設施農業就地翻土犁研究現狀與展望

李祈康，宋昕烔，王麗娟，楊書博，劉 鵬，王輝巖

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255022）

1 研究背景及意義

設施農業是綜合工程、環境、生物等技術，在人為可控的環境下，為動植物提供最適宜生長條件以達到高效生產的一種現代農業方式，現已成為農產品打破傳統季節性，實現反季節上市，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法[1]。

近年來，我國設施農業發展迅速，2023 年全國設施農業總面積已達285萬hm2（其中設施蔬菜占比81%），而非耕地資源中也還有100萬～133萬hm2可開發用作設施農業。我國設施農業的面積已占世界設施農業總面積的80%以上。盡管在規模和產出上已很大，但設施內的機械化作業水平非常低，不足10%。大多數作業仍是手工操作，工作效率低、勞動強度大，嚴重制約著農業機械化發展的整體水平[2]。耕整地是設施農業作物栽培過程中重要的一環，是作物生產的基礎，是恢復和提高土壤肥力的重要措施。目前設施農業中耕整地機械化的水平相對于非設施農業整體較低，主要體現在設施農業專用耕作機械種類偏少，不能夠滿足多種耕作作業的要求。在設施農業中的耕整作業大多采用旋耕法，其耕翻深度只能達到10～15 cm，難以達到深耕深翻。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，人們為了便于蔬菜等農產品的銷售流通，長期采用重茬種植，導致病菌孳生[3]。若土地長期不進行深翻，土壤深層的蟲卵不易死亡，最后會引發大面積的病蟲害，從而影響作物的產量和質量。鏵式犁可以達到深翻的作用，但傳統鏵式犁耕作時將土垡翻向犁溝一側，使得耕作完成后留一條溝壑。留溝現象在廣袤的農田里不會對整體的作業產生太大的影響，但在溫室大棚，尤其是有立柱的設施大棚中，溝壑的出現將會極大地影響土地平整性，甚至會危及大棚穩定性[6]。由于沒有適合設施農業的深耕機具，多數地區仍延續著人力用鐵锨完成深翻作業。因此，急需一種既能實現就地深翻又使土垡無側移的新型犁[1]。

2 犁的設計發展現狀

2.1 常規犁的設計進展

隨著犁體設計技術的不斷發展，目前已有許多學者采用大型三維曲面造型軟件或FEM軟件來進行犁體表面的設計與受力分析，與傳統的研究方法相比，該方法更加方便、經濟、降低了實驗費用。對于LEMKRN犁，趙永滿等[4]借助Pro/E軟件，應用水平直元線三維參數化設計犁體曲面的方法，并利用其設計了相關的犁體曲面，實現了犁體表面的參數化設計，從而有效地提高了犁體的設計效率。徐銳良等[5]以BTU35 犁體為基礎，結合水平直元法用Solidwork建立了基于5種不同導曲線犁體，并利用ANSYS 對這幾種犁體進行顯示動力學分析，得到各自耕作阻力。張娟等[6]通過UG軟件對犁體表面進行了模擬，從而為犁體的設計提供了一種新的方法。Ahmadi等[7]設計了一種計算模型，可以通過輸入土壤參數，犁的設計參數，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、導曲線開度、直元線起始角等為試驗因素的試驗，構建了犁體曲面優化模型。并采用3D打印機對犁體曲面進行了試制加工。在設計方面，國外先進的三維造型軟件（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，這對優化犁體表面的參數具有很大的幫助。

2.2 設施農業翻土犁研究現狀

在犁體設計理論上，以往的耕作方式主要依賴于傳統的耕作理論。由于耕作土壤種類繁多，耕作條件變化多樣，土壤形態各異，土壤的容重、含水量、堅實度等指標對耕作阻力、土壤黏附等因素的影響很大。在犁體的數學描述中，需要從曲元線的角度到犁體的曲面設計，運用各種數學分析的方法來表示犁體表面的數學模型。但迄今為止，關于犁體表面的數學模型并沒有統一的、通用性的表述，而犁體表面參數的選擇也多是由經驗決定，缺乏精確的理論計算。在犁體設計與農藝結合方面，缺少相關的研究和理論支持。

近年來，針對設施農業中深翻土地的耕作需求，國內學者開展了設施農業就地翻土犁體設計與仿真研究。宋發成等[10]利用TRIZ理論對鏵式犁進行創新設計，合犁體曲面設計方法提出了一種就地翻土犁土垡無側移的設計方案成功解決了鏵式犁土垡側移的問題，利用Geomagic DesignX 軟件進行了犁體曲面的三維建模，提出了一種能夠使得土垡無側移的就地翻土犁具體設計方案，完成了仿真分析，為后續實機的制造奠定了基礎。于圣潔[11]等人在前人的基礎上設計了一款新式犁體，基于翻土曲元法對就地翻土犁進行正向設計，得到一種翻垡后土垡無側移且無犁溝的就地翻土犁體曲面，利用EDEM離散元軟件對所設計的就地翻土犁進行了仿真試驗，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的結論。

綜上所述，當前國內設施農業就地翻土犁的研究主要集中在犁體結構設計與仿真分析領域。學者們通過設計新式犁體、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，國內研究將更注重優化犁具結構以提高耕作效率，并開展多種設施農業耕作環境下的田間試驗來驗證新型犁體的實用性。

3 設施農業就地翻土犁存在的問題與建議

由于多年的經驗和方法論，犁體曲面的設計參數積累了大量的經驗資料，使犁體表面的技術達到了一個固定的成熟度，目前犁耕的效果比較穩定。這就導致犁耕技術的發展被忽視，在基礎理論和技術上的投入很少，耕地工藝過程理論和技術還未形成系統性的成果。犁體結構的配置、配套拖拉機的結構尺寸、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過程產生影響，因此在研究過程中要從整體操作流程出發，進行更加科學、合理的深入研究。

同時，在就地翻土犁具體應用過程中，由于存在著地理損耗問題[13]（設施農業就地翻土犁的連續全面深翻，土壤結構松散，土壤垂直性減弱）、生態平衡問題（翻地育秧時，翻耕深度越深，生態系統穩定性下降就越快，對生態環境的損害也越大，特別是灌溉農業區域，水質的變化會帶來更加重要的影響）和機械設備的問題（犁刀的設計和材質限制了機械犁的堅固性、切割性，使其運行表現不佳。如遇到故障和損壞會產生昂貴的維修費用甚至生產設備的停滯），我們需要對設施農業就地翻土犁進行改進，提高它的生產效率和資源利用率，建議采取如下措施。

從犁體設計源頭改進。犁體曲面的設計是一個復雜的多因素混合的系統，其曲面的科學設計應綜合考慮犁耕前土壤狀態、犁耕后土壤狀態、犁體實際運動工況、犁體曲面幾何形狀、土壤最終狀態等五個因素，確定能合理地表示各種因素的參數，并確定出一套科學、合理的數學模型及參數方程。建議利用CAD技術建立合理的犁體結構，采用平面-土壤-復合耕作模式，建立一個智能化、數字化、可視化的犁體曲面設計平臺[13]。

合理選擇翻地方式，優化土壤結構。應該進行土地調查，分析土地的特性差異，根據差異性采取不同的土壤改良措施和施肥措施。例如在貧瘠的地區使用基于生物技術的行動定向改造方法，添加適當的生物肥料和復合肥等。應該采用深耕淺播、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環境的過度破壞。

選擇高質量的機械設備。選擇優質的犁刀進行生產，可以使用生活垃圾、礦渣等復合材料，實現犁刀的高質量制造。制造和優化特殊材料犁刀，會使農業生產在物質優化和積極性方面變得比較活躍，避免農民手工勞動的 嚴重缺陷。

綜上所述，由于現有的研究還未達到常規農業耕作工具的水平，亟待進一步的研發和優化。未來可以從以下方面展開研究：首先，針對就地翻土犁在設施農業中的實際應用情況，進一步完善其設計和仿真模型，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計和制造就地翻土犁，進一步提高其性能和耐用度。最后，可以結合人工智能和大數據技術，研究就地翻土犁的智能化控制并優化耕作路徑，實現設施農業的智能化生產。