設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁研究現(xiàn)狀與展望

李祈康，宋昕烔，王麗娟，楊書博，劉 鵬，王輝巖

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255022）

1 研究背景及意義

設(shè)施農(nóng)業(yè)是綜合工程、環(huán)境、生物等技術(shù)，在人為可控的環(huán)境下，為動植物提供最適宜生長條件以達(dá)到高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式，現(xiàn)已成為農(nóng)產(chǎn)品打破傳統(tǒng)季節(jié)性，實現(xiàn)反季節(jié)上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法[1]。

近年來，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，2023 年全國設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積已達(dá)285萬hm2（其中設(shè)施蔬菜占比81%），而非耕地資源中也還有100萬～133萬hm2可開發(fā)用作設(shè)施農(nóng)業(yè)。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的面積已占世界設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積的80%以上。盡管在規(guī)模和產(chǎn)出上已很大，但設(shè)施內(nèi)的機械化作業(yè)水平非常低，不足10%。大多數(shù)作業(yè)仍是手工操作，工作效率低、勞動強度大，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的整體水平[2]。耕整地是設(shè)施農(nóng)業(yè)作物栽培過程中重要的一環(huán)，是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是恢復(fù)和提高土壤肥力的重要措施。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)中耕整地機械化的水平相對于非設(shè)施農(nóng)業(yè)整體較低，主要體現(xiàn)在設(shè)施農(nóng)業(yè)專用耕作機械種類偏少，不能夠滿足多種耕作作業(yè)的要求。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的耕整作業(yè)大多采用旋耕法，其耕翻深度只能達(dá)到10～15 cm，難以達(dá)到深耕深翻。長此以往，土表雜草不能深埋、腐爛，且土壤易形成堅實的犁底層，耕作層變淺，導(dǎo)致保墑性、透氣性差，肥力下降，不利于蔬菜的根系生長。同時，人們?yōu)榱吮阌谑卟说绒r(nóng)產(chǎn)品的銷售流通，長期采用重茬種植，導(dǎo)致病菌孳生[3]。若土地長期不進(jìn)行深翻，土壤深層的蟲卵不易死亡，最后會引發(fā)大面積的病蟲害，從而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。鏵式犁可以達(dá)到深翻的作用，但傳統(tǒng)鏵式犁耕作時將土垡翻向犁溝一側(cè)，使得耕作完成后留一條溝壑。留溝現(xiàn)象在廣袤的農(nóng)田里不會對整體的作業(yè)產(chǎn)生太大的影響，但在溫室大棚，尤其是有立柱的設(shè)施大棚中，溝壑的出現(xiàn)將會極大地影響土地平整性，甚至?xí)＜按笈锓€(wěn)定性[6]。由于沒有適合設(shè)施農(nóng)業(yè)的深耕機具，多數(shù)地區(qū)仍延續(xù)著人力用鐵锨完成深翻作業(yè)。因此，急需一種既能實現(xiàn)就地深翻又使土垡無側(cè)移的新型犁[1]。

2 犁的設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 常規(guī)犁的設(shè)計進(jìn)展

隨著犁體設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已有許多學(xué)者采用大型三維曲面造型軟件或FEM軟件來進(jìn)行犁體表面的設(shè)計與受力分析，與傳統(tǒng)的研究方法相比，該方法更加方便、經(jīng)濟(jì)、降低了實驗費用。對于LEMKRN犁，趙永滿等[4]借助Pro/E軟件，應(yīng)用水平直元線三維參數(shù)化設(shè)計犁體曲面的方法，并利用其設(shè)計了相關(guān)的犁體曲面，實現(xiàn)了犁體表面的參數(shù)化設(shè)計，從而有效地提高了犁體的設(shè)計效率。徐銳良等[5]以BTU35 犁體為基礎(chǔ)，結(jié)合水平直元法用Solidwork建立了基于5種不同導(dǎo)曲線犁體，并利用ANSYS 對這幾種犁體進(jìn)行顯示動力學(xué)分析，得到各自耕作阻力。張娟等[6]通過UG軟件對犁體表面進(jìn)行了模擬，從而為犁體的設(shè)計提供了一種新的方法。Ahmadi等[7]設(shè)計了一種計算模型，可以通過輸入土壤參數(shù)，犁的設(shè)計參數(shù)，工況等得出鏵式犁牽引所需的牽引力以及功率，并評估了其計算精度。Tarverdyan等[8]以鏵式犁為例，建立分析犁體與土垡間相互運動的運動學(xué)分析理論，得出鏵式犁的表面方程。張青松等[9]為了減小犁體帶來的牽引阻力，開展以鏵刃起土角、導(dǎo)曲線開度、直元線起始角等為試驗因素的試驗，構(gòu)建了犁體曲面優(yōu)化模型。并采用3D打印機對犁體曲面進(jìn)行了試制加工。在設(shè)計方面，國外先進(jìn)的三維造型軟件（例如：Solid-Works，CATIA，UG，Pro/E）等）為犁體表面的造型提供了一種新的工具，這對優(yōu)化犁體表面的參數(shù)具有很大的幫助。

2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)翻土犁研究現(xiàn)狀

在犁體設(shè)計理論上，以往的耕作方式主要依賴于傳統(tǒng)的耕作理論。由于耕作土壤種類繁多，耕作條件變化多樣，土壤形態(tài)各異，土壤的容重、含水量、堅實度等指標(biāo)對耕作阻力、土壤黏附等因素的影響很大。在犁體的數(shù)學(xué)描述中，需要從曲元線的角度到犁體的曲面設(shè)計，運用各種數(shù)學(xué)分析的方法來表示犁體表面的數(shù)學(xué)模型。但迄今為止，關(guān)于犁體表面的數(shù)學(xué)模型并沒有統(tǒng)一的、通用性的表述，而犁體表面參數(shù)的選擇也多是由經(jīng)驗決定，缺乏精確的理論計算。在犁體設(shè)計與農(nóng)藝結(jié)合方面，缺少相關(guān)的研究和理論支持。

近年來，針對設(shè)施農(nóng)業(yè)中深翻土地的耕作需求，國內(nèi)學(xué)者開展了設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁體設(shè)計與仿真研究。宋發(fā)成等[10]利用TRIZ理論對鏵式犁進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，合犁體曲面設(shè)計方法提出了一種就地翻土犁土垡無側(cè)移的設(shè)計方案成功解決了鏵式犁土垡側(cè)移的問題，利用Geomagic DesignX 軟件進(jìn)行了犁體曲面的三維建模，提出了一種能夠使得土垡無側(cè)移的就地翻土犁具體設(shè)計方案，完成了仿真分析，為后續(xù)實機的制造奠定了基礎(chǔ)。于圣潔[11]等人在前人的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款新式犁體，基于翻土曲元法對就地翻土犁進(jìn)行正向設(shè)計，得到一種翻垡后土垡無側(cè)移且無犁溝的就地翻土犁體曲面，利用EDEM離散元軟件對所設(shè)計的就地翻土犁進(jìn)行了仿真試驗，在實驗中得出了犁體耕作效果較好，正常工作阻力約為1 200 N的結(jié)論。

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁的研究主要集中在犁體結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析領(lǐng)域。學(xué)者們通過設(shè)計新式犁體、采用TRIZ理論、建立田間耕作試驗平臺等方法，得出有效的耕作方案。未來，國內(nèi)研究將更注重優(yōu)化犁具結(jié)構(gòu)以提高耕作效率，并開展多種設(shè)施農(nóng)業(yè)耕作環(huán)境下的田間試驗來驗證新型犁體的實用性。

3 設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁存在的問題與建議

由于多年的經(jīng)驗和方法論，犁體曲面的設(shè)計參數(shù)積累了大量的經(jīng)驗資料，使犁體表面的技術(shù)達(dá)到了一個固定的成熟度，目前犁耕的效果比較穩(wěn)定。這就導(dǎo)致犁耕技術(shù)的發(fā)展被忽視，在基礎(chǔ)理論和技術(shù)上的投入很少，耕地工藝過程理論和技術(shù)還未形成系統(tǒng)性的成果。犁體結(jié)構(gòu)的配置、配套拖拉機的結(jié)構(gòu)尺寸、動力大小、懸掛方式、限深方法、犁體的安裝角度、高度與間距等因素都會對作業(yè)過程產(chǎn)生影響，因此在研究過程中要從整體操作流程出發(fā)，進(jìn)行更加科學(xué)、合理的深入研究。

同時，在就地翻土犁具體應(yīng)用過程中，由于存在著地理損耗問題[13]（設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁的連續(xù)全面深翻，土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤垂直性減弱）、生態(tài)平衡問題（翻地育秧時，翻耕深度越深，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降就越快，對生態(tài)環(huán)境的損害也越大，特別是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)域，水質(zhì)的變化會帶來更加重要的影響）和機械設(shè)備的問題（犁刀的設(shè)計和材質(zhì)限制了機械犁的堅固性、切割性，使其運行表現(xiàn)不佳。如遇到故障和損壞會產(chǎn)生昂貴的維修費用甚至生產(chǎn)設(shè)備的停滯），我們需要對設(shè)施農(nóng)業(yè)就地翻土犁進(jìn)行改進(jìn)，提高它的生產(chǎn)效率和資源利用率，建議采取如下措施。

從犁體設(shè)計源頭改進(jìn)。犁體曲面的設(shè)計是一個復(fù)雜的多因素混合的系統(tǒng)，其曲面的科學(xué)設(shè)計應(yīng)綜合考慮犁耕前土壤狀態(tài)、犁耕后土壤狀態(tài)、犁體實際運動工況、犁體曲面幾何形狀、土壤最終狀態(tài)等五個因素，確定能合理地表示各種因素的參數(shù)，并確定出一套科學(xué)、合理的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)方程。建議利用CAD技術(shù)建立合理的犁體結(jié)構(gòu)，采用平面-土壤-復(fù)合耕作模式，建立一個智能化、數(shù)字化、可視化的犁體曲面設(shè)計平臺[13]。

合理選擇翻地方式，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)。應(yīng)該進(jìn)行土地調(diào)查，分析土地的特性差異，根據(jù)差異性采取不同的土壤改良措施和施肥措施。例如在貧瘠的地區(qū)使用基于生物技術(shù)的行動定向改造方法，添加適當(dāng)?shù)纳锓柿虾蛷?fù)合肥等。應(yīng)該采用深耕淺播、中耕淺播等耕作方式，控制翻耕深度。這可以避免土壤和生態(tài)環(huán)境的過度破壞。

選擇高質(zhì)量的機械設(shè)備。選擇優(yōu)質(zhì)的犁刀進(jìn)行生產(chǎn)，可以使用生活垃圾、礦渣等復(fù)合材料，實現(xiàn)犁刀的高質(zhì)量制造。制造和優(yōu)化特殊材料犁刀，會使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在物質(zhì)優(yōu)化和積極性方面變得比較活躍，避免農(nóng)民手工勞動的 嚴(yán)重缺陷。

綜上所述，由于現(xiàn)有的研究還未達(dá)到常規(guī)農(nóng)業(yè)耕作工具的水平，亟待進(jìn)一步的研發(fā)和優(yōu)化。未來可以從以下方面展開研究：首先，針對就地翻土犁在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的實際應(yīng)用情況，進(jìn)一步完善其設(shè)計和仿真模型，以提高其耕作效率和減少對土壤的損傷。其次，可以利用新材料和新工藝來設(shè)計和制造就地翻土犁，進(jìn)一步提高其性能和耐用度。最后，可以結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，研究就地翻土犁的智能化控制并優(yōu)化耕作路徑，實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)。