深松技術與深松機具發展現狀

袁軍 王景立

摘要 保護性耕作是一種新型耕作方式，作為保護性耕作關鍵技術之一的土壤深松技術近來受到越來越多地重視，深松技術也得到不斷地推廣和發展。該文就近年國內外涌現出來的一大批新型深松機具及深松理論研究成果進行了總結與梳理，介紹了深松技術及其當前的發展狀態，分析了當前深松機具存在的一些問題，并就深松技術與深松機具發展方向進行了探討。

關鍵詞 保護性耕作;深松技術;深松機具

中圖分類號 S222.12+9 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）33-11978-02

作者簡介 袁軍（1985- ），男，江蘇宿遷人，碩士，助教，從事農業機械化工程研究。*通訊作者，教授，研究生導師，從事農業機械工程研究。

收稿日期 2014-10-09

1 保護性耕作技術

19世紀初，伴隨著歐洲工業技術革命的爆發，農用機械也得到了快速發展，大型農業機械應運而生，并得到廣泛地使用。然而正是由于農業機械的長期使用以及不合理的耕作方式使得土壤發生板結，同時犁底層的產生也使得地表徑流、水土流失越發嚴重（如圖1所示），農田肥力變得日趨衰竭，從而導致作物產量的逐年下降[1]。美國西部在20世紀30年代爆發了震驚世界的黑風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，從而達到環保和增產雙重目的。研究結果顯示以免耕播種技術、秸稈殘茬處理技術、雜草及病蟲害控制技術和土壤深松為主的保護性耕作技術體系能夠解決上述問題。因此保護性耕作技術被世界許多國家和地區認同和接受，并在各國的努力下得到迅速發展，成為“保護性農業”里的非常重要的一部分[2]。

圖1 農田中土壤侵蝕情況

在我國，正式開展保護性耕作制度研究也已有近40多年的歷史。近年來北方部分省、自治區、直轄市等30多個縣，在保護性耕作方面開展了大量的試驗研究與示范工作，并取得了一定的成果。研究結果顯示通過轉變傳統耕作方法，并大力發展保護性耕作技術，對于發展農業生產的條件和生態環境具有十分重要的意義。

2 土壤深松技術

土壤深松是保護性耕作中一項關鍵技術，它是通過拖拉機帶動深松機具行走，并通過深松鏟對土壤進行切削與疏松作業。由于深松機不翻土而只對土壤切削和松土，因此它不會破壞耕層植被和土壤的團粒結構，從而保持耕層土壤的層次和土壤的自我修復能力[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具作業產生的犁底層，加深耕作深度，形成上虛下實的耕層結構，從而促進植物根系的發育（如圖2所示），提高作物的產量;同時耕層結構的改善和耕層的增加還可以形成土壤小水庫，雨季的時候可以起到蓄水的目的，旱季的時候可以為禾苗提供生長所需水分，從而實現了土壤水分的自我調節，增強了田間土壤抗旱、排澇的能力，抗風蝕和水蝕的能力，從而抑制沙塵暴，減小環境污染;深松還可以增強土壤對熱量的吸收，空氣溫度低的時候還可以減小土壤的散熱性能，從而達到提升地表溫度的目的，據統計深松可以提高低溫約0.5～1 ℃。我國現有耕地約1億hm2，按平均耕深0.2 m，并以較小的土壤比阻值100 kN/m來計算，每耕翻一次至少需要消耗能量5.6×1010kWh，采用深松作業可以明顯降低農業機械耕作量和動土量，從而降低能量消耗，節省了作業成本。綜上所述推廣土壤深松技術，對促進農業生產的可持續發展具有巨大的生態效益、社會效益和經濟效益。

圖2 深松技術

3 深松技術及深松機具的國內外發展狀況

隨著土壤深松技術不斷地推廣和發展，土壤深松機具的研究也越來越受到重視，新的機具設計及其理論研究不斷推陳出新，涌現出了一大批有關新型深松機具及深松理論研究的報道，其中有很多值得學習和借鑒的地方。

3.1 國外深松技術及機具的研發現狀

國外深松技術及機具的研究開始于20世紀50年代，研究多注重關鍵部件及整機試驗的研究。歐美等西方國家在深松機具的研究上已經形成了相對完善的技術體系，以松土機具上分主要有擠壓式和振動式（圖3）。

圖3 擠壓式和振動式深松機具

20世紀80年代，Willians等人設計了彎腿犁，接著加拿大人Harrison 對彎腿犁進行了優化，設計彎腿犁的彎折角為45°，且具有15°的起土角，優化后的彎腿犁比鑿型齒在碎土和提高機具的入土性能方面都體現出良好的效果。

1983年，為了降低深松耕作阻力，德國人研制出了振動式深松機，雖然在深松鏟減阻方面成績顯著，降低牽引阻力約30%，但同時也加大了整體機具上能量的消耗，所以總體方面沒有達到降低能耗的目的。研究確定了振動式深松機在振幅R為20～25 mm，激振頻率f為2～3 Hz和鏟機速比λ為1.7～2.2時的新樣機參考數據。

1993年，日本人Sakai研制的4鏵振動深松機確定了振動深松機在齒尖振幅為50 mm、振動頻率3.4 Hz、振動角30°，機具牽引力可以減少40%，同時功率僅增加2%左右，體現了振動式深松機在節能減阻方面的優越性，但與此同時也提高了機具的復雜程度。

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

1995年，Larson和Clyma[5]在其論文中運用電滲技術對深松鏟進行減阻處理，結果顯示采用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，達到了減阻同時降低約32%能耗的目的。

約翰迪爾公司在其900 V型松土機的深松鏟柄上裝配了兩個側翼，使得機具在縱向深松的同時還能對耕層內的土壤進行橫向疏松，起到了雙向深松的目的。但是鏟子容易掛草，雜草多了會導致機具堵塞，機具通過性不好，同時會增加耕作阻力。

西德勞公司的懸掛式深松機把深松與加工鼠道相結合，機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，且鏟尖到鏟柄內側面的距離較長，因此該鏟柄具有良好的切削性能，深松效果好，不掛草。

3.2 國內深松技術及機具研發現狀

國內深松理論及機具研究始于20世紀70年代，并逐漸形成了自己的“深松耕作法”。近年來有關深松理論及深松機具的研究也逐漸增多，可見大家對深松及其保護性耕作的認識程度也在不斷深入。很多科研單位和農業院校對此作了大量的工作，目前深松技術和機具在我國生產實踐中得到了廣泛的應用和飛速發展。

2001年，邱立春[6]等在其論文《土壤——全方位深松機系統隨機振動研究》中建立了土壤——全方位深松機非線性系統模型，分析了系統振動減阻的復雜內共振機理。

2003年，周宙[7]在其論文《多功能振動式深松機的技術特點及應用效果》中闡述了振動式深松機的工作原理、結構設計、技術特點及田間作用效果。

2004年，吉林大學佟金教授發明了仿生減阻深松鏟，從仿生學的角度研究土壤與機具作用的深層機理，試驗結果達到了良好的減阻效果。

2005年，朱鳳武[8]在《金龜子形態分析及深松耕作部件仿生設計》一文中通過對金龜子的生物形態進行的研究，設計出了一款新型仿生深松鏟。

2006年，周玉乾[9]在其論文《深松鏟受力數學模型與計算機模擬》中分析了深松鏟耕作機理，建立了深松鏟切削土壤的受力數學模型，并在此基礎上對深松鏟結構參數進行了優化。

2007年，余泳昌[10]在其論文《立柱式深松鏟受力數學模型及試驗分析》一文中建立了立柱式深松鏟受力的數學模型，并對深松鏟的結構進行了優化。

2011年，徐天月[17]在其論文《SPSS的深松鏟結構運動參數最優化設計》中研制了6種拋物線形刃口形狀的深松鏟的結構，優化出了拋物線形深松鏟的最佳形狀，為研究和設計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的深松鏟結構分析及優化》中對普通深松鏟與弧形深松鏟進行了有限元靜力分析，通過修改深松鏟的結構參數對深松鏟進行優化設計。

4 結語

概括前人在深松技術及其機具方面的研究，可以看出：第一，研究多集中在深松鏟本身的結構參數，而對于土壤深松耕作系統中的土壤物理特性研究相對較少;第二，有的研究則是靜態分析，或是在某些假定條件下進行的，還不能完全模擬田間的工作狀態，其研究成果僅供參考借鑒;第三，在深松機械土壤動力學方面的研究，目前鮮有報道。

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一步研究;第二，減阻技術中多數從改善外部條件來對深松鏟進行改進，在深松鏟的減阻方面也起到了很好地作用，但同時也增加了機器結構的復雜性和成本;第三，研究成果多是從試驗結果所得，計算參數多是經驗值，因此不具有實用性。

綜上所述，今后在深松機具的研制上，還需要加大研究力度，應積極開展中試產品的研發，進行深松技術示范推廣，將深松鏟機具的研究成果真正轉化為生產力。

參考文獻

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[3] 朱鳳武，王景利，潘世強，等.土壤深松技術研究進展[J].吉林農業大學學報，2003，25（4）：457-461.

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[5] LARSON D L，CLYMA H E.Eleetro-osmosis effectiveness in re-ducing tillage draft force and energy requirements [J]. Transactions of the ASAE，1995，38（5）：1281-1288.

[6] 邱立春，李寶筏.土壤—全方位深松機系統隨機振動研究[J].農業工程學報，2001，17（3）：62-66.

[7] 周宙，司振江，孫彥君，等.多功能振動式深松機的技術特點及應用效果[J].黑龍江水利科技，2003，31（4）：71-72.

[8] 朱鳳武.金龜子形態分析及深松耕作部件仿生設計[D]. 長春：吉林大學，2005.

[9] 周玉乾. ?深松鏟受力數學模型與計算機模擬[D].鄭州：河南農業大學，2006.

[10] 余泳昌，劉文藝，趙迎芳，等. 立柱式深松鏟受力數學模型及試驗分析[J]. 農業工程學報，2007（6）：109-113.

[11] 徐天月，王景立. ?SPSS的深松鏟結構運動參數最優化設計[J]. 農業與技術， 2011（5）：26-31.

[12] 袁軍，王景立. ?基于Pro/E與ANSYS Workbench的深松鏟結構分析及優化[J]. 中國農機化，2012（5）：77-79.