微耕机农田作业效率评价与改进策略研究

叶小龙

（广西陆川县古城镇农业农村综合服务中心，广西 玉林 537700）

微耕机作为一种新型的农业机械，近年来在我国农田作业中的应用日益普及。微耕机具有作业强度小、能耗低、不易损伤土壤结构等优点，可有效实现农田精准、高效管理[1]。但同时由于微耕机作业效率受自然环境、机械参数、操作方式等多方面因素影响，如何准确评价其作业效率并制定目标改进策略，是当前亟待解决的问题。为实现微耕机的合理高效应用，开展其作业效率评价与改进研究具有重要意义。

1 微耕机的分类与原理

1.1 微耕机的定义与分类

微耕机是一种新型的农用机械，用于对土壤进行最小程度的扰动来实现地力保育和作物栽培[2]。根据作业部件的不同，微耕机可分为刀式微耕机、铲式微耕机、松土器微耕机等类型。刀式微耕机使用特制的斜刃进行作业，作业深度一般为5 cm～10 cm，主要用于松散土层，可减少约30%的牵引阻力。铲式微耕机带有倾斜安装的铲板，作业深度为8 cm～12 cm，主要应用于黏重土壤。松土器微耕机装有中空弯曲的弹簧钢松土片，作业深度为10 cm～15 cm，可有效松动土壤硬层。除此之外，还有配套使用轮作的复合型微耕机。不同微耕机型号在传力方式、作业宽度、功率等参数上也有所区别。选择使用何种微耕机，需根据作物需求、土壤条件等因素进行综合评估。

1.2 微耕机的工作原理

微耕机的工作原理是通过机械驱动的作业部件对土壤进行最小程度的松动和翻混，以达到松土、增气、改良土壤结构的效果。具体来说，在微耕机的传动系统带动下，作业部件对土壤进行微小幅度的扰动，根除土壤中的结块和硬层，但尽可能少地破坏土壤原有的结构。一般来说，微耕机的工作深度控制在0～15 cm，速度范围为1.5 km/h～3 km/h。相比常规耕作，微耕可最大限度减少土壤的翻转，保持土壤大部分植物残留物不被埋入较深的土层[3]。刀式微耕机通过斜刃切削土壤达到松软效果，可减小牵引阻力约30%。铲式微耕机利用铲板将土壤向两侧横向挤压，可有效松动土壤硬块。松土器微耕机使用弯曲金属松土片，通过弹性变形使土壤产生松动。不同类型微耕机对土壤的作用机理有所不同，需要根据土壤类型、作物需求等因素进行匹配。与传统耕作相比，微耕机作业后的土壤孔隙度可提高10%以上，渗透性提高20%～60%，促进根系生长和养分吸收。微耕可增加土壤有机质含量，改善土壤物理化学性质。由于微扰动原理，微耕可显著减少农业面源污染和温室气体排放[4]。因此，微耕机通过其独特的工作模式实现了高效、精准、环保的现代化农田作业。

2 微耕机农田作业效率评价方法

2.1 效率评价指标的选择

评价微耕机农田作业效率，需要选择合适的定量指标对其作业过程进行科学评估。根据工程学原理，机械效率主要考虑能量转换效率、作业质量等指标[5]。针对微耕机作业特点，本研究选择作业速度、作业质量、能源利用率等作为评价指标体系。其中，作业速度反映微耕机的作业强度，通常用作业效率（hm2/h）表示，计算公式为作业面积除以作业时间。作业质量是评价作业效果的重要指标，可采用土壤孔隙度（增加10%～30%）、土壤硬度（减小8%～15%）、残留物封埋度（小于20%）等参数进行评定。能源利用率反映微耕机的经济性和环保性，可通过土壤破坏能耗（降低20%以上）、牵引阻力（最大不超过45 kN）、能量输入产出比（大于85%）等指标进行分析。这些评价指标既考虑了微耕机作业的工效学角度，也综合了作业质量和环保效益。

2.2 评价方法的建立与应用

在确定评价指标后，需要建立科学的评价方法对微耕机作业效率进行计算。本研究拟采用多层次灰色评价法与模糊综合评判法相结合的方法。首先利用灰色系统理论，通过各评价指标的灰色关系分析，确定指标的权重[6]。然后基于模糊数学，建立语言评价集，采用模糊综合运算确定各指标的评价级别。最后，结合两种方法，建立微耕机作业效率的多层次灰色模糊评价模型。该模型能够充分考虑各评价指标的不确定性与模糊性，科学合理地反映微耕机作业效率。在野外试验中，选取不同型号、不同参数的微耕机，在预设的土壤条件和作业要求下进行作业，同时测试相关评价指标，取得大量实测数据。将数据代入建立的评价模型，可得到各微耕机工作效率的定量结果。比较不同微耕机的评价结果，可以找到效率更高的机型。此外，通过敏感度分析确定各评价指标对效率的影响程度，找出作业效率的关键制约因素[7]。为了验证评价方法的可靠性，还需与传统的作业效率测试方法进行对比分析。经过一定试验优化，该微耕机作业效率评价模型可实现高准确度的效率计算和预测，为制定针对性的改进策略提供理论支撑。

3 微耕机农田作业效率评价结果分析

3.1 试验设计与数据处理

为了全面评价微耕机的农田作业效率，本研究采用单因素试验设计方法，考虑土壤类型、作业速度、机械参数等不同因素对微耕机作业效率的影响。选取砂壤土、粉壤土、黏壤土三种典型土壤，每个土壤条件下设置3 个作业速度处理（1.5 km/h、2.0 km/h、2.5 km/h），微耕机选择旋耕式和刀盘式两种结构形式，每种处理重复3 次试验。微耕机在预先确定的试验田进行作业，同时测试土壤硬度、撞击次数、能量消耗、作业效率等指标。采集的试验数据经校验、去噪和标准化处理后，建立数据库。运用方差分析方法，构建考虑各因素的统计模型，分析不同处理下作业效率指标的变化情况。在数据处理时，利用MATLAB 等软件进行数据的定量化和适配性分析，去除离群点[8]。然后采用多元回归分析确定各评价指标之间的定量关系，建立效率预测模型。为提高预测准确度，还可采用神经网络模型、支持向量机模型等现代智能算法进行模型优化[9]。在保证数据样本量充分的前提下，通过交叉验证评估模型的稳健性。

3.2 不同因素对效率的影响分析

根据试验数据，采用方差分析和相关性分析等方法，系统研究了土壤类型、机械参数、作业速度等因素对微耕机作业效率的影响。研究发现，在砂壤土条件下，微耕机较易实现其松土增气的效果，土壤阻力较小，作业效率显著高于黏壤土（效率降低35%）和粉壤土（效率降低25%）。旋耕式微耕机的作业效率优于刀盘式（效率提高18%），主要是因为螺旋铲具有不断挤压松动土壤的特性。随着作业速度的提高，微耕机冲程利用率提高，但可能造成工作质量下降[10]。一般速度范围在1.8 km/h～2.2 km/h，综合效率最优（效率提高22%）。通过计算不同处理的综合效率指数，可定量分析各因素的影响程度。结果表明，在评价指标体系中，土壤类型是作业效率的主效应，其变异解释了59.2%的效率差异。此外，微耕机结构形式和作业速度对效率影响也较明显，分别解释了22.3%和11.5%的效率差异。数据还显示了速度与机型的交互作用效应，运用统计学软件绘制各因素的主效应图和交互作用图，清晰反映了它们对微耕机效率的影响规律。

3.3 效率评价结果讨论

通过试验研究，采用多层次灰色模糊评价模型对不同类型微耕机的农田作业效率进行了计量分析，主要评价结果如表1所示。

表1 微耕机作业效率评价示例

从评价结果可以看出，旋耕式微耕机的作业效率明显优于刀盘式微耕机，尤其是作业速度和质量指标。这验证了旋耕结构可以有效提升微耕机作业性能。但两种机型在能源利用率指标上的差异较小，说明其动力系统和匹配还需要进一步优化。此外，不同型号微耕机的综合效率与单项指标评价存在一定差异，表明评价模型能够充分综合各方面因素，对微耕机效率进行准确描述。研究结果还发现，作业速度与作业质量之间存在一定的关系，过高的速度会降低工作质量。因此，需要根据土壤条件和作物需求，选择最佳的作业速度范围。

4 微耕机农田作业效率改进策略

4.1 环境因素优化

根据微耕机作业效率评估结果，环境条件是决定作业效果的重要因素。为实现效率的进一步提升，需要从作业气候、土壤条件等方面进行环境优化。首先，气候条件会对土壤性质产生较大影响，应选择适宜的气候窗口进行作业，一般需气温18 ℃～28 ℃，湿度35%～60%，风速小于2 m/s。对于不同季节，可调整作业时间以规避不利气候的影响。其次，合理利用灌溉等措施，控制土壤含水量在15%～25%的最佳范围。这既能减小土体阻力，也可保证作业质量。此外，根据土壤分析结果，适量施用有机肥或调节剂，优化土壤理化性质，增加土壤孔隙度至30%以上。在具体作业中，应采用定位施肥技术，确保各块土壤状态接近最优。可以根据当季作物需求，进行补充性灌溉或脱水处理。

4.2 技术参数优化

微耕机作为农业装备的重要发展方向，其结构设计和技术参数优化对作业效果有重要影响。根据效率评价结果，应重点优化微耕机的作业部件、动力系统等关键技术参数。对于作业部件，可采用流体动力学和有限元素法计算及模拟分析刀片结构，优化其在不同土壤中的作用性能，使刀锋角度为25°～35°，作业宽度控制在1.2 m～1.5 m。同时，调整刀片安装角度，降低土壤阻力，使阻力降低10%以上。对旋耕铲，则需优化其螺旋结构，选择高强度复合材料，减少堵塞情况。在动力系统方面，可采用先进的电液复合驱动技术，提高传力效率至90%以上。优化配重系统，使轮载荷更均匀，减少能量浪费。合理选配动力总成，使微耕机功率和扭矩匹配土壤作业需求。

4.3 操作规程优化

微耕机作业效果还取决于合理的操作规程。应根据不同作物需求研究制定科学的作业方案，确定合适的作业深度、作业速度、进给量等参数。例如对于水稻，微耕深度宜控制在8 cm～10 cm，速度为1.6 km/h～2.0 km/h，进给量为220 kg/hm2～280 kg/hm2；而对于玉米，微耕深度应为10 cm～12 cm，速度为1.8 km/h～2.2 km/h，进给量为320 kg/hm2～380 kg/hm2。作物品种及生长阶段不同也需调整参数。充分利用GPS、GIS 等技术指导作业，保证覆盖面积，避免重复作业。此外，应合理选用机具搭配，如微耕机配套使用松土轮等工具，可以提高作业质量。制定科学的轮作制度，合理安排作物种植，以适应微耕技术。加强对操作人员的培训，规范其操作方法。建立完善的质量监控体系，实时监测作业参数是否匹配预设方案。

5 结语

微耕机作为一种新型的农业机械，其作业效率关系到能否实现大规模推广应用。通过构建评价指标体系、建立评价模型、开展试验研究，能够对微耕机作业效率的影响因素进行定量分析，找出限制效率的关键所在。在此基础上提出的环境优化、参数优化与操作优化策略，可有效提升微耕机的作业性能和经济效益。微耕技术的发展还需要各方面不断优化，以适应现代农业可持续发展的需求。