深松土壤體裂隙擴(kuò)散機(jī)理及其影響因素

班春華

摘要：以深松部件與土壤互作規(guī)律的研究成果為基礎(chǔ)，總結(jié)深松鏟與土壤體擾動的關(guān)系，分析影響深松作業(yè)質(zhì)量的因素，探討減小深松阻力和降低能耗的模式，展望今后的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化深松機(jī)具提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裂隙擴(kuò)散;深松;土壤;深松鏟

深松作業(yè)不翻轉(zhuǎn)土層，能夠保持原土層狀態(tài)，是打破犁底層最直接和有效的方法。深松作業(yè)時，觸土部件以動載荷形式作用于周圍土壤體，使土壤體因受擠壓而破碎，產(chǎn)生大量隨機(jī)分布的裂紋并向周圍擴(kuò)散，形成特定的宏觀擾動輪廓和擾動效果。研究深松過程中的土壤擾動行為，掌握深松部件與土壤的互作規(guī)律，分析土壤體裂隙擴(kuò)散機(jī)理，總結(jié)深松鏟形狀對土壤擾動過程的影響，有助于獲得生產(chǎn)需要的土壤狀態(tài)，也有利于深松機(jī)具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為減小深松阻力和降低能耗奠定基礎(chǔ)。

1 土壤體裂隙擴(kuò)散機(jī)理

在作業(yè)過程中，土壤擾動是一個復(fù)雜過程，其中裂紋擴(kuò)散是土壤體破碎的基本形式。國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法研究深松過程中的土壤體裂紋擴(kuò)散機(jī)理，并取得了諸多有價值的研究成果。

丁啟朔等結(jié)合田間實(shí)測土壤物理參數(shù)，借助離散元EDEM軟件建立適于粘性水稻土的深松耕作離散元模型，對比驗(yàn)證機(jī)具的耕作阻力和土壤擾動，從仿真角度揭示深松土壤擾動微觀過程和土壤失效破碎機(jī)理。

奚小波等采用剖面法觀測土體裂隙及擾動情況，利用正交試驗(yàn)分析氣爆參數(shù)對土體裂隙擴(kuò)展的影響。同時，通過建立氣爆土體裂隙跡線方程及土體擾動模型，討論土體破壞形式對松土效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)氣爆深度﹤25 cm時，土體以張拉破壞為主，氣爆起劈力0.17 MPa，裂隙擴(kuò)展隨氣壓增大而增大，土體擾動系數(shù)50%;當(dāng)氣爆深度﹥25 cm時，土體以剪切破壞為主，土體裂隙中心下移，且下移量隨氣壓增大而增大，土體擾動系數(shù)大于50%。綜合分析，氣爆深度30 cm、氣爆壓力1 MPa時的效果較佳。

黃玉祥等采用離散元建立深松工作模型，對深松鏟—土壤互作規(guī)律進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)土壤的擾動范圍隨土壤與深松鏟之間距離增大而減小，擾動范圍依次為淺層﹥中層﹥深層;在深松范圍內(nèi)，土壤的運(yùn)動速度隨土壤與深松鏟之間距離的增大而逐漸減小，等速度土壤顆粒的分布曲線與深松鏟的鏟柄弧線基本吻合;土壤膨松度、土壤擾動系數(shù)仿真值與試驗(yàn)值的相對誤差分別為13.21%，17.38%;地表土壤縱向堆積角的仿真值與試驗(yàn)值相對誤差為9.42%。

此外，Godwin利用試驗(yàn)研究了耕作部件深寬比和入土角對土壤擾動形式及擾動程度的影響。

2 深松鏟與土壤體擾動的關(guān)系

鏟尖是深松鏟的關(guān)鍵部件之一，其對土壤擾動具有重要影響，為此諸多科研工作者進(jìn)行了相關(guān)研究和試驗(yàn)。

為探討深松鏟的作業(yè)阻力問題，劉俊安等以鑿形、箭形、翼形3種深松鏟為研究對象，分析深松對土壤擾動的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鏟形對耕后土壤特性、深松溝形面積、阻力F、溝形面積比阻有顯著影響;對土壤擾動面積的影響順序?yàn)殍徯午P﹥箭形鏟﹥翼形鏟;翼形鏟所受阻力分別比箭形鏟和鑿形鏟大123.6%和36.6%，箭形鏟比鑿形鏟所受阻力大63.7%（P<0.05）。溝形面積比阻順序?yàn)殍徯午P﹤箭形鏟﹤翼形鏟。綜合分析疏松效果、牽引阻力和溝形面積比阻，認(rèn)為鑿形鏟（入土角21 °）的作業(yè)效果最佳。

為研究深松過程中的水稻土結(jié)構(gòu)和能量效應(yīng)，丁啟朔等采用原位土壤耕作綜合測試平臺精準(zhǔn)控制條件，設(shè)置10，15，20，25，30 cm共5種耕作深度，從耕作阻力及比阻、土壤宏觀擾動輪廓、土壤破碎體分布等方面，綜合評價鑿形鏟的深松作業(yè)效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，耕作阻力與耕作深度符合二階函數(shù)擬合的遞增關(guān)系;耕深20 cm時，深松鏟對土壤的擾動程度最大，地表隆起、開裂和縱向起伏程度最強(qiáng)，土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動面積、平均土塊徑均達(dá)到最大值，耕作比阻相對較低;耕深超過20 cm時，作業(yè)對土壤的擾動顯著降低，表現(xiàn)為地表隆起、開裂和縱向起伏程度減弱，此時土壤隆起高度、隆起寬度、橫剖面擾動面積、平均土塊徑數(shù)值均明顯減小;耕深超過30 cm時，耕作比阻急劇增大。綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，確定耕深20 cm可獲得較佳的作業(yè)效果。

杭程光等以碎土率、土壤蓬松度、土壤擾動系數(shù)、地表平整度等作為評價指標(biāo)，分別采用鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟進(jìn)行深松作業(yè)，利用高速攝影技術(shù)研究鏟尖形狀對土壤擾動和作業(yè)效果的影響。試驗(yàn)分析結(jié)果表明：鏟尖形狀對土壤擾動有一定影響，其中翼形鏟對壟溝和溝底寬度影響最大，箭形鏟次之，鑿形鏟最小;隨深松鏟鏟尖與土壤接觸面積，以及土塊間二次接觸概率的增加，土壤破碎效果不斷得到改善;同時，鏟尖形狀影響土壤疏松程度和地表平整性，鑿形鏟的疏松效果差但地表平整度優(yōu)。

另外，Manuwa以3種寬度不同的鏟尖為研究對象，對比分析了不同入土深度條件下的土壤壟形寬度和高度、土壟間距和土壤坑形寬度等擾動參數(shù)的差異。

3 土壤體裂隙擴(kuò)散的其他影響因素

設(shè)計(jì)深松機(jī)具時，應(yīng)綜合考慮作業(yè)質(zhì)量、減阻效果等因素，加強(qiáng)鏟尖對土壤類型的適應(yīng)性研究，合理確定鏟尖與土壤接觸面積，以達(dá)到良好的作業(yè)效果。

王學(xué)振等綜合運(yùn)用EDEM和室內(nèi)土槽試驗(yàn)，研究翼鏟高度對深松土壤擾動的影響。李偉等以鑿型深松鏟為研究對象，綜合使用離散元仿真和土槽試驗(yàn)方法，利用土壤坑形輪廓寬度、土壤壟形輪廓高度、土壤蓬松度、土壤擾動系數(shù)和地表平整度等評價指標(biāo)，研究不同深松深度對土壤擾動的影響。

4 土壤體裂隙擴(kuò)散研究展望

當(dāng)前，關(guān)于局部深松耕作下土壤體裂隙擴(kuò)散機(jī)理的研究，主要集中于連續(xù)介質(zhì)理論，側(cè)重于觸土部件對土壤擾動范圍、輪廓和形狀影響的宏觀行為分析。土壤宏觀擾動輪廓的研究成果較多，且部分研究成果已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。從土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)著手，開展土壤體裂紋擴(kuò)散機(jī)理和裂紋擴(kuò)散過程研究的內(nèi)容較少。

在今后研究中應(yīng)綜合利用離散元方法、高速攝影技術(shù)、土槽試驗(yàn)，研究深松耕作過程中的土壤體裂紋擴(kuò)散機(jī)理、動力過程和變化規(guī)律，探討不同作業(yè)條件對土壤體裂紋擴(kuò)散擾動效果的影響，以補(bǔ)充和創(chuàng)新現(xiàn)有的局部深松耕作相關(guān)研究，為優(yōu)化耕作部件和改進(jìn)深松作業(yè)模式提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

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