国内外免耕播种技术发展现状及趋势

张 冲， 吴 努， 张延化， 吴惠昌， 顾峰伟， 胡志超

(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)

保护性耕作技术距今约有100年的历史，是人类探索生产而又尊重自然规律的杰出成果，它的出现促进了农业生产力的进步。最早刀耕火种严重恶化了农田环境，造成种子出苗率低，粮食产量连年下跌，西汉时发明翻耕技术，依靠畜力牵引耕犁翻转土层，改善了苗床的松软性并将表层的秸秆埋在土壤中，不仅提高了种子的出苗率又增强了土壤肥力，粮食产量明显提升[1]。工业革命后，告别了传统畜力耕作的时代，人类大面积采用机械化翻耕，地表裸露，土壤结块，造成农业生态坏境更加脆弱。我国土地辽阔，南北方气候差异较大，北方气候干燥、土壤疏松、多是旱田；南方大多是水田，土壤潮湿板结，通透性差，机具田间易拥堵，播入田间种子也常因板结土块多而出现出苗率低的现象，保护性耕作技术不适合我国南方墒情差的田地[2]。破解农田环境逐年下降的局面，人们积极探索科学有效的耕作方式——免耕播种技术，免耕播种技术是基于最少动土的思想，将种子种入田间，保证了地表不被破坏，缓解了生态压力。

进入21世纪以来，在追求城市化和GDP增速步伐加快的同时，环境问题也更加突出，如雾霾加剧、温室效应、资源短缺、土地沙化、极端恶劣天气频发等都在影响着人们的生产生活。党的十八大更是将生态文明建设与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列，“五位一体”地建设中国特色社会主义。农业生产对环境破坏的现象也越发凸显，作物秸秆焚烧造成空气质量下降、温室气体排放增多、土壤表层有机质严重破坏；机械化耕种加速了人类改造土地的步伐，人类为了寻求作物高产稳产，想方设法改变地容地貌，北方广大地区出现荒漠化严重的局面，多年来翻耕土地，施撒化学肥料，改变了田间有益生物群落，造成土地自我恢复能力变差[3]。这是一个恶性循环的过程：土地生产力下滑，人们迫切想要通过增施肥料旋耕土壤，从而给种子营造出适宜的种床和充足的营养，但土壤过于粉碎就会通透性差，过多施用化学粉料就会造成土壤板结，所以现有的耕作模式是以破坏生态为前提的耕种手段，越来越被人们所淡忘。新型的保护性耕作模式具有保护地表，增强土壤肥力的优点，大力推广和践行免耕播种模式对提高农作物秸秆综合利用率以及农业可持续发展具有深远的意义[4]。

1 国内外机械化免耕播种面积

1.1 国外免耕播种面积

免耕播种技术最早起源于美国，而后在地广人稀的国家地区传播较快。主要集中在北美洲的加拿大、美国，南美洲的巴西、阿根廷、巴拉圭，大洋洲的澳大利亚，亚洲的中国、哈萨克斯坦，欧洲的法国、西班牙，非洲的南部地区[5]。据2015年联合国粮农组织(FAO)数据表明，免耕播种面积位居全球前10位的国家分别是：美国2 650万hm2、巴西2 550万hm2、阿根廷1 972万hm2、加拿大1 348万hm2、澳大利亚 1 700万hm2、巴拉圭240万hm2、中国133万hm2、哈萨克斯坦120万hm2、玻利维亚71万hm2、乌拉圭65万hm2。其中，美国免耕播种面积最大，位居全球第一，由于中国受到机械化耕作落后以及人均土地占有量低等因素的影响，免耕播种面积只占美国的5%，位居全球第七，相比免耕播种面积第一的美国，还有很大差距[6]；欧洲国家工业化程度高，澳大利亚耕地面积辽阔，免耕播种程度高，而非洲国家经济和机械化程度都很低，免耕播种技术还没有引起足够的重视。随着全球各国对生态环境越来越重视，免耕播种技术正在逐渐被各国认可。

1.2 国内免耕播种面积

我国正处在农业发展的转型期，改变农业生产方式、提高农民收入水平已纳入国家层面战略布局。全国各地出现土地合法化流转现象，土地大规模集中更有利于农业机械化的推进。从全国范围看，免耕播种技术适合于北方的干旱半干旱气候，南方土质较为干旱的水稻田也可适用免耕播种技术。河南省、山东省、河北省土地面积广阔、土质疏松、地势平坦，适合规模化的机械化耕种模式，又是我国小麦玉米主产区，麦收后播种玉米、玉米收获后播种小麦的机械化免耕播种率在全国处于领先水平[7]。我国目前的耕种方式处在传统耕作与新兴耕作模式并存的阶段，机械深耕、机械深松、机械化免耕播种、机耕等耕作模式在全国各地都有出现，2015年中国农业机械化年鉴数据表明，我国机耕面积达11 742万hm2、机械深耕面积达2 955万hm2、机械化免耕播种面积为 1 342万hm2、机械深松面积为1 089万hm2，其中传统机耕面积占全部机耕面积的68.5%，机械化免耕播种面积占全部机耕面积的7.8%，传统的耕作模式仍处于主导地位，新型机械化免耕播种模式所占比重还很低[8]。

2 国外机械化免耕播种技术及机具发展

2.1 国外机械化免耕播种技术发展历程

免耕播种技术最早可追溯到18世纪初的美国，大量移民涌入美国经历了严重的水土流失，他们意识到可以用作物及其残留物来减少土壤侵蚀；19世纪末美国大量开垦草原变为耕地，致使地表裸露，地表风蚀严重。20世纪30年代，美国发生了震惊全国的“黑风暴”事件，人们开始反思传统的耕作模式并探寻新型耕作模式[9]；经历了近20年的试验探索，人们发现少耕或者在地表留有残差可以减少水土流失、保温保墒、增加土壤营养物质含量、增产保收，但地表覆秸会带来严重的病虫害，一时并未得到认可；后来除草剂和杀虫剂的出现有效遏制了病虫草害的发生，免耕法逐渐被人们接受[10]。20世纪六七十年代，免耕技术大范围地推广并大面积地应用于生产实践。近半个世纪从试验到推广，从最初严重自然灾害到反思寻找新方法再到植保药品的产生，各阶段出现了多样的免耕技术，致使保护性耕作技术日趋完善。至2015年美国免耕播种面积居全球首位，从最初的“黑风暴”事件探索免耕播种法，至21世纪初全国免耕播种率占全国耕种面积的60%以上，并仍在稳步增长。澳大利亚是大洋洲国家的典型代表，土地广阔，人口稀少，东西两侧分别被太平洋和印度洋环绕，受季风气候影响，澳大利亚耕地面积基本呈干旱半干旱状态，有利于大规模地机械化收获播种[11]。20世纪70年代免耕播种技术传入澳大利亚，之后的10年间全国范围地推广发展。21世纪初全国免耕播种率已在70%以上，传统的铧式犁深耕播种逐渐消失。加拿大位于北寒带，毗邻美国，最先从美国引进免耕技术，之后在国内主要农业产区示范推广。1996—2002年免耕播种率从30%快速增加到80%，免耕播种率在全球处于领先水平[12]。保护性耕作技术传入欧洲相对较晚，基于欧洲国家的工业实力，农业机械化耕种发展较快，其50%以上的国家已经掌握了该技术。南美洲位于亚热带，地表水分蒸发严重，南美洲国家众多是农业国，积极推行鼓励保护性耕作，免耕播种技术在此地区应用发展很快，免耕播种率高达95%，位居世界首位[13]。纵观国外免耕播种技术半个世纪的发展，可概括为3个阶段：(1)20世纪初期“黑风暴”事件引起的兴起阶段，人们总结反思传统耕作方式的弊端，积极探寻试验出预防水土流失，土地肥力衰减的新型耕作技术；(2)20世纪中期地表覆秸少耕导致病虫害出现的发展阶段，此阶段保护性耕作技术在全国乃至全球范围发展推广，在实践生产环节出现了病虫草害加剧的现象，导致大范围使用免耕技术的趋势受阻，人们开始研制除草剂、杀虫剂，攻克了免耕播种技术带来的缺陷；(3)20世纪末期除草杀虫剂的出现，免耕播种进入普及阶段，免耕播种技术因其作业工序少，节省成本，对地表破坏性少，土壤风蚀水蚀程度低，增加土地肥力等诸多优点，倍受全球各国的欢迎，加上病虫草害等问题得到解决，免耕播种技术迅速在全球普及[14]。

2.2 国外免耕播种机具发展现状

免耕播种机具几乎是与保护性耕作技术同时出现的，国外生产免耕播种机具的技术已经相当完善，机具大多是复式作业机，可一次完成苗床耕整、播种施肥、秸秆还田等所有工序。国外机具播种幅宽长、体积大、质量重、牵引功率要求高，价格昂贵。典型农机生产公司有美国的John Deere公司、Great Plains公司、Case公司，加拿大的Flexi-coil公司，澳大利亚的John Shearer公司，巴西的Semeato公司、Baldan公司等[15-18]。其中，美国John Deere公司免耕播种机产品众多、性能可靠、播种精确、功能先进、智能化程度高。1910型免耕播种机具有实时监控工况的装置，可以存储作业速度、工作时间、作物品种、播种深浅、工作区域大小等作业参数以便随时查找准确数据，并可根据田间播种条件调节播种参数；1590型条播机见图1，重约3 t，依靠大功率拖拉机牵引，并靠自身重力入土，其限深轮处装有液压执行元件，也可通过液压控制入土，开沟器为圆盘式，分为前后2排，有效切断秸秆避免壅土，主要用来播种大田作物。

美国Case公司的SDX3O免耕播种机见图2，重达 11.9 t，靠自身重力入土，机身结构宽松，开沟器为单排圆盘式，可以很方便地调节开沟器，整机体积大、机身高、播种幅宽长、质量性能好，适用于机收后作物残茬高的田地，播种行数为30行，工作效率高，排种采用气力式，适用于播种谷物种类多，同时又可根据播种需要调节各行排种器的气力，也可将某些排种器的气力调节为0，以便增加播种行间的间距[19]。

美国Great Plains公司生产的免耕播种机见图3，适用于地势平坦的土地，价格比美国John Deere公司便宜。机身质量9.3 t，工作幅宽约9 m，整机结构为折叠式，放置空间小，方便长距离运输，其独特的双圆盘开沟器结构与众不同，2个圆盘采用非等高排列方式，入土播种时，2个圆盘切断秸秆的时间和位置不同，这样可以提高作物秸秆的切断率，更好地防止田间秸秆杂草阻塞开沟器[20]。

加拿大Flexi-coil公司免耕播种机机见图4，身长约 17 m，机宽种类较多，最窄18 m、最宽可达36 m，采用铲式开沟气力排种，带有多组镇压轮，避免镇压不充分而使种子裸露在空气中，种箱配置在播种机最后方，不会因种子质量而改变开沟器入土压力，从而保证播种深度不变[21]。

澳大利亚JohnSheaer公司的4 BIN DIRECT DRILLS免耕条播机见图5，一次可以播种4种不同的作物，采用非动力驱动铲式开沟器破茬开沟，其开沟器采用液压提升，可以保证调节高度的准确性，两侧设计有较大的轮子，可以减小不平坦的农田对播种深度的影响[22]。

巴西Baldan公司的SPD5000免耕播种机见图6，采用非动力驱动圆盘开沟器破茬开沟，圆盘开沟器具有切断田间秸秆的优点，防止秸秆拥堵开沟器，另外其机身较重，采用拖拉机牵引式提供动力，播种行数12行，播种效率高，两侧配置的大轮子可以减小地势对播种深度的影响[23]。

3 国内机械化免耕播种技术及机具发展

3.1 国内机械化免耕播种技术发展历程

我国新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省、青海省等省份土地干旱，近年来土壤风蚀沙化严重，这4个省(区)干旱耕地面积约占全国耕地面积的50%，东北3省地势平坦辽阔，是我国玉米小麦主产区，肩负着全国粮食安全的重任[24-25]，但随着城市化进程加快，农民为了争取农时，大面积焚烧秸秆造成环境恶化[26-27]，黄河三角洲处于黄河下游，东临渤海黄海，人均土地占有量多，土地肥沃，但是淡水储量明显不足，加之生活用水增加，造成农作物灌溉用水匮乏，严重制约了农作物的产量，农民人均增收受到限制，这些地区都迫切须要免耕播种机械应对土壤沙化、水土流失、秸秆焚烧、水资源匮乏等问题。伴随着保护性耕作在全球传播推广，我国开始从20世纪60年代在东北和长江下游分别进行小面积小麦和玉米免耕播种试验；之后的20年间校企研究院所联合开展免耕试验研究，并取得了增产效果；20世纪90年代起结合我国农田地块小、集约性差的特点，中国农业科研单位联合研制出适合我国农业国情的农机具，并整理了试验中可行的作业模式；进入2000年我国在黄河流域及其以北的各县级地区进行免耕播种技术示范和推广，免耕播种面积有所扩大[25，28-29]。2005年农业部文件已将保护性耕作列为农业重点推广项目，仅1年时间全国免耕播种面积就增加了 400万hm2，粮食产量连年增加，农民增收，生态环境恶化局面得到遏制，从长远来看，农业发展和生态进步共同营造了相互促进、互利共赢、人与自然和谐相处的局面。2005—2009年中央再次发布一号文件，强调发展保护性耕作技术利国利民，支持保护性耕作技术进一步发展。农业部、国家发展和改革委员会关于发展保护性耕作作出了5年规划，规划将我国西北、东北、黄河流域等广大区域统筹到免耕播种范畴，通过划分保护性耕作试点区，起到重点示范、联动辐射的作用，试点区耕作面积达 130万hm2，带动周边各省(市、区)免耕播种面积约 1 333.33万hm2。同时要求各相关部门积极配合，开展免耕播种技术培训，优化种植农艺，定期宣传讲座[30]。2009—2015年免耕播种面积急剧增加，免耕播种技术也越来越成熟，加快了免耕播种技术更大面积推广的进程。近年来，农机推广部门和农机研发单位也加大了推广和研发力度，协同国家免耕播种5年规划，并取得了很大进步，特别是农业部南京农业机械化研究所研制出的基于洁区播种思路的免耕播种机已处于行业领先水平，分别在河南省、安徽省、江苏省、河北省等地区试验展示，引起了农机企业和广大农民群众的关注。

3.2 国内免耕播种机具发展现状

播种机的出现增加了农民的耕作效率，以畜力或机械牵引代替人力，逐渐将人们从繁重的农耕生产中解放出来。但传统播种机必须在翻耕土地、苗床整理之后才能播种，而免耕播种机具直接播种而不需要田间预处理，减少了工序、成本、农时而又对自然环境具有保护作用，越来越成为我国播种机械主流。我国播种机械的发展经历2 000多年，最早可追溯到西汉的耧。耧靠畜力牵引，耧腿数量1～7个不等，可根据播种需要，适当增加耧腿数量以改变作业幅宽，耧播种的作物种类较多，可以通过调节排种器的大小，选择适合播种的作物种子进行播种，相对人工播种效率高且均匀性好；完成传统耕种的农机具一般包括铧式犁、齿耙、播种机，作业过程为：首先将田间秸秆移出，小型拖拉机作为配套动力牵引铧式犁深翻灭茬，然后晾晒湿度较大的深层土壤至适宜耙碎的湿度，最后播种机将种子播入耕整后的苗床。传统耕作破坏了地表结构，土层扰动大，功耗高，农时持续时间长。我国研发免耕播种机具相对美国起步较晚，受美国等发达国家保护性耕作技术的影响，建国后积极发展免耕播种技术，取得了显著成果。出现了秸秆粉碎机、免耕播种机、深松机等新型农机具，其中免耕播种机在防止播种壅堵、种苗田间覆盖率等方面效果突出，决定着保护性耕作技术的成败[31]。免耕播种条件一般有3种。(1)移走秸秆，仅有根茬覆盖，这种情况田间秸秆量小，机具不容易出现壅堵；(2)机收后不进行任何处理，作物秸秆粉碎后铺于田间，可以做到秸秆全量还田，增强土地肥力；(3)为了争抢农时，提高收获效率，人们选择直接在成熟的立秆玉米植株上剥出玉米，立秆的植株经过风吹日晒，水分降低，秸秆的任性变弱，免耕播种时拖拉机前段装有挡板，推弯秸秆再经车轮压倒，而后悬挂于拖拉机后方的免耕播种机进行粉碎播种。目前，国内农机企业和科研单位生产研发出了多种类型的免耕播种机具[32]，典型的有2BM-3、4型玉米免耕播种机见图7，悬挂方式为3点悬挂，动力源为小型四轮拖拉机，播种行数为3、4行，用于播种玉米，但播种时容易壅堵，改进后的播种机分别在开沟器上加装导草辊或拔草轮，同时又增加了播种幅宽，有效解决了壅堵、作业效率低等问题。

中机美诺公司生产了15、19、24行牵引式免耕条播机，用于播种小麦。现代农装科技股份有限公司生产了14、19、20、24、28行牵引式免耕施肥条播机，可以根据田块的大小，选择不同行数的作业幅宽，用于播种小麦；河北农哈哈公司生产了2BMFS-7/14型带状浅旋免耕播种机，配套动力为52～66 kW，工作幅宽2.24m，生产效率为0.32～0.78hm2/h，用于播种小麦，适合在秸秆还田1遍的地块中作业，但不是严格意义上的免耕，存在土壤扰动大、能量消耗高等缺点；中国一拖集团生产的播种机增加了施肥功能；辽宁省沈阳市长青通用机械厂研制的2BQM-3型免耕播种机针对高留茬环境适应性好。山西省农机局研制的2BMFF-9型小麦免耕施肥播种机采用垂直施肥的方式，肥料处于种子正下方，肥力能够充分被吸收，开沟器刀口细小，播种后不须镇压轮覆盖种沟。中国农业大学研制的2BMF-6小型小麦免耕播种机类似于澳大利亚JohnSheaer公司的4 BIN DIRECT DRILLS免耕条播机的结构排布，都具有双排梁结构，具有较好的田间通过性[33-34]。

农业部南京农业机械化研究所结合承担的国家现代农业花生产业技术体系建设专项等相关项目，针对目前市场上尚无适合于小麦收获后无须清理秸秆而直接进行免耕播种作业的相关设备，开展了麦茬全秸秆覆盖地免耕播种技术装备研究，全量秸秆覆盖地免耕播种机见图8，基于洁区播种的思想，秸秆清理装置将地面秸秆捡拾、粉碎，通过横向绞龙推送至秸秆提升风机，由风机将粉碎后的秸秆沿输送管道越过种肥箱向后方抛出，并乘秸秆未落下、地表无秸秆的空当进行破茬破土、苗床整理、施肥播种，粉碎后的秸秆再由抛洒装置均匀覆盖于播后地表，该机集碎秸、施肥、播种、覆盖功能于一体，一次下田可以完成耕种的所有工序，节约了农时，避免多机具多次下田压实土地，碎秸刀型采用L型，增加了碎秸有效作用面积，采用圆盘破茬开沟器，作业幅宽 2.8 m，播种效率高，但存在湿地播种壅堵、秸秆抛撒不均匀问题，该机分别在天津市、河南省驻马店、安徽省宿州、江苏省南通等地推广演示，效果显著，深受农民的青睐，该所已与企业联合，大批量生产成品，以满足广大市场需求。

4 存在问题与发展趋势

我国免耕播种机仍存在以下问题：(1)作业可靠性、通用性、稳定性差，对地域适应能力不高；(2)机具多是小中型、功能单一、集成化程度不高，秸秆根茬处理能力有限；(3)机具研发部门少，专业性的农机生产厂家不多，机具的数量和质量仍须加强；(4)作业速度低，相比于收货机械，播种速度明显偏低，更是低于国外播种机工作速度；(5)智能化程度低，不能随时监控播种参数，传感技术集成不足，播种的精度差，播种深度不能进行自我调控， 易出现壅堵漏播现象；(6)机具紧凑型不好，机身较长，不利于运输，在田间作业时掉头困难，应改善农机材料，减轻机身质量和体积。

目前，我国土地集中性较差，农民购买力不足，免耕播种机以中小型为主，生产效率低，自动化程度不高，而且我国农作物大多是一年两熟制，国外的农业国情和我国相差较大，外国的免耕播种机具不适合我国的种植制度，发展免耕播种机具应遵循自主研发与国外技术结合的原则，做到农机与农艺相适应。随着土地合法流转制度的实施，农村土地逐渐走向集约，小块零散地形不规则的田地正在转为大块集中整齐有序的集中耕地，有利于机械化地全程耕收，以后农机发展应该朝着大中型方向，有效提高播种效率。现阶段我国对智能农机的要求迫切，农民追求人性化、舒适、自动化的作业环境，应将先进的机电液技术融入到农机行业，进一步提高农机的核心技术。我国免耕播种机将向多元化、复式化、轻简化、大型化并重方向发展，免耕播种技术将与农艺、农业经营模式协同发展。