大豆—玉米帶狀復合種植耕種機械化研究進展

單海勇 嚴旖旎 張晉 劉旭杰 韓笑 劉建

摘要：為充分發揮大豆—玉米帶狀復合立體化種植技術優勢，保證我國糧油安全，解決作物爭地矛盾，配套的復合耕種機械化研究成為首要環節。從國內典型多種植模式出發，總結地區間套作技術下大豆—玉米配套耕種機械特點，圍繞耕種機具整地、潔茬、施肥、排種、播深及投種等作業階段，闡述對比耕種機械技術工作原理，發現實際生產中仍存在秸稈擁堵、種肥排量和位置不協同、播深變異系數大和投種著床不均勻等問題，從農機農藝融合方面提出輕擾低耗潔茬、處方分層施肥、種肥電驅變量控制、多傳感智能仿形播種、種粒平穩著床等一系列改良大豆—玉米復合耕種機械的路徑，以期促進綠色高效發展。

關鍵詞：大豆—玉米；帶狀復合種植；機械化耕種；農機農藝融合

中圖分類號：S233.2

文獻標識碼：A

文章編號：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

*基金項目：江蘇沿江地區農業科學研究所青年科技基金項目（YJ（2022）007）；“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFD0300209）；南通鄉村振興戰略研究專項課題（NTXCZX—2022—03）

第一作者：單海勇，男，1995年生，江蘇鹽城人，碩士，研究實習員；研究方向為農機智能化。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；研究方向為耕作栽培。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主要糧油作物，不僅是經濟發展的基礎，其安全高產更是關系國計民生^[1]。近年來，我國人口及人均消費水平進一步提高，人均農業耕地面積進一步減少，造成糧油供給與人口需求之間的矛盾日益突出。2023年我國玉米產量2.88×10⁸t，基本實現自給，大豆產量約2.084×10¹¹t，進口大豆則接近9.941×10¹¹t，自給率僅為17.3%。中央1號文件多次提出穩玉米、擴大豆，推進大豆和油料產能提升工程。

傳統大豆玉米間套作自20世紀50年代起就在全國多地應用，因田間配置不合理、施肥技術不協同、倒伏嚴重、管理難度大等瓶頸問題，加之機具通過性差，不適宜機械化耕種作業，導致產量效益不高。因此，四川農業大學楊文鈺團隊在此傳統間套作基礎上歷經20多年研究并創新出現代大豆玉米帶狀復合種植技術，通過“擴間增光，縮株保密”技術對傳統間套作的改良升級，形成時間差和空間差的高矮立體鑲嵌結構，實現分帶輪作，增加了配套耕種機械化作業可行性^[2]。由于各地區土壤質地及氣候環境不同，我國大豆—玉米復合主要種植地區在栽培時節、田間設置、機具類型、農藝參數等方面存在較大差異，因此需根據地區特色的栽培制度與種植習慣具體分析，進一步加大對大豆和玉米匹配耕種機具多元化、智能化功能研究，實現農機與農藝的高度融合。

本文圍繞大豆—玉米帶狀復合耕種全過程，綜述整地、潔茬、施肥、排種、播深及投種各階段機械化應用現狀，分析不同機械結構和控制方法技術特點，討論大豆—玉米復合耕種機具存在問題與研究重點，以期完善耕種一體機械化技術，為提高我國大豆和玉米綜合生產能力、促進農業可持續發展提供新增長點。

1 大豆—玉米帶狀復合種植耕種機械研究現狀

1.1 大豆—玉米耕種機械的必要性

面對如此巨大的糧油缺口，大豆—玉米復合種植規模需求進一步加大，大批家庭農場與高標準農田建成，如何在保證大豆—玉米大面積季節檔口高效作業、爭搶農時，又保證高質量耕種是復合種植推廣的制約因素。合理耕整地對大豆—玉米全生命周期穩定生長創造條件，優質的種床結構分為種下土壤、種上土壤與表層土塊、根茬覆蓋物，作物生長需要一個上松下實的環境結構。秸稈還田耕作方式對土壤耕層緊實度、儲水率、微生物多樣性等理化性狀影響十分明顯，與大豆和玉米生長周期的萌動出苗、根系發育及產量息息相關。精密播種技術是將種子按照農藝栽培要求的株距、行距和深度精準地播置于預定的土壤中位置，即“一精三準”田間配置效果，但豆類大豆與禾谷類玉米在帶狀復合種植中顯然對播種參數要求不同，不僅如此，兩類作物復合種植所需配套肥料施用也截然不同，因此提高大豆—玉米機械化作業不同作物田間分布的均勻性與配比肥料施用的精準度，通過耕種兩階段高質量栽培技術促進糧油高產成為重要一環^[3]。過去我國農村勞動力充足，大豆和玉米耕種依靠“手工為主、機械為輔”型傳統農業方式，研究上述現代高質量、復雜化大豆—玉米復合種植技術，僅僅依靠人工完成耕種顯然無法即時滿足生產要求，因此，農機與農藝融合是實現耕種作業提效降本的必然途徑，隨著大豆—玉米全程全面機械化發展，使用高效綠色耕種作業機具成為關鍵。其不僅可以減輕農民的勞動強度與降低玉米生產成本，而且可以通過智能控制滿足“快、準、省”農藝措施要求，實現大豆—玉米帶狀復合生產專業化、生態化、現代化。

1.2 國外玉米大豆耕種機具發展

國外大豆—玉米種植配套耕種機具如表1所示。

歐美西方農業多以規模化、集約化家庭大農場模式進行生產，人少地多，不存在作物爭地問題，因此大豆和玉米多采用凈作進行種植。而大豆和玉米凈作耕種技術的研究從20世紀30年代已經開始，并研制了配套機具，目前對大豆和玉米多采用耕整播種集成化、通用化機具，耕種效率達20 hm²/h，可在單次機具行程作業中完成耕整地、精準施肥、精量播種、質量監測及植保除草等功能^[7]。所研制的耕整地、播種機械采用虛擬仿真擬合系統、數據采集系統和自動控制系統相結合，通過變量工作部件來完成精準農業的農藝要求。日韓等亞太地區多以丘陵山地為主，農業種植面積有限，因此大豆和玉米需依賴大量進口，隨著對糧油、牧草飼料、工業原料需求的增加，近些年也開始進行大豆—玉米復合種植，通過大豆藤蔓纏繞玉米莖稈來增加作物產量，進一步研制復合耕種機具緩解勞動力短缺問題。

1.3 我國大豆—玉米復合種植分布情況及耕種機械化程度

我國多地區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械上發展較晚，由于我國多以小地塊、零散化耕種，并不適用西方大型化、多動力耕種機具，在速度、精度和智能化水平上也有一定差距。帶狀復種是在玉米和大豆間套的基礎上發展起來，2022年，我國將在16個省市地區推廣1 000 khm²大豆—玉米帶狀復合種植技術，分布廣泛，受不同地形和氣候特征影響，各地區在作物茬口、耕種時間和種植模式也有區別^[8]，研究與開發適用的耕種機具尤為重要，各地區配套機械如表2所示。大豆—玉米耕種過程是一個系統工程，包括了整地、潔茬、施肥、播種環節，每個環節前后緊密相連，互相影響。要獲得較好機具耕種性能，即耕作方面較好的秸稈清潔度、耕深穩定性、表面平整度，播種方面較好的排量穩定性、穴粒合格率、粒距均勻性等。只有協同大豆—玉米耕種機具每個作業系統高效穩定的作業，實現良田與良機的有效結合，才能提升現代大豆—玉米復合耕種制度質量。

2 免耕與清茬技術

作為秸稈綜合利用可持續發展主要措施之一，秸稈還田對于培肥地力、增加有機質、改善土壤結構有積極的意義^[9]。機械化秸稈還田是一項新技術應用，是耕作制度上的創新。其還田模式包括傳統的深耕翻埋、旋耕混土等主要耕作方式。這要求機械化作業需配套滅茬機、犁地機、旋耕機等，機具多次下田，生產成本高、耗工耗時。不僅如此，過多的翻耕作業還會引起土壤侵蝕、養分流失等問題，造成大量碳排放。張賽^[10]研究發現，在小麥—玉米—大豆復合種植模式下，傳統耕作周年固碳為39 312 kg/hm²，相比壟作+覆蓋的免耕還田年固碳降低19.68%。胡發龍等^[11]在小麥—玉米間作種植模式下發現，與帶狀間作保護性耕作相比，傳統耕作土壤與單位耗水碳排放分別增加了12.4%和9.5%。

在低碳農業背景下，近些年保護性耕作因其水土保持、抗旱節水、節能增產等明顯特點，得到進一步推廣。秸稈還田下少耕與免耕覆蓋作為保護性耕作的核心，為大豆和玉米播種前通過前茬作物收獲機將秸稈切碎鋪至田塊表面，減少動土作業過程。但由于前茬作物機具收獲時秸稈粉碎不完整、覆蓋不均勻及滅茬不徹底，現復合推廣模式大豆行間距較窄，導致在后續開溝作業時發生秸稈擁堵、晾籽以及作業深度不穩定現象，直接影響了后續播種施肥作業質量。

免耕作業下解決秸稈殘渣防堵成為大豆—玉米復合種植可持續的重要研究熱點。國內外學者通過增加秸稈處理裝置來實現防堵技術功能，按其驅動方式分為主動式與被動式兩種^[12]。被動式秸稈處理技術主要通過機具自身重力或者裝置在牽引力下撥開秸稈，包括分茬器與切茬器等，國外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，預先將田塊麥秸稈、根茬進一步切碎，一定程度上達到防堵效果。趙武云等^[15]開溝器前設計彈齒防堵裝置，通過非線性變形對秸稈產生短時間壓制，防止開溝器纏草。在撥拋防堵技術研究上，2BYF-2/4播種機具在鏟式開溝器上方安裝被動式圓棍防堵裝置，實現層堆秸稈兩側位移，緩解秸稈在開溝播種行局部集中^[16]。谷謁白等^[17]運用秸稈覆蓋層的連續介質流體特性，設計了“層流型”曲面分草器，達到結構簡單、磨損小良好的繞流性能，但這類撥拋式防堵機構由于缺少大驅動力，在秸稈全量還田下集茬作業性能下降。被動式秸稈防堵主要機構類型如圖1所示。

主動式秸稈處理技術通過外界驅動力傳動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為了蓄水保墑，培養肥力，有著免耕播種大豆和玉米習慣，隨著小麥高產帶來的秸稈量增加，為提高后續大豆和玉米作業工序質量，增加機具通過性，秸稈防堵技術成為關鍵。方會敏等^[18]針對這一問題設計了一種主動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離散元仿真陸續改進了7種型號，最優作業參數下秸稈清除率85%以上。在此基礎上設計了阿基米德螺線型防堵機構，機具前進速度7 km/h、液壓馬達主動分撥轉速600 r/min，此時秸稈清除率為92.6%，引導了秸稈攀升層疊，緩解了秸稈局部集中^[19]。劉建等^[20]設計的一種全茬地絞龍潔區秸稈處理機構，左右絞龍關于中心線對稱，作業時通過通軸螺旋絞龍輸送秸稈至寬行帶集覆，窄行潔區開溝。施印炎等^[21]設計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，秸稈導流裝置斜面引導自行回落兩側覆蓋行內，種帶清秸率均值≥90%。陳威等^[22]針對機械式防堵裝置入土容易掛草問題，設計一種基于氣吹式防堵裝置，其采用風扇與淺旋配合方式，利用氣流吹散秸稈，試驗結果清茬率為80.55%，晾籽率僅為0.95%，達到潔區開溝的目的。

在產品化方面，為降低大豆玉米復合種植成本，設計了2BFYD-2/4型對稱鋼絲撥尺清秸系統，通過PTO動力帶動旋轉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]針對黃淮海地區一年兩熟輪作制度前后茬緊接導致麥秸稈無法及時腐解問題，研發了2BMFJ-3型麥秸稈免耕大豆播種機，清秸覆秸裝置與前進方向垂直，通過相錯疊加4把直秸刀將秸稈、根茬切斷并拋撒至機具外側，完成對相鄰播種行的秸稈覆蓋。主動式秸稈防堵產品結構如圖2所示。

3 精準施肥技術

大豆—玉米施肥技術是按照一定比例將均勻肥料粒播撒至根系附近，保證種子生長期足夠的養分，促進健康生長。由于大豆和玉米的肥料運籌和用量不同，玉米產量有70%～80%來自施肥，需肥量大，而大豆所需營養約50%是由根瘤菌土壤固氮提供，過量施肥導致“氮阻遏”現象。

因此相比凈作，大豆—玉米復合種植機械采用隔斷、雙排肥及分控調肥技術，如圖3所示，即將肥箱進行間隔，雙排肥器玉米集中施肥，同時采用兩套調肥系統，滿足大豆和玉米施肥量不同情況下進行下肥口獨立排肥技術控制與漏肥報警等。

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，很容易發生燒種、燒苗、弱苗的現象，因此逐漸被淘汰。而機械化條施肥技術與少耕相結合，達到了保護性耕作效果，也已在我國大面積推廣。機械化條施肥技術是一項節本增效的農業工程，相配套的機具發展成熟。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構簡單、均勻度更高，成為目前應用最廣泛的一種，如圖4所示。丁國輝^[25]根據“2+3”模式設計的2BF-5大豆—玉米間作機具，采用外槽輪式排肥器與活動式開溝器實現橫向可調條施肥，實現大豆不施肥，玉米行外側施肥作業。潘世強等^[26]優化條播外槽輪排肥器，采用槽鑄鋁為材料，排肥槽最佳工作長度為20 mm時，變異系數最小。

機械化大豆—玉米施肥技術不僅僅完善功能性研究發展，更加考慮到節本施肥、生態保護等問題。由于單行的種粒相距較遠造成條施行中間肥料不易被吸收而浪費，并且多余的肥料會造成土壤板結、鈣化，進一步影響作物的產量^[27]。機械化穴施肥是一定質量化肥和一定數量種子相匹配的參數化施肥技術，對玉米—大豆生產節本增效、健康幼苗及精量高產可持續發展有重要作用。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扎穴裝置組合，通過扎穴口間隔往復扎穴動作，扎穴嘴開閉實現均勻肥料精準定位。胡紅等^[28]采用驅動曲柄—連桿結構與回位彈簧組合，實現扎穴嘴往復間隔扎穴，但是這種扎穴施肥裝置往復工作效率較低，適合小型機具，不適用高速作業，而開溝穴施肥方式建構簡單，應用較廣。

相關學者進一步從穴施排肥器結構研究，臺啟磊^[29]設計可調式窩眼式精量排肥器，通過孔型深度和調節板開度大小調節穴施排量。周云峰^[30]設計一種彈射活塞式排肥器，利用活塞機構的間歇運動實現肥料成穴，見圖5。張俊雄等^[31]通過“機+電”集成方式設計正位穴深施肥精播機，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構，由步進電機正反轉控制擋板的開閉從而實現穴施與條施的切換。表3對各現有大豆—玉米機械化施肥原理及結構優缺點進行了比較。

“精準施肥”是根據土壤肥力、作物需肥與目標產量，以合理的施肥方式最大限度提高土壤肥力獲得最佳經濟、生態效益。李偉為^[32]為了解決傳統測土施肥傳感緩慢及測量片面問題，利用與“互聯網+3S”技術結合方式，建立4層體空間體系的實時空間施肥大數據可視化地圖系統，為大豆—玉米施肥機具提供分區域、分作物的變量施肥處方。王榮本等^[33]為節省應用衛星系統成本，采用機器視覺技術識別大田玉米的生長狀況進而對大豆和玉米定株、定點精確施肥，實現農作物智能化精耕細作。

4 精密播種技術

4.1 精密排種技術

大豆—玉米精密播種技術是將定量的種粒按照適宜的行距、株距和深度進行穴播，最大限度提高田間高標準復合播種的均勻性，使相同作物對水分、養分及光能良好吸收，實現植株長勢一致性，從而提高產量。大豆—玉米機械化復合播種是一個復雜的系統工程，主要包括排種、投種和著床3個環節，各個環節前后緊密相連，互為影響，只有在精密協調作業下，大豆—玉米機具才能獲得較好的播種性能（重播指數、漏播指數、合格粒距變異系數等）^[34]。現代大豆—玉米帶狀復合種植通過“分帶輪作，擴行縮株”技術融合，在播種環節配套的機具上，通過U型連接管將功能集成化的播種單體活動連接在機架上，根據不同寬帶與窄帶行距橫向靈活調整安裝位置，采用分控分調獨立驅動系統設計，以實現大豆和玉米不同農藝的耕種要求。

排種器是實現大豆—玉米帶狀復合種植的核心部件，按照農藝要求連續提供連續種子流。大豆和玉米形狀不同，但是大小相似，因此在排種器結構上有一定的通用性，主要分為機械式和氣力式排種器，氣力式由于生產成本與加工精度在我國應用不高，機械排種器主要包括：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，經過刮種器去除多余的種子，根據原理需對不同形狀的大豆和玉米分別對應制作型孔，適合相同作物相同尺寸種粒排種^[35]。針對傳統窩眼式大豆排種器在高速作業下出現破損、漏播問題，設計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，轉動時短暫性破壞籽粒平衡來增加進窩孔的概率。勺輪式排種器通過勺齒與隔板形成持種空間完成充種，運動到隔板缺口進行落種，一定程度上減少了排種過程擠壓損傷現象。為減少大豆和玉米種粒在高速播種時振動掉落現象，指夾式排種器逐漸被推廣應用。王金武等^[36]先后采用EDEM離散元模擬和正交臺架度因素試驗優化指夾式排種器，結果表明：彈簧絲徑為0.77 mm，排種器轉速小于19.2 r/min時，性能最優。為滿足現代大豆—玉米復合種植模式玉米“單粒密株”特點，因此現有的機械式排種器多以增加窩眼密度、輪盤勺數、指夾密度及優化變速箱提高轉速形成密集種子流。在解決大豆“單穴多粒”環節，通過并列多排型孔、修改勺齒等優化實現。此外，在應對西北地區地膜覆蓋保墑、抗旱技術上，大豆和玉米直插式播種配套技術能減少動土和對地膜的損壞，其主要通過滾輪與地面摩擦滾動完成打孔器在土壤打孔。趙武云等^[37]設計直插式播種機并進行ADAMS仿真，通過分析仿真軌跡優化打孔器和投種等參數。

4.2 播深測控技術

播種深度是高質量栽培的重要指標，播種深度指的是種子上所覆蓋土壤厚度，一般認為播種深度即開溝深度。播種深度影響大豆—玉米帶狀復合種植的出苗率、出苗時間、養分吸收、墑情氧氣流通等。相關研究表明^[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構化，平整度不一，因此同一機具不同種粒的播種深度及變異系數至關重要。

播種深度控制主要依靠播種機具仿形機構實現，按結構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，設計浮動三點懸掛+地輪組合實現整體仿形，因此難以達到大豆和玉米不同的播種深度。單體仿形是對每一播種作業行獨立局部仿形，相比整體仿形的播種精度和穩定性進一步優化，逐漸在國內大量應用。開溝深度按驅動方式分為被動式仿形與主動式仿形，國內播種機具開溝深度多數采用被動式仿形，其主要通過先前手動調節播種單體彈簧初始形變量，達到大豆和玉米每一作業行不同預緊力（壓縮或拉伸），從而機具作業時連桿和仿形輪隨地形起伏變化，自動調整開溝器上下垂直的相對距離，實現不同作物的播種深度。張守勤等^[40]通過建立仿形輪壓力數學模型，并通過仿真優化單組的結構參數。

由于機械彈簧式仿形機構不適應局部土壤緊實度多變情況，會影響播種單行的播深一致性，且在機具高速播種作業時會發生仿形提前或滯后等現象。主動式仿形開溝技術通過檢測單位測量實際模擬量反饋，與設定深度進行對比，控制單元計算誤差，自動驅動開溝器深度微調節，通過機、電、液結合提高仿形響應。在接觸式播深控制系統上，趙金輝等^[41]設計雙位移接觸式傳感系統、PLC控制系統及液壓驅動單元播深閉環控制方案，試驗表明：系統播種控制響應性提高到0.12 s，局部播深穩定性系數≥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量值與閾值大小，從而驅動液壓驅動系統實時調整播深，合格率提升≥13%。黃東巖等^[43]為進一步提高播深精度，采用PVDF壓電薄膜傳感器安裝于限深輪的胎面，將薄膜形變量轉換為電壓信號進行濾波放大，驅動空氣彈簧調整四連桿。除了基于力接觸式測定系統，還有依據其他參量的模擬值。Weatherly等^[44]采用DFS濕度傳感器設計了一款基于接觸式播深系統，通過土壤含水率參數調整開溝深度。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輪進行比較來確定氣吸式播種機的開溝器工作深度。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，當機具速度為10 km/h，播種深度為20～50 mm時，控制誤差在10 mm以內。

4.3 平穩投種著床技術

大豆和玉米平穩投種著床是機具精密播種籽粒，經由導種系統到達種床的過程。由于種子本身類球形狀且具有較高的動量，會出現籽粒在種床內觸土彈跳、偏移和滾動的現象，隨著排種器作業速度的提高，以及秸稈混土導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分布不規則，從而影響田間微環境，降低光、熱等資源的利用效率，增加田間管理難度，降低玉米產量。因此，如何抑制玉米種子與土壤接觸后的彈跳滾動是提高機械化播種高效、高產的關鍵。

以往大多采用試驗的方法對非連續體顆粒材料間碰撞互作進行研究。王未等^[47]采用均勻設計方法，對圓盤開溝種子觸土后的彈跳滾動位移進行試驗測定，建立機具開溝角與覆土板寬度參數與籽粒彈跳滾動的回歸方程。馬旭等^[48]研究種子落入種溝后彈跳滾動，通過二次通用旋轉設計試驗方法建立桌底速度、角度影響因素與籽粒彈跳位移的數學模型。

隨著計算機技術的發展，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，對不連續領域物體群體復雜的運動行為和力學行為進行精準分析。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，對種子顆粒模型的參數進行標定。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）來分析顆粒與機械部件的接觸作用，通過單因素仿真試驗對影響種子彈跳位移的因素進行了研究。

在抑制大豆—玉米著床彈跳滾動先進機械設計上，通過在排種器下方延伸一段導種滑道，降低投種高度，投種口交叉開溝器方朝后抵消前進速度，接近“零速投種”，從而減少滾動彈跳^[52]，如圖6所示。

國外提出一種“二次投種”理論，即將排種器出口種粒運輸到較低的投種高度再投種，減少種粒著床的不確定性。Garner等^[53]設計的毛刷導種帶柔性夾持種粒在低位實現平穩投種。陳玉龍等^[54]設計一種對置帶式精確投種裝置，通過并列平行安裝軟質輸送帶，完成排種后對種粒的柔性包裹并精準著床，見圖7。陳學庚等^[55]設計氣吸式排種器帶式導種裝置一體協同作業系統，撥指將種子順次撥出并進入柵格，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著床，試驗表明：投種高度為100 mm，取種盤轉速為30 r/min，粒距合格率為≥97%，提高投種質量。

5 大豆—玉米機械化耕種存在問題

隨著大豆—玉米帶狀復合種植不斷推廣，通過改裝單種作物耕種機具的過渡方式也逐漸趨于向復合耕種機具獨立設計方向發展。在此過程機具的作業效率、作業質量有了較大的提升，但是從國內的復合耕種及發展現狀來看，尚存在以下問題需要突破。

5.1 機械化秸稈還田技術應用問題

前茬秸稈處理是大豆—玉米機械化高質量帶狀復合種植的前提條件，其中小麥秸稈占大多數，為促進農業可持續發展，助力農業生產“碳達峰、碳中和”，截至2023年，我國秸稈機械化還田率達到86%，露天焚燒現象明顯減少。通常通過旋耕與深翻方式進行機械秸稈處理，但干旱的西北及沿海鹽堿地區特定的土地特性，土地耕層淺，影響還田質量，進而對后續大豆和玉米種肥機械施用有較大影響。保護性機械化耕作技術對土壤的擾動小，但隨著近年來小麥生產帶來的大量秸稈問題，導致秸稈粉碎度達不到要求，開溝部件大量秸稈擁堵，拖拉機牽引力功耗增加，機具通過性差，地輪被秸稈纏繞架空，由地輪傳動結構的施肥播種軸失去動力，且過多秸稈覆蓋使得機播出現晾籽現象。

5.2 大豆—玉米機械化施肥協同作業問題

現有小部分地區仍采用種肥機械化混施方式，需要后期多次追肥才能保證大豆—玉米的周期營養。機械化條施肥在應用上為主流方式，對于條播作物可以很好地提供生長營養，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。在機械化穴施肥上，施肥穴定位成形是核心，西北及丘陵地區小型機具以直插式一次定位成穴為主，而在其他地區仍以排肥器—輸肥管—開溝方式為主，對顆粒狀肥料無法有效的約束，造成穴長和穴距穩定性較差。此外國內農機地輪驅動仍為主要驅動方式，限制了播種速度和精度，難以滿足大豆—玉米復合短株距農藝要求，一些農機采用地輪+電驅動混合驅動方式，由于兩種方式缺少相同參考量，引起種肥穴施驅動軸速度不協同，導致播種穴和施肥穴的位置匹配精度不高。

5.3 播種機具性能單一及種粒平穩著床問題

我國大豆—玉米帶狀復合種植各推廣地區地形結構與土質性質有很大差別，間套作模式繁多。研發一兩種類型播種機具無法滿足實際需求。在播種深度上，被動機械式單體仿形應用廣泛，彈簧—平行四連桿仿形結構在仿形精度和穩定性上有待提高。在大豆和玉米平穩投種研究上，國外研發的先進穩定投種著床和監控補種裝置使種粒株距與均勻性有很大提高，國內仍采用投種管，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控補種系統仍處于試驗研究狀態，生產應用較少。

6 建議與發展趨勢

根據以上大豆—玉米耕種機械化存在的關鍵技術問題，要推動大豆—玉米復合種植技術高效、優質的發展，必須對上述存在問題給予解決。

1） 應對秸稈還田應用問題，建議在未來的機械化作業中，減少被動式秸稈防堵機具，改進動土多及功耗大等主動式秸稈清理機具，在保證安全作業的條件下，結合現代大豆—玉米寬窄行帶狀種植等農藝技術，重視秸稈物理剛柔耦合特性與機械接觸特性等基礎性機理研究，加快氣力式吹茬和微動土撥茬等秸稈處理技術研發與落地應用，實現“先掃后蓋”輕擾低功耗作業功能，提升定向秸稈拋撒能力，減少土塵的產生。

2） 應對機械化施肥協同作業問題，建議加強大豆—玉米穴施肥裝備技術研究與技術應用，達到節本增效目的。在穴施成形上采用機—電—傳感結合的多定位技術，保證成穴效果。另一方面，設計與開發分層穴施裝備，保證作物根系在吸肥時間節點與不同施肥層養分供應協調。不斷探索“測土配方—變量施肥”智能化施肥技術，加快大豆—玉米不同田塊局部肥料處方圖實時檢測與機具無級變量施肥系統落地。

3） 應對機具性能單一及種粒著床問題，建議通過“造改結合”，根據不同區域復合種植主推技術模式的播種農機作業需要，緊抓現有機具適配改造應用，加快西南丘陵小型間套作播種機具與其他中大型播種機具研制推廣。在排種器上，國內大豆和玉米機械式排種裝備發展健全，圍繞“縮株保密”農藝要求展開排種器研究（如流體播種、電磁播種），形成穩定連續的種子流，設計監測補種系統實時響應保證苗全。開展多傳感播深檢測與實時主動式仿形研究，提高播深控制精度，將播深仿形“自適應”逐步改進成“智適應”。在大豆和玉米平穩投種研究上，國內仍然以導種管方式投種，種粒株距與均勻性不高，在借鑒吸收國外投種技術上，圍繞“零速投種”和“二次投種”理念，加快大豆和玉米平穩投種著床裝備開發與應用。

7 結語

大豆—玉米帶狀復合耕種機械化是實現糧油安全的重要保障，盡管種植農藝技術已經取得較好地驗證，但復合耕種機械化發展較為緩慢，現有的大豆—玉米復合作業機具性能較為單一，在很多主推地區呈現“水土不服”。大豆—玉米耕種機械化是一個復雜工程，需農機與農藝相結合，從我國多種植區域耕種制度及地理環境出發，圍繞清茬、整地、施肥機播種銜接作業環節綜合考慮，設計與開發相配套的智能化機具。

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