一种带有覆草板的铧式犁对土壤—秸秆相互作用的试验研究

发布时间：2020-08-13 02:24

【摘要】：犁耕阻力、能量消耗、耕地质量和所需费用取决于犁体设计,这是由犁铧、犁壁及其支撑面参数确定的。犁耕阻力、秸秆位移及土壤反力对于耕作机具耕作性能评价是非常重要的参数。本研究探讨一种加装覆草板的铧式犁的性能,优化其使用。通过两年的田间试验,研究一个轻型铧式犁加装及不装覆草板时的性能。目前在田间仍需要一定量的秸秆保护土壤免受风和水的侵蚀。然而,除了大量的试验研究,人们还不能很好地解释土壤运动、秸秆位移和覆埋、以及土壤和机具参数之间存在的相互关系,这主要是由于土壤的产生、质地、不确定的气候条件和作物系统及其相互之间关系的复杂性所产生的。本研究包括实验室试验和田间试验。实验室试验在南京农业大学工学院进行,田间实验在南京农业大学江浦实验农场进行。在田间试验中,测试了耕作深度和铧式犁覆草板的性能,在两种秸秆量、有无覆草板情况下的犁耕阻力和土壤反力,以及在低速作业(0.1 m/s)、不同土壤含水率情况下小麦秸秆的位移和覆埋情况。采用有限元法(FEM)建立了应力分布的仿真模型,并与两种秸秆量、有无覆草板时田间试验的应力分布进行了比较。田间试验进行了两年,以便确定不同土壤含水率影响的差异。铧式犁耕作时存在的一个问题是,机具要同时分别切断残茬秸秆和破碎土壤,通过推拉分隔使他们上升和改变位置,以便进行翻盖覆埋。但这种作用对于秸秆的混合效率很低,并影响机具的牵引性能。耕作过程中在铧式犁上安装覆草板能够破碎犁铧上的部分土垡,在土垡翻转前使秸秆覆埋更加容易。然而,还没有试验数据能够很好地说明土壤、耕作部件和覆草板之间的相互关系。试验结果总结如下:1、犁耕阻力是耕作机具性能的重要参数。本研究探讨了覆草板对铧式犁耕作性能和系统优化的影响。在田间土壤含水率30%左右时,测试了在两种秸秆量(只有残茬、无秸秆,大量秸秆)、有无覆草板四种情况下的犁耕阻力和垂直作用于犁上的力(这四种情况是:WTNS —加装覆草板、田间仅有残茬无秸秆,WTHS —加装覆草板、田间有大量秸秆,WTONS —不装覆草板、田间仅有残茬无秸秆,WTOHS —不装覆草板、田间有大量秸秆),并采用有限元法(FEM)模拟了作用在犁上的应力分布。结果表明:在不装覆草板情况下,田间有大量秸秆比仅有残茬时的犁耕阻力显著增大。在有、无覆草板时,铧式犁在上述不同情况下具有不同的犁耕阻力。耕深为15 cm时,覆草板和田间秸秆情况对于犁耕阻力的综合影响是:WTHS (2794.88 N) WTNS (2345.69 N),以及 WTOHS (3248.87 N) WTONS (2760.81 N)。作用于犁上的垂直力随着犁耕深度显著增大,但与田间秸秆情况和有、无覆草板无关。覆草板显著增大犁耕阻力。在田间仅有残茬情况下,安装覆草板时土壤位移的范围为33-60 cm、平均值为48.89 cm,不装覆草板时土壤位移的范围为50-70 cm、平均值为64.22 cm。在田间有大量秸秆情况下,安装覆草板时土壤位移的范围为38-60 cm、平均值为46.44 cm,不装覆草板时土壤位移的范围为45 —60 cm、平均值为49.77 cm。在其他土壤情况下(裸露的土壤以及有直立的秸秆)也发现,安装覆草板能够减少土壤的位移(从而有利于秸秆的覆埋)。有限元仿真的结果与田间试验相一致,仿真结果显示了犁体表面的应力分布以及使土壤发生的失效。仿真结果表明,作用于犁体上的最大等效应力为279.43 MPa,而土壤材料的屈服应力为250 MPa。在田间有大量秸秆情况下,铧式犁上安装覆草板是十分重要的。2、田间仍需要一定量的秸秆保护土壤免受风和水的侵蚀。为了更好地了解秸秆对土壤的保护效果,对小麦秸秆位移及覆埋情况与犁耕速度、耕作深度及覆草板之间的关系进行了研究。田间试验考察了3种因素的影响,即:犁的类型(有、无安装覆草板)、秸秆长度(100、150、250 mm)、田间秸秆情况。试验前制备一定长度的秸秆作为示踪物测量土壤及秸秆的位移。结果表明:土壤位移和秸秆位移明显不同,但二者相互关联。随着秸秆长度的增加,土壤向前和侧向位移增大,150 mm秸秆的侧向和向前位移小于250 mm的秸秆。由于秸秆的向前和侧向位移,使土壤的位移减小。不论秸秆与土壤怎样混合,秸秆位移总是明显大于土壤位移。安装覆草板时能够减少土壤位移,但对秸秆位移没有明显的影响。长秸秆比短秸秆更难于埋入土壤中,安装覆草板能够提高覆埋秸秆的性能。结果还表明:低速作业时犁耕的土块更破碎,秸秆位移更大,更多的秸秆被覆埋。不装覆草板(WTONS)时,秸秆残茬覆盖率可达54%,而安装覆草板(WTNS)后,覆盖率仅为42%。与不装覆草板的WTONS相比,最小覆盖率出现在安装覆草板的WTNS处理中,即与不装覆草板的犁相比,安装覆草板后显著减小了秸秆残茬覆盖率。此外,在相同犁耕速度时,长秸秆较短秸秆更有利于土壤破碎;靠近犁铧部位秸秆的位移比靠近犁体(犁壁)部分的秸秆位移更大。3、犁耕过程中,在铧式犁上安装覆草板能够破碎犁壁上的部分土垡,在土垡翻转前使秸秆覆埋更加容易。通过两年的田间试验,研究了轻型铧式犁有无覆草板、以及受残茬高度和土壤含水率影响的性能。在两年的试验中,测量了犁耕深度、土壤含水率(24%、30%)及土壤反力等对铧式犁性能的影响。在0.1 m/s耕作速度下,测量了秸秆残茬位移及覆埋情况、土壤位移及土块破碎的大小。第一年试验表明,不论田间仅有残茬或有大量秸秆,安装覆草板后犁耕阻力和土壤反力更大。第二年试验在田间仅有残茬情况下,也观察到同样的现象。土壤反力作用在铧式犁犁体上。当耕深为15 cm、土壤含水率为24%时,在田间有大量秸秆情况下,安装覆草板(WTHS)铧式犁的土壤反力为1794.88 N,不装覆草板(WTOHS)铧式犁的土壤反力为1248.87 N;在田间仅有残茬情况下,安装覆草板(WTNS)铧式犁的土壤反力为1345.69 N,不装覆草板(WTONS)铧式犁的土壤反力为1060.81 N。最小的土壤反力出现在WTONS情况下,而最大土壤反力出现在WTHS情况下。当耕深分别为5 cm和10 cm时也观察到类似现象。这说明,当土壤含水率为24%左右时,使用覆草板会增加土壤反力。当土壤含水率不同时,安装覆草板建议在土壤含水率较大时使用。数据的统计分析高度显著(P0.01)。试验结果还表明,土壤含水率很大时,使用覆草板可以减小犁耕阻力。4、每年全世界产生超过5亿吨小麦秸秆,多数都在田间焚烧,造成严重的环境污染、健康问题及交通事故,同时损失了可利用的资源。每1.3 kg的小麦谷物大约产生1kg秸秆。麦秸秆量大,可作为可再生能源加以利用,进行气化、用于燃烧系统。为了在热化学转换过程中更好地利用麦秸秆,应当更好地了解其物理性质。通过试验比较了苏麦188和扬辐麦2号两种小麦秸秆的物理性质(含水率、破碎尺寸、容重、孔隙度等),还测试了秸秆表面覆盖率。苏麦188和扬辐麦2号小麦秸秆含水率范围分别是18.26%-32.36%和15.54%-28.08%,苏麦188含水率显著高于扬辐麦2号(p0.05)。苏麦188和扬辐麦2号秸秆的破碎尺寸范围分别是0.8-51.1 mm和3.2 -45.1 mm,扬辐麦2号秸秆破碎尺寸呈正态分布,而苏麦188则呈下降趋势,破碎尺寸越大则其重量百分比越大。苏麦188秸秆的平均容重范围70-96.75 kg/m3,而扬辐麦2号则为129.32-167.03 kg/m3,苏麦188秸秆容重小于扬辐麦2号。苏麦188和扬辐麦2号秸秆的孔隙度范围分别是60.1%—62.7%和63.8%-64.2%,孔隙度和平均破碎尺寸之间存在正相关关系。上述试验结果表明,从同一农场取出的苏麦188和扬辐麦2号两种小麦秸秆具有不同的物理性质,这可能是由于气候条件和肥料使用不同所造成的。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S222.1
【图文】：

ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，邋ｉｎｔｅｒ－ｒｏｗ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋１２６１．逡逑Ｔｉｌｌａｇｅ邋ｐｒａｃｔｉｃｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｃｔ邋ｗｅｒｅ邋ｔｒａｃｔｏｒ邋ｐｌｏｕｇｈ邋（Ｔｐ），邋ｂｕｌｌｏｃｋ邋ｐｌｏｕｇｈ邋（Ｂｐ），逡逑ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｈａｎｄ邋ｈｏｅｉｎｇ邋（Ｈｈ）邋ａｎｄ邋ｚｅｒｏ邋ｔｉｌｌａｇｅ邋（Ｚｔ）邋ｏｒ邋ｔｈｅ邋ｕｓｅ邋ｏｆ邋ａｇｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌｓ．邋Ｔｒａｃｔｏｒ逡逑ｐｌｏｕｇｈｓ邋ｈａｄ邋ｔｈｅ邋ｌａｒｇｅｓｔ邋ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ邋ｏｆ邋４４．２％邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ邋５３邋ｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋１２０逡逑ｓａｍｐｌｅｄ，邋ｆｏｌｌｏｗｅｄ邋ｂｙ邋ｚｅｒｏ邋ｔｉｌｌａｇｅ邋ｗｉｔｈ邋２７．５％邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ邋３３邋ｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋１２０逡逑ｓａｍｐｌｅｄ．邋Ｂｕｌｌｏｃｋ邋ｐｌｏｕｇｈｓ邋ａｎｄ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｈａｎｄ邋ｈｏｅｉｎｇ邋ｗｅｒｅ邋１５．８邋ａｎｄ邋１２．５％逡逑ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ邋１９邋ａｎｄ邋１５邋ｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋１２０邋ｓａｍｐｌｅｄ邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ邋（Ｆｉｇ．邋１．１）．邋Ｔｈｅ逡逑ｂｅｎｅｆｉｔｓ邋ｏｆ邋ｔｉｌｌａｇｅ邋ｃｏｕｌｄ邋ｂｅ邋ｓｕｍｍｅｄ邋ｕｐ邋ａｓ邋ｆｏｒ邋ｓｅｅｄ邋ｂｅｄ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，邋ｗｅｅｄ邋ｃｏｎｔｒｏｌ，逡逑ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ邋ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ邋ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ邋ａｎｄ邋ｅｒｏｓｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌ，邋ｌｏｕｇ

曲线,数据采集,土壤,犁耕

ｗｉｄｅ）邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｒａｃｅｒ邋ｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｄｅｐｔｈ邋ａｎｄ邋ｌａｔｅｒａｌ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｒａｃｅｒ邋ａｃｒｏｓｓ邋ｔｈｅ邋ｓｗｅｅｐ邋ｗｉｄｔｈ；邋＋ｖｅ邋ｓｉｇｎ逡逑ｉｎｄｉｃａｔｅｓ邋ｉｎｗａｒｄ邋ｍｏｖｅｍｅｎｔ；邋＋ｖｅ邋ｓｉｇｎ邋ｉｎｄｉｃａｔｅｓ邋ｏｕｔｗａｒｄ邋ｍｏｖｅｍｅｎｔ邋［４０］逡逑图１．４邋土壤横向运动位移与耕作深度的关系曲线；数据采集自沿犁耕深度和幅宽（３３０ｍｍ）方向逡逑示踪剂所在位置；＋代表向内运动，－代表向外运动逡逑１０逡逑

板长,长度,刃口,三维模型

ｃｏｎｔａｉｎｓ邋ａ邋ｓｅｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ａｎｄ邋ｆｉｅｌｄ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ邋ａｓ邋ｗｒｅｆｏｒｅ邋ｔｈｉｓ邋ｃｈａｐｔｅｒ，邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ａｎｄ邋ｄｅｖｉｃｅｓ邋ｅｍｐｌｏｙｅｄ邋ｉｎ邋ｔｃｅｄｕｒｅｓ邋ａｒｅ邋ｄｉｖｉｄｅｄ邋ｉｎｔｏ邋ｔｈｒｅｅ邋ｓｅｃｔｉｏｎｓ邋（ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｔｅｓｔ，邋ｆｉｅｔｈｏｄｓ）．逡逑邋ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ逡逑ｅｄ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ｉｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ邋ｇｅｎｅｒａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｏｅ邋ａｃｔｕａｌ邋ｄｅｓｉｇｎｓ邋ｗｅｒｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ邋ａｆｔｅｒ邋ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉａｒｅａ．邋Ｔｈｅ邋ｔｒａｓｈｂｏａｒｄ邋ａｔｔａｃｈｅ邋ｗｅｒｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ邋ｕｓｉｎｇ邋Ｃｈｉｎａｏ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋ｓｏｆｔｗａｒｅ．邋Ａｆｔｅｒ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｃｆｏｒｍａｎｃｅｓ，邋ｐｒｏｂｌｅｍｓ邋ａｎｄ邋ｅｆｆｅｃｔｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｏｉｌ邋ｃｒｏｐ邋ｐａｒａｍｅｔ２．１）邋ａｎｄ邋Ｔａｂｌｅ邋．２．１邋ｔｏ邋ｄｅｓｃｒｉｂｅ邋ｔｈｅ邋ｓｈａｐｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｒａｓｈｂｕｓｅｄ邋ｆｏｒ邋ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ．邋Ｔｈｅ邋ｐｌｏｕｇｈｓ邋ｗｅｒｅ邋ｍｏｕｎｔｅｄ邋ｏｎＸＢＬ逡逑

【参考文献】