國內外免耕播種機研究現狀及展望

邱 添， 胡志超， 吳惠昌， 顧峰瑋， 徐弘博， 吳 努

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019； 2.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

免耕播種是指無需對土壤單獨進行翻耕而直接在農作物根茬和秸稈覆蓋的土地上進行播種的一種耕作方式。作業時使用免耕播種機在留有前作物殘茬的土地上一次性完成滅茬、開溝、播種、施肥、覆土鎮壓等工序。免耕播種作為保護性耕作的關鍵技術之一，具有減少翻地次數、降低農耗成本、減輕土壤風蝕、防止水分散失、提高作物產量等一系列優勢[1]。與一般的播種機相比，免耕播種機要在沒有經過翻耕且留有前作物秸稈和殘茬的田地上進行播種作業，工作環境惡劣，作業難度較高。為了能在殘茬地上有效作業，免耕播種機首先必須能夠在大量秸稈覆蓋的土地上行進順暢，防止殘茬和秸稈在作業過程中堵塞機具；其次，免耕播種機要有較強的入土能力，要求其滅茬裝置能夠高效地切碎殘茬和秸稈[2]，開溝器能夠開出形狀、大小適宜的種溝，從而確保機具上的播種裝置將種子播在適宜的深度位置，保證種子順利發芽；此外，免耕播種機要有鎮壓能力強的覆土輪，確保在種子播下后用土壓實，起到保熵作用并保證出苗率。如果無法滿足以上要求，免耕播種機就無法在田間進行有效作業。目前，國內外市場上已經存在一大批能夠應用于實際生產作業的免耕播種機具，其適應的工作環境不同，作業質量差距較大。

1 國外免耕播種機研究現狀

保護性耕作技術起源于美國。20世紀50年代免耕法在美國初見成效，20世紀70年代免耕技術在美洲、澳洲地區的部分國家開始起步，自此免耕技術迅速推廣并逐步發展為土壤的保護性耕作技術[3-4]，進而得以應用在實際生產中。目前，保護性耕作技術體系較為成熟的國家有美國、加拿大、澳大利亞、巴西等，其保護性耕作發展具有起步早、普及率高、配套機具完善等特點。世界著名企業如美國的John Deere、Great Plains、加拿大的Flexi-Coil、澳大利亞的John Shearer等經過多年研究，研發出一系列功能完善、工作效能高的免耕播種機，廣泛應用于實際農業生產，并取得了顯著經濟效益。

美國John Deere公司研發生產的1590型免耕條播機(圖1)功能完善，技術先進，播種性能優異，同系列共有3種機型，對應工作寬幅分別為3.0、4.6、6.2 m。其采用的90系列圓盤開溝器破土能力強，入土角度小，碎茬性能優良，能有效避免壅堵。種箱上裝有指示器，顯示種子剩余數量。采用電子播量控制裝置，通過此裝置可以直接在拖拉機上改變播種量。該機型采用液壓式下壓力系統，在應對質地不同的土地時可進行調節。向下壓力調整范圍為720～1 800 N，可以通過加壓有效穿透硬土和殘茬。

美國Great Plains公司生產的免耕機具款型眾多，其605NT型免耕播種機(圖2)使用3款可調式雙圓盤開溝器，有利于破土和控制溝形，采用波紋形碎茬圓盤，滅茬效率高。機具配有限深調節裝置和四檔變速調速盒，作業寬度1.83 m。同系列還有705NT型、1005NT型、1205NT型等，分別具有不同的工作幅寬。該公司生產的3S-4000HD型重型免耕條播機工作幅寬為12.2 m，適用于大面積平坦土地的播種作業。

加拿大Flexi-Coil公司制造的免耕機具普遍體積大，工作幅寬大，適用于大面積農田的生產作業。如其生產的5000HD型、5500型免耕播種機排種方式為氣力式，播種精度高，機具尺寸較大，5500型系列中最大的一款工作幅寬可達24.4 m(圖3)，選用多梁結構的鏟式開溝器和多排覆土輪，其間距較大，能夠有效避免壅堵。該公司的PD5700型免耕播種機能在起伏地面和多殘茬土地上實現精確播種。

澳大利亞JohnShearer公司生產的免耕機具可在一次行程中進行多種作物播種，如其制造的2種箱免耕播種機和4種箱免耕播種機行進1次分別可以播種2種作物和4種作物。澳大利亞Big Rig公司生產的大型多梁小麥免耕播種機運用氣力輸送對種子進行2次分配，機具自身裝有發動機。巴西SPD系列小麥免耕播種機可以在碎秸稈覆蓋地上進行作業，覆蓋率最高為30 t/hm2。該機具質量水平接近北美一些先進機型，而售價相對較低，具有較高的性價比。

目前，許多國外生產的高性能免耕播種機體積大、質量大、作業幅度寬、自動化水平高、配套動力大、售價相對較高，適合應用于國外大面積耕地及大規模農場的生產作業[5-7]。這些機具基本都采用聯合作業方式，一次性完成滅茬碎秸、破土開溝、種肥混施、覆土鎮壓等工序[8]。而我國耕地地塊小，農民購買力較低，播種時要求肥料和種子分開播下，國外很多機型無法滿足要求。此外，國內使用的小型播種機的配套動力機構一般是中小型拖拉機，不能滿足國外機具的動力需求。從工作性能和作業環境來看，國外免耕播種機很難直接應用于國內生產。

2 國內免耕播種機研究現狀

我國免耕技術始于20世紀60年代。20世紀60年代江蘇省、黑龍江省等最早開展了免耕種植小麥的相關試驗，20世紀80年代國內部分科研院所陸續開始研究免耕技術。20世紀90年代起，國外的保護性耕作技術理念被引入國內，同時國內開始將農藝與農機結合，著力研制免耕機具。2002—2005年，以北京、天津地區為中心的2條保護性耕作帶正式建立。2006—2012年，國家全面推行保護性耕作理念，旨在用7～10年時間在西北、東北、華北等旱作地區實現保護性耕作的全面實施[9]。2013年11月，亞洲保護性耕作政策與戰略構思研討會在北京召開。2016年6月，國家出臺探索實行耕地輪作休耕制度試點方案，進一步刺激免耕播種技術的發展。隨著保護性耕作技術的深入研究和不斷推行，國內已涌現出許多保護性耕作機具，其中包括不同類型的免耕播種機，分別適用于玉米、小麥、花生、大豆等不同作物的免耕作業。

原北京大學施寶森等設計的2BQM-6型及其改進型2BQM-6D型、2BQM-6A型免耕播種機性能優良，可以播種玉米、大豆等作物。該系列機型配套動力為73.5 kW以上的拖拉機，破茬裝置為入土能力強的鑿形刀，工作原理為推力分茬。其播種深度可以在3～7 cm間調節，作業時無需另加配重。工作時可一次性完成切茬破土、限深開溝、種肥分施、覆土壓實等各項作業。該系列機具在破土開溝、播種限深以及避免壅堵等方面性能優異[10-12]。2BQM-6型系列免耕播種機為6行機，目前，根據作業行數不同已經改造出2BQM-7型、2BQM-8型、2BQM-9型、2BQM-11型等，分別對應作業行數為7、8、9、11行。

中國農業大學開發的一款2BMF-9型免耕播種機主要應用于秸稈覆蓋地的小麥播種。其結構設計為雙排梁型，每一排梁上開溝器之間的距離較大[13]。為了能在秸稈覆蓋地上順暢作業，該機具選用限深圓盤作為滅茬裝置，開溝器裝在四連桿仿形機構上，配套動力為鐵牛-55拖拉機。但該機質量較大，約為900 kg，對拖拉機懸掛要求高及價格較高，推廣時受到一定限制。以該機為原型，中國農業大學、山西新絳機械廠通過技術改造，聯合研制出2BMF-9(11)型中型機、2BMF-6(7)型小型機等系列產品。該系列機型均采用復合型開溝器，配有短翼尖角型開溝鏟[14]，去除了限深圓盤及四連桿仿形機構，從而減輕機具質量，降低成本及市場售價。該系列機型現已得到推廣與普及，廣泛應用于實際生產。

農業部南京農業機械化研究所與天津津旋農機具有限公司共同開發的全秸稈覆蓋地免耕播種機能夠在完全未經處理的殘茬和秸稈覆蓋田上進行播種作業，并實現播種后秸稈全部還田。該系列包括2BHQM-4型花生免耕播種機、2BYQM-3 型玉米免耕播種機(圖4)、2BM-12型小麥免耕播種機等。機具運用模塊化組配技術，能夠完成全秸稈覆蓋地碎秸、清秸、苗床整理、施肥播種一體化的高效免耕播種作業。在秸稈粉碎和施肥播種工序之間，采用反向淺旋裝置實現苗床整理功能，進一步破茬、破土，降低開溝阻力，從而使施肥、播種及覆土鎮壓等后續工序的可靠性提高。采用秸稈分流可調裝置，實現粉碎后的秸稈一分為二，一部分混入土壤，另一部分覆蓋于土壤表面，且2個部分秸稈量比例可調[15-17]。此外，該系列機型最大特點為在機具上方設計有一個葉輪式碎秸拋灑裝置，利用碎秸輸送管路風送動力帶動葉片旋轉，將碎秸稈均勻拋灑并覆蓋在播種作業后的田壟上[18]。2016年4月，該系列免耕機具在黑龍江省大慶市肇州縣開展推廣示范活動，示范現場該機具通過實際作業，表明其能夠解決現有免耕機具常出現的壅堵、架種、晾種等問題。播種效果優良，作業可靠性高。

根據國內相關農機企業統計，2015年我國免耕播種機銷售總量超過5萬臺，約占全國播種機銷量的50%；銷售總額超過5億元，其中國家補貼超1.5億元。受玉米、小麥播種期影響，銷售旺季為5—7月。在此3月中全國共售出 3.8 萬臺免耕機具，為全年銷量的66%；銷售額超3.5億元，為全年銷售總額的65%。從地域方面來看，2015年內蒙古地區免耕播種機銷量位居全國第一，年度銷量近2萬臺；河南省位居第二，銷量為1萬臺左右；河北省售出約5 000臺，居第三；吉林省年銷售總額為1.3億元，居全國之首，而其年銷量僅為 3 000 臺左右。目前，國內不同品質的免耕機具之間價格差距較大，低端機型銷量較大。2015年售價5 000元以下的低端機型銷量為總銷量的59%；5 000～20 000元的中低端機型銷量約占總銷量的33%；在售價20 000元以上的中高端機型中，20 001～40 000萬元、40 001～60 000元、60 000元以上的免耕播種機銷量分別占總銷量的2%、5%、1%。售價 5 000 元以下的低端機型主要銷售地集中在內蒙古自治區、河南省、河北省、陜西省等地區，占5 000元以下機型總銷量的83%；在東三省和內蒙古地區4萬元以上的中高端機型銷路較好，其銷售量占4萬元以上機型總銷售量的97%。隨著耕地規模逐步擴大，保護性耕作加速推廣，以及國家補貼逐年提升，我國免耕播種機具的普及率會在未來一段時間內持續升高，其中，中高端免耕播種機的占比也將逐年上升。

近年來，保護性耕作技術在國內迅速推廣，國家對其扶持力度也逐步加大。2004年，我國先后頒布實施了農業“三項補貼”，即農作物良種補貼、種糧農民直接補貼、農資綜合補貼。2015年開始農業“三項補貼”改革，將以上3項補貼合并命名為農業支持保護補貼，補貼面向所有能夠承包耕地的農民，旨在提高農業補貼效能。政策鼓勵實行綠色生態種植，加強對農作物秸稈的利用，倡導農民減少化肥和農藥的用量、選用有機肥，并推行保護性耕作技術，采取深松整地、少耕、免耕、秸稈還田等措施來提升耕地地力，保護農業生態資源。2016年，國家農機購置補貼進一步加強，補貼政策在所有農牧業縣級范圍內實施，補貼對象為直接從事農業生產的個人和組織。補貼具體涉及到的農機范圍共分為11個大類43個小類137個品目，各省(市、區)按當地實際農業生產情況指定具體補貼的農機品種。免耕播種機根據機型大小及作業幅寬等標準來判定補貼金額。以新疆地區為例，工作行數為6行及以下的免耕條播機中央財政最高補貼990元，25行及以上的免耕條播機最高補貼4 860元(表1)。

表1 2016年新疆免耕播種機中央財政資金最高補貼額

3 我國免耕播種機發展中存在的問題

3.1 結構性能尚待優化，機具質量參差不齊

免耕播種是在留有前作物殘茬和秸稈的地面上進行作業的，工作條件較為惡劣。在秸稈覆蓋量大或殘茬較高的田間，機具容易發生壅土、架種、晾種等問題。如西北農林科技大學曾研發了一款9QBF-150/8型免耕施肥播種樣機，秸稈清理裝置由秸稈粉碎還田機改造，粉碎后秸稈依靠風力及秸稈本身的慣性力拋出，拋送距離不足，秸稈通道易堵塞從而影響作業效果。免耕播種機應具有性能優良的滅茬裝置，粉碎耕作帶內的殘茬與秸稈后還田[19]。東北農業大學曾設計了一款大豆免耕播種科研樣機，其清秸刀受力不合理，刀軸及軸承極易斷裂損壞，對秸稈粉碎作用較差，影響秸稈肥效化利用效果。此外，開溝器所開種溝形狀的控制、種肥施播量及入土深度的控制都是目前我國免耕播種機研究中尚待解決的問題[20]。

現階段國內免耕播種機基本能夠滿足作業需要，但應用于實際生產中時，由于工作條件復雜多變以及機具生產制造時工藝等問題，一部分免耕播種機會出現工作能效低、故障率高、使用壽命短等缺陷。目前，我國部分免耕播種機存在可靠性方面的不足[21]，一些機具的機架焊接質量較差導致其強度不夠，前梁容易發生形變；開溝器、滅茬裝置強度低，容易扭曲變形，開溝器鏟尖和滅茬刀磨損過快；一些機具的三點懸掛系統強度不夠，使用一段時間后會出現拉裂變形；傳動鏈條強度不足，發生斷裂；輸種管在工作一段時間后易發生塑性變形，造成漏種等問題。此外，由于我國地貌形態的多樣性，當前許多免耕播種機普遍存在適應范圍小的問題[22-23]。各地地質、氣候等存在差異，需要根據當地種植工藝選取最為適合的免耕播種機具。

上述問題為現階段我國免耕播種機在結構設計和生產制造中容易出現的問題。只有不斷改進完善，提高免耕機具質量及其作業性能，才能將免耕技術和保護性耕作理念在基層農村順利推廣下去。

3.2 農民舊觀念難破，推廣普及困難

從精耕細作到免耕作業，這種耕作方式的巨大轉變，對于農民來說是生產方式的一次大變革，而變革往往是缺點被放大、優點被質疑的過程。目前，不少農民對免耕播種技術缺乏足夠的認識，怕擔風險，不敢嘗試。結合我國國情，農村年輕人多數選擇去城市找工作，農村勞動力以老人為主，相對來說思想較為保守，對新技術的接受能力較弱。有時即使當年在推廣人員的帶領下采用了秸稈覆蓋免耕栽培的方法并取得相應效益，第2年仍需要相關技術人員上門再次進行指導，否則寧愿采用自己更加熟悉的精耕細作的方法。免耕播種作業效果受氣候及土地條件的影響較大，在推廣中常因缺少連片集中的田塊、排灌不便利等原因而受阻。在免耕前期容易出現草害或缺苗等現象，農民常因此對免耕技術產生質疑，一定程度上影響推廣普及。此外，免耕作業技術的示范推廣需要耗費大量人力、物力、財力，而基層農技推廣組織由于自身經費不足等原因，在農村進行技術推廣時會遇到很多困難。

以我國東北吉林省梨樹縣為例，該地區農業技術推廣總站站長王貴滿與其團隊利用10年時間，完善了一套針對我國東北地區的玉米秸稈覆蓋免耕播種作業體系，其規模從最初的10 hm2試驗田發展到如今6.67萬hm2以上示范區。但其推廣過程卻歷經坎坷，主要阻力來自于農民對于耕作的老觀念難以破除。2014年，該地少數種糧大戶試用免耕技術實現增產增收，但當地農民對于這種新模式仍無法接受，認為土地只有多收拾才能多產糧。許多農民認為，秸稈覆蓋地表，春天時地溫低，直接播種不利于出苗，即使看到有人采用免耕的方式已經取得成效，仍然不敢冒險嘗試。為引導農民接受免耕技術，示范推廣進一步加快步伐，免耕田塊近2年作為示范觀摩點，共接待了來自全省的6 000多名農民。2016年，吉林省各地在春播期間組織秸稈覆蓋免耕播種技術的現場培訓，使得越來越多的農民開始慢慢接受免耕技術。為推動玉米秸稈覆蓋免耕播種技術的推廣普及，吉林省從2014年起對采用這項技術的農民進行補貼。2016年，吉林省拿出8 600萬元在34個縣進行推廣示范，對玉米秸稈覆蓋免耕生產和秸稈高留茬免耕生產進行375元/hm2的補貼。

4 我國免耕播種機發展方向

4.1 改進關鍵技術，實現免耕精密播種

免耕播種機想要具有良好的工作性能必須要有優良的田間通透性、較強的入土能力以及良好的覆土鎮壓能力。為了提高播種質量、降低晾種率，應在現有基礎上改進開溝器及排種裝置[24]，控制種溝形狀、深度以及種肥施播量。氣力式排種裝置由于其播種精度高的特點，如今已廣泛應用于各類免耕播種機中[25]。氣力式播種裝置又分為氣吸式、氣吹式2種，一般氣吸式應用于小型機具，氣吹式用于8行以上的高速精密播種機，適合大面積地塊作業。此外，將電控系統應用于排種裝置中可有效增加播種精度，其效果明顯優于純機械結構。

4.2 研究開發智能化、自動化免耕機具

傳統機械結構在實現某些功能時受到限制，在結構設計時使用新技術能有效地解決當前免耕播種機具普遍存在的問題。目前，國外大型免耕播種機基本都配備了相應的電控單元和監測系統，機具整體穩定性、可靠性高，智能化水平高[26]。北京德邦大為股份有限公司在2015年10月舉行的中國國際農業機械展上展示了一款新型電驅氣吸式免耕精量播種概念機，其電驅排種器技術為我國國內首創。此款概念機集電驅動精準排種、電驅動變量排肥、免耕播種、雷達測控、GPS導航等多項先進技術于一體，播種精準性高，通用性強，可適用于玉米、大豆、甜菜、油葵等多種作物的免耕作業。

免耕播種作業在大量秸稈覆蓋的土地上進行，如果土壤本身起伏不平，易造成播種深度不一致從而導致播種效果差、出苗率低?，F有相關科研單位開始嘗試在免耕播種機具上增加自動限深裝置，使用傳感器測量機具入土深度并反饋給機具上的控制端，通過液壓驅動調節機具位置從而調節適當的播種深度。目前，國內研發機構正著力進行此類農機智能化、自動化的研究，將新興科技運用于現有較為成熟的免耕機具上，將使其工作性能產生大幅提升。

4.3 提升產品質量，研制通用性機具

目前，我國免耕播種可用機具多，高質量機具少；仿制機具多，自主研制機具少；小型機具多，大型機具少。機具作業水平及技術含量與國外相比差距較大。許多免耕播種機只能適用于某地區一種作物的播種作業，缺乏通用性。隨著農業機械的智能化發展，開發適應性強、功能多樣化的機具已成為科研重點。未來國內免耕播種機應能實現不同種類作物的播種功能，根據不同作業地區調整相應的工作方案，具有一定的通用性。通用性機具的研發將帶動免耕播種機的體系化發展，提高國內免耕播種機的綜合水平，強化市場競爭，淘汰效能低、質量差的機具，從而促進保護性耕作及免耕技術在我國農村全面推廣。

4.4 加強政策補貼，普及免耕播種

近年來，我國對于農業扶持以及對于農業機械購置補貼力度越來越大，2016年，中央財政資金對于大型免耕播種機單機可補貼最高15萬元。國家對于農機購置的補貼越來越大，旨在落實推廣新理念，加快農業現代化進程。保護性耕作技術的全面推廣，勢必伴隨相應的保護性耕作機具在農村的普及與應用。政府在經濟性補助的同時，加強對農民培訓指導，各地農機基層組織和農機企業多次委派相關技術人員對農民進行保護性耕作機具的操作指導。2015年，全國實行保護性耕作的土地面積已經超過866.7萬hm2，免耕播種機總量已經超過80萬臺。隨著政策利好及技術不斷完善，免耕播種技術在國內的普及率將逐年升高。

5 結語

目前，我國保護性耕作技術處于推廣發展階段，免耕播種機在品質和產業規模上與發達國家相比還有一定差距。近幾年，隨著國家政策的扶持，以及各科研院所和相關企業的專家學者的深入研究，國內已經研制出一批較為性能優良的免耕播種機具，基本能夠滿足當前的生產需求。但相比于美國、加拿大等保護性耕作體系較為成熟的國家，我國保護性耕作普及率較低，機具相對落后。在未來的一段時間內，我國將進一步推廣保護性耕作理念和免耕理念，在現有技術和機具的基礎上進行研究改進，如完善免耕與壟作結合、簡化免耕播種機操作程序等，著力研發出適合我國國情的免耕播種機具，從而保護耕地資源，加快農業現代化進程，為廣大農民創造實實在在的經濟效益。

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