國內外免耕播種技術發展現狀及趨勢

張 沖， 吳 努， 張延化， 吳惠昌， 顧峰偉， 胡志超

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019； 2.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

保護性耕作技術距今約有100年的歷史，是人類探索生產而又尊重自然規律的杰出成果，它的出現促進了農業生產力的進步。最早刀耕火種嚴重惡化了農田環境，造成種子出苗率低，糧食產量連年下跌，西漢時發明翻耕技術，依靠畜力牽引耕犁翻轉土層，改善了苗床的松軟性并將表層的秸稈埋在土壤中，不僅提高了種子的出苗率又增強了土壤肥力，糧食產量明顯提升[1]。工業革命后，告別了傳統畜力耕作的時代，人類大面積采用機械化翻耕，地表裸露，土壤結塊，造成農業生態壞境更加脆弱。我國土地遼闊，南北方氣候差異較大，北方氣候干燥、土壤疏松、多是旱田；南方大多是水田，土壤潮濕板結，通透性差，機具田間易擁堵，播入田間種子也常因板結土塊多而出現出苗率低的現象，保護性耕作技術不適合我國南方墑情差的田地[2]。破解農田環境逐年下降的局面，人們積極探索科學有效的耕作方式——免耕播種技術，免耕播種技術是基于最少動土的思想，將種子種入田間，保證了地表不被破壞，緩解了生態壓力。

進入21世紀以來，在追求城市化和GDP增速步伐加快的同時，環境問題也更加突出，如霧霾加劇、溫室效應、資源短缺、土地沙化、極端惡劣天氣頻發等都在影響著人們的生產生活。黨的十八大更是將生態文明建設與經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設并列，“五位一體”地建設中國特色社會主義。農業生產對環境破壞的現象也越發凸顯，作物秸稈焚燒造成空氣質量下降、溫室氣體排放增多、土壤表層有機質嚴重破壞；機械化耕種加速了人類改造土地的步伐，人類為了尋求作物高產穩產，想方設法改變地容地貌，北方廣大地區出現荒漠化嚴重的局面，多年來翻耕土地，施撒化學肥料，改變了田間有益生物群落，造成土地自我恢復能力變差[3]。這是一個惡性循環的過程：土地生產力下滑，人們迫切想要通過增施肥料旋耕土壤，從而給種子營造出適宜的種床和充足的營養，但土壤過于粉碎就會通透性差，過多施用化學粉料就會造成土壤板結，所以現有的耕作模式是以破壞生態為前提的耕種手段，越來越被人們所淡忘。新型的保護性耕作模式具有保護地表，增強土壤肥力的優點，大力推廣和踐行免耕播種模式對提高農作物秸稈綜合利用率以及農業可持續發展具有深遠的意義[4]。

1 國內外機械化免耕播種面積

1.1 國外免耕播種面積

免耕播種技術最早起源于美國，而后在地廣人稀的國家地區傳播較快。主要集中在北美洲的加拿大、美國，南美洲的巴西、阿根廷、巴拉圭，大洋洲的澳大利亞，亞洲的中國、哈薩克斯坦，歐洲的法國、西班牙，非洲的南部地區[5]。據2015年聯合國糧農組織(FAO)數據表明，免耕播種面積位居全球前10位的國家分別是：美國2 650萬hm2、巴西2 550萬hm2、阿根廷1 972萬hm2、加拿大1 348萬hm2、澳大利亞 1 700萬hm2、巴拉圭240萬hm2、中國133萬hm2、哈薩克斯坦120萬hm2、玻利維亞71萬hm2、烏拉圭65萬hm2。其中，美國免耕播種面積最大，位居全球第一，由于中國受到機械化耕作落后以及人均土地占有量低等因素的影響，免耕播種面積只占美國的5%，位居全球第七，相比免耕播種面積第一的美國，還有很大差距[6]；歐洲國家工業化程度高，澳大利亞耕地面積遼闊，免耕播種程度高，而非洲國家經濟和機械化程度都很低，免耕播種技術還沒有引起足夠的重視。隨著全球各國對生態環境越來越重視，免耕播種技術正在逐漸被各國認可。

1.2 國內免耕播種面積

我國正處在農業發展的轉型期，改變農業生產方式、提高農民收入水平已納入國家層面戰略布局。全國各地出現土地合法化流轉現象，土地大規模集中更有利于農業機械化的推進。從全國范圍看，免耕播種技術適合于北方的干旱半干旱氣候，南方土質較為干旱的水稻田也可適用免耕播種技術。河南省、山東省、河北省土地面積廣闊、土質疏松、地勢平坦，適合規模化的機械化耕種模式，又是我國小麥玉米主產區，麥收后播種玉米、玉米收獲后播種小麥的機械化免耕播種率在全國處于領先水平[7]。我國目前的耕種方式處在傳統耕作與新興耕作模式并存的階段，機械深耕、機械深松、機械化免耕播種、機耕等耕作模式在全國各地都有出現，2015年中國農業機械化年鑒數據表明，我國機耕面積達11 742萬hm2、機械深耕面積達2 955萬hm2、機械化免耕播種面積為 1 342萬hm2、機械深松面積為1 089萬hm2，其中傳統機耕面積占全部機耕面積的68.5%，機械化免耕播種面積占全部機耕面積的7.8%，傳統的耕作模式仍處于主導地位，新型機械化免耕播種模式所占比重還很低[8]。

2 國外機械化免耕播種技術及機具發展

2.1 國外機械化免耕播種技術發展歷程

免耕播種技術最早可追溯到18世紀初的美國，大量移民涌入美國經歷了嚴重的水土流失，他們意識到可以用作物及其殘留物來減少土壤侵蝕；19世紀末美國大量開墾草原變為耕地，致使地表裸露，地表風蝕嚴重。20世紀30年代，美國發生了震驚全國的“黑風暴”事件，人們開始反思傳統的耕作模式并探尋新型耕作模式[9]；經歷了近20年的試驗探索，人們發現少耕或者在地表留有殘差可以減少水土流失、保溫保墑、增加土壤營養物質含量、增產保收，但地表覆秸會帶來嚴重的病蟲害，一時并未得到認可；后來除草劑和殺蟲劑的出現有效遏制了病蟲草害的發生，免耕法逐漸被人們接受[10]。20世紀六七十年代，免耕技術大范圍地推廣并大面積地應用于生產實踐。近半個世紀從試驗到推廣，從最初嚴重自然災害到反思尋找新方法再到植保藥品的產生，各階段出現了多樣的免耕技術，致使保護性耕作技術日趨完善。至2015年美國免耕播種面積居全球首位，從最初的“黑風暴”事件探索免耕播種法，至21世紀初全國免耕播種率占全國耕種面積的60%以上，并仍在穩步增長。澳大利亞是大洋洲國家的典型代表，土地廣闊，人口稀少，東西兩側分別被太平洋和印度洋環繞，受季風氣候影響，澳大利亞耕地面積基本呈干旱半干旱狀態，有利于大規模地機械化收獲播種[11]。20世紀70年代免耕播種技術傳入澳大利亞，之后的10年間全國范圍地推廣發展。21世紀初全國免耕播種率已在70%以上，傳統的鏵式犁深耕播種逐漸消失。加拿大位于北寒帶，毗鄰美國，最先從美國引進免耕技術，之后在國內主要農業產區示范推廣。1996—2002年免耕播種率從30%快速增加到80%，免耕播種率在全球處于領先水平[12]。保護性耕作技術傳入歐洲相對較晚，基于歐洲國家的工業實力，農業機械化耕種發展較快，其50%以上的國家已經掌握了該技術。南美洲位于亞熱帶，地表水分蒸發嚴重，南美洲國家眾多是農業國，積極推行鼓勵保護性耕作，免耕播種技術在此地區應用發展很快，免耕播種率高達95%，位居世界首位[13]。縱觀國外免耕播種技術半個世紀的發展，可概括為3個階段：(1)20世紀初期“黑風暴”事件引起的興起階段，人們總結反思傳統耕作方式的弊端，積極探尋試驗出預防水土流失，土地肥力衰減的新型耕作技術；(2)20世紀中期地表覆秸少耕導致病蟲害出現的發展階段，此階段保護性耕作技術在全國乃至全球范圍發展推廣，在實踐生產環節出現了病蟲草害加劇的現象，導致大范圍使用免耕技術的趨勢受阻，人們開始研制除草劑、殺蟲劑，攻克了免耕播種技術帶來的缺陷；(3)20世紀末期除草殺蟲劑的出現，免耕播種進入普及階段，免耕播種技術因其作業工序少，節省成本，對地表破壞性少，土壤風蝕水蝕程度低，增加土地肥力等諸多優點，倍受全球各國的歡迎，加上病蟲草害等問題得到解決，免耕播種技術迅速在全球普及[14]。

2.2 國外免耕播種機具發展現狀

免耕播種機具幾乎是與保護性耕作技術同時出現的，國外生產免耕播種機具的技術已經相當完善，機具大多是復式作業機，可一次完成苗床耕整、播種施肥、秸稈還田等所有工序。國外機具播種幅寬長、體積大、質量重、牽引功率要求高，價格昂貴。典型農機生產公司有美國的John Deere公司、Great Plains公司、Case公司，加拿大的Flexi-coil公司，澳大利亞的John Shearer公司，巴西的Semeato公司、Baldan公司等[15-18]。其中，美國John Deere公司免耕播種機產品眾多、性能可靠、播種精確、功能先進、智能化程度高。1910型免耕播種機具有實時監控工況的裝置，可以存儲作業速度、工作時間、作物品種、播種深淺、工作區域大小等作業參數以便隨時查找準確數據，并可根據田間播種條件調節播種參數；1590型條播機見圖1，重約3 t，依靠大功率拖拉機牽引，并靠自身重力入土，其限深輪處裝有液壓執行元件，也可通過液壓控制入土，開溝器為圓盤式，分為前后2排，有效切斷秸稈避免壅土，主要用來播種大田作物。

美國Case公司的SDX3O免耕播種機見圖2，重達 11.9 t，靠自身重力入土，機身結構寬松，開溝器為單排圓盤式，可以很方便地調節開溝器，整機體積大、機身高、播種幅寬長、質量性能好，適用于機收后作物殘茬高的田地，播種行數為30行，工作效率高，排種采用氣力式，適用于播種谷物種類多，同時又可根據播種需要調節各行排種器的氣力，也可將某些排種器的氣力調節為0，以便增加播種行間的間距[19]。

美國Great Plains公司生產的免耕播種機見圖3，適用于地勢平坦的土地，價格比美國John Deere公司便宜。機身質量9.3 t，工作幅寬約9 m，整機結構為折疊式，放置空間小，方便長距離運輸，其獨特的雙圓盤開溝器結構與眾不同，2個圓盤采用非等高排列方式，入土播種時，2個圓盤切斷秸稈的時間和位置不同，這樣可以提高作物秸稈的切斷率，更好地防止田間秸稈雜草阻塞開溝器[20]。

加拿大Flexi-coil公司免耕播種機機見圖4，身長約 17 m，機寬種類較多，最窄18 m、最寬可達36 m，采用鏟式開溝氣力排種，帶有多組鎮壓輪，避免鎮壓不充分而使種子裸露在空氣中，種箱配置在播種機最后方，不會因種子質量而改變開溝器入土壓力，從而保證播種深度不變[21]。

澳大利亞JohnSheaer公司的4 BIN DIRECT DRILLS免耕條播機見圖5，一次可以播種4種不同的作物，采用非動力驅動鏟式開溝器破茬開溝，其開溝器采用液壓提升，可以保證調節高度的準確性，兩側設計有較大的輪子，可以減小不平坦的農田對播種深度的影響[22]。

巴西Baldan公司的SPD5000免耕播種機見圖6，采用非動力驅動圓盤開溝器破茬開溝，圓盤開溝器具有切斷田間秸稈的優點，防止秸稈擁堵開溝器，另外其機身較重，采用拖拉機牽引式提供動力，播種行數12行，播種效率高，兩側配置的大輪子可以減小地勢對播種深度的影響[23]。

3 國內機械化免耕播種技術及機具發展

3.1 國內機械化免耕播種技術發展歷程

我國新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區、甘肅省、青海省等省份土地干旱，近年來土壤風蝕沙化嚴重，這4個省(區)干旱耕地面積約占全國耕地面積的50%，東北3省地勢平坦遼闊，是我國玉米小麥主產區，肩負著全國糧食安全的重任[24-25]，但隨著城市化進程加快，農民為了爭取農時，大面積焚燒秸稈造成環境惡化[26-27]，黃河三角洲處于黃河下游，東臨渤海黃海，人均土地占有量多，土地肥沃，但是淡水儲量明顯不足，加之生活用水增加，造成農作物灌溉用水匱乏，嚴重制約了農作物的產量，農民人均增收受到限制，這些地區都迫切須要免耕播種機械應對土壤沙化、水土流失、秸稈焚燒、水資源匱乏等問題。伴隨著保護性耕作在全球傳播推廣，我國開始從20世紀60年代在東北和長江下游分別進行小面積小麥和玉米免耕播種試驗；之后的20年間校企研究院所聯合開展免耕試驗研究，并取得了增產效果；20世紀90年代起結合我國農田地塊小、集約性差的特點，中國農業科研單位聯合研制出適合我國農業國情的農機具，并整理了試驗中可行的作業模式；進入2000年我國在黃河流域及其以北的各縣級地區進行免耕播種技術示范和推廣，免耕播種面積有所擴大[25，28-29]。2005年農業部文件已將保護性耕作列為農業重點推廣項目，僅1年時間全國免耕播種面積就增加了 400萬hm2，糧食產量連年增加，農民增收，生態環境惡化局面得到遏制，從長遠來看，農業發展和生態進步共同營造了相互促進、互利共贏、人與自然和諧相處的局面。2005—2009年中央再次發布一號文件，強調發展保護性耕作技術利國利民，支持保護性耕作技術進一步發展。農業部、國家發展和改革委員會關于發展保護性耕作作出了5年規劃，規劃將我國西北、東北、黃河流域等廣大區域統籌到免耕播種范疇，通過劃分保護性耕作試點區，起到重點示范、聯動輻射的作用，試點區耕作面積達 130萬hm2，帶動周邊各省(市、區)免耕播種面積約 1 333.33萬hm2。同時要求各相關部門積極配合，開展免耕播種技術培訓，優化種植農藝，定期宣傳講座[30]。2009—2015年免耕播種面積急劇增加，免耕播種技術也越來越成熟，加快了免耕播種技術更大面積推廣的進程。近年來，農機推廣部門和農機研發單位也加大了推廣和研發力度，協同國家免耕播種5年規劃，并取得了很大進步，特別是農業部南京農業機械化研究所研制出的基于潔區播種思路的免耕播種機已處于行業領先水平，分別在河南省、安徽省、江蘇省、河北省等地區試驗展示，引起了農機企業和廣大農民群眾的關注。

3.2 國內免耕播種機具發展現狀

播種機的出現增加了農民的耕作效率，以畜力或機械牽引代替人力，逐漸將人們從繁重的農耕生產中解放出來。但傳統播種機必須在翻耕土地、苗床整理之后才能播種，而免耕播種機具直接播種而不需要田間預處理，減少了工序、成本、農時而又對自然環境具有保護作用，越來越成為我國播種機械主流。我國播種機械的發展經歷2 000多年，最早可追溯到西漢的耬。耬靠畜力牽引，耬腿數量1～7個不等，可根據播種需要，適當增加耬腿數量以改變作業幅寬，耬播種的作物種類較多，可以通過調節排種器的大小，選擇適合播種的作物種子進行播種，相對人工播種效率高且均勻性好；完成傳統耕種的農機具一般包括鏵式犁、齒耙、播種機，作業過程為：首先將田間秸稈移出，小型拖拉機作為配套動力牽引鏵式犁深翻滅茬，然后晾曬濕度較大的深層土壤至適宜耙碎的濕度，最后播種機將種子播入耕整后的苗床。傳統耕作破壞了地表結構，土層擾動大，功耗高，農時持續時間長。我國研發免耕播種機具相對美國起步較晚，受美國等發達國家保護性耕作技術的影響，建國后積極發展免耕播種技術，取得了顯著成果。出現了秸稈粉碎機、免耕播種機、深松機等新型農機具，其中免耕播種機在防止播種壅堵、種苗田間覆蓋率等方面效果突出，決定著保護性耕作技術的成敗[31]。免耕播種條件一般有3種。(1)移走秸稈，僅有根茬覆蓋，這種情況田間秸稈量小，機具不容易出現壅堵；(2)機收后不進行任何處理，作物秸稈粉碎后鋪于田間，可以做到秸稈全量還田，增強土地肥力；(3)為了爭搶農時，提高收獲效率，人們選擇直接在成熟的立稈玉米植株上剝出玉米，立稈的植株經過風吹日曬，水分降低，秸稈的任性變弱，免耕播種時拖拉機前段裝有擋板，推彎秸稈再經車輪壓倒，而后懸掛于拖拉機后方的免耕播種機進行粉碎播種。目前，國內農機企業和科研單位生產研發出了多種類型的免耕播種機具[32]，典型的有2BM-3、4型玉米免耕播種機見圖7，懸掛方式為3點懸掛，動力源為小型四輪拖拉機，播種行數為3、4行，用于播種玉米，但播種時容易壅堵，改進后的播種機分別在開溝器上加裝導草輥或拔草輪，同時又增加了播種幅寬，有效解決了壅堵、作業效率低等問題。

中機美諾公司生產了15、19、24行牽引式免耕條播機，用于播種小麥。現代農裝科技股份有限公司生產了14、19、20、24、28行牽引式免耕施肥條播機，可以根據田塊的大小，選擇不同行數的作業幅寬，用于播種小麥；河北農哈哈公司生產了2BMFS-7/14型帶狀淺旋免耕播種機，配套動力為52～66 kW，工作幅寬2.24m，生產效率為0.32～0.78hm2/h，用于播種小麥，適合在秸稈還田1遍的地塊中作業，但不是嚴格意義上的免耕，存在土壤擾動大、能量消耗高等缺點；中國一拖集團生產的播種機增加了施肥功能；遼寧省沈陽市長青通用機械廠研制的2BQM-3型免耕播種機針對高留茬環境適應性好。山西省農機局研制的2BMFF-9型小麥免耕施肥播種機采用垂直施肥的方式，肥料處于種子正下方，肥力能夠充分被吸收，開溝器刀口細小，播種后不須鎮壓輪覆蓋種溝。中國農業大學研制的2BMF-6小型小麥免耕播種機類似于澳大利亞JohnSheaer公司的4 BIN DIRECT DRILLS免耕條播機的結構排布，都具有雙排梁結構，具有較好的田間通過性[33-34]。

農業部南京農業機械化研究所結合承擔的國家現代農業花生產業技術體系建設專項等相關項目，針對目前市場上尚無適合于小麥收獲后無須清理秸稈而直接進行免耕播種作業的相關設備，開展了麥茬全秸稈覆蓋地免耕播種技術裝備研究，全量秸稈覆蓋地免耕播種機見圖8，基于潔區播種的思想，秸稈清理裝置將地面秸稈撿拾、粉碎，通過橫向絞龍推送至秸稈提升風機，由風機將粉碎后的秸稈沿輸送管道越過種肥箱向后方拋出，并乘秸稈未落下、地表無秸稈的空當進行破茬破土、苗床整理、施肥播種，粉碎后的秸稈再由拋灑裝置均勻覆蓋于播后地表，該機集碎秸、施肥、播種、覆蓋功能于一體，一次下田可以完成耕種的所有工序，節約了農時，避免多機具多次下田壓實土地，碎秸刀型采用L型，增加了碎秸有效作用面積，采用圓盤破茬開溝器，作業幅寬 2.8 m，播種效率高，但存在濕地播種壅堵、秸稈拋撒不均勻問題，該機分別在天津市、河南省駐馬店、安徽省宿州、江蘇省南通等地推廣演示，效果顯著，深受農民的青睞，該所已與企業聯合，大批量生產成品，以滿足廣大市場需求。

4 存在問題與發展趨勢

我國免耕播種機仍存在以下問題：(1)作業可靠性、通用性、穩定性差，對地域適應能力不高；(2)機具多是小中型、功能單一、集成化程度不高，秸稈根茬處理能力有限；(3)機具研發部門少，專業性的農機生產廠家不多，機具的數量和質量仍須加強；(4)作業速度低，相比于收貨機械，播種速度明顯偏低，更是低于國外播種機工作速度；(5)智能化程度低，不能隨時監控播種參數，傳感技術集成不足，播種的精度差，播種深度不能進行自我調控， 易出現壅堵漏播現象；(6)機具緊湊型不好，機身較長，不利于運輸，在田間作業時掉頭困難，應改善農機材料，減輕機身質量和體積。

目前，我國土地集中性較差，農民購買力不足，免耕播種機以中小型為主，生產效率低，自動化程度不高，而且我國農作物大多是一年兩熟制，國外的農業國情和我國相差較大，外國的免耕播種機具不適合我國的種植制度，發展免耕播種機具應遵循自主研發與國外技術結合的原則，做到農機與農藝相適應。隨著土地合法流轉制度的實施，農村土地逐漸走向集約，小塊零散地形不規則的田地正在轉為大塊集中整齊有序的集中耕地，有利于機械化地全程耕收，以后農機發展應該朝著大中型方向，有效提高播種效率。現階段我國對智能農機的要求迫切，農民追求人性化、舒適、自動化的作業環境，應將先進的機電液技術融入到農機行業，進一步提高農機的核心技術。我國免耕播種機將向多元化、復式化、輕簡化、大型化并重方向發展，免耕播種技術將與農藝、農業經營模式協同發展。