保護(hù)性耕作苗帶清秸裝備研究現(xiàn)狀與展望

摘要：免（少）耕播種是黑土地保護(hù)性耕作的重要環(huán)節(jié)之一，苗帶秸稈清理可為免（少）耕播種提供良好的作業(yè)環(huán)境保障。綜述現(xiàn)有保護(hù)性耕作苗帶秸稈清理裝備研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種型式、免耕和少耕兩種要求的苗帶清秸裝置的特點(diǎn)，并提出未來的發(fā)展方向，以期為苗帶秸稈清理裝備的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：黑土地保護(hù)； 保護(hù)性耕作； 免（少）耕播種； 秸稈清理裝備

中圖分類號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）05-0065-03

保護(hù)性耕作是指以農(nóng)作物秸稈覆蓋還田、免（少）耕播種為主要內(nèi)容的現(xiàn)代耕作技術(shù)。保護(hù)性耕作應(yīng)在地表有一定量秸稈或根茬覆蓋，且進(jìn)行免（少）耕播種作業(yè)。免耕播種是指前茬作物收獲后，在未經(jīng)耕整的作物殘茬覆蓋的土地上，不實(shí)行任何土壤耕作，直接進(jìn)行播種施肥作業(yè)。少耕播種是指前茬作物收獲后，在未經(jīng)耕整的作物殘茬覆蓋的土地上，直接進(jìn)行少量旋耕作業(yè)同時(shí)進(jìn)行播種施肥作業(yè)，耕作動(dòng)土量不大于40%[1-3]。

苗帶秸稈清理是黑土地保護(hù)性耕作免（少）耕播種的重要環(huán)節(jié)之一。在秸稈大量覆蓋還田條件下，苗帶秸稈清理效果對(duì)免（少）耕播種質(zhì)量影響較大。苗帶秸稈清理裝備可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。分析苗帶秸稈清理裝備的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，對(duì)于免（少）耕播種技術(shù)及裝備的進(jìn)一步研究具有重要意義，可以為黑土地保護(hù)性耕作玉米免（少）耕播種技術(shù)實(shí)施提供裝備保障。

1被動(dòng)式苗帶秸稈清理裝備研究進(jìn)展

被動(dòng)式苗帶秸稈清理裝備通常利用地表或秸稈的摩擦力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將秸稈切開或直接清理到種床兩側(cè)，從而形成較為清潔的種床。根據(jù)是否動(dòng)土，其可分為被動(dòng)式免耕清秸裝置和被動(dòng)式條耕機(jī)。

1.1被動(dòng)式免耕清秸裝置

被動(dòng)式免耕清秸裝置包括秸稈歸行機(jī)和免耕播種機(jī)用清秸裝置。秸稈歸行機(jī)清理苗帶幅寬較大，適用于寬窄行種植或二比空種植模式；免耕播種機(jī)用清秸裝置清理苗帶寬度為20～30 cm，適用于均勻行、寬窄行等多種種植模式。

1.1.1秸稈歸行機(jī) 秸稈歸行機(jī)根據(jù)安裝位置可分為前置式和后置式兩種。其應(yīng)用技術(shù)模式為秋季機(jī)械收獲同時(shí)進(jìn)行秸稈粉碎還田作業(yè)，春季播種前通過秸稈歸行機(jī)進(jìn)行秸稈歸行作業(yè)[4]。其工作原理是通過液壓油缸或仿形彈簧使摟草指盤穿過秸稈層接觸地面，作業(yè)過程中摟草指盤在地表及秸稈摩擦力的作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)地表秸稈的清理。秸稈歸行機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率消耗小、清秸效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2免耕播種機(jī)用清秸裝置 免耕播種機(jī)用清秸裝置主要由清秸輪、滾筒式導(dǎo)草輥、分草板等組成，安裝在播種單體前方。清秸輪是清秸裝置的核心工作部件，清秸輪與圓盤刀配合使用，由圓盤刀對(duì)秸稈根茬進(jìn)行切斷后，再通過清秸輪等將苗帶上的秸稈根茬撥到苗帶兩側(cè)，形成一定寬度的清潔苗帶。

國(guó)外對(duì)清秸輪的研究較多，設(shè)計(jì)了弧面圓盤、平面彈齒式清秸輪、平面尖齒式清秸輪、平面切刃式清秸盤等多種型式的清秸輪，并研究了對(duì)置清秸盤間隙參數(shù)、作業(yè)速度對(duì)清秸率及清秸寬度的影響等[5-6]。我國(guó)也對(duì)清秸裝置進(jìn)行了一定的研究。范旭輝等[7]設(shè)計(jì)出仿形爪式防堵機(jī)構(gòu)，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)偏角、裝置直徑等參數(shù)進(jìn)行了理論分析；賈洪雷等[8-9]研制了星齒凹面盤式和凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證；林靜等[10]設(shè)計(jì)了阿基米德螺線型鋸齒圓盤犁刀和星型清壟防堵裝置，可以有效清理壟上秸稈和根茬，提供良好的播種環(huán)境；曹鑫鵬等[11]設(shè)計(jì)了一種基于側(cè)置切刀切斷秸稈、撥茬齒盤清秸覆土的組合式清茬裝置，利用表土將秸稈掩埋，可以防止秸稈回壟；吉林康達(dá)2BMZF-4B免耕指夾式精確施肥播種機(jī)采用輪齒式破茬撥草盤清理秸稈；河北農(nóng)哈哈2BYFSF-4C免耕播種機(jī)和2BMF-4免耕播種機(jī)分別采用滾筒式導(dǎo)草輥和分草板將秸稈導(dǎo)流至開溝器兩側(cè)，可以防止播種單體堵塞。

1.2被動(dòng)式條耕機(jī)

被動(dòng)式條耕機(jī)是播種前復(fù)式整地作業(yè)機(jī)具，可以一次性完成切茬、清秸、深松施肥、碎土鎮(zhèn)壓等條帶耕整作業(yè)工序，為播種作業(yè)提供良好的作業(yè)條件。

美國(guó)海內(nèi)克6000ST型條帶耕作機(jī)的切茬部件為平面圓盤刀，清秸部件為切刃弧面清秸盤，碎土鎮(zhèn)壓部分為凹面碎土鎮(zhèn)壓輪[12]，各工作部件均安裝有安全回位彈簧，能夠根據(jù)預(yù)緊壓力和作業(yè)要求進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，仿形效果好。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的2FQ-2984-4條耕整地施肥一體機(jī)可以在不擾動(dòng)其他土壤的條件下，完成對(duì)條帶的施肥整地作業(yè)[13]。

2主動(dòng)式苗帶秸稈清理裝備研究進(jìn)展

主動(dòng)式苗帶秸稈清理裝備分為主動(dòng)式免耕清秸裝置、主動(dòng)式少耕清秸裝置和下壓力主動(dòng)控制清秸裝置。主動(dòng)式免（少）耕清秸裝置利用電機(jī)、液壓馬達(dá)等動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)清秸裝置高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)苗帶秸稈的高效清理；下壓力主動(dòng)控制清秸裝置通過液壓缸或氣囊等實(shí)現(xiàn)清秸裝置對(duì)地壓力的主動(dòng)控制，保證清秸裝置作業(yè)寬度，降低滑移率，從而提高清秸效果。

2.1主動(dòng)式免耕清秸裝置

主動(dòng)式免耕清秸裝置是在被動(dòng)式免耕清秸裝置的基礎(chǔ)上增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)方式包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等。

曹鑫鵬等[14]設(shè)計(jì)了一種電驅(qū)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置，作業(yè)過程中彈齒電驅(qū)旋轉(zhuǎn)將秸稈側(cè)拋，但秸稈側(cè)拋距離仍需安裝擋簾控制；尤曉東等[15]設(shè)計(jì)了一種彈齒式清秸裝置，通過液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度的匹配。李鑫[16]基于主動(dòng)驅(qū)動(dòng)與交錯(cuò)傳動(dòng)方案，設(shè)計(jì)了一種單驅(qū)雙動(dòng)式清秸防堵裝置，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)側(cè)清秸盤轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)側(cè)清秸盤通過盤齒嚙合帶動(dòng)被動(dòng)側(cè)清秸盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單驅(qū)雙動(dòng)。

2.2主動(dòng)式少耕清秸裝置

主動(dòng)式少耕清秸裝置主要包括主動(dòng)式條耕機(jī)和條帶旋耕播種機(jī)等。

2.2.1主動(dòng)式條耕機(jī) 主動(dòng)式條耕機(jī)是在傳統(tǒng)旋耕整地機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)玉米播種行距等農(nóng)藝要求，優(yōu)化刀座排布，減少旋耕整地寬度，降低土壤擾動(dòng)。其工作原理與旋耕機(jī)類似，通過合理布置刀具可以適應(yīng)不同條帶寬度要求，此外在單體后方通常配有碎土鎮(zhèn)壓裝置，可以實(shí)現(xiàn)土壤的二次破碎。

美國(guó)Northwest Tillers公司生產(chǎn)的條帶耕整機(jī)采用條帶旋耕后碎土鎮(zhèn)壓的作業(yè)方式，通過調(diào)整旋耕刀排布可以適應(yīng)不同作物的耕作要求。賈洪雷等[17]設(shè)計(jì)的1GH-3型行間耕整機(jī)，通過改變刀片排列，可以實(shí)現(xiàn)行間淺旋、壟臺(tái)碎茬及全幅旋耕3 種作業(yè)模式。李向軍等[18]設(shè)計(jì)了一種壟上滅茬、壟中帶狀旋耕、耕后回土鎮(zhèn)壓的組合式滅茬、苗帶旋耕整地機(jī)，可以一次性完成滅茬、旋耕、碎土、埋茬、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，在減少苗帶秸稈覆蓋的同時(shí)可以疏松苗帶土壤。

2.2.2 條帶旋耕播種機(jī) 條帶旋耕播種機(jī)是在免耕播種機(jī)的前方配套安裝條帶旋耕機(jī)，僅對(duì)播種苗帶進(jìn)行耕作，耕作寬度不超過播種行距的1/3。

劉俊孝等[19]設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)苗帶滅茬、秸稈清理及防纏繞的玉米少免耕播種機(jī)，為播種單體提供適宜播種的清潔苗帶。李向軍[20]設(shè)計(jì)了一種玉米少耕播種機(jī)，可以一次性完成壟上秸稈清理、條帶旋耕、播種、施肥、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。洛陽鑫樂2BMQF系列條帶旋耕播種機(jī)采用圓盤鋸齒刀式種床整備裝置，通過高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒刀將秸稈及根茬進(jìn)行砍斷，同時(shí)向播種帶兩側(cè)進(jìn)行拋送，在完成秸稈根茬粉碎拋灑的同時(shí)將秸稈、根茬清理到非播種帶，可以減少秸稈與播種帶土壤的混埋。

2.3下壓力主動(dòng)控制清秸裝置

下壓力主動(dòng)控制清秸裝置包括主動(dòng)仿形式條耕機(jī)和主動(dòng)仿形式清秸裝置。下壓力控制系統(tǒng)包括液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)推桿等類型。

美國(guó)Dawn公司生產(chǎn)的Pluribus型條帶耕整機(jī)配備了氣動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，切茬和松土部件為波紋圓盤刀，清秸部件為尖齒輪式清秸盤，作業(yè)前可以根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)空氣彈簧的壓力，從而降低清秸輪滑移率，作業(yè)性能穩(wěn)定。王奇等[21]基于被動(dòng)式星齒凹面盤式條帶清秸裝置設(shè)計(jì)了幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)壓力，通過電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)星齒凹面盤入土深度，可以提高條耕機(jī)的清茬性能。李名偉等[22]基于仿生鼴鼠前爪撥茬裝置設(shè)計(jì)了自適應(yīng)撥茬控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了撥茬機(jī)構(gòu)對(duì)地壓力的監(jiān)測(cè)和撥茬機(jī)構(gòu)工作幅寬的氣動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了苗帶秸稈清理效果。

3苗帶秸稈清理裝備研究展望

高質(zhì)量的苗帶秸稈清理裝備是黑土地保護(hù)性耕作玉米免（少）耕播種的重要保障。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于條耕機(jī)和免耕播種機(jī)上的清秸裝置多為安裝在播種單體前的被動(dòng)式清秸輪，研究?jī)?nèi)容多集中于清秸輪型式和作業(yè)參數(shù)等方面，主動(dòng)式清秸裝置存在動(dòng)力消耗大、動(dòng)土量大等問題，部分關(guān)鍵技術(shù)與部件仍存在短板，清秸裝備智能化方面仍有較大提升空間。與歐美等國(guó)家相比，我國(guó)的保護(hù)性耕作苗帶秸稈清理裝備相對(duì)落后，但具有較大的發(fā)展空間。改進(jìn)清秸裝置型式和作業(yè)參數(shù)、改善關(guān)鍵部件材料性能、發(fā)展自動(dòng)化智能化清秸裝置等是未來我國(guó)免（少）耕播種清秸裝備的主要研究方向。