保護性耕作條件下深松技術的國內外發展現狀

王志窮，王維新，李　霞，李文春，郭金龍，湯明軍，方　瑞

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子　832003；2.阿拉爾萬達農機有限公司，新疆 阿拉爾　843300；3.河南師范大學 外國語學院，河南 新鄉　453002)

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保護性耕作條件下深松技術的國內外發展現狀

王志窮1，王維新1，李霞1，李文春2，郭金龍1，湯明軍1，方瑞3

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子832003；2.阿拉爾萬達農機有限公司，新疆 阿拉爾843300；3.河南師范大學 外國語學院，河南 新鄉453002)

摘要：近年來，土地過度開墾致使土地沙漠化、干旱等自然災害問題越來越嚴重，因此提出了基于保護性耕作的深松技術。以深松技術代替鏵式犁翻耕，是利用深松機具的部件在土壤不被翻轉條件下疏松土壤、打破堅硬犁底層、加深耕作土層,以此來調節土壤3相(固、液、氣態)比,改善土壤內部結構,降低土壤被侵蝕度,提高土壤蓄水保墑的能力，達到高產、少耕、環保的目的，促進農業的可持續發展。為此，主要介紹了基于保護性耕作深松技術在國內外發展現狀 ，旨在為保護性耕作和深松機械的制造和發展提供一定的依據。

關鍵詞：保護性耕作；深松技術；可持續發展

0引言

自從新中國成立，特別是改革開放以來，隨著我國人口的急劇增長，對耕地糧的產量要求也在飛速增加。長期以來以鏵式犁耕作為主要的連續翻耕的傳統制度，隨著土地的利用時間增長和土壤熟化，導致土壤的顆粒結構遭到了嚴重的破壞，保墑能力下降;并且在耕層底部形成了堅硬的犁底層，導致地表徑流、水土流失越發嚴重,如圖1所示。同時，該現狀影響著作物根系的生長發育和土壤蓄水保墑的能力。尤其是當機具狀態差、作業水平低時，耕作層逐年變淺這一情況變的更為嚴重，從而使農田肥力變得日趨衰竭，一致導致作物的產量逐年下降[1]。

圖1　農田中土壤侵蝕情況

早在20世紀30年代初,美國西部地區發生一場特大暴風，常年干旱少雨、土壤貧瘠，以及細小的土壤和作物秸稈裸露在農田表面難以抵擋大風的襲擊,造成了成千上萬噸的地面表層土壤及作物被刮走,形成了遮天蔽日的沙塵風暴,釀成了震撼世界的“黑風暴”(即強沙塵暴)?！昂陲L暴”的到來引起了人們對傳統土地耕作方式的反思及對保護水土的新的方法的探索。美國農業科學家認為：傳統鏵式犁翻耕的耕作方法破壞了土壤的物理結構及地表植被,致使土壤降低了抵抗干旱及狂風天氣的能力。因此，經過研究創新逐步創建了以作物秸稈、殘茬覆蓋地表和以免耕播種為核心的深松免耕保護性耕作,基本解決了上述問題。因此，保護性耕作技術很快被世界許多國家和地區認同和接受，并在各國的共同努力下迅速發展，成為“保護性農業”里的非常重要的一部分[2]。

1保護性耕作的技術及其意義

1.1保護性耕作的技術

深松耕作技術是保護性耕作方式之一，與傳統的翻耕耕作方法大不相同。其實質就是改善表層土壤的物理結構，降低風蝕、水蝕和水土養分的流失，以此起到保護土壤流失的功能；亦可以減少對地表水分的蒸發，使作物能夠充分地利用水資源；也可以降低對勞動力、能源以及機械設備的投入，同時能夠提高生產效率，使農業發展達到低耗、高效、可持續發展的戰略目的[3-4]。目前，保護性耕作已成為世界上應用最廣、效果最好的一項旱作農業技術,越來越受到世界各國的關注[5]。

1.2保護性耕作的意義

長期以來，國內外專家經過反復的實踐證明，保護性耕作方法比傳統的翻耕耕作法具有明顯的優點：

1)減少大風導致的沙塵風揚天氣60%左右，有效抑制沙塵暴的發生，保護生態文明環境。

2)減少地表水土流失60%左右，保護可耕土地流失及地表肥力，同時有效減少河流湖泊渾濁。

3)有效改善耕地土壤物理特性，增加土壤肥力，提高有機質含量0.03% 。

4)有效提高玉米、小麥等農作物單位面積15%～17%的產量，具有增產作用。

5)土壤休閑期可增加貯水量14%～15%，水分的利用效率提高了17%～25%。

6)減少2～4道生產作業工序，節約人畜用工50%～60%。

7)提高經濟效益，收入增加20%～30%[6-8]。

保護性耕作是旱地作業農業機械化十分有效的方法。在國外，保護性耕作被定義為一種在作物收割完成后地表至少存留有 30%的作物殘茬覆蓋的耕作和種植模式[9-10]。與裸露的土壤相比，其土壤侵蝕至少可以減少50%。地表所保留的作物殘茬為土壤提供了植物營養源，提高了土壤有機質含量，并可大大減少對土壤水分的蒸發，從而增加了土壤的水分含量及水分的滲入率。保護性耕作模式不僅可以減少水土流失，改善作物生長的土壤環境，而且節約能源，減少農業的勞動力成本[11-12]。

2保護性耕作主要技術內容

2.1秸稈覆蓋技術

作物秸稈經機械作業處理后留在地表做覆蓋物覆蓋地表，不僅可以減少水分蒸發，而且可以提高降水利用率，根茬固土防風，減少風蝕。這樣既可以搶農時、搶積溫，還可以避免焚燒帶來的污染環境的問題。同時，作物秸稈殘茬腐爛后，還可增加土壤有機質含量、改善土壤結構、培肥地力[13]。

2.2化學除草技術

改傳統翻耕控制雜草方式為機械噴灑除草劑的化學除草方式，以此來控制雜草的產生。

2.3少耕免耕技術

利用免耕播種機在有秸稈殘茬覆蓋的地表直接進行開溝、播種、施肥、覆土及鎮壓等復式作業，減少了機具進地次數，降低能耗及成本。

2.4機械深松技術

機械深松技術是指利用深松機具對深層土壤進行疏松，加深耕層而不翻轉土壤，打破深層土壤因多年被農業機具碾壓而形成的犁底層，同時不會對土壤結構和地表植被造成破壞[14]。深松作業后，可以有效提高地表水分的滲入率，減少地表流徑和土壤水蝕，增強深層土壤的蓄水保墑能力，為農作物營造一個天然的水庫，以提高旱季農作物的抗旱能力，增加作物產量[15-17]。

3深松耕的作用和方式

深松耕作是指用松耕鏟或鑿形犁等松土工具疏松土壤而不翻轉土層的一種深耕方法，簡稱深松。深耕深度可達 20cm 以上，適用于經長期機械化鏵式犁翻耕作業后形成的犁底層、耕層有粘土硬盤或白漿層或土層厚而耕層薄不宜深翻的土地。

3.1深松耕的作用[18-19]

1)打破犁底層，改善土壤耕層結構。機械化深松作業可以打破連續多年翻耕形成的堅硬的犁底層，改善了耕地的物理性質，擴大“土壤水庫”容量，既有利于接收大量的“圣水”(雨水)、提高土壤的肥力和蓄水保墑的能力，又有利于利用鼠道進行排澇和作物根系的縱向生長發育，形成最適宜農作物生長發育的土壤結構。

2)提高水資源利用率。深松技術能夠打破多年翻耕形成的犁底層，有利于土壤表面水分向下滲透，從而減少地面水資源流失；土壤之中的水分可以實現自身調解，大量儲蓄自然降水，形成天然的地下水庫；底層土壤貯存水分的大量增加，有利于下一年雨季到來之前的抗旱。同時，深松技術可以對降水情況與農作物生長發育的不同步起到調節作用，雨水季節將多余的雨水儲蓄起來，干旱時期作物根系通過毛細管吸收地下水庫貯存的水，可以有效緩解旱情。

3)提高土壤有機質含量。深松能夠打破連續多年翻耕形成的堅硬的犁底層，改善上下層土壤的透氣性及土壤之中固、液、氣的三項比，協調土壤上下層固、液、氣三項比，使作物更有利于生長。同時，深松技術能夠促進農作物根系的生長發育以及更有效地、充分地吸收土壤之中的養分?？梢?，深松技術能夠提高水土資源的利用率，疏松20～40cm的土壤，使農作物根系的密集區向下移動，從而作物根系的殘體大大增加，為土壤中微生物的生存提供更有利的條件；可使底層土壤產生厭氣性的環境，大大增強了腐殖化的合成，提高了土壤之中的有機質含量，具有“培肥養地”的作用。

4)有利于作物根系的生長發育。深松技術增加了土壤疏松的耕作層，降低了耕作層土壤的密度，增加了土壤之間的孔隙度，同時提高了土壤的通氣性。通氣性的提高促進了土壤中好氣性微生物的生長活動，使土壤中好氣性微生物增多并向下發展移動，擴大了活動范圍；深松整地有效降低了對土壤顆粒結構和毛細管的破壞，提高了土壤中膠體因子的形成，增加了土壤中膠體負離子的含量，可以吸附更多的氨根離子以供農作物吸收利用，加快了作物的根系向下生長發育，促進農作物早熟高產。

5)提高抗災能力。深松整地作業打破了多年翻耕形成的犁底層，加深了土壤耕作層的疏松，使農作物根系向下生長，從而能夠吸收土壤中更多的水分和養分，促進作物根系生長發達，提高了抗倒伏的能力。深松整地作業能夠改善土壤的物理特性，協調土壤中的氣、肥、水、熱之間的比例，增強耕地抗旱、抗澇和排澇的能力；同時，能提高地表溫度，加快農作物根系的生長發育，防止農作物早衰，增加農作物產量，并促進農作物早熟。經測量，深耕耕層深度每加1cm，1hm2土壤就可多容納60t水，土壤耕深15cm 處的含水量就增加3%，20cm 處的含水量就增加6%。

6)增加土壤的熱容量。深松作業技術打破了連續多年同一深度耕作而形成的較堅硬的犁底層，加深了土壤耕作層，消除了堅硬的障礙層，改善了土壤上下之間的透氣性；增加了通氣孔的密度，隨之導熱性也跟著增強，土壤的溫度也會相應的有所提高，通常情況下，土壤的溫度可提高0.5～l℃，成熟期可提前7～8天。

7)降低破壞土壤的程度。傳統機械整地耕作對耕地土壤有一定的破壞性，機械進地次數越多，對土壤的破壞性就越大。利用深松聯合機械進行作業，可以減少機組進地次數，不但可以降低土壤的動土量、保護土壤的顆粒結構，而且能夠避免土壤顆粒向沙化轉變，降低機器的燃油量和機械整地作業的費用。

3.2深松方式

機械化深松技術按作業的性質可分為全方位深松技術和局部深松技術兩種作業方式。

3.2.1全方位深松

全方位深松技術是利用深松鏟進行全面松土并打破堅硬犁底層的作業，在土壤中切成梯形的截面土垡之后鋪放回田中，創造出“上虛下實、左右松緊相間隔，以及緊層下部擁有鼠道”的有利于作物生長的結構土壤層( 見圖 2) ，而且還能夠提高土壤的通水透氣、儲蓄雨水的能力，改善土壤耕層的特性; 但全方位深松作業對土壤耕動量較大，耕作之后土壤中水分的蒸發量較大[20-21]，且需較大的動力輸出。

全方位深松機的深松鏟(見圖3)主要是由側刀、左右相互對稱的連接板和1個底刀組成的梯形機架。作業時，土壤會受到拉伸、彎曲、剪切等作用力，從而促使土壤松碎[22]，但深松鏟側邊及底部的土壤不會受到擠壓。全方位深松機的深松范圍較大、碎土性能較好，并能保持地表秸稈、殘渣的覆蓋，可降低土壤的風蝕、水蝕和跑墑[23 - 24]。耕種不同的作物及在不同的土壤環境下，耕作時也會有相應的差異?？傮w來說，深松深度一般為35～50cm，在播種之前先進行秸稈處理，作業時深松深度要一致，不應出現漏松或重復現象。當天氣特別干旱時，可進行造墑、保墑處理，根據耕作土壤的條件和機具的進地次數，一般情況下，2～4年深松一次[25]。

圖2　全方位深松土壤結構

圖3　全方位深松鏟

3.2.2局部深松

局部深松(即行間深松)是利用立柱式深松鏟進行間隔松土作業，松土區域與不松土區域相互間隔，使耕層土壤虛實共存(見圖4)，并且深松鏟能夠打破堅硬犁底層，增加土壤的蓄水能力。深松耕作的幅寬和深度可根據實際需要進行調節，且所需動力輸出比全方位深松小[26]。

圖4　局部深松

該深松機具不僅通過性能較好，而且對動土量相對較少，但工作后的地面凸凹不平；深松部位土壤中留有豎直的松土溝槽，對后續作業及作物生長存有一定的影響，并使土壤中水分的蒸發加劇[27]，造成不必要的浪費。同時，當地表秸稈的覆蓋量較大時，由于各深松鏟之間的間距較小，機具會產生擁堵現象。根據耕作的土壤條件和機具的進地次數，一般2～4年采用帶翼形鏟或鑿形鏟式的深松機具作業1次。

4深松機在國內外發展的現狀

深松機具根據不同的標準可以分為多種類型：①根據深松范圍進行分類，可以分為全方位深松機和局部深松機；②根據項目數量進行分類，可以分為深松聯合作業一體機和單一深松機；③根據工作方式進行分類，可以分為振動式深松機和機械式；④根據作業機具結構原理分類，可以分為翼鏟式、鑿式及鵝掌式等[28]。

4.1國外深松機發展現狀

20世紀30年代，美國、西歐等西方發達國家就已經開始對深松技術進行研究和應用。目前，美國、西歐、日本等發達國家研究的深松機具已經相當的完善，不僅根據不同的需要研制出了多種深松機具，而且已經形成了系列。深松機具的松土方式主要有震動式松土和擠壓式松土兩種類型[29-30]。其主要與大功率拖拉機相配套使用，具有深松的耕幅和耕深范圍大、深松速度快及作業質量好等優點。主要產品有：

1)OPICO公司生產的HE-VA型深松機，采用鑿型式松耕鏟，耕幅范圍為2.5～4m。該機具在鏟柄座上加裝有安全銷，在耕作的過程中機具如果遇到樹根、石塊等堅硬的物體時，深松鏟柄將會切斷安全銷，從而可以防止障礙物對松耕鏟的破壞。

2)約翰迪爾公司生產的915V型深松機。該機機架為V字型，松耕鏟采用翼鏟式，可以安裝5、7、9、11、13個深松鏟進行深松作業，可以實現全面深松和間隔深松。帶翼鏟的柱式深松機的鏟柄的強度較高，在鏟柄左右兩側分別安裝略斜向上翹的翼鏟。翼鏟和鏟尖采用螺栓連接，被磨損時均可更換；鏟尖在深入土壤進行作業時，大約以45°的方向斜向上疏松土壤；同時，翼鏟也大約以45°的方向斜向上疏松土壤。各鏟體之間的間距可以根據鏟體數目的多少來進行控制，進而可以實現全面深松和間隔深松。耕作之后，表層土壤較疏松，松土質量較好，秸稈覆蓋率較高，松后地表較平整。該機具最大耕深能達584 mm，需與330.8kW以上拖拉機配備使用。

3)日本川邊農研研發的SVS—60型多功能振動深松機。該機具處于世界先進領先水平，是日本獨自生產研發的專利產品，在國內仍無同類產品。該機具結構簡單、緊湊，便易安裝，成本較低，功能較多且節約能源；最大入土深度可達70cm；主要由振動源、萬向軸、減振器、機架及松耕鏟等組成。其主要技術為L形松耕鏟和振動源。該機具主要用于多年連續機械耕作形成的堅硬犁底層、粘性的土質、改良底濕等農田；解決斜坡、丘陵等耕地水平位置相差較大的保水、保肥、保土的問題，能夠促使土壤水庫容量增加；促進果園、牧場等多年生植物的新根系生長延伸，對于有礫石的土壤，其他機械不適應的地方能夠發揮其真正的威力所在；同時能夠疏松土壤，形成的鼠洞能夠排水并儲存，收獲中藥材及根菜類作物等。

4.2國內發展現狀

我國從20世紀60年代初開始進行相應的研究，多個高校、研究院所及生產企業等做了大量工作，在深松機具的設計和生產方面取得進展。與國外的機型相比，國內的機型更小型化，多以聯合作業機為主，并且品種參差不齊，沒有形成一定的標準化，只適合局部地區作業使用，但更符合我國目前耕地地塊面積小、環境差異較大的土地耕作狀況。同時，我國研制的深松機具比國外的質量較輕，價格更低。更受用戶的歡迎。主要產品有：

1)中機美諾科技股份有限公司設計生產的2306全方位聯合深松機。該機適用于平原、丘陵輕壤、中壤、重壤及粘土等農田耕整和中低產田改造已耕地深松作業，可與92kW以上拖拉機配套使用，作業幅寬2 000mm，鏟間距小于等330mm，深松深度達到300～500mm，松耕鏟刃部硬度深松深度穩定性達到80%以上。其主要采用加強型三點懸掛機構，與動力連接牢靠、掛接方便、使用壽命長；采用鑿形鏟翼式松土器，左(右)側翼鏟、鏟尖及刀片均可單獨更換，保養維護簡單、方便；采用前、后兩組碎土輥，碎土效果好，具有作業效率高等特點。

2)由中國農業大學保護性耕作研究中心研制開發、山西旋耕機廠生產的鑿型鏟式深松機，如圖 5所示。該機的主要具體技術參數如下：

配套動力/kW：47.8～58.8

作業幅寬/cm：200

工作速度/km·h-1：4～6

生產率/hm2·h-1：0.52～0.78

該機具的松土鏟采用鑿形鏟式，實質是一巨型斷面的鏟柄延長，下部按照一定的半徑進行彎曲，鏟尖采用鑿形式，鑿形鏟的寬度設計為20cm。深松的耕作寬度由鏟尖行進過程中產生的扇形松土范圍來確定，對耕層土壤的攪動量較少，機具耕作深度可達20～40cm，且不翻動上下層土壤。該機具深松后地表相對較平整、土壤疏松度適中、耕后溝底形成蓄水保墑鼠道且能耗較低，深松深度根據不同作物及不同土壤要求可進行調節。

圖5　鑿型鏟式深松機

3)山東大華機械有限公司生產研制的2BMYFS-16(5)/8(5)-4深松免耕施肥播種機。該機可與73.5～147kW拖拉機配套使用，作業幅寬2～3.5m，作業深度可以達到30cm以上，播種行數14～20行，可一次性完成全方位深松土壤、深施化肥、苗帶旋耕、施種肥、畦土覆平、雙圓盤開溝器開溝、播種及鎮壓等多道工序。該產品為組合式機具，既可組合使用，也可拆開單獨使用，是一種功能比較齊全先進的保護性耕作機具。

4)中國農業科學院研制的ISQ-250型全方位深松機。其采用梯形框架式深松部件，機具作業時切出梯形形狀的斷面垡條，土條在機具作業時受多方位、無側限的擠壓，產生拉伸和彎曲變形，以此達到疏松碾碎的目的。因此，其所受牽引阻力較小、能耗降低，并且該機具碎土能力強，松土范圍大，利于保墑抗旱，松土層底部能夠形成“鼠道”。主要技術參數如下：

配套動力：東方紅 75/80

工作部件組數： 2/3 組

工作幅寬/m： 1.44

深松深度/cm： 40～50

深松土壤系數： 0.63～0.77

懸掛形式：后三點懸掛

整機質量/kg：340

5結語

深松作為保護性耕作技術越來越受到重視，因其具有保護環境、節約資源、節本增收的綜合效益，得到了較快的發展應用。但也存在一些問題，如工作阻力大、產品雜亂無標準化、適范圍比較小等。那么，怎樣在保證工作質量的前提下減少深松阻力、節約能源、提高作業速度,成為以后亟待研究的課題。同時，應向標準化靠攏，研制出一機多地區同時使用的機具。盡管深松機具有不同程度的缺陷，但保護性耕作技術仍然被大多數的農民認可，特別是在政府的積極推廣和大力支持下,我國保護性耕作機械必將迅猛發展。

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Development Status of Subsoiling at Home and Abroad under Conservation Tillage

Wang Zhiqiong1, Wang Weixin1, Li Xia1, Li Wenchun2, Guo Jinlong1, Tang Mingjun1， Fang Rui3

(1.College of Mechnical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China; Alar Wanda Agricultural Machinery Limited Company,Alar 843300,China ；3.Faculty of International Studies in Henan Normal University, Xinxiang 453002,China)

Abstract：In recent years ,land desertification, drought and other natural disasters are becoming more and more serious with the excessive reclamation of land. In order to solve this problem ,a subsoiling technology based on conservation tillage was proposed .With the deep loosening technology instead of mouldboard plow tillage, deep loosening machines were used to loose soil, break the plow pan and deep tillage layer under the condition of not turning the soil , achieving the purpose of high yield , reduced tillage and environmental protection with regulating soil 3 phases (solid, liquid, gas) ratio, improving soil structure, reducing soil erosion and improving water holding capacity . The development status of subsoiling technique based on conservation tillage was introduced at home and abroad , providing a basis for the manufacturing and development of conservation tillage and subsoiling machinery.

Key words：conservation tillage; subsoiling technology; sustainable development

文章編號：1003-188X(2016)06-0253-06

中圖分類號：S222.1+9

文獻標識碼：A

作者簡介：王志窮(1987-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)849917488@qq.com。通訊作者：李霞(1978-)，女，河北衡水人，副教授，碩士生導師，(E-mail)lixia0415@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365050)；新疆生產建設兵團科技攻關項目(2014BA058)；石河子大學高層次人才科研啟動項目(RCZX201307)

收稿日期：2015-05-15