答辩博士：梁磊
指导老师：丁启朔教授
论文题目：稻麦轮作区深松的土壤扰动特性及后效应研究
答辩委员会：
主席：何瑞银教授/博导 皇冠集团游戏平台
委员：
薛金林教授/博导 皇冠集团游戏平台
周 俊教授/博导 皇冠集团游戏平台
吴崇友研究员 农业部南京农机化研究所
凌小燕研究员 农业部南京农机化研究所
秘书：
戴 芸助理研究员 皇冠集团游戏平台
答辩时间：2023年6月6日上午8点30分
答辩地点：浦口校区育贤楼C402
论文简介：
稻麦轮作是世界上广泛分布的种植制度，在亚洲分布高达2400万公顷，其中1050万公顷分布于中国长江流域。目前，可持续农业集约化是增加粮食产量和减缓气候变化的解决方案，然而，稻麦轮作系统正面临着一个可持续性问题是水稻移栽的土壤翻耕和打浆破坏土壤结构，导致土壤团聚体分散和压实。稻季的机械化打浆可以抑制杂草、减少水分渗透损失，利于水稻生产。然而，周年反复打浆造成土壤结构破坏并令耕层薄化，导致下茬作物播种困难，作物根系发育不良，且土壤从厌氧环境到好氧环境的反复切换所令土壤养分、化学和生物环境的变化对后茬小麦生长带来不利影响。随着机械化的发展，小农户生产模式下普遍的以旋代耕，加之周年多次田间机械作业造成土壤压实，多重因素叠加导致耕作层浅薄、土壤紧实、孔隙破坏，进而增加作物产量降低的风险。
深松作为保护性耕作的一种重要手段可以改善土壤结构，降低土壤强度，消除土壤压实在不翻动土壤的情况下疏松土壤，从而形成疏松而深厚的耕作层，改善土壤水分入渗，以促进作物根系生长，提高作物产量。目前深松技术已在中国北方旱作区广泛应用，然而在稻麦轮作区水稻土深松应用较少，因此本文在长期机械化作业的稻麦轮作（10年以上）地块开展深松试验，旨在为稻麦轮作区水稻土深松的耕作管理及深松技术的推广提供依据，同时也为高标准农田建设，创建优质耕层，改进耕作方式，提升耕地质量提供借鉴。
本文首先获取了稻麦轮作地块的土壤物理特征，其中包括土壤物理参数及土壤入渗特性。采用田间原位图像采集法研究了深松过程中土壤扰动及地表土壤开裂特征。深松作业结束后，获取了土壤紧实度扰动横截面和土壤扰动横截面，并结合深松过程中的扰动特性进行综合分析。为推动绿色深松技术，实现最小耕作能耗获取最大化土壤破碎的目标，提出了土壤耕作破碎能效指标，并基于田间土壤的深松碎土质量进行验证。接着采用SPH光滑粒子流体动力学的方法建立深松铲和土槽耦合模型进行仿真，从微观层面的土壤粒子运动解析宏观的土壤扰动情况。通过设置三种不同耕作处理，获取了小麦生长过程中土壤物理变化及最终的产量。本文的主要研究结果如下：
（1）系统测取了稻麦轮作地块的土壤随土层深度变化的容重、含水率，紧实度等参数特征，并通过对所得土壤物理指标的显著性检验实现土壤分层鉴别。然后为了获取不同土层深度土壤的入渗能力及保水作用，开挖出不同深度的入渗坑并在坑底进行入渗试验，研究不同坑底深度（坑深）土壤的入渗能力和入渗后各土层含水率的变化。结果表明，稻麦轮作地块的耕作层位于0～15 cm土深，该层土壤分布较多根系，土壤平均紧实度为1005.79 kPa，犁底层处于15～20 cm土深，土壤容重大，孔隙度小，平均紧实度为1910.73 kPa，犁底层紧实度约为耕作层的2倍。7个控制土层深度的初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速和累计入渗量均表现为随着入渗面深度递增，数值递减，其中0～15 cm坑深范围内平均的平均入渗速率和累计入渗量分别为20～30 cm的17.04倍和18.06倍，耕作层与耕作层以下的土壤入渗能力差异较大。通过对比初始含水率和渗透48 h后含水率的显著性得出，坑深小于15 cm入渗时，水分入渗深度均为距表土20 cm，而坑深大于等于15 cm入渗时，水分入渗深度均为坑底以下10 cm。
（2）深松试验在水稻收获后的原茬地进行，使用自制的田间原位综合测试台进行了深松试验，采用田间原位图像采集的方法，从5个方位同时记录深松过程，获取深松过程中土壤扰动及地表开裂特征，并从视频中提取了抬土长度，抬土宽度和抬土高度，以及深松过程中铲前土壤破碎的裂缝面积、长度、宽度和裂缝面积密度等指标，实现水稻土深松过程中土壤扰动行为进行参数化描述。结果表明，深松过程中土壤发生非对称失效，田间录像法提供的土壤扰动参数和土壤裂缝参数与耕作深度和深松铲入土角显著相关，并且在耕深为20 cm时，入土角为30°时，土壤剖面扰动效应最大。
（3）针对各深松处理，利用土壤紧实度仪获取了土壤扰动剖面的土壤紧实度变化和分布特征，使用自制针式轮廓测量仪获取了深松后土壤表面的隆起边界和深松沟的扰动边界，同时辅以耕作力和耕作比阻并结合深松过程中的土壤扰动特性进行综合分析。结果表明，深松的耕作深度和入土角对水稻土的耕作阻力和耕作比阻有显著影响。随着耕深的增加，耕作阻力和耕作比阻均增加。随着入土角的增加，耕作比阻和耕作力均增加，其中深松耕作阻力随深松铲的入土角增大而增大。对于不同耕深，随着耕深的增加，土壤扰动横截面积呈现“先增加后减少”的趋势，在耕作深度为20 cm时达到最大。当耕深大于20 cm时，扰动边界的底部形成“鼠道”。耕作深度为20 cm时，微地貌的地表平整度和平均土壤结构体直径达到最大值。对于不同入土角，随着入土角的增大，扰动横截面积同样是呈现“先增大再减小”的趋势，在30°入土角时达到最大，在60°入土角时最小。
（4）为了探究绿色深松作业技术以实现最小耕作能耗获取最大化土壤破碎的目标，提出了土壤耕作破碎能效指标，并基于田间土壤的深松碎土质量进行了验证。首先通过室内土壤破碎试验获得的比表面积破碎能，耕作后获得田间土壤破碎总面积，田间土壤破碎总面积主要包括大土块、小土块和深松沟的表面积，大土块表面积通过摄像法获取，小土块表面积通过筛分法获取，对于深松沟表面积，采用克隆粉浇筑深松沟，待克隆粉凝固后取出，获取了三维深松沟表面积。根据比表面积破碎能和田间土壤破碎面积计算田间土壤破碎能，在通过深松铲消耗的能量与田间土壤破碎能之比获取土壤耕作破碎效率。结果表明，比表面积破碎能随土壤深度的增加以指数性增长，田间土壤破碎总面积与耕作破碎能效随着耕作深度的增加均表现为“先增加后减小”，在耕深为20 cm时达到最大。
（5）为了从微观粒子的交互机制层面解析田间图像采集法及田间测试结果所反映出的土壤宏观扰动情况，采用SPH光滑粒子流体动力学的方法，建立了深松铲和土槽耦合的仿真粒子模型，通过分析不同耕深的耕作力、扰动过程、土壤粒子位移、土壤剖面的粒子场以及土壤扰动轮廓，从微观及应力层面的土壤粒子解析宏观的土壤扰动情况。结果表明，仿真获取的耕作力变化趋势与田间相同，随着耕深的增加，耕作力增加，但是仿真获取的耕作力均比田间实际耕作力变小7.77%、5.04%、3.16%、16.47%和18.71%，同时田间耕作力相比仿真耕作力波动幅度大。随时间变化的土壤扰动过程仿真与田间一致，均是在深松铲经过时土壤被抬起发生失效，深松铲经过后土壤回落，并形成垄沟。土壤的位移主要集中在铲尖上方的土壤粒子，应力主要集中在铲尖周围，速度和加速度场紧贴着在深松铲侧。不同耕深的仿真土壤扰动轮廓与田间扰动轮廓类似，且在耕深25和30 cm耕深的“鼠道”存在于扰动的最底部。通过观测不同耕深的深松土壤表面扰动区域得出，扰动范围在10~20 cm耕深时随耕深的增加而增加，在25和30 cm时扰动范围变小，扰动范围在耕深20 cm时达到最大。将扰动边界划分为扰动头边界、扰动中间边界和扰动尾边界三个部分，扰动头边界为深松铲正在抬起的土壤形成，近似圆形或椭圆形，扰动中间边界为深松铲经过后形成的边界，其边界宽度上下波动，扰动尾边界为深松铲初入土形成的边界，其宽度比中间宽度小。
（6）深松后效应是评价和优选耕作技术模式的最终决策环节和依据。为此，基于长期机械化作业的稻麦轮作地块开展了连续2年的3种耕作处理：免耕、常规旋耕和深松，通过监测小麦各个生长发育期内0~20 cm的土壤含水量、田间持水量和容重，并且采用剖面根点法获取小麦根系点在土壤剖面的分布情况，最后在成熟期获取小麦产量。结果表明，在2年中，与免耕和旋耕相比，深松增加了0~20 cm土深的土壤平均含水率、田间持水量，降低了土壤容重，这导致田间土壤的结构变好。深松加深了根系的生长空间，增加了0~40 cm土深中的总根点数。此外，与免耕和旋耕相比，深松显著提高每年的小麦产量。。
主要创新点如下：
（1）针对目前耕作与土壤入渗关系的研究主要集中在耕后土壤检测，展示耕后土壤剖面的入渗能力变化，并不能用来指导稻麦轮作地区的耕作深度，同时不同深度的土壤入渗过程鲜有研究，更未见到田间原位开挖不同深度的坑底入渗试验及相关报道。因此本文基于稻麦轮作地块开挖7个不同深度的入渗坑并在坑底进行入渗试验，然后渗透48 h分层测取土壤含水率，研究不同坑底深度（坑深）土壤的入渗能力。
（2）针对目前深松扰动效应研究多集中于耕后土壤扰动效应研究，本文基于田间图像采集的方法，深松过程中从5个方位同时记录深松扰动的过程，并从扰动录像中参数化扰动过程，提出了抬土长度，抬土宽度和抬土高度以及深松过程中俯视录像中提取了铲前土壤破碎的裂缝面积、裂缝长度和裂缝宽度等指标，将常用于评价表面的裂缝面积密度用于评价深松过程中的土壤开裂程度，最终对水稻土深松过程中土壤扰动行为进行定量化描述。通过分析耕后土壤扰动横截面发现，土壤扰动横截在耕深小于或等于 20 cm时，扰动边界的形状为“扇形”，当耕作深度大于20 cm时，扰动边界的底部形成“鼠道”。
（3）基于深松消耗的能量和土壤破碎吸收的能量提出土壤耕作破碎效率，并采用田间的不同耕深深松试验进行验证，其中为了获取三维深松沟的表面积，采用克隆粉浇筑深松沟，待克隆粉凝固后取出，获取了三维深松沟表面积。最终得出耕作破碎能效随着耕作深度的增加均表现为“先增加后减小”，在耕深为20 cm时达到了最大。
