第一章 耕層土壤的力學(xué)性質(zhì)與耕作

1、第一章 耕層土壤的力學(xué)性質(zhì)與耕作第一節(jié)耕層土壤的力學(xué)性質(zhì)在自然土壤的基礎(chǔ)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(jī)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(jī)質(zhì)則來源于農(nóng)作物根莖等殘留物、土壤中的動(dòng)物、微生物殘?bào)w及人工施用的有機(jī)肥等。土壤物理力學(xué)性質(zhì)大多與土壤中的粘粒及有機(jī)質(zhì)含量、含水量大小及外界環(huán)境的影響有關(guān)。由于土壤結(jié)構(gòu)組成的復(fù)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(xué)性質(zhì)的有關(guān)測量值呈現(xiàn)出不規(guī)則性和隨機(jī)性。而這種不規(guī)則性和隨機(jī)性使耕層土壤物理力學(xué)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(qiáng)度 土壤強(qiáng)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(yīng)變的能力。因此土壤強(qiáng)度可以用建立應(yīng)力應(yīng)變方程式，或以其屈服點(diǎn)應(yīng)力來表示。當(dāng)耕耘機(jī)械加工土壤時(shí)，對(duì)土壤進(jìn)行切削、翻轉(zhuǎn)、破碎和平整等導(dǎo)致土壤產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)失效以及被壓實(shí)等，在此土壤加工過程中，土壤所表現(xiàn)出的種種力學(xué)性質(zhì)主要取決于土壤強(qiáng)度。土壤強(qiáng)度既受限于土壤本身的特性，如質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，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(guān)系到加工土壤時(shí)能耗的多少、質(zhì)

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

4、與土壤強(qiáng)度成正比，所以破碎粘重而又板結(jié)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(jiān)實(shí)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(biāo)，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(xué)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(duì)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(guān)系是冪函數(shù)，它的圖形如圖12中的實(shí)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(guān)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(gè)深度范圍內(nèi)(0n3。水田土壤含水量W對(duì)觸變率T影響如圖16所示。從圖16可知，當(dāng)含水量在4070時(shí)，觸變現(xiàn)象較為明顯。當(dāng)含水量在5060 %范圍時(shí)，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(xiǎn)區(qū)，這個(gè)值大致與觸變效應(yīng)最顯著時(shí)的值相符。因此，當(dāng)水田土

6、壤的含水量在5060附近時(shí)，會(huì)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(duì)觸變率的影響第二節(jié)土壤耕作及耕作機(jī)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(jī)械作用改變土壤耕層構(gòu)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(guān)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(xì)作法。通常指作物生產(chǎn)過程中由機(jī)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(jī)具進(jìn)地次數(shù)常達(dá)

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(chǔ)上減少土壤耕作次數(shù)和強(qiáng)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(jié)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(jī)具進(jìn)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(yīng)用面積正在逐年擴(kuò)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(duì)它的概念，國內(nèi)外說法還不完全統(tǒng)一。一種認(rèn)為它是不進(jìn)行播前任何土壤耕作的一類耕作方法；

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

9、平整機(jī)械除草鏵式犁圓盤犁旋耕機(jī)松土犁釘齒耙滾耙鎮(zhèn)壓器圓盤耙水田耙中耕機(jī)耕整機(jī)耕耙犁+ +十+十+ 一+一一一一一+注：+表示機(jī)具所具有的功能；一表示機(jī)具不具有的功能。參考文獻(xiàn)1孫一源等，農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19852李瀚如潘君拯，農(nóng)業(yè)流變學(xué)導(dǎo)論，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19903日本農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19914江蘇工學(xué)院，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(上冊(cè))，北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，19885北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(上冊(cè))，北京：農(nóng)業(yè)出版社，19946叢茜等，地面機(jī)械減粘脫土方法的研究，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6(1)：8147土壤參數(shù)與行走機(jī)構(gòu)關(guān)系研究課題組，水田土壤參數(shù)與履帶下陷、驅(qū)動(dòng)力問的關(guān)系，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1979，10(4)：1228Mandelbrot B BThe Fracta