产量要达到5 400亿kg以上[1]。目前，适合耕种的土壤面积日益减少，粮食产量增加的重要途径之一是提高土壤质量。新疆地广人稀，平均每人可耕种面积位列全国之首，达到0.21hm2，因此提高新疆耕地土壤质量、增加作物产量对全国粮食增产具有重要意义[2]。

自20世纪80年代以来，新疆耕地长期采用翻耕或旋耕方式整地，导致耕层变薄、土壤板结，土壤比阻逐年增加，所需耕作动力也越来越大。在农业机械化推广应用大背景下，大马力拖拉机等大型农机的广泛使用又进一步加剧对土壤的压实，导致恶性循环，使得耕地土壤形成一层又厚又硬的犁底层[3-5]。犁地层的存在使得耕层容量减少，土壤结构变差[6]；导致地表径流、水土流失越发严重，贮水能力减弱，农田肥力日趋衰竭；土壤孔隙度降低，限制田间作物植株根系生长发育；作物抗逆性下降，制约了高产和稳产[7]。要从根本上改良土壤，只有通过深松技术。

研究表明：深松使犁底层破碎，在疏松土壤时土壤透气性和土壤结构得以改善；深松后，深层土壤得到疏松，且表层土壤与深层土壤不发生翻转与混合，使松动土壤便于与外界交换气体的同时可以容纳更多的水量，增加作物抗旱能力，同时改善作物根系生长环境，增强作物抗倒伏能力[8-11]。

2010年，中央一号文件明确提出“大力推广机械深松整地”重要任务，将深松技术作为实现粮食增产和可持续发展的重要技术手段。因此，自激振动深松作为深松减阻降耗的有效方法，研究其对土壤质量物理特性的影响对新疆现有耕作方式优化及耕作资源合理配置具有重要意义[12]。

1 自激振动深松方式及工作原理

自激振动深松机主要由机架、牵引装置、自激振动深松装置和深度控制装置构成。机架的前梁设有牵引装置，后梁设有4组自激振动深松装置，横梁两侧设有深度控制装置。自激振动深松装置由前后固定板、振动固定梁、深松机构和自激振动机构构成。其中，自激振动机构由预紧端盖、自激振动弹簧、弹簧端盖、弹簧心轴固定销轴及弹簧心轴构成，是自激振动深松机核心部分。利用SolidWorks三维软件对自激振动深松机机型三维造型，得到如图1所示的自激振动深松机结构图。

2 材料和方法

2.1 试验地点

2016年9月8日，在新疆维吾尔自治区石河子市145团石河子大学教学试验场二连内的新疆农垦科学院试验田进行田间试验，试验田内的前茬作物为打瓜，试验时田间的滴灌带已回收，残膜未回收，有打瓜收获后的残留打瓜皮。

深松耕作前，对于土壤深度为0～15cm、15～30cm和30～45cm的土壤，土壤坚实度依次为2 077、2 603、2 654kPa；耕前土壤密度为1.75、1.83、1.71g/cm3；耕前土壤容重依次为1.55、1.61、1.49g/cm3；耕前土壤含水率依次为12.87%、13.46%、14.46%。

2.2 试验方法

选取直径相同、中径不同的3组自激振动弹簧进行深松试验。试验过程中，将不添加自激振动弹簧的非振动深松组作为对照试验组，耕作后对不同耕层(0～15cm、15～30cm、30～45cm)土壤物理特性进行测量分析。自激振动弹簧的具体参数如表1所示。

表1 自激振动弹簧尺寸系数Table 1 Dimension factors of the self-excited spring

在打瓜收获后的试验田中，舍弃四周杂草丛生、土壤高低起伏过大和存在大量石块的少耕地段，选取试验田中间长60m、宽50m的地块作为试验区，并通过标杆对试验区范围进行标记；同时，在试验区的两端预留出10m的拖拉机耕作调整区域，方便拖拉机行进与转向[13]。在试验区中，按照平行四边形对角线对深松方式下土壤物理参数的测点进行选择，并且通过标杆标记，通过相同距离选取测试点的方法消除用于试验数据分析处理参数获取点位置选取的随意性[14-15]。

2.3 试验设备与方法

试验采用美国Spectrum公司生产的Field Scout SC900型土壤深度硬度测量仪; 紧实度仪的测量范围是0～700kg(即 0～7 000kPa),测量精度为0.1kg(即10kPa)，灵敏度为0.05kg(即5kPa)，测量深度为0～400mm；环刀(内径为6.18cm，高为20mm，壁厚为1.5mm)；电子天平(称量为 500g分度值为0.1g)；修土刀；圆玻璃片；自动控制电热恒温烘箱(保持温度在105℃～110℃)；天平(称量为200g，分度值为0.01g)；密封袋若干、铁锹2把。

2.3.1 土壤坚实度

使用坚实度仪按照平行四边形对角线法在不同深松方式区域测定土壤坚实度，测量过程中记录坚实度仪压入土壤深度0～15cm、15～30cm、30～45cm土壤坚实度数值，重复3次求取平均值。

2.3.2 土壤密度、容重和含水率

取土前对环刀质量进行称量，记为m1；在试验田中，按照试验方案设计在测量点进行取土，将环刀刀刃一端垂直压入耕层土壤，并将环刀中的多余土壤利用修土刀修平，称量环刀和取出的土壤质量，记为m2；将环刀和取出的土壤一并放入烘箱中，在105℃温度下进行24h烘干，取出后进行干燥冷却，称量环刀和烘干土质量，记为m3，则土壤容重计算公式为

(1)

其中，环刀容积V=πr2h。

其中，ρb为土壤容重(g/cm3)；m1为环刀的重量(g)；m3为环刀和烘干土质量(g)；V为环刀容积(cm3)。

土壤的密度计算公式为

(2)

其中，ρ为土壤的密度(g/cm3)；m为湿土的质量(g)；m2为环刀与湿土的总质量(g)；m1为环刀的质量(g)；V为环刀的体积(cm3)。

土壤含水率的计算公式为

(3)

其中，ω为土壤含水率(%)；m1为环刀质量(g)；m2为环刀和湿土总质量(g)；m3为环刀和干土总质量(g)。

3 试验结果分析

3.1 土壤坚实度

试验中，将耕前、非振动参照组及各弹簧类型下的土壤坚实度数据采集并整理，如表2所示。

表2 坚实度测试数据Table 2 Datas of soil penetration resistance MPa

由表2可知：深松耕前，土壤的坚实度呈现出“由表层土壤至底层土壤逐渐增大”的现象。其原因是：每年打瓜地收获后，土块经过翻转五铧犁进行翻耕，耕深为30cm，打瓜根系较浅，生长过程中土壤自然板结，造成土壤颗粒之间粘结紧密性由表层土壤至底层土壤逐渐增大的现象。深松耕后，土壤坚实度大致呈现出“表层小、中层大、底层小”的现象。其原因是：深松过程中只松土不翻土，深松最大深度大概为30～45cm，表层土壤自身坚实度比较低，底层土壤被深松铲尖打破，形成虚实相间的现象。

将耕前、耕后各测量点土壤坚实度分别求取平均值，相较于耕前，无论非振动深松还是振动深松，均能使耕层土壤坚实度均下降。相较于非振动深松，弹簧Ⅲ耕作后>15～30cm耕层坚实度下降17.44%，0～15cm耕层坚实度下降20.17%；弹簧Ⅱ耕后0～15cm耕层坚实度下降23.24%，>15～30cm耕层坚实度下降10.09%；弹簧Ⅰ与非振动对土壤各耕层坚实度减少效果相差不大，原因可能是弹簧Ⅰ刚度较小，耕作过程中弹簧被全部压缩，深松情况与非振动组类似。

3.2 土壤密度

试验中，将耕前、非振动参照组及各弹簧类型下的土壤密度数据采集并整理，如表3所示。

表3 土壤密度测试结果Table 3 The test results of soil density g/cm3

由表3可知：土壤密度随着耕层加深逐渐变大。相较于耕前各耕层，非振动和弹簧振动均能减小土壤密度，但弹簧振动降低土壤容重效果更明显。其中，在0～15cm耕层，弹簧Ⅲ相较于耕前和非振动情况，土壤密度下降依次为10.86%和6.02%；在>15～30cm耕层，依次为18.58%和16.29%。弹簧Ⅱ较于耕前和非振动情况，在>15～30cm耕层，土壤密度下降依次为10.93%和8.43%；弹簧Ⅰ对浅层土壤密度减少效果稍明显，在0～15cm耕层，弹簧Ⅲ相较于耕前和非振动情况，土壤密度下降依次为5.14%和1.81%；对于>30～45cm的深层土壤，弹簧振动和非振动情况对于土壤密度减小效果相差不大。其原因是：深层深松时，耕深最多达到40cm，由于拖拉机动力及牵引阻力的急剧增加，耕深稳定性下降，弹簧被完全压缩，深松效果下降且与非振动效果相近。

3.3 土壤容重

试验中，将耕前、非振动参照组及各弹簧类型下的土壤容重数据采集并整理，如表4所示。

表4 土壤容重测试结果Table 4 The test results of soil bulk density g/cm3

由表4可知：随着耕深的增加，土壤容重逐渐变大。相较于耕前各耕层，非振动和弹簧振动均能减小土壤容重，但弹簧振动降低土壤容重效果更明显。其中，在15～30cm耕层，弹簧振动土壤容重相较于耕前土壤容重下降18.01%，相较于非振动土壤容重下降13.73%，而0～15cm下降百分比依次是9.68%和4.11%；但对于30～45cm，非振动与弹簧振动处理对土壤容重下降百分比相差不大。其原因是：深层深松时，耕深最多达到40cm，由于拖拉机动力及牵引阻力的急剧增加，耕深稳定性下降，弹簧被完全压缩，深松效果下降且与非振动效果相近。

3.4 土壤含水率

试验中，将耕前、非振动参照组及各弹簧类型下的土壤含水率数据采集并整理，如表5所示。

表5 耕作前及不同处理耕后下土壤含水率Table 5 The test results of soil moisture content before tillage %

由表5可知：相较于耕前各耕层，非振动和弹簧振动使土壤含水率下降。其中，相较于耕前土壤含水率，非振动深松、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和弹簧Ⅲ等自激振动深松方式下，0～15cm表层土的土壤含水率下降依次为4.04%、11.27%、9.25%和8.08%；随着耕深的增加，土壤含水率下降幅度依次减少。此次土壤含水率测定为深松耕作前和深松耕作后立即对土样进行采集测定，因此土壤水分发生蒸发，导致耕作后土壤含水率下降，且深松过程中和深松过程后表层土壤中的水分蒸发最易发生，因此表层土壤的含水率下降严重，同时蒸发量随着耕层深度的加深而减少，含水率下降幅度也随之减少。

4 结论

1) 无论是非振动深松还是自激振动深松，都可以降低土壤的坚实度、密度、容重；但针对各耕层土壤，自激振动深松对上述土壤物理特性的降低幅度大于非振动深松。

2) 相较于非振动深松，弹簧Ⅱ耕后0～15cm耕层坚实度下降23.24%，>15～30cm耕层坚实度下降10.09%；在0～15cm耕层，弹簧Ⅲ相较于非振动，在>15～30cm耕层为16.29%；弹簧Ⅲ相较于非振动情况，在0～15cm耕层和>15～30cm耕层，土壤容重下降依次为4.11%和13.73%；弹簧Ⅰ与非振动对各耕层土壤容重相差不大，同时对于>30～45cm的深层土壤自激振动和非振动情况土壤密度减小效果相差不大，深层深松时，由于牵引阻力增加使弹簧被完全压缩，深松效果下降。对于不同耕层土壤，自激振动弹簧参数对土壤物理性质变化有影响。

3) 相较于耕前，非振动、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和弹簧Ⅲ耕作方式下，0～15cm表层土的土壤含水率下降依次为4.04%、11.27%、9.25%和8.08%。自激振动深松处理方式下，通过土壤容重和坚实度变化，可以间接推测自激振动深松方式后各耕层土壤颗粒破碎更为严重，土壤水分蒸发幅度更大，导致耕后土壤含水率下降。