保护性耕作条件下深松技术的国内外发展现状

王志穷，王维新，李　霞，李文春，郭金龙，汤明军，方　瑞

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子　832003；2.阿拉尔万达农机有限公司，新疆 阿拉尔　843300；3.河南师范大学 外国语学院，河南 新乡　453002)



保护性耕作条件下深松技术的国内外发展现状

王志穷1，王维新1，李霞1，李文春2，郭金龙1，汤明军1，方瑞3

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子832003；2.阿拉尔万达农机有限公司，新疆 阿拉尔843300；3.河南师范大学 外国语学院，河南 新乡453002)

摘要：近年来，土地过度开垦致使土地沙漠化、干旱等自然灾害问题越来越严重，因此提出了基于保护性耕作的深松技术。以深松技术代替铧式犁翻耕，是利用深松机具的部件在土壤不被翻转条件下疏松土壤、打破坚硬犁底层、加深耕作土层,以此来调节土壤3相(固、液、气态)比,改善土壤内部结构,降低土壤被侵蚀度,提高土壤蓄水保墒的能力，达到高产、少耕、环保的目的，促进农业的可持续发展。为此，主要介绍了基于保护性耕作深松技术在国内外发展现状 ，旨在为保护性耕作和深松机械的制造和发展提供一定的依据。

关键词：保护性耕作；深松技术；可持续发展

0引言

自从新中国成立，特别是改革开放以来，随着我国人口的急剧增长，对耕地粮的产量要求也在飞速增加。长期以来以铧式犁耕作为主要的连续翻耕的传统制度，随着土地的利用时间增长和土壤熟化，导致土壤的颗粒结构遭到了严重的破坏，保墒能力下降;并且在耕层底部形成了坚硬的犁底层，导致地表径流、水土流失越发严重,如图1所示。同时，该现状影响着作物根系的生长发育和土壤蓄水保墒的能力。尤其是当机具状态差、作业水平低时，耕作层逐年变浅这一情况变的更为严重，从而使农田肥力变得日趋衰竭，一致导致作物的产量逐年下降[1]。

图1　农田中土壤侵蚀情况

早在20世纪30年代初,美国西部地区发生一场特大暴风，常年干旱少雨、土壤贫瘠，以及细小的土壤和作物秸秆裸露在农田表面难以抵挡大风的袭击,造成了成千上万吨的地面表层土壤及作物被刮走,形成了遮天蔽日的沙尘风暴,酿成了震撼世界的“黑风暴”(即强沙尘暴)。“黑风暴”的到来引起了人们对传统土地耕作方式的反思及对保护水土的新的方法的探索。美国农业科学家认为：传统铧式犁翻耕的耕作方法破坏了土壤的物理结构及地表植被,致使土壤降低了抵抗干旱及狂风天气的能力。因此，经过研究创新逐步创建了以作物秸秆、残茬覆盖地表和以免耕播种为核心的深松免耕保护性耕作,基本解决了上述问题。因此，保护性耕作技术很快被世界许多国家和地区认同和接受，并在各国的共同努力下迅速发展，成为“保护性农业”里的非常重要的一部分[2]。

1保护性耕作的技术及其意义

1.1保护性耕作的技术

深松耕作技术是保护性耕作方式之一，与传统的翻耕耕作方法大不相同。其实质就是改善表层土壤的物理结构，降低风蚀、水蚀和水土养分的流失，以此起到保护土壤流失的功能；亦可以减少对地表水分的蒸发，使作物能够充分地利用水资源；也可以降低对劳动力、能源以及机械设备的投入，同时能够提高生产效率，使农业发展达到低耗、高效、可持续发展的战略目的[3-4]。目前，保护性耕作已成为世界上应用最广、效果最好的一项旱作农业技术,越来越受到世界各国的关注[5]。

1.2保护性耕作的意义

长期以来，国内外专家经过反复的实践证明，保护性耕作方法比传统的翻耕耕作法具有明显的优点：

1)减少大风导致的沙尘风扬天气60%左右，有效抑制沙尘暴的发生，保护生态文明环境。

2)减少地表水土流失60%左右，保护可耕土地流失及地表肥力，同时有效减少河流湖泊浑浊。

3)有效改善耕地土壤物理特性，增加土壤肥力，提高有机质含量0.03% 。

4)有效提高玉米、小麦等农作物单位面积15%～17%的产量，具有增产作用。

5)土壤休闲期可增加贮水量14%～15%，水分的利用效率提高了17%～25%。

6)减少2～4道生产作业工序，节约人畜用工50%～60%。

7)提高经济效益，收入增加20%～30%[6-8]。

保护性耕作是旱地作业农业机械化十分有效的方法。在国外，保护性耕作被定义为一种在作物收割完成后地表至少存留有 30%的作物残茬覆盖的耕作和种植模式[9-10]。与裸露的土壤相比，其土壤侵蚀至少可以减少50%。地表所保留的作物残茬为土壤提供了植物营养源，提高了土壤有机质含量，并可大大减少对土壤水分的蒸发，从而增加了土壤的水分含量及水分的渗入率。保护性耕作模式不仅可以减少水土流失，改善作物生长的土壤环境，而且节约能源，减少农业的劳动力成本[11-12]。

2保护性耕作主要技术内容

2.1秸秆覆盖技术

作物秸秆经机械作业处理后留在地表做覆盖物覆盖地表，不仅可以减少水分蒸发，而且可以提高降水利用率，根茬固土防风，减少风蚀。这样既可以抢农时、抢积温，还可以避免焚烧带来的污染环境的问题。同时，作物秸秆残茬腐烂后，还可增加土壤有机质含量、改善土壤结构、培肥地力[13]。

2.2化学除草技术

改传统翻耕控制杂草方式为机械喷洒除草剂的化学除草方式，以此来控制杂草的产生。

2.3少耕免耕技术

利用免耕播种机在有秸秆残茬覆盖的地表直接进行开沟、播种、施肥、覆土及镇压等复式作业，减少了机具进地次数，降低能耗及成本。

2.4机械深松技术

机械深松技术是指利用深松机具对深层土壤进行疏松，加深耕层而不翻转土壤，打破深层土壤因多年被农业机具碾压而形成的犁底层，同时不会对土壤结构和地表植被造成破坏[14]。深松作业后，可以有效提高地表水分的渗入率，减少地表流径和土壤水蚀，增强深层土壤的蓄水保墒能力，为农作物营造一个天然的水库，以提高旱季农作物的抗旱能力，增加作物产量[15-17]。

3深松耕的作用和方式

深松耕作是指用松耕铲或凿形犁等松土工具疏松土壤而不翻转土层的一种深耕方法，简称深松。深耕深度可达 20cm 以上，适用于经长期机械化铧式犁翻耕作业后形成的犁底层、耕层有粘土硬盘或白浆层或土层厚而耕层薄不宜深翻的土地。

3.1深松耕的作用[18-19]

1)打破犁底层，改善土壤耕层结构。机械化深松作业可以打破连续多年翻耕形成的坚硬的犁底层，改善了耕地的物理性质，扩大“土壤水库”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墒的能力，又有利于利用鼠道进行排涝和作物根系的纵向生长发育，形成最适宜农作物生长发育的土壤结构。

2)提高水资源利用率。深松技术能够打破多年翻耕形成的犁底层，有利于土壤表面水分向下渗透，从而减少地面水资源流失；土壤之中的水分可以实现自身调解，大量储蓄自然降水，形成天然的地下水库；底层土壤贮存水分的大量增加，有利于下一年雨季到来之前的抗旱。同时，深松技术可以对降水情况与农作物生长发育的不同步起到调节作用，雨水季节将多余的雨水储蓄起来，干旱时期作物根系通过毛细管吸收地下水库贮存的水，可以有效缓解旱情。

3)提高土壤有机质含量。深松能够打破连续多年翻耕形成的坚硬的犁底层，改善上下层土壤的透气性及土壤之中固、液、气的三项比，协调土壤上下层固、液、气三项比，使作物更有利于生长。同时，深松技术能够促进农作物根系的生长发育以及更有效地、充分地吸收土壤之中的养分。可见，深松技术能够提高水土资源的利用率，疏松20～40cm的土壤，使农作物根系的密集区向下移动，从而作物根系的残体大大增加，为土壤中微生物的生存提供更有利的条件；可使底层土壤产生厌气性的环境，大大增强了腐殖化的合成，提高了土壤之中的有机质含量，具有“培肥养地”的作用。

4)有利于作物根系的生长发育。深松技术增加了土壤疏松的耕作层，降低了耕作层土壤的密度，增加了土壤之间的孔隙度，同时提高了土壤的通气性。通气性的提高促进了土壤中好气性微生物的生长活动，使土壤中好气性微生物增多并向下发展移动，扩大了活动范围；深松整地有效降低了对土壤颗粒结构和毛细管的破坏，提高了土壤中胶体因子的形成，增加了土壤中胶体负离子的含量，可以吸附更多的氨根离子以供农作物吸收利用，加快了作物的根系向下生长发育，促进农作物早熟高产。

5)提高抗灾能力。深松整地作业打破了多年翻耕形成的犁底层，加深了土壤耕作层的疏松，使农作物根系向下生长，从而能够吸收土壤中更多的水分和养分，促进作物根系生长发达，提高了抗倒伏的能力。深松整地作业能够改善土壤的物理特性，协调土壤中的气、肥、水、热之间的比例，增强耕地抗旱、抗涝和排涝的能力；同时，能提高地表温度，加快农作物根系的生长发育，防止农作物早衰，增加农作物产量，并促进农作物早熟。经测量，深耕耕层深度每加1cm，1hm2土壤就可多容纳60t水，土壤耕深15cm 处的含水量就增加3%，20cm 处的含水量就增加6%。

6)增加土壤的热容量。深松作业技术打破了连续多年同一深度耕作而形成的较坚硬的犁底层，加深了土壤耕作层，消除了坚硬的障碍层，改善了土壤上下之间的透气性；增加了通气孔的密度，随之导热性也跟着增强，土壤的温度也会相应的有所提高，通常情况下，土壤的温度可提高0.5～l℃，成熟期可提前7～8天。

7)降低破坏土壤的程度。传统机械整地耕作对耕地土壤有一定的破坏性，机械进地次数越多，对土壤的破坏性就越大。利用深松联合机械进行作业，可以减少机组进地次数，不但可以降低土壤的动土量、保护土壤的颗粒结构，而且能够避免土壤颗粒向沙化转变，降低机器的燃油量和机械整地作业的费用。

3.2深松方式

机械化深松技术按作业的性质可分为全方位深松技术和局部深松技术两种作业方式。

3.2.1全方位深松

全方位深松技术是利用深松铲进行全面松土并打破坚硬犁底层的作业，在土壤中切成梯形的截面土垡之后铺放回田中，创造出“上虚下实、左右松紧相间隔，以及紧层下部拥有鼠道”的有利于作物生长的结构土壤层( 见图 2) ，而且还能够提高土壤的通水透气、储蓄雨水的能力，改善土壤耕层的特性; 但全方位深松作业对土壤耕动量较大，耕作之后土壤中水分的蒸发量较大[20-21]，且需较大的动力输出。

全方位深松机的深松铲(见图3)主要是由侧刀、左右相互对称的连接板和1个底刀组成的梯形机架。作业时，土壤会受到拉伸、弯曲、剪切等作用力，从而促使土壤松碎[22]，但深松铲侧边及底部的土壤不会受到挤压。全方位深松机的深松范围较大、碎土性能较好，并能保持地表秸秆、残渣的覆盖，可降低土壤的风蚀、水蚀和跑墒[23 - 24]。耕种不同的作物及在不同的土壤环境下，耕作时也会有相应的差异。总体来说，深松深度一般为35～50cm，在播种之前先进行秸秆处理，作业时深松深度要一致，不应出现漏松或重复现象。当天气特别干旱时，可进行造墒、保墒处理，根据耕作土壤的条件和机具的进地次数，一般情况下，2～4年深松一次[25]。

图2　全方位深松土壤结构

图3　全方位深松铲

3.2.2局部深松

局部深松(即行间深松)是利用立柱式深松铲进行间隔松土作业，松土区域与不松土区域相互间隔，使耕层土壤虚实共存(见图4)，并且深松铲能够打破坚硬犁底层，增加土壤的蓄水能力。深松耕作的幅宽和深度可根据实际需要进行调节，且所需动力输出比全方位深松小[26]。

图4　局部深松

该深松机具不仅通过性能较好，而且对动土量相对较少，但工作后的地面凸凹不平；深松部位土壤中留有竖直的松土沟槽，对后续作业及作物生长存有一定的影响，并使土壤中水分的蒸发加剧[27]，造成不必要的浪费。同时，当地表秸秆的覆盖量较大时，由于各深松铲之间的间距较小，机具会产生拥堵现象。根据耕作的土壤条件和机具的进地次数，一般2～4年采用带翼形铲或凿形铲式的深松机具作业1次。

4深松机在国内外发展的现状

深松机具根据不同的标准可以分为多种类型：①根据深松范围进行分类，可以分为全方位深松机和局部深松机；②根据项目数量进行分类，可以分为深松联合作业一体机和单一深松机；③根据工作方式进行分类，可以分为振动式深松机和机械式；④根据作业机具结构原理分类，可以分为翼铲式、凿式及鹅掌式等[28]。

4.1国外深松机发展现状

20世纪30年代，美国、西欧等西方发达国家就已经开始对深松技术进行研究和应用。目前，美国、西欧、日本等发达国家研究的深松机具已经相当的完善，不仅根据不同的需要研制出了多种深松机具，而且已经形成了系列。深松机具的松土方式主要有震动式松土和挤压式松土两种类型[29-30]。其主要与大功率拖拉机相配套使用，具有深松的耕幅和耕深范围大、深松速度快及作业质量好等优点。主要产品有：

1)OPICO公司生产的HE-VA型深松机，采用凿型式松耕铲，耕幅范围为2.5～4m。该机具在铲柄座上加装有安全销，在耕作的过程中机具如果遇到树根、石块等坚硬的物体时，深松铲柄将会切断安全销，从而可以防止障碍物对松耕铲的破坏。

2)约翰迪尔公司生产的915V型深松机。该机机架为V字型，松耕铲采用翼铲式，可以安装5、7、9、11、13个深松铲进行深松作业，可以实现全面深松和间隔深松。带翼铲的柱式深松机的铲柄的强度较高，在铲柄左右两侧分别安装略斜向上翘的翼铲。翼铲和铲尖采用螺栓连接，被磨损时均可更换；铲尖在深入土壤进行作业时，大约以45°的方向斜向上疏松土壤；同时，翼铲也大约以45°的方向斜向上疏松土壤。各铲体之间的间距可以根据铲体数目的多少来进行控制，进而可以实现全面深松和间隔深松。耕作之后，表层土壤较疏松，松土质量较好，秸秆覆盖率较高，松后地表较平整。该机具最大耕深能达584 mm，需与330.8kW以上拖拉机配备使用。

3)日本川边农研研发的SVS—60型多功能振动深松机。该机具处于世界先进领先水平，是日本独自生产研发的专利产品，在国内仍无同类产品。该机具结构简单、紧凑，便易安装，成本较低，功能较多且节约能源；最大入土深度可达70cm；主要由振动源、万向轴、减振器、机架及松耕铲等组成。其主要技术为L形松耕铲和振动源。该机具主要用于多年连续机械耕作形成的坚硬犁底层、粘性的土质、改良底湿等农田；解决斜坡、丘陵等耕地水平位置相差较大的保水、保肥、保土的问题，能够促使土壤水库容量增加；促进果园、牧场等多年生植物的新根系生长延伸，对于有砾石的土壤，其他机械不适应的地方能够发挥其真正的威力所在；同时能够疏松土壤，形成的鼠洞能够排水并储存，收获中药材及根菜类作物等。

4.2国内发展现状

我国从20世纪60年代初开始进行相应的研究，多个高校、研究院所及生产企业等做了大量工作，在深松机具的设计和生产方面取得进展。与国外的机型相比，国内的机型更小型化，多以联合作业机为主，并且品种参差不齐，没有形成一定的标准化，只适合局部地区作业使用，但更符合我国目前耕地地块面积小、环境差异较大的土地耕作状况。同时，我国研制的深松机具比国外的质量较轻，价格更低。更受用户的欢迎。主要产品有：

1)中机美诺科技股份有限公司设计生产的2306全方位联合深松机。该机适用于平原、丘陵轻壤、中壤、重壤及粘土等农田耕整和中低产田改造已耕地深松作业，可与92kW以上拖拉机配套使用，作业幅宽2 000mm，铲间距小于等330mm，深松深度达到300～500mm，松耕铲刃部硬度深松深度稳定性达到80%以上。其主要采用加强型三点悬挂机构，与动力连接牢靠、挂接方便、使用寿命长；采用凿形铲翼式松土器，左(右)侧翼铲、铲尖及刀片均可单独更换，保养维护简单、方便；采用前、后两组碎土辊，碎土效果好，具有作业效率高等特点。

2)由中国农业大学保护性耕作研究中心研制开发、山西旋耕机厂生产的凿型铲式深松机，如图 5所示。该机的主要具体技术参数如下：

配套动力/kW：47.8～58.8

作业幅宽/cm：200

工作速度/km·h-1：4～6

生产率/hm2·h-1：0.52～0.78

该机具的松土铲采用凿形铲式，实质是一巨型断面的铲柄延长，下部按照一定的半径进行弯曲，铲尖采用凿形式，凿形铲的宽度设计为20cm。深松的耕作宽度由铲尖行进过程中产生的扇形松土范围来确定，对耕层土壤的搅动量较少，机具耕作深度可达20～40cm，且不翻动上下层土壤。该机具深松后地表相对较平整、土壤疏松度适中、耕后沟底形成蓄水保墒鼠道且能耗较低，深松深度根据不同作物及不同土壤要求可进行调节。

图5　凿型铲式深松机

3)山东大华机械有限公司生产研制的2BMYFS-16(5)/8(5)-4深松免耕施肥播种机。该机可与73.5～147kW拖拉机配套使用，作业幅宽2～3.5m，作业深度可以达到30cm以上，播种行数14～20行，可一次性完成全方位深松土壤、深施化肥、苗带旋耕、施种肥、畦土覆平、双圆盘开沟器开沟、播种及镇压等多道工序。该产品为组合式机具，既可组合使用，也可拆开单独使用，是一种功能比较齐全先进的保护性耕作机具。

4)中国农业科学院研制的ISQ-250型全方位深松机。其采用梯形框架式深松部件，机具作业时切出梯形形状的断面垡条，土条在机具作业时受多方位、无侧限的挤压，产生拉伸和弯曲变形，以此达到疏松碾碎的目的。因此，其所受牵引阻力较小、能耗降低，并且该机具碎土能力强，松土范围大，利于保墒抗旱，松土层底部能够形成“鼠道”。主要技术参数如下：

配套动力：东方红 75/80

工作部件组数： 2/3 组

工作幅宽/m： 1.44

深松深度/cm： 40～50

深松土壤系数： 0.63～0.77

悬挂形式：后三点悬挂

整机质量/kg：340

5结语

深松作为保护性耕作技术越来越受到重视，因其具有保护环境、节约资源、节本增收的综合效益，得到了较快的发展应用。但也存在一些问题，如工作阻力大、产品杂乱无标准化、适范围比较小等。那么，怎样在保证工作质量的前提下减少深松阻力、节约能源、提高作业速度,成为以后亟待研究的课题。同时，应向标准化靠拢，研制出一机多地区同时使用的机具。尽管深松机具有不同程度的缺陷，但保护性耕作技术仍然被大多数的农民认可，特别是在政府的积极推广和大力支持下,我国保护性耕作机械必将迅猛发展。

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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

文章编号：1003-188X(2016)06-0253-06

中图分类号：S222.1+9

文献标识码：A

作者简介：王志穷(1987-)，男，河南商丘人，硕士研究生，(E-mail)849917488@qq.com。通讯作者：李霞(1978-)，女，河北衡水人，副教授，硕士生导师，(E-mail)lixia0415@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51365050)；新疆生产建设兵团科技攻关项目(2014BA058)；石河子大学高层次人才科研启动项目(RCZX201307)

收稿日期：2015-05-15