不同農用輪胎對東北黑土區(qū)土壤壓實的影響

楊敏麗 彭 健 金 劍 楊 曉 宋正河 李 棟

(1.中國農業(yè)大學工學院, 北京 100083; 2.中國農業(yè)大學中國農業(yè)機械化發(fā)展研究中心, 北京 100083;3.米其林(中國)投資有限公司, 上海 200335)

0 引言

東北黑土地是我國珍貴的土壤資源和不可再生的自然資源,是肥力最高、最適宜耕作和最具生產力的土壤。近年來,黑土地保護問題備受關注[1-3]。農業(yè)機械化在提升農業(yè)生產力、提高作業(yè)質量、促進農業(yè)增產增收同時,東北地區(qū)大型農業(yè)機械在生產實際中應用越來越多,由于大型農機作業(yè)時牽引力大,一定程度上將會造成農田土壤壓實,導致土壤孔隙度降低、土壤顆粒排列緊密、土壤緊實度升高[4]。

目前,國內外學者對于輪胎壓實的研究主要集中于輪胎壓實次數[5-6]、不同耕作方式[7-10]、輪胎載荷[11-14]對于土壤物理特性的影響。SMITH等[15]研究表明,輪胎承載重量不同對土壤壓實的影響不一致,地面壓力的增加會顯著增加土壤表面附近的容重,但在較大深度時影響較小。TOBIAS等[16]提出一種田間實地監(jiān)測土壤垂直運動的方法,研究表明采用大型機械作業(yè),會造成土壤緊實度明顯增大,并且履帶載荷和輪載荷所引起的壓實程度不同,輪載荷會使得深度60～70 cm的土層產生形變。SHAHGHOLI等[17]利用應變傳感器測量輪胎壓實后的土壤密實度,得到在未到達土壤的臨界水分前,土壤壓實度隨著土壤含水率的增加呈線性增加。張興義等[18]研究表明,隨著碾壓次數的增加,壓實較前一次略有加劇,同時被壓實深度有所增加,但增加幅度都變小。喬金友等[19]采用大、中、小3種型號拖拉機開展試驗,得出各機型壓實后土壤堅實度均隨壓實次數增加遞增,在深度0～30 cm土層出現明顯壓實核,壓實核內土壤堅實度隨壓實次數增加逐漸增大。

綜上所述,輪胎壓實對土壤物理特性的改變有較為顯著的影響,已有較多與輪胎壓實相關的研究,但不同農用輪胎對土壤物理特性影響的對比研究未見報道。農業(yè)子午線輪胎的胎體簾線呈0°角排列,胎側和胎面相對獨立結構,在滾動過程中,胎側曲繞、胎面接地面積可始終保持穩(wěn)定[20]。超低壓子午線輪胎的胎面采用獨特的胎面結構設計和橡膠配方,使其能以極低的氣壓承擔更高的負載。因此,在相同載荷下,超低壓子午線輪胎可以降低其胎壓來獲得更大的接地面積。本文基于超低壓子午線輪胎的技術特點,從輪胎技術改進的角度入手,開展不同輪胎的田間對比試驗,通過測量土壤緊實度和土壤含水率來研究大型拖拉機輪胎技術對土壤物理特性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2021年4—5月在黑龍江省嫩江市尖山農場第三管理區(qū)(125°26′ E,48°52′ N)進行,試驗地屬于寒帶大陸性氣候,年平均氣溫-0.1～0.5℃,活動積溫2 000～2 200℃,無霜期110～120 d。年降水量500 mm左右,年日照2 550～2 750 h,土壤類型以黑土為主。試驗地以壟作為主,種植制度為玉米-大豆輪作,一年一熟。

1.2 試驗設計

田間試驗采取對比試驗的方法,設置試驗區(qū)和對照區(qū),試驗區(qū)由配置超低壓子午線輪胎(VF)的拖拉機作業(yè),對照區(qū)由配置普通子午線輪胎(CK)的拖拉機作業(yè)。

試驗地長為1 450 m,寬475 m,沿東西方向共分為4個測試小區(qū),自西向東依次為CK1、VF1、CK2、VF2。每個測試小區(qū)長為1 450 m,寬為118.75 m。為減小土壤空間變異性及其他因素對試驗結果的干擾,試驗中對地勢起伏或由于其他因素影響破壞的輪轍進行剔除,采用等距取樣法進行取樣。測試各個樣點土壤緊實度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度。考慮到土壤環(huán)境較為復雜,為增強測試數據的準確性,每個樣點取3次測試的平均值作為該點的數值。測試時,均選擇在輪胎碾壓過的中心位置,避免輪胎中心與兩側位置受力不同對結果產生干擾。試驗分區(qū)如圖1所示。

圖1 田間試驗分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic of field trial zoning

試驗選擇JD7830型拖拉機為試驗機型,拖拉機功率為155.78 kW,播種環(huán)節(jié)掛接1006NT型免耕播種機進行作業(yè),使用相同機型的拖拉機分別配置超低壓子午線輪胎和普通子午線輪胎進行對比試驗,圖2為拖拉機實際作業(yè)圖。根據實際作業(yè)的負載需求及拖拉機機型的適配性選擇試驗用輪胎規(guī)格,輪胎參數如表1所示。

表1 試驗用農用輪胎主要參數Tab.1 Comparison of parameters of agricultural tires with different technologies

圖2 田間對比試驗拖拉機作業(yè)圖Fig.2 Field comparison test tractor operation diagram

1.3 數據采集方法

1.3.1土壤緊實度和土壤含水率

播種作業(yè)后,采集試驗區(qū)和對照區(qū)各測試小區(qū)土壤緊實度和土壤含水率(圖3a、3b)。使用手持GPS定位測量樣點,記錄測試位置,使用SYS-TJS100S型土壤緊實度測定儀(精度0.1 kPa)測量土壤緊實度。使用SK-100型便攜式土壤水分測定儀(精度0.01%)測量土壤含水率,將土壤水分測定儀垂直插入指定深度后,靜置5～10 s待儀器示數穩(wěn)定后,記錄該樣點數據。土壤深度選擇為5、10、15、20 cm。

圖3 土壤物理性質測試過程Fig.3 Testing procedures for soil physical properties

1.3.2土壤容重和土壤孔隙度

使用AKR-J600型土壤密度計測量土壤容重和土壤孔隙度,取土深度為0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm和15～20 cm(圖3c)。安裝好測試儀后,首先利用砝碼進行校正。將土壤樣品按照順序放在測量臺上進行稱量并存儲,先后稱量3次,儀器可以計算并顯示出土壤容重、土壤孔隙度、樣品體積等。

1.4 評價方法

為了衡量不同輪胎技術對土壤壓實的影響,構建土壤壓實綜合評價模型。以土壤緊實度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度作為指標,對使用不同輪胎技術造成的土壤壓實狀況進行綜合分析評價。其中,土壤緊實度、土壤容重為負向指標,土壤含水率、土壤孔隙度為正向指標。

針對土壤性質時空變化較大的特點,本文采取CRITIC法和熵權法綜合評價的方法對土壤壓實狀況進行評價。CRITIC法是通過綜合衡量評價指標間的沖突性,以及指標本身對比強度來實現評價指標客觀賦權的一種方法,而熵權法是依據評價信息中的不確定性進而實現指標屬性賦權的一種方法[21]。在土壤壓實的過程中,各指標之間的沖突性會隨著壓實程度而發(fā)生變化,且與土壤狀況聯系更加緊密的指標會發(fā)生更大程度的影響。但是單一的CRITIC賦權法未能考慮到指標之間的離散性,熵權法則可有效彌補這一不足[22]。因此,本文將兩種賦權相融合,構建基于CRITIC法和熵權法的組合賦權模型。

對各項指標的重要數據進行標準化處理,以消除各指標之間含義、量綱的差別。

對于正向指標,標準化公式為

(1)

對于負向指標,標準化公式為

(2)

使用CRITIC賦權法,計算各指標對應的權重Wj1,計算公式為

(3)

式中σj——第j項指標數據的標準差

rij——第i項與第j項指標的相關系數

根據熵權法原理,計算各項指標對應的信息熵Ej,計算公式為

(4)

其中

計算各指標對應的熵權法權重Wj2,計算公式為

(5)

在充分考慮指標對比強度及數據間的關聯性,同時從離散程度間接反映指標重要性兩個方面,使用乘法合成歸一法確定綜合指標權重Wj,計算公式為

(6)

基于指標選擇和權重分配,構建基于CRITIC和熵權法的土壤壓實綜合評價模型,對不同壓實后的土壤進行綜合評價,評價得分計算公式為

(7)

1.5 數據處理

將試驗采集的原始數據按照測試時間、輪胎類型等因素分別歸類整理數據。為了消除試驗數據的隨機誤差及由于人為因素影響造成的誤差,提高數據可靠性,根據正態(tài)分布的3σ原則剔除異常數據。使用SPSS 22.0統計軟件進行方差分析和顯著性檢驗,利用Origin 2019軟件擬合模型曲線并繪制變化趨勢圖。通過Matlab 2016編程計算土壤壓實綜合評價模型中各指標對應權重及最終得分。

2 結果與分析

2.1 土壤緊實度

土壤緊實度為測度土壤壓實重要指標,能夠反映作物根系穿透土壤阻力[23]。按照前述試驗方案及測試方法測試各小區(qū)土壤緊實度,使用Origin 2019軟件繪制不同分區(qū)測試的土壤緊實度等值線圖(圖4),通過等值線圖分析不同農用輪胎的使用對土壤緊實度影響規(guī)律。

圖4 不同分區(qū)土壤緊實度等值線圖Fig.4 Contour maps of soil compactness in different zones

由圖4可知,對照區(qū)和試驗區(qū)在同一深度處的顏色分布差異較為顯著。隨著測試深度的增加,對照區(qū)土壤緊實度整體高于試驗區(qū)。深度5 cm時,CK區(qū)土壤緊實度集中于1 200～1 600 kPa,VF區(qū)土壤緊實度集中于800～1 200 kPa,相較于CK區(qū)減小400 kPa左右;深度10 cm時,CK區(qū)土壤緊實度集中于2 200～2 600 kPa,VF區(qū)土壤緊實度集中于1 600～2 200 kPa,相較于CK區(qū)減小400～600 kPa;深度 15 cm時,CK區(qū)土壤緊實度集中于3 000～3 600 kPa,VF區(qū)土壤緊實度集中于2 800～3 200 kPa,相較于CK區(qū)減小200～400 kPa;深度20 cm時,CK區(qū)土壤緊實度集中于4 300～4 600 kPa,VF區(qū)土壤緊實度集中于4 000～4 400 kPa,相較于CK區(qū)減小200～300 kPa。因此,試驗區(qū)各深度處土壤緊實度均小于對照區(qū),隨著深度增加,試驗區(qū)與對照區(qū)間的土壤緊實度差異逐漸減小。輪胎壓實后,土壤緊實度變化主要受不同輪胎與土壤接地面積的影響。大型拖拉機配置不同輪胎進行播種作業(yè)之后,超低壓子午線輪胎和普通子午線輪胎壓實后的土壤緊實度差異明顯。

采用SPSS 23.0軟件進行各測試分區(qū)的方差分析與多重性比較,不同輪胎壓實處理下土壤緊實度的顯著性分析結果如表2所示。

表2 不同測試分區(qū)平均土壤緊實度Tab.2 Average soil compactness in different test subdivisions kPa

由表2可知,使用超低壓子午線輪胎和普通子午線輪胎進行作業(yè),輪胎壓實對土壤緊實度變化的影響有較大差異。隨著土壤深度的不斷增加,各個測試分區(qū)土壤緊實度總體均呈上升趨勢。深度0～20 cm處,試驗區(qū)VF1、VF2土壤緊實度平均值均小于對照區(qū)CK1、CK2,且隨著深度的增加,試驗區(qū)土壤緊實度降低的幅度逐漸減小。測試深度為5、10、15、20 cm時,試驗區(qū)平均土壤緊實度比對照區(qū)分別減小11.38%、7.97%、5.36%、4.55%。試驗區(qū)拖拉機配置超低壓子午線輪胎進行作業(yè),相比于普通子午線輪胎,超低壓子午線輪胎可獲得更大的接地面積。在相同負載條件下,超低壓子午線輪胎傳遞到土壤的壓應力相對更小,從而導致壓實后土壤緊實度升高的幅度會相應減小。隨著土壤深度的增加,由輪胎傳遞到土壤接觸面的應力在土壤內部的傳遞過程中,會隨著土壤顆粒運動逐漸消耗,更深層的土壤受到的應力會更小,土壤緊實度受到的影響也減小。由此說明在同種工作環(huán)境下,超低壓子午線輪胎比普通子午線輪胎造成的土壤緊實度更低,超低壓技術應用可以降低土壤的壓實效果。

2.2 土壤含水率

土壤含水率是影響土壤壓實的重要因素之一[24]。按照前述試驗方案及測試方法測試各試驗小區(qū)土壤含水率,圖5為不同測試分區(qū)的土壤含水率變化曲線。由圖5可知,隨著測試深度的增加,土壤含水率總體呈上升趨勢,0～10 cm處土壤含水率隨著深度增加而提高的幅度較大,10～20 cm處土壤含水率隨深度的增加而提高的幅度較小。測試深度0～20 cm處,試驗區(qū)VF1、VF2平均土壤含水率均大于對照區(qū)的CK1、CK2平均土壤含水率。測試深度為5、10、15、20 cm時,試驗區(qū)平均土壤含水率比對照區(qū)分別提高11.06%、10.07%、7.37%、5.95%。表明在同種工作環(huán)境下,相比于普通子午線輪胎,超低壓子午線輪胎壓實之后土壤含水率相對更高,有助于實現蓄水保墑。

圖5 不同測試分區(qū)土壤含水率變化曲線Fig.5 Diagram of variation of soil moisture content in different test plots

2.3 土壤容重和土壤孔隙度

土壤容重和土壤孔隙度是土壤的重要物理性質,與土壤的結構及土壤松緊狀況有關,同時也影響著土壤中水、肥、氣、熱等因素的變化與供應狀況[25-26]。圖6、7分別為試驗區(qū)(VF)、對照區(qū)(CK)的土壤容重與土壤孔隙度分布情況。由圖6可以看出,深度0～20 cm VF區(qū)土壤容重均低于CK區(qū),分別低3.71%、3.81%、3.12%、2.73%;由圖7得出,深度0～20 cm VF區(qū)土壤孔隙度均高于CK區(qū),分別高0.697、0.773、0.798、0.562個百分點,可相對提高11.13%、12.25%、8.92%、5.86%。由此可表明,超低壓子午線輪胎相對可降低土壤容重、提高土壤孔隙度。

圖6 不同處理下土壤容重變化Fig.6 Changes of soil bulk density under different treatments

圖7 不同處理下土壤孔隙度變化Fig.7 Changes of soil porosity under different treatments

2.4 土壤壓實綜合評價

基于前述評價方法,以土壤緊實度、含水率、容重、孔隙度為指標,構建土壤壓實綜合評價模型。利用CRITIC法和熵權法來確定指標權重,通過Matlab編程計算CRITIC法和熵權法對應的權重及綜合權重。結果如表3所示。

表3 不同方法計算的權重Tab.3 Weight results calculated by different methods

根據綜合賦權法確立的各指標權重,對超低壓子午線輪胎和普通子午線輪胎壓實后各深度處的土壤狀況進行評價。按照土壤深度和農用輪胎種類,一共分為8組。評價結果如表4所示。結果表明,綜合得分由大到小為:VF5、VF10、CK5、VF15、CK10、VF20、CK15、CK20。輪胎壓實之后,超低壓子午線輪胎壓實區(qū)深度5 cm處的土壤狀況最優(yōu),普通子午線輪胎壓實區(qū)深度20 cm處的土壤狀況最差。同等深度處,超低壓子午線輪胎作業(yè)區(qū)得分均高于普通子午線輪胎,說明在同等條件下,超低壓子午線輪胎壓實后的土壤狀況整體相對較好。同種農業(yè)輪胎作業(yè)后,隨著深度的增加,土壤壓實綜合得分越低,土壤狀況越差。

表4 不同輪胎壓實后土壤綜合得分Tab.4 Comprehensive soil scores after different tires compacted

3 討論

3.1 輪胎技術對土壤緊實度和土壤容重的影響

土壤的壓實破壞程度取決于由輪胎與土壤接觸面?zhèn)鬟f到土壤內部壓實應力[27]。相對于普通子午線輪胎,超低壓子午線輪胎依靠胎面接地壓力均衡設計及獨特的人字花紋深度、角度設計,進一步保證輪胎滾動過程中胎面的穩(wěn)定,增大接地面積[28]。在實際農田作業(yè)中,農用輪胎氣壓需要根據相關標準來進行設定。胎壓設定過高會降低輪胎的接地面積、增加輪胎中心線區(qū)域的快速磨損,進而降低輪胎的使用壽命;胎壓設定過低會造成胎面磨損嚴重、難以承受負載[29]。超低壓子午線輪胎采用特殊的橡膠配方,提高胎面強度,同時優(yōu)化了胎體內部結構,提高胎側耐曲繞能力。在受到相同負載時,超低壓子午線輪胎可以通過大幅降低胎壓來獲得更大的接地面積。當負載一定時,接地面積更大,輪胎與土壤接觸面的垂直應力會減小。當土壤應力過大時,土壤緊實度、土壤容重會急劇升高。因此,超低壓子午線輪胎可相對降低土壤的壓實破壞程度。根據試驗結果,輪胎壓實會導致土壤緊實度升高,不同輪胎壓實后導致土壤緊實度升高的變化不同。超低壓子午線輪胎使土壤緊實度降低11.38%、7.97%、5.36%、4.55%,土壤容重降低3.71%、3.81%、3.12%、2.73%。在土壤深度0～20 cm內,超低壓子午線輪胎相對可降低土壤緊實度、土壤容重。隨著深度的增加,不同農用輪胎壓實對土壤緊實度和土壤容重影響的差距逐漸減小。

3.2 輪胎技術對土壤含水率和土壤孔隙度的影響

在自然條件下,表層土壤水分蒸發(fā)作用較強,水分因蒸發(fā)而損失,同時表層土壤中作物根系更加發(fā)達,根系對土壤水分的吸收更多。因此,隨著深度增加土壤體積含水率出現明顯回升的趨勢。但壓實降低了土壤入滲和持水能力,尤其影響土壤水分、養(yǎng)分儲存和供應[30]。土壤孔隙度是土壤結構的反映[31],良好的土壤孔隙有助于調節(jié)土壤中水分和養(yǎng)分的分布,促進作物根系的良好生長。試驗表明,在深度0～20 cm范圍內,超低壓子午線輪胎壓實后土壤孔隙度可相對提高11.13%、12.25%、8.92%、5.86%,平均土壤含水率分別提高11.06%、10.07%、7.37%、5.95%。土壤孔隙度提高使得土壤蓄水能力得到提升,從而使得土壤含水率提高,這與現有研究結果一致。王浩[32]研究發(fā)現壓實會導致土壤總孔隙度降低,在土壤深度10～15 cm處土壤孔隙度會降低7.76%,土壤含水率降低5.52%。壓實使土壤變得更加緊密,土壤水分難以下滲,蓄水保墑能力下降。因此,在保護土壤墑情、維持土壤水分能力方面,超低壓子午線輪胎明顯優(yōu)于普通子午線輪胎。在深度0～10 cm處,超低壓子午線輪胎對土壤含水率的影響程度隨深度增加而緩慢降低,在深度10～20 cm處,超低壓子午線輪胎對土壤含水率的影響程度逐漸降低。因此,超低壓子午線技術的應用可提高土壤含水率和土壤孔隙度,增強土壤的蓄水保墑能力,維持土壤環(huán)境。

3.3 土壤壓實綜合評價模型分析

基于試驗測得的4個土壤物理性質,構建土壤壓實狀況綜合評價模型,利用CRITIC和熵權法組合賦權方法確定指標權重,綜合評價兩種技術的輪胎壓實后土壤的狀況。通過得分結果較為直觀地發(fā)現,超低壓子午線輪胎壓實后土壤狀況相對更優(yōu),且隨著深度的增加,土壤的狀況越差。

土壤內部環(huán)境是一個較為復雜的系統,而且同一類型的土壤也會受到地域、地形等影響,因此難以用一個統一的經驗模型去衡量。本文通過篩選指標構建評價模型的方法來對土壤壓實的狀況進行評價,對后續(xù)研究有一定啟發(fā)性。考慮到影響土壤的指標眾多,僅考慮土壤緊實度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度4個指標具有一定的局限性。可拓寬土壤性質指標,構建更加全面、綜合的體系。

4 結論

(1)通過超低壓子午線輪胎技術與普通子午線輪胎技術的田間對比試驗,采集了土壤緊實度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度,發(fā)現不同輪胎技術對土壤緊實度和土壤含水率的影響差異顯著。在深度0～20 cm范圍內,超低壓子午線輪胎技術可相對降低土壤緊實度和土壤容重、提高土壤含水率和土壤孔隙度。且隨著土壤深度的增加,超低壓子午線輪胎技術降低土壤壓實影響的效果逐漸減弱。

(2)基于CRITIC-熵權法,以土壤緊實度、土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度為指標,構建了土壤壓實綜合評價模型。經過模型測算,各深度處超低壓子午線輪胎壓實后的土壤狀況均優(yōu)于普通子午線輪胎,且同種農用輪胎技術下,表層土壤壓實狀況優(yōu)于下層土壤。