农机作业土壤压实评价及组合铲松土技术研究

目前,我国正面临耕地面积不断下降、耕地质量整体偏低的问题。随着我国农业机械化率的不断提高,土壤压实逐渐成为引起土壤退化,耕地质量下降的重要原因之一。本文以华北地区壤土为研究对象,以农机轮胎土壤压实评价及机械化消减技术为研究目标,主要研究了轮胎对土壤压实的影响因素,轮胎气压、轴载及压实次数对土壤压应力传递过程影响,基于轮胎的土壤压实预测方法,研究了土壤压实对土壤特性及作物生长影响,在此基础上,提出了组合铲松土技术消减土壤压实。主要结论如下:(1)研究了轮胎压实影响因素与土壤容重及紧实度之间的关系。结果表明,轮胎轴载、气压及压实次数对土壤压实影响显著。轴载在4.667～13 kN范围变化时,土壤容重增长高达22.6%,紧实度增长高达25.3%,轮胎气压在85-210kPa范围变化时,土壤容重及紧实度增长均达18.1%,压实次数为1～9之间变化时,土壤容重增长达24.9%,紧实度增长达51.5%。(2)结合数值分析、离散元模拟及田间试验的方法,研究了轮胎气压、轴载及压实次数对土壤压应力传递的影响。结果表明,随轮胎气压增加,接触土壤面积逐渐减小,接触面应力集中区域由轮胎两侧到轮胎中心分布,气压为100kPa时,最大应力比85、120 kPa分别小11.2%、21.1%。随着轮胎轴载增大,接触面积逐渐增大,形状由类椭圆向类矩形变化,轴载为50 kN条件下轮胎土壤接触面积比30kN大24.5%,70kN时比50kN大1%。随着轴载增大,接触面应力集中区域发生在两端位置,轴载为50 kN条件下最大接触应力比30 kN大31.6%,70 kN时比50 kN大10.3%。轮胎气压能够显著增加0～40 cm 土壤应力,40 cm以下土壤应力影响不显著,轴载能够显著增加0～80 cm 土壤应力。轮胎压实次数对土壤剖面应力的增加呈对数函数的规律变化。(3)基于土壤应力计算模型,结合土壤抗剪切/抗压强度,构建了土壤压实评价方法,并通过田间试验验证了土壤压实评价方法准确性。结果显示,载重为4155 kg的拖拉机1～5次压实只能使0～60 cm 土壤发生破坏性的塑性变形,5～9次压实能够使0～80 cm 土壤产生塑性变形。载重为1225 kg的拖拉机1～3次压实对土壤的破坏范围为0～40 cm,3～7次压实能够使0～63 cm 土壤塑性形变,7-9次压实使0-80 cm 土壤附加压应力达到抗压强度而受到压实破坏。压实对土壤容重及玉米生长影响研究结果发现,显著降低玉米产量的土壤容重临界值为1.43 g.cm-3。(4)针对土壤压实问题,提出了组合铲松土的土壤压实消减技术。通过离散元模拟及田间试验相结合的方法,研究土壤压实缓解方法,结果表明,缓解300 mm深的土壤,凿型铲能在较小的松土阻力条件下扰动更大范围的土壤;对于400 mm深的土壤,翼型与凿型铲组合的松土效果最优;对于450 mm 土壤,弯型铲与翼型铲组合的松土效果最优。基于土壤压实评价方法研究,针对2013-2016年免耕地块轮胎行走区域土壤压实状况进行评价,根据评价结果,利用组合铲松土方式进行压实消减,结果显示,组合铲松土区域0-10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm平均土壤容重较松土前分别减小了 17.5%、21.9%、25.2%、18.5%、23.2%,组合式松土技术能够实现全方位均匀松土。