水稻根茬-土壤復合體剪切特性試驗

鄭 樂 羅錫文 曾 山 王在滿 劉春波 齊興源

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室， 廣州 510642)

水稻根茬-土壤復合體剪切特性試驗

鄭 樂1,2羅錫文1,2曾 山1,2王在滿1,2劉春波1,2齊興源1,2

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室， 廣州 510642)

為了降低稻茬地少耕免耕過程中的阻力，提高作業質量，同時為破茬開溝裝置提供設計依據，采用自制的剪切試驗裝置在萬能材料試驗機上對水稻根茬- 土壤復合體進行了剪切試驗，對根茬- 土壤復合體含水率、土壤容重、根茬- 土壤復合體的當量直徑、剪切位置、剪切速度、切刃刃角、切刀刃口形狀7個因素進行了單因素試驗。在單因素試驗的基礎上選取根茬- 土壤復合體含水率、剪切速度、切刃刃角3個因素進行了正交試驗。單因素試驗結果顯示：極限剪切應力與復合體的含水率呈二次多項式函數關系，與土壤容重呈冪函數關系，與根茬-土壤復合體直徑呈二次多項式函數關系，與剪切速度呈對數函數關系，剪切位置距離根茬中心越遠極限剪應力越小，切刃刃角越小極限剪切應力也越小；在4種形狀的刃口切刀中，凹圓弧切刃的極限剪切應力最小。正交試驗結果表明：切割速度450 mm/min、含水率25%、切刃刃角15°時，極限剪切應力最小。

水稻； 保護性耕作； 根土復合體； 剪切特性

引言

保護性耕作技術，特別是少耕免耕技術，是一種先進的耕作技術[1-2]，已在世界各地廣泛推廣應用[3]，但大多都是在旱地作物生產中應用[4-5]，在水稻生產中可否利用少耕免耕技術，是一個具有重大意義的科學問題，尤其在南方雙季稻產區[6]，早稻收割完后緊接著種植晚稻，農時緊張，因此，研究水稻茬地的保護性耕作很有必要，在稻茬地進行保護性耕作，首先要研究的是水稻根茬- 土壤復合體的問題。

目前，關于根茬- 土壤復合體的研究較多，相關研究主要集中在林木或草系植被固土機理[7-8]、土壤侵蝕[9-10]、荒漠化防治、水土保持等方面[10-12]。但關于水稻根系結構的研究比較少見，川田信一郎[13]曾進行水稻根系在土壤中分布的相關研究，徐信武[14]通過試驗測得了水稻秸稈的抗拉強度，孫占峰等[15]測得了水稻秸稈的擠壓、彎曲、破壞等特性，趙湛等[16]對水稻單莖進行了切割試驗，趙旭等[17]研究了玉米根土復合體剪切性能，劉川順等[18]研究了香草根土復合體的抗剪強度，但水稻根茬- 土壤復合體的力學相關研究未見相關文獻報道。

本文測量分析水稻根茬的田間分布情況以及根系分叉形態的相關參數、水稻根茬的當量直徑與其所包裹的土壤深度等結構特征。水稻根土復合體的物理性質對其抗剪性質有很大影響，包括土壤的組成、容重以及含水率和含根比例[17,19-20]。在稻田中破茬開溝部件對土壤的作用主要表現為剪切破壞，因此，對水稻根茬-土壤復合體(以下簡稱根土復合體)進行剪切特性的研究是基礎，本文擬通過試驗研究獲得在免耕播種時水稻根土復合體的最佳作業部位，從而為降低作業機具功耗、減少動土量提供設計依據。

1 研究區域自然概況與采樣

研究試驗區位于廣州市增城區華南農業大學實驗農場，屬于亞熱帶海洋季風氣候，是紅壤土分布區，土壤的通氣和蓄水性能良好。

試驗田長140 m、寬120 m,測量內容包括土壤密度、含水率和土壤堅實度，每個測量點按照0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm、150～200 mm分層取土。土壤含水率和干密度按照GB/T 50123—1999進行測量，同時使用TYD-2型數顯土壤硬度儀測量土壤硬度。

2 試驗裝置、材料與方法

2.1 試驗裝置與設備

試驗用儀器包括WD-E型精密微控電子式萬能試驗機(廣州市廣材試驗儀器有限公司生產)，采用1 000 N傳感器， 分辨率 1/120 000，力值精度±0.5%，位移精度±0.3%。試驗加載速率5～1 000 mm/min，數據采樣速度2個/s。游標卡尺，米尺，人工氣候箱，TYD-2型數顯土壤硬度儀(浙江托普儀器有限公司生產)，自制剪切裝置，試驗設定剪切時的采樣頻率為40 Hz,起始力為2 N; DHG-9030型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海索譜儀器有限公司)，ALC電子天平(量程：500 g，精度：1 mg，北京賽多利斯儀器系統有限公司)。實驗室溫度為28.5℃，濕度為58.5%。

水稻根土復合體是一種特殊的復合材料，目前還沒有試驗標準可供依照，本文參考其他材料試驗裝置[12,21-23]和試驗方法[24-27]，設計了一套剪切裝置與萬能材料試機組成一套試驗系統[17,23,28-29]。剪切裝置由剪切底座和剪切刀具兩部分組成，剪切刀具安裝在萬能材料試驗機的上連接頭，剪切底座四周由橡膠海綿圍壓成盒狀，在盒底部與動刀對應的位置安裝有與動刀對應的定刀，為保證剪切，定刀位于動刀正下方，剪切間隙控制在0.05 mm以內。由于農業機械的試驗大田環境的特殊性，想要保證室內的測試條件與真實工作環境條件完全相同是比較困難的，為了最大限度地模擬田間環境，前期采用相關試驗儀器獲取相關試驗參數：密度、含水率、溫度、濕度等，各參數盡量保持與大田環境一致，同時采用土壤硬度儀在試驗田找點測量獲取數據，結合測試數據和自制的剪切設備調節相關參數，先根據前期獲取的田間土壤硬度調整橡膠海綿組成的圍壓系統，使之與大田環境作業時的實際情況一致，動刀切割試樣時，試樣外側包圍有橡膠和海綿及液體，試樣受到剪切作用后擠壓圍壓系統，使得圍壓系統的壓力同步變化，基本符合根土復合體在大田環境下的實際情況。

圖1 剪切試驗裝置Fig.1 Shear test device1.動刀支座連接頭 2.動刀安裝座 3.動剪切刀 4.動刀導向支架 5.水稻根茬-土壤復合體 6.橡膠盒 7.調節筒 8.壓力計 9.壓力滾筒支座 10.試驗臺底座 11.剪切底座 12.定刀導向支架

自制剪切裝置如圖1所示。

剪切試驗臺上的動刀為往復式單面刃切刀，材質為45號鋼，為提高抗磨能力進行淬火處理。試驗過程中使用的4種刀具包括平刃口切刀、斜刃口切刀、凹圓弧刃口切刀和凸圓弧刃口切刀，如圖2所示。

圖2 剪切刀片零件圖Fig.2 Part drawings of blades

2.2 試驗材料的制備

選取的水稻品種為黃花占，是一種感溫型常規稻品種，早稻和晚稻均采用直播方式種植，播期分別為2015年3月23日和2016年3月29日，水稻收獲后，隨機挖掘完整的200株水稻植株，裝入網袋后進行清洗，對清洗后的水稻根系長度和范圍進行測量，如圖3a、3b、3c所示。根據統計分析結果可知，絕大部分水稻的根系都分布在深度為8～10 cm范圍的土層內。同時采用環刀法測試土壤的容重和含水率，試樣獲取后通過地表根茬分蘗數將試樣分類，在試樣中選取根茬分蘗數為6-10、11-15、16-20、21-25、26-30、31-35的試樣各20個，進行編號。為了減少根茬地上部分對試驗的影響，地上部的留茬高度統一為100 mm。

圖3 試樣制備Fig.3 Preparation of test pieces for testing

圖4 生育后期與收獲后根系實物圖Fig.4 Root pictures at late growth stage and after harvest

水稻根系在不同時期變化差異非常顯著，尤其與種植后期的田間水分管理密切相關，由統計分析結果可知，從水稻抽穗期開始，植株進入快速灌漿期,養分需求增大,由于營養脅迫部分根系開始失去活性[30-32]。收獲后水分與溫度導致根系逐漸失去柔韌性變脆腐爛[33-35]，這與田間實際取樣的情況一致，其具體表現如圖4所示。剪切試驗所需的水稻根土復合體采用田間隨機取樣方法，取樣時為了最大限度地模擬機具作業時的試驗狀態，挖取時按照規格300 mm×300 mm×200 mm取成立方體，同時按同規格挖取無根系素土土樣作為對照，所取試樣立即使用塑料袋包裹并保存在與生長環境相似的試驗箱直至試驗使用。

2.3 極限剪切應力測定

根據復合材料力學理論計算剪應力，試驗采用直接剪切方式進行，極限剪切應力計算式為

式中τs——極限剪切應力Fmax——最大剪切力s——切刃面積

經計算切刃面積為1.2×10-4m2。

2.4 試驗方法

剪切試驗在WD-E型精密微控電子式萬能試驗機和自制剪切試驗裝置上進行，在大田作業環境中，工作部件的入土能力、入土深度等均需要通過試驗獲取相關設計依據，在結合農藝相關要求的情況下尋找合適的入土深度以及探求作業時所遇到的阻力對后續機具設計節能減阻有著重要意義。為模擬機械作業環節時破茬刀具由地表茬地切入根茬土壤內部的過程，試驗前首先將剪切底座安裝在試驗機底部，將試驗用的剪切刀具安裝在萬能材料試驗機上連接頭，試驗時，試驗機上連接頭通過剪切動刀，和設定的加載速度做豎直向下運動，定刀與動刀共同配合作業直到根土復合體試樣完全被切開。與計算機配套的分析軟件自動記載試驗過程中剪切刀的位移以及試樣受到的剪切力。設置采樣頻率20 Hz，單因素試驗時每一水平重復試驗5次，正交試驗時每組重復3次。為了排除動定刀之間發生摩擦對試驗的影響，當施加的載荷大于3 N時才開始記錄試驗曲線。

2.5 試驗設計

本試驗主要研究模擬機具作業時相關參數對稻茬極限剪切應力的影響。因影響因素較多，為了減少試驗次數，將試驗分為2組，第1組采用單因素試驗：水稻根系的形狀呈現紡錘形狀[13]，與水稻根茬中心的距離不同，相當于根土復合體的含根比例也有所不同，因此將距離水稻根茬中心的剪切位置也作為一個因素, 剪切位置分別為通過水稻根茬中心和距離水稻根茬中心20、40、60、80 mm。選取根土復合體含水率、土壤容重、根土復合體的根土混合比例、剪切位置、剪切速度、切刀刃角和切刀形狀等7個試驗因素，為了對照無根系情況，每組試驗均安排了素土對照試驗。試驗前如果不破壞根茬復合體將無法獲取根土混合比例，但是文獻表明[31-32,34-37]，水稻的根系生長情況與地上部分相關，每株水稻地上的分蘗數越多地下根系越發達，故選取分蘗數作為水稻根土混合比例的表征。以根土復合體當量直徑反映分蘗數。第2組試驗模擬機具田間作業的實際情況，將根土復合體含水率、剪切速度、切刃刃角作為試驗因素，采用正交試驗設計安排試驗。

2.5.1 單因素試驗設計

單因素試驗選取的因素和水平如表1所示。剪切位置分別為通過水稻根茬中心，以及距離水稻根茬中心20、40、60、80 mm，表1中分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

表1 單因素試驗因素和水平Tab.1 Factors and levels of single factor test

2.5.2 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，考慮到田間作業時水稻根茬的直徑自然生長無法選擇，剪切位置在機具具體作業時很難保證在某一固定位置，因此這些均不選為試驗因素，選取根土復合體含水率、剪切速度、切刃刃角作為正交試驗的因素。正交試驗所選的因素與水平見表2。試驗時選取土壤容重為1.4 g/cm3、根土復合體的平均當量直徑為80 mm、采用凹圓弧刃口切刀、剪切位置為水稻根茬中心。

表2 正交試驗因素與水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

3 試驗結果與分析

3.1 單因素試驗結果與分析

3.1.1 根土復合體含水率

進行根土復合體含水率試驗時，土壤容重為1.4 g/cm3、根土復合體的平均當量直徑為80 mm、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；選取含水率分別為10%、15%、20%、25%。

試驗中發現，當含水率達到30%時，土壤顆粒的流動性太大，無法正常進行剪切試驗，故舍去30%含水率的試驗。

圖5 根土復合體含水率- 極限剪切應力關系曲線Fig.5 Relationship curves of moisture content and ultimate shear stress of root-soil composite

試驗結果如圖5所示，將根土復合體的含水率與極限剪切應力進行回歸擬合，二者呈二次多項式函數關系，R2=0.928 6。由試驗結果可知，根土復合體的含水率對極限剪切應力的影響比較顯著，根土復合體的極限剪切應力隨著含水率的增加呈現先增大后減小的趨勢，在含水率為15%時達到峰值，隨著含水率增加極限剪切應力呈減小趨勢。根據有關學者[9,11,28,30]的研究，根土復合體的抗剪切特性主要由2部分組成，一部分是土壤的粘聚力，另一部分是土壤的內摩擦角，胡文利等[38]的研究結果表明,無論土壤中是否有根系存在，含水率越大，內摩擦角越小。含水率較小時，土壤顆粒之間連接比較松散，尚未形成較為致密的結構，土壤顆粒與根系的接觸也比較松散，根土間的連接較弱。隨著含水率的增加，土粒與水之間形成的結合水膜作用增強，土體的粘聚力增大。隨著含水率的進一步增加，土壤顆粒周圍的水膜變厚，通過水分子膠結的能力變弱，土壤顆粒與根系之間的聯接咬合作用減弱，從而抵抗外界變形的能力減弱。

3.1.2 根土復合體土壤容重因素試驗

進行土壤容重試驗時，根土復合體含水率為20%、根土復合體的平均當量直徑為80 mm、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；選取容重分別為1.0、1.2、1.4、1.6 g/cm3，每組試驗重復10次。

圖6 根土復合體土壤容重- 極限剪切應力關系曲線Fig.6 Relationship curves of bulk density and ultimate shear stress of root-soil composite

由圖6可以看出，隨著土壤容重的增加，水稻根土復合體的極限剪切應力均值不斷增加，呈冪函數關系。由于水稻屬于須根系植物，因此水稻須根與包裹須根的土壤之間形成交錯的黏合體，土壤的容重越大，土壤顆粒與根茬包裹之間的連接就越緊密，相當于復合體的當量密度也變大，因而抵抗外界剪切的能力增強[7,9,11]。

3.1.3 水稻根茬直徑對極限剪切應力的影響

進行水稻根茬直徑試驗時，根土復合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，選取平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；分別選取直徑為39.85、60.25、79.68、101.42、120.62 mm的水稻根土復合體進行試驗，每組試驗重復10次。

由圖7可以看出，水稻根土復合體在40～80 mm的范圍內時，極限剪切應力的均值增長比較明顯，呈二次多項式函數關系，直徑超過80 mm后，素土極限剪切應力均值的增長速度逐漸變慢。在田間采樣過程中也發現，地表根茬直徑較小時，地下根系也比較稀疏，單位體積含根量也較少，根系對土壤的加筋效應就相對較弱，復合體抵抗剪切的能力隨之下降。

圖7 根土復合體直徑- 極限剪切應力關系曲線Fig.7 Relationship curves of equivalent diameter and ultimate shear stress of root-soil composite

3.1.4 切割位置對極限剪切應力的影響

進行切割位置試驗時，根土復合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，選取平刃口切刀，切刃刃角為20°。切割位置及結果如圖8所示。每組試驗重復10次。

由圖9可以看出，切割位置對極限剪切應力影響顯著，呈二次多項式函數關系，由于水稻的根系為須根系，距離水稻根茬中心越近，水稻的根系越密集，相當于單位體積內的根系比例增加，土體內的加筋效應增強，水稻根土復合體抵抗外界剪切的能力增強。同理，距離水稻根茬中心越遠，單位體積內的土體包裹的水稻根系就越少，切割的過程就越接近于素土切割，加筋效應就越不明顯。

圖8 切割位置及結果Fig.8 Cutting location and results

圖9 根土復合體剪切位置- 極限剪切應力關系曲線Fig.9 Relationship curves of shear position and ultimate shear stress of root-soil composite

3.1.5 剪切速度對極限剪切應力的影響

進行剪切速度試驗時，根土復合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；切割速度分別取10、20、50、100、150、200、300、500 mm/min進行試驗，每組試驗重復10次。

圖10 切刀剪切速度- 極限剪切應力關系曲線Fig.10 Relationship curves of shear velocity and ultimate shear stress

根據試驗結果(圖10)，將剪切速度對極限剪切應力均值進行曲線回歸擬合，R2=0.933 8，呈對數函數關系，水稻根土復合體與剪切刀具的接觸時間減少，在切割接觸點傳遞變形的時間也隨時減小，切割的過程變快，極限剪切應力的極值也隨之減小。

3.1.6 切刃刃角對極限剪切應力的影響

進行切刃刃角試驗時，根土復合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切切刀，剪切位置通過水稻根茬中心；切刃刃角分別取10°、15°、20°、25°、30°。

試驗結果(圖11)表明，切刃刃角對極限剪切應力影響顯著，剪切刃角增大時，極限剪切應力的均值呈增加趨勢，剪切刀的刃角越小，刀片越鋒利，相當于剪切刀具的切入角度較小，根據試驗觀察，刃角10°時切割根土復合體的切面也比較平整，切割位置也較少出現震裂、碎散等現象。刃角越小越容易切開根土復合體，從而降低了作業的阻力，但在同樣材質和金屬熱處理的情況下，剪切刃角小的刀片容易磨損，不同組成成分的土壤對切刀刃角磨損的影響也不同，如果在砂性土或者含有小石礫的土壤中作業，較小切刃刃角的切刀更容易磨損，致使阻力增大或崩刃損壞，影響剪切刀具的使用壽命。如僅以切割質量和田間作業阻力作為衡量指標，剪切刀的切刃刃角越小越好。但在實際的田間作業過程中，不僅要考慮作業質量還應同時考慮剪切刀具的使用壽命，權衡作業效果和作業成本后合理選用。

圖11 切刃刃角- 極限剪切應力關系曲線Fig.11 Relationship curves of cutting edge blade angle and ultimate shear stress

3.1.7 切刀形狀對極限剪切應力的影響

進行切刀形狀試驗時，根土復合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min、切刃刃角為15°、剪切位置分別通過水稻根茬中心；選取4種刃型切刀。

試驗結果(圖12)表明，平刃口切刀與斜刃口切刀的極限剪切應力相差不明顯，內外圓弧型切刀與直線型切刀差異較大，刃口曲線為凹圓弧時，極限剪切應力最小，從而對應的作業阻力也最小。分析切割過程可知，凸圓弧刃口切割時對上升的土壤和根茬復合體有向下擠壓的趨勢，相當于切刀的入土角增大，對應的極限剪切應力也增大，凹圓弧刃切割時，由于處于最大半徑的土壤和根茬復合體先受到切刀擠壓的會沿著刃口的方向向內側滑動，相當于切刀的瞬時入土角減小，從而對應的切割阻力也減小。

圖12 切刀形狀對極限剪切應力的影響Fig.12 Effects of cutter shape on ultimate shear stress

3.2 正交試驗結果與分析

正交試驗的試驗因素水平及試驗安排如表3所示。

大田環境較為復雜，因此影響極限剪切的因素也較多，由于實際作業中，根茬切割位置很難人為控制準確，結合前期的單因素試驗，選取根土復合體含水率、剪切速度和切刃刃角作為試驗因素。

表3 正交試驗安排與結果Tab.3 Orthogonal test arrangements and results

正交試驗結果如表3所示，正交試驗的結果與單因素試驗結果一致，在3個因素中，根土復合體含水率的影響最大、切刃刃角次之、剪切速度最小。含水率對極限剪切應力的影響最為顯著，極限剪切應力最小的參數組合為A3B3C1，由于該組試驗未出現在正交試驗結果中，故補充進行了一組試驗，經試驗測得極限剪切應力為172 kPa。

4 結論

(1)采用自制的剪切裝置和電子萬能試驗機對水稻根茬復合體的抗剪切性能進行了試驗，結果表明，土壤含水率、土壤容重和根土復合體的含根比例對水稻根土復合體的抗剪切特性影響顯著。單因素試驗結果表明，水稻根土復合體的含水率從10%開始，剪切應力先隨著含水率的增大而增大，在15%達到最大，之后隨著含水率的增加而減小，表現出先增后減趨勢，另外作業過程中剪切刀具距離根茬中心位置也對作業阻力影響顯著，距離越遠阻力越小。

(2)在設計的4種不同刃口曲線的切刀中，平口切刃刀與斜口切刃刀對應的極限剪切應力差別不大，凹圓弧切刀和凸圓弧切刀對應的極限剪切應力都比直線型切刀降低15%左右，其中凹圓弧切刀的極限剪切應力值最小。在免耕破茬的過程中，選取合適形狀的破茬刃口曲線能降低機器作業的阻力。

(3)正交試驗結果表明：在含水率25%、切割速度450 mm/min、切刃刃角15°時，極限剪切應力最小，為最佳組合。少免耕種植期不同，其根土復合體含水率也存在差異，從而也影響剪切阻力，因此選擇較高含水率有利于減小耕作阻力。

1 王長生, 王遵義, 蘇成貴, 等. 保護性耕作技術的發展現狀[J]. 農業機械學報, 2004,35(1):167-169. WANG Changsheng, WANG Zunyi, SU Chenggui, et al. Development and application of protective farming technique[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004,35(1):167-169.(in Chinese)

2 賈延明, 尚長青，張振國. 保護性耕作適應性試驗及關鍵技術研究[J]. 農業工程學報, 2002,18(1):78-81. JIA Yanming, SHANG Changqing, ZHANG Zhenguo. Adaptability test and key technology research on conservation tillage[J]. Transactions of the CSAE, 2002,18(1):78-81.(in Chinese)

3 楊學明, 張曉平, 方華軍, 等. 北美保護性耕作及對中國的意義[J]. 應用生態學報, 2004,15(2):335-340. YANG Xueming, ZHANG Xiaoping, FANG Huajun, et al. Conservation tillage systems in North America and their significance for China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004,15(2):335-340.(in Chinese)

4 山侖. 旱地農業技術發展趨向[J]. 中國農業科學, 2002,35(7):848-855. SHAN Lun. Development trend of dryland farming technologies[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002,35(7):848-855.(in Chinese)

5 周興祥, 高煥文, 劉曉峰. 華北平原一年兩熟保護性耕作體系試驗研究[J]. 農業工程學報, 2001,17(6):81-84. ZHOU Xingxiang, GAO Huanwen, LIU Xiaofeng. Experimental study on conservation tillage system in areas of two crops a year in North China Plain[J]. Transactions of the CSAE, 2001,17(6):81-84.(in Chinese)

6 章秀福, 王丹英, 符冠富, 等. 南方稻田保護性耕作的研究進展與研究對策[J]. 土壤通報, 2006,37(2):346-351. ZHANG Xiufu, WANG Danying, FU Guanfu, et al. Research progress and developing strategy in paddy-field conservation tillage in the south of China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006,37(2):346-351.(in Chinese)

7 李建興, 何丙輝, 諶蕓, 等. 不同護坡草本植物的根系分布特征及其對土壤抗剪強度的影響[J]. 農業工程學報, 2013,29(10):144-152. LI Jianxing, HE Binghui, CHEN Yun, et al. Root distribution features of typical herb plants for slope protection and their effects on soil shear strength[J]. Transactions of the CSAE, 2013,29(10):144-152.(in Chinese)

8 鄧軍濤, 張艷, 王娟娟. 黃土古土壤的抗剪強度特性[J]. 水土保持通報, 2015,35(5):319-322. DENG Juntao, ZHANG Yan, WANG Juanjuan. Shear strength characteristics of loess paleosol[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015,35(5):319-322.(in Chinese)

9 呂春娟, 陳麗華, 陳衛國, 等. 根土復合體的抗剪特性研究[J]. 灌溉排水學報, 2016,35(3):13-19. Lü Chunjuan, CHEN Lihua, CHEN Weiguo, et al. Study on shear performance of soil-root composite[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016,35(3):13-19.(in Chinese)

10 鄭力文. 林木根系對土壤性質的影響研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2015. ZHENG Liwen. Effect of root system on soil properties[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2015.(in Chinese)

11 趙亮. 根土復合體抗剪強度試驗研究[D]. 長沙: 中南林業科技大學, 2014. ZHAO Liang. Experimental study on shear strength of root-soil composite[D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2014.(in Chinese)

12 陳終達, 肖宏彬, 張春曉, 等. 根系分布方式對根- 土復合體抗剪強度的影響[J]. 中南林業科技大學學報, 2016,36(8):130-135. CHEN Zhongda, XIAO Hongbin, ZHANG Chunxiao, et al. The impact of root distribution methods on the shear strength of root-soil composite[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2016,36(8):130-135.(in Chinese)

13 [日]川田信一郎. 水稻的根系[M]. 申廷秀，劉執鈞，彭望瑗，譯. 北京: 農業出版社, 1984.

14 徐信武. 稻草的熱力學性能及稻草刨花板的吸濕特征[D]. 南京: 南京林業大學, 2003. XU Xinwu. Thermomechanical properties of rice straw and hygroscopicity of rice straw-based particleboard[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2003.(in Chinese)

15 孫占峰, 蔣恩臣. 稻草秸稈力學特性研究[J]. 東北農業大學學報, 2007,38(5):660-664. SUN Zhanfeng, JIANG Enchen. Study on mechanical properties of rice straw[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2007,38(5):660-664.(in Chinese)

16 趙湛, 李耀明, 徐立章, 等. 超級稻單莖稈切割力學性能試驗[J]. 農業機械學報, 2010,41(10):72-75. ZHAO Zhan, LI Yaoming, XU Lizhang, et al. Experiment on cutting mechanical property of single super rice stalk[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010,41(10):72-75.(in Chinese)

17 趙旭, 張祖立, 黃秋波, 等. 玉米根土復合體剪切性能試驗[J/OL]. 農業機械學報, 2013,44(8):126-132. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130822&flag=1&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.08.022. ZHAO Xu, ZHANG Zuli, HUANG Qiubo, et al. Cutting performance of corn root-soil composite[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(8):126-132.(in Chinese)

18 劉川順, 吳洪亮, 張路. 香根草根土復合體抗剪強度試驗研究[J]. 武漢大學學報：工學版, 2012,45(5):580-583. LIU Chuanshun, WU Hongliang, ZHANG Lu. Experimental study of shear strength of soil rooted with vetiver roots[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2012,45(5):580-583.(in Chinese)

19 郭維俊, 黃高寶, 王芬娥, 等. 小麥根系力學性能及微觀結構研究[J]. 農業機械學報, 2010,41(1):92-95. GUO Weijun, HUANG Gaobao, WANG Fene, et al. Mechanical properties and micro-structure of wheat roots[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010,41(1):92-95.(in Chinese)

20 王宏立, 張偉, 董曉威, 等. 玉米根茬剪切力學性能試驗與分析[J]. 實驗力學, 2014,29(1):73-82. WANG Hongli, ZHANG Wei, DONG Xiaowei, et al. Experiment and analysis of shear mechanical property of corn stubbles[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2014,29(1):73-82.(in Chinese)

21 武濤, 馬旭, 齊龍, 等. 玉米根茬根土分離裝置[J/OL]. 農業機械學報, 2014,45(6):133-139. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140621&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.06.021. WU Tao, MA Xu, QI Long, et al. Roots-soil separating device of corn stubble[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(6):133-139.(in Chinese)

22 李小城, 劉梅英, 牛智有. 小麥秸稈剪切力學性能的測試[J]. 華中農業大學學報, 2012,31(2):253-257. LI Xiaocheng, LIU Meiying, NIU Zhiyou. Test of shear mechanical properties of wheat stalks[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2012,31(2):253-257.(in Chinese)

23 蔣必鳳, 李淑敏, 肖元平. 牛筋草根土復合體抗剪性能研究[J]. 山西建筑, 2016,42(35):63-65. JIANG Bifeng, LI Shumin, XIAO Yuanping. Research on the shear strength ofEleusineindicaroot soil composite[J]. Shanxi Architecture, 2016,42(35):63-65.(in Chinese)

24 INCE A, UGURLUAY S, GUZEL E. Bending and shearing characteristics of sunflower stalk residue[J]. Biosystems Engineering, 2005,92(2):175-181.

25 BAKEER B, TAHA I, El-MOUSLY H, et al. On the characterisation of structure and properties of sorghum stalks[J]. Ain Shams Engineering Journal, 2013,4(2):265-271.

26 JOHNSON P C, CLEMENTSON C L, MATHANKER S K, et al. Cutting energy characteristics ofmiscanthus×giganteusstems with varying oblique angle and cutting speed[J]. Biosystems Engineering, 2012,112(1):42-48.

27 NAZARI G M, JAFARI A, MOHTASEBI S S, et al. Effects of moisture content and level in the crop on the engineering properties of alfalfa stems[J]. Biosystems Engineering, 2008,101(2):199-208.

28 高景. 拉伸-剪切復合載荷原位力學測試裝置設計分析與試驗研究[D]. 長春: 吉林大學, 2015. GAO Jing. The design and experimental research on in-situ mechanical testing instrument combined tension and shear[D]. Changchun: Jilin University, 2015.(in Chinese)

29 劉薇, 杜文亮, 蘇禹, 等. 植物根- 土復合體原位剪切試驗裝置的設計與分析[J]. 農機化研究, 2017,39(1):82-86. LIU Wei, DU Wenliang, SU Yu, et al. Design and analysis of a plant root soil composite in situ shear test devices[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017,39(1):82-86.(in Chinese)

30 胡敏, 李為萍, 史海濱, 等. 布根方式及根系徑級對根土復合體抗剪性能的影響[J]. 水土保持通報, 2012,32(1):42-44. HU Min, LI Weiping, SHI Haibin, et al. Bulletin of soil and water conservation[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012,32(1):42-44.(in Chinese)

31 陸定志. 雜交水稻根系生理優勢及其與地上部性狀的關聯研究[J]. 中國水稻科學, 1987,1(2):81-94. LU Dingzhi. Relationship between physiological heterosis of root and shoot system of hybrid rice shan-you 6[J]. Chinese Journal of Rice Science, 1987,1(2):81-94.(in Chinese)

32 何強, 鄧華鳳, 舒服, 等. 雜交水稻苗期發根性狀與生育后期根系活力及穗部性狀的關系[J]. 雜交水稻, 2006,21(3):75-77. HE Qiang, DENG Huafeng, SHU Fu, et al. Correlation of rooting traits in seedling stage to activity of root system in late growth stage and panicle traits in hybrid rice[J]. Hybrid Rice, 2006,21(3):75-77.(in Chinese)

33 吳偉明, 宋祥甫, 孫宗修, 等. 不同類型水稻的根系分布特征比較[J]. 中國水稻科學, 2001,15(4):276-280. WU Weiming, SONG Xiangfu, SUN Zongxiu, et al. Comparison of root distribution between different type rice[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2001,15(4):276-280.(in Chinese)

34 王旭軍. 不同類型水稻根系生理特性及其與地上部關系的研究[D]. 長沙: 湖南農業大學, 2005. WANG Xujun. Study on root physiological characteristics of different types of rice and its relationship to its aerial parts[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2005.(in Chinese)

35 朱春生. 不同類型水稻根系形態特性及其與地上部關系的研究[D]. 長沙: 湖南農業大學, 2005. ZHU Chunsheng. Study on the morphological characteristics of root and their relation with upland parts between different types rice[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2005.(in Chinese)

36 石慶華, 黃英金，李木英，等. 水稻根系性狀與地上部的相關及根系性狀的遺傳研究[J]. 中國農業科學, 1997,30(4):61-67. SHI Qinghua, HUANG Yingjin, LI Muying, et al. Studies on the heredity of root characteristics and correlation between the characteristics of roots and upperground parts in rice[J]. Scientia Agricultura Sinica, 1997,30(4):61-67.(in Chinese)

37 洛育. 黑龍江省水稻根系性狀與地上部性狀的關系[J]. 中國農學通報, 2010,26(14):165-168. LUO Yu. Dependence relation of aerial part traits and root traits of rice in Heilongjiang Province[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010,26(14):165-168.(in Chinese)

38 胡文利, 李為萍, 陳軍. 不同含水率水平下根- 土復合體抗剪強度試驗研究[J]. 內蒙古農業大學學報：自然科學版, 2011,32(1):215-219. HU Wenli, LI Weiping, CHEN Jun. The root- soil composite shear strength in different soil moisture levels[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University: Natural Science Edition, 2011,32(1):215-219.(in Chinese)

Shear Characteristics of Rice Root-Soil Composite

ZHENG Le1,2LUO Xiwen1,2ZENG Shan1,2WANG Zaiman1,2LIU Chunbo1,2QI Xingyuan1,2
(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

In order to reduce the rice stubble of minimum tillage and no tillage resistance in the process, improve the quality of work, and provide basis for the design of stubble breaking ditching device, the shear experiments on the universal material testing machine was tested on rice stubble and soil complex. Soil moisture content, soil bulk density, complex stubble soil composite equivalent diameter, cutting position, cutting speed, cutting edge angle and blade shape were tested by single factor test. Based on single factor experiment, the orthogonal experiment was carried out on three factors, including soil moisture content, shear rate and cutting edge angle. The results of single factor test showed that the relationship of ultimate shear force and water complex rate was two-order polynomial function, a power function relationship with soil bulk density, a two order polynomial function relationship with stubble and soil complex diameter, logarithmic relationship with shear velocity. The ultimate shear stress was decreased with the increase of shear distance from stubble, and it was also decreased with the decrease of cutting edge angle; among the four shapes of cutter blade, the ultimate shear stress of concave arc cutting blade was the least. The results of orthogonal test showed that the ultimate shear stress was the minimum when the cutting speed was 450 mm/min, the moisture content was 25% and the cutting edge angle was 15°.

rice; conservation tillage; root-soil composite; shear characteristics

2017-01-16

2017-02-20

公益性行業(農業)科研專項(201203059)、廣東省科技計劃支撐項目(2015A020208016)和國家重點研發計劃項目(2016YFD0200606)

鄭樂(1983—)，男，博士生，主要從事水稻播種機械研究，E-mail: zhengle-xinong@163.com

羅錫文(1945—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業機械化研究，E-mail: xwluo@scau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.007

S154.4

A

1000-1298(2017)05-0063-09