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（3）研制出了试验装备，该试验设备可以通过更换部件，实现单立柱深松作业、加小型松土铲的深松作业和加圆盘刀的深松作业；

（4）完成了对该装备的试验研究，通过对实验数据的整理分析，找出了造成深松堵塞和作业阻力大的原因，验证了理论分析的正确性，并为深松机的改进设计提供了可靠的理论依据。

带小铲式深松机阻力和功率消耗最大，相对于单铲深松机阻力增加约9.00%，功率消耗增加10.92%，油耗增加11.33%。

带圆盘刀式深松机性能优于带松土铲深松机和单立柱式深松机。

相对于单铲深松机，工作阻力、功率消耗和油耗分别降低了18.35%、18.57%和10.00%。

且松土作业后沟宽最小，相对于单铲松土减少了23.23%，有利于减少地表水分蒸发和后续作业质量的提高。

关键词：

农业机械，保护性耕作，深松机，试验研究

Basedonthecontrastexperimentofdeeploosening

technologyandequipment

ABSTRACT

Theconservationtillageisrecognizedadvancedagriculturalproductiontechnology,deeplooseningtechnologyisoneoffourprotectivecultivation.Atpresent,deeplooseninghomeworkwidelyadoptedpillardeeplooseningmachine,althoughithassimplestructure,soilandapplycapacity,butleavethelargerafterloosesurfacefertilizsr,aggravatedsoilmoistureevaporates,affecttheinvalidoperationqualityandsubsequentplantingcropgrowthandresistance.But,intheconservationtillageconditionsfordeeplooseningassignments,oftenbecauseofcropresiduesandweedswinding,jam,quality,can'

teveninfluencehomework.Inviewofthis,thestudyofdeepundertheconditionofconservationtillagemachinedragreductionandheldmatsuiiscurrentlytechnology,conservationtillagetechnologyresearchproblemtobesolved.

Thisstudybasedonthepreviousresearchachievementsandmodernengineeringtechnology,aimingatthepillardeeplooseningmachineoperationexistentproblem,putforwardtwosolutions,oneisinfrontoftheshoveldeeplooseningoftheinstallationofasmall,withdeeplooseningsoildepthofsmallersurfacelayer,theharddrivestrokeusingsurfacemovementthroughthesurfacecropresiduesandweeds,solvethehomework,andtoreducecongestionaroundtheworkresistance,2inthedeeplooseningshovelisrightinfrontoftheinstallationofadisk,thediscploughploughknifeknifecutinrollingprocess,andalsoonthesurfacelayerofhardcoveronthesurfaceresiduesandweedcutting,achievesthedragreductionandwindingproblem.Throughcontrasttest,todeterminetheoptimaldesignofdeeplooseningmachine,themachinefordeeplooseningimprovementdesignprovidestheoreticalsupport.Theresearchcontentandtheresultsareasfollows:

（1）analysisontherestrictionconditionsofprotectivecultivationtechnologyapplicationunderdeeplooseningofthekeyisproposed,basedonthecontrastexperiment,searchcolumndeeplooseningmachineintheworkingprocessofblocking,tractionwindingresistanceofthinking,

（2）putforwardtwodeeplooseningmachinedesignimprovementscheme,namely:

thecolumninthedeepdarkloosepinemachinewithaspadespadeinsmallfertilizsrcutterdisksortwosetsofsolutions.

（3）developedtestequipment,thistestequipmentcanberealizedthroughreplacementparts,singlepillardeeplooseningassignments,andthedeeplooseningsmallfertilizsrshovelandhomeworkassignmentsofdeeplooseningcutterdisks,

（4）oftheequipmentcompletetestresearch,throughtheanalysisofexperimentaldata,findoutthecausedeeplooseningandoperationofreason,resistancetoverifythecorrectnessofthetheoryanalysisandimprovementofmachinefordeeplooseningdesignprovidesthereliabletheorybasis.

Taketypedeeplooseningresistanceandpowerconsumption,relativetothelargestsingleshoveldeeplooseningresistanceincreasedapproximately9.00%,powerconsumption11.33%increase10.92%increasefuel.Withcutterdiskstypedeeplooseningmachineperformanceisbetterthanwithshoveldeeplooseningandapplysinglepillardeeplooseningmachine.Comparedwithsingleshoveldeeplooseningmachine,workingresistance,powerconsumptionandconsumptionreduced18.35%respectively,18.57%and10.00%.Aftertheoperation,andapplytheminimumwidth,relativetoditch23.23%reducedsingleshovelfertilizsr,toreducegroundmoistureevaporateandimprovethequalityofoperations.

KEYWORDSagriculturalmachinery,conservationtillage,deeplooseningmachine,experimentalresearch

第一章绪论

1.1研究的目的及意义

1.1.1保护性耕作的起源

保护性耕作是对农田实行免耕、少耕，尽可能减少土壤耕作，并用作物秸秆、残茬覆盖地表，减少土壤风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业耕作方法。

深松作业是保护性耕作技术四大关键技术之一，是传统耕翻作业的替代技术。

具有疏松土壤，加深耕作层，改善土壤的透水、透气性和土壤的团粒结构，有利于雨水的入渗与作物根系的发育，提高蓄水保墒能力，改善土壤肥力等作用，是农田耕作环节的一项主要措施。

目前主要应用于干旱、半干旱地区农作物生产及牧草的种植[1]。

　　保护性耕作起源于美国。

十九世纪末，美国实施西部大开发，大量干旱半干旱草原被开垦成农田，虽然获得了几十年不错的粮食产量，但是由于植被破坏、土地大量翻耕，土壤退化，20世纪30年代，干旱、贫瘠、细碎的裸露农田难以抵挡大风的袭击，成千上万吨表土被刮走，沙尘遮天蔽日，酿成了震惊世界的“黑风暴”（强沙尘暴天气）。

1935年5月的一场“黑风暴”，连续3天，横扫美国2/3国土，刮走了表层5cm多厚的肥沃表土，300万hm2农田被毁，冬小麦减产510万T，25%的农场主失去了耕地，被迫远走他乡。

[2]“黑风暴”推动了人们对传统耕作方法的反思和对保土保水新方法的探索。

经过多年的研究，美国科学家确认是铧式犁翻耕破坏了土壤结构和地表植被，使得土壤缺乏抵抗干旱和大风天气的能力。

由此，逐步创立了以秸秆、残茬覆盖和免耕播种为核心的保护性耕作，并发展成为美国主流的耕作制度[3]。

保护性耕作主要包括四项技术内容：

一是改革铧式犁翻耕土壤的传统耕作方式，实行免耕或少耕。

免耕就是除播种之外不进行任何耕作，采用深松与表土耕作方法疏松深层土壤，基本上不破坏土壤结构和地面植被，可提高天然降雨入渗率，增加土壤含水量；

二是用作物秸秆、残茬覆盖地表，保护土壤，减少风蚀、水蚀和水分无效蒸发，提高天然降雨利用率，作物秸秆、残茬腐烂后，还可以增加土壤有机质，培肥地力；

三是采用免耕播种，在有残茬覆盖的地表用机械实现开沟、播种、施肥、覆土镇压复式作业，简化工序，减少机械进地次数，降低成本；

四是改翻耕控制杂草为喷洒除草剂或机械表土作业控制杂草[4]。

我国是世界上主要干旱国家之一，旱区面积占国土面积的52%，深松作业是改善旱区生态环境、增强抵御春旱能力、提高农业生产效益的重要途径之一[6]。

在干旱地区，农田土壤深松就是一项重要的保护性耕作技术，土壤深松打破犁底层，但不翻转土壤，可以减小耕作对土层表面的破坏，提高土壤的蓄水保墒能力，防止水土流失，改善土壤理化性状，降低机械进地次数和耕翻次数同时抑制沙尘，从而达到提高产量的目的。

农作物生长需要一定的耕作深度。

以小麦为例，它的根系主要分布在0～40cm土层内，一般0～20cm土层内的根系占总根量的60%～70%，20～40cm土层内的根系占20%～30%，40厘米以下土层内的根系占10%。

高产小麦的耕作深度一般应大于20cm[5]。

用畜力步犁耕地，犁底不平，耕作深度一般只有12cm左右。

小型拖拉机带单铧或双铧犁耕地，耕作质量虽然比畜力步犁好，但耕深一般也只有14～16cm[8]。

长此以往，熟土层厚度减少，犁底层厚度增加，很难满足农作物生长发育时对土壤的要求，粮食产量就会受到影响。

长期以来，我国相当一部分的耕地由于连年翻耕或旋耕作业，形成了坚硬的犁底层，其厚度可达6～10cm，总空隙度比耕作层减少10%～20%，严重阻碍了耕作层与土层之间水、肥、气、热梯度的连续性，降低了土壤的抗灾能力。

尤其是出现大降水、急降水时，降水不能迅速渗入，地表就会出现径流，造成水土流失，制约了我国粮食产量的提高[10]。

随着我国对农业生产重视程度的不断增加，粮食作物产量得到很大提高。

但是在很多地方，由于人们习惯沿用传统的耕作方式进行生产，土壤暴露，风蚀剧烈，有机质和水分跑失严重，土壤肥力日趋下降，土地得不到休养生息，农业生态系统恶化，严重制约了我国粮食产量的进一步提高[18]。

目前，我国农业生产环境恶化主要体现在水土流失，土壤风蚀，沙化板结和农田土壤暴露，风蚀剧烈，有机质和水分跑失严重，加剧生态环境的恶化[3]。

推广保护性耕作土壤深松机械化技术，一方面是可以增强土壤蓄水保墒的能力，充分接纳天然降水，提高有限降水的利用率，减轻水资源短缺对农业生产的制约；

另一方面可以减少对耕地表层土壤的扰动，有利于防止季节性大风气候对土壤破坏，保护生态环境。

在干旱地区，农田土壤深松就是一项重要的保护性耕作技术，土壤深松打破犁底层，但不翻转土壤，可以减小耕作对土层表面的破坏，提高土壤的蓄水保墒能力，防止水土流失，改善土壤理化性状，降低机械进地次数和耕翻次数同时抑制沙尘，从而达到提高产量的目的[17]。

保护性耕作是当今公认的农业先进生产技术，深松技术是机械化保护性耕作中关键技术，但现有深松机械作业堵塞和阻力大是制约该技术推广应用的关键所在。

深松是土壤耕作的重要内容之一，也是农业生产过程中经常采用的增产技术措施，目的是为作物的播种发芽、生长发育提供良好的土壤环境。

首先，利用机械深松，可以使耕层疏松绵软、结构良好、活土层厚、平整肥沃，使固相、液相、气相比例相互协调，适应作用生长发育的要求[12]。

其次，可以创造一个良好的种子萌发的种床或幼苗生长的苗床。

对旱作农业来说，要求播种部位的土壤比较紧实，以利提墒，促进种子萌动；

而覆盖种子的土层则要求松软，以利透水透气，促进种子发芽出苗，即所谓“硬床软被”。

第三，有利于掩埋田间残茬、杂草和肥料，消灭寄生在土壤和残茬上的病虫害等[16]。

作为深松作业广泛采用的立柱式深松机，虽具有结构简单、入土和松土能力强等优点，但松后地表留有较大的松土沟，加剧了土壤水分的无效蒸发，影响后续的播种作业和作物的生长，且工作阻力较大。

另外，在保护性耕作条件下作业，作物残茬和杂草会产生缠绕和堵塞现象，影响作业质量，甚至不能正常作业，并使工作阻力进一步增大[10]。

本研究针对保护性耕作条件下深松作业存在的问题，在原有立柱式深松机的基础上，对原有的立柱式深松机进行改进，提高农机具的通过性能，减少作业堵塞，提高作业质量，减低作业阻力和能量消耗，进而降低生产成本。

并为深松机的改进设计提供技术支撑。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外

　20世纪80年代以后，保护性耕作逐步推广应用到70多个国家[6]，据统计，目前，全世界保护性耕作应用面积达到1.69亿hm2，占世界总耕地面积的11%。

主要在旱作农业区小麦、大麦、玉米、苜蓿、豆类、油菜、棉花、小杂粮等10多种作物的生产上应用。

南美洲的一些国家和澳大利亚应用面积均已超过本国耕地面积的70%[18]。

主要国家的情况如下。

（1）美国

　　从20世纪40年代开始研究保护性耕作技术，60年代开发成功免耕播种机和除草剂后，开始在全国大面积推广，2002年保护性耕作应用面积达到6769万公顷，已占到总耕地面积的60%[6]。

　　美国保护性耕作应用面积已经接近适宜区域总面积，除了收获时必须翻耕土壤的马铃薯、甜菜以及无法保留秸秆覆盖的蔬菜等作物之外，所有的谷物生产都采用了保护性耕作技术。

（2）加拿大

　　20世纪60年代以前，加拿大普遍采用铧式犁翻耕方式，土壤过度翻耕，地表残茬稀少，难以有效抵抗风蚀和水蚀，而且干旱严重。

加拿大从60年代开始引进、试验保护性耕作技术，70～80年代研制成功配套机具和除草剂，1985年，开始在三个农业省大面积推广，截止2002年，保护性耕作应用面积达到1.3×

106hm2，占全国耕地的30%。

近几年，加拿大举办的全国性农机展会上，传统耕作机具已经消失，几乎全是保护性耕作机具[6]。

　（3）巴西

　　1971年，巴西引进并试验成功保护性耕作技术，由于缺少免耕播种机具，4年多的时间应用面积不足1×

103hm2。

1975年开发成功免耕播种机后，应用面积逐步扩大，1985年达到4×

105hm2，1995年达到65×

104hm2，2002年达到17×

104hm2，17年的时间内，保护性耕作面积增加40多倍，是世界上保护性耕作应用面积增长最快的国家。

截止2004年，巴西保护性耕作应用面积达231×

105hm2，占全国耕地总面积的近60%[12]。

　（4）阿根廷和巴拉圭

　　截止2002年，阿根廷保护性耕作面积2×

108hm2，巴拉圭1.7×

107hm2，均超过本国总耕地面积的80%[19]。

　　南美洲在短短的20多年时间内，能够大面积应用保护性耕作技术的最主要因素是开发出适合当地经济条件、农民能够买得起的保护性耕作专用机具以及除草剂。

目前，巴西生产的免耕播种机性能上与美国机器相近，但价格要低三分之一[7]。

　（5）澳大利亚

　　澳大利亚是在土壤翻耕造成水土流失严重、导致土层快速变浅的情况下，从20世纪70年代开始保护性耕作试验，80年代开始大规模推广。

澳大利亚谷物研究和发展委员会的调查报告显示，澳大利亚已经完全取消铧式犁，在1996～2002年间，保护性耕作应用面积由60%增加到73%。

据澳大利亚粮食研究与发展中心介绍，澳大利亚近20年粮食产量增加一倍，其中保护性耕作的贡献率在40%以上[6]。

　（6）欧洲

　　欧洲在保护性耕作技术研究与应用方面起步相对较晚，但是发展较快，12个国家应用了此项技术，总应用面积与北美洲相差不大，和南美洲相当。

欧洲大部分国家降雨充沛，土壤侵蚀并不严重，但是，为了简化农业生产工序，降低生产成本，德国、法国、瑞士等国家从20世纪80年代开始推广应用保护性耕作，近10年保护性耕作应用面积有了较大增长，年年翻耕土地的农民越来越少，16%～28%的耕地已经应用了保护性耕作技术。

　　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，一般的增产幅度在5%～10%；

据美国农业部报告，每hm2平均节省工时1.2个，节省燃油5.5L，减少机具磨损与保养费13美元；

保护性耕作可减少水土流失量60%～80%，减少来自农田的扬尘量60%以上，减少冲入河流中的泥土、营养元素（特别是磷元素）和化学药剂50%以上，可将更多的碳元素固定在土壤中，减少排放到大气中的二氧化碳数量，改善大气质量[2]。

1.2.2国内

我国旱地保护性耕作始于20世纪90年代初期。

为了给北方旱地农业探索合理的耕作模式，从1991年开始，原北京农业工程大学完成旱地保护性耕作体系和机具研究，又与山西农机局合作，研究了旱地农业保护性与带状农业耕作技术[20]。

1997年开展了旱地农业持续机械化生产体系研究。

在年降雨量500～550mm的山西寿阳和450～500mm的临汾分别建立了春玉米和冬小麦保护性耕作试验基地，开展农机农艺相结合的系统研究。

2002年5月，农业部在山西省召开了保护性耕作现场会，启动了保护性耕作推广项目，明确在今后一个时期，分两个阶段，有重点的在北方旱区逐步推进保护性耕作。

第1阶段：

从2002～2005年，以京津地区为核心建立两条保护性耕作带，一条是环京津地区保护性耕作带，包括河北中北部、辽宁西部、内蒙古中南部、山西北部、北京和天津等地区;

另一条是沙尘源头保护性耕作带，主要包括，甘肃东部、宁夏中北部、内蒙古西部、山西北部和陕西北部等地。

第2阶段：

在北方，特别是华北、西北、东北大部分地区大面积推广应用保护性耕作，结合国家实施的防护林工程和退耕还林还草工程等生态建设措施，扭转旱作区生态不断恶化的局面。

目前，保护性耕作已在北京、天津、山西、河北、内蒙古、辽宁、陕西和甘肃8个省（区）进行了试验示范和推广应用，取得了明显效果。

为促进北方旱区粮食稳产增产，提高农业综合能力，促进农业可持续发展发挥了积极地作用[22]。

1.3我国发展保护性耕作的重要性和作用

1.3.1发展保护性耕作的重要性

农业部保护性耕作首席专家高焕文讲：

目前，东北黑土区的水土流失面积占总面积的34%，近5O年来，黑土层平均流失了一半，一些地方的黑土已变成了黄土，长此以往黑土地将流失殆尽。

发展保护性耕作是治理农田扬沙、防治农田风蚀和水蚀的重要措施。

通过秸杆留茬和覆盖，起到了挡风固沙的作用。

秸杆还田增加土壤的有机质，改善团粒结构，使可蚀的小颗粒含量减少。

发展保护性耕作是培肥地力、促进农业可持续发展的主要手段。

由于秸杆还田，增加了土壤的有机质，提高了土壤肥力。

据测算，麦田每年可增加土壤有机质0.01～0.03个百分点，玉米田每年可增加土壤有机质0.02～0.06个百分点。

保护性耕作可增加土壤蓄水量16%～19%，提高水分利用率12%～16%。

发展保护性耕作降低农业生产成本、提高生产效益的有效途径。

通过免耕、少耕，采取机械化复式作业，简化生产工序，降低作业成