基于田間攝像的多參數水稻土深松擾動行為與效應研究

丁啟朔 李 楊 BELAL Eisa Adam 梁 磊 何瑞銀 汪小旵

(1.南京農業大學工學院， 南京 210031； 2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室， 南京 210031； 3.扎林蓋大學農業工程系， 扎林蓋 06)

0 引言

土壤深松已成為保護性農業的一項重要耕作技術[1]，通過加深耕作層、改善土壤孔隙、提高土壤透水和透氣性實現作物增產[2-6]。在生產實踐中，土壤深松與秸稈還田[7-9]、深松與輪耕系統設計[10-12]、深松保障作物增產等研究內容不斷拓展[13-15]，兼顧各種復合效益的深松機具設計也在不斷完善[16-19]。在深松理論上，有限元[20-21]和離散元[22-25]等仿真模型的應用也深化了人們對深松等土壤耕作力學機理的認識。盡管如此，不同田間條件下深松機具在作業過程中的一些擾動行為及其效應仍有待揭示，例如，深松機具在作業過程中的碎土和土壤抬升等行為需要準確描述，碎土與抬土行為造成的微地貌及土層緊實度變化更需要直觀表達，只有如此才能定量表述基于觸土部件結構設計和作業參數的土壤深松擾動行為，進而優化耕作系統。

深松過程的碎土與土垡抬升所造成的微地貌及土壤緊實度變化也進一步決定著是否需要配合二次整地等后續作業，因此關系到保護性耕作系統的設計。可見，揭示土壤耕作的過程行為也是當前的一個技術難題，涉及能否簡化耕作流程、實現復式作業，甚至整合深松、播種施肥及秸稈還田的技術可行性，更關系到能否解決好保護性農業需要最大程度疏松土層，但同時要求節約能耗的問題，以及需要加深耕層、但同時要求不擾亂土層和減少微地貌破壞的現實性矛盾。

本研究采用土壤耕作原位綜合測試平臺進行單鏟深松試驗，從5個方位協同錄制深松作業視頻，以獲取關鍵的水稻土深松擾動行為指標，結合深松前后的土壤微地貌和緊實度變化、耕作阻力測試與EDEM仿真模擬，定量表達不同入土角和耕深條件下的水稻土深松擾動行為及效應。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于南京市六合區八百橋(118°59′E，31°98′N)，該地區常年稻麥輪作，土壤類型為壤質粘土，0～30 cm土層土壤物理參數見表1，試驗前清除地表留茬。

表1 0～30 cm土層基礎物理參數Tab.1 Basic physical properties in 0～30 cm soil layer

1.2 原位深松攝像試驗設計

田間試驗使用土壤耕作原位綜合測試平臺[29]，掛接單鏟，牽引速度為0.1 m/s(圖1b)。試驗前沿深松鏟行進方向(x軸)建立坐標系(圖1a)，5臺攝像機按表2所示空間坐標布局。

圖1 水稻土原位深松試驗機位布置圖Fig.1 Camera positions of subsoiling experiment

鑒于深松鏟入土角α及耕深D對作業性能的顯著影響[24,30-34]，參照文獻[35]，確定α為15°、22.5°、30°；深松或鋤耕(Chiseling，多見于西方保護性耕作機具)的耕深范圍在10～30 cm[36-39]。另外生產中通常考慮到稻作制條件大于30 cm的深松泥腳過深，影響機具作業且破壞阻滲層，故確定D為10、20、30 cm，本試驗雙因素共9種處理(見表3)，參照標準JB/T 9788—1999《深松鏟和深松鏟柄》仿制一組深松鏟用于試驗。

表2 攝像機位空間坐標Tab.2 Camera space coordinates cm

表3 深松過程參數Tab.3 On-site parameters of subsoiling

注: 同列相同字母上標表示不同處理之間差異不顯著(P>0.05); 小寫字母表示入土角的顯著性，大寫字母表示耕深的顯著性。

1.3 試驗操作和測試方法

1.3.1深松過程的攝像法測試

深松過程的土壤擾動行為由5個機位協同拍攝。鑒于深松鏟的抬土過程是周期性發生，僅以攝像中的抬土最高點靜態圖像提取深松過程行為指標，具體包括x、y、z方向上的縱向碎土距離R、擾動寬度W和抬土高度H。其中，H和R從機位3、4的視頻中提取(圖2a)，W從機位5的視頻中提取(圖2b)，視頻處理使用Digimizer軟件。每個處理重復6次，采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗數據進行統計分析。圖2上部組圖為6次重復樣本，下部組圖為一次完整深松過程的動態展示，其中黃色邊框為標注大圖。

圖2 土壤動態擾動參數示意圖Fig.2 Soil dynamic disturbance parameters

1.3.2深松前、后微地貌測試

本文使用小蟻4K+運動攝像機(900萬像素，視頻幀率30 f/s)以0.1 m/s的速度分別對深松前、后土壤微地貌進行3次不同角度和高度的拍攝，利用Adobe-Premiere軟件提取高精度視頻幀(圖3a)用于Agisoft-Photoscan軟件三維重建，結合地面控制點坐標后獲取數字化微地貌模型，利用Geomagic-Studio軟件的網格修補模塊對微地貌三維點云模型進行修復(圖3b)，使用曲線模塊提取土壤表面模型的樣線作為地表線[40]，并在深松后地表線上過最高點做一條水平直線為基準線，在整個深松鏟深松寬度范圍內以固定值(30 mm)等分標記測點，在深松作業前、后根據比例采樣獲取各測點至水平基準線的垂直距離，計算出平均值和標準差，并以標準差表示地表平整度，上述試驗分別測量5次取平均值[25]。攝像法測試完成后，采用劉俊安等[26]的方法測得深松擾動剖面的土壤緊實度等值線圖。耕作阻力由土壤耕作原位綜合測試平臺測試記錄[29,36]。

圖3 耕后土壤微地貌Fig.3 Disturbed microrelief

垂直距離與平整度計算式為

(1)

式中ak——第k次測量的深松前、后地表至水平基準線的垂直距離

akj——第k次測量中第j個等分點的深松前、后地表至水平基準線的垂直距離

nk——第k次測量中的測試點數

Sk——第k次測量的地表平整度

2 結果與討論

2.1 攝像法所得深松過程參數與效應

2.1.1攝像法所得深松過程參數

表3表明，入土角α和耕深D對縱向碎土距離R、抬土高度H和擾動寬度W均影響顯著，表4匯總了水稻土深松的擾動行為指標與α和D間的擬合關系，表明H隨α呈線性增加，而LI等[24]和張銳等[41]研究成果表明隨著α增大，機具推土能力增強，而抬土能力減弱。視頻的回放進一步表明水稻土的深松過程不以脆性斷裂為主，而是繞著O點(圖2a)，沿著曲柄段向上攀升，至直柄段被剪切回落。

表3、4所示α和D對R的影響規律與TONG等[42]和GODWIN等[43]的研究結果一致,R隨對應耕深范圍內鏟的縱向水平長度L[44]線性增加。不僅如此，α和D對擾動寬度W也有顯著影響。W隨α線性增加，因為鏟前方土壤位移場變大，擾動程度增強，新月形失效面寬度[43]隨α增加，這與張銳等[41]和TONG等[42]的研究結果一致。

表4 水稻土深松作業性能指標與深松鏟入土角、耕深的關系Tab.4 Regressional analysis on subsoiler performance parameters with respect to subsoiling parameters

注：H10、H20、H30表示耕深D為10、20、30 cm的抬土高度，H15、H22.5、H30表示入土角α為15°、22.5°、30°的抬土高度。其余類似。

2.1.2水稻土深松的微地貌特征

通過攝像法獲得重構數字云微地貌，并從中提取地表平整度參數與針板法測量結果的平均相對誤差為8.6%(表5)，表明數字云重構三維土壤模型能夠高效、準確地提供微地貌信息。

表5 攝像法與針板法測試微地貌誤差分析Tab.5 Error analysis on video measurement and pin-board measurement

地表平整度S是評價耕作質量的重要指標[25,28,45]，表3、5表明D對S有顯著影響，且S隨D先增大后減小，這一變化規律與以往研究所得結論一致[36]。

攝像法所得抬土高度H隨D顯著減小，但地表平整度變化趨勢與此不同。視頻顯示在10 cm耕深時土壤發生新月形失效，碎土充分，土塊間的粘接呈完全斷裂破壞，土垡回落軌跡為從鏟兩側翻落至地表，回落距離最大；隨著耕深增加，耕作土層越加深厚致密，土壤失效模式轉變為新月形失效和側向擠壓失效[43]，土壤剪切破碎不充分，土垡與兩側土壤粘連，土垡回落距離顯著減小，這也進一步支撐了針對土層狀態來設計深松鏟的理論假說[46]。

2.1.3攝像法所得土壤剖面擾動過程

圖4 土壤剖面擾動過程Fig.4 Soil disturbance process recorded at stations 1 and 2

從機位1、2的視頻按時間序列提取土壤擾動過程(圖4)，其中2 s時鏟尖入土，3.7 s時鏟尖“擠”進土層且底層土沿水平方向產生擴展裂紋，同時鏟尖上方的土壤開始向上運動，鏟尖下方的土壤則因為深松鏟的擠壓向下運動。4.6 s時，剪切失效的土體沿深松鏟曲柄段抬升，被抬升的土體向前和向上運動，同時土壤剖面的裂紋繼續向側斜上方延伸,攝像顯示的土壤剖面失效過程與已有的研究成果一致[21,23,27,47-49]；鏟尖和曲柄附近的底層土受到擠壓剪切形成溝槽。5.3 s時被抬升的土體受深松鏟直柄和曲柄段剪切產生土垡和裂紋，但攝像顯示僅有鏟右側的土垡被繼續剪切抬起，土體失效過程呈現出非對稱性，前人研究成果表明鑿形鏟等窄齒耕作部件作業形成的地表裂紋呈左右交替性分布[30,36],這與本文研究結果一致。6.3 s時深松鏟已經穿越了抬升的土體，大部分土垡完成回落，僅有少量土垡黏附在深松鏟上繼續前移。可見，攝像法直觀展示了水稻土深松過程中，深松鏟結構與土壤擾動行為的緊密聯系，可為今后深松鏟的設計和優化提供決策依據。

圖5 土壤擾動過程分析Fig.5 Simulation of soil disturbance processes

2.2 水稻土深松的EDEM觸土過程分析

近年來大量的離散元(Discrete element method,DEM)模型被用于解析土壤深松的發生機理[23-25,27,41]，本文沿用經過試驗標定和檢驗的濕粘水稻土EDEM模型仿真方法[49]，獲取水稻土深松觸土過程時間序列圖(圖5)，分別從縱向和橫向剖面2個視窗同步解析攝像法記錄的結果。

前人的研究成果證明離散元仿真能夠準確預測耕作阻力[23-25]，本文耕作阻力F的仿真值變化趨勢與試驗值一致，平均相對誤差為6.6%,EDEM仿真所得耕作阻力符合實測結果(表6)。但更關鍵的是DEM便于從微觀顆粒層面解析耕作時土壤的運動與受力[41]。由圖5可知，3.7 s時鏟尖附近的底層土壤因為被擠壓獲得速度，耕作層部分土壤隨底層土抬升獲得速度，鏟尖上方的土壤向上運動，鏟尖下方的土壤則向下運動，抬升區和壓實區開始形成，應力集中區主要存在于鏟尖周圍。

圖6 深松擾動剖面緊實度等值線圖Fig.6 Contours of soil cone index of subsoiling trench profile

入土角α/(°)耕深D/cm耕作阻力試驗值/kN耕作阻力仿真值/kN耕作阻力相對誤差/%100.540.599.2615.0201.902.1312.10304.534.744.64100.670.681.4922.5202.212.439.95305.175.302.51100.840.884.7630.0202.632.889.51305.645.935.14

4.6 s時主要為曲柄作用階段，臨界深度(15 cm)以上疏松耕作層發生新月形失效，以下的致密底層土發生側向擠壓失效[30,36,43,50-51]。紅色土壤顆粒所呈現的擾動邊界輪廓線與攝像法實測相符。鏟周邊土壤速度最大，等速度土壤顆粒分布曲線與鏟柄的弧線基本吻合，這與黃玉祥等[27]的研究結果一致。其中，新月形失效區的土壤速度方向主要為向上、向前和向兩側，側向失效區的土壤速度方向主要為向前和向兩側。應力集中區從鏟尖附近沿著曲柄破土刃[52]向上延伸，因為此時曲柄正剪切抬升土層。

5.3 s時鏟右側的失效土壤繼續向上運動且獲得了更大的速度，而左側土壤的運動速度與4.6 s無差異(圖5b)。橫向擾動過程顯示的土壤非對稱性失效進一步表明離散元模型用于解析土壤耕作力學的科學性。另外此時應力集中區并沒有繼續上移，反而下移至鏟尖周圍的土壤，這是因為待剪切破碎的土體經過曲柄的抬升已較為松散，剪切力較小，而鏟尖此時仍在擠壓底部的致密土體。

6.3 s時深松鏟已經完成了對土壤的局部擾動，剪切形成的土垡大部分回落至地表和深松溝，少量黏附在深松鏟上，鏟尖此時已進入到下一周期的“擠壓入土”階段，形成攝像法觀測到的循環往復抬土和碎土現象。

EDEM仿真顯示在一個完整的深松作業周期內，土壤的應力集中區首先發生在鏟尖附近，隨后上移至曲柄附近，之后又回到鏟尖附近。從“動態設計”的角度上看，觸土曲面前方應力集中區的周期性波動對于土壤的深松效果和耕作部件的力學性能的提升是有利的[51]，這同樣為振動深松實現節能降阻提供一定的理論支撐[18,53-54]。

2.3 實測深松擾動剖面土壤緊實度

上述攝像法、EDEM仿真及力學測試在用于解析水稻土深松過程行為和土壤失效機理時各有技術優勢，但尚無法反映出深松擾動剖面的土壤緊實度分布狀況(圖6)，表明今后針對田間原位土壤深松研究需要綜合運用多種測試方法。

前人研究成果表明深松鏟的設計參數和作業參數對土壤孔隙度和緊實度的影響并不一致[21,24,26,55-56]。顏色較淺的區域為深松擾動區，與實測深松溝型相符。圖6表明，α對深松擾動剖面緊實度分布無顯著影響，這與LI等[24]和劉俊安等[26]的研究成果一致；D對其影響顯著，這與LI等[24]和RAHMAN等[31]的研究成果一致。

試驗前多次測得0～15 cm耕作土層的緊實度平均值在400 kPa附近，故選取深松后緊實度等值線圖中小于400 kPa的區域為有效深松區。分土層分析得知，對于0～10 cm土層，3種耕深的緊實度等值線分布基本一致，這是因為熟土層無法顯現出深松的作用[56]，因此盡可能降低深松鏟在該土層的擾動是保護性深松系統設計的關鍵；對于10～20 cm土層，當耕深為20 cm時，15°、22.5°、30°入土角所對應的有效深松區面積依次為15 146.08、16 373.98、16 997.62 mm2，當耕深為30 cm時，3種入土角所對應的有效深松區面積依次為7 488.43、8 223.22、8 874.58 mm2，可見耕深為20 cm時，深松鏟提供了關鍵土層(犁底層)的最大擾動；對于20～30 cm土層，當耕深為30 cm時，3種入土角所對應的有效深松區面積依次為1 480.59、1 488.52、1 947.38 mm2，土壤擾動效果顯著下降，這是因為該處土層位于臨界深度以下，發生側向擠壓失效，緊實度等值線圖呈現出狹窄的溝槽形態(圖6d)，這不僅表明鏟對此處土層的擾動能力急劇減弱，而且反映出水稻土深松的耕作力學特點。

所有處理的鏟尖下方都出現土壤緊實度等值線密集分布的現象，說明此處土壤緊實度變化劇烈，產生土壤壓實，這與前人研究成果一致[44,57-58]，且這一現象在EDEM仿真和機位2的視頻回放中得到驗證。

2.4 結合深松理論的對比檢驗

2.4.1土壤擾動過程理論檢驗

結合深松鏟功能結構和土壤條件的擾動過程分析是對攝像法、耕作阻力測試、EDEM仿真、擾動剖面土壤緊實度測試的必要檢驗，可對上述試驗結果提供宏觀的土壤耕作力學解析。以深松鏟為參考系對曲柄圓弧進行微元分析得到抬土高度H(圖7a)為

H=L′tanε

(2)

式中L′——擾動土體攀升過程中，任一時刻沿水平方向的運動距離

ε——曲柄圓弧切線與水平線所夾銳角

因本文所用結構參數α1<α2<α3，即ε1<ε2<ε3，故抬土高度H1

圖7 不同耕深作業情況Fig.7 Performances of different subsoiling depths

稻作區的淺薄耕層源自長期淺旋耕作、反復的機械壓實及稻季淹水沉漿過程，大范圍的區域調查表明水稻土的有效耕層僅為11～17 cm[59]，基于本試驗地的土壤剖面分析也發現稻季土壤排干后的有效耕層在15 cm左右[49]。當耕深為10 cm時，剪切的土層整體容重和剪切模量較小，土體的自由移動和動力條件優越[60]，易剪切抬升，另外地表以上的曲柄圓弧較長，擾動土體有足夠的行程沿曲柄破土刃攀升(圖7a)；當耕深增大時，剪切的土層整體容重和剪切模量增大，地表以上曲柄弧長減小，土層抬升難度增大的同時又減小了其攀升行程，抬升的土層很快到達直柄處被剪切回落，因此如攝像所示，抬土高度H隨耕深D減小。

基于深松鏟-土壤系統相互作用的探討也能夠解釋W的變化規律，隨著耕深增加到20 cm，深松鏟的擾動土體量增加，深松鏟的觸土范圍也隨之從鏟尖和曲柄下部演變成鏟尖和全部的曲柄，鏟的擾動能力得以充分發揮。當耕深增大至30 cm時，相當部分的深松鏟功能區淹沒在致密緊實的底層土(圖7c)，耕作阻力急劇增大，鏟的擾動能力被大大削弱[49]，W減小。

增大抬土高度有利于充分利用耕作能量疏松土層，但是過大的抬土高度往往會增大耕后地表平整度，也不利于后續播種工作[45]，甚至導致芯土層翻落至地表，這違背了松動土層而非攪渾土層的農藝要求[61]。另外，表3、4也表明α和D的組合影響到縱向碎土距離R的大小，已有研究為深松鏟的縱向碎土距離R提供了理論參考[42-43]，其中最易于結合本文的理論分析是郭志軍等[44]提出的耕深范圍內鏟的縱向水平長度L(圖7b)。雖然增加L可以有效提升鏟對前方土壤的擾動能力，但是這又必然對深松鏟的剛度和強度提出更高的要求，因此結合土層物理特點及農藝要求，合理確定深松鏟設計參數α和作業參數D是深松鏟改善耕作質量的關鍵，為此仍需要大量的田間原位試驗研究。

2.4.2深松鏟-土壤系統受力理論檢驗

深松鏟的3個功能區包括鏟尖、曲柄和直柄，3個功能區的受力分析受到了普遍關注[28,62-63]。

圖8顯示擾動土體主要受鏟尖上、下表面的正壓力Nu、Nd和摩擦力fu、fd作用，各力的水平分力分別為Nux、fux、Ndx、fdx，豎直分力分別為Nuy、fuy、Ndy、fdy，曲柄處土壤主要受到垂直于深松鏟刃口的切削力Fn和摩擦力fn，直柄處的土壤主要由鏟的擠壓力P剪切破碎；由圖8受力分析可知，曲柄和鏟尖上表面處土壤會沿S3方向向前運動、同時沿S2方向向上運動形成擾動邊界，鏟尖下表面土壤則沿S5方向向下運動形成新的土壤壓實帶，此外，隨著深松鏟的前進，切削力Fn則“擠開”周圍土壤形成深松溝槽，其中部分土壤由于鏟和周圍土體的擠壓，沿S1和S4方向向后流動；而其中的耕作阻力F對于機具的優化設計和動力配套最為重要[38]。由表3、4可知，α和D都對耕作阻力F影響顯著，F隨α線性增加，這與已有的研究結果一致[41]。

圖8 深松鏟-土壤系統受力分析Fig.8 Force analysis for subsoiler-soil system

對擾動土體進行水平方向上受力分析得

F=P+Fnx+fnx+Nux+fux+Ndx+fdx

(3)

其中

Fnx=Fnsinε

fnx=fncosε=μFncosε
Nux=Nusinα
fux=fucosα=μNucosα
Ndx=Ndsinβ
fdx=fdcosβ=μNdcosβ
β=α-ψ

整理得

F=P+Fn(sinε+μcosε)+Nu(sinα+μcosα)+
Nd(sin(α-ψ)+μcos(α-ψ))

(4)

式中μ——深松鏟與土壤之間的動摩擦因數

ψ——深松鏟鏟尖刃角

β——深松鏟鏟尖隙角

查閱文獻[49]可知，μ≤0.35，故F隨α增加。另外試驗發現，入土角為15°時，深松鏟的入土性能較差，因此在耕作阻力可接受的范圍內，建議選擇入土角為22.5°的深松鏟。

另外F隨D近似指數增加，這與前人研究成果一致[30,38,64]，且耕深大于20 cm時，耕作阻力急劇增加，考慮到不同耕深土壤有效深松區域分布，20 cm耕深最佳[36,39]，若考慮深松后最小化微地貌破壞和利于小麥根系下扎等農藝要求[3,65-67]，30 cm耕深最佳。

3 結論

(1)田間原位攝像法能夠提供深松過程的土壤擾動行為參數，進而有利于定量深松鏟設計參數和作業參數對耕后地表平整性和土壤緊實度的影響。

(2)田間原位攝像法、土壤微地貌三維重構、耕作阻力測試、EDEM仿真、深松擾動剖面土壤緊實度測試等方法分別提供了深松過程及深松前后的多方面作業參數，今后針對土壤耕作力學的原位精準研究需要使用多種測試方法。

(3)針對稻麥輪作區水稻土耕層淺薄的問題，采用22.5°入土角并進行20 cm深松作業能夠在節約能耗的情況下實現最大土壤擾動。

(4)從耕后地表平整性方面考慮，30 cm耕深最優，同時可以提供更深的溝槽孔隙增強田間灌排能力。