淺析條耕機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

孫文良 李光 李明森 劉鴻雁 趙春凱 崔舒然

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

引言

保護(hù)性耕作技術(shù)起源于美國(guó)，是一種新型耕作技術(shù)，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(hù)土壤質(zhì)量和生物多樣性，同時(shí)提高農(nóng)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(hù)性耕作技術(shù)強(qiáng)調(diào)保留或改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，減少土壤侵蝕和土地退化的風(fēng)險(xiǎn)。20世紀(jì)30年代，美國(guó)眾多農(nóng)業(yè)專家相繼開(kāi)展了保護(hù)性耕作技術(shù)方法等方面的相關(guān)研究，其中免耕和植被覆蓋耕在保護(hù)性耕作中效果尤為顯著[2]。我國(guó)對(duì)于保護(hù)性耕作技術(shù)的研究較晚，21世紀(jì)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(hù)性耕作技術(shù)模式[3，4]。

20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)率先開(kāi)始研究條耕技術(shù)[5]，美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)自然資源保護(hù)中心定義條耕是一種保護(hù)性耕作技術(shù)，旨在播種前或播種時(shí)，使用條耕機(jī)對(duì)特定區(qū)域的土壤進(jìn)行作業(yè)，形成一定寬度的無(wú)秸稈條帶，同時(shí)，能夠在玉米生長(zhǎng)發(fā)育周期保持秸稈覆蓋，以達(dá)到散松土壤或提高播種時(shí)土壤溫度的目的[6]，該技術(shù)已在美國(guó)、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用。

條耕機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用使得條耕技術(shù)更加容易實(shí)施和推廣。傳統(tǒng)的手工耕作方式需要大量的人力和時(shí)間，而條耕機(jī)可以機(jī)械化地完成耕作過(guò)程，提高了效率和生產(chǎn)力。通過(guò)使用條耕機(jī)，農(nóng)民可以更方便地實(shí)施條耕技術(shù)，并享受到條耕帶來(lái)的諸多好處。條耕機(jī)能夠在秸稈全量覆蓋條件下，通過(guò)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(fù)雜工序，有利于改善土壤質(zhì)量，加速苗期地溫提升周期，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。

本文主要介紹了被動(dòng)式條耕機(jī)作業(yè)原理，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，機(jī)具作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)各作業(yè)功能的部件類型，存在問(wèn)題與展望等內(nèi)容，為條耕技術(shù)的推廣，條耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 條耕機(jī)工作原理

條耕基本上保持了秸稈覆蓋還田的技術(shù)特點(diǎn)，20世紀(jì)90年代末—21世紀(jì)初期，各國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)廠商逐漸開(kāi)始生產(chǎn)為條帶耕作模式配套的作業(yè)機(jī)具。按照作業(yè)原理可以將條帶耕機(jī)分為主動(dòng)式條耕機(jī)與被動(dòng)式條耕機(jī)2類[8，9]。

被動(dòng)式條耕機(jī)相比于主動(dòng)式條耕機(jī)具有更好的靈活性和適應(yīng)性，可以根據(jù)拖拉機(jī)的動(dòng)力匹配作業(yè)行數(shù)，并且方便調(diào)節(jié)行間距以適應(yīng)不同作物的種植需求。因此，被動(dòng)式條耕機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的條耕機(jī)類型。與主動(dòng)式條耕機(jī)相比，被動(dòng)式條耕機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在動(dòng)力消耗少、工作幅寬大、適應(yīng)性強(qiáng)和成本低等方面。如圖1所示，為美國(guó)Yetter公司生產(chǎn)的2984系列條耕機(jī)最具代表性。

圖1 Yetter公司生產(chǎn)的2894系列條耕機(jī)

該系列機(jī)型的主要工作原理：機(jī)具作業(yè)時(shí)，最前端限深輪位于缺口圓盤(pán)切刀左右兩側(cè)，根據(jù)不同時(shí)期地表秸稈覆蓋厚度進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，保證切刀入土深度8～10cm，能夠有效地對(duì)地表秸稈、作物殘茬進(jìn)行切斷；秸稈清潔裝置受拖拉機(jī)牽引力作用，撥茬輪(盤(pán))繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠?qū)⒌乇斫斩挕嗖缦蜃笥覂蓚?cè)拋開(kāi)，形成一定寬度的無(wú)秸稈清潔條帶；深松鏟入土深度10～15cm，將無(wú)秸稈條帶范圍內(nèi)的土壤進(jìn)行疏松，改善土壤結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)鎮(zhèn)壓松散土壤，有利于提高地溫、構(gòu)建理想種床。

2 條耕機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外條耕機(jī)研究現(xiàn)狀

美國(guó)KUHN公司生產(chǎn)的GLADIATOR系列條耕機(jī)見(jiàn)圖2，這種設(shè)計(jì)和配置使得條耕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中能夠有效地進(jìn)行切茬、清秸、松土和碎土。獨(dú)特的平衡鏈接裝置能夠時(shí)刻保持機(jī)具與作業(yè)地面水平，如圖2a、圖2c所示，也展示當(dāng)拖拉機(jī)在下坡時(shí)向前傾斜時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)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(pán)犁刀，可以有效切斷茬桿，并將其翻轉(zhuǎn)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(pán)犁刀，能夠有效松動(dòng)土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣性。清秸裝置的關(guān)鍵工作部件是帶有切刃的平面清秸盤(pán)，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?，在這個(gè)系列的條耕機(jī)中，各工作部件設(shè)計(jì)合理，便于調(diào)節(jié)與安裝，能夠滿足不同作業(yè)工序的要求，此設(shè)計(jì)能夠提高條耕機(jī)的作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量。

圖2 GLADIATOR系列條帶耕機(jī)

美國(guó)RTHMAN公司生產(chǎn)的Orthman 1tRIPr/11tRIman系列條耕機(jī)見(jiàn)圖3，該系列機(jī)型采用切茬-清秸-松土-碎土的作業(yè)工序，各個(gè)工作部件通過(guò)螺栓固接在單體機(jī)架上，確保機(jī)具作業(yè)時(shí)各連接單體堅(jiān)固可靠。作業(yè)前，需要根據(jù)具體的耕作要求，對(duì)各工作部件進(jìn)行相對(duì)安裝位置的調(diào)整，切茬刀具采用全刃口的平面圓盤(pán)犁刀，用于切割和翻轉(zhuǎn)秸稈，使其與土壤混合；松土刀具是對(duì)置的8波紋犁刀，用于松土和破碎土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)；清秸裝置則采用尖齒輪(盤(pán))式設(shè)計(jì)，用于清理殘留的秸稈和作物殘茬。

圖3 tRIman系列條耕機(jī)

2.2 國(guó)內(nèi)條耕機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)的條耕機(jī)廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種不同類型的被動(dòng)式條耕機(jī)，以滿足不同農(nóng)業(yè)作業(yè)需求。這些機(jī)具的出現(xiàn)，可以提高農(nóng)田整地的效率和質(zhì)量，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。其中，吉林省康達(dá)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的1ZT-300系條耕機(jī)最具代表性，如圖4所示。

圖4 1ZT-300系條耕機(jī)

該機(jī)需要與動(dòng)力為110kW以上的拖拉機(jī)配套使用，以懸掛方式進(jìn)行作業(yè)，適用于春秋兩季的保護(hù)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(diào)整在55～70cm，結(jié)構(gòu)方面，采用切秸-清秸-松土-鎮(zhèn)壓的作業(yè)順序，各個(gè)工作部件布置在單體結(jié)構(gòu)上，在平行四桿仿形架和松土裝置處，有安全回位彈簧，該機(jī)型配備的切茬犁刀是平面缺口圓盤(pán)犁刀，清潔條帶秸稈的關(guān)鍵部件采用的是鯊魚(yú)齒形輪(盤(pán))，經(jīng)該機(jī)型作業(yè)后的地塊達(dá)到了條帶耕作的技術(shù)要求，并且該機(jī)型已進(jìn)入到農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼當(dāng)中。

3 關(guān)鍵作業(yè)功能結(jié)構(gòu)部件類型

國(guó)外實(shí)行保護(hù)性耕作技術(shù)已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間，其對(duì)相關(guān)的機(jī)械化作業(yè)設(shè)備進(jìn)行了較為深入的研究，經(jīng)過(guò)多年的完善與開(kāi)發(fā)，已經(jīng)找到了更適合當(dāng)?shù)氐母髂Ｊ脚c各功能部件的結(jié)構(gòu)類型，并且這類耕作模式與部件類型已經(jīng)較為成熟。

3.1 秸稈切斷

圓盤(pán)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(guó)學(xué)者對(duì)圓盤(pán)犁刀進(jìn)行的研究主要集中在其對(duì)作物秸稈、根茬的切割能力的影響以及通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)提高其切茬能力。

圓盤(pán)犁刀的切割性能對(duì)于保證農(nóng)田的耕作效果至關(guān)重要，學(xué)者通過(guò)研究不同材料、形狀和角度的圓盤(pán)犁刀，探索如何實(shí)現(xiàn)更好的切割效果，主要研究了圓盤(pán)犁刀的尺寸、鋒利度、切割深度等參數(shù)對(duì)切茬能力的影響，以尋求最佳的設(shè)計(jì)和組合。

此外，一些學(xué)者通過(guò)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高圓盤(pán)犁刀的切茬能力，改進(jìn)了刀片形狀、增加了刀片數(shù)量或采用多層刀片結(jié)構(gòu)，以增加圓盤(pán)犁刀的切割面積和作用力，從而提高了切茬的效果。目前應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 刀盤(pán)

如圖5a所示，平面型圓盤(pán)刀安裝于機(jī)器前端，主要用來(lái)將耕作地面的秸稈、殘茬切斷，降低機(jī)具堵塞風(fēng)險(xiǎn)，平面圓盤(pán)刀的作業(yè)性能較為優(yōu)越，對(duì)土壤擾動(dòng)小，同時(shí)具有良好的松土能力。然而，平面圓盤(pán)刀自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，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(pán)刀的切割率較低，尤其是在土壤強(qiáng)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(pán)刀相比于平面型圓盤(pán)刀，在作業(yè)時(shí)，靠近邊緣的波紋結(jié)構(gòu)能夠增加土壤的擾動(dòng)效果，使松土效果更好。然而，與平面型圓盤(pán)刀相比，波紋型圓盤(pán)刀與土壤接觸面積增大，導(dǎo)致土壤阻力增大，因此，波紋型圓盤(pán)刀在達(dá)到固定作業(yè)深度時(shí)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(pán)刀的良好作業(yè)性能，同時(shí)，由于波紋型圓盤(pán)刀作業(yè)時(shí)的阻力較大，相應(yīng)的成本也會(huì)大幅增加。因此，在使用波紋型圓盤(pán)刀時(shí)，需要考慮到機(jī)器本身的質(zhì)量和牽引力是否能夠滿足需求，同時(shí)，增加下壓力可能需要額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而增加了生產(chǎn)成本。

如圖5c所示，缺口型圓盤(pán)刀是在平面型圓盤(pán)刀的邊緣處按照一定數(shù)量進(jìn)行切割，形成缺口，相對(duì)于波紋型圓盤(pán)刀，缺口型圓盤(pán)刀對(duì)于條耕機(jī)的配重要求較低，同時(shí)，缺口型圓盤(pán)刀的切土性能和切茬性能與平面型圓盤(pán)刀相類似，而成本則相對(duì)于波紋型圓盤(pán)刀較低，在切割秸稈時(shí)，缺口型圓盤(pán)刀會(huì)將秸稈固定在缺口處，減少其滑動(dòng)，從而提高切割率，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效增加切割秸稈的效率，同時(shí)，由于切割性能與平面型圓盤(pán)刀相似，缺口型圓盤(pán)刀在保持松土能力的同時(shí)，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(jī)和條耕機(jī)主要配備了被動(dòng)輪盤(pán)式清潔裝置，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如土壤擾動(dòng)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(pán)類弧面結(jié)構(gòu)部件，具有較高的清秸率，能夠較好地清除農(nóng)田中的秸稈等雜物。然而，這種部件在使用過(guò)程中會(huì)造成較大的土壤擾動(dòng)和拋擲損失，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致較高的工作阻力和動(dòng)力消耗。

清秸盤(pán)(輪)是一種改進(jìn)的部件，可以更好地控制土壤的擾動(dòng)，并減少農(nóng)田中農(nóng)作物的損失。與傳統(tǒng)的裝置相比，清秸盤(pán)(輪)工作阻力小、動(dòng)力消耗低，使作業(yè)更加高效和經(jīng)濟(jì)，如圖6d～g所示，其中，圖6d、圖6g是目前應(yīng)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(duì)土壤擾動(dòng)、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(pán))，對(duì)于堅(jiān)韌的作物根茬具有良好的清潔效果；圖6g為鯊魚(yú)齒輪(盤(pán))，具有向后的鋒利傾斜齒，在清理殘留物的同時(shí)，還具備切削效果，土壤擾動(dòng)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(shù)模式。

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

3.3 松土

深松鏟作為條耕機(jī)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(jī)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(nèi)可以通過(guò)改變鏟翼大小、入土角度，從而改善土壤擾動(dòng)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(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，在入土深度相同時(shí)，鑿式深松鏟位移最短，動(dòng)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(dú)特設(shè)計(jì)，兩端均可作為工作端使用。廣泛使用的結(jié)構(gòu)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(jī)中的重要作業(yè)部件，用于壓實(shí)土壤，不論是傳統(tǒng)耕作還是保護(hù)性耕作，土壤的壓實(shí)作業(yè)都是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，條耕機(jī)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(shí)，鎮(zhèn)壓還能增強(qiáng)土壤毛細(xì)管作用，促使深層土壤水分沿著毛細(xì)管上升，起到調(diào)控水分和保墑的作用。另外，適當(dāng)提高地溫也是鎮(zhèn)壓輥的作用之一，通過(guò)增加土壤的密實(shí)程度，鎮(zhèn)壓輥可以促進(jìn)熱量的吸收和積累，提高土壤的熱量傳導(dǎo)性，從而適度提高地溫，有利于作物的生長(zhǎng)和發(fā)育。

這些結(jié)構(gòu)與部件類型是通過(guò)科學(xué)研究與實(shí)踐逐步發(fā)展起來(lái)的，并且在不同的國(guó)家和地區(qū)可能會(huì)有一些差異和適應(yīng)性調(diào)整。但總的來(lái)說(shuō)，條耕機(jī)的相關(guān)裝置與部件已經(jīng)取得了較好的效果，并且為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更可靠、高效的解決方案。

4 存在問(wèn)題

4.1 條耕機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低

由于我國(guó)對(duì)于條耕技術(shù)的研究較晚，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)條耕機(jī)的周期短，研究基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致市場(chǎng)上各類機(jī)型參差不齊，缺乏統(tǒng)一規(guī)范性，增加了維護(hù)與維修的困難程度，同時(shí)還存在產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，相同部件通用性與互換性較低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著條耕機(jī)的使用與推廣。

4.2 機(jī)械加工工藝有待提升

4.2.1 國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展受限

缺乏先進(jìn)、高效的工藝技術(shù)，無(wú)法保證關(guān)鍵部件的生產(chǎn)能力和競(jìng)爭(zhēng)力的持續(xù)提升。

4.2.2 技術(shù)依賴度高

關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口或外部供應(yīng)商，無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主生產(chǎn)。不利于我國(guó)產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新和提升。

4.2.3 效能和可靠性下降

關(guān)鍵部件的性能無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致產(chǎn)品效能下降，可靠性降低，無(wú)法滿足市場(chǎng)需求和用戶期望。同時(shí)，維修和維護(hù)成本也增加。

4.2.4 技術(shù)創(chuàng)新能力受阻

限制了關(guān)鍵部件相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力，缺乏先進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)，難以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

4.2.5 行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力下降

關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化不足和性能無(wú)法滿足要求，降低了整個(gè)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)比國(guó)外同類產(chǎn)品，我國(guó)產(chǎn)品在價(jià)格、質(zhì)量、性能等方面存在劣勢(shì)。

4.3 作業(yè)效率低

4.3.1 技術(shù)限制

目前的條耕機(jī)技術(shù)還存在一些限制，使得其作業(yè)效率相對(duì)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(dǎo)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(zhǎng)度與秸稈覆蓋量等因素對(duì)條耕機(jī)作業(yè)效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4.3.3 缺乏智能化和自動(dòng)化

當(dāng)前的條耕機(jī)缺乏智能化和自動(dòng)化的功能，無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自主調(diào)整和優(yōu)化，需要人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，這使得條耕機(jī)的作業(yè)效率受到限制。

5 展望

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，條耕機(jī)也不例外，未來(lái)的條耕機(jī)將采用先進(jìn)的傳感器、控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、智能化作業(yè)與自動(dòng)化管理，提高作業(yè)效率和精度。除此之外，條耕機(jī)的多功能化設(shè)計(jì)也將成為發(fā)展趨勢(shì)，為了能夠適應(yīng)農(nóng)田多樣化的種植模式需求，可以增設(shè)多種作業(yè)裝置，使得條耕機(jī)既能進(jìn)行條帶耕作，又能進(jìn)行施肥播種作業(yè)，提高機(jī)器的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。