深松技术与深松机具发展现状

袁军 王景立

摘要 保护性耕作是一种新型耕作方式，作为保护性耕作关键技术之一的土壤深松技术近来受到越来越多地重视，深松技术也得到不断地推广和发展。该文就近年国内外涌现出来的一大批新型深松机具及深松理论研究成果进行了总结与梳理，介绍了深松技术及其当前的发展状态，分析了当前深松机具存在的一些问题，并就深松技术与深松机具发展方向进行了探讨。

关键词 保护性耕作;深松技术;深松机具

中图分类号 S222.12+9 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）33-11978-02

作者简介 袁军（1985- ），男，江苏宿迁人，硕士，助教，从事农业机械化工程研究。*通讯作者，教授，研究生导师，从事农业机械工程研究。

收稿日期 2014-10-09

1 保护性耕作技术

19世纪初，伴随着欧洲工业技术革命的爆发，农用机械也得到了快速发展，大型农业机械应运而生，并得到广泛地使用。然而正是由于农业机械的长期使用以及不合理的耕作方式使得土壤发生板结，同时犁底层的产生也使得地表径流、水土流失越发严重（如图1所示），农田肥力变得日趋衰竭，从而导致作物产量的逐年下降[1]。美国西部在20世纪30年代爆发了震惊世界的黑风暴彻底吹醒了人们的头脑，于是人们开始探寻新的耕作制度，从而达到环保和增产双重目的。研究结果显示以免耕播种技术、秸秆残茬处理技术、杂草及病虫害控制技术和土壤深松为主的保护性耕作技术体系能够解决上述问题。因此保护性耕作技术被世界许多国家和地区认同和接受，并在各国的努力下得到迅速发展，成为“保护性农业”里的非常重要的一部分[2]。

图1 农田中土壤侵蚀情况

在我国，正式开展保护性耕作制度研究也已有近40多年的历史。近年来北方部分省、自治区、直辖市等30多个县，在保护性耕作方面开展了大量的试验研究与示范工作，并取得了一定的成果。研究结果显示通过转变传统耕作方法，并大力发展保护性耕作技术，对于发展农业生产的条件和生态环境具有十分重要的意义。

2 土壤深松技术

土壤深松是保护性耕作中一项关键技术，它是通过拖拉机带动深松机具行走，并通过深松铲对土壤进行切削与疏松作业。由于深松机不翻土而只对土壤切削和松土，因此它不会破坏耕层植被和土壤的团粒结构，从而保持耕层土壤的层次和土壤的自我修复能力[3]。深松的耕作深度一般在35～45 cm，因此它能够有效地打破由于常年机具作业产生的犁底层，加深耕作深度，形成上虚下实的耕层结构，从而促进植物根系的发育（如图2所示），提高作物的产量;同时耕层结构的改善和耕层的增加还可以形成土壤小水库，雨季的时候可以起到蓄水的目的，旱季的时候可以为禾苗提供生长所需水分，从而实现了土壤水分的自我调节，增强了田间土壤抗旱、排涝的能力，抗风蚀和水蚀的能力，从而抑制沙尘暴，减小环境污染;深松还可以增强土壤对热量的吸收，空气温度低的时候还可以减小土壤的散热性能，从而达到提升地表温度的目的，据统计深松可以提高低温约0.5～1 ℃。我国现有耕地约1亿hm2，按平均耕深0.2 m，并以较小的土壤比阻值100 kN/m来计算，每耕翻一次至少需要消耗能量5.6×1010kWh，采用深松作业可以明显降低农业机械耕作量和动土量，从而降低能量消耗，节省了作业成本。综上所述推广土壤深松技术，对促进农业生产的可持续发展具有巨大的生态效益、社会效益和经济效益。

图2 深松技术

3 深松技术及深松机具的国内外发展状况

随着土壤深松技术不断地推广和发展，土壤深松机具的研究也越来越受到重视，新的机具设计及其理论研究不断推陈出新，涌现出了一大批有关新型深松机具及深松理论研究的报道，其中有很多值得学习和借鉴的地方。

3.1 国外深松技术及机具的研发现状

国外深松技术及机具的研究开始于20世纪50年代，研究多注重关键部件及整机试验的研究。欧美等西方国家在深松机具的研究上已经形成了相对完善的技术体系，以松土机具上分主要有挤压式和振动式（图3）。

图3 挤压式和振动式深松机具

20世纪80年代，Willians等人设计了弯腿犁，接着加拿大人Harrison 对弯腿犁进行了优化，设计弯腿犁的弯折角为45°，且具有15°的起土角，优化后的弯腿犁比凿型齿在碎土和提高机具的入土性能方面都体现出良好的效果。

1983年，为了降低深松耕作阻力，德国人研制出了振动式深松机，虽然在深松铲减阻方面成绩显著，降低牵引阻力约30%，但同时也加大了整体机具上能量的消耗，所以总体方面没有达到降低能耗的目的。研究确定了振动式深松机在振幅R为20～25 mm，激振频率f为2～3 Hz和铲机速比λ为1.7～2.2时的新样机参考數据。

1993年，日本人Sakai研制的4铧振动深松机确定了振动深松机在齿尖振幅为50 mm、振动频率3.4 Hz、振动角30°，机具牵引力可以减少40%，同时功率仅增加2%左右，体现了振动式深松机在节能减阻方面的优越性，但与此同时也提高了机具的复杂程度。

1994年，Araya K[4]在其论文中描述，为减少减少耕作阻力，在深松过程中添加固体润滑剂的方法，结果显示松土效果良好，但是减阻效果不明显。

1995年，Larson和Clyma[5]在其论文中运用电渗技术对深松铲进行减阻处理，结果显示采用40 V的电压，最大可减少39%的耕作阻力，用45 V的电压在粘土中可减少11%的耕作阻力，达到了减阻同时降低约32%能耗的目的。

约翰迪尔公司在其900 V型松土机的深松铲柄上装配了两个侧翼，使得机具在纵向深松的同时还能对耕层内的土壤进行横向疏松，起到了双向深松的目的。但是铲子容易挂草，杂草多了会导致机具堵塞，机具通过性不好，同时会增加耕作阻力。

西德劳公司的悬挂式深松机把深松与加工鼠道相结合，机具的深松铲带有暗沟器能直接加工出暗沟，深松铲的铲刃刃面为弧形，中间部位近似于直线，且铲尖到铲柄内侧面的距离较长，因此该铲柄具有良好的切削性能，深松效果好，不挂草。

3.2 国内深松技术及机具研发现状

国内深松理论及机具研究始于20世纪70年代，并逐渐形成了自己的“深松耕作法”。近年来有关深松理论及深松机具的研究也逐渐增多，可见大家对深松及其保护性耕作的认识程度也在不断深入。很多科研单位和农业院校对此作了大量的工作，目前深松技术和机具在我国生产实践中得到了广泛的应用和飞速发展。

2001年，邱立春[6]等在其论文《土壤——全方位深松机系统随机振动研究》中建立了土壤——全方位深松机非线性系统模型，分析了系统振动减阻的复杂内共振机理。

2003年，周宙[7]在其论文《多功能振动式深松机的技术特点及应用效果》中阐述了振动式深松机的工作原理、结构设计、技术特点及田间作用效果。

2004年，吉林大学佟金教授发明了仿生减阻深松铲，从仿生学的角度研究土壤与机具作用的深层机理，试验结果达到了良好的减阻效果。

2005年，朱凤武[8]在《金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计》一文中通过对金龟子的生物形态进行的研究，设计出了一款新型仿生深松铲。

2006年，周玉乾[9]在其论文《深松铲受力数学模型与计算机模拟》中分析了深松铲耕作机理，建立了深松铲切削土壤的受力数学模型，并在此基础上对深松铲结构参数进行了优化。

2007年，余泳昌[10]在其论文《立柱式深松铲受力数学模型及试验分析》一文中建立了立柱式深松铲受力的数学模型，并对深松铲的结构进行了优化。

2011年，徐天月[17]在其论文《SPSS的深松铲结构运动参数最优化设计》中研制了6种抛物线形刃口形状的深松铲的结构，优化出了抛物线形深松铲的最佳形状，为研究和设计深松铲提供了新的理论与研制方法。

2012年，袁军[18]在其论文《基于Pro/E与ANSYS Workbench的深松铲结构分析及优化》中对普通深松铲与弧形深松铲进行了有限元静力分析，通过修改深松铲的结构参数对深松铲进行优化设计。

4 结语

概括前人在深松技术及其机具方面的研究，可以看出：第一，研究多集中在深松铲本身的结构参数，而对于土壤深松耕作系统中的土壤物理特性研究相对较少;第二，有的研究则是静态分析，或是在某些假定条件下进行的，还不能完全模拟田间的工作状态，其研究成果仅供参考借鉴;第三，在深松机械土壤动力学方面的研究，目前鲜有报道。

从深松铲方面的研究可以看出：第一，在深松鏟减阻方面的研究取得了很多成果，但是深松的阻力依然很大，所以这方面仍需作进一步研究;第二，减阻技术中多数从改善外部条件来对深松铲进行改进，在深松铲的减阻方面也起到了很好地作用，但同时也增加了机器结构的复杂性和成本;第三，研究成果多是从试验结果所得，计算参数多是经验值，因此不具有实用性。

综上所述，今后在深松机具的研制上，还需要加大研究力度，应积极开展中试产品的研发，进行深松技术示范推广，将深松铲机具的研究成果真正转化为生产力。

参考文献

[1]CAIRNS J.The status of the theoretical and applied science of restoration ecology[J]. Environ Professional，1991，13（3）：186-194.

[2] ADAM HAYES.Ridge tillage planters[R]. Ministry of Agriculture and Food. Ontario，1988.

[3] 朱凤武，王景利，潘世强，等.土壤深松技术研究进展[J].吉林农业大学学报，2003，25（4）：457-461.

[4] ARAYA K.Optimization of the design of subsoiling and pressurized fluid injection equipment [J].Journal of Agricultural Ellgineexing Research，1994，57（1）：39-52.

[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，李宝筏.土壤—全方位深松机系统随机振动研究[J].农业工程学报，2001，17（3）：62-66.

[7] 周宙，司振江，孙彦君，等.多功能振动式深松机的技术特点及应用效果[J].黑龙江水利科技，2003，31（4）：71-72.

[8] 朱凤武.金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计[D]. 长春：吉林大学，2005.

[9] 周玉乾.  深松铲受力数学模型与计算机模拟[D].郑州：河南农业大学，2006.

[10] 余泳昌，刘文艺，赵迎芳，等. 立柱式深松铲受力数学模型及试验分析[J]. 农业工程学报，2007（6）：109-113.

[11] 徐天月，王景立.  SPSS的深松铲结构运动参数最优化设计[J]. 农业与技术， 2011（5）：26-31.

[12] 袁军，王景立.  基于Pro/E与ANSYS Workbench的深松铲结构分析及优化[J]. 中国农机化，2012（5）：77-79.