適用于保護性耕作條件下的彎曲式深松犁

張魯云，鄭 炫，何興村

(新疆農墾科學院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

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適用于保護性耕作條件下的彎曲式深松犁

張魯云，鄭 炫，何興村

(新疆農墾科學院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

免耕保護性耕作是近年發展較快的新型耕作方式，但實施多年免耕作業之后會帶來土壤有效耕層變薄、容重增加、灌溉水分難以入滲等一系列問題。為此，針對免耕作業方式所出現的問題，研制開發了新型彎曲式深松犁。通過對深松犁的實地測試，對試驗結果進行了研究、分析，為操作使用深松農機具提供實際參考依據。該深松犁配合免耕保護性耕作方式，充分發揮深松犁的優良性能，達到了減少水土流失和作業工序、提高經濟效益的最終目標。

保護性耕作；蓄水保墑；彎曲式深松犁；深松作業

0 引言

我國北方農業耕作區自古以來就一直采用鏵式犁翻耕[1-2]，農閑時地表裸露的傳統耕作模式。翻耕在改善作物生長環境、提高作物產量中曾一度發揮了較好的作用；但隨著翻耕作業區面積和農業機械化程度的不斷增加，傳統翻耕方式的弊端也日益顯露出來。大面積的翻耕作業致使農閑時農田的土壤失去地表植被保護，導致水土流失加劇，耕地資源與土壤肥力不斷退化，自然生態環境日趨惡化，嚴重制約了我國農業的可持續發展。

保護性耕作是指對土壤不進行全面的翻耕[3-4]，以大量作物秸稈殘茬覆蓋地面，盡量減少耕作次數，用除草劑清除雜草的新型旱地耕作技術模式。在我國干旱、多風、陽光強烈的北方廣大農區實施免耕保護性耕作技術，可顯著降低光蝕、風蝕、水蝕和作業成本，提高光、水、土等自然資源的利用效率，在培育土壤肥力的同時實現農作物的增產增收。中國農業大學和澳大利亞昆士蘭大學共同進行的保護性耕作試驗表明[5-6]：在我國北方實施保護性耕作技術能提高作物產量10%左右，降低作業成本20%左右，且土壤含水率明顯增加。但是，在多年實施免耕保護性耕作之后會出現堅硬的犁底層[7]，阻礙作物根系的生長及其對水分和養料的吸收。因此，在經過多年保護性耕作之后，必須通過深翻、深松作業才能疏松土壤，減小根系穿透阻力[8]，擴大根系生長空間，改善作物自然生態條件；同時，提高土壤蓄水保墑能力，增加土壤水庫容，提高自然降水的利用率，增加作物產量。

1 國內外深松機械現狀

國外從20世紀40年代初期就已經開展了對保護性耕作模式的研究工作[9]，隨之研制了各種形式的配套機具。如美國約翰·迪爾公司生產的擠壓松土式深松機、德國勞爾公司生產的懸掛式深松機、日本研制的多功能振動式深松機、前蘇聯研制的全方位深松機等。目前，這些國家的深松機具已經相當完善，并且已形成系列化。

我國研制的深松機主要類型有桿齒式、懸掛式、振動式和淺翻深松機等，目前實際生產當中主要使用的深松機為立柱式(分為鑿式和鏟式兩種)和倒梯形全方位深松機。立柱式深松機入土性能較好，但松土作業后地表通常留有松土溝，地形起伏較大，影響后續播種施肥工作的進行；倒梯形全方位深松機松土性能好，作業后地表平整，但所需驅動力較大，作物殘茬秸稈易對其產生擁堵而影響深松機正常工作。

2 新疆生產建設兵團農業深松現狀

自新疆生產建設兵團1954年正式成立以來，農業都是兵團經濟發展的支柱性產業。2014年兵團農業總產值已達到938.55億元[10]，占當年兵團GDP總值的53.98%，農業在兵團經濟中占有重要地位。新疆綠洲大面積條田非常適合于機械化作業，因而兵團農業機械化程度較高，2014年末新疆兵團已擁有農業機械總動力484.16萬kW，種植業綜合機械化水平高達92.01%，農業機械化各項指標均處于全國領先水平。由于大量使用機械作業，各種農用機械裝備車輛進地工作將土壤壓實，加之近年來實施免耕保護性耕作，兵團多數耕地在距地表10～15cm處形成了堅實的犁底層。堅硬的犁底層造成旱季灌溉水分滲透困難，而雨季時則易引發洪澇災害。只有通過深松作業破碎犁底層，才能優化土體結構，高效利用光、氣、水等自然資源，提高農業經濟效益。因此，新疆地方及兵團對農田深松作業極為重視，歷年來農田深松面積逐年增加(見表1)，對深松機具的需求量也隨之快速增長。

表1 新疆及兵團歷年深松作業面積

數據來源于農業部辦公廳關于印發《全國農機深松整地作業實施規劃(2011—2015年)》的通知(農辦機[2011]1號文件)。

3 深松犁結構特性及工作原理

新疆農墾科學院機械裝備研究所根據我國西北地區和兵團耕作區土壤的實際情況及與保護性耕作技術相配套的深松農業技術裝備，研制成功了適合于北方旱地保護性耕作技術使用的新型彎曲式深松犁。該型深松犁由機架大梁、上下牽引板、犁體支座、深松犁體及碎土輥等部件組成[11]，如圖1所示。技術參數如表2所示。

1.深松犁機架 2.碎土輥固定座 3.上牽引板支架 4.上牽引板 5.深松犁體支座 6.碎土輥 7.碎土輥軸承支座 8.深松犁體 9.下牽引板 10.深松犁柱 11.深松板 12.深松齒 13.深松齒尖 14.碎土輥側擋板 15.碎土輥支架

項目單位測定值外形尺寸(長×寬×高)mm2900×530×1740工作幅寬mm2800深松裝置結構形式深松鏟工作鏟數只6鏟間距mm400～500

續表2

該型彎曲式深松犁結構獨特、設計思想前衛，完全符合新疆兵團農業發展的實際需求。整機示意圖如圖2所示。

圖2 彎曲式深松犁

該深松犁與傳統的鏵式翻耕犁相比具有犁體輕便、結構堅固、牽引阻力小及加深耕層的作用。其徹底打破經多年免耕保護性耕作之后形成的堅硬犁底層，減輕了犁耕作業時對地表植被的破壞，有利于灌溉水分的滲透，提高了土壤蓄水保墑、保溫的能力。

進行深松作業時[12]，上、下牽引板與拖拉機懸掛裝置用懸掛銷進行連接，由拖拉機牽引拖動，如圖3所示。深松犁體裝在大梁的固定支座上[13]，拖拉機通過懸掛架牽引深松犁進行深松作業，后部碎土輥隨之進行碎土鎮壓。

圖3 彎曲式深松犁進行深松作業

4 主要工作部件設計

4.1 犁體設計

彎曲式深松犁采用犁柱與主犁體合二為一的結構形式，如圖2所示。深松犁柱采用優質錳鋼板整體壓模制作而成，取代了傳統的生鐵澆鑄件，既簡化了制造工藝，又減輕了深松犁體自身質量。深松立柱因其所具有的特殊幾何外形亦可以進行深松作業，起到了主犁壁的作用。上部犁體采用平面型的工作面，使用φ36、φ24加強螺釘與犁體支座固定連接；下部的犁體采用拋物線型扭柱工作曲面，最底部深松齒與地面之間的夾角為15°～20°。

下犁體采用平行于水平面的直線形成線。原始數據為耕深a取50cm和耕寬b取45cm。其余參數由經驗關系決定：①曲導線開度L=a；②曲導線的高度h=1.8a；③犁徑線的高度H=1.6a；④犁體的最大高度Hmax=1.9a；⑤犁鏵與地面間的夾角ε=15°～20°；⑥最高形成線與地側邊間的夾角γn=40°；⑦直線部分的長度s=350mm。

4.2 懸掛架設計

彎曲式深松犁的入土、牽引性能，以及耕深、耕寬和直線行駛穩定性都與懸掛裝置的設計有密切的關系，拖拉機后部的三點懸掛裝置與深松犁的懸掛架構成了犁耕機組的連接懸掛機構，以保證深松作業時的平衡。深松犁犁耕深度調整范圍在30～50cm，調整范圍較普通鏵式翻轉犁大。為了能夠適應在各種不同的土質條件、工況條件及不同型號的拖拉機牽引下正常工作，深松犁的懸掛架上設計了多個不同位置的懸掛點供作業時調節使用。具體設計方案為：上下懸掛板上有多個懸掛孔，便于調節各個懸掛點的位置，如圖4所示。內外下拉耳通過螺栓固定在懸掛橫梁端板上，相對于懸掛橫梁能夠隨意調整，以便深松作業時調整上下懸掛點的實際位置，使深松犁達到最佳的工作狀態。

1.上牽引板 2.上牽引板支架 3.深松犁機架 4.下牽引板

4.3 犁架高度的確定

犁架高度應能保證深松犁體順利地進行深松作業，而又要杜絕擁土堵草的現象發生。計算公式為

(1)

式中 H—犁架空間高度(cm)；

b—犁體耕寬, 取b=45cm；

a—最大耕深, 取amax=47cm；

h—割茬高度，取h=15cm。

對于彎曲式深松犁犁柱和犁架，由于進行的是深松作業，犁架高度可適當加高。通過計算加上實地測試，確定犁架高度為1 740mm。

5 田間試驗測試[14]

5.1 試驗環境

2015年10月22日在新疆生產建設兵團農六師共青團農場，由新疆生產建設兵團農業機械檢驗測試中心進行性能檢測。試驗地前茬種植作物為棉花，面積約為100hm2，配套動力為東方紅2204型拖拉機，試驗地土壤為新疆粘性沙土壤。

5.2 試驗條件

在進行機具性能檢測時，對測試地段、地形、土壤類型、含水率、環境溫度、濕度及風力大小進行了測量，具體結果如表3所示。

表3 試驗條件

5.3 測試結果分析

對深松犁的耕深穩定性變異系數、入土行程及作業速度進行了測定，結果如表4所示。

表4 測定結果

田間實地測試表明：該型彎曲式深松犁打破了犁底層并加厚了熟土層[15]。深松作業后經現場挖掘證明土層斷面形成倒梯形結構如圖5所示，其斷面特點是松緊相間、上虛下實，底部形成“鼠道”。這種優良的土體結構改善了土壤的物理環境，使土壤中的水、肥、氣、熱得到合理的調整[16]，松虛部有利于吸收新疆地區稀少寶貴的降雨，“鼠道”又可成為順暢的排水通道?，F場測量表明：該深松犁最大耕深已達到48cm，達到了國際上深松犁的平均水平。該型深松犁的研制成功對保護性耕作技術在新疆地區的推廣應用有著積極的推動促進作用。

圖5 挖掘測量現場

6 結論

1)深耕深松是農田作業的重要內容，目的在于疏松土壤、改善土壤結構、消滅細菌和病蟲害，以及鏟除田間雜草、作物殘茬，有利于土壤形成適合于種植的優良團粒結構，優化調整土壤固、液、氣三相的比例關系。通過深松作業為作物提供生長所需的深厚的熟土層，加速有機養料分子的溶化分解和土壤熟化速度，提高了土壤抗旱蓄水保墑的能力。

2)試驗統計數據表明[17]：在保護性耕作條件下，深松作業雖然能解決由于連年免耕出現的土壤變硬等一系列問題，但深松作業屬于重負荷作業，增加了農業生產成本，降低了農戶經濟效益。在我國北方實施保護性耕作時，采用每4年免耕加上1年深松的耕作方式，不但可以有效疏松土壤、降低容重，而且能夠解決因深松作業所出現的動土量大、拖拉機功率消耗增加等問題，增加農戶收入25%左右。這是我國農業工程的一種新型保護性耕作技術發展模式。

3)新疆農墾科學院機械裝備研究所新近研制開發成功的彎曲式深松犁，與免耕技術相配套，較好地適用于我國北方的保護性耕作方式。田間實地測試證明：其犁架堅固、犁體輕便、牽引阻力小、耕深完全達到設計要求，是一款性能優良的深松機具。隨著我國保護性耕作和免耕技術的推廣應用，這種深松犁也將會擁有巨大的市場需求，創造出良好的經濟效益。

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Bending Subsoiling Plow Suitable for the Condition of Conservation Tillage

Zhang Luyun， Zheng Xuan， He Xingcun

(Machinery and Equipment Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi 832000，China)

Conservation tillage is a new type of farming method, developed rapidly in recent years, but after years of implemented no tillage operation, effective soil layer became thin、soil bulk density increased、irrigation water infiltered a series of problems.The problem for the no tillage practice, developed the new type bending subsoiling plow. Through the field tests of deep subsoiling plow,analysised and studied the results of the test,provided practical reference for the operation subsoiling equipment.With conservation tillage mode,give full play its excellent subsoiling performance of the deep subsoiling plows , achieve the final purpose that improve soil physical structure and crops growth condition, efficient use of natural resources, increase crop yields and economic benefits.

conservation tillage； soil water conservation； bending subsoiling plow； subsoiling operation

2016-01-13

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B00)；新疆農墾科學院引導計劃項目(79YYD201504)

張魯云(1972-)，男，新疆石河子人，工程師，碩士，(E-mail)zhangluyun1972@163.com。

鄭 炫(1971-)，女，新疆石河子人，研究員，碩士生導師，(E-mail)jiazhengxuan@sohu.com。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)02-0089-05