深松铲型式对深松作业的影响

陈 伟， 朱继平， 陈小兵， 袁 栋， 姚克恒， 刘正刚， 丁 艳， 夏 敏， 张 晓

(1.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014； 2.江苏清淮机械有限公司，江苏淮安 223005)

传统的整地方式主要有犁翻耕和旋耕2种，常用机具为铧式犁和旋耕机，在这2种机具的长期作用下，适耕土层薄化严重，地表下方15～20 cm处出现坚硬的土层，即犁底层[1-3]。犁底层的厚度因地域不同相差很大，由于犁底层土壤坚实度大，板结情况严重，会导致2种情况，一是阻碍地表水分下土壤深处渗透，大多数水分留存于浅土层增加了地表径流和自然蒸发现象；二是阻碍了作物根系的生长，坚硬的犁底层大大增加了根系下扎阻力，作物根系发展空间小、增加倒伏、降低产量[4-6]。深松的主要目的在于打破田块中的犁底层，提高土壤的蓄水能力，降低深处土层的容重、坚实度，为植物根系的生长创造有利的条件。国内关于深松铲的研究已展开多年，期间出现了很多新型样式的深松铲，然而现有的深松铲型式在主体结构上与几种经典的深松铲型式很相似的如凿型式、凿型带翼式、曲面式、箭型式[7-8]。在主体没有变的情况下，很多企业或研究机构以经典深松铲为主体结构，设计出了众多型式的深松铲[9-10]。为研究不同型式深松铲的作业性能，本研究以上述经典样式深松铲为研究对象，采取田间试验的方式评价各型式深松铲的作业性能，根据现有仪器条件及不可控因素，试验评价指标主要是土壤坚实度、功耗。

1 试验条件和设计

1.1 试验条件

试验前，项目组对整个试验区进行了以下划分，区别出稳定区、耕前试验区、耕后测试区、隔离区和种植试验区。由于其他原因，项目组只对作业后的坚实度和功耗情况进行详细测量。图1为试验小区规划，图2为试验地的现场划分。

试验地前茬为麦茬，土壤为沙壤土，试验前对整个试验地的水分、坚实度以及每个测区的坚实度进行调查，测区坚实度在后面的结果对比分析中列出。

表1 试验地水分调查

试验机具选用国内常用的4种机具，分别为凿型铲深松机、凿型带翼铲深松机、曲面铲深松机和箭型铲深松机，机具配套动力使用江苏-120A型拖拉机，采用3点悬挂式框架结构，具体规格参数见表2。

表2 试验机具主要技术参数

1.2 主要仪器及测试方法

试验效果的评价指标是作业后土壤坚实度变化和作业功耗比较，坚实度测量使用TJSD-750土壤坚实度测量仪，内置全球定位系统(简称GPS)定位及深度测量系统，可同时显示土壤紧实度，测量深度及地理位置。与计算机连接后，可自动生成每个测量点的土壤紧实度曲线，并且可由多个测量点生成区域性土壤紧实度分布图，并且自动生成相关数据链。试验人员前期测量了各个测区内的土壤坚实度，作业后以右铲沟的左右沟壁为起始点，分别测量距离(左右)沟壁处5、10、15、20 cm处的土壤坚实度。

牵引阻力测量使用ZX-2020牵引力测试仪，以MCS-51系列单片微型计算机为核心的智能化测试仪器，配以点阵式液晶屏作为显示器件，汉字提示，实时显示测试数据及峰值数据，并支持无线传输。深松机作业过程中，利用拖拉机的悬挂装置支撑、调平、入土，仪器以牵引连接的方式固联于被测设备与牵引设备之间，须要再配置一辆拖拉机以“车拉车”的方式进行测量。

1.3 试验设计

项目组安排每种深松机做3个重复试验，记为行程1、行程2、行程3(图3)，对每个行程后的坚实度、牵引阻力进行测量。

以下将凿型铲、凿型带翼铲、曲面铲、箭型铲分别记为ZC、YC、QC、JC。

2 结果与分析

为保证试验数据的可靠性，项目组设计了每种铲试验做3次重复的操作，与耕后坚实度数据比较的耕前数据均来源于各自重复中的测量。

2.1 不同深松铲作业在水平方向上对土壤坚实度的影响

2.1.1 水平方向土壤坚实度变化情况 项目组对深松铲沟壁左右水平方向的坚实度都进行了测量，选取沟壁左侧的数据为研究对象，以5、10、15、20 cm为测点，统计出各测点土层坚实度的平均值和峰值作比较。

图4反映的是不同结构型式的深松铲作业后，土壤坚实度在水平方向上的整体变化情况。项目组分别统计出每个试验3个行程的数据，取平均数进行比较。坚实度降低幅度随着测点与沟壁距离的增加逐渐降低；在5 cm测点处，QC作业后土壤坚实度下降幅度最大，与耕前比较下降 72.12%；在 20 cm 测点处，ZC、YC、QC、JC作业后，坚实度平均值降低幅度分别为46.85%、4.25%、53.14%、14.98%。

图5反映的是不同结构型式的深松铲作业后，土壤坚实度在水平方向上的峰值变化情况，项目组统计出每个测点 0～35 cm 内土层的坚实度峰值数据用以分析。QC作业后，各测点的土壤坚实度峰值降低幅度均比较大，5、20 cm处土壤坚实度降低幅度分别为83.31%、59.32%；YC和JC在15、20 cm处，对土壤坚实度的影响比较低。

结合图4和图5可得出，深松作业对土壤坚实度的影响随着距离的增加而降低；YC、JC对土壤坚实度的影响相对于QC、ZC较低。另外，由于图7和图9中YC和JC的作业影响相对其他2种铲低得比较多，项目重新查阅了YC和JC的耕前坚实度数据，发现YC和JC试验区的15、20 cm测点区域土壤坚实度比其他2种铲试验地坚实度要大，导致作业效果并不明显，下文分析会将这个因素考虑在内。

2.1.2 深松铲结构型式对两侧土壤坚实度影响分析 为分析深松作业，深松铲两侧土壤坚实度的变化情况，项目组统计出相应数据并作出图。由图6至图9可知，曲面式深松铲两侧的土壤坚实度变化幅度相差比较大，5 cm测点处铲右侧土壤坚实度降低幅度为42.92%，左侧为72.17%，其他2处测点右侧土壤坚实度降低幅度均不足左侧幅度的一半；其他3种铲左右两侧对应测点土壤坚实度降低幅度基本相同。

2.2 不同深松铲作业在垂直方向上对土壤坚实度的影响

根据上文的分析结果，项目组选取了深松铲左侧5 cm处测点土下0～35 cm内的土壤坚实度变化情况来研究不同深松铲作业在垂直方向上对土壤坚实度的影响。由图10可知，在0～5 cm 范围内，YC作业后，土壤坚实度下降幅度为71.58%，JC降低幅度为57.21%，比其他2种铲的作业影响要大；各铲在6～10 cm 和>11～15 cm内对土壤坚实度的影响变化不大，这个范围属于适耕浅土层，土壤经常整理，所以受影响幅度也相同；在16～20 cm和>21～25 cm范围内，各铲对土壤坚实度的影响幅度均呈现大幅度上升的趋势，16～25 cm范围的土层属于较硬的犁底层，当深松铲打破犁底层后，坚实度会大幅度下降；深松作业对土壤深处的影响程度明显高于浅层土壤的影响程度。

2.3 不同深松铲作业功耗和土壤膨松度的比较

由图11可知，曲面铲和凿型带翼铲在土壤膨松度方面要明显高于凿型铲和箭型铲；曲面铲牵引阻力要明显大于其他3种铲，凿型带翼铲牵引阻力次之。

3 结论

深松作业可以有效降低土壤坚实度，但影响幅度不同，从本试验得出，凿型铲和曲面铲在水平方向影响距离大，在 20 cm 测点处分别降低土壤坚实度46.85%、53.14%。从降低土壤坚实度最大值角度分析，曲面铲作业效果最好，凿型铲次之。曲面型深松铲深松作业在对土壤坚实度影响上具有明显的不对称性，两侧影响幅度不同。深松作业对于深层土壤坚实度影响比浅层土壤大。在相同作业条件下，曲面型深松铲深松作业产生较大的功耗，对于土壤膨松度影响也较大。