孫文良 李光 李明森 劉鴻雁 趙春凱 崔舒然

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130021)

引言

保護性耕作技術起源于美國，是一種新型耕作技術，旨在播種后1/3以上地表覆蓋殘留物，最大限度地減少土壤侵蝕和損失，保護土壤質量和生物多樣性，同時提高農田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[1]。與傳統(tǒng)的耕作方式相比，保護性耕作技術強調保留或改善土壤結構和質量，減少土壤侵蝕和土地退化的風險。20世紀30年代，美國眾多農業(yè)專家相繼開展了保護性耕作技術方法等方面的相關研究，其中免耕和植被覆蓋耕在保護性耕作中效果尤為顯著[2]。我國對于保護性耕作技術的研究較晚，21世紀初期，逐步形成了秸稈覆蓋壟作少耕、垂直耕與條耕等主要保護性耕作技術模式[3，4]。

20世紀90年代初期，美國率先開始研究條耕技術[5]，美國農業(yè)部(USDA)自然資源保護中心定義條耕是一種保護性耕作技術，旨在播種前或播種時，使用條耕機對特定區(qū)域的土壤進行作業(yè)，形成一定寬度的無秸稈條帶，同時，能夠在玉米生長發(fā)育周期保持秸稈覆蓋，以達到散松土壤或提高播種時土壤溫度的目的[6]，該技術已在美國、澳大利亞等多個國家廣泛應用。

條耕機的出現(xiàn)和應用使得條耕技術更加容易實施和推廣。傳統(tǒng)的手工耕作方式需要大量的人力和時間，而條耕機可以機械化地完成耕作過程，提高了效率和生產力。通過使用條耕機，農民可以更方便地實施條耕技術，并享受到條耕帶來的諸多好處。條耕機能夠在秸稈全量覆蓋條件下，通過單次作業(yè)完成秸稈切斷、清理、松土、合墑與鎮(zhèn)壓等多道復雜工序，有利于改善土壤質量，加速苗期地溫提升周期，提高農作物產量和品質[7]。

本文主要介紹了被動式條耕機作業(yè)原理，國內外研究現(xiàn)狀，機具作業(yè)流程，實現(xiàn)各作業(yè)功能的部件類型，存在問題與展望等內容，為條耕技術的推廣，條耕機的研究與設計提供參考與借鑒。

1 條耕機工作原理

條耕基本上保持了秸稈覆蓋還田的技術特點，20世紀90年代末—21世紀初期，各國農業(yè)機械生產廠商逐漸開始生產為條帶耕作模式配套的作業(yè)機具。按照作業(yè)原理可以將條帶耕機分為主動式條耕機與被動式條耕機2類[8，9]。

被動式條耕機相比于主動式條耕機具有更好的靈活性和適應性，可以根據(jù)拖拉機的動力匹配作業(yè)行數(shù)，并且方便調節(jié)行間距以適應不同作物的種植需求。因此，被動式條耕機是目前應用最為廣泛的條耕機類型。與主動式條耕機相比，被動式條耕機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在動力消耗少、工作幅寬大、適應性強和成本低等方面。如圖1所示，為美國Yetter公司生產的2984系列條耕機最具代表性。

圖1 Yetter公司生產的2894系列條耕機

該系列機型的主要工作原理：機具作業(yè)時，最前端限深輪位于缺口圓盤切刀左右兩側，根據(jù)不同時期地表秸稈覆蓋厚度進行高度調節(jié)，保證切刀入土深度8～10cm，能夠有效地對地表秸稈、作物殘茬進行切斷；秸稈清潔裝置受拖拉機牽引力作用，撥茬輪(盤)繞定軸轉動，能夠將地表秸稈、斷茬向左右兩側拋開，形成一定寬度的無秸稈清潔條帶；深松鏟入土深度10～15cm，將無秸稈條帶范圍內的土壤進行疏松，改善土壤結構與理化性狀，提高土壤透水、透氣性能；根據(jù)不同種植模式要求，弧面缺口耙片將松散土壤沿一定寬度進集中堆積，形成高度在10～15cm的待播條帶；碎土、鎮(zhèn)壓輥將待播條帶中的土塊破碎，同時鎮(zhèn)壓松散土壤，有利于提高地溫、構建理想種床。

2 條耕機國內外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外條耕機研究現(xiàn)狀

美國KUHN公司生產的GLADIATOR系列條耕機見圖2，這種設計和配置使得條耕機在作業(yè)過程中能夠有效地進行切茬、清秸、松土和碎土。獨特的平衡鏈接裝置能夠時刻保持機具與作業(yè)地面水平，如圖2a、圖2c所示，也展示當拖拉機在下坡時向前傾斜時工作單元作業(yè)狀態(tài)。安裝有安全回位彈簧的工作部件可以根據(jù)需要進行調節(jié)，以適應不同的土壤條件和作業(yè)要求，提高整體的工作性能和穩(wěn)定性。切茬刀具采用全刃口平面圓盤犁刀，可以有效切斷茬桿，并將其翻轉至土壤底部，以便后續(xù)的清秸和松土作業(yè)。松土刀具采用全刃口凹面圓盤犁刀，能夠有效松動土壤，改善土壤結構和通氣性。清秸裝置的關鍵工作部件是帶有切刃的平面清秸盤，用于將秸稈和其他雜草等清理出耕作區(qū)，保持耕作區(qū)的整潔?？偠灾谶@個系列的條耕機中，各工作部件設計合理，便于調節(jié)與安裝，能夠滿足不同作業(yè)工序的要求，此設計能夠提高條耕機的作業(yè)效率、作業(yè)質量。

圖2 GLADIATOR系列條帶耕機

美國RTHMAN公司生產的Orthman 1tRIPr/11tRIman系列條耕機見圖3，該系列機型采用切茬-清秸-松土-碎土的作業(yè)工序，各個工作部件通過螺栓固接在單體機架上，確保機具作業(yè)時各連接單體堅固可靠。作業(yè)前，需要根據(jù)具體的耕作要求，對各工作部件進行相對安裝位置的調整，切茬刀具采用全刃口的平面圓盤犁刀，用于切割和翻轉秸稈，使其與土壤混合；松土刀具是對置的8波紋犁刀，用于松土和破碎土壤，改善土壤結構；清秸裝置則采用尖齒輪(盤)式設計，用于清理殘留的秸稈和作物殘茬。

圖3 tRIman系列條耕機

2.2 國內條耕機研究現(xiàn)狀

目前，國內的條耕機廠商已經開發(fā)出了各種不同類型的被動式條耕機，以滿足不同農業(yè)作業(yè)需求。這些機具的出現(xiàn)，可以提高農田整地的效率和質量，從而推動農業(yè)生產的發(fā)展。其中，吉林省康達農業(yè)機械有限公司生產的1ZT-300系條耕機最具代表性，如圖4所示。

圖4 1ZT-300系條耕機

該機需要與動力為110kW以上的拖拉機配套使用，以懸掛方式進行作業(yè)，適用于春秋兩季的保護性條帶耕作，包括處理苗帶秸稈和深松，作業(yè)行數(shù)為4行，播種行距可以調整在55～70cm，結構方面，采用切秸-清秸-松土-鎮(zhèn)壓的作業(yè)順序，各個工作部件布置在單體結構上，在平行四桿仿形架和松土裝置處，有安全回位彈簧，該機型配備的切茬犁刀是平面缺口圓盤犁刀，清潔條帶秸稈的關鍵部件采用的是鯊魚齒形輪(盤)，經該機型作業(yè)后的地塊達到了條帶耕作的技術要求，并且該機型已進入到農機補貼當中。

3 關鍵作業(yè)功能結構部件類型

國外實行保護性耕作技術已經有很長一段時間，其對相關的機械化作業(yè)設備進行了較為深入的研究，經過多年的完善與開發(fā)，已經找到了更適合當?shù)氐母髂Ｊ脚c各功能部件的結構類型，并且這類耕作模式與部件類型已經較為成熟。

3.1 秸稈切斷

圓盤犁刀是秸稈切斷裝置的重要作業(yè)部件，主要用于破茬和防止雜物堵塞。因此，我國學者對圓盤犁刀進行的研究主要集中在其對作物秸稈、根茬的切割能力的影響以及通過結構創(chuàng)新設計來提高其切茬能力。

圓盤犁刀的切割性能對于保證農田的耕作效果至關重要，學者通過研究不同材料、形狀和角度的圓盤犁刀，探索如何實現(xiàn)更好的切割效果，主要研究了圓盤犁刀的尺寸、鋒利度、切割深度等參數(shù)對切茬能力的影響，以尋求最佳的設計和組合。

此外，一些學者通過創(chuàng)新的結構設計來提高圓盤犁刀的切茬能力，改進了刀片形狀、增加了刀片數(shù)量或采用多層刀片結構，以增加圓盤犁刀的切割面積和作用力，從而提高了切茬的效果。目前應用最多的結構形式如圖5所示。

圖5 刀盤

如圖5a所示，平面型圓盤刀安裝于機器前端，主要用來將耕作地面的秸稈、殘茬切斷，降低機具堵塞風險，平面圓盤刀的作業(yè)性能較為優(yōu)越，對土壤擾動小，同時具有良好的松土能力。然而，平面圓盤刀自身的設計特點，使其更容易將秸稈推離土壤表面，而不是完全切斷，因此，在切割秸稈方面，平面圓盤刀的切割率較低，尤其是在土壤強度較低且秸稈較多的作業(yè)條件下，切割秸稈的效果受到一定的限制。

如圖5b所示，波紋型圓盤刀相比于平面型圓盤刀，在作業(yè)時，靠近邊緣的波紋結構能夠增加土壤的擾動效果，使松土效果更好。然而，與平面型圓盤刀相比，波紋型圓盤刀與土壤接觸面積增大，導致土壤阻力增大，因此，波紋型圓盤刀在達到固定作業(yè)深度時需要更大的下壓力，一般情況下，需要配置800～1500N的下壓力才能保證波紋型圓盤刀的良好作業(yè)性能，同時，由于波紋型圓盤刀作業(yè)時的阻力較大，相應的成本也會大幅增加。因此，在使用波紋型圓盤刀時，需要考慮到機器本身的質量和牽引力是否能夠滿足需求，同時，增加下壓力可能需要額外的結構設計，進而增加了生產成本。

如圖5c所示，缺口型圓盤刀是在平面型圓盤刀的邊緣處按照一定數(shù)量進行切割，形成缺口，相對于波紋型圓盤刀，缺口型圓盤刀對于條耕機的配重要求較低，同時，缺口型圓盤刀的切土性能和切茬性能與平面型圓盤刀相類似，而成本則相對于波紋型圓盤刀較低，在切割秸稈時，缺口型圓盤刀會將秸稈固定在缺口處，減少其滑動，從而提高切割率，此種結構設計能夠有效增加切割秸稈的效率，同時，由于切割性能與平面型圓盤刀相似，缺口型圓盤刀在保持松土能力的同時，還可以有效切斷秸稈，提高整體作業(yè)效果。

3.2 秸稈清理

目前，免耕播種機和條耕機主要配備了被動輪盤式清潔裝置，具有許多優(yōu)點，如土壤擾動小、作業(yè)阻力低以及安裝方便等，所選用的部件如圖6所示。

圖6 秸稈清潔部件

圖6a～c是一種圓盤類弧面結構部件，具有較高的清秸率，能夠較好地清除農田中的秸稈等雜物。然而，這種部件在使用過程中會造成較大的土壤擾動和拋擲損失，同時也會導致較高的工作阻力和動力消耗。

清秸盤(輪)是一種改進的部件，可以更好地控制土壤的擾動，并減少農田中農作物的損失。與傳統(tǒng)的裝置相比，清秸盤(輪)工作阻力小、動力消耗低，使作業(yè)更加高效和經濟，如圖6d～g所示，其中，圖6d、圖6g是目前應用最多的清潔輪，圖6d為仿形爪式清潔輪[10]，具有良好的清潔效果，對土壤擾動、拋擲損失最??；圖6e為斜面輪，清理土塊、碎屑等雜物效果明顯，通常適用于少耕、傳統(tǒng)耕作與垂直耕；圖6f為多缺口輪(盤)，對于堅韌的作物根茬具有良好的清潔效果；圖6g為鯊魚齒輪(盤)，具有向后的鋒利傾斜齒，在清理殘留物的同時，還具備切削效果，土壤擾動范圍小，殘留物拋灑距離低，通常適用于常規(guī)、少耕、免耕等技術模式。

這些部件通過被動式清潔裝置，可以有效清除農田中的茬稈等雜物，避免對后續(xù)作物的生長和發(fā)展造成不利影響。同時，這些部件的作業(yè)阻力相對較低，能夠提高作業(yè)效率，使得耕作過程更加順利和高效。

3.3 松土

深松鏟作為條耕機的主要土壤作業(yè)部件，其主要由鏟柄、鏟尖與鏟翼3部分組成，目前條耕機使用較多的是雙翼形深松鏟與鑿式深松鏟，如圖7所示。

圖7 深松鏟

雙翼形深松鏟在一定范圍內可以通過改變鏟翼大小、入土角度，從而改善土壤擾動效率，提升土壤蓬松效果，提高工作性能，其鏟尖大小隨著雙翼大小改變而改變，主要分為雙翼狀與箭形狀，如圖8所示。

圖8 雙翼形深松鏟

鑿式深松鏟主要由鏟尖與鏟柄組成，鏟尖寬度常略寬于鏟柄是其獨特的結構特征，在入土深度相同時，鑿式深松鏟位移最短，動力消耗最小，為了減輕鏟尖的磨損，目前已有一種雙頭鏟尖的獨特設計，兩端均可作為工作端使用。廣泛使用的結構特征如圖9所示。

圖9 鑿式深松鏟

3.4 碎土、鎮(zhèn)壓

碎土、鎮(zhèn)壓輥是條耕機中的重要作業(yè)部件，用于壓實土壤，不論是傳統(tǒng)耕作還是保護性耕作，土壤的壓實作業(yè)都是影響作物產量的重要因素之一，條耕機常用的3種碎土、鎮(zhèn)壓輥如圖10a～c所示。

圖10 碎土鎮(zhèn)壓輪

碎土、鎮(zhèn)壓有助于減少土壤中的大孔隙，從根源上減少水分蒸發(fā)損失，提高水分利用效率。同時，鎮(zhèn)壓還能增強土壤毛細管作用，促使深層土壤水分沿著毛細管上升，起到調控水分和保墑的作用。另外，適當提高地溫也是鎮(zhèn)壓輥的作用之一，通過增加土壤的密實程度，鎮(zhèn)壓輥可以促進熱量的吸收和積累，提高土壤的熱量傳導性，從而適度提高地溫，有利于作物的生長和發(fā)育。

這些結構與部件類型是通過科學研究與實踐逐步發(fā)展起來的，并且在不同的國家和地區(qū)可能會有一些差異和適應性調整。但總的來說，條耕機的相關裝置與部件已經取得了較好的效果，并且為農業(yè)生產提供了更可靠、高效的解決方案。

4 存在問題

4.1 條耕機標準化程度較低

由于我國對于條耕技術的研究較晚，開發(fā)設計條耕機的周期短，研究基礎薄弱，導致市場上各類機型參差不齊，缺乏統(tǒng)一規(guī)范性，增加了維護與維修的困難程度，同時還存在產品質量不穩(wěn)定，相同部件通用性與互換性較低等問題，嚴重制約著條耕機的使用與推廣。

4.2 機械加工工藝有待提升

4.2.1 國產化進展受限

缺乏先進、高效的工藝技術，無法保證關鍵部件的生產能力和競爭力的持續(xù)提升。

4.2.2 技術依賴度高

關鍵部件依賴進口或外部供應商，無法實現(xiàn)獨立自主生產。不利于我國產業(yè)的科技創(chuàng)新和提升。

4.2.3 效能和可靠性下降

關鍵部件的性能無法滿足要求，導致產品效能下降，可靠性降低，無法滿足市場需求和用戶期望。同時，維修和維護成本也增加。

4.2.4 技術創(chuàng)新能力受阻

限制了關鍵部件相關產業(yè)的技術創(chuàng)新能力，缺乏先進工藝技術的應用和研發(fā)，難以實現(xiàn)技術的突破和創(chuàng)新。

4.2.5 行業(yè)競爭力下降

關鍵部件的國產化不足和性能無法滿足要求，降低了整個行業(yè)的競爭力。對比國外同類產品，我國產品在價格、質量、性能等方面存在劣勢。

4.3 作業(yè)效率低

4.3.1 技術限制

目前的條耕機技術還存在一些限制，使得其作業(yè)效率相對較低。如，作業(yè)速度受限，作業(yè)寬度有限，操作難度大等，都可能導致作業(yè)效率不高。

4.3.2 作業(yè)環(huán)境

土壤的濕度、秸稈長度與秸稈覆蓋量等因素對條耕機作業(yè)效率產生嚴重影響。

4.3.3 缺乏智能化和自動化

當前的條耕機缺乏智能化和自動化的功能，無法根據(jù)實際情況進行自主調整和優(yōu)化，需要人工進行監(jiān)測和調整，這使得條耕機的作業(yè)效率受到限制。

5 展望

隨著技術的不斷進步，自動化技術在農業(yè)領域得到了廣泛應用，條耕機也不例外，未來的條耕機將采用先進的傳感器、控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自主導航、智能化作業(yè)與自動化管理，提高作業(yè)效率和精度。除此之外，條耕機的多功能化設計也將成為發(fā)展趨勢，為了能夠適應農田多樣化的種植模式需求，可以增設多種作業(yè)裝置，使得條耕機既能進行條帶耕作，又能進行施肥播種作業(yè)，提高機器的利用率和經濟效益。