深松鏟型式對深松作業的影響

陳 偉， 朱繼平， 陳小兵， 袁 棟， 姚克恒， 劉正剛， 丁 艷， 夏 敏， 張 曉

(1.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014； 2.江蘇清淮機械有限公司，江蘇淮安 223005)

傳統的整地方式主要有犁翻耕和旋耕2種，常用機具為鏵式犁和旋耕機，在這2種機具的長期作用下，適耕土層薄化嚴重，地表下方15～20 cm處出現堅硬的土層，即犁底層[1-3]。犁底層的厚度因地域不同相差很大，由于犁底層土壤堅實度大，板結情況嚴重，會導致2種情況，一是阻礙地表水分下土壤深處滲透，大多數水分留存于淺土層增加了地表徑流和自然蒸發現象；二是阻礙了作物根系的生長，堅硬的犁底層大大增加了根系下扎阻力，作物根系發展空間小、增加倒伏、降低產量[4-6]。深松的主要目的在于打破田塊中的犁底層，提高土壤的蓄水能力，降低深處土層的容重、堅實度，為植物根系的生長創造有利的條件。國內關于深松鏟的研究已展開多年，期間出現了很多新型樣式的深松鏟，然而現有的深松鏟型式在主體結構上與幾種經典的深松鏟型式很相似的如鑿型式、鑿型帶翼式、曲面式、箭型式[7-8]。在主體沒有變的情況下，很多企業或研究機構以經典深松鏟為主體結構，設計出了眾多型式的深松鏟[9-10]。為研究不同型式深松鏟的作業性能，本研究以上述經典樣式深松鏟為研究對象，采取田間試驗的方式評價各型式深松鏟的作業性能，根據現有儀器條件及不可控因素，試驗評價指標主要是土壤堅實度、功耗。

1 試驗條件和設計

1.1 試驗條件

試驗前，項目組對整個試驗區進行了以下劃分，區別出穩定區、耕前試驗區、耕后測試區、隔離區和種植試驗區。由于其他原因，項目組只對作業后的堅實度和功耗情況進行詳細測量。圖1為試驗小區規劃，圖2為試驗地的現場劃分。

試驗地前茬為麥茬，土壤為沙壤土，試驗前對整個試驗地的水分、堅實度以及每個測區的堅實度進行調查，測區堅實度在后面的結果對比分析中列出。

表1 試驗地水分調查

試驗機具選用國內常用的4種機具，分別為鑿型鏟深松機、鑿型帶翼鏟深松機、曲面鏟深松機和箭型鏟深松機，機具配套動力使用江蘇-120A型拖拉機，采用3點懸掛式框架結構，具體規格參數見表2。

表2 試驗機具主要技術參數

1.2 主要儀器及測試方法

試驗效果的評價指標是作業后土壤堅實度變化和作業功耗比較，堅實度測量使用TJSD-750土壤堅實度測量儀，內置全球定位系統(簡稱GPS)定位及深度測量系統，可同時顯示土壤緊實度，測量深度及地理位置。與計算機連接后，可自動生成每個測量點的土壤緊實度曲線，并且可由多個測量點生成區域性土壤緊實度分布圖，并且自動生成相關數據鏈。試驗人員前期測量了各個測區內的土壤堅實度，作業后以右鏟溝的左右溝壁為起始點，分別測量距離(左右)溝壁處5、10、15、20 cm處的土壤堅實度。

牽引阻力測量使用ZX-2020牽引力測試儀，以MCS-51系列單片微型計算機為核心的智能化測試儀器，配以點陣式液晶屏作為顯示器件，漢字提示，實時顯示測試數據及峰值數據，并支持無線傳輸。深松機作業過程中，利用拖拉機的懸掛裝置支撐、調平、入土，儀器以牽引連接的方式固聯于被測設備與牽引設備之間，須要再配置一輛拖拉機以“車拉車”的方式進行測量。

1.3 試驗設計

項目組安排每種深松機做3個重復試驗，記為行程1、行程2、行程3(圖3)，對每個行程后的堅實度、牽引阻力進行測量。

以下將鑿型鏟、鑿型帶翼鏟、曲面鏟、箭型鏟分別記為ZC、YC、QC、JC。

2 結果與分析

為保證試驗數據的可靠性，項目組設計了每種鏟試驗做3次重復的操作，與耕后堅實度數據比較的耕前數據均來源于各自重復中的測量。

2.1 不同深松鏟作業在水平方向上對土壤堅實度的影響

2.1.1 水平方向土壤堅實度變化情況 項目組對深松鏟溝壁左右水平方向的堅實度都進行了測量，選取溝壁左側的數據為研究對象，以5、10、15、20 cm為測點，統計出各測點土層堅實度的平均值和峰值作比較。

圖4反映的是不同結構型式的深松鏟作業后，土壤堅實度在水平方向上的整體變化情況。項目組分別統計出每個試驗3個行程的數據，取平均數進行比較。堅實度降低幅度隨著測點與溝壁距離的增加逐漸降低；在5 cm測點處，QC作業后土壤堅實度下降幅度最大，與耕前比較下降 72.12%；在 20 cm 測點處，ZC、YC、QC、JC作業后，堅實度平均值降低幅度分別為46.85%、4.25%、53.14%、14.98%。

圖5反映的是不同結構型式的深松鏟作業后，土壤堅實度在水平方向上的峰值變化情況，項目組統計出每個測點 0～35 cm 內土層的堅實度峰值數據用以分析。QC作業后，各測點的土壤堅實度峰值降低幅度均比較大，5、20 cm處土壤堅實度降低幅度分別為83.31%、59.32%；YC和JC在15、20 cm處，對土壤堅實度的影響比較低。

結合圖4和圖5可得出，深松作業對土壤堅實度的影響隨著距離的增加而降低；YC、JC對土壤堅實度的影響相對于QC、ZC較低。另外，由于圖7和圖9中YC和JC的作業影響相對其他2種鏟低得比較多，項目重新查閱了YC和JC的耕前堅實度數據，發現YC和JC試驗區的15、20 cm測點區域土壤堅實度比其他2種鏟試驗地堅實度要大，導致作業效果并不明顯，下文分析會將這個因素考慮在內。

2.1.2 深松鏟結構型式對兩側土壤堅實度影響分析 為分析深松作業，深松鏟兩側土壤堅實度的變化情況，項目組統計出相應數據并作出圖。由圖6至圖9可知，曲面式深松鏟兩側的土壤堅實度變化幅度相差比較大，5 cm測點處鏟右側土壤堅實度降低幅度為42.92%，左側為72.17%，其他2處測點右側土壤堅實度降低幅度均不足左側幅度的一半；其他3種鏟左右兩側對應測點土壤堅實度降低幅度基本相同。

2.2 不同深松鏟作業在垂直方向上對土壤堅實度的影響

根據上文的分析結果，項目組選取了深松鏟左側5 cm處測點土下0～35 cm內的土壤堅實度變化情況來研究不同深松鏟作業在垂直方向上對土壤堅實度的影響。由圖10可知，在0～5 cm 范圍內，YC作業后，土壤堅實度下降幅度為71.58%，JC降低幅度為57.21%，比其他2種鏟的作業影響要大；各鏟在6～10 cm 和>11～15 cm內對土壤堅實度的影響變化不大，這個范圍屬于適耕淺土層，土壤經常整理，所以受影響幅度也相同；在16～20 cm和>21～25 cm范圍內，各鏟對土壤堅實度的影響幅度均呈現大幅度上升的趨勢，16～25 cm范圍的土層屬于較硬的犁底層，當深松鏟打破犁底層后，堅實度會大幅度下降；深松作業對土壤深處的影響程度明顯高于淺層土壤的影響程度。

2.3 不同深松鏟作業功耗和土壤膨松度的比較

由圖11可知，曲面鏟和鑿型帶翼鏟在土壤膨松度方面要明顯高于鑿型鏟和箭型鏟；曲面鏟牽引阻力要明顯大于其他3種鏟，鑿型帶翼鏟牽引阻力次之。

3 結論

深松作業可以有效降低土壤堅實度，但影響幅度不同，從本試驗得出，鑿型鏟和曲面鏟在水平方向影響距離大，在 20 cm 測點處分別降低土壤堅實度46.85%、53.14%。從降低土壤堅實度最大值角度分析，曲面鏟作業效果最好，鑿型鏟次之。曲面型深松鏟深松作業在對土壤堅實度影響上具有明顯的不對稱性，兩側影響幅度不同。深松作業對于深層土壤堅實度影響比淺層土壤大。在相同作業條件下，曲面型深松鏟深松作業產生較大的功耗，對于土壤膨松度影響也較大。