大豆—玉米帶狀復(fù)合種植耕種機(jī)械化研究進(jìn)展

單海勇 嚴(yán)旖旎 張晉 劉旭杰 韓笑 劉建

摘要：為充分發(fā)揮大豆—玉米帶狀復(fù)合立體化種植技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保證我國(guó)糧油安全，解決作物爭(zhēng)地矛盾，配套的復(fù)合耕種機(jī)械化研究成為首要環(huán)節(jié)。從國(guó)內(nèi)典型多種植模式出發(fā)，總結(jié)地區(qū)間套作技術(shù)下大豆—玉米配套耕種機(jī)械特點(diǎn)，圍繞耕種機(jī)具整地、潔茬、施肥、排種、播深及投種等作業(yè)階段，闡述對(duì)比耕種機(jī)械技術(shù)工作原理，發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中仍存在秸稈擁堵、種肥排量和位置不協(xié)同、播深變異系數(shù)大和投種著床不均勻等問題，從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合方面提出輕擾低耗潔茬、處方分層施肥、種肥電驅(qū)變量控制、多傳感智能仿形播種、種粒平穩(wěn)著床等一系列改良大豆—玉米復(fù)合耕種機(jī)械的路徑，以期促進(jìn)綠色高效發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大豆—玉米；帶狀復(fù)合種植；機(jī)械化耕種；農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

中圖分類號(hào)：S233.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0042-11

收稿日期：2022年12月20日

修回日期：2023年5月9日

*基金項(xiàng)目：江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所青年科技基金項(xiàng)目（YJ（2022）007）；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300209）；南通鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略研究專項(xiàng)課題（NTXCZX—2022—03）

第一作者：?jiǎn)魏Ｓ?，男?995年生，江蘇鹽城人，碩士，研究實(shí)習(xí)員；研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)智能化。E-mail： 1450910710@qq.com

通訊作者：劉建，男，1965年生，江蘇南通人，碩士，研究員；研究方向?yàn)楦髟耘?。E-mail： ntliuj@sina.com

Research progress on mechanization of soybean-corn belt composite planting

Shan Haiyong， Yan Yini， Zhang Jin， Liu Xujie， Han Xiao， Liu Jian

（Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences/Nantong Key Laboratory of Circular Agriculture， Nantong， 226012， China）

Abstract： In order to fully leverage the advantages of soybean-corn strip compound three-dimensional planting technology， ensure the safety of grain and oil in China， and solve the contradiction of crop land competition， the research on supporting compound cultivation mechanization has become the primary link. This article starts from typical multi planting modes in China and summarizes the characteristics of soybean-corn matching cultivation machinery under inter regional intercropping technology. Around the stages of land preparation， stubble cleaning， fertilization， seeding， sowing depth， and seeding with cultivation machinery， the working principles of comparative cultivation machinery technology are elaborated. It is found that there are still problems in actual production， such as straw congestion， uncoordinated fertilization displacement and position， large coefficient of variation of sowing depth， and uneven seeding and implantation. A series of paths for improving soybean-corn composite cultivation machinery， including light disturbance， low consumption and clean stubble， prescription layered fertilization， variable control of seed and fertilizer electric drive， multi-sensor intelligent shaping seeding， and stable seed implantation， are proposed from the perspective of integration of agricultural machinery and agronomy， so as to promote green and efficient development.

Keywords： soybean-corn; band compound planting; mechanized farming; integration of agricultural machinery and agronomy

0 引言

大豆和玉米作為我國(guó)主要糧油作物，不僅是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其安全高產(chǎn)更是關(guān)系國(guó)計(jì)民生^[1]。近年來，我國(guó)人口及人均消費(fèi)水平進(jìn)一步提高，人均農(nóng)業(yè)耕地面積進(jìn)一步減少，造成糧油供給與人口需求之間的矛盾日益突出。2023年我國(guó)玉米產(chǎn)量2.88×10⁸t，基本實(shí)現(xiàn)自給，大豆產(chǎn)量約2.084×10¹¹t，進(jìn)口大豆則接近9.941×10¹¹t，自給率僅為17.3%。中央1號(hào)文件多次提出穩(wěn)玉米、擴(kuò)大豆，推進(jìn)大豆和油料產(chǎn)能提升工程。

傳統(tǒng)大豆玉米間套作自20世紀(jì)50年代起就在全國(guó)多地應(yīng)用，因田間配置不合理、施肥技術(shù)不協(xié)同、倒伏嚴(yán)重、管理難度大等瓶頸問題，加之機(jī)具通過性差，不適宜機(jī)械化耕種作業(yè)，導(dǎo)致產(chǎn)量效益不高。因此，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)楊文鈺團(tuán)隊(duì)在此傳統(tǒng)間套作基礎(chǔ)上歷經(jīng)20多年研究并創(chuàng)新出現(xiàn)代大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)，通過“擴(kuò)間增光，縮株保密”技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)間套作的改良升級(jí)，形成時(shí)間差和空間差的高矮立體鑲嵌結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分帶輪作，增加了配套耕種機(jī)械化作業(yè)可行性^[2]。由于各地區(qū)土壤質(zhì)地及氣候環(huán)境不同，我國(guó)大豆—玉米復(fù)合主要種植地區(qū)在栽培時(shí)節(jié)、田間設(shè)置、機(jī)具類型、農(nóng)藝參數(shù)等方面存在較大差異，因此需根據(jù)地區(qū)特色的栽培制度與種植習(xí)慣具體分析，進(jìn)一步加大對(duì)大豆和玉米匹配耕種機(jī)具多元化、智能化功能研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的高度融合。

本文圍繞大豆—玉米帶狀復(fù)合耕種全過程，綜述整地、潔茬、施肥、排種、播深及投種各階段機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀，分析不同機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法技術(shù)特點(diǎn)，討論大豆—玉米復(fù)合耕種機(jī)具存在問題與研究重點(diǎn)，以期完善耕種一體機(jī)械化技術(shù)，為提高我國(guó)大豆和玉米綜合生產(chǎn)能力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新增長(zhǎng)點(diǎn)。

1 大豆—玉米帶狀復(fù)合種植耕種機(jī)械研究現(xiàn)狀

1.1 大豆—玉米耕種機(jī)械的必要性

面對(duì)如此巨大的糧油缺口，大豆—玉米復(fù)合種植規(guī)模需求進(jìn)一步加大，大批家庭農(nóng)場(chǎng)與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建成，如何在保證大豆—玉米大面積季節(jié)檔口高效作業(yè)、爭(zhēng)搶農(nóng)時(shí)，又保證高質(zhì)量耕種是復(fù)合種植推廣的制約因素。合理耕整地對(duì)大豆—玉米全生命周期穩(wěn)定生長(zhǎng)創(chuàng)造條件，優(yōu)質(zhì)的種床結(jié)構(gòu)分為種下土壤、種上土壤與表層土塊、根茬覆蓋物，作物生長(zhǎng)需要一個(gè)上松下實(shí)的環(huán)境結(jié)構(gòu)。秸稈還田耕作方式對(duì)土壤耕層緊實(shí)度、儲(chǔ)水率、微生物多樣性等理化性狀影響十分明顯，與大豆和玉米生長(zhǎng)周期的萌動(dòng)出苗、根系發(fā)育及產(chǎn)量息息相關(guān)。精密播種技術(shù)是將種子按照農(nóng)藝栽培要求的株距、行距和深度精準(zhǔn)地播置于預(yù)定的土壤中位置，即“一精三準(zhǔn)”田間配置效果，但豆類大豆與禾谷類玉米在帶狀復(fù)合種植中顯然對(duì)播種參數(shù)要求不同，不僅如此，兩類作物復(fù)合種植所需配套肥料施用也截然不同，因此提高大豆—玉米機(jī)械化作業(yè)不同作物田間分布的均勻性與配比肥料施用的精準(zhǔn)度，通過耕種兩階段高質(zhì)量栽培技術(shù)促進(jìn)糧油高產(chǎn)成為重要一環(huán)^[3]。過去我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力充足，大豆和玉米耕種依靠“手工為主、機(jī)械為輔”型傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式，研究上述現(xiàn)代高質(zhì)量、復(fù)雜化大豆—玉米復(fù)合種植技術(shù)，僅僅依靠人工完成耕種顯然無法即時(shí)滿足生產(chǎn)要求，因此，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合是實(shí)現(xiàn)耕種作業(yè)提效降本的必然途徑，隨著大豆—玉米全程全面機(jī)械化發(fā)展，使用高效綠色耕種作業(yè)機(jī)具成為關(guān)鍵。其不僅可以減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度與降低玉米生產(chǎn)成本，而且可以通過智能控制滿足“快、準(zhǔn)、省”農(nóng)藝措施要求，實(shí)現(xiàn)大豆—玉米帶狀復(fù)合生產(chǎn)專業(yè)化、生態(tài)化、現(xiàn)代化。

1.2 國(guó)外玉米大豆耕種機(jī)具發(fā)展

國(guó)外大豆—玉米種植配套耕種機(jī)具如表1所示。

歐美西方農(nóng)業(yè)多以規(guī)?；?、集約化家庭大農(nóng)場(chǎng)模式進(jìn)行生產(chǎn)，人少地多，不存在作物爭(zhēng)地問題，因此大豆和玉米多采用凈作進(jìn)行種植。而大豆和玉米凈作耕種技術(shù)的研究從20世紀(jì)30年代已經(jīng)開始，并研制了配套機(jī)具，目前對(duì)大豆和玉米多采用耕整播種集成化、通用化機(jī)具，耕種效率達(dá)20 hm²/h，可在單次機(jī)具行程作業(yè)中完成耕整地、精準(zhǔn)施肥、精量播種、質(zhì)量監(jiān)測(cè)及植保除草等功能^[7]。所研制的耕整地、播種機(jī)械采用虛擬仿真擬合系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過變量工作部件來完成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)藝要求。日韓等亞太地區(qū)多以丘陵山地為主，農(nóng)業(yè)種植面積有限，因此大豆和玉米需依賴大量進(jìn)口，隨著對(duì)糧油、牧草飼料、工業(yè)原料需求的增加，近些年也開始進(jìn)行大豆—玉米復(fù)合種植，通過大豆藤蔓纏繞玉米莖稈來增加作物產(chǎn)量，進(jìn)一步研制復(fù)合耕種機(jī)具緩解勞動(dòng)力短缺問題。

1.3 我國(guó)大豆—玉米復(fù)合種植分布情況及耕種機(jī)械化程度

我國(guó)多地區(qū)有大豆和玉米的悠久種植歷史，在凈作玉米或者大豆耕種機(jī)械上發(fā)展較晚，由于我國(guó)多以小地塊、零散化耕種，并不適用西方大型化、多動(dòng)力耕種機(jī)具，在速度、精度和智能化水平上也有一定差距。帶狀復(fù)種是在玉米和大豆間套的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，2022年，我國(guó)將在16個(gè)省市地區(qū)推廣1 000 khm²大豆—玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)，分布廣泛，受不同地形和氣候特征影響，各地區(qū)在作物茬口、耕種時(shí)間和種植模式也有區(qū)別^[8]，研究與開發(fā)適用的耕種機(jī)具尤為重要，各地區(qū)配套機(jī)械如表2所示。大豆—玉米耕種過程是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括了整地、潔茬、施肥、播種環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)前后緊密相連，互相影響。要獲得較好機(jī)具耕種性能，即耕作方面較好的秸稈清潔度、耕深穩(wěn)定性、表面平整度，播種方面較好的排量穩(wěn)定性、穴粒合格率、粒距均勻性等。只有協(xié)同大豆—玉米耕種機(jī)具每個(gè)作業(yè)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)良田與良機(jī)的有效結(jié)合，才能提升現(xiàn)代大豆—玉米復(fù)合耕種制度質(zhì)量。

2 免耕與清茬技術(shù)

作為秸稈綜合利用可持續(xù)發(fā)展主要措施之一，秸稈還田對(duì)于培肥地力、增加有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)有積極的意義^[9]。機(jī)械化秸稈還田是一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用，是耕作制度上的創(chuàng)新。其還田模式包括傳統(tǒng)的深耕翻埋、旋耕混土等主要耕作方式。這要求機(jī)械化作業(yè)需配套滅茬機(jī)、犁地機(jī)、旋耕機(jī)等，機(jī)具多次下田，生產(chǎn)成本高、耗工耗時(shí)。不僅如此，過多的翻耕作業(yè)還會(huì)引起土壤侵蝕、養(yǎng)分流失等問題，造成大量碳排放。張賽^[10]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥—玉米—大豆復(fù)合種植模式下，傳統(tǒng)耕作周年固碳為39 312 kg/hm²，相比壟作+覆蓋的免耕還田年固碳降低19.68%。胡發(fā)龍等^[11]在小麥—玉米間作種植模式下發(fā)現(xiàn)，與帶狀間作保護(hù)性耕作相比，傳統(tǒng)耕作土壤與單位耗水碳排放分別增加了12.4%和9.5%。

在低碳農(nóng)業(yè)背景下，近些年保護(hù)性耕作因其水土保持、抗旱節(jié)水、節(jié)能增產(chǎn)等明顯特點(diǎn)，得到進(jìn)一步推廣。秸稈還田下少耕與免耕覆蓋作為保護(hù)性耕作的核心，為大豆和玉米播種前通過前茬作物收獲機(jī)將秸稈切碎鋪至田塊表面，減少動(dòng)土作業(yè)過程。但由于前茬作物機(jī)具收獲時(shí)秸稈粉碎不完整、覆蓋不均勻及滅茬不徹底，現(xiàn)復(fù)合推廣模式大豆行間距較窄，導(dǎo)致在后續(xù)開溝作業(yè)時(shí)發(fā)生秸稈擁堵、晾籽以及作業(yè)深度不穩(wěn)定現(xiàn)象，直接影響了后續(xù)播種施肥作業(yè)質(zhì)量。

免耕作業(yè)下解決秸稈殘?jiān)蓝鲁蔀榇蠖埂衩讖?fù)合種植可持續(xù)的重要研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過增加秸稈處理裝置來實(shí)現(xiàn)防堵技術(shù)功能，按其驅(qū)動(dòng)方式分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種^[12]。被動(dòng)式秸稈處理技術(shù)主要通過機(jī)具自身重力或者裝置在牽引力下?lián)荛_秸稈，包括分茬器與切茬器等，國(guó)外Fallahi等^[13]分別采用圓盤式、齒形圓盤及波紋圓盤完成表面殘茬碎化。廖慶喜等^[14]提出鋸齒圓盤切刀防堵裝置，預(yù)先將田塊麥秸稈、根茬進(jìn)一步切碎，一定程度上達(dá)到防堵效果。趙武云等^[15]開溝器前設(shè)計(jì)彈齒防堵裝置，通過非線性變形對(duì)秸稈產(chǎn)生短時(shí)間壓制，防止開溝器纏草。在撥拋防堵技術(shù)研究上，2BYF-2/4播種機(jī)具在鏟式開溝器上方安裝被動(dòng)式圓棍防堵裝置，實(shí)現(xiàn)層堆秸稈兩側(cè)位移，緩解秸稈在開溝播種行局部集中^[16]。谷謁白等^[17]運(yùn)用秸稈覆蓋層的連續(xù)介質(zhì)流體特性，設(shè)計(jì)了“層流型”曲面分草器，達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損小良好的繞流性能，但這類撥拋式防堵機(jī)構(gòu)由于缺少大驅(qū)動(dòng)力，在秸稈全量還田下集茬作業(yè)性能下降。被動(dòng)式秸稈防堵主要機(jī)構(gòu)類型如圖1所示。

主動(dòng)式秸稈處理技術(shù)通過外界驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)到秸稈裝置完成清理，包括破茬器、粉碎器和拋茬器等。黃淮海地一年兩熟地區(qū)為了蓄水保墑，培養(yǎng)肥力，有著免耕播種大豆和玉米習(xí)慣，隨著小麥高產(chǎn)帶來的秸稈量增加，為提高后續(xù)大豆和玉米作業(yè)工序質(zhì)量，增加機(jī)具通過性，秸稈防堵技術(shù)成為關(guān)鍵。方會(huì)敏等^[18]針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式圓輥撥爪式秸稈處理裝置，通過將撥爪安裝在開溝器上方，使用EDEM離散元仿真陸續(xù)改進(jìn)了7種型號(hào)，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)下秸稈清除率85%以上。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了阿基米德螺線型防堵機(jī)構(gòu)，機(jī)具前進(jìn)速度7 km/h、液壓馬達(dá)主動(dòng)分撥轉(zhuǎn)速600 r/min，此時(shí)秸稈清除率為92.6%，引導(dǎo)了秸稈攀升層疊，緩解了秸稈局部集中^[19]。劉建等^[20]設(shè)計(jì)的一種全茬地絞龍潔區(qū)秸稈處理機(jī)構(gòu)，左右絞龍關(guān)于中心線對(duì)稱，作業(yè)時(shí)通過通軸螺旋絞龍輸送秸稈至寬行帶集覆，窄行潔區(qū)開溝。施印炎等^[21]設(shè)計(jì)秸稈粉碎條鋪與種帶分型清秸裝置，通過螺旋甩刀組將秸稈粉碎向后噴射，秸稈導(dǎo)流裝置斜面引導(dǎo)自行回落兩側(cè)覆蓋行內(nèi)，種帶清秸率均值≥90%。陳威等^[22]針對(duì)機(jī)械式防堵裝置入土容易掛草問題，設(shè)計(jì)一種基于氣吹式防堵裝置，其采用風(fēng)扇與淺旋配合方式，利用氣流吹散秸稈，試驗(yàn)結(jié)果清茬率為80.55%，晾籽率僅為0.95%，達(dá)到潔區(qū)開溝的目的。

在產(chǎn)品化方面，為降低大豆玉米復(fù)合種植成本，設(shè)計(jì)了2BFYD-2/4型對(duì)稱鋼絲撥尺清秸系統(tǒng)，通過PTO動(dòng)力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)將種植行秸稈撥置寬行處，相比旋耕切茬減小阻力，減低油耗^[16]。王漢羊等^[23]針對(duì)黃淮海地區(qū)一年兩熟輪作制度前后茬緊接導(dǎo)致麥秸稈無法及時(shí)腐解問題，研發(fā)了2BMFJ-3型麥秸稈免耕大豆播種機(jī)，清秸覆秸裝置與前進(jìn)方向垂直，通過相錯(cuò)疊加4把直秸刀將秸稈、根茬切斷并拋撒至機(jī)具外側(cè)，完成對(duì)相鄰播種行的秸稈覆蓋。主動(dòng)式秸稈防堵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 精準(zhǔn)施肥技術(shù)

大豆—玉米施肥技術(shù)是按照一定比例將均勻肥料粒播撒至根系附近，保證種子生長(zhǎng)期足夠的養(yǎng)分，促進(jìn)健康生長(zhǎng)。由于大豆和玉米的肥料運(yùn)籌和用量不同，玉米產(chǎn)量有70%～80%來自施肥，需肥量大，而大豆所需營(yíng)養(yǎng)約50%是由根瘤菌土壤固氮提供，過量施肥導(dǎo)致“氮阻遏”現(xiàn)象。

因此相比凈作，大豆—玉米復(fù)合種植機(jī)械采用隔斷、雙排肥及分控調(diào)肥技術(shù)，如圖3所示，即將肥箱進(jìn)行間隔，雙排肥器玉米集中施肥，同時(shí)采用兩套調(diào)肥系統(tǒng)，滿足大豆和玉米施肥量不同情況下進(jìn)行下肥口獨(dú)立排肥技術(shù)控制與漏肥報(bào)警等。

肥料施用的方式有多種，大豆—玉米種植施肥方式主要有種肥混施、側(cè)位分施、正位分施等。孫昌鳳^[24]研究表明玉米和大豆種肥混施下，種粒與肥料相互接觸，很容易發(fā)生燒種、燒苗、弱苗的現(xiàn)象，因此逐漸被淘汰。而機(jī)械化條施肥技術(shù)與少耕相結(jié)合，達(dá)到了保護(hù)性耕作效果，也已在我國(guó)大面積推廣。機(jī)械化條施肥技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)本增效的農(nóng)業(yè)工程，相配套的機(jī)具發(fā)展成熟。條施排肥器主要有外槽輪式、螺旋式、鉸刀波輪式等，其中外槽輪式排肥器相比其方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均勻度更高，成為目前應(yīng)用最廣泛的一種，如圖4所示。丁國(guó)輝^[25]根據(jù)“2+3”模式設(shè)計(jì)的2BF-5大豆—玉米間作機(jī)具，采用外槽輪式排肥器與活動(dòng)式開溝器實(shí)現(xiàn)橫向可調(diào)條施肥，實(shí)現(xiàn)大豆不施肥，玉米行外側(cè)施肥作業(yè)。潘世強(qiáng)等^[26]優(yōu)化條播外槽輪排肥器，采用槽鑄鋁為材料，排肥槽最佳工作長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，變異系數(shù)最小。

機(jī)械化大豆—玉米施肥技術(shù)不僅僅完善功能性研究發(fā)展，更加考慮到節(jié)本施肥、生態(tài)保護(hù)等問題。由于單行的種粒相距較遠(yuǎn)造成條施行中間肥料不易被吸收而浪費(fèi)，并且多余的肥料會(huì)造成土壤板結(jié)、鈣化，進(jìn)一步影響作物的產(chǎn)量^[27]。機(jī)械化穴施肥是一定質(zhì)量化肥和一定數(shù)量種子相匹配的參數(shù)化施肥技術(shù)，對(duì)玉米—大豆生產(chǎn)節(jié)本增效、健康幼苗及精量高產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展有重要作用。目前穴施肥方式主要有扎穴施肥與開溝穴施肥等，扎穴施肥主要通過排肥器與回轉(zhuǎn)扎穴裝置組合，通過扎穴口間隔往復(fù)扎穴動(dòng)作，扎穴嘴開閉實(shí)現(xiàn)均勻肥料精準(zhǔn)定位。胡紅等^[28]采用驅(qū)動(dòng)曲柄—連桿結(jié)構(gòu)與回位彈簧組合，實(shí)現(xiàn)扎穴嘴往復(fù)間隔扎穴，但是這種扎穴施肥裝置往復(fù)工作效率較低，適合小型機(jī)具，不適用高速作業(yè)，而開溝穴施肥方式建構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣。

相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步從穴施排肥器結(jié)構(gòu)研究，臺(tái)啟磊^[29]設(shè)計(jì)可調(diào)式窩眼式精量排肥器，通過孔型深度和調(diào)節(jié)板開度大小調(diào)節(jié)穴施排量。周云峰^[30]設(shè)計(jì)一種彈射活塞式排肥器，利用活塞機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肥料成穴，見圖5。張俊雄等^[31]通過“機(jī)+電”集成方式設(shè)計(jì)正位穴深施肥精播機(jī)，在已有外槽輪式排肥器均勻輸送肥料流裝置上，在波紋管下端安裝間歇排肥機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制擋板的開閉從而實(shí)現(xiàn)穴施與條施的切換。表3對(duì)各現(xiàn)有大豆—玉米機(jī)械化施肥原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

“精準(zhǔn)施肥”是根據(jù)土壤肥力、作物需肥與目標(biāo)產(chǎn)量，以合理的施肥方式最大限度提高土壤肥力獲得最佳經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。李偉為^[32]為了解決傳統(tǒng)測(cè)土施肥傳感緩慢及測(cè)量片面問題，利用與“互聯(lián)網(wǎng)+3S”技術(shù)結(jié)合方式，建立4層體空間體系的實(shí)時(shí)空間施肥大數(shù)據(jù)可視化地圖系統(tǒng)，為大豆—玉米施肥機(jī)具提供分區(qū)域、分作物的變量施肥處方。王榮本等^[33]為節(jié)省應(yīng)用衛(wèi)星系統(tǒng)成本，采用機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別大田玉米的生長(zhǎng)狀況進(jìn)而對(duì)大豆和玉米定株、定點(diǎn)精確施肥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物智能化精耕細(xì)作。

4 精密播種技術(shù)

4.1 精密排種技術(shù)

大豆—玉米精密播種技術(shù)是將定量的種粒按照適宜的行距、株距和深度進(jìn)行穴播，最大限度提高田間高標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合播種的均勻性，使相同作物對(duì)水分、養(yǎng)分及光能良好吸收，實(shí)現(xiàn)植株長(zhǎng)勢(shì)一致性，從而提高產(chǎn)量。大豆—玉米機(jī)械化復(fù)合播種是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要包括排種、投種和著床3個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)前后緊密相連，互為影響，只有在精密協(xié)調(diào)作業(yè)下，大豆—玉米機(jī)具才能獲得較好的播種性能（重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格粒距變異系數(shù)等）^[34]?，F(xiàn)代大豆—玉米帶狀復(fù)合種植通過“分帶輪作，擴(kuò)行縮株”技術(shù)融合，在播種環(huán)節(jié)配套的機(jī)具上，通過U型連接管將功能集成化的播種單體活動(dòng)連接在機(jī)架上，根據(jù)不同寬帶與窄帶行距橫向靈活調(diào)整安裝位置，采用分控分調(diào)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)大豆和玉米不同農(nóng)藝的耕種要求。

排種器是實(shí)現(xiàn)大豆—玉米帶狀復(fù)合種植的核心部件，按照農(nóng)藝要求連續(xù)提供連續(xù)種子流。大豆和玉米形狀不同，但是大小相似，因此在排種器結(jié)構(gòu)上有一定的通用性，主要分為機(jī)械式和氣力式排種器，氣力式由于生產(chǎn)成本與加工精度在我國(guó)應(yīng)用不高，機(jī)械排種器主要包括：窩眼式、勺輪式、指夾式等。窩眼式排種器是依靠種粒重力滾入窩眼輪上的型孔中，經(jīng)過刮種器去除多余的種子，根據(jù)原理需對(duì)不同形狀的大豆和玉米分別對(duì)應(yīng)制作型孔，適合相同作物相同尺寸種粒排種^[35]。針對(duì)傳統(tǒng)窩眼式大豆排種器在高速作業(yè)下出現(xiàn)破損、漏播問題，設(shè)計(jì)半圓孔式接觸箱壁和更換彈性柔軟式刮種毛刷，通過在窩孔旁增加波紋板，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)短暫性破壞籽粒平衡來增加進(jìn)窩孔的概率。勺輪式排種器通過勺齒與隔板形成持種空間完成充種，運(yùn)動(dòng)到隔板缺口進(jìn)行落種，一定程度上減少了排種過程擠壓損傷現(xiàn)象。為減少大豆和玉米種粒在高速播種時(shí)振動(dòng)掉落現(xiàn)象，指夾式排種器逐漸被推廣應(yīng)用。王金武等^[36]先后采用EDEM離散元模擬和正交臺(tái)架度因素試驗(yàn)優(yōu)化指夾式排種器，結(jié)果表明：彈簧絲徑為0.77 mm，排種器轉(zhuǎn)速小于19.2 r/min時(shí)，性能最優(yōu)。為滿足現(xiàn)代大豆—玉米復(fù)合種植模式玉米“單粒密株”特點(diǎn)，因此現(xiàn)有的機(jī)械式排種器多以增加窩眼密度、輪盤勺數(shù)、指夾密度及優(yōu)化變速箱提高轉(zhuǎn)速形成密集種子流。在解決大豆“單穴多?！杯h(huán)節(jié)，通過并列多排型孔、修改勺齒等優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。此外，在應(yīng)對(duì)西北地區(qū)地膜覆蓋保墑、抗旱技術(shù)上，大豆和玉米直插式播種配套技術(shù)能減少動(dòng)土和對(duì)地膜的損壞，其主要通過滾輪與地面摩擦滾動(dòng)完成打孔器在土壤打孔。趙武云等^[37]設(shè)計(jì)直插式播種機(jī)并進(jìn)行ADAMS仿真，通過分析仿真軌跡優(yōu)化打孔器和投種等參數(shù)。

4.2 播深測(cè)控技術(shù)

播種深度是高質(zhì)量栽培的重要指標(biāo)，播種深度指的是種子上所覆蓋土壤厚度，一般認(rèn)為播種深度即開溝深度。播種深度影響大豆—玉米帶狀復(fù)合種植的出苗率、出苗時(shí)間、養(yǎng)分吸收、墑情氧氣流通等。相關(guān)研究表明^[38]，大豆和玉米的播種深度有著較大差異，為大豆更好出苗，并防玉米倒伏，通常玉米播種深度比大豆深1～2 mm為宜。種粒在較緊實(shí)的下土壤之上或較淺的種上土壤底部，但通常田塊土地為非結(jié)構(gòu)化，平整度不一，因此同一機(jī)具不同種粒的播種深度及變異系數(shù)至關(guān)重要。

播種深度控制主要依靠播種機(jī)具仿形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，按結(jié)構(gòu)類型分為整體仿形與單體仿形。馬旭等^[39]研制的2BS-2精密播種機(jī)，設(shè)計(jì)浮動(dòng)三點(diǎn)懸掛+地輪組合實(shí)現(xiàn)整體仿形，因此難以達(dá)到大豆和玉米不同的播種深度。單體仿形是對(duì)每一播種作業(yè)行獨(dú)立局部仿形，相比整體仿形的播種精度和穩(wěn)定性進(jìn)一步優(yōu)化，逐漸在國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用。開溝深度按驅(qū)動(dòng)方式分為被動(dòng)式仿形與主動(dòng)式仿形，國(guó)內(nèi)播種機(jī)具開溝深度多數(shù)采用被動(dòng)式仿形，其主要通過先前手動(dòng)調(diào)節(jié)播種單體彈簧初始形變量，達(dá)到大豆和玉米每一作業(yè)行不同預(yù)緊力（壓縮或拉伸），從而機(jī)具作業(yè)時(shí)連桿和仿形輪隨地形起伏變化，自動(dòng)調(diào)整開溝器上下垂直的相對(duì)距離，實(shí)現(xiàn)不同作物的播種深度。張守勤等^[40]通過建立仿形輪壓力數(shù)學(xué)模型，并通過仿真優(yōu)化單組的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由于機(jī)械彈簧式仿形機(jī)構(gòu)不適應(yīng)局部土壤緊實(shí)度多變情況，會(huì)影響播種單行的播深一致性，且在機(jī)具高速播種作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)生仿形提前或滯后等現(xiàn)象。主動(dòng)式仿形開溝技術(shù)通過檢測(cè)單位測(cè)量實(shí)際模擬量反饋，與設(shè)定深度進(jìn)行對(duì)比，控制單元計(jì)算誤差，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)開溝器深度微調(diào)節(jié)，通過機(jī)、電、液結(jié)合提高仿形響應(yīng)。在接觸式播深控制系統(tǒng)上，趙金輝等^[41]設(shè)計(jì)雙位移接觸式傳感系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及液壓驅(qū)動(dòng)單元播深閉環(huán)控制方案，試驗(yàn)表明：系統(tǒng)播種控制響應(yīng)性提高到0.12 s，局部播深穩(wěn)定性系數(shù)≥90%。白慧娟等^[42]為提高播深一致性將特定下壓力傳感器安裝在限位軸銷上，通過車載控制器比較測(cè)量值與閾值大小，從而驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整播深，合格率提升≥13%。黃東巖等^[43]為進(jìn)一步提高播深精度，采用PVDF壓電薄膜傳感器安裝于限深輪的胎面，將薄膜形變量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大，驅(qū)動(dòng)空氣彈簧調(diào)整四連桿。除了基于力接觸式測(cè)定系統(tǒng)，還有依據(jù)其他參量的模擬值。Weatherly等^[44]采用DFS濕度傳感器設(shè)計(jì)了一款基于接觸式播深系統(tǒng)，通過土壤含水率參數(shù)調(diào)整開溝深度。在非接觸式播深控制方式方面，Hiroshi等^[45]通過將超聲波傳感器與量規(guī)輪進(jìn)行比較來確定氣吸式播種機(jī)的開溝器工作深度。不僅如此，Suomi等^[46]采用豎直超聲播與角度傳感器組合控制系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)具速度為10 km/h，播種深度為20～50 mm時(shí)，控制誤差在10 mm以內(nèi)。

4.3 平穩(wěn)投種著床技術(shù)

大豆和玉米平穩(wěn)投種著床是機(jī)具精密播種籽粒，經(jīng)由導(dǎo)種系統(tǒng)到達(dá)種床的過程。由于種子本身類球形狀且具有較高的動(dòng)量，會(huì)出現(xiàn)籽粒在種床內(nèi)觸土彈跳、偏移和滾動(dòng)的現(xiàn)象，隨著排種器作業(yè)速度的提高，以及秸稈混土導(dǎo)致田塊物理性狀改變，投種過程的不確定性影響因素更多造成玉米籽粒在種床內(nèi)分布不規(guī)則，從而影響田間微環(huán)境，降低光、熱等資源的利用效率，增加田間管理難度，降低玉米產(chǎn)量。因此，如何抑制玉米種子與土壤接觸后的彈跳滾動(dòng)是提高機(jī)械化播種高效、高產(chǎn)的關(guān)鍵。

以往大多采用試驗(yàn)的方法對(duì)非連續(xù)體顆粒材料間碰撞互作進(jìn)行研究。王未等^[47]采用均勻設(shè)計(jì)方法，對(duì)圓盤開溝種子觸土后的彈跳滾動(dòng)位移進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，建立機(jī)具開溝角與覆土板寬度參數(shù)與籽粒彈跳滾動(dòng)的回歸方程。馬旭等^[48]研究種子落入種溝后彈跳滾動(dòng)，通過二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法建立桌底速度、角度影響因素與籽粒彈跳位移的數(shù)學(xué)模型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用離散元法（DEM）來分析顆粒與其他顆粒的接觸作用可以解決上述問題，對(duì)不連續(xù)領(lǐng)域物體群體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)行為進(jìn)行精準(zhǔn)分析。Coetzee等^[49]分別用多面體方法、多球方法建立了玉米種子顆粒模型，對(duì)種子顆粒模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。石林榕等^[50]采用掃描的方法獲得種子顆粒輪廓后，建立馬齒形種子顆粒模型，分析了種子顆粒尺寸對(duì)排種器性能的影響。周龍^[51]采用離散元法（DEM）來分析顆粒與機(jī)械部件的接觸作用，通過單因素仿真試驗(yàn)對(duì)影響種子彈跳位移的因素進(jìn)行了研究。

在抑制大豆—玉米著床彈跳滾動(dòng)先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)上，通過在排種器下方延伸一段導(dǎo)種滑道，降低投種高度，投種口交叉開溝器方朝后抵消前進(jìn)速度，接近“零速投種”，從而減少滾動(dòng)彈跳^[52]，如圖6所示。

國(guó)外提出一種“二次投種”理論，即將排種器出口種粒運(yùn)輸?shù)捷^低的投種高度再投種，減少種粒著床的不確定性。Garner等^[53]設(shè)計(jì)的毛刷導(dǎo)種帶柔性夾持種粒在低位實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)投種。陳玉龍等^[54]設(shè)計(jì)一種對(duì)置帶式精確投種裝置，通過并列平行安裝軟質(zhì)輸送帶，完成排種后對(duì)種粒的柔性包裹并精準(zhǔn)著床，見圖7。陳學(xué)庚等^[55]設(shè)計(jì)氣吸式排種器帶式導(dǎo)種裝置一體協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，撥指將種子順次撥出并進(jìn)入柵格，取種輪與排種軸速度匹配，種子在輸送帶隔板的推力和重力作用下平穩(wěn)著床，試驗(yàn)表明：投種高度為100 mm，取種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min，粒距合格率為≥97%，提高投種質(zhì)量。

5 大豆—玉米機(jī)械化耕種存在問題

隨著大豆—玉米帶狀復(fù)合種植不斷推廣，通過改裝單種作物耕種機(jī)具的過渡方式也逐漸趨于向復(fù)合耕種機(jī)具獨(dú)立設(shè)計(jì)方向發(fā)展。在此過程機(jī)具的作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量有了較大的提升，但是從國(guó)內(nèi)的復(fù)合耕種及發(fā)展現(xiàn)狀來看，尚存在以下問題需要突破。

5.1 機(jī)械化秸稈還田技術(shù)應(yīng)用問題

前茬秸稈處理是大豆—玉米機(jī)械化高質(zhì)量帶狀復(fù)合種植的前提條件，其中小麥秸稈占大多數(shù)，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“碳達(dá)峰、碳中和”，截至2023年，我國(guó)秸稈機(jī)械化還田率達(dá)到86%，露天焚燒現(xiàn)象明顯減少。通常通過旋耕與深翻方式進(jìn)行機(jī)械秸稈處理，但干旱的西北及沿海鹽堿地區(qū)特定的土地特性，土地耕層淺，影響還田質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)后續(xù)大豆和玉米種肥機(jī)械施用有較大影響。保護(hù)性機(jī)械化耕作技術(shù)對(duì)土壤的擾動(dòng)小，但隨著近年來小麥生產(chǎn)帶來的大量秸稈問題，導(dǎo)致秸稈粉碎度達(dá)不到要求，開溝部件大量秸稈擁堵，拖拉機(jī)牽引力功耗增加，機(jī)具通過性差，地輪被秸稈纏繞架空，由地輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的施肥播種軸失去動(dòng)力，且過多秸稈覆蓋使得機(jī)播出現(xiàn)晾籽現(xiàn)象。

5.2 大豆—玉米機(jī)械化施肥協(xié)同作業(yè)問題

現(xiàn)有小部分地區(qū)仍采用種肥機(jī)械化混施方式，需要后期多次追肥才能保證大豆—玉米的周期營(yíng)養(yǎng)。機(jī)械化條施肥在應(yīng)用上為主流方式，對(duì)于條播作物可以很好地提供生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)，但是在大豆和玉米以穴播種為主的方式上，種子間的肥料很難被吸收，容易造成土壤的板結(jié)。在機(jī)械化穴施肥上，施肥穴定位成形是核心，西北及丘陵地區(qū)小型機(jī)具以直插式一次定位成穴為主，而在其他地區(qū)仍以排肥器—輸肥管—開溝方式為主，對(duì)顆粒狀肥料無法有效的約束，造成穴長(zhǎng)和穴距穩(wěn)定性較差。此外國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)地輪驅(qū)動(dòng)仍為主要驅(qū)動(dòng)方式，限制了播種速度和精度，難以滿足大豆—玉米復(fù)合短株距農(nóng)藝要求，一些農(nóng)機(jī)采用地輪+電驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)方式，由于兩種方式缺少相同參考量，引起種肥穴施驅(qū)動(dòng)軸速度不協(xié)同，導(dǎo)致播種穴和施肥穴的位置匹配精度不高。

5.3 播種機(jī)具性能單一及種粒平穩(wěn)著床問題

我國(guó)大豆—玉米帶狀復(fù)合種植各推廣地區(qū)地形結(jié)構(gòu)與土質(zhì)性質(zhì)有很大差別，間套作模式繁多。研發(fā)一兩種類型播種機(jī)具無法滿足實(shí)際需求。在播種深度上，被動(dòng)機(jī)械式單體仿形應(yīng)用廣泛，彈簧—平行四連桿仿形結(jié)構(gòu)在仿形精度和穩(wěn)定性上有待提高。在大豆和玉米平穩(wěn)投種研究上，國(guó)外研發(fā)的先進(jìn)穩(wěn)定投種著床和監(jiān)控補(bǔ)種裝置使種粒株距與均勻性有很大提高，國(guó)內(nèi)仍采用投種管，受外界不確定外界因素影響較多，帶式、氣式投種和多傳感監(jiān)控補(bǔ)種系統(tǒng)仍處于試驗(yàn)研究狀態(tài)，生產(chǎn)應(yīng)用較少。

6 建議與發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)以上大豆—玉米耕種機(jī)械化存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，要推動(dòng)大豆—玉米復(fù)合種植技術(shù)高效、優(yōu)質(zhì)的發(fā)展，必須對(duì)上述存在問題給予解決。

1） 應(yīng)對(duì)秸稈還田應(yīng)用問題，建議在未來的機(jī)械化作業(yè)中，減少被動(dòng)式秸稈防堵機(jī)具，改進(jìn)動(dòng)土多及功耗大等主動(dòng)式秸稈清理機(jī)具，在保證安全作業(yè)的條件下，結(jié)合現(xiàn)代大豆—玉米寬窄行帶狀種植等農(nóng)藝技術(shù)，重視秸稈物理剛?cè)狁詈咸匦耘c機(jī)械接觸特性等基礎(chǔ)性機(jī)理研究，加快氣力式吹茬和微動(dòng)土撥茬等秸稈處理技術(shù)研發(fā)與落地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“先掃后蓋”輕擾低功耗作業(yè)功能，提升定向秸稈拋撒能力，減少土塵的產(chǎn)生。

2） 應(yīng)對(duì)機(jī)械化施肥協(xié)同作業(yè)問題，建議加強(qiáng)大豆—玉米穴施肥裝備技術(shù)研究與技術(shù)應(yīng)用，達(dá)到節(jié)本增效目的。在穴施成形上采用機(jī)—電—傳感結(jié)合的多定位技術(shù)，保證成穴效果。另一方面，設(shè)計(jì)與開發(fā)分層穴施裝備，保證作物根系在吸肥時(shí)間節(jié)點(diǎn)與不同施肥層養(yǎng)分供應(yīng)協(xié)調(diào)。不斷探索“測(cè)土配方—變量施肥”智能化施肥技術(shù)，加快大豆—玉米不同田塊局部肥料處方圖實(shí)時(shí)檢測(cè)與機(jī)具無級(jí)變量施肥系統(tǒng)落地。

3） 應(yīng)對(duì)機(jī)具性能單一及種粒著床問題，建議通過“造改結(jié)合”，根據(jù)不同區(qū)域復(fù)合種植主推技術(shù)模式的播種農(nóng)機(jī)作業(yè)需要，緊抓現(xiàn)有機(jī)具適配改造應(yīng)用，加快西南丘陵小型間套作播種機(jī)具與其他中大型播種機(jī)具研制推廣。在排種器上，國(guó)內(nèi)大豆和玉米機(jī)械式排種裝備發(fā)展健全，圍繞“縮株保密”農(nóng)藝要求展開排種器研究（如流體播種、電磁播種），形成穩(wěn)定連續(xù)的種子流，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)補(bǔ)種系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)保證苗全。開展多傳感播深檢測(cè)與實(shí)時(shí)主動(dòng)式仿形研究，提高播深控制精度，將播深仿形“自適應(yīng)”逐步改進(jìn)成“智適應(yīng)”。在大豆和玉米平穩(wěn)投種研究上，國(guó)內(nèi)仍然以導(dǎo)種管方式投種，種粒株距與均勻性不高，在借鑒吸收國(guó)外投種技術(shù)上，圍繞“零速投種”和“二次投種”理念，加快大豆和玉米平穩(wěn)投種著床裝備開發(fā)與應(yīng)用。

7 結(jié)語

大豆—玉米帶狀復(fù)合耕種機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)糧油安全的重要保障，盡管種植農(nóng)藝技術(shù)已經(jīng)取得較好地驗(yàn)證，但復(fù)合耕種機(jī)械化發(fā)展較為緩慢，現(xiàn)有的大豆—玉米復(fù)合作業(yè)機(jī)具性能較為單一，在很多主推地區(qū)呈現(xiàn)“水土不服”。大豆—玉米耕種機(jī)械化是一個(gè)復(fù)雜工程，需農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，從我國(guó)多種植區(qū)域耕種制度及地理環(huán)境出發(fā)，圍繞清茬、整地、施肥機(jī)播種銜接作業(yè)環(huán)節(jié)綜合考慮，設(shè)計(jì)與開發(fā)相配套的智能化機(jī)具。

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