翻埋秸稈抑制土壤開(kāi)裂機(jī)理研究

徐玲，楊立魁，高昌珍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：土壤中存在過(guò)多裂縫會(huì)增加水分入滲率和蒸發(fā)率，引起土壤中表層水分減少，深層滲漏增加，不利于作物生長(zhǎng)。裂縫產(chǎn)生的原因與土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量、土壤性質(zhì)、氣候變化等多種因素有關(guān)，為了研究翻埋秸稈對(duì)抑制土壤開(kāi)裂的影響程度，進(jìn)行了不同秸稈密度下的土壤裂隙度田間試驗(yàn)，通過(guò)剪切儀對(duì)采集的不同秸稈密度下的土體樣品與無(wú)秸稈的土壤樣品進(jìn)行剪應(yīng)力和壓力測(cè)試，采用SAS和Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，隨著添加秸稈量的增加，土壤的抗剪強(qiáng)度和粘聚力不斷提高，降低了土壤裂縫的寬度。

關(guān)鍵詞：秸稈翻埋；土壤開(kāi)裂；土壤剪切力；土壤粘聚力

收稿日期：2015-08-03修回日期：2015-10-27

作者簡(jiǎn)介：徐玲(1990-)，女(漢)，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：雨水集蓄及利用技術(shù)

通訊作者：*高昌珍，教授，碩士生導(dǎo)師。Tel：0354-6288400；E-mail：497470495@qq.com

基金項(xiàng)目：山西省農(nóng)業(yè)科技推廣示范行動(dòng)(SNJTGSFXD201203)

中圖分類號(hào)：S274.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Mechanism Research of Straw Burying Inhibiting Soil Cracking

Xu Ling， Yang Likui， Gao Changzhen

(CollegeofEngineeringandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Abstract:Too much crack exist in the soil will increase the rate of water infiltration and evaporation rate,and will cause the soil surface moisture decreased, deep leakage, which is not conducive to crop growth. The factors of the cracks in the soil caused by soil structure, soil water content, soil properties, climate change and other factors. In order to prevent soil cracking, keep soil moisture, this article has carried on the soil under different density of straw fracture degree of field experiment. The shear stress and pressure test of the soil samples with different straw density were collected by shear apparatus.Data were analyzed by SAS and Excel software.The results showed that Along with the increase of the amount of straw, the shear strength and cohesion of the soil increased, and the width of soil cracks was reduced.

Key words:Straw burying; Soil cracking; Soil shear force; Soil cohesion force

土壤中適量的裂縫能改善土壤的透氣性，增加土壤的儲(chǔ)水量，但過(guò)多的裂縫會(huì)增大土壤入滲率，加大土壤表層水份蒸發(fā)，影響植物根系發(fā)育。眾多實(shí)驗(yàn)研究表明，秸稈還田對(duì)改善土壤狀況有多方面的影響，如秸稈中養(yǎng)分的釋放可提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量[1]、秸稈和化肥的結(jié)合使用可提高土壤肥力[2]，秸稈的翻埋還可以有效增加土壤團(tuán)聚體含量[3]、提高土壤溫度[4]、保蓄土壤水分[5]、抑制土壤開(kāi)裂[6]，其中秸稈能有效抑制土壤開(kāi)裂[6]在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了充分的驗(yàn)證。本次試驗(yàn)在以往研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究秸稈抑制土壤開(kāi)裂的機(jī)理。

土壤裂縫的形成是由于土壤的收縮力大于土壤的剪切力，土壤的剪切力由土壤的內(nèi)摩擦力和土壤的黏聚力構(gòu)成，通過(guò)研究秸稈與土壤的混合體，得到土壤剪切力與秸稈密度關(guān)系的規(guī)律；研究剪切強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系，期望了解添加秸稈是如何影響土壤的內(nèi)摩擦力和土壤的黏聚力的。

在法國(guó)，文化活動(dòng)是公民生活的基本需求。正因?yàn)樗囆g(shù)與文化在公眾生活中的重要地位，歷任總統(tǒng)都將相關(guān)的改革作為競(jìng)選綱領(lǐng)。如薩科齊認(rèn)為文化是國(guó)家的創(chuàng)新動(dòng)力，奧朗德將文化教育作為引導(dǎo)公眾價(jià)值觀的主要方式，馬克龍則希望通過(guò)文化教育的公平來(lái)實(shí)現(xiàn)社會(huì)公平。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以秸稈密度為變量x,裂縫裂隙度為變量y,將表3數(shù)據(jù)導(dǎo)入SAS中進(jìn)行回歸分析，得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系為y=-0.000 598x+0.003 96，R2=0.763，P<0.001，(表4，表5)表明秸稈密度和裂縫裂隙度存在密切的函數(shù)關(guān)系，裂縫裂隙度隨秸稈密度的增加而降低，為了進(jìn)一步研究秸稈密度對(duì)裂縫裂隙度抑制的機(jī)理，需要通過(guò)土壤的力學(xué)性能測(cè)試來(lái)證明檢驗(yàn)，以下將進(jìn)行土壤抗剪試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明添加秸稈對(duì)土壤抑制裂縫的影響。

表1土壤剪切力與秸稈密度相關(guān)性試驗(yàn)方案

Table 1Density of soil shear strength associated with the straw test program

小區(qū)Areanumber秸稈密度/kg·m-3Strawdestiny翻埋深度/cmBuryingdepth灌水體積/mLIrrigationvolume101024002110240032102400431024005410240065102400761024008710240098102400109102400

表2　不同荷載剪切試驗(yàn)方案

1.2試驗(yàn)方法

勿忘初心，平臺(tái)建設(shè)的目的是更好的進(jìn)行人才培養(yǎng)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)苠憻拰W(xué)生各方面的能力，這是仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到的。除了高危、極端環(huán)境、不可及、不可逆操作、高成本高消耗、大型或綜合訓(xùn)練類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，其他常規(guī)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)以實(shí)體實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行。深刻理解“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”三原則，以人才培養(yǎng)為綱，規(guī)劃研發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

添加秸稈與無(wú)秸稈區(qū)域(對(duì)應(yīng)小區(qū)為11～18)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以研究添加秸稈對(duì)土壤裂縫形成有無(wú)影響；采用添加不同秸稈量(對(duì)應(yīng)小區(qū)為1～10)試驗(yàn)研究添加量對(duì)裂縫的影響程度。對(duì)不同添加量下土樣進(jìn)行測(cè)試，研究添加秸稈對(duì)土壤剪切力和土壤粘聚力的影響,以確定其對(duì)抑制土壤裂縫開(kāi)展的機(jī)理。

1.2.1土壤裂縫寬度與添加秸稈密度關(guān)系試驗(yàn)

設(shè)置10個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)添加不同的設(shè)計(jì)秸稈量,將秸稈在小區(qū)土壤中混合均勻后,澆灌一定量的水養(yǎng)護(hù),待間隔一定的時(shí)間后,每個(gè)小區(qū)選取8個(gè)裂縫觀測(cè)點(diǎn),測(cè)定所有點(diǎn)的裂縫寬度并記錄。

1.2.2不同秸稈密度樣品直剪試驗(yàn)

編者按：2014年4月15日，習(xí)近平總書記在中央國(guó)家安全委員會(huì)第一次會(huì)議上提出了“構(gòu)建集政治安全、國(guó)土安全、軍事安全、經(jīng)濟(jì)安全、文化安全、社會(huì)安全、科技安全、信息安全、生態(tài)安全、資源安全、核安全等于一體的國(guó)家安全體系”。生態(tài)安全、資源安全等都涉及到水安全。為更好地學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)和貫徹落實(shí)習(xí)總書記的講話精神，本刊從本期開(kāi)始推出水安全論壇。本期特別約請(qǐng)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心、中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)國(guó)情研究中心的專家發(fā)表真知灼見(jiàn)。同時(shí)也歡迎廣大專家學(xué)者踴躍投稿，共同為構(gòu)建國(guó)家水安全建言獻(xiàn)策。

在裂縫寬度試驗(yàn)完成后,立即對(duì)各小區(qū)進(jìn)行取樣測(cè)試,每個(gè)小區(qū)取4個(gè)土樣,用直剪移測(cè)試,將試樣處于一定的垂直應(yīng)力作用下，連續(xù)施加剪應(yīng)力后,當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某一限度值時(shí)，土樣由于變形過(guò)大達(dá)到了抗剪極限強(qiáng)度，此時(shí)試樣開(kāi)始破壞達(dá)到塑性平衡狀態(tài)，此時(shí)破壞的即為土的抗剪強(qiáng)度[6]。

2.2土壤剪切力與秸稈密度的關(guān)系

f=C×R×l00

式中：C為測(cè)力率系數(shù)/kg·cm-2·(0.01mm)-1；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)/(0.01mm)-1。

試驗(yàn)裝置:直剪儀，電子天平：MP2002電子天平，分度值10 mg，環(huán)刀，烘箱等。

在土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題中，先把樣品土樣假設(shè)為破壞前不變形的剛塑體;在直剪儀中對(duì)4個(gè)樣品施加不同豎向壓力和不同的水平剪切力，土的抗剪強(qiáng)度與應(yīng)力關(guān)系公式由下式?jīng)Q定:

上述試驗(yàn)顯示，BT對(duì)各級(jí)哮喘均可發(fā)揮良好的治療效果，但在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面存在共同的不足之處，即均未設(shè)置假手術(shù)組，未能完全排除支氣管鏡的安慰劑作用。

τ=c+σtgφ

在根系加筋的作用下，假設(shè)麥秸土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角和無(wú)麥秸土體的內(nèi)摩擦角相同，土體的抗剪強(qiáng)度為：

她的眼波閃爍著，在我身下輕聲呢喃，“我親愛(ài)的，別擔(dān)心——不要?jiǎng)樱灰x開(kāi)我……”她伸出手。她的手越變?cè)酱螅谋墼缴煸介L(zhǎng)。她的手臂伸出床外，伸過(guò)床簾，跨過(guò)地毯，橫穿過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的臥室，在燈光中投下巨大的陰影。她的手臂直伸到十幾米外門邊的墻上。巨大的食指觸到開(kāi)關(guān)。

τ=c+σtgφ+ΔC

式中:τ為土的抗剪強(qiáng)度/kPa；σ為土的剪切面上的垂直應(yīng)力/kPa；c為土的內(nèi)聚力/kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角；ΔC為附加內(nèi)聚力/kPa[7]。

采用SAS軟件分析秸稈密度與平均抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性，結(jié)果如表7和8。回歸方程為:

1.2.3有無(wú)秸稈土樣剪切應(yīng)力對(duì)照試驗(yàn)

1.4試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)過(guò)后，由于現(xiàn)實(shí)條件所限，筆者又嘗試將將車田里機(jī)動(dòng)渡改造成人力扯渡。即將2個(gè)升降立柱安裝在船艏，因?yàn)榇紴槔珙^形，與水面接觸面為流線形、夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于90度，水流通過(guò)時(shí)阻力小，不會(huì)產(chǎn)生壓力，相反還會(huì)產(chǎn)生一定的升力；船長(zhǎng)9米，船艏增加的立柱和渡工重量不會(huì)造成船艏的明顯傾斜。

將試驗(yàn)場(chǎng)地劃分為18個(gè)小區(qū)，并根據(jù)劃分小區(qū)的面積計(jì)算試驗(yàn)所需的秸稈量，把各小區(qū)土壤翻過(guò)后，將秸稈均勻添加入土壤中，并按照規(guī)定對(duì)各小區(qū)噴灑定量的水，在養(yǎng)護(hù)4 d以后，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)用環(huán)刀取樣，把環(huán)刀打入各小區(qū)土壤中，取樣的過(guò)程中盡量保持土樣不被破壞，將取好的土樣拿到剪切儀上進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1土壤裂縫與秸稈密度的關(guān)系

1～10號(hào)小區(qū)裂縫裂隙度如表3。從表3可以看出，每方素土中翻埋3 kg秸稈，裂縫裂隙度[8]就可減小97.6%，秸稈添加的少，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)土壤裂縫就發(fā)育明顯，隨著秸稈添加的增加，裂縫發(fā)育減少。

表3　裂縫裂隙度

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院土槽內(nèi)，土槽內(nèi)土壤平均質(zhì)量含水量為11.3%，土壤重度為15.3 kN·m-3，在土槽內(nèi)劃分好小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為20 cm×20 cm，翻埋深度按10 cm、灌水量按60 mm徑流深計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案將粉碎好的秸稈均勻翻埋于小區(qū)內(nèi)，統(tǒng)一翻埋10 cm深，灌水養(yǎng)護(hù)。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1和表2。

表4　一元線性回歸方差分析表

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

將試驗(yàn)土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)后,對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄并分析。量力環(huán)系數(shù)取值為1.782 kg·mm-2，垂直荷載為2.0 kg·cm-2，垂直應(yīng)力取200 kPa，試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表5一元線性回歸參數(shù)估計(jì)及其t預(yù)測(cè)

Table 5Simple linear regression parameter estimates and their t forecast

變量Variable參數(shù)估計(jì)Parameterestimation自由度Freedomdegree標(biāo)準(zhǔn)誤Standarderrort值tvaluePr>t回歸截距Regressionintercept0.0039610.00123.29<0.0001回歸系數(shù)Regressioncoefficient-0.00059810.000225-2.65<0.0001

表6　試驗(yàn)結(jié)果

1.3測(cè)試儀器

針對(duì)風(fēng)景園林工程中的諸多施工要點(diǎn)來(lái)講，最為基礎(chǔ)性的工作就是做好建造地形的施工，因?yàn)檎w的造價(jià)成本較高，因此一定要從多角度多方位全面確保測(cè)算的精準(zhǔn)性，盡量將數(shù)據(jù)誤差控制在合理范圍內(nèi)，避免后期施工的重復(fù)循環(huán)返工，還要注重結(jié)合工程長(zhǎng)期以來(lái)的綜合效果進(jìn)行施工。

y=50.16+2.15x。

表7　一元線性回歸方差分析表

從回歸分析表7和表8看出，回歸模型顯著檢驗(yàn)概率P<0.000 1,決定系數(shù)達(dá)0.088 81，說(shuō)明模型檢驗(yàn)極顯著并具有較高的擬合精度，土壤的抗剪強(qiáng)度顯著的決定于秸稈密度，隨著秸稈密度的增加

表8一元線性回歸參數(shù)估計(jì)及其t預(yù)測(cè)

Table 8Simple linear regression parameter estimates and their t forecast

變量Variable參數(shù)估計(jì)Parameterestimation自由度Freedomdegree標(biāo)準(zhǔn)誤Standarderrort值tvaluePr>t回歸截距Regressionintercept50.1611.4434.72<0.0001回歸系數(shù)Regressioncoefficient2.1510.277.98<0.0001

土壤的抗剪強(qiáng)度也呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明秸稈在土壤里面能夠顯著增加土壤的抗剪強(qiáng)度，但是具體是增加黏聚力還是增加內(nèi)摩擦角還需要進(jìn)一步研究。

2.3有無(wú)秸稈土樣剪切力與垂直應(yīng)力關(guān)系分析

觀察組的護(hù)理理論知識(shí)得分（91.43±1.16）分，臨床護(hù)理技能操作評(píng)分（89.25±2.33）分，均高于對(duì)照組理論知識(shí)得分（77.65±5.24）分，臨床護(hù)理技能操作評(píng)分（70.84±3.19）分，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表1。

將樣品破壞時(shí)的剪應(yīng)力與試驗(yàn)中測(cè)定的樣品抗剪強(qiáng)度值與荷載值記錄并列入表中，得到垂直應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系表。用Excel軟件分析垂直應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果如表9。

理想狀態(tài)下，不考慮測(cè)量誤差，分別采用非線性化模型和線性化模型進(jìn)行并聯(lián)調(diào)姿托架的結(jié)構(gòu)誤差辨識(shí)；實(shí)際測(cè)量時(shí)，不可避免地存在測(cè)量誤差，因此，對(duì)托架位置各元素隨機(jī)施加微小擾動(dòng)，擾動(dòng)最大值為激光跟蹤儀的測(cè)量精度0.01 mm，再次利用兩種模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)誤差辨識(shí)，觀察測(cè)量測(cè)量誤差對(duì)辨識(shí)結(jié)果的影響。

總生煙量表示材料單位面積燃燒時(shí)的累積生煙總量，從圖3可知，鋰離子電池的隔膜產(chǎn)生的煙氣量最多，而且在燃燒前期就迅速達(dá)到峰值，而正極、負(fù)極的燃燒產(chǎn)生的煙氣量相對(duì)較小，煙氣產(chǎn)生速度也相對(duì)較為緩慢。

表9　垂直應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

從表9可以看出，11～14小區(qū)為添加了秸稈的小區(qū)，土樣的黏聚力為4.455，內(nèi)摩擦角為0.299 4，從15到18小區(qū)為素土土樣，土樣的黏聚力為0.885，內(nèi)摩擦角為0.281 6，添加秸稈可以極大地增加土壤的黏聚力。以垂直應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制τ-φ關(guān)系曲線,如圖1。

圖1　有無(wú)秸稈剪切應(yīng)力對(duì)比圖 Fig.1　Shear strees with or without straw comparsion chart

由圖1可見(jiàn),有無(wú)秸桿土樣的剪切應(yīng)力曲線均為近似傾斜直線,且兩直線斜率基本相同,添加秸桿土樣剪切應(yīng)力值均大于未添加秸桿土樣,表明秸桿提高了附加內(nèi)聚力ΔC，使添加秸桿土體的抗剪強(qiáng)度曲線位于無(wú)秸桿曲線的上方。

通過(guò)對(duì)土壤裂縫發(fā)育機(jī)理分析看出，土壤遇水膨脹和失水收縮是土壤裂縫產(chǎn)生的重要原因,秸稈抑制裂縫的機(jī)理一是秸稈的生物學(xué)作用，二是秸稈的力學(xué)機(jī)理。有麥秸土體和無(wú)麥秸土體相比，由于麥秸間的交織作用，形成土和麥秸的復(fù)合體,在土壤水的粘附作用下，麥秸與土壤緊緊地粘附在一起，增加了土壤的黏聚力ΔC,抵消了土壤的收縮力，從而抑制了土壤裂縫的形成。

綜上所述，腦卒中患者在常規(guī)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上，給予低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激聯(lián)合肌電生物反饋治療，三者聯(lián)合治療可以持久地降低肢體痙攣，提高患者肢體運(yùn)動(dòng)功能，為腦卒中患者提供了有效的治療方式。

3討論與結(jié)論

本試驗(yàn)為以后秸稈抑制土壤開(kāi)裂的研究提供了基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：通過(guò)裂縫裂隙度和秸稈密度的回歸方程得知,秸稈密度增加,裂隙度減??；由添加秸稈小區(qū)和未添加秸稈小區(qū)對(duì)比可知，添加秸稈區(qū)的裂縫寬度要明顯小于未添加區(qū)，

表明添加秸稈可以抑制裂縫發(fā)展；取添加不同量秸稈小區(qū)的土樣在直剪儀上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果可知隨添加秸稈量的增加，土壤的剪切應(yīng)力和土樣粘聚力也在增加；通過(guò)添加秸稈，提高了土壤剪切應(yīng)力和土壤粘聚力，因而可以抑制裂縫開(kāi)展。

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可是紛紛揚(yáng)揚(yáng)的花瓣雨從天而下，并不是給他們來(lái)當(dāng)宵夜的，少年們很快就嘗到了香艷粉膩的溫柔鄉(xiāng)的苦頭。他們的舌頭與臉龐，并沒(méi)有分辨出來(lái)，花瓣的種類與疏密，色澤與氣味，其實(shí)在與空中震動(dòng)的聲響呼應(yīng)。

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(編輯：馬榮博)