第一章 耕層土壤的力學性質(zhì)與耕作

1、第一章 耕層土壤的力學性質(zhì)與耕作第一節(jié)耕層土壤的力學性質(zhì)在自然土壤的基礎上，經(jīng)過人類長期的耕作、施肥、灌溉等生產(chǎn)以及自然因素的持續(xù)作用形成了農(nóng)業(yè)耕作土壤。組成耕作土壤固相的主要是礦物質(zhì)和有機質(zhì)。礦物質(zhì)中包括各種大小不同的礦物質(zhì)顆粒(砂粒、粉粒、粘粒等)；有機質(zhì)則來源于農(nóng)作物根莖等殘留物、土壤中的動物、微生物殘體及人工施用的有機肥等。土壤物理力學性質(zhì)大多與土壤中的粘粒及有機質(zhì)含量、含水量大小及外界環(huán)境的影響有關。由于土壤結構組成的復雜性及土壤內(nèi)諸因素局部的微觀差異，往往使農(nóng)業(yè)土壤物理力學性質(zhì)的有關測量值呈現(xiàn)出不規(guī)則性和隨機性。而這種不規(guī)則性和隨機性使耕層土壤物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律不能作出精確的描

2、述。因此，這種問題的解決還有待于新的理論與思想體系的引入與提出，其中Mandelbrot提出并建立的分形理論為解決這類問題帶來了新的思路和方法。一、土壤強度 土壤強度是某種土壤在特定條件下抵抗外力作用的能力，也可定義為土壤承受變形或應變的能力。因此土壤強度可以用建立應力應變方程式，或以其屈服點應力來表示。當耕耘機械加工土壤時，對土壤進行切削、翻轉、破碎和平整等導致土壤產(chǎn)生應力應變、結構失效以及被壓實等，在此土壤加工過程中，土壤所表現(xiàn)出的種種力學性質(zhì)主要取決于土壤強度。土壤強度既受限于土壤本身的特性，如質(zhì)地和結構，又受限于環(huán)境條件，特別是土壤的含水量等。它的特性不僅關系到加工土壤時能耗的多少、質(zhì)

3、量的優(yōu)劣，而且還關系到農(nóng)機具行走裝置的推進力以及各部件的摩擦磨損和整機的工作效率，對植物根系的生長發(fā)育也有直接影響。Micklethwaite是最早把土壤強度與機具聯(lián)系起來的。應用土力學中的摩爾一庫倫(Mohr-Coulomb)定律，建立了車輛的前進推力或附著力的模型。(11)式中P，土壤對車輛的最大推力或附著力；F車輪的接地面積；C土壤粘結力；G法向載荷(或法向壓力)；土壤間的內(nèi)摩擦角。由式1一1知：當車輪的接觸面積F和法向壓力G為定值時，車輛的最大推力或附著力P，取決于土壤的粘結力C和內(nèi)摩擦角驢，即同土壤強度成正比。耕耘機械切削土壤使之破碎，其能耗與土壤破碎程度成正相關，而土壤破碎的難易又

4、與土壤強度成正比，所以破碎粘重而又板結的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。圖l一1土壤承載能力測定儀1手柄2壓力彈簧3記錄筒4測桿5測頭6插針7弦線8記錄筆二、土壤承載能力土壤承載能力又稱土壤堅實度或土壤圓錐指數(shù)。土壤承載能力是表征土壤抗破壞、壓縮和摩擦阻力的綜合指標，它是指在垂直載荷作用下，土壤不同深度的抗壓能力。一般是把圓錐或圓柱測頭垂直壓入土層中，測得不同深度處土壤單位面積的壓力。圖11是土壤承載能力測定儀示意圖。Bekker首次建立了土壤承載能力與下陷深度的數(shù)學模型，并被得到普遍的引用，其模型為：(12)式中P土壤承載能力；K土壤內(nèi)摩擦變形模量；Kc土壤內(nèi)聚力變形模量；b矩形平板的寬

5、度；Z土壤下陷深度；n一一土壤的變形指數(shù)。由于K、Kc和n是一組土壤特性的常數(shù)值，對于某一特定的測盤或履帶而言，b為一定值，則土壤承載能力與下陷深度的關系是冪函數(shù)，它的圖形如圖12中的實線所示。由圖12可以看出，軟濕土壤的承載能力與下陷深度的關系并不是冪函數(shù)曲線，它的變形指數(shù)n是變化的，曲線的形狀象“Z”字形，這不僅是在整個深度范圍內(nèi)(0n3。水田土壤含水量W對觸變率T影響如圖16所示。從圖16可知，當含水量在4070時，觸變現(xiàn)象較為明顯。當含水量在5060 %范圍時，觸變率最高。經(jīng)研究表明，含水量約50以上的區(qū)段是土壤易于粘附農(nóng)具的危險區(qū)，這個值大致與觸變效應最顯著時的值相符。因此，當水田土

6、壤的含水量在5060附近時，會給行走裝置和切削元件帶來明顯的麻煩。圖16水田土壤含水量對觸變率的影響第二節(jié)土壤耕作及耕作機具土壤耕作是作物生產(chǎn)中不可缺少極其重要的一環(huán)。它通過犁、耙、磙、鏟、鍬等農(nóng)具的機械作用改變土壤耕層構造和地面狀況，調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱因素，翻埋根茬和肥料、清除田間雜草，控制土壤病蟲害，調(diào)節(jié)土壤微生物體系，為作物播種、出苗、生長發(fā)育提供適宜的土壤環(huán)境，協(xié)調(diào)土壤與氣候條件之間的關系。一、土壤耕作方法土壤耕作分為常規(guī)耕作法和少免耕法兩大類。常規(guī)耕作法又稱傳統(tǒng)耕作法或精耕細作法。通常指作物生產(chǎn)過程中由機械耕翻、耙壓和中耕等組成的土壤耕作體系。在一季作物生產(chǎn)期間，機具進地次數(shù)常達

7、710次，作物秸稈移出田外或切碎翻人土壤中。常規(guī)耕作法目前仍然是土壤耕作的主要方法，主要從事耕翻、耙碎、鎮(zhèn)壓、播種、中耕、施肥、開溝、中耕除草、噴藥、收獲等作業(yè)。少耕通常指在常規(guī)耕作基礎上減少土壤耕作次數(shù)和強度的一類土壤耕作體系。它的類型很多，如以田問局部耕翻代替全部耕翻、以耙代耕、以旋耕代犁耕、耕耙結合、板田播種、免中耕等，均屬于少耕范疇。在一季作物生長期間，機具進地次數(shù)減為46次。目前在國內(nèi)外土壤耕作變革中，表現(xiàn)出少耕迅速發(fā)展的趨勢，應用面積正在逐年擴大。免耕是免除土壤耕作，直接播種農(nóng)作物的一類耕作方法。對它的概念，國內(nèi)外說法還不完全統(tǒng)一。一種認為它是不進行播前任何土壤耕作的一類耕作方法；

8、另一種認為，它是既不進行播前土壤耕作，也不進行播后土壤管理的一類耕作法。在一季作物生長期間，機具僅進地34次，主要從事播種、噴藥、收獲等作業(yè)。二、土壤耕作機具在不同季節(jié)，要求的耕作深度不同，因此把土壤耕作機具分為兩大類：一是耕地機具，通常理解為對整個耕作層進行耕作的機具，如鏵式犁、圓盤犁等；二是整地機具，即土壤進行耕作后對淺層表土再進行耕作的機具，如耙、旋耕機、鎮(zhèn)壓器等，其耕作深度約等于播種深度。整個土壤耕作機具種類如下：土壤耕作的各種任務，由許多具有獨特作用的機具和部件來完成。表12列出了部分土壤耕作機具所能完成的任務：表12部分土壤耕作機具所能完成的任務機具名稱淺松土深松土翻土混土碎土壓實

9、平整機械除草鏵式犁圓盤犁旋耕機松土犁釘齒耙滾耙鎮(zhèn)壓器圓盤耙水田耙中耕機耕整機耕耙犁+ +十+十+ 一+一一一一一+注：+表示機具所具有的功能；一表示機具不具有的功能。參考文獻1孫一源等，農(nóng)業(yè)土壤力學，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19852李瀚如潘君拯，農(nóng)業(yè)流變學導論，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19903日本農(nóng)業(yè)機械學會，農(nóng)業(yè)機械設計手冊，北京：機械工業(yè)出版社，19914江蘇工學院，農(nóng)業(yè)機械學(上冊)，北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，19885北京農(nóng)業(yè)工程大學，農(nóng)業(yè)機械學(上冊)，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19946叢茜等，地面機械減粘脫土方法的研究，農(nóng)業(yè)工程學報，1990，6(1)：8147土壤參數(shù)與行走機構關系研究課題組，水田土壤參數(shù)與履帶下陷、驅動力問的關系，農(nóng)業(yè)機械學報，1979，10(4)：1228Mandelbrot B BThe Fracta