| 标题 | 深松土壤体裂隙扩散机理及其影响因素 |
| 范文 | 班春华 摘要：以深松部件与土壤互作规律的研究成果为基础，总结深松铲与土壤体扰动的关系，分析影响深松作业质量的因素，探讨减小深松阻力和降低能耗的模式，展望今后的研究重点和发展方向，为设计和优化深松机具提供理论依据。 关键词：裂隙扩散;深松;土壤;深松铲 深松作业不翻转土层，能够保持原土层状态，是打破犁底层最直接和有效的方法。深松作业时，触土部件以动载荷形式作用于周围土壤体，使土壤体因受挤压而破碎，产生大量随机分布的裂纹并向周围扩散，形成特定的宏观扰动轮廓和扰动效果。研究深松过程中的土壤扰动行为，掌握深松部件与土壤的互作规律，分析土壤体裂隙扩散机理，总结深松铲形状对土壤扰动过程的影响，有助于获得生产需要的土壤状态，也有利于深松机具的设计和优化，为减小深松阻力和降低能耗奠定基础。 1 土壤体裂隙扩散机理 在作业过程中，土壤扰动是一个复杂过程，其中裂纹扩散是土壤体破碎的基本形式。国内外学者采用多种方法研究深松过程中的土壤体裂纹扩散机理，并取得了诸多有价值的研究成果。 丁启朔等结合田间实测土壤物理参数，借助离散元EDEM软件建立适于粘性水稻土的深松耕作离散元模型，对比验证机具的耕作阻力和土壤扰动，从仿真角度揭示深松土壤扰动微观过程和土壤失效破碎机理。 奚小波等采用剖面法观测土体裂隙及扰动情况，利用正交试验分析气爆参数对土体裂隙扩展的影响。同时，通过建立气爆土体裂隙迹线方程及土体扰动模型，讨论土体破坏形式对松土效果的影响。试验结果表明：当气爆深度﹤25 cm时，土体以张拉破坏为主，气爆起劈力0.17 MPa，裂隙扩展随气压增大而增大，土体扰动系数50%;当气爆深度﹥25 cm时，土体以剪切破坏为主，土体裂隙中心下移，且下移量随气压增大而增大，土体扰动系数大于50%。综合分析，气爆深度30 cm、气爆压力1 MPa时的效果较佳。 黄玉祥等采用离散元建立深松工作模型，对深松铲—土壤互作规律进行了较为深入的研究，发现土壤的扰动范围随土壤与深松铲之间距离增大而减小，扰动范围依次为浅层﹥中层﹥深层;在深松范围内，土壤的运动速度随土壤与深松铲之间距离的增大而逐渐减小，等速度土壤颗粒的分布曲线与深松铲的铲柄弧线基本吻合;土壤膨松度、土壤扰动系数仿真值与试验值的相对误差分别为13.21%，17.38%;地表土壤纵向堆积角的仿真值与试验值相对误差为9.42%。 此外，Godwin利用试验研究了耕作部件深宽比和入土角对土壤扰动形式及扰动程度的影响。 2 深松铲与土壤体扰动的关系 铲尖是深松铲的关键部件之一，其对土壤扰动具有重要影响，为此诸多科研工作者进行了相关研究和试验。 为探讨深松铲的作业阻力问题，刘俊安等以凿形、箭形、翼形3种深松铲为研究对象，分析深松对土壤扰动的影响。试验数据表明，铲形对耕后土壤特性、深松沟形面积、阻力F、沟形面积比阻有显著影响;对土壤扰动面积的影响顺序为凿形铲﹥箭形铲﹥翼形铲;翼形铲所受阻力分别比箭形铲和凿形铲大123.6%和36.6%，箭形铲比凿形铲所受阻力大63.7%（P<0.05）。沟形面积比阻顺序为凿形铲﹤箭形铲﹤翼形铲。综合分析疏松效果、牵引阻力和沟形面积比阻，认为凿形铲（入土角21 °）的作业效果最佳。 为研究深松过程中的水稻土结构和能量效应，丁启朔等采用原位土壤耕作综合测试平台精准控制条件，设置10，15，20，25，30 cm共5种耕作深度，从耕作阻力及比阻、土壤宏观扰动轮廓、土壤破碎体分布等方面，综合评价凿形铲的深松作业效果。试验数据显示，耕作阻力与耕作深度符合二阶函数拟合的递增关系;耕深20 cm时，深松铲对土壤的扰动程度最大，地表隆起、开裂和纵向起伏程度最强，土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径均达到最大值，耕作比阻相对较低;耕深超过20 cm时，作业对土壤的扰动显著降低，表现为地表隆起、开裂和纵向起伏程度减弱，此时土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径数值均明显减小;耕深超过30 cm时，耕作比阻急剧增大。综合分析各项指标，确定耕深20 cm可获得较佳的作业效果。 杭程光等以碎土率、土壤蓬松度、土壤扰动系数、地表平整度等作为评价指标，分别采用凿形铲、箭形铲、翼形铲进行深松作业，利用高速摄影技术研究铲尖形状对土壤扰动和作业效果的影响。试验分析结果表明：铲尖形状对土壤扰动有一定影响，其中翼形铲对垄沟和沟底宽度影响最大，箭形铲次之，凿形铲最小;随深松铲铲尖与土壤接触面积，以及土块间二次接触概率的增加，土壤破碎效果不断得到改善;同时，铲尖形状影响土壤疏松程度和地表平整性，凿形铲的疏松效果差但地表平整度优。 另外，Manuwa以3种宽度不同的铲尖为研究对象，对比分析了不同入土深度条件下的土壤垄形宽度和高度、土垄间距和土壤坑形宽度等扰动参数的差异。 3 土壤体裂隙扩散的其他影响因素 設计深松机具时，应综合考虑作业质量、减阻效果等因素，加强铲尖对土壤类型的适应性研究，合理确定铲尖与土壤接触面积，以达到良好的作业效果。 王学振等综合运用EDEM和室内土槽试验，研究翼铲高度对深松土壤扰动的影响。李伟等以凿型深松铲为研究对象，综合使用离散元仿真和土槽试验方法，利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标，研究不同深松深度对土壤扰动的影响。 4 土壤体裂隙扩散研究展望 当前，关于局部深松耕作下土壤体裂隙扩散机理的研究，主要集中于连续介质理论，侧重于触土部件对土壤扰动范围、轮廓和形状影响的宏观行为分析。土壤宏观扰动轮廓的研究成果较多，且部分研究成果已应用于生产实际。从土壤性质和结构着手，开展土壤体裂纹扩散机理和裂纹扩散过程研究的内容较少。 在今后研究中应综合利用离散元方法、高速摄影技术、土槽试验，研究深松耕作过程中的土壤体裂纹扩散机理、动力过程和变化规律，探讨不同作业条件对土壤体裂纹扩散扰动效果的影响，以补充和创新现有的局部深松耕作相关研究，为优化耕作部件和改进深松作业模式提供数据支持和理论依据。 参考文献 [1] 黄玉祥，杭程光，苑梦婵，等.深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验[J].农业机械学报，2016，47（7）：80-88. [2] 李伟，张帅磊，黄玉祥，等.深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究[J].农机化研究，2017（11）：153-157. [3] 奚小波，张瑞宏，单翔，等.基于土体裂隙迹线方程和土体扰动模型的气爆松土参数优化[J].农业工程学报，2018，34（6）：15-24. [4] 刘俊安，王晓燕，李洪文，等.基于土壤扰动与牵引阻力的深松铲结构参数优化[J].农业机械学报，2017，48（2）：60-67. [5] 杭程光，黄玉祥，高喜杰，等.深松铲铲尖对土壤扰动过程及效果的试验与分析[J].干旱地区农业研究，2017，35（3）：285-291. [6] 丁启朔，葛双洋，任骏，等.水稻土深松阻力与土壤扰动效果研究[J].农业机械学报，2017，48（1）：47-56. |
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