南疆沙土摩擦學特征研究＊

姚強，郭展宏

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆地貌可簡單概括為“三山夾兩盆”，從北至南分別是阿爾泰山脈、準噶爾盆地、天山山脈、塔里木盆地、昆侖山脈，天山以北簡稱“北疆”，天山以南簡稱“南疆”。南疆屬于典型溫帶大陸性氣候，蒸發量大，降水量少，多年年均降水量為170.6 mm。南疆中部為塔里木盆地，塔里木盆地中部為塔克拉瑪干沙漠，沙漠面積約占盆地面積的3/5。塔里木河為中國最長的內陸河，貫穿塔里木盆地，水源主要是冰雪融水，也是南疆主要灌溉用水來源[1]。

南疆農業依托水源發展，屬于典型的綠洲農業類型，農業區主要分布于天山南麓與塔里木盆地之間。南疆緯度高，年均日照時間長，晝夜溫差大，有利于農作物進行光合作用以及糖分積累，適宜干果類作物的生長，是中國主要的高品質農業生產地。南疆土壤含水量低，作物生長依賴灌溉澆水，長此以往，土壤下層鹽分向地表析出，造成地表土壤板結。對此，在作物耕作前的耕地作業至關重要[2]。

耕地作業時改良土壤結構是保證農作物正常生長的重要一環。但農業機械觸土部件在耕作中會受到土壤的摩擦磨損、沖擊和腐蝕，觸土部件的磨損形式以二體磨料磨損為主，即在部件表面由外界磨?；蛘咦陨韯兟漕w粒沿切向或垂直運動造成的材料損失[3]。在耕作時的摩擦副中，觸土部件為人造物，各方面因素較易掌控。土壤是在自然和人為等成土因素復雜的相互作用下形成的[4]，成分復雜，其中包括各種固相、氣相、液相物質，在實際耕作中各種物質相互耦合作用，對觸土部件造成難以預估的磨損，且各地區實際磨損情況皆有不同。南疆地區土壤含沙量高，多年來隨著對沙漠向耕地的改造，觸土部件在沙土中磨損現象始終伴隨且逐漸增多。故針對南疆沙土的摩擦學研究具有重大意義，可為含沙量高環境中的機械部件摩擦磨損研究提供理論基礎。

本研究針對農業機械觸土部件在南疆沙土中的磨損問題，提出了基于摩擦學的耕地沙土分析法，對土壤含水率、沙粒硬度、pH 值、鹽分進行測定，并對不同粒徑顆粒進行觀測拍照，使用MATLAB 的圖像處理，獲得圖像顆粒數與顆粒面積，從而總結出南疆沙土的基本特征。

1 樣品采集和分析方法

本研究采用阿拉爾周邊團場耕地土壤樣品，取樣點靠近塔克拉瑪干沙漠，是近年來由沙漠改造成的耕地，土壤含沙量高。使用五點采樣法，設置一塊耕地4 個頂點與對角線交點為取樣點，從地表開始每隔10 cm 深度取樣，分別取0～60 cm 不同深度的土樣，每個耕深取3 個誤差土樣，共取90 個土樣，每個土樣質量在100～200 g。

常用的室內土壤含水率測定方法有烘干法、酒精燃燒法、比重法、碳化鈣氣壓法。本研究參考GB 7833—87，使用遠紅外快速干燥箱YHG-500-BS，設定溫度為105 ℃，將土樣烘干至恒重。在此溫度下土樣有機質不會因受熱而產生熱裂解，但有機質與礦物質中的自由水、結晶水會被全部排出，該方法適用于黏質土、粉質土、沙質土、沙礫土、有機質土和凍土類的含水率測定。

本研究參考行業標準JC/T 872—2019 、 JG/T 463—2014，使用刻痕法對沙粒硬度進行測量。沙粒硬度指標為莫氏硬度，又譯為摩氏硬度，指利用礦物之間相對刻劃硬度來劃分礦物硬度的標準，該標準是1812 年由德國礦物學家腓特烈·摩斯提出的。

土壤pH 值由土壤溶液中的氫離子和氫氧根離子質量濃度決定。常用的土壤pH 值測定方法有電位法、比色法。本研究參考GB 7859—87，使用精密pH 值試紙，對土壤pH 值進行測定。取少許土壤搗碎后放在白色瓷盤中，滴入幾滴土壤混合指示劑，直至土壤全部濕潤，且有少量剩余，搖晃瓷盤，使指示劑與土壤充分作用，靜置1 min，和標準比色卡比色，即得出土壤pH 值。

土壤鹽分是土壤中所有金屬或者銨根離子與酸根結合的化合物的質量占干土質量的百分數，主要成分是氯鹽、硫酸鹽、碳酸鹽。按溶于水的難易程度可分為易溶鹽、中溶鹽、難溶鹽。易溶鹽主要成分是氯化鈉、芒硝等，中溶鹽主要成分是石膏，難溶鹽主要成分是碳酸鈣等。土壤中鹽分，特別是易溶鹽的含量及類型對土的物理、水理、力學性質影響較大。本研究采用干殘渣質量法對總鹽進行測定，對土壤樣品加水浸泡，使用濾紙過濾不可溶的顆粒。利用坩堝和酒精燈，對土壤溶液加熱烘干，得到可溶鹽的質量。

常用的土壤顆粒分級方法有離心法、自然沉淀法、篩分法、庫爾特全自動顆粒粒徑分析、顯微鏡法、馬爾文激光粒度測量、顆粒計數器分析、電感應法[5-6]。本研究參考GB/T 21524—2008，使用標準土壤篩，選定篩徑規格為0～0.2 mm、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm、1.0～1.6 mm、1.6～2.5 mm、2.5 mm 以上，分離土壤顆粒。該方法可根據試驗需求，對篩徑進行選擇，分離所需粒徑準確且效率高。篩分完成后，通過稱重記錄下每層標準篩中顆粒質量，并由此求得不同粒徑顆粒的質量分數。

土壤顆粒分級結束后，使用放大倍數220 倍的光學顯微鏡對顆粒樣品進行拍照觀測。利用MATLAB 軟件實現對圖片中土壤顆粒計數與平均面積計算，首先，對圖片進行灰度和濾波處理，以提高圖片中土壤顆粒與背景的分辨率。其次，使用“Otsu” 方法對圖片進行分割，再將切割后的灰度圖轉換成二值圖，以便后期進行計數與面積計算。再次，獲取圖片中土壤顆粒像素點數量，計算得出土壤顆粒面積。調用函數獲得圖像數量，獲得土壤顆粒區域的長徑和短徑。最后，通過尋找土壤顆粒區域的重心數，即可統計出土壤顆粒的個數。調用函數用來存放每個黑色連通區域的面積，累加每個分割圖后計算出黑色區域的總面積。計算顆?？偯娣e與上述顆粒數的比值，即可獲得土壤顆粒的平均大小，對土壤顆粒進行大小評估。

2 結果分析

取5 個取樣點在不同深度的含水率、pH 值、鹽分的平均值，如表1 所示。所采土樣總體含水率范圍在0.56%～17.93%，土壤表層因日照強烈，含水量極低，但隨深度的增加，含水率增加，且不同深度含水量差距較大，可見南疆沙土保水性差，水分難靠土壤自身吸水性向地表運動，使得南疆農業用水以灌溉為主。土壤含水率將影響土壤粘附力，隨土壤中含水率在豎直方向的變化，農業機械觸土部件在豎直方向的被粘附情況也不相同。所采土樣pH 值范圍在6. 9 ～7.8，采樣點耕地土壤為偏向中性、弱堿性土壤，且各取樣點隨深度增加，pH 值變化不大。所采土樣鹽分含量范圍在0.10～0.25 g/kg，隨深度的變化，鹽分含量減小，可見由長期農業灌溉澆水，鹽分因質量濃度差向上析出，造成地表鹽分累積，加重地表鹽堿化。地表水分受日照蒸發，鹽分結晶，造成土壤板結，增加土壤堅實度，使得耕作時農業機械觸土部件受到的摩擦阻力增加，加劇部件磨損。

表1 各深度土壤含水率、pH 值、鹽分平均值

取5 個取樣點在不同深度的土壤不同粒徑的平均質量占比百分數，如表2 所示。在各取樣點同一深度的同一粒徑范圍的土壤顆粒質量占比大致相同，粒徑在0.2 mm 以下的顆粒質量占比為84.51%～87.20 %，粒徑在0.2～2.5 mm 的顆粒質量占比為12.28%～15.49%，粒徑2.5 mm 以上的顆粒質量占比為4.12%～6.82%。土壤含沙量較高，說明土壤風化程度高，土壤發育微弱。

表2 各深度土壤粒徑質量占比值單位：%

對不同粒徑的土壤顆粒特征進行觀測拍照，如圖1所示。粒徑在0.6 mm 以下的土壤顆粒為單粒沙粒，形狀不規則，且有尖銳棱角。粒徑在0.6～2.5 mm 的土壤顆粒為土壤團聚體，由尺寸差距較大的沙粒與有機質組成，有機質主要由農作物殘茬與動物、微生物殘體組成，且隨土壤團聚體粒徑增加，有機質組成越復雜，尺寸差別越大。粒徑在2.5 mm 以上的土壤顆粒為土塊和農作物殘茬，尺寸差距較大，在本研究不進行尺寸測定。

測得土壤為沙質土壤，相關研究表明，在大田實驗中沙土對農業機械觸土部件的磨損最為嚴重[7]。對單粒沙粒使用刻痕法，測量沙粒硬度。其原理為：在試樣表面用已知不同硬度的標準礦石刻劃，硬度從低到高，當試樣表面剛到不能產生明顯劃痕時，以標準礦石的硬度值作為試樣的莫氏硬度值。測得沙粒的莫式硬度為7 級，硬度較高，與石英硬度相當。

通過MATLAB 軟件平臺對土壤顆粒圖片進行預處理。依次進行灰度化、中值濾波處理，利用“Otsu”方法調用graythresh 函數，獲得最佳閾值，進行全局閾值分割處理。經函數im2bw 將灰度圖轉化為二值圖，取反后，可進行土壤顆粒個數和面積計算。首先調用函數bwlabel 計算二值圖中圖像矩陣的連通區域個數，其次調用函數Area 計算出每個連通區域中像素個數。通過調用函數num=size(area)統計像素總數。函數answer(1,1:num(2))=area(1:end)用來存放每個黑色連通區域的面積，函數cumsum(answer)累加其中數組中的值計算出黑色區域的總面積。為得到圖片中土壤顆粒的個數，系統識別圖片中調用函數bwlabel 將圖像連通圖的數量賦給矩陣L，regionprops(L)來測量標注矩陣中每個標注區域的屬性，返回每個標注區域長度的值賦給數組stats，調用函數Centroid 得到每個區域的重心，根據統計每個連通圖的重心數。

在一張圖片上對粒徑較小的土壤顆?？梢淮芜M行多顆測量，但在粒徑較大的土壤顆粒中，一次進行單顆測量，如圖1 所示。本研究對每個粒徑區間觀測5 個土壤顆粒，獲取總面積、顆粒數量及土壤顆粒平均面積，總面積除以顆粒數量，以獲取不同粒徑區間土壤顆粒的平均面積，實現對土壤顆粒的參數化表征。

具體實現方法為：

%%清除所有數據

clear;close all;

Ⅰ=imread('e:1.jpg'); %讀入原彩色圖片

Ⅰ1=rgb2gray();%將彩色圖像轉換為灰度圖像

Ⅰ2=medfilt2(Ⅰ1);%對灰度圖像進行3×3 鄰域的二維中值濾波

level=graythresh(Ⅰ2);%尋找灰度圖像的最佳閾值

Ⅰ3=im2bw(Ⅰ2，level);%"Otsu"法閾值分割圖像，并進行二值化處理

Ⅰ3=1-Ⅰ3;%對二值化圖像進行取反

L=bwlabel(Ⅰ3，8);%尋找二值圖中矩陣的連通區域，計算圖像內顆粒的總面積

sta=regionprops(L，'Area'，'BoundingBox');

area=[sta.Area];%記錄圖中像素的個數。

boundingBox=[sta.BoundingBox];

num= size(area);%記錄像素總數

answer(1，1:num(2))=area(1:end);

p=cumsum(answer);%計算連通區域總面積。

hold on;

str=sprintf('顆?？偯娣e為%d ':p(end));

[L，n]=bwlabel(Ⅰ3，8);%計算圖片中顆粒數。

stats=regionprops(L);

Cen=cat(1 ，stats.Centroid);%計算連通區域的重心個數。

hold on;

plot(Cen(:，1 )，Cen(:，2)，'r+');

str= sprintf('土壤顆粒共有%d 顆';n);

num=p(end);

str= sprintf('土壤顆粒平均面積為%d'，num/n);

對分級后不同粒徑區域的土壤顆粒進行觀測計算，獲得總面積、顆粒數、平均面積數據，結果如表3所示。

表3 各級別土壤顆粒處理后結果

3 討論

農業機械觸土部件的磨損主要由土壤磨料磨損造成，沙粒的粒徑、形狀、硬度對摩擦副的影響密切。但在耕作的同時，土壤中的其他成分對部件的磨損也有影響，土壤含水率影響土壤粘附阻力，pH 值的高低與鹽分含量決定部件遭受腐蝕程度。除此之外，農機的工況也影響觸土部件的磨損。

天然顆粒之間形狀與尺寸是極不規則的，難以區分顆粒之間的界限。使用MATLAB 軟件對土壤顆粒圖片進行處理與分析，可較好獲取土壤顆粒的參數，對土壤磨料進行參數化表征。但土壤顆粒之間難以避免粘連的情況，在進行圖像分割時難以保證準確率，在本研究中未對圖像分割開展詳細研究。試驗結果表明，在土壤顆粒未出現粘連的情況下，可較好判斷土壤顆粒數目及面積，對天然土壤顆粒進行參數表征。

4 結論

針對農業機械觸土部件在南疆沙土中的磨損問題，提出了基于摩擦學的耕地沙土分析法。采取田間不同耕深土樣，采用烘干法獲取土壤含水率，刻痕法測定沙粒硬度，比色法測定土壤pH 值，干殘渣質量法測定鹽分含量，篩分法分離土壤顆粒。使用MATLAB軟件對土壤顆粒的數目和面積進行參數化分析。從摩擦學的角度為研究農業機械觸土部件在南疆沙土環境中的適應性提供相關基本參數。