袁軍 王景立

摘要 保護(hù)性耕作是一種新型耕作方式，作為保護(hù)性耕作關(guān)鍵技術(shù)之一的土壤深松技術(shù)近來(lái)受到越來(lái)越多地重視，深松技術(shù)也得到不斷地推廣和發(fā)展。該文就近年國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出來(lái)的一大批新型深松機(jī)具及深松理論研究成果進(jìn)行了總結(jié)與梳理，介紹了深松技術(shù)及其當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，分析了當(dāng)前深松機(jī)具存在的一些問(wèn)題，并就深松技術(shù)與深松機(jī)具發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 保護(hù)性耕作;深松技術(shù);深松機(jī)具

中圖分類號(hào) S222.12+9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）33-11978-02

作者簡(jiǎn)介 袁軍（1985- ），男，江蘇宿遷人，碩士，助教，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。*通訊作者，教授，研究生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究。

收稿日期 2014-10-09

1 保護(hù)性耕作技術(shù)

19世紀(jì)初，伴隨著歐洲工業(yè)技術(shù)革命的爆發(fā)，農(nóng)用機(jī)械也得到了快速發(fā)展，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛地使用。然而正是由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的長(zhǎng)期使用以及不合理的耕作方式使得土壤發(fā)生板結(jié)，同時(shí)犁底層的產(chǎn)生也使得地表徑流、水土流失越發(fā)嚴(yán)重（如圖1所示），農(nóng)田肥力變得日趨衰竭，從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量的逐年下降[1]。美國(guó)西部在20世紀(jì)30年代爆發(fā)了震驚世界的黑風(fēng)暴徹底吹醒了人們的頭腦，于是人們開始探尋新的耕作制度，從而達(dá)到環(huán)保和增產(chǎn)雙重目的。研究結(jié)果顯示以免耕播種技術(shù)、秸稈殘茬處理技術(shù)、雜草及病蟲害控制技術(shù)和土壤深松為主的保護(hù)性耕作技術(shù)體系能夠解決上述問(wèn)題。因此保護(hù)性耕作技術(shù)被世界許多國(guó)家和地區(qū)認(rèn)同和接受，并在各國(guó)的努力下得到迅速發(fā)展，成為“保護(hù)性農(nóng)業(yè)”里的非常重要的一部分[2]。

圖1 農(nóng)田中土壤侵蝕情況

在我國(guó)，正式開展保護(hù)性耕作制度研究也已有近40多年的歷史。近年來(lái)北方部分省、自治區(qū)、直轄市等30多個(gè)縣，在保護(hù)性耕作方面開展了大量的試驗(yàn)研究與示范工作，并取得了一定的成果。研究結(jié)果顯示通過(guò)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)耕作方法，并大力發(fā)展保護(hù)性耕作技術(shù)，對(duì)于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的條件和生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

2 土壤深松技術(shù)

土壤深松是保護(hù)性耕作中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它是通過(guò)拖拉機(jī)帶動(dòng)深松機(jī)具行走，并通過(guò)深松鏟對(duì)土壤進(jìn)行切削與疏松作業(yè)。由于深松機(jī)不翻土而只對(duì)土壤切削和松土，因此它不會(huì)破壞耕層植被和土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而保持耕層土壤的層次和土壤的自我修復(fù)能力[3]。深松的耕作深度一般在35～45 cm，因此它能夠有效地打破由于常年機(jī)具作業(yè)產(chǎn)生的犁底層，加深耕作深度，形成上虛下實(shí)的耕層結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)植物根系的發(fā)育（如圖2所示），提高作物的產(chǎn)量;同時(shí)耕層結(jié)構(gòu)的改善和耕層的增加還可以形成土壤小水庫(kù)，雨季的時(shí)候可以起到蓄水的目的，旱季的時(shí)候可以為禾苗提供生長(zhǎng)所需水分，從而實(shí)現(xiàn)了土壤水分的自我調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了田間土壤抗旱、排澇的能力，抗風(fēng)蝕和水蝕的能力，從而抑制沙塵暴，減小環(huán)境污染;深松還可以增強(qiáng)土壤對(duì)熱量的吸收，空氣溫度低的時(shí)候還可以減小土壤的散熱性能，從而達(dá)到提升地表溫度的目的，據(jù)統(tǒng)計(jì)深松可以提高低溫約0.5～1 ℃。我國(guó)現(xiàn)有耕地約1億hm2，按平均耕深0.2 m，并以較小的土壤比阻值100 kN/m來(lái)計(jì)算，每耕翻一次至少需要消耗能量5.6×1010kWh，采用深松作業(yè)可以明顯降低農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作量和動(dòng)土量，從而降低能量消耗，節(jié)省了作業(yè)成本。綜上所述推廣土壤深松技術(shù)，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有巨大的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 深松技術(shù)

3 深松技術(shù)及深松機(jī)具的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

隨著土壤深松技術(shù)不斷地推廣和發(fā)展，土壤深松機(jī)具的研究也越來(lái)越受到重視，新的機(jī)具設(shè)計(jì)及其理論研究不斷推陳出新，涌現(xiàn)出了一大批有關(guān)新型深松機(jī)具及深松理論研究的報(bào)道，其中有很多值得學(xué)習(xí)和借鑒的地方。

3.1 國(guó)外深松技術(shù)及機(jī)具的研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)外深松技術(shù)及機(jī)具的研究開始于20世紀(jì)50年代，研究多注重關(guān)鍵部件及整機(jī)試驗(yàn)的研究。歐美等西方國(guó)家在深松機(jī)具的研究上已經(jīng)形成了相對(duì)完善的技術(shù)體系，以松土機(jī)具上分主要有擠壓式和振動(dòng)式（圖3）。

圖3 擠壓式和振動(dòng)式深松機(jī)具

20世紀(jì)80年代，Willians等人設(shè)計(jì)了彎腿犁，接著加拿大人Harrison 對(duì)彎腿犁進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)彎腿犁的彎折角為45°，且具有15°的起土角，優(yōu)化后的彎腿犁比鑿型齒在碎土和提高機(jī)具的入土性能方面都體現(xiàn)出良好的效果。

1983年，為了降低深松耕作阻力，德國(guó)人研制出了振動(dòng)式深松機(jī)，雖然在深松鏟減阻方面成績(jī)顯著，降低牽引阻力約30%，但同時(shí)也加大了整體機(jī)具上能量的消耗，所以總體方面沒(méi)有達(dá)到降低能耗的目的。研究確定了振動(dòng)式深松機(jī)在振幅R為20～25 mm，激振頻率f為2～3 Hz和鏟機(jī)速比λ為1.7～2.2時(shí)的新樣機(jī)參考數(shù)據(jù)。

1993年，日本人Sakai研制的4鏵振動(dòng)深松機(jī)確定了振動(dòng)深松機(jī)在齒尖振幅為50 mm、振動(dòng)頻率3.4 Hz、振動(dòng)角30°，機(jī)具牽引力可以減少40%，同時(shí)功率僅增加2%左右，體現(xiàn)了振動(dòng)式深松機(jī)在節(jié)能減阻方面的優(yōu)越性，但與此同時(shí)也提高了機(jī)具的復(fù)雜程度。

1994年，Araya K[4]在其論文中描述，為減少減少耕作阻力，在深松過(guò)程中添加固體潤(rùn)滑劑的方法，結(jié)果顯示松土效果良好，但是減阻效果不明顯。

1995年，Larson和Clyma[5]在其論文中運(yùn)用電滲技術(shù)對(duì)深松鏟進(jìn)行減阻處理，結(jié)果顯示采用40 V的電壓，最大可減少39%的耕作阻力，用45 V的電壓在粘土中可減少11%的耕作阻力，達(dá)到了減阻同時(shí)降低約32%能耗的目的。

約翰迪爾公司在其900 V型松土機(jī)的深松鏟柄上裝配了兩個(gè)側(cè)翼，使得機(jī)具在縱向深松的同時(shí)還能對(duì)耕層內(nèi)的土壤進(jìn)行橫向疏松，起到了雙向深松的目的。但是鏟子容易掛草，雜草多了會(huì)導(dǎo)致機(jī)具堵塞，機(jī)具通過(guò)性不好，同時(shí)會(huì)增加耕作阻力。

西德勞公司的懸掛式深松機(jī)把深松與加工鼠道相結(jié)合，機(jī)具的深松鏟帶有暗溝器能直接加工出暗溝，深松鏟的鏟刃刃面為弧形，中間部位近似于直線，且鏟尖到鏟柄內(nèi)側(cè)面的距離較長(zhǎng)，因此該鏟柄具有良好的切削性能，深松效果好，不掛草。

3.2 國(guó)內(nèi)深松技術(shù)及機(jī)具研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)深松理論及機(jī)具研究始于20世紀(jì)70年代，并逐漸形成了自己的“深松耕作法”。近年來(lái)有關(guān)深松理論及深松機(jī)具的研究也逐漸增多，可見大家對(duì)深松及其保護(hù)性耕作的認(rèn)識(shí)程度也在不斷深入。很多科研單位和農(nóng)業(yè)院校對(duì)此作了大量的工作，目前深松技術(shù)和機(jī)具在我國(guó)生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用和飛速發(fā)展。

2001年，邱立春[6]等在其論文《土壤——全方位深松機(jī)系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)研究》中建立了土壤——全方位深松機(jī)非線性系統(tǒng)模型，分析了系統(tǒng)振動(dòng)減阻的復(fù)雜內(nèi)共振機(jī)理。

2003年，周宙[7]在其論文《多功能振動(dòng)式深松機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用效果》中闡述了振動(dòng)式深松機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)特點(diǎn)及田間作用效果。

2004年，吉林大學(xué)佟金教授發(fā)明了仿生減阻深松鏟，從仿生學(xué)的角度研究土壤與機(jī)具作用的深層機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了良好的減阻效果。

2005年，朱鳳武[8]在《金龜子形態(tài)分析及深松耕作部件仿生設(shè)計(jì)》一文中通過(guò)對(duì)金龜子的生物形態(tài)進(jìn)行的研究，設(shè)計(jì)出了一款新型仿生深松鏟。

2006年，周玉乾[9]在其論文《深松鏟受力數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)模擬》中分析了深松鏟耕作機(jī)理，建立了深松鏟切削土壤的受力數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

2007年，余泳昌[10]在其論文《立柱式深松鏟受力數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)分析》一文中建立了立柱式深松鏟受力的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)深松鏟的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

2011年，徐天月[17]在其論文《SPSS的深松鏟結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)》中研制了6種拋物線形刃口形狀的深松鏟的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化出了拋物線形深松鏟的最佳形狀，為研究和設(shè)計(jì)深松鏟提供了新的理論與研制方法。

2012年，袁軍[18]在其論文《基于Pro/E與ANSYS Workbench的深松鏟結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化》中對(duì)普通深松鏟與弧形深松鏟進(jìn)行了有限元靜力分析，通過(guò)修改深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)深松鏟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

概括前人在深松技術(shù)及其機(jī)具方面的研究，可以看出：第一，研究多集中在深松鏟本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而對(duì)于土壤深松耕作系統(tǒng)中的土壤物理特性研究相對(duì)較少;第二，有的研究則是靜態(tài)分析，或是在某些假定條件下進(jìn)行的，還不能完全模擬田間的工作狀態(tài)，其研究成果僅供參考借鑒;第三，在深松機(jī)械土壤動(dòng)力學(xué)方面的研究，目前鮮有報(bào)道。

從深松鏟方面的研究可以看出：第一，在深松鏟減阻方面的研究取得了很多成果，但是深松的阻力依然很大，所以這方面仍需作進(jìn)一步研究;第二，減阻技術(shù)中多數(shù)從改善外部條件來(lái)對(duì)深松鏟進(jìn)行改進(jìn)，在深松鏟的減阻方面也起到了很好地作用，但同時(shí)也增加了機(jī)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本;第三，研究成果多是從試驗(yàn)結(jié)果所得，計(jì)算參數(shù)多是經(jīng)驗(yàn)值，因此不具有實(shí)用性。

綜上所述，今后在深松機(jī)具的研制上，還需要加大研究力度，應(yīng)積極開展中試產(chǎn)品的研發(fā)，進(jìn)行深松技術(shù)示范推廣，將深松鏟機(jī)具的研究成果真正轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

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