適用于保護(hù)性耕作條件下的彎曲式深松犁

張魯云，鄭 炫，何興村

(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)性耕作條件下的彎曲式深松犁

張魯云，鄭 炫，何興村

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

免耕保護(hù)性耕作是近年發(fā)展較快的新型耕作方式，但實(shí)施多年免耕作業(yè)之后會(huì)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(yè)方式所出現(xiàn)的問題，研制開發(fā)了新型彎曲式深松犁。通過對深松犁的實(shí)地測試，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究、分析，為操作使用深松農(nóng)機(jī)具提供實(shí)際參考依據(jù)。該深松犁配合免耕保護(hù)性耕作方式，充分發(fā)揮深松犁的優(yōu)良性能，達(dá)到了減少水土流失和作業(yè)工序、提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目標(biāo)。

保護(hù)性耕作；蓄水保墑；彎曲式深松犁；深松作業(yè)

0 引言

我國北方農(nóng)業(yè)耕作區(qū)自古以來就一直采用鏵式犁翻耕[1-2]，農(nóng)閑時(shí)地表裸露的傳統(tǒng)耕作模式。翻耕在改善作物生長環(huán)境、提高作物產(chǎn)量中曾一度發(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，傳統(tǒng)翻耕方式的弊端也日益顯露出來。大面積的翻耕作業(yè)致使農(nóng)閑時(shí)農(nóng)田的土壤失去地表植被保護(hù)，導(dǎo)致水土流失加劇，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，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

保護(hù)性耕作是指對土壤不進(jìn)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(shù)，用除草劑清除雜草的新型旱地耕作技術(shù)模式。在我國干旱、多風(fēng)、陽光強(qiáng)烈的北方廣大農(nóng)區(qū)實(shí)施免耕保護(hù)性耕作技術(shù)，可顯著降低光蝕、風(fēng)蝕、水蝕和作業(yè)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(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。中國農(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[5-6]：在我國北方實(shí)施保護(hù)性耕作技術(shù)能提高作物產(chǎn)量10%左右，降低作業(yè)成本20%左右，且土壤含水率明顯增加。但是，在多年實(shí)施免耕保護(hù)性耕作之后會(huì)出現(xiàn)堅(jiān)硬的犁底層[7]，阻礙作物根系的生長及其對水分和養(yǎng)料的吸收。因此，在經(jīng)過多年保護(hù)性耕作之后，必須通過深翻、深松作業(yè)才能疏松土壤，減小根系穿透阻力[8]，擴(kuò)大根系生長空間，改善作物自然生態(tài)條件；同時(shí)，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(chǎn)量。

1 國內(nèi)外深松機(jī)械現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)40年代初期就已經(jīng)開展了對保護(hù)性耕作模式的研究工作[9]，隨之研制了各種形式的配套機(jī)具。如美國約翰·迪爾公司生產(chǎn)的擠壓松土式深松機(jī)、德國勞爾公司生產(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)等。目前，這些國家的深松機(jī)具已經(jīng)相當(dāng)完善，并且已形成系列化。

我國研制的深松機(jī)主要類型有桿齒式、懸掛式、振動(dòng)式和淺翻深松機(jī)等，目前實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中主要使用的深松機(jī)為立柱式(分為鑿式和鏟式兩種)和倒梯形全方位深松機(jī)。立柱式深松機(jī)入土性能較好，但松土作業(yè)后地表通常留有松土溝，地形起伏較大，影響后續(xù)播種施肥工作的進(jìn)行；倒梯形全方位深松機(jī)松土性能好，作業(yè)后地表平整，但所需驅(qū)動(dòng)力較大，作物殘茬秸稈易對其產(chǎn)生擁堵而影響深松機(jī)正常工作。

2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)深松現(xiàn)狀

自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)1954年正式成立以來，農(nóng)業(yè)都是兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。2014年兵團(tuán)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)到938.55億元[10]，占當(dāng)年兵團(tuán)GDP總值的53.98%，農(nóng)業(yè)在兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。新疆綠洲大面積條田非常適合于機(jī)械化作業(yè)，因而兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高，2014年末新疆兵團(tuán)已擁有農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力484.16萬kW，種植業(yè)綜合機(jī)械化水平高達(dá)92.01%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化各項(xiàng)指標(biāo)均處于全國領(lǐng)先水平。由于大量使用機(jī)械作業(yè)，各種農(nóng)用機(jī)械裝備車輛進(jìn)地工作將土壤壓實(shí)，加之近年來實(shí)施免耕保護(hù)性耕作，兵團(tuán)多數(shù)耕地在距地表10～15cm處形成了堅(jiān)實(shí)的犁底層。堅(jiān)硬的犁底層造成旱季灌溉水分滲透困難，而雨季時(shí)則易引發(fā)洪澇災(zāi)害。只有通過深松作業(yè)破碎犁底層，才能優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)，高效利用光、氣、水等自然資源，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。因此，新疆地方及兵團(tuán)對農(nóng)田深松作業(yè)極為重視，歷年來農(nóng)田深松面積逐年增加(見表1)，對深松機(jī)具的需求量也隨之快速增長。

表1 新疆及兵團(tuán)歷年深松作業(yè)面積

數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于印發(fā)《全國農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃(2011—2015年)》的通知(農(nóng)辦機(jī)[2011]1號(hào)文件)。

3 深松犁結(jié)構(gòu)特性及工作原理

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所根據(jù)我國西北地區(qū)和兵團(tuán)耕作區(qū)土壤的實(shí)際情況及與保護(hù)性耕作技術(shù)相配套的深松農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備，研制成功了適合于北方旱地保護(hù)性耕作技術(shù)使用的新型彎曲式深松犁。該型深松犁由機(jī)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(shù)參數(shù)如表2所示。

1.深松犁機(jī)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(cè)擋板 15.碎土輥支架

項(xiàng)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(jié)構(gòu)形式深松鏟工作鏟數(shù)只6鏟間距mm400～500

續(xù)表2

該型彎曲式深松犁結(jié)構(gòu)獨(dú)特、設(shè)計(jì)思想前衛(wèi)，完全符合新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。整機(jī)示意圖如圖2所示。

圖2 彎曲式深松犁

該深松犁與傳統(tǒng)的鏵式翻耕犁相比具有犁體輕便、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、牽引阻力小及加深耕層的作用。其徹底打破經(jīng)多年免耕保護(hù)性耕作之后形成的堅(jiān)硬犁底層，減輕了犁耕作業(yè)時(shí)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(jìn)行深松作業(yè)時(shí)[12]，上、下牽引板與拖拉機(jī)懸掛裝置用懸掛銷進(jìn)行連接，由拖拉機(jī)牽引拖動(dòng)，如圖3所示。深松犁體裝在大梁的固定支座上[13]，拖拉機(jī)通過懸掛架牽引深松犁進(jìn)行深松作業(yè)，后部碎土輥隨之進(jìn)行碎土鎮(zhèn)壓。

圖3 彎曲式深松犁進(jìn)行深松作業(yè)

4 主要工作部件設(shè)計(jì)

4.1 犁體設(shè)計(jì)

彎曲式深松犁采用犁柱與主犁體合二為一的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。深松犁柱采用優(yōu)質(zhì)錳鋼板整體壓模制作而成，取代了傳統(tǒng)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(zhì)量。深松立柱因其所具有的特殊幾何外形亦可以進(jìn)行深松作業(yè)，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(qiáng)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(shù)據(jù)為耕深a取50cm和耕寬b取45cm。其余參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)關(guān)系決定：①曲導(dǎo)線開度L=a；②曲導(dǎo)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(cè)邊間的夾角γn=40°；⑦直線部分的長度s=350mm。

4.2 懸掛架設(shè)計(jì)

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(wěn)定性都與懸掛裝置的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，拖拉機(jī)后部的三點(diǎn)懸掛裝置與深松犁的懸掛架構(gòu)成了犁耕機(jī)組的連接懸掛機(jī)構(gòu)，以保證深松作業(yè)時(shí)的平衡。深松犁犁耕深度調(diào)整范圍在30～50cm，調(diào)整范圍較普通鏵式翻轉(zhuǎn)犁大。為了能夠適應(yīng)在各種不同的土質(zhì)條件、工況條件及不同型號(hào)的拖拉機(jī)牽引下正常工作，深松犁的懸掛架上設(shè)計(jì)了多個(gè)不同位置的懸掛點(diǎn)供作業(yè)時(shí)調(diào)節(jié)使用。具體設(shè)計(jì)方案為：上下懸掛板上有多個(gè)懸掛孔，便于調(diào)節(jié)各個(gè)懸掛點(diǎn)的位置，如圖4所示。內(nèi)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(diào)整，以便深松作業(yè)時(shí)調(diào)整上下懸掛點(diǎn)的實(shí)際位置，使深松犁達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

1.上牽引板 2.上牽引板支架 3.深松犁機(jī)架 4.下牽引板

4.3 犁架高度的確定

犁架高度應(yīng)能保證深松犁體順利地進(jìn)行深松作業(yè)，而又要杜絕擁土堵草的現(xiàn)象發(fā)生。計(jì)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(jìn)行的是深松作業(yè)，犁架高度可適當(dāng)加高。通過計(jì)算加上實(shí)地測試，確定犁架高度為1 740mm。

5 田間試驗(yàn)測試[14]

5.1 試驗(yàn)環(huán)境

2015年10月22日在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)六師共青團(tuán)農(nóng)場，由新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械檢驗(yàn)測試中心進(jìn)行性能檢測。試驗(yàn)地前茬種植作物為棉花，面積約為100hm2，配套動(dòng)力為東方紅2204型拖拉機(jī)，試驗(yàn)地土壤為新疆粘性沙土壤。

5.2 試驗(yàn)條件

在進(jìn)行機(jī)具性能檢測時(shí)，對測試地段、地形、土壤類型、含水率、環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)力大小進(jìn)行了測量，具體結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)條件

5.3 測試結(jié)果分析

對深松犁的耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)、入土行程及作業(yè)速度進(jìn)行了測定，結(jié)果如表4所示。

表4 測定結(jié)果

田間實(shí)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(yè)后經(jīng)現(xiàn)場挖掘證明土層斷面形成倒梯形結(jié)構(gòu)如圖5所示，其斷面特點(diǎn)是松緊相間、上虛下實(shí)，底部形成“鼠道”。這種優(yōu)良的土體結(jié)構(gòu)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[16]，松虛部有利于吸收新疆地區(qū)稀少寶貴的降雨，“鼠道”又可成為順暢的排水通道?，F(xiàn)場測量表明：該深松犁最大耕深已達(dá)到48cm，達(dá)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(hù)性耕作技術(shù)在新疆地區(qū)的推廣應(yīng)用有著積極的推動(dòng)促進(jìn)作用。

圖5 挖掘測量現(xiàn)場

6 結(jié)論

1)深耕深松是農(nóng)田作業(yè)的重要內(nèi)容，目的在于疏松土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)、消滅細(xì)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(yōu)良團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，優(yōu)化調(diào)整土壤固、液、氣三相的比例關(guān)系。通過深松作業(yè)為作物提供生長所需的深厚的熟土層，加速有機(jī)養(yǎng)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(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[17]：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題，但深松作業(yè)屬于重負(fù)荷作業(yè)，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低了農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)效益。在我國北方實(shí)施保護(hù)性耕作時(shí)，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(yè)所出現(xiàn)的動(dòng)土量大、拖拉機(jī)功率消耗增加等問題，增加農(nóng)戶收入25%左右。這是我國農(nóng)業(yè)工程的一種新型保護(hù)性耕作技術(shù)發(fā)展模式。

3)新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所新近研制開發(fā)成功的彎曲式深松犁，與免耕技術(shù)相配套，較好地適用于我國北方的保護(hù)性耕作方式。田間實(shí)地測試證明：其犁架堅(jiān)固、犁體輕便、牽引阻力小、耕深完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是一款性能優(yōu)良的深松機(jī)具。隨著我國保護(hù)性耕作和免耕技術(shù)的推廣應(yīng)用，這種深松犁也將會(huì)擁有巨大的市場需求，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)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(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B00)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)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(dǎo)師，(E-mail)jiazhengxuan@sohu.com。

S222.12+9

A

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