引言
土壤作為作物根系生長發育的基質，為作物生長提供所需的營養物質、水分和空氣。北方地區是我國的糧食主產區之一，該地區農業水資源緊缺，且隨著農藝的發展及大型動力機械和耕種機具的應用，對土壤造成壓實和破壞［1］。因此，需采用適當的耕作措施，創造出作物生長所需的土壤環境。
深松作業可打破堅硬犁底層，減輕土壤侵蝕，并減少徑流和水分蒸發，增強雨水的入滲能力，提高土壤蓄水抗旱能力。因此，在減少土壤翻耕和進地次數的同時，對土壤進行深松作業，打破犁底層并疏松土壤，可創造虛實并存的耕層結構。同時，要求松后的土壤有較好的通風透氣性、地表平整，以利于后續作業［2］。當前，我國許多專家對深松技術及相關機具進行了大量研究，深入分析了深松技術的理論、方法，以及深松作業對土壤物理特性、作物生長狀況和作物產量［3 － 6］等的影響; 同時，根據不同的農藝要求和土壤特性研制了多種深松機具、深松部件，對影響深松鏟工作性能\\( 耐磨、減阻等\\) 的因素進行了研究。
本文對我國北方地區的深松技術和機具的研究情況進行研究，并分析了影響深松技術和深松鏟作業性能的因素，為深松技術的進一步發展提出相關建議。
1 機械化深松技術
深松技術可打破長期翻耕形成的犁底層，疏松機械作業造成的土壤壓實，使耕層以下的土壤得到松動，提高土壤的孔隙度和土壤的透水、透氣性能; 并保持地表的植被覆蓋，減少土壤的風蝕與水土流失，有利于生態環境的保護［7 － 8］。
1． 1 深松方式
機械化深松按作業性質可分為全方位深松和局部深松兩種作業方式。
1． 1． 1 全方位深松全方位深松是利用深松鏟進行全面松土并打破犁底層的作業，從土壤中切出梯形截面土垡并鋪放回田中，創造出適于作物生長的“上虛下實、左右松緊相間及緊層下部有鼠道”的土壤構造\\( 見圖 1\\) ，有利于通水透氣、積蓄雨水，改善耕層土壤特性; 但全方位深松對 土 壤 的 擾 動 量 較 大，存 在 較 大 的 水 分 蒸 發量［9 － 10］。全方位深松機的深松鏟\\( 見圖2\\) 主要是由左右對稱的連接板、側刀及 1 個底刀組成的梯形框架，使土壤受剪切、彎曲、拉伸等作用而松碎［11］，但不會對深松鏟底部及側邊的土壤進行擠壓。該深松機的深松區域較大、碎土性能好，并保持表層秸稈、殘差的覆蓋，可減少跑墑和土壤的風蝕、水蝕［12 － 13］。谷謁白等［14］研制了 1SQ—250 型全方位深松機，該機的作業深度穩定、松土阻力小，深松后土壤松碎，土壤體積密度適于農藝要求，且在松土層底部形成縱貫作業行的鼠道，提高土壤滲透及保墑能力。鄭志安［10］對全方位深松部件的松土原理以及深松后的土壤理化性質的變化進行了研究分析，提出了全方位深松機與配套耕作機具配合作業的技術措施。陳明等［15］通過對不同結構參數的全方位深松部件的進行試驗測定，并提出全方位深松部件的合理結構參數，分析各結構參數對碎土效果的影響。李建軍［11］提出了一種新型全方位可調式深松機，利用深松鏟可調式側翼調整深松幅度，實現全方位深松和局部深松兩種方式的變換，對半干旱地區的保護性耕作蓄水保墑作業及東北地區土壤耕層結構的改變有重要影響。
近年來，專家通過引進意大利技術設計了新型全方位深松機—2306 全方位聯合深松機和 ILS 一 340/550 型全方位深松機等，采用鑿形帶側翼的松土鏟; 側翼鏟和鏟尖可方便更換，且鏟柄的間距可調，一次完成多道作業工序，有較好的碎土效果。
1． 1． 2 局部深松局部深松\\( 行間深松\\) 是利用立柱式深松鏟進行松土作業，松土區域與不松土的區域是相互間隔的，使耕層土壤虛實并存\\( 見圖 3\\) ，打破犁底層，增加蓄水量。深松范圍的寬度和深度可根據實際需要進行調節，且需要的動力比全方位深松的?。?6］。該深松機具的通過性能好，對土壤的擾動量相對較小，但作業后的地表不平整; 在松后的土層中留下豎直的松土溝，影響后續的作業和作物的生長，并加劇土壤水分的蒸發［17］; 同時，由于各深松單體之間的間距較小，在秸稈覆蓋量較大時會產生堵塞現象。
局部深松機是由懸掛機架、豎直安裝在懸掛架上的鏟柄及安裝在鏟柄下端的鏟尖組成，相鄰兩深松鏟的間距可調。作業時，鏟柄底部的鏟尖依靠深松機自身的重力壓入土壤，依靠鏟柄和鑿尖撬動土壤，使未深松土壤不斷產生自下而上的剪切裂紋，進而使土壤發生破碎。同時，可以在深松鏟的兩側安裝側翼，帶翼鑿型深松鏟可增加松碎土壤面積，但會對兩側土壤產生擠壓。利用鏟尖對土壤作用產生的扇形松土區可保證松土的寬度，對土壤耕層的攪動較少，且不將底層土壤翻至表層，耕后溝底形成暗溝，土壤疏松適度。為配合遼西壟區保護性耕作，王瑞麗［18］設計了 ISH － 2 型行間深松機采用雙重深松和仿形機構，有利于保護作物根系。四平農機所設計的 1ST － 4\\( 3\\) 壟間深松機，適于壟作地區使用，它有變翼深松鏟，可根據壟距進行調節，避免了壓壟和不對行。通過模擬地鼠在土壤中行走的方式，王振卿［19］設計了 1SY －180 型間隔式深松機，深松部件采用新式鑿形鏟尖，鏟尖前側端的大入土角有利于增加入土性能，且鏟尖的入土角由大變小，可減少工作阻力; 鏟柄上的左右側翼可擴大松土面積，切斷作物殘茬及雜草。
同時，深松部件\\( 鏟柄、鏟尖、側翼\\) 是深松機的關鍵部件，其形狀和結構參數對土壤深松質量、機具性能及作業效果有很大的影響。王薇［20］、周桂霞［21］、張昭［22］等對深松鏟鏟尖的結構參數進行優化設計，改善深松部件的作業性能。李洪文等［23］設計了可調翼鏟式深松機，分析了翼板位置對松土效果、深松范圍、入土性的影響，從而改善了深松效果。
1． 2 振動深松機
目前，針對深松機牽引阻力較大的問題，設計了振動深松機，并對振動減阻的機理進行分析。
振動深松機利用深松鏟和振動體將土層振松，不翻轉土層、不破壞土層結構，有利于創造疏松的耕作層。振動深松可減少牽引阻力，改善拖拉機的牽引性能，但是振動深松所消耗的總功率要比普通深松機要高［24 － 25］。
振動深松機根據振動動力源的不同可分為強迫振動式和自激振動式兩種。
1\\) 強迫振動式深松機是利用拖拉機的動力輸出軸作為動力源驅動振動部件，使其按一定頻率和振幅振動，減小牽引力，但驅動部件增加了拖拉機的功耗消耗［26］。
2\\) 自激振動深松機主要是利用彈性元件使深松機產生自激振動，使整機只產生上下振動，對土壤的沖擊和壓實較小，可以減小拖拉機動力驅動造成的能耗［27 － 28］。
邱立春等［27］對自激振動深松機進行研制，并分析了自激振動減阻性能，得出深松機安裝彈性元件后深松減阻節能效果顯著、碎土效果好、改善了作業質量等結論。王俊發等［29］設計了強迫式振動深松機，分析了牽引阻力與前進速度、振動頻率等之間的關系，得出強迫振動深松可降低牽引阻力，且低頻大幅對振動深松有利。王雪艷［30］對兩種振動方式的關鍵部件進行理論分析和設計，并進行了田間對比試驗，得出強迫振動增加了拖拉機的功率消耗且自激振動的性能穩定的結論。付俊峰、徐宗保等［31 － 32］通過試驗得知: 振動深松比不振動深松作業降低牽引阻力、減少輪胎滑移，進而提高工作效率、節省燃油消耗，且作業速度越快振動深松的效率越明顯。李霞等［33］通過建立土體 － 深松鏟動力學模型，對振動降低土壤切削阻力的機理進行分析，并通過仿真分析和試驗得出振動深松可減少牽引阻力，改善土壤物理特性。
2 減阻耐磨特性的研究
2． 1 減阻性能研究
由于深松作業的動力消耗與工作阻力較大，影響機具的耕作性能，我國學者根據動力學理論對深松鏟的作業狀況建立受力模型，并進行有限元分析。
徐峰［34］對鑿型深松鏟進行力學分析，并建立深松鏟工作阻力數學模型，確定深松鏟的結構參數、土壤特性等因素與深松鏟工作阻力之間的關系。焦仁寶［35］、王宏立［36］等對鑿形深松犁鏟建立了鑿形犁鏟的三維模型，并進行有限元分析，得到鑿形深松犁鏟的應力。余泳昌［37］、周玉乾［38］等通過優化深松鏟結構參數并建立受力數學模型并進行田間試驗，分析了改變參數對受力狀況的影響。張璐等［39］通過對深松鏟與土壤相互作用的受力分析，建立了深松鏟工作阻力模型，并對深松鏟進行了動態有限元模擬，預測深松鏟的工作阻力。張強等［40］用有限元法模擬深松鏟在土壤中耕作過程，分析了耕深與前進速度對深松耕作阻力的影響及深松鏟的減阻效果。汲文峰等［41］應用仿生技術，通過離散元軟件仿真分析了不同作業速度對耕作阻力的影響。陸懷民［42］應用粘彈塑性帽蓋模型，對切土部件與粘性土壤的作用過程進行了有限元分析以及室內試驗，得出了切削阻力與切削速度成正比關系。
有些專家通過對動物的仿生分析設計新型的深松鏟，優化耕作部件的結構和作業效果。劉建軍［43］根據仿生學原理設計了深耕挖掘犁刀，并對三維模型進行有限元仿真分析，分析深耕犁刀的應變量、變形量以及彈性應變強度。郭志軍［44］根據田鼠爪趾彎曲輪廓形狀，設計了仿生彎曲型深松部件，并用有限元法分析仿生觸土面在工作過程中的阻力變化。陳東輝［45］通過研究家鼠爪趾生物鉤形態設計了仿生深松鏟和擠壓成孔的工作部件，降低工作阻力明顯。
2． 2 耐磨特性研究
深松鏟尖在犁底層深松作業時，受土壤的磨損，會使鏟尖的結構發生變化，影響農業生產效率，造成材料損耗和能源浪費。目前，我國學者是通過對材料的表面進行處理和改變深松鏟的結構來提高耕作鏟的耐磨性能。
叢錦玲等［46］通過不同材料、不同熔敷方法，對耕作部件磨損嚴重的部位，熔敷耐磨性能好的合金材料層，提高耕作部件的耐磨性能。郝建軍等［47］用氬弧熔覆自熔性合金熔覆層在刀具上相比常規淬火回火處理的 65Mn 鋼的耐磨性能有所提高。高紅霞等［48］應用模鑄滲工藝在耕作部件表面制備了 WC 顆粒增強鋼基復合材料耐磨層。張新洋［49］以等離子弧的性質為基礎，對蠕墨鑄鐵材質的深松鏟尖進行 Fe90 鐵基自熔性合金粉末堆焊處理，并分別對母材和堆焊層進行耐磨性分析。
榮寶軍［50］利用仿生理論設計棱紋結構表面、仿生凸包結構表面、仿生臺階結構表面和仿生鱗片結構表面，并對幾種仿生結構表面及平板表面進行模擬土壤磨料磨損研究。付乾坤［51］設計空間曲面式深松部件，其工作曲面圓滑過渡，在作業時不會產生局部磨損，且刃線與刀柄光滑連接，減小了鍛壓過程產生的應力。
3 結語
通過分析可以看出，雖然在我國北方地區已經對深松技術和深松機具進行了較為深入的研究，但仍存在一些問題:
1\\) 我國針對深松機的研究，主要集中于深松鏟類型和結構改進等方面，而從深松方式對減阻效果的影響的研究較少。因此，需改進深松方式并優化深松鏟的結構，進而減小工作阻力和動力消耗。
2\\) 作業時，由于深松部件與土壤直接接觸，深松鏟的磨損嚴重。雖然對仿生結構和不同耐磨材料進行一定研究，但對耐磨性能的實際效果不明顯，需進一步研究。
3\\) 在根茬存在和地表秸稈覆蓋較多的情況下，會造成深松鏟的纏繞和堵塞現象，影響深松作業的效果，增加工作阻力。因此，需對深松前的地表狀況和深松防堵性能進行研究，改善深松的作業效果。
參考文獻:
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