浅析条耕机研究现状与发展趋势

孙文良 李光 李明森 刘鸿雁 赵春凯 崔舒然

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130021)

引言

保护性耕作技术起源于美国，是一种新型耕作技术，旨在播种后1/3以上地表覆盖残留物，最大限度地减少土壤侵蚀和损失，保护土壤质量和生物多样性，同时提高农田生态系统的可持续性[1]。与传统的耕作方式相比，保护性耕作技术强调保留或改善土壤结构和质量，减少土壤侵蚀和土地退化的风险。20世纪30年代，美国众多农业专家相继开展了保护性耕作技术方法等方面的相关研究，其中免耕和植被覆盖耕在保护性耕作中效果尤为显著[2]。我国对于保护性耕作技术的研究较晚，21世纪初期，逐步形成了秸秆覆盖垄作少耕、垂直耕与条耕等主要保护性耕作技术模式[3，4]。

20世纪90年代初期，美国率先开始研究条耕技术[5]，美国农业部(USDA)自然资源保护中心定义条耕是一种保护性耕作技术，旨在播种前或播种时，使用条耕机对特定区域的土壤进行作业，形成一定宽度的无秸秆条带，同时，能够在玉米生长发育周期保持秸秆覆盖，以达到散松土壤或提高播种时土壤温度的目的[6]，该技术已在美国、澳大利亚等多个国家广泛应用。

条耕机的出现和应用使得条耕技术更加容易实施和推广。传统的手工耕作方式需要大量的人力和时间，而条耕机可以机械化地完成耕作过程，提高了效率和生产力。通过使用条耕机，农民可以更方便地实施条耕技术，并享受到条耕带来的诸多好处。条耕机能够在秸秆全量覆盖条件下，通过单次作业完成秸秆切断、清理、松土、合墒与镇压等多道复杂工序，有利于改善土壤质量，加速苗期地温提升周期，提高农作物产量和品质[7]。

本文主要介绍了被动式条耕机作业原理，国内外研究现状，机具作业流程，实现各作业功能的部件类型，存在问题与展望等内容，为条耕技术的推广，条耕机的研究与设计提供参考与借鉴。

1 条耕机工作原理

条耕基本上保持了秸秆覆盖还田的技术特点，20世纪90年代末—21世纪初期，各国农业机械生产厂商逐渐开始生产为条带耕作模式配套的作业机具。按照作业原理可以将条带耕机分为主动式条耕机与被动式条耕机2类[8，9]。

被动式条耕机相比于主动式条耕机具有更好的灵活性和适应性，可以根据拖拉机的动力匹配作业行数，并且方便调节行间距以适应不同作物的种植需求。因此，被动式条耕机是目前应用最为广泛的条耕机类型。与主动式条耕机相比，被动式条耕机的优势主要体现在动力消耗少、工作幅宽大、适应性强和成本低等方面。如图1所示，为美国Yetter公司生产的2984系列条耕机最具代表性。

图1 Yetter公司生产的2894系列条耕机

该系列机型的主要工作原理：机具作业时，最前端限深轮位于缺口圆盘切刀左右两侧，根据不同时期地表秸秆覆盖厚度进行高度调节，保证切刀入土深度8～10cm，能够有效地对地表秸秆、作物残茬进行切断；秸秆清洁装置受拖拉机牵引力作用，拨茬轮(盘)绕定轴转动，能够将地表秸秆、断茬向左右两侧抛开，形成一定宽度的无秸秆清洁条带；深松铲入土深度10～15cm，将无秸秆条带范围内的土壤进行疏松，改善土壤结构与理化性状，提高土壤透水、透气性能；根据不同种植模式要求，弧面缺口耙片将松散土壤沿一定宽度进集中堆积，形成高度在10～15cm的待播条带；碎土、镇压辊将待播条带中的土块破碎，同时镇压松散土壤，有利于提高地温、构建理想种床。

2 条耕机国内外发展现状

2.1 国外条耕机研究现状

美国KUHN公司生产的GLADIATOR系列条耕机见图2，这种设计和配置使得条耕机在作业过程中能够有效地进行切茬、清秸、松土和碎土。独特的平衡链接装置能够时刻保持机具与作业地面水平，如图2a、图2c所示，也展示当拖拉机在下坡时向前倾斜时工作单元作业状态。安装有安全回位弹簧的工作部件可以根据需要进行调节，以适应不同的土壤条件和作业要求，提高整体的工作性能和稳定性。切茬刀具采用全刃口平面圆盘犁刀，可以有效切断茬杆，并将其翻转至土壤底部，以便后续的清秸和松土作业。松土刀具采用全刃口凹面圆盘犁刀，能够有效松动土壤，改善土壤结构和通气性。清秸装置的关键工作部件是带有切刃的平面清秸盘，用于将秸秆和其他杂草等清理出耕作区，保持耕作区的整洁。总而言之，在这个系列的条耕机中，各工作部件设计合理，便于调节与安装，能够满足不同作业工序的要求，此设计能够提高条耕机的作业效率、作业质量。

图2 GLADIATOR系列条带耕机

美国RTHMAN公司生产的Orthman 1tRIPr/11tRIman系列条耕机见图3，该系列机型采用切茬-清秸-松土-碎土的作业工序，各个工作部件通过螺栓固接在单体机架上，确保机具作业时各连接单体坚固可靠。作业前，需要根据具体的耕作要求，对各工作部件进行相对安装位置的调整，切茬刀具采用全刃口的平面圆盘犁刀，用于切割和翻转秸秆，使其与土壤混合；松土刀具是对置的8波纹犁刀，用于松土和破碎土壤，改善土壤结构；清秸装置则采用尖齿轮(盘)式设计，用于清理残留的秸秆和作物残茬。

图3 tRIman系列条耕机

2.2 国内条耕机研究现状

目前，国内的条耕机厂商已经开发出了各种不同类型的被动式条耕机，以满足不同农业作业需求。这些机具的出现，可以提高农田整地的效率和质量，从而推动农业生产的发展。其中，吉林省康达农业机械有限公司生产的1ZT-300系条耕机最具代表性，如图4所示。

图4 1ZT-300系条耕机

该机需要与动力为110kW以上的拖拉机配套使用，以悬挂方式进行作业，适用于春秋两季的保护性条带耕作，包括处理苗带秸秆和深松，作业行数为4行，播种行距可以调整在55～70cm，结构方面，采用切秸-清秸-松土-镇压的作业顺序，各个工作部件布置在单体结构上，在平行四杆仿形架和松土装置处，有安全回位弹簧，该机型配备的切茬犁刀是平面缺口圆盘犁刀，清洁条带秸秆的关键部件采用的是鲨鱼齿形轮(盘)，经该机型作业后的地块达到了条带耕作的技术要求，并且该机型已进入到农机补贴当中。

3 关键作业功能结构部件类型

国外实行保护性耕作技术已经有很长一段时间，其对相关的机械化作业设备进行了较为深入的研究，经过多年的完善与开发，已经找到了更适合当地的耕作模式与各功能部件的结构类型，并且这类耕作模式与部件类型已经较为成熟。

3.1 秸秆切断

圆盘犁刀是秸秆切断装置的重要作业部件，主要用于破茬和防止杂物堵塞。因此，我国学者对圆盘犁刀进行的研究主要集中在其对作物秸秆、根茬的切割能力的影响以及通过结构创新设计来提高其切茬能力。

圆盘犁刀的切割性能对于保证农田的耕作效果至关重要，学者通过研究不同材料、形状和角度的圆盘犁刀，探索如何实现更好的切割效果，主要研究了圆盘犁刀的尺寸、锋利度、切割深度等参数对切茬能力的影响，以寻求最佳的设计和组合。

此外，一些学者通过创新的结构设计来提高圆盘犁刀的切茬能力，改进了刀片形状、增加了刀片数量或采用多层刀片结构，以增加圆盘犁刀的切割面积和作用力，从而提高了切茬的效果。目前应用最多的结构形式如图5所示。

图5 刀盘

如图5a所示，平面型圆盘刀安装于机器前端，主要用来将耕作地面的秸秆、残茬切断，降低机具堵塞风险，平面圆盘刀的作业性能较为优越，对土壤扰动小，同时具有良好的松土能力。然而，平面圆盘刀自身的设计特点，使其更容易将秸秆推离土壤表面，而不是完全切断，因此，在切割秸秆方面，平面圆盘刀的切割率较低，尤其是在土壤强度较低且秸秆较多的作业条件下，切割秸秆的效果受到一定的限制。

如图5b所示，波纹型圆盘刀相比于平面型圆盘刀，在作业时，靠近边缘的波纹结构能够增加土壤的扰动效果，使松土效果更好。然而，与平面型圆盘刀相比，波纹型圆盘刀与土壤接触面积增大，导致土壤阻力增大，因此，波纹型圆盘刀在达到固定作业深度时需要更大的下压力，一般情况下，需要配置800～1500N的下压力才能保证波纹型圆盘刀的良好作业性能，同时，由于波纹型圆盘刀作业时的阻力较大，相应的成本也会大幅增加。因此，在使用波纹型圆盘刀时，需要考虑到机器本身的质量和牵引力是否能够满足需求，同时，增加下压力可能需要额外的结构设计，进而增加了生产成本。

如图5c所示，缺口型圆盘刀是在平面型圆盘刀的边缘处按照一定数量进行切割，形成缺口，相对于波纹型圆盘刀，缺口型圆盘刀对于条耕机的配重要求较低，同时，缺口型圆盘刀的切土性能和切茬性能与平面型圆盘刀相类似，而成本则相对于波纹型圆盘刀较低，在切割秸秆时，缺口型圆盘刀会将秸秆固定在缺口处，减少其滑动，从而提高切割率，此种结构设计能够有效增加切割秸秆的效率，同时，由于切割性能与平面型圆盘刀相似，缺口型圆盘刀在保持松土能力的同时，还可以有效切断秸秆，提高整体作业效果。

3.2 秸秆清理

目前，免耕播种机和条耕机主要配备了被动轮盘式清洁装置，具有许多优点，如土壤扰动小、作业阻力低以及安装方便等，所选用的部件如图6所示。

图6 秸秆清洁部件

图6a～c是一种圆盘类弧面结构部件，具有较高的清秸率，能够较好地清除农田中的秸秆等杂物。然而，这种部件在使用过程中会造成较大的土壤扰动和抛掷损失，同时也会导致较高的工作阻力和动力消耗。

清秸盘(轮)是一种改进的部件，可以更好地控制土壤的扰动，并减少农田中农作物的损失。与传统的装置相比，清秸盘(轮)工作阻力小、动力消耗低，使作业更加高效和经济，如图6d～g所示，其中，图6d、图6g是目前应用最多的清洁轮，图6d为仿形爪式清洁轮[10]，具有良好的清洁效果，对土壤扰动、抛掷损失最小；图6e为斜面轮，清理土块、碎屑等杂物效果明显，通常适用于少耕、传统耕作与垂直耕；图6f为多缺口轮(盘)，对于坚韧的作物根茬具有良好的清洁效果；图6g为鲨鱼齿轮(盘)，具有向后的锋利倾斜齿，在清理残留物的同时，还具备切削效果，土壤扰动范围小，残留物抛洒距离低，通常适用于常规、少耕、免耕等技术模式。

这些部件通过被动式清洁装置，可以有效清除农田中的茬秆等杂物，避免对后续作物的生长和发展造成不利影响。同时，这些部件的作业阻力相对较低，能够提高作业效率，使得耕作过程更加顺利和高效。

3.3 松土

深松铲作为条耕机的主要土壤作业部件，其主要由铲柄、铲尖与铲翼3部分组成，目前条耕机使用较多的是双翼形深松铲与凿式深松铲，如图7所示。

图7 深松铲

双翼形深松铲在一定范围内可以通过改变铲翼大小、入土角度，从而改善土壤扰动效率，提升土壤蓬松效果，提高工作性能，其铲尖大小随着双翼大小改变而改变，主要分为双翼状与箭形状，如图8所示。

图8 双翼形深松铲

凿式深松铲主要由铲尖与铲柄组成，铲尖宽度常略宽于铲柄是其独特的结构特征，在入土深度相同时，凿式深松铲位移最短，动力消耗最小，为了减轻铲尖的磨损，目前已有一种双头铲尖的独特设计，两端均可作为工作端使用。广泛使用的结构特征如图9所示。

图9 凿式深松铲

3.4 碎土、镇压

碎土、镇压辊是条耕机中的重要作业部件，用于压实土壤，不论是传统耕作还是保护性耕作，土壤的压实作业都是影响作物产量的重要因素之一，条耕机常用的3种碎土、镇压辊如图10a～c所示。

图10 碎土镇压轮

碎土、镇压有助于减少土壤中的大孔隙，从根源上减少水分蒸发损失，提高水分利用效率。同时，镇压还能增强土壤毛细管作用，促使深层土壤水分沿着毛细管上升，起到调控水分和保墒的作用。另外，适当提高地温也是镇压辊的作用之一，通过增加土壤的密实程度，镇压辊可以促进热量的吸收和积累，提高土壤的热量传导性，从而适度提高地温，有利于作物的生长和发育。

这些结构与部件类型是通过科学研究与实践逐步发展起来的，并且在不同的国家和地区可能会有一些差异和适应性调整。但总的来说，条耕机的相关装置与部件已经取得了较好的效果，并且为农业生产提供了更可靠、高效的解决方案。

4 存在问题

4.1 条耕机标准化程度较低

由于我国对于条耕技术的研究较晚，开发设计条耕机的周期短，研究基础薄弱，导致市场上各类机型参差不齐，缺乏统一规范性，增加了维护与维修的困难程度，同时还存在产品质量不稳定，相同部件通用性与互换性较低等问题，严重制约着条耕机的使用与推广。

4.2 机械加工工艺有待提升

4.2.1 国产化进展受限

缺乏先进、高效的工艺技术，无法保证关键部件的生产能力和竞争力的持续提升。

4.2.2 技术依赖度高

关键部件依赖进口或外部供应商，无法实现独立自主生产。不利于我国产业的科技创新和提升。

4.2.3 效能和可靠性下降

关键部件的性能无法满足要求，导致产品效能下降，可靠性降低，无法满足市场需求和用户期望。同时，维修和维护成本也增加。

4.2.4 技术创新能力受阻

限制了关键部件相关产业的技术创新能力，缺乏先进工艺技术的应用和研发，难以实现技术的突破和创新。

4.2.5 行业竞争力下降

关键部件的国产化不足和性能无法满足要求，降低了整个行业的竞争力。对比国外同类产品，我国产品在价格、质量、性能等方面存在劣势。

4.3 作业效率低

4.3.1 技术限制

目前的条耕机技术还存在一些限制，使得其作业效率相对较低。如，作业速度受限，作业宽度有限，操作难度大等，都可能导致作业效率不高。

4.3.2 作业环境

土壤的湿度、秸秆长度与秸秆覆盖量等因素对条耕机作业效率产生严重影响。

4.3.3 缺乏智能化和自动化

当前的条耕机缺乏智能化和自动化的功能，无法根据实际情况进行自主调整和优化，需要人工进行监测和调整，这使得条耕机的作业效率受到限制。

5 展望

随着技术的不断进步，自动化技术在农业领域得到了广泛应用，条耕机也不例外，未来的条耕机将采用先进的传感器、控制系统，实现自主导航、智能化作业与自动化管理，提高作业效率和精度。除此之外，条耕机的多功能化设计也将成为发展趋势，为了能够适应农田多样化的种植模式需求，可以增设多种作业装置，使得条耕机既能进行条带耕作，又能进行施肥播种作业，提高机器的利用率和经济效益。