国内外免耕播种机研究现状及展望

邱 添， 胡志超， 吴惠昌， 顾峰玮， 徐弘博， 吴 努

(1.南通大学机械工程学院，江苏南通 226019； 2.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)

免耕播种是指无需对土壤单独进行翻耕而直接在农作物根茬和秸秆覆盖的土地上进行播种的一种耕作方式。作业时使用免耕播种机在留有前作物残茬的土地上一次性完成灭茬、开沟、播种、施肥、覆土镇压等工序。免耕播种作为保护性耕作的关键技术之一，具有减少翻地次数、降低农耗成本、减轻土壤风蚀、防止水分散失、提高作物产量等一系列优势[1]。与一般的播种机相比，免耕播种机要在没有经过翻耕且留有前作物秸秆和残茬的田地上进行播种作业，工作环境恶劣，作业难度较高。为了能在残茬地上有效作业，免耕播种机首先必须能够在大量秸秆覆盖的土地上行进顺畅，防止残茬和秸秆在作业过程中堵塞机具；其次，免耕播种机要有较强的入土能力，要求其灭茬装置能够高效地切碎残茬和秸秆[2]，开沟器能够开出形状、大小适宜的种沟，从而确保机具上的播种装置将种子播在适宜的深度位置，保证种子顺利发芽；此外，免耕播种机要有镇压能力强的覆土轮，确保在种子播下后用土压实，起到保熵作用并保证出苗率。如果无法满足以上要求，免耕播种机就无法在田间进行有效作业。目前，国内外市场上已经存在一大批能够应用于实际生产作业的免耕播种机具，其适应的工作环境不同，作业质量差距较大。

1 国外免耕播种机研究现状

保护性耕作技术起源于美国。20世纪50年代免耕法在美国初见成效，20世纪70年代免耕技术在美洲、澳洲地区的部分国家开始起步，自此免耕技术迅速推广并逐步发展为土壤的保护性耕作技术[3-4]，进而得以应用在实际生产中。目前，保护性耕作技术体系较为成熟的国家有美国、加拿大、澳大利亚、巴西等，其保护性耕作发展具有起步早、普及率高、配套机具完善等特点。世界著名企业如美国的John Deere、Great Plains、加拿大的Flexi-Coil、澳大利亚的John Shearer等经过多年研究，研发出一系列功能完善、工作效能高的免耕播种机，广泛应用于实际农业生产，并取得了显著经济效益。

美国John Deere公司研发生产的1590型免耕条播机(图1)功能完善，技术先进，播种性能优异，同系列共有3种机型，对应工作宽幅分别为3.0、4.6、6.2 m。其采用的90系列圆盘开沟器破土能力强，入土角度小，碎茬性能优良，能有效避免壅堵。种箱上装有指示器，显示种子剩余数量。采用电子播量控制装置，通过此装置可以直接在拖拉机上改变播种量。该机型采用液压式下压力系统，在应对质地不同的土地时可进行调节。向下压力调整范围为720～1 800 N，可以通过加压有效穿透硬土和残茬。

美国Great Plains公司生产的免耕机具款型众多，其605NT型免耕播种机(图2)使用3款可调式双圆盘开沟器，有利于破土和控制沟形，采用波纹形碎茬圆盘，灭茬效率高。机具配有限深调节装置和四档变速调速盒，作业宽度1.83 m。同系列还有705NT型、1005NT型、1205NT型等，分别具有不同的工作幅宽。该公司生产的3S-4000HD型重型免耕条播机工作幅宽为12.2 m，适用于大面积平坦土地的播种作业。

加拿大Flexi-Coil公司制造的免耕机具普遍体积大，工作幅宽大，适用于大面积农田的生产作业。如其生产的5000HD型、5500型免耕播种机排种方式为气力式，播种精度高，机具尺寸较大，5500型系列中最大的一款工作幅宽可达24.4 m(图3)，选用多梁结构的铲式开沟器和多排覆土轮，其间距较大，能够有效避免壅堵。该公司的PD5700型免耕播种机能在起伏地面和多残茬土地上实现精确播种。

澳大利亚JohnShearer公司生产的免耕机具可在一次行程中进行多种作物播种，如其制造的2种箱免耕播种机和4种箱免耕播种机行进1次分别可以播种2种作物和4种作物。澳大利亚Big Rig公司生产的大型多梁小麦免耕播种机运用气力输送对种子进行2次分配，机具自身装有发动机。巴西SPD系列小麦免耕播种机可以在碎秸秆覆盖地上进行作业，覆盖率最高为30 t/hm2。该机具质量水平接近北美一些先进机型，而售价相对较低，具有较高的性价比。

目前，许多国外生产的高性能免耕播种机体积大、质量大、作业幅度宽、自动化水平高、配套动力大、售价相对较高，适合应用于国外大面积耕地及大规模农场的生产作业[5-7]。这些机具基本都采用联合作业方式，一次性完成灭茬碎秸、破土开沟、种肥混施、覆土镇压等工序[8]。而我国耕地地块小，农民购买力较低，播种时要求肥料和种子分开播下，国外很多机型无法满足要求。此外，国内使用的小型播种机的配套动力机构一般是中小型拖拉机，不能满足国外机具的动力需求。从工作性能和作业环境来看，国外免耕播种机很难直接应用于国内生产。

2 国内免耕播种机研究现状

我国免耕技术始于20世纪60年代。20世纪60年代江苏省、黑龙江省等最早开展了免耕种植小麦的相关试验，20世纪80年代国内部分科研院所陆续开始研究免耕技术。20世纪90年代起，国外的保护性耕作技术理念被引入国内，同时国内开始将农艺与农机结合，着力研制免耕机具。2002—2005年，以北京、天津地区为中心的2条保护性耕作带正式建立。2006—2012年，国家全面推行保护性耕作理念，旨在用7～10年时间在西北、东北、华北等旱作地区实现保护性耕作的全面实施[9]。2013年11月，亚洲保护性耕作政策与战略构思研讨会在北京召开。2016年6月，国家出台探索实行耕地轮作休耕制度试点方案，进一步刺激免耕播种技术的发展。随着保护性耕作技术的深入研究和不断推行，国内已涌现出许多保护性耕作机具，其中包括不同类型的免耕播种机，分别适用于玉米、小麦、花生、大豆等不同作物的免耕作业。

原北京大学施宝森等设计的2BQM-6型及其改进型2BQM-6D型、2BQM-6A型免耕播种机性能优良，可以播种玉米、大豆等作物。该系列机型配套动力为73.5 kW以上的拖拉机，破茬装置为入土能力强的凿形刀，工作原理为推力分茬。其播种深度可以在3～7 cm间调节，作业时无需另加配重。工作时可一次性完成切茬破土、限深开沟、种肥分施、覆土压实等各项作业。该系列机具在破土开沟、播种限深以及避免壅堵等方面性能优异[10-12]。2BQM-6型系列免耕播种机为6行机，目前，根据作业行数不同已经改造出2BQM-7型、2BQM-8型、2BQM-9型、2BQM-11型等，分别对应作业行数为7、8、9、11行。

中国农业大学开发的一款2BMF-9型免耕播种机主要应用于秸秆覆盖地的小麦播种。其结构设计为双排梁型，每一排梁上开沟器之间的距离较大[13]。为了能在秸秆覆盖地上顺畅作业，该机具选用限深圆盘作为灭茬装置，开沟器装在四连杆仿形机构上，配套动力为铁牛-55拖拉机。但该机质量较大，约为900 kg，对拖拉机悬挂要求高及价格较高，推广时受到一定限制。以该机为原型，中国农业大学、山西新绛机械厂通过技术改造，联合研制出2BMF-9(11)型中型机、2BMF-6(7)型小型机等系列产品。该系列机型均采用复合型开沟器，配有短翼尖角型开沟铲[14]，去除了限深圆盘及四连杆仿形机构，从而减轻机具质量，降低成本及市场售价。该系列机型现已得到推广与普及，广泛应用于实际生产。

农业部南京农业机械化研究所与天津津旋农机具有限公司共同开发的全秸秆覆盖地免耕播种机能够在完全未经处理的残茬和秸秆覆盖田上进行播种作业，并实现播种后秸秆全部还田。该系列包括2BHQM-4型花生免耕播种机、2BYQM-3 型玉米免耕播种机(图4)、2BM-12型小麦免耕播种机等。机具运用模块化组配技术，能够完成全秸秆覆盖地碎秸、清秸、苗床整理、施肥播种一体化的高效免耕播种作业。在秸秆粉碎和施肥播种工序之间，采用反向浅旋装置实现苗床整理功能，进一步破茬、破土，降低开沟阻力，从而使施肥、播种及覆土镇压等后续工序的可靠性提高。采用秸秆分流可调装置，实现粉碎后的秸秆一分为二，一部分混入土壤，另一部分覆盖于土壤表面，且2个部分秸秆量比例可调[15-17]。此外，该系列机型最大特点为在机具上方设计有一个叶轮式碎秸抛洒装置，利用碎秸输送管路风送动力带动叶片旋转，将碎秸秆均匀抛洒并覆盖在播种作业后的田垄上[18]。2016年4月，该系列免耕机具在黑龙江省大庆市肇州县开展推广示范活动，示范现场该机具通过实际作业，表明其能够解决现有免耕机具常出现的壅堵、架种、晾种等问题。播种效果优良，作业可靠性高。

根据国内相关农机企业统计，2015年我国免耕播种机销售总量超过5万台，约占全国播种机销量的50%；销售总额超过5亿元，其中国家补贴超1.5亿元。受玉米、小麦播种期影响，销售旺季为5—7月。在此3月中全国共售出 3.8 万台免耕机具，为全年销量的66%；销售额超3.5亿元，为全年销售总额的65%。从地域方面来看，2015年内蒙古地区免耕播种机销量位居全国第一，年度销量近2万台；河南省位居第二，销量为1万台左右；河北省售出约5 000台，居第三；吉林省年销售总额为1.3亿元，居全国之首，而其年销量仅为 3 000 台左右。目前，国内不同品质的免耕机具之间价格差距较大，低端机型销量较大。2015年售价5 000元以下的低端机型销量为总销量的59%；5 000～20 000元的中低端机型销量约占总销量的33%；在售价20 000元以上的中高端机型中，20 001～40 000万元、40 001～60 000元、60 000元以上的免耕播种机销量分别占总销量的2%、5%、1%。售价 5 000 元以下的低端机型主要销售地集中在内蒙古自治区、河南省、河北省、陕西省等地区，占5 000元以下机型总销量的83%；在东三省和内蒙古地区4万元以上的中高端机型销路较好，其销售量占4万元以上机型总销售量的97%。随着耕地规模逐步扩大，保护性耕作加速推广，以及国家补贴逐年提升，我国免耕播种机具的普及率会在未来一段时间内持续升高，其中，中高端免耕播种机的占比也将逐年上升。

近年来，保护性耕作技术在国内迅速推广，国家对其扶持力度也逐步加大。2004年，我国先后颁布实施了农业“三项补贴”，即农作物良种补贴、种粮农民直接补贴、农资综合补贴。2015年开始农业“三项补贴”改革，将以上3项补贴合并命名为农业支持保护补贴，补贴面向所有能够承包耕地的农民，旨在提高农业补贴效能。政策鼓励实行绿色生态种植，加强对农作物秸秆的利用，倡导农民减少化肥和农药的用量、选用有机肥，并推行保护性耕作技术，采取深松整地、少耕、免耕、秸秆还田等措施来提升耕地地力，保护农业生态资源。2016年，国家农机购置补贴进一步加强，补贴政策在所有农牧业县级范围内实施，补贴对象为直接从事农业生产的个人和组织。补贴具体涉及到的农机范围共分为11个大类43个小类137个品目，各省(市、区)按当地实际农业生产情况指定具体补贴的农机品种。免耕播种机根据机型大小及作业幅宽等标准来判定补贴金额。以新疆地区为例，工作行数为6行及以下的免耕条播机中央财政最高补贴990元，25行及以上的免耕条播机最高补贴4 860元(表1)。

表1 2016年新疆免耕播种机中央财政资金最高补贴额

3 我国免耕播种机发展中存在的问题

3.1 结构性能尚待优化，机具质量参差不齐

免耕播种是在留有前作物残茬和秸秆的地面上进行作业的，工作条件较为恶劣。在秸秆覆盖量大或残茬较高的田间，机具容易发生壅土、架种、晾种等问题。如西北农林科技大学曾研发了一款9QBF-150/8型免耕施肥播种样机，秸秆清理装置由秸秆粉碎还田机改造，粉碎后秸秆依靠风力及秸秆本身的惯性力抛出，抛送距离不足，秸秆通道易堵塞从而影响作业效果。免耕播种机应具有性能优良的灭茬装置，粉碎耕作带内的残茬与秸秆后还田[19]。东北农业大学曾设计了一款大豆免耕播种科研样机，其清秸刀受力不合理，刀轴及轴承极易断裂损坏，对秸秆粉碎作用较差，影响秸秆肥效化利用效果。此外，开沟器所开种沟形状的控制、种肥施播量及入土深度的控制都是目前我国免耕播种机研究中尚待解决的问题[20]。

现阶段国内免耕播种机基本能够满足作业需要，但应用于实际生产中时，由于工作条件复杂多变以及机具生产制造时工艺等问题，一部分免耕播种机会出现工作能效低、故障率高、使用寿命短等缺陷。目前，我国部分免耕播种机存在可靠性方面的不足[21]，一些机具的机架焊接质量较差导致其强度不够，前梁容易发生形变；开沟器、灭茬装置强度低，容易扭曲变形，开沟器铲尖和灭茬刀磨损过快；一些机具的三点悬挂系统强度不够，使用一段时间后会出现拉裂变形；传动链条强度不足，发生断裂；输种管在工作一段时间后易发生塑性变形，造成漏种等问题。此外，由于我国地貌形态的多样性，当前许多免耕播种机普遍存在适应范围小的问题[22-23]。各地地质、气候等存在差异，需要根据当地种植工艺选取最为适合的免耕播种机具。

上述问题为现阶段我国免耕播种机在结构设计和生产制造中容易出现的问题。只有不断改进完善，提高免耕机具质量及其作业性能，才能将免耕技术和保护性耕作理念在基层农村顺利推广下去。

3.2 农民旧观念难破，推广普及困难

从精耕细作到免耕作业，这种耕作方式的巨大转变，对于农民来说是生产方式的一次大变革，而变革往往是缺点被放大、优点被质疑的过程。目前，不少农民对免耕播种技术缺乏足够的认识，怕担风险，不敢尝试。结合我国国情，农村年轻人多数选择去城市找工作，农村劳动力以老人为主，相对来说思想较为保守，对新技术的接受能力较弱。有时即使当年在推广人员的带领下采用了秸秆覆盖免耕栽培的方法并取得相应效益，第2年仍需要相关技术人员上门再次进行指导，否则宁愿采用自己更加熟悉的精耕细作的方法。免耕播种作业效果受气候及土地条件的影响较大，在推广中常因缺少连片集中的田块、排灌不便利等原因而受阻。在免耕前期容易出现草害或缺苗等现象，农民常因此对免耕技术产生质疑，一定程度上影响推广普及。此外，免耕作业技术的示范推广需要耗费大量人力、物力、财力，而基层农技推广组织由于自身经费不足等原因，在农村进行技术推广时会遇到很多困难。

以我国东北吉林省梨树县为例，该地区农业技术推广总站站长王贵满与其团队利用10年时间，完善了一套针对我国东北地区的玉米秸秆覆盖免耕播种作业体系，其规模从最初的10 hm2试验田发展到如今6.67万hm2以上示范区。但其推广过程却历经坎坷，主要阻力来自于农民对于耕作的老观念难以破除。2014年，该地少数种粮大户试用免耕技术实现增产增收，但当地农民对于这种新模式仍无法接受，认为土地只有多收拾才能多产粮。许多农民认为，秸秆覆盖地表，春天时地温低，直接播种不利于出苗，即使看到有人采用免耕的方式已经取得成效，仍然不敢冒险尝试。为引导农民接受免耕技术，示范推广进一步加快步伐，免耕田块近2年作为示范观摩点，共接待了来自全省的6 000多名农民。2016年，吉林省各地在春播期间组织秸秆覆盖免耕播种技术的现场培训，使得越来越多的农民开始慢慢接受免耕技术。为推动玉米秸秆覆盖免耕播种技术的推广普及，吉林省从2014年起对采用这项技术的农民进行补贴。2016年，吉林省拿出8 600万元在34个县进行推广示范，对玉米秸秆覆盖免耕生产和秸秆高留茬免耕生产进行375元/hm2的补贴。

4 我国免耕播种机发展方向

4.1 改进关键技术，实现免耕精密播种

免耕播种机想要具有良好的工作性能必须要有优良的田间通透性、较强的入土能力以及良好的覆土镇压能力。为了提高播种质量、降低晾种率，应在现有基础上改进开沟器及排种装置[24]，控制种沟形状、深度以及种肥施播量。气力式排种装置由于其播种精度高的特点，如今已广泛应用于各类免耕播种机中[25]。气力式播种装置又分为气吸式、气吹式2种，一般气吸式应用于小型机具，气吹式用于8行以上的高速精密播种机，适合大面积地块作业。此外，将电控系统应用于排种装置中可有效增加播种精度，其效果明显优于纯机械结构。

4.2 研究开发智能化、自动化免耕机具

传统机械结构在实现某些功能时受到限制，在结构设计时使用新技术能有效地解决当前免耕播种机具普遍存在的问题。目前，国外大型免耕播种机基本都配备了相应的电控单元和监测系统，机具整体稳定性、可靠性高，智能化水平高[26]。北京德邦大为股份有限公司在2015年10月举行的中国国际农业机械展上展示了一款新型电驱气吸式免耕精量播种概念机，其电驱排种器技术为我国国内首创。此款概念机集电驱动精准排种、电驱动变量排肥、免耕播种、雷达测控、GPS导航等多项先进技术于一体，播种精准性高，通用性强，可适用于玉米、大豆、甜菜、油葵等多种作物的免耕作业。

免耕播种作业在大量秸秆覆盖的土地上进行，如果土壤本身起伏不平，易造成播种深度不一致从而导致播种效果差、出苗率低。现有相关科研单位开始尝试在免耕播种机具上增加自动限深装置，使用传感器测量机具入土深度并反馈给机具上的控制端，通过液压驱动调节机具位置从而调节适当的播种深度。目前，国内研发机构正着力进行此类农机智能化、自动化的研究，将新兴科技运用于现有较为成熟的免耕机具上，将使其工作性能产生大幅提升。

4.3 提升产品质量，研制通用性机具

目前，我国免耕播种可用机具多，高质量机具少；仿制机具多，自主研制机具少；小型机具多，大型机具少。机具作业水平及技术含量与国外相比差距较大。许多免耕播种机只能适用于某地区一种作物的播种作业，缺乏通用性。随着农业机械的智能化发展，开发适应性强、功能多样化的机具已成为科研重点。未来国内免耕播种机应能实现不同种类作物的播种功能，根据不同作业地区调整相应的工作方案，具有一定的通用性。通用性机具的研发将带动免耕播种机的体系化发展，提高国内免耕播种机的综合水平，强化市场竞争，淘汰效能低、质量差的机具，从而促进保护性耕作及免耕技术在我国农村全面推广。

4.4 加强政策补贴，普及免耕播种

近年来，我国对于农业扶持以及对于农业机械购置补贴力度越来越大，2016年，中央财政资金对于大型免耕播种机单机可补贴最高15万元。国家对于农机购置的补贴越来越大，旨在落实推广新理念，加快农业现代化进程。保护性耕作技术的全面推广，势必伴随相应的保护性耕作机具在农村的普及与应用。政府在经济性补助的同时，加强对农民培训指导，各地农机基层组织和农机企业多次委派相关技术人员对农民进行保护性耕作机具的操作指导。2015年，全国实行保护性耕作的土地面积已经超过866.7万hm2，免耕播种机总量已经超过80万台。随着政策利好及技术不断完善，免耕播种技术在国内的普及率将逐年升高。

5 结语

目前，我国保护性耕作技术处于推广发展阶段，免耕播种机在品质和产业规模上与发达国家相比还有一定差距。近几年，随着国家政策的扶持，以及各科研院所和相关企业的专家学者的深入研究，国内已经研制出一批较为性能优良的免耕播种机具，基本能够满足当前的生产需求。但相比于美国、加拿大等保护性耕作体系较为成熟的国家，我国保护性耕作普及率较低，机具相对落后。在未来的一段时间内，我国将进一步推广保护性耕作理念和免耕理念，在现有技术和机具的基础上进行研究改进，如完善免耕与垄作结合、简化免耕播种机操作程序等，着力研发出适合我国国情的免耕播种机具，从而保护耕地资源，加快农业现代化进程，为广大农民创造实实在在的经济效益。

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