何興村，張魯云（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆　石河子　832000）

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適用于保護(hù)性耕作條件下的深松機(jī)械*

何興村，張魯云*
（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子832000）

摘要：針對(duì)免耕作業(yè)方式所出現(xiàn)的問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)了翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁和彎曲式深松犁。配合免耕保護(hù)性耕作方式，充分發(fā)揮2種犁優(yōu)良的深松性能，達(dá)到改善土壤物理結(jié)構(gòu)和作物生長(zhǎng)環(huán)境，高效利用自然資源，提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益的最終目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁；彎曲式深松犁；深松作業(yè)

我國(guó)北方廣大農(nóng)業(yè)耕作區(qū)自古以來(lái)耕種就一直采用鏵式犁翻耕、農(nóng)閑時(shí)地表裸露的耕作方式。翻耕在改善作物生長(zhǎng)環(huán)境、提高作物產(chǎn)量上曾一度發(fā)揮了較好的作用。但隨著翻耕作業(yè)區(qū)面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷增加和提高，傳統(tǒng)農(nóng)田翻耕方式的弊端也日益顯露出來(lái)。大面積的翻耕作業(yè)使得農(nóng)閑時(shí)的農(nóng)田土壤失去了地表植被的保護(hù)，導(dǎo)致水土流失加劇，成為引發(fā)沙塵暴的重要因素。同時(shí)，耕地資源與土壤肥力不斷退化，自然生態(tài)環(huán)境日趨惡化，這都嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1　保護(hù)性耕作

保護(hù)性耕作是以大量作物秸稈殘茬覆蓋地面，盡量減少耕作次數(shù)，用除草劑清除雜草的新型旱地耕作技術(shù)。從一定意義上說(shuō)，保護(hù)性耕作是一種回歸自然的大田作業(yè)方式。它放棄了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的翻耕模式，認(rèn)為土地耕種就必須深翻的做法，更加充分、有效地利用大自然保護(hù)耕地、恢復(fù)地力。它通過(guò)少耕、免耕和地表生物質(zhì)覆蓋，來(lái)增加土壤水分，從而有效減少農(nóng)田水土流失，抑制沙塵暴，培育土壤的同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。目前在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，保護(hù)性耕種技術(shù)得到了大面積的推廣應(yīng)用，并引領(lǐng)著傳統(tǒng)耕種技術(shù)新的發(fā)展方向。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)共同進(jìn)行的保護(hù)性耕作試驗(yàn)表明，在中國(guó)北方，實(shí)施保護(hù)性耕作技術(shù)能提高作物產(chǎn)量10%左右[1]，降低作業(yè)成本20%左右，而且土壤含水率明顯增加。但是多年保護(hù)性耕作之后出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是土壤變硬，容量增大，嚴(yán)重影響了作物根系的發(fā)育和對(duì)水分及養(yǎng)料的吸收，造成產(chǎn)量下降。

2　根系發(fā)育與作物生長(zhǎng)

根系是作物重要的吸收養(yǎng)料器官，發(fā)達(dá)的根系是作物健壯的重要標(biāo)志[2]。這是因?yàn)楦低ㄟ^(guò)根毛從土壤中吸收養(yǎng)料、水分，滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)的需要。此外根系還有合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和增強(qiáng)作物支持力的作用。因此，只有促進(jìn)作物根系發(fā)育，擴(kuò)大其在土壤中吸收水分、養(yǎng)料的范圍，才有利于農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

各種研究證明，多年保護(hù)性耕作之后，必須通過(guò)深松作業(yè)才能疏松土壤，減小根系穿透阻力，擴(kuò)大根系生長(zhǎng)空間，改善根系自然生態(tài)條件。提高土壤蓄水保墑能力，增加土壤水庫(kù)容，提高自然降水的利用效率，增加作物產(chǎn)量。

3　國(guó)內(nèi)外深松機(jī)械現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)深松耕作法進(jìn)行研究，對(duì)于深松機(jī)械，美國(guó)和西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家曾做過(guò)大量的研究工作。如美國(guó)約翰·迪爾公司生產(chǎn)的擠壓松土式深松機(jī)，德國(guó)勞爾公司生產(chǎn)的懸掛式深松機(jī)，日本研制的多功能振動(dòng)式深松機(jī)，前蘇聯(lián)研制的全方位深松機(jī)。目前這些國(guó)家的深松機(jī)具已經(jīng)相當(dāng)完善，并且已形成系列化。

我國(guó)研制的深松機(jī)主要類(lèi)型有桿齒式、懸掛式、振動(dòng)式和淺翻式等，目前生產(chǎn)上主要使用的深松機(jī)分為立柱式和倒梯形全方位深松機(jī)2種。近年來(lái)，雖然我國(guó)也研制出了一些與大馬力拖拉機(jī)相配套的深松機(jī)具，但大多生產(chǎn)效率低、功率輸出有限、作業(yè)速度慢，并且當(dāng)深松速度達(dá)到一定數(shù)值后就很難再進(jìn)行工作了，而且還有可能破壞深松機(jī)具，因此也影響了深松機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量。

表1　新疆及兵團(tuán)歷年深松作業(yè)面積　　萬(wàn)hm2

4　新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)田深松現(xiàn)狀

新疆位于歐亞大陸中部，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的溫帶大陸性氣候[3]，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季短促而炎熱。同時(shí)，新疆也是干旱半干旱地區(qū)，降雨稀少，年均降雨量不足150mm，而且分布極不均勻。農(nóng)業(yè)為典型的綠洲灌溉類(lèi)型農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水的80%以上靠灌溉完成。

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)是全國(guó)最大的農(nóng)業(yè)墾區(qū)之一，由于兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)地作業(yè)，土壤被車(chē)輪壓實(shí)，近年來(lái)實(shí)施免耕作業(yè)，加之化肥、廢舊地膜、滴管碎片污染，多數(shù)耕地有效耕層僅為20cm左右，20cm以下是一層厚度為10～12cm、容重超過(guò)1.5g/cm3、硬度為普通耕層3倍的堅(jiān)實(shí)犁底層。堅(jiān)硬的犁底層阻礙了作物的根系發(fā)育和灌溉水分的滲透，造成了水資源的浪費(fèi)且不利于土壤的保墑、保溫。試驗(yàn)研究表明，只有通過(guò)深松、深耕作業(yè)，才能徹底打破犁底層，疏松土壤，減小植株根系穿透阻力，提高水資源利用率，改善作物根系生態(tài)條件，增加作物產(chǎn)量。因此，新疆地方及兵團(tuán)對(duì)農(nóng)田深松作業(yè)極為重視，歷年來(lái)農(nóng)田深松面積逐年增加（表1），對(duì)深松機(jī)具的需求量也隨之快速增加。

5　翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁的結(jié)構(gòu)及特性

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所根據(jù)我國(guó)北方的土壤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和亟需的深松農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，研制了與大、中馬力拖拉機(jī)相配套的翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁和彎曲式深松犁。這2種深松犁裝在固定犁架上與拖拉機(jī)為懸掛式連接，機(jī)車(chē)在牽引犁具前進(jìn)的同時(shí)將牽引力通過(guò)懸掛裝置傳遞給犁具，在土壤阻力、重力和機(jī)車(chē)牽引力的共同作用下，機(jī)具入土后達(dá)到工作深度。通過(guò)深松犁體與土壤間的剪切和摩擦力，使之出現(xiàn)相對(duì)位移，從而達(dá)到粉碎和疏松土壤犁底層的作用。

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁[4]，如圖1所示，主要由上、下?tīng)恳濉⒎D(zhuǎn)油缸、主、副犁體、犁柱、犁架大梁等部件組成。

圖1　翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁結(jié)構(gòu)

進(jìn)行深耕作業(yè)時(shí)[5]，上、下?tīng)恳迮c拖拉機(jī)懸掛裝置用懸掛銷(xiāo)進(jìn)行連接，由拖拉機(jī)牽引拖動(dòng)（見(jiàn)圖2）。主犁體進(jìn)行深耕作業(yè)，副犁體進(jìn)行淺耕作業(yè)。到地頭轉(zhuǎn)向時(shí)，翻轉(zhuǎn)油缸對(duì)犁架進(jìn)行180°轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)，主犁體對(duì)副犁體淺耕作業(yè)區(qū)進(jìn)行深耕作業(yè)，減小了耕作阻力和拖拉機(jī)深耕作業(yè)工作量，提高了工作效率。

圖2　翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁深耕作業(yè)

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，可以較好的完成深耕作業(yè)。該型深耕犁設(shè)計(jì)思想前衛(wèi)，結(jié)構(gòu)合理，可進(jìn)行調(diào)幅和入土角調(diào)整。通過(guò)田間試驗(yàn)，樣機(jī)犁的耕深、耕寬穩(wěn)定性、翻垡效果、殘茬覆蓋率、作業(yè)效果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，最大耕深可達(dá)90cm。采用附帶小副犁的設(shè)計(jì)能有效減小主犁體的耕作阻力，提高耕深及拖拉機(jī)行走穩(wěn)定性。

6　彎曲式深松犁的結(jié)構(gòu)及特性

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的另一種新型彎曲式深松犁，該型犁具有獨(dú)特的外形和犁體曲面（見(jiàn)圖3），較傳統(tǒng)的鏵式犁具有牽引阻力小，加深耕層而不翻轉(zhuǎn)土壤，不破壞地表植被，徹底打破犁底層和提高土壤蓄水保墑、保溫的能力。

圖3　彎曲式深松犁

通過(guò)田間實(shí)地測(cè)試，證明該型深松犁徹底打破了犁底層，耕后土層斷面形成“上虛下實(shí)，左右虛實(shí)相間，底部有鼠道”的良好土體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）。改善了土壤的物理環(huán)境，使土壤中的水、肥、氣、熱得到合理的調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，該深松犁最大耕深已達(dá)到48cm，美國(guó)約翰·迪爾公司的900V型機(jī)械式深松犁和德國(guó)勞爾公司生產(chǎn)的懸掛式深松犁，最大耕深一般50cm左右。因此，該型深松犁處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，以后通過(guò)大面積推廣使用，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著積極的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

圖4　挖掘測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

7　結(jié)論

深松作業(yè)是保護(hù)性耕作技術(shù)之一。當(dāng)犁耕深度達(dá)到30cm以上時(shí)，犁底層被徹底打破，土壤得到疏松，降低了土壤容重，提高了雨水、灌溉水入滲量，擴(kuò)大了土壤水庫(kù)容。因新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，降雨量稀少，由此可將作物生長(zhǎng)期內(nèi)寶貴的降水最大限度地蓄積在土壤中，變不均勻的降水為自然穩(wěn)定的土壤供水。深松作業(yè)打破了犁底層，作物根系穿透阻力下降，易于下扎。主根系深度的增加，不但可以從土壤中吸取更多的水分，還可以獲得較多的養(yǎng)料，從而促進(jìn)作物地表部分的生長(zhǎng)發(fā)育，增加產(chǎn)量。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在保護(hù)性耕作條件下，深松作業(yè)雖然能解決由于連年免耕出現(xiàn)的土壤變硬等一系列問(wèn)題，但深松作業(yè)屬于重負(fù)荷作業(yè)，也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低了農(nóng)戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益。在中國(guó)北方實(shí)施保護(hù)性耕作時(shí)，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(yè)所出現(xiàn)的動(dòng)土量大、拖拉機(jī)功率消耗增加等問(wèn)題，增加農(nóng)戶(hù)收入25%左右，是中國(guó)北方保護(hù)性耕作發(fā)展的一種新型耕作方式。

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁和彎曲式深松犁，與免耕技術(shù)相配套，能較好地適用于我國(guó)北方的保護(hù)性耕作方式。經(jīng)田間實(shí)地測(cè)試，這2種深松犁犁架堅(jiān)固、犁體輕便、牽引阻力小，耕深完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是性能優(yōu)良的深松機(jī)具。隨著我國(guó)保護(hù)性耕作和免耕技術(shù)的推廣應(yīng)用，這2種深松犁也將會(huì)擁有巨大的市場(chǎng)需求，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2016—03—29

*基金項(xiàng)目：新疆農(nóng)墾科學(xué)院引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：79YYD201504。

*通訊作者：張魯云（1972-），碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。E-mail：zhangluyun1972@163.com。