起垄机械研究现状及其在丘陵山区烟叶生产中的应用

吴长兵 李再军 张富贵 王丹林 戴洪锋 袁 奎

（1中国烟草总公司贵州省公司，贵州贵阳 550004；2贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025；3贵州省烟草公司黔南州公司，贵州都匀 558000）

据统计，我国设施栽培面积逾250万hm2，其中垄作栽培面积占总面积的80%以上[1]。随着我国经济社会的发展，人口老龄化和农村劳动力流失问题日益突出，依靠传统人工作业实现垄作农作物的种植，不仅劳动成本高、效率低，而且还不能满足标准化作业需求。近年来，以起垄机械为代表的农业机械广泛应用于多种农作物耕作中，特别是应用于烤烟种植中。减少起垄用工、实现标准化作业，是起垄机械推广应用的最终目的。

我国烤烟的生产量位居世界第一，其中云南和贵州烤烟种植分布尤为广泛。以贵州省为例，据贵州省统计局最新发布数据显示，贵州省2019年度烟叶种植面积为13.898万hm2，其中烤烟种植面积为12.998万hm2，占烟叶种植面积的93.52%，烤烟的总产量为21.58万t[2]。传统的烟叶种植主要靠人工劳动力完成整地、起垄，不仅劳动强度大、效率低，还不能保证烟田的作业质量。由此可见，在烤烟的种植中，对起垄机械设备的需求巨大。与传统的人力、畜力作业相比，起垄机械化作业不仅可以减少对人力、畜力的依赖，还可以明显提高作物产量、生产效率以及土地利用率。

本文结合起垄机械使用及发展现状，分析起垄机械类型，对烟叶生产中起垄机械应用现状进行归纳，并指出起垄机械研发及使用中存在的主要问题，以期为新型起垄机械的创新设计提供参考。

1 起垄机械研究现状

我国起垄机械研究起步较晚，初期主要是引进国外的技术，其中以引进韩国及日本的起垄机械居多。但是经过不断的技术摸索和理论积累，在20世纪70年代，我国开始研制以小型机具为代表的农用机械；到20世纪90年代，在农机购置补贴政策的支持及国家大力发展现代农业大背景下，国内起垄机械的发展非常迅速，传统的人工起垄方式逐步被机械化起垄方式所替代[3]。目前，国内的起垄机械主要有3种类型：整形式起垄机、开沟式起垄机及圆盘式起垄机。不同类型起垄机械对比如表1所示。

表1 不同类型起垄机比较分析

1.1 整形式起垄机

整形式起垄机是我国蔬菜垄作种植中应用最为广泛的农用机械，较开沟式、圆盘式起垄机而言，其结构是最为复杂的[4]。整形式起垄机一般由垄体成形部件和旋耕刀片组成，起垄旋耕刀片在刀轴两侧呈对称分布，工作时两侧的旋耕刀片转动，将土壤逐步向中间堆积，初步形成垄沟[5]。虽然整形式起垄机的使用大幅提高了农作物的产量、减轻了劳动强度，但在实际的农作过程中，会有机器振动过大、旋耕深度不够及垄体质量参差不齐等现象发生。因此，如何根据耕植农作物品种设计成形部件和旋耕刀片成为整形式起垄机研制的难点。

孙继东[6]针对辽西传统的玉米种植起垄机在起垄过程中存在土壤团粒较大、垄体不规整等问题，研制了1SGQ-100型整形式起垄机。该机型旋耕刀片呈圆弧形，左右对称布置，工作时由旋耕刀片起垄；起垄刀轴的中间布置碎土刀片，碎土刀片的安装采用螺旋输送器的形式，既可以使土壤团粒变细又可以辅助将土壤输送到中部；为了达到玉米的种植要求，在机架的尾部安装有截面呈梯形的垄体修整部件，使得到的垄体匀整。

陈宇[7]针对整形式起垄机在甘薯种植过程中因垄距小形成的垄体不能达到农艺要求的垄高和垄形等问题，设计了一款适用于福建省甘薯种植的小型整形式起垄机（图1）。该机器主要由旋耕刀、起垄刀、刮垄器和限深轮组成。福建丘陵山区土壤黏性大、含水率高，要满足甘薯的种植条件，起垄机械的旋耕刀、起垄刀的设计和布置尤为重要。该起垄机的起垄刀和旋耕刀交叉布置，两者在轴向上错开40～50 mm，圆周上滞后60°，以达到碎土的目的。刮垄器的设置可以进一步压实垄畦，同时限深轮可以控制耕深。

孙步功等[8]针对干旱半干旱地区全膜双垄沟种植因翻地次数过多造成肥料和农药浪费严重等问题，对全膜双垄沟整形式起垄覆膜机进行改进，得到一种集翻地、起垄、施肥、喷药和覆膜于一体的多功能起垄覆膜机（图2～图4）。该机械的起垄刀和旋耕刀分别焊接在起垄轴、旋耕轴上，为了更好地达到碎土效果，旋耕刀与轴的焊接角度为90°，起垄刀与轴的焊接偏角为20°。这样不仅能更好地满足旋土高度和旋土量要求，还减少了旋耕面积，达到了减少翻地次数的目的。

1.2 开沟式起垄机

我国对于开沟式起垄机的研制相对较早，从20世纪60年代开始陆续有开沟式起垄机应用于实际生产中。开沟式起垄机一般由开沟铧式犁、机架组成，结构简单、操作方便。但是，在板土上开沟起垄时，得到的垄体不仅土块大，而且垄体形状不规整。因此，如何使垄体规整，提高起垄效果是开沟式起垄机发展的关键。

马德锋[9]针对甘肃省果蔬开沟起垄作业要求，设计了一款1K-30×50型可调式开沟起垄机（图5）。该机械主要由限深轮、垄面整形板、开沟起垄铲、三点悬挂架、犁铲臂组成。机器在拖拉机的牵引作用下作业，开沟起垄铲完成土壤的翻覆，形成垄体，可以通过调节悬挂架的斜拉杆或起垄铲的高度来实现开沟深度的变化；垄面整形板的作用主要是使垄面规整，同时垄面的高低也可通过垄面整形板进行调整；限深轮主要起着开沟限深和支撑机具的作用。

张青松等[10]针对长江中下游油菜播种农艺要求，研制了一种符合油菜垄作种植的直播机开垄沟系统（图6）。该直播机开垄沟系统主要由开垄沟系统前犁、前犁调节装置、开垄沟系统后犁和后犁调节装置组成，前犁间距和后犁间距均为1 800 mm。前犁主要用来开沟起垄，所受的阻力大，犁面为扭柱形；后犁主要用来清理沟土和垄体整形，不需要特别强的开沟功能，犁面为圆柱形。为了得到不同的垄形、垄距，前犁和后犁可以上下调整、左右旋转。

针对南方油菜田土壤黏性大、含水率高，利用传统开沟起垄机起垄形成的垄体易垮塌、垄沟容易积水，影响油菜生长等一系列问题，包攀峰等[11]研制了一款符合南方黏性土种植油菜的犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置（图7）。该装置主要由旋犁式起垄机构、垄面整理部件、传动部件和机架组成。工作时，小前犁完成破土翻土，旋耕弯刀完成垄体碎土；推土板、切土直刀和矩形成形体一起完成对垄体的切分，使垄体截面呈规整的矩形；最后由垄面整理部件完成对垄体的压实，使其不易垮塌。

1.3 圆盘式起垄机

我国对于圆盘式起垄机的研究较开沟式起垄机晚，初期主要是引进国外的技术[12]。圆盘式起垄机主要用于以小垄单行或大垄双行种植为主的农作物种植时开沟起垄，具有工作效率高、牵引阻力小等优点。在农作耕植时，可以根据种植农作物所需的垄体大小，选择合适的圆形垄盘和垄盘之间的夹角。不过在遇到恶劣的耕地环境时，圆盘开沟的阻力比较大，没有开沟和旋耕起垄机耕作的效果好。

黄世醒等[13]针对甘蔗中耕环节培土质量不佳而影响甘蔗后期生长及不利于机械化收割等问题，设计了一种圆盘式甘蔗中耕施肥培土机。该施肥培土机主要由肥料箱、骨架总成、传动装置及开沟装置组成。其中，圆盘耙由8个耙片组成，工作时耙片在土壤的接触阻力和机构牵引力的共同作用下完成对杂草的旋切及对土壤的翻转。同时，为了更好地控制圆盘耙的碎土能力和切入土壤的深度，在圆盘耙上方设置有调节螺栓，通过调节螺栓可以改变圆盘耙的倾角、仰角，从而实现对圆盘耙的控制。试验得出，该机械平均耕深为19.6 cm，碎土程度为88.5%，并且碎土稳定性好。

衣淑娟等[14]针对东北地区马铃薯中耕机械作业效果不佳、机器容易伤苗等问题，设计了一种满足马铃薯作业标准的圆盘式中耕机（图8、图9）。该机械主要由限深轮、“S”形振动弹齿、培土圆盘、液压折叠机构和圆盘高度调节部件组成，工作时，“S”形振动弹齿会起到对土壤的破碎和松土作用，然后培土圆盘完成对土壤的培覆，完成起垄。该机械可以根据不同的作业环境，通过液压折叠装置决定培土圆盘的收放，同时通过调节圆盘高度调节部件改变起垄的高度。通过试验得出，该机械耕深0.13 m、调节角为52°时伤苗率为3.9%，满足马铃薯中耕的农艺要求。

2 烟叶生产中起垄机械应用现状

烟叶是中高档烟的主要原材料，是我国重要的经济作物，对于提高农民收入具有重要意义。机械化种植烟叶对实现“增效，降本，减工”有积极作用，烟叶种植机械化是烟叶产业发展的关键，同时也是我国广大烟民的迫切需求[15]。我国烟叶种植起垄机械的研发基础薄弱，目前仍然处于起步阶段。近年来，国内许多科研人员广泛开展烟田起垄机械的设计工作，效果明显，陆续有各类型起垄机械用于实际生产，在一定程度上缓解了烟叶种植过程中机械落后、老化的问题。

根据烟叶生产起垄环节作业标准（表2），常见的烟叶种植起垄机以整形式和开沟式居多，圆盘式在烟田中的应用很少。因此，本文主要介绍整形式和开沟式起垄机械在烟叶生产中的应用现状。

表2 烟叶生产起垄环节作业标准

2.1 整形式起垄机在烟叶生产中的应用

在烟叶生产中应用的整形式起垄机以福建永顺和江苏久泰2家公司生产的起垄机为典型代表。福建永顺公司研制的YS-1QF1Z型自走式起垄施肥机（图10），其主要性能参数如表3所示。该起垄施肥机主要由行走轮、起垄板、起垄刀、限深装置、肥料箱、单缸发动机等部件组成，完成旋耕起垄和单行连续条施肥（或间隔穴施肥）。经田间试验得出：起垄阶段，形成的垄高为30.8 cm，垄高合格率为100%；施肥阶段，最大条播施肥量为75.3 g/m，最大穴播施肥量为53.2 g/穴，最小条播施肥量为6.7 g/m，最小穴播施肥量为13.0 g/穴，几项指标均达到烟田生产起垄施肥的要求。

表3 YS-1QF1Z型自走式起垄施肥机主要性能参数

江苏久泰公司研制的JT10-A型起垄覆膜机（图11、图12），主要由耕犁装置、传动装置、施肥装置和覆土装置等4个部分组成，可以实现开沟起垄、施肥及土壤覆膜一体化，其主要性能参数如表4所示。耕犁装置通过调节螺杆与通用连接头连接，可调节犁头高度，达到施肥深度可调的效果，保证不同地质、不同地形都可以完成施肥作业。传动装置有链传动部分和齿轮传动部分，其中施肥机无独立动力装置，依靠车轮轴的牵引完成作业。施肥装置有2个独立料斗，可施不同的肥料，同时可以调节相应的挡板控制施肥量。覆土装置由2个覆土轮组成，调节覆土轮高度及角度可以调节肥料覆土高度。该机器结构简单、维护方便，形成的垄体均匀饱满、采光面大，同时覆膜严实，膜紧贴垄面。

表4 JT10-A型起垄覆膜机主要性能参数

此外，国内学者对于烟田整形式起垄机也开展了相应的研究。高凤[16]针对江西省烟地的作业环境，为防止南方黏性土壤堵塞旋耕刀片，将刀轴上的旋耕刀片设计成双螺旋变螺距结构。由于土壤从两端向中间输送速度是变化的，单螺旋等距排列的旋耕刀片需满足土壤输送速度的最大要求才能保证刀片不会堵塞，减少起垄机不必要的能耗。基于此，作者将旋耕刀片由单螺旋等螺距改为双螺旋变螺距，不仅能很好地解决土壤堵塞问题，同时也节约了能耗。林北森等[17]针对烟田旋耕起垄过程中土块大、垄体面上碎土多等问题，设计了一种适用于烟田耕植的整形式起垄机。该机械主要由耕深调节机构、垄沟宽度调节机构和旋耕起垄机构组成，通过对耕深、垄沟宽度的调节，可以很好地控制垄体的成形质量，同时还可以提高起垄机的适应性。李国昌等[18]针对贵州山区烤烟田间作业实际情况，设计了一种可同时完成起垄、施肥的整形式起垄机。为了提高作业效率且满足不同烟叶种植农艺要求，该机械起垄部件在垄高、垄宽、垄面形状等参数上均可进行调节。由田间试验得出，该机械起垄形成的垄高、垄宽、垄面形状的稳定系数都在95%以上，较好地满足了种植农艺要求。

2.2 开沟式起垄机在烟叶生产中的应用

在烟叶生产上，应用的开沟式起垄机以耀虎牌微耕机（重庆耀虎动力机械有限公司）为代表（图13）。该手扶式起垄机主要由单缸发动机、螺旋培土部分和起垄部分组成。该机器工作时螺旋培土部分的螺旋培土刀旋转，将土壤向中部输送，起着松土和送土的作用，起垄机构由2个“V”形壁面所形成的起垄犁组成，主要完成垄体壁面的形成与规整。

贵州山区烤烟开沟起垄机开沟部件结构为单一的开沟板或开土板，所形成的沟槽质量差、不平整，且需要手扶起垄机来回至少作业两趟，作业效率差的同时还影响垄体质量等。针对此问题，贵州省烟草科学研究院将起垄机开土板设计成“V”形，每一个开土板均由横向开土部和竖向开土部组成，横向开土部与水平方向呈锐角，使得形成的沟槽壁和槽底土壤平整，同时还减少了起垄机下地的次数，提高了作业效率[19]。

3 存在的问题及建议

3.1 存在的问题

我国在起垄机械的研制上虽然发展迅速，取得了一些成果，有一系列起垄机械投入到农作物生产实践中，但在研制和应用中仍然存在一定的不足，具体如下。

3.1.1 制造能力不足，研发力量不够。我国对起垄机械的研发起步较晚，同时在相关起垄技术研发中投入较少，人才和技术储备不足。目前，起垄设备以小型化、通用化为主，对烟草等具体农业领域的起垄设备及配套设施研发不足；同时，国内生产起垄机械的厂家多为小型农机生产厂，其制造能力不足以支撑制造大型起垄设施设备，核心技术突破受限；起垄机械的配件质量差，制造材料不合格。起垄机械在山区或作业环境恶劣的地方完成起垄作业时，不管是旋耕刀还是起垄犁都会经常接触碎石或残茬，因而对相应的配件质量要求较高。目前，多数的起垄机械配件质量达不到要求，制造工艺和材料不合格，不仅影响加工连续性，还会影响垄体的质量。

3.1.2 宜机化条件差。西南地区农作物耕种收获机械化率低，特别是贵州丘陵山区，其农作物耕种收获机械化率仅为36.2%。主要原因是丘陵山区土地零碎，土地之间沟坎较多，土地坡度大，农用机械进出土地困难；同时用于起垄作业的机器笨重，不适用于丘陵山区坡地和小块烟地，作业时调头困难。这两方面原因严重制约了丘陵山区起垄机械的应用。

3.1.3 土地耕作层浅。贵州丘陵山区土壤耕作层普遍较薄，无法满足30 cm垄高要求。根据测算，旋耕后耕作层厚度达到17 cm即可满足起垄要求。但是，贵州多数烟区由于常年没有采用翻犁作业，土地板结严重，造成耕作层厚度逐渐变薄；起垄环节多数只采用旋耕作业，旋耕后耕层厚度只有12～15 cm，垄高达不到要求。

3.2 建议

起垄机械在农作物现代生产中发挥着重要的作用，针对目前起垄设备所存在的一些问题，提出以下几点建议。

3.2.1 加强起垄机械研发的投入力度，注重配件材料的选择。以政府为主导，完善相关农机补贴政策，加强起垄机械研发的投入力度，加强相关人才和技术的储备，形成起垄机械领域自主核心技术。同时，也可以借鉴国外相关的起垄技术，避免闭门造车的现象。在配件材料的选择上，必须要保证配件具备相应的强度、刚度以及耐磨性，以便于在丘陵山区恶劣环境下完成作业。

3.2.2 实施土地宜机化整治工程，优化地块利用布局。统筹资金，配合工程机械、农用机械等改造土地，将分散零碎、大小不一的地块改造成适合大中型起垄机械起垄耕作的土地，实现地块互联互通。同时，还要实现地块和农田耕作道、生产道互联互通，使起垄机等农用机具进出地块自由。改善这两方面不仅可以提高起垄机械的适应性，还能提高土地的利用率以及耕作效率。

3.2.3 结合喀斯特地形地貌特点，采取适度深耕方式。针对目前的起垄机具，耕作层需要进一步提高，可以结合实际情况，隔年翻犁一次，从改善起垄机具的起垄工艺及动力匹配着手，使土层达到要求；同时，针对丘陵地区土壤特性，制定轻简型起垄作业技术，减少机具下地次数，提高作业效率。

4 发展趋势

4.1 多用途作业

目前，起垄机功能比较单一，多数只能实现起垄和整形，应研发一机多用型起垄机，即可以同时完成施肥、施药、起垄、覆膜等工作，减少工人下地次数，提高机器作业效率、肥料利用率和药效。同时，研发只需替换机具零件配件即可满足不同种植类型农作物作业要求的起垄机，加强机械设备和零件之间的通用性，提高机器的适用性。

4.2 机具结构轻量化

在保证基本起垄作业要求后，可以在起垄机上运用轻量化材料和技术，减轻起垄机的重量，增加灵活性，以提高起垄的作业效率和减轻作业强度。

4.3 信息化、智能化发展

近年来，随着我国北斗导航系统的完善，北斗导航系统技术在农业机械生产中应用比较广泛。其中，农业收割机和播种机上北斗系统的运用比较成熟，可实现精确收割和精良播种。可以考虑将北斗导航系统运用到起垄机上，实现田间作业的自动导航、精确定位，保证机器的作业质量，解放劳动力。