淺析條耕機研究現狀與發展趨勢

孫文良 李光 李明森 劉鴻雁 趙春凱 崔舒然

(吉林省農業機械研究院，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，同時提高農田生態系統的可持續性[1]。與傳統的耕作方式相比，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域的土壤進行作業，形成一定寬度的無秸稈條帶，同時，能夠在玉米生長發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。

條耕機的出現和應用使得條耕技術更加容易實施和推廣。傳統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，通過單次作業完成秸稈切斷、清理、松土、合墑與鎮壓等多道復雜工序，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原理，國內外研究現狀，機具作業流程，實現各作業功能的部件類型，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，各國農業機械生產廠商逐漸開始生產為條帶耕作模式配套的作業機具。按照作業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，可以根據拖拉機的動力匹配作業行數，并且方便調節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，被動式條耕機的優勢主要體現在動力消耗少、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：機具作業時，最前端限深輪位于缺口圓盤切刀左右兩側，根據不同時期地表秸稈覆蓋厚度進行高度調節，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、鎮壓輥將待播條帶中的土塊破碎，同時鎮壓松散土壤，有利于提高地溫、構建理想種床。

2 條耕機國內外發展現狀

2.1 國外條耕機研究現狀

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狀態。安裝有安全回位彈簧的工作部件可以根據需要進行調節，以適應不同的土壤條件和作業要求，提高整體的工作性能和穩定性。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，以便后續的清秸和松土作業。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，保持耕作區的整潔。總而言之，在這個系列的條耕機中，各工作部件設計合理，便于調節與安裝，能夠滿足不同作業工序的要求，此設計能夠提高條耕機的作業效率、作業質量。

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，確保機具作業時各連接單體堅固可靠。作業前，需要根據具體的耕作要求，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 國內條耕機研究現狀

目前，國內的條耕機廠商已經開發出了各種不同類型的被動式條耕機，以滿足不同農業作業需求。這些機具的出現，可以提高農田整地的效率和質量，從而推動農業生產的發展。其中，吉林省康達農業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，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，作業行數為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-鎮壓的作業順序，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設備進行了較為深入的研究，經過多年的完善與開發，已經找到了更適合當地的耕作模式與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，平面圓盤刀的作業性能較為優越，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性能，同時，由于波紋型圓盤刀作業時的阻力較大，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，具有許多優點，如土壤擾動小、作業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。與傳統的裝置相比，清秸盤(輪)工作阻力小、動力消耗低，使作業更加高效和經濟，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、拋擲損失最小；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、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，避免對后續作物的生長和發展造成不利影響。同時，這些部件的作業阻力相對較低，能夠提高作業效率，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、鎮壓

碎土、鎮壓輥是條耕機中的重要作業部件，用于壓實土壤，不論是傳統耕作還是保護性耕作，土壤的壓實作業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、鎮壓輥如圖10a～c所示。

圖10 碎土鎮壓輪

碎土、鎮壓有助于減少土壤中的大孔隙，從根源上減少水分蒸發損失，提高水分利用效率。同時，鎮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壓輥的作用之一，通過增加土壤的密實程度，鎮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育。

這些結構與部件類型是通過科學研究與實踐逐步發展起來的，并且在不同的國家和地區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，缺乏統一規范性，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，無法實現獨立自主生產。不利于我國產業的科技創新和提升。

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 技術創新能力受阻

限制了關鍵部件相關產業的技術創新能力，缺乏先進工藝技術的應用和研發，難以實現技術的突破和創新。

4.2.5 行業競爭力下降

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，使得其作業效率相對較低。如，作業速度受限，作業寬度有限，操作難度大等，都可能導致作業效率不高。

4.3.2 作業環境

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，無法根據實際情況進行自主調整和優化，需要人工進行監測和調整，這使得條耕機的作業效率受到限制。

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，實現自主導航、智能化作業與自動化管理，提高作業效率和精度。除此之外，條耕機的多功能化設計也將成為發展趨勢，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，提高機器的利用率和經濟效益。