错位布置深松铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响

张帅磊，王学振，姚毓香，朱瑞祥，黄玉祥

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

现有深松机布置形式多样，主要有单排和多排布置两种。其中，人字型、V型、M型、W型等是典型的错位布置形式[1-4]。错位布置下，横向铲距与纵向铲距的不同使铲间土壤的剪切挤压作用产生差异，进而影响土壤扰动效果和耕作阻力。因此，研究深松铲横向和纵向铲距变化有助于深入理解铲距与土壤扰动和耕作阻力之间的关系，可以为深松铲距的选择提供依据。

铲距是深松机的关键布置参数。Hang等研究了单排布置下横向铲距对土壤扰动的影响，发现铲距布置为40cm时土壤扰动效果较好[5]。Godwin在深松单铲作业土壤扰动模型的基础上，分析了多铲作业时铲间交互区域深度与铲距的关系并建立了相关方程[6]。杭程光等研究了单排布置下横向铲距对深松铲表面应力的影响，结果发现在铲距为40cm时深松铲表面应力分布较为均匀[7]。国内外学者研究单排布置的铲距较多，对应用更为广泛的错位布置铲距布置研究比较匮乏[8]。

本文通过田间试验的方法分析不同横向和纵向铲距布置下土壤垄形高度、土壤坑形宽度、耕作阻力、土壤扰动面积及比阻的差异，对比研究铲距变化对土壤扰动和耕作阻力的影响，从而为深松铲的优化布局提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在陕西杨凌西北农林科技大学试验田中进行，其土壤类型塿土，粘性较大，经黄土母质逐步发育演变而成[9-10]。0～15cm、15～30cm内土壤耕层的紧实度分别为0～2 500kPa和2 500～6 000kPa，土壤密度分别为1.21g/cm3和1.48g/cm3，土壤含水率分别为17.3%和22.68%。试验田面积为(65×70)m2，试验区划分为3个区域，中间为测试区域，两端为转向调整区，将测试区域进行等距划分，如图1所示。

图1 试验区布局图

1.2 试验仪器

本试验选用翼型铲进行深松作业。铲柄选用中型圆弧形深松铲铲柄，铲柄切土刃角为60°，铲柄厚度为30mm，铲尖翼张角为115°，结构简图如图2所示(仿制JB/T 9788-1999《深松铲和深松铲柄》)。图2中，h为铲柄高度(mm)；b为铲柄长度(mm)；S为铲尖长度(mm)；R为铲柄曲率半径(mm)；α为入土角(°)。

图2 深松铲结构简图

错位布置深松铲包括横向铲距和纵向铲距两个铲距布置因素。现有深松机一般横向铲距的布置范围为30～50cm，纵向铲距一般布置为20～40cm，最大布置范围为60cm[7]。因此，本文中横向铲距以5cm为梯度，选取30、35、40、45、50cm等5个水平，纵向铲距以10cm为梯度，选取20、30、40、50、60cm等5个水平，试验因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平表

1.3 试验过程

深松过程中，东方红1204型拖拉机以高Ⅰ档牵引作业，行进速度为1.74km/h，如图3所示。通过调整活动梁和深松铲位置来调节深松铲横向与纵向铲距，通过垄型高度、坑形宽度及扰动面积、耕作阻力、深松比阻等参数评价不同横向和纵向铲距的深松作业效果。其中，耕作阻力由连接拖拉机与深松机的上拉杆传感器和下拉杆传感器检测，经数据采集箱无线传输于电脑进行记录，如图4所示。耕作后对检测区的土壤坑形、垄型扰动轮廓随机选取3组进行测绘，并计算垄型高度、坑形宽度及扰动面积，如图5所示。

图3 田间试验过程

图4 耕作阻力测量装置

图5 土壤扰动轮廓测量

2 试验结果与分析

2.1 土壤扰动轮廓分析

垄形高度可反映作业时土壤的堆积效果，坑形宽度在一定程度上可反映土壤的扰动效果[11]。图6为横向铲距为35cm、纵向铲距为30cm时的土壤轮廓图。其中，hb和ha分别表示前、后铲的垄形高度，lb和la分别表示前、后铲外侧土壤扰动轮廓的坑形宽度。由图6可知：前铲的垄形高度大于后铲，前铲的坑形宽度也大于后铲。

图6 错位布置深松铲扰动轮廓

土壤垄形高度如表2所示。由表2可知：错位布置下，前铲的垄形高度均大于后铲；在横向铲距为30cm时，土壤垄形高度在纵向铲距为40cm时，最小，前铲垄形高度为5.65cm，后铲垄形高度为5.16cm；在横向铲距为35、40cm时，土壤垄形高度在纵向铲距为30cm时最小，前铲垄形高度分别为5.64cm和5.84cm，后铲垄形高度分别为4.95cm和5.45cm；横向铲距为45cm和50cm时，土壤前后铲垄形高度随纵向铲距的增加逐渐增加。纵向铲距以20cm布置时，横向铲距为40cm的土壤前铲垄形高度最小为5.93cm，横向铲距为35cm的土壤后铲垄形高度最小为5.15cm；纵向铲距以30cm布置时，横向铲距为35cm的土壤前后铲垄形高度最小，分别为5.64cm和4.95cm；纵向铲距为40、50、60cm时，前后铲垄形高度随横向铲距的增大而增大。前后铲垄形高度的差异随横向铲距的增加而逐渐减小，横向铲距为50cm时前后铲的垄形高度差异已较小。其中，以横向铲距为35cm、纵向铲距为30cm时前后铲的垄形高度最低，土壤堆积最小，地表平整性最好。

土壤坑形宽度如表3所示。由表3可知：横向铲距以30cm布置下，纵向铲距为40cm时前铲的坑形宽度最大；横向铲距以35、40、45cm布置、纵向铲距为30cm时，前铲的坑形宽度最大；横向铲距以50cm布置时，前铲的坑形宽度随纵向铲距的增大而减小。纵向铲距以20cm布置下，坑形宽度最大时的横向铲距为40cm；纵向铲距以30cm布置下，前铲的坑形宽度最大时对应的横向铲距为35cm；纵向铲距为40、50、60cm时，前铲的坑形宽度随横向铲距的增大而减小。总体上，错位布置下前铲的坑形宽度大于后铲，同一纵向铲距布置下后铲的坑形宽度随横向铲距的增大而增大。前后铲垄形高度的差异随横向铲距的增大逐渐减小，横向铲距为50cm时前后铲的坑形宽度差异已较小。

因此，在同一横向铲距下，纵向铲距太小或太大都会造成土壤的垄形高度增大、坑形宽度变小；同理，在同一纵向铲距下，横向铲距太小或太大时土壤的垄形高度增大、坑形宽度变小。这说明，铲距较小时容易造成土壤堆积，且双铲共同作用会发生部分抵消，不利于土壤纵向扰动的拓展；铲距较大时，深松铲如同单独作业，双铲的共同作用微弱，使土垄堆积较高且减少双铲协同的土壤纵向扰动延伸。

表2 土壤垄形高度

表3 土壤坑形宽度

2.2 土壤扰动面积分析

土壤扰动面积是反映耕作效果的关键参数之一。由Type Ⅲ SS输出的方差分析结果(见表4)可知：横向铲距与纵向差距对土壤扰动面积的显著性检验值分别为0.000和0.020，说明横向铲距对土壤扰动面积的影响程度大于纵向铲距。不同横向铲距与纵向铲距布置下深松作业后土壤的扰动轮廓面积如表5所示。在同一纵向铲距布置下，随横向铲距的增大，土壤的扰动面积逐渐增加，说明随横向铲距的增大，铲间土壤交叠区域变小，总体扰动面积变大。在横向铲距为30、35、40cm时，土壤扰动面积均在纵向铲距为30cm时最大，此时扰动面积分别为1 422.75、1 683.3、1 738.98cm2；当横向铲距为45cm和50cm时，土壤扰动面积随纵向铲距的增大逐渐减小。这说明，横向铲距与纵向铲距较小时双铲的扰动作用发生部分抵消，导致土壤扰动面积较小。纵向铲距较大时，双铲的共同作用减弱同样会造成土壤扰动面积减小。因此，为增大深松作业扰动面积，深松铲铲距应适当选择，不宜太大也不宜太小。

表4 土壤扰动面积单因素变量方差分析 Table 4 Single factor variance analysis of soil disturbance area

表5 土壤扰动面积

2.3 耕作阻力分析

耕作阻力是反映深松作业性能的重要指标，可以反应耕作过程中的机具的功率消耗情况[12-13]。由Type Ⅲ SS输出的方差分析结果(见表6)可知：横向铲距与纵向差距对耕作阻力显著性检验值均为0.000，说明二者对耕作阻力均有显著影响。耕作阻力如表7所示。由表7可知：在横向与纵向铲距分别布置为35cm和30cm时，耕作阻力最小。在同一纵向铲距布置下，耕作阻力随横向铲距的增大呈先减小后增大的变化趋势；横向铲距为30、35cm时，同一横向铲距布置下耕作阻力最小值对应的纵向铲距分别为40、30cm。横向铲距为40、45、50cm时，在同一横向铲距布置下，耕作阻力随纵向铲距的增大而增大。这说明，深松铲在以纵向铲距为20cm、横向铲距在30～35cm范围内布置时，铲间土壤发生壅积，造成耕作阻力变大。纵向铲距为60cm或横向铲距为50cm时，因铲距较大，双铲协同作用微小，深松铲如独立作业，导致各铲的耕作阻力较大，同时深松铲间距变大，也造成双铲作业力矩增大，导致双铲共同作业时的耕作阻力增大。

表6 耕作阻力的影响单因素变量方差分析结果

表7 耕作阻力

2.4 比阻分析

比阻SDF(Specific Draft Force)能够反映耕作阻力及土壤扰动的综合效果[14]，其计算公式为

(1)

式中DF—牵引阻力(N)；

A—深松作业后土壤横截面扰动面积(cm2)。

由Type Ⅲ SS输出的方差分析结果(见表8)可知：横向铲距与纵向差距对比阻的变显著性检验值均为0.000，说明二者对比阻均有显著影响。比阻如表9所示。由表9可知：在横向铲距以30cm和35cm布置下，纵向铲距为30cm时，比阻最小，分别为4.559和3.496；横向铲距为40、45、50cm时，在同一横向铲距布置下，比阻随纵向铲距的增大而增大。在同一纵向铲距布置下，比阻随横向铲距的增大呈先减小后增大的变化趋势。诸多铲距布置中，横向铲距为35cm、纵向铲距为30cm时，比阻值最小为3.496，此时深松作业的耕作阻力和土壤扰动的综合作业效果最好。

表8 比阻的影响单因素变量方差分析结果

表9 比阻

3 结论

1)通过田间试验，研究了深松铲铲距变化对土壤扰动和耕作阻力的影响。结果表明：深松铲横向和纵向铲距变化对土壤扰动和耕作阻力均产生重要影响。

2)深松铲横向铲距与纵向铲距太小时，铲间土壤发生壅积，双铲扰动作用发生部分抵消，造成垄形高度大、耕作阻力大，不利于土壤扰动的纵向延伸，坑形宽度和土壤扰动面积变小。深松铲横向铲距与纵向铲距太大时，双铲间协同作用较弱，且力矩较大，导致耕作阻力大、坑形宽度小、土垄堆积较高，深松作业效果较差。

3)当横向铲距和纵向铲距布置为35cm和30cm时，耕作比阻最小，且垄形高度最低、坑形宽度较大，表明该铲距布置方案的耕作阻力及土壤扰动的综合效果较好。