農業領域的耕整地機具可以對種植土壤進行松、整、翻耕作業，打破犁底層，把下部堅實的土壤與上部熟土層進行分層置換，厭氧生物在疏松的土層中與氧充分結合，增加土壤的耕層深度，提升土壤的通透性，提高耕作土壤的微量元素含量，使耕層厚實疏松，加大土壤顆粒之間的孔隙度，有利于作物種子發芽和根系生長。同時，形成的松軟海綿體土質吸收了天然雨水，提高了土地蓄水保墑和抵御干旱的能力。此外，翻耕作業可以清除殘茬雜草，掩埋土壤表面的病蟲菌害，發酵生成生物質有機肥料。將作物秸稈粉碎后和土壤進行充分融合，有利于秸稈殘茬快速腐爛和土質改良優化，提高土壤自然肥力。

與國外農業發達國家同類機型相比，目前我國的耕整地機械裝備還普遍存在速度低、阻力大、能耗高、磨損快及多數缺少電子操控裝置等不足，沒有完全實現精準智能化農業，造成能源消耗與資源浪費。加工設備、制造工藝與發達國家還存在一定的差距，產品普遍存在功能單一、配套系列機具種類少及故障率較高等諸多問題。根據我國國情和農業產業發展現狀，應以自主研發機具為主，引進國外先進農業機械技術為輔，對耕整地機械進行快速更新換代，以促進我國農業生產實現機械化智能作業。

1 松翻耕整地意義

1.1 有利于作物生長發育

農作物根系的生長發育狀況與土壤的自然生態條件息息相關，而培育良好的根系是作物高產的基礎。深翻耕種植土層可以為根系創造一個優良的生長環境，促進根系快速生長，使作物根系垂直分布整體向下移動，吸取深層土壤中的肥沃養料。田間實地測試表明，在耕層較淺、質地堅硬的土壤環境中，作物根系短小，光合作用減弱，葉片衰老加劇，產量、干物質和品相降低。而與此相反，如果生長在耕層厚實、土質疏松的環境中，農作物光合作用顯著增強，較好的光合效果使得植株根系粗壯發達、活力旺盛，產量和品相也隨之增加。

1.2 改善土壤種植環境

經過翻耕機械作業，土地肥力增加，土壤顆粒細化，所含生物質營養成分被加速催化激活釋放，更易于被農作物根系吸收。種植區域全耕層土壤疏松透氣，促進氧氣流通和微生物活動，有利于作物根系生長發育。土壤物理結構也得到了全面的改良和優化，雜草和病蟲害的發生明顯減少。深松鏟在土層底部產生導流槽，起到蓄水保墑作用。而上部經過翻松耕之后生成疏松的海綿體，增強了土壤的通透性和保水性，便于存儲天然降水和灌溉用水，可以保障農作物在出苗發育生長期時水肥均衡穩定供給。

1.3 農業生產重要環節

整地是最基本的農田作業環節，經過整地之后土地表面細碎疏松且平整度較好，為隨后的施肥播種和種子發芽創造一個良好的生長環境。滴灌鋪膜播種和精準農業的技術發展，對農田平整度的要求也越來越高。平整度、碎土率、滅茬率等各種整地質量指標的好壞直接影響后續各項工作進行，而較高的發芽率、出苗率則是農業穩產高產的必備條件。

2 研究現狀

2.1 翻耕機械

翻耕機械根據其耕作部件的工作原理，可以分為鏵式犁、圓盤犁和旋耕機等類型，其中鏵式犁的應用最為廣泛。翻轉犁通過翻轉油缸帶動犁體跟隨犁架交替翻轉，在翻耕作業過程中上下犁體輪流工作，犁耕之后土垡垡片都向一邊均勻傾倒，避免產生較大溝壑，地表平整度較好。翻轉犁以其獨特高效的工作方式，成為翻耕機械中的重要機型，在農業生產中得到廣泛應用。

2.1.1 國內研究現狀

我國使用的翻耕機械主要有鏵式犁、液壓翻轉犁、牽引犁等，研發工作起步較早，但是長期以來發展緩慢。和國外同類型翻耕機具相比，我國的機具普遍壽命短、磨損快、機體笨重、犁耕阻力大及工作效率低，在翻耕作業中消耗了大量的能源。隨著引進國外先進農機具，國內與大功率拖拉機相配套的翻耕機械幾乎全被國外生產廠家所壟斷。面對這種現狀，近年來農機科研工作者也堅持不懈地做了大量的研究和實踐工作，許多性能優良的機具陸續推向市場。

鄭炫等研制出1LFS-435型液壓翻轉淺翻深松犁，通過翻轉油缸實現犁體換向翻轉；犁耕作業時，主犁體進行正常的翻耕土垡工作，主犁體下部的深松鏟齒同時進行深松作業，在300mm翻耕土壤底部生成100mm深松土層，形成有利于作物根系生長發育的上虛下實土壤種植結構。鄭德聰等利用反求工程和計算機測繪技術，建立了翻轉機構數學模型并進行了犁體裝配尺寸鏈的分析計算，最后將設計結果應用于液壓翻轉犁的批量生產制造中。楊化偉等利用水平直元線法繪制犁體曲面原理，使得犁體曲面參數設計變得直觀。

2.1.2 國外研究現狀

國外翻耕機械領域代表性的產品有美國約翰迪爾的5鏵液壓翻轉犁、德國雷肯的歐派翻轉犁、法國庫恩的格爾-貝松和格蘭的翻轉犁。約翰迪爾采用高強度材料的犁鏟和具有獨特結構設計的犁架，使得犁具可以與多種型號的大功率拖拉機配套使用。半圓柱形鏡面犁體翻垡效果良好，翻耕后地表平整，非常適合后續的鋪膜播種作業。德國雷肯懸掛翻轉犁，如圖1 所示，關鍵部件都經過先進的熱處理技術加工處理，耐磨耐用，抗疲勞強度高，配備安全剪切螺栓保護犁體負荷過載。法國格力格爾-貝松翻轉5 鏵犁，獨特的犁梁形狀設計，既增加了整機大梁的強度，又使得機具重心整體后移，有利于保護犁體。犁柱采用先進的空心鑄造技術，在減輕整架犁具質量的同時又增加了整機強度。采用可移動拆卸式帶自磨刃的犁尖，使用壽命更長。

圖1 德國雷肯翻轉犁
Fig.1 Germany LEMKEN overturning plow

2.2 旋耕機械

旋耕機是一種由動力驅動刀盤旋轉的松、翻、整地機械，具有較強的切土、碎土、滅茬功能。一次旋耕作業即可達到多次耕整地的實際功效，旋耕后地表平整、土質松軟，非常適合精準農業的作業要求。

2.2.1 國內研究現狀

目前我國的旋耕機械產品，以臥式旋耕機為主，這種旋耕機對各種類型土壤適應性較強，旋耕效果良好，可同時達到翻耕、碎土和平整土地的要求，滿足多數情況下的耕整地需求。缺點則是耕深較淺，一般12～18cm，無法滿足現代深翻耕農業技術的要求。在實際工作中漏耕情況嚴重，而且旋耕刀容易被雜草纏繞和泥土堵塞，導致機具動能功率消耗增大。針對臥式旋耕機存在的諸多缺陷，近年來推出了立式和斜置式旋耕機。立式旋耕機適用于滅茬作業，斜置式旋耕機融合犁與旋耕機的特性，是新型旋耕作業機具。

旋耕刀刃口作業曲線大多采用阿基米德曲線，此外正弦指數曲線、等角對數曲線等也在不同的機型上有所應用。近年來，我國科研工作者相繼提出了節能型刃口、放射螺旋線、平面型和曲面型等多種刃口曲線模式，并投入到機具實際生產中，取得了較好的效果。為了適應各種地段耕整地的需求，相繼開發出1.25～2.80m多種幅寬的旋耕機。如南昌旋耕機廠的1G和1GN系列旋耕機，江蘇連云港旋耕機集團公司的1GE2-210型旋耕機和1GQN-250S型旋耕機等。

我國旋耕機械存在的主要問題是機型不統一、故障率高、可靠性差、關鍵部件耐磨性與疲勞破損不穩定、制造加工工藝水平較低，無故障作業時間<400h，僅為國外同類產品的2/3左右。

2.2.2 國外研究現狀

歐洲的農業自然生態環境相對優良，土質疏松肥沃，較少進行翻耕作業，而大多使用旋耕機進行淺翻整地。歐洲一些國家生產和使用旋耕機較多，MAS5型旋耕機和506型旋耕機是典型代表，滾刀直接安裝在拖拉機輪軸上，輪軸驅動旋耕刀具切削土壤。該種機型的特點是輕巧靈活，燃油消耗少，操作簡便，非常適用于園林、庭院、溫室及設施農業的旋耕作業。英國的牽引自驅式旋耕機，不需要拖拉機驅動，由前后配置的雙排水平橫軸滾刀組成。與傳統機型相比作業效率提升2倍，能耗降低30%。意大利CELLT公司生產的自動避讓式旋耕機，機架前方裝有傳感器觸桿，旋耕作業時觸桿碰到障礙物之后，傳感器觸發液壓系統運轉，液壓油缸帶動刀架產生橫向位移。

日本大量使用水平橫軸式旋耕機，1993年同類型產品已達到56個系列、162個品種，功能各異。配套動力≤20kW，耕幅1.4～2.8m，耕深12～20cm，機具小巧靈活，使用方便快捷。新推出的混層式深耕機產品，工作時刀輪深埋在土層中，耕深可以達到15～28cm，旋耕、松耕、整地多道工序同時進行，大大提高了機具的工作效率。

2.3 深松機械

深松作業是保護性耕作的重要組成部分，深松作業可以改變土壤耕層結構、打破犁底層、蓄水抗旱及增溫保墑。同時，深松阻力小，深松作業對地表土層與植被擾動較少，有效減輕土壤風蝕、雨蝕和光蝕。

2.3.1 國內研究現狀

我國深松機械研究起步較早，在深松機械的設計、制造、關鍵部件材料研發方面取得了較好的成果，研發的機具主要類型有側彎刀式、桿齒式、翼鏟式和振動式等。

山東大華寶來的W系列側彎刀式深松機在國內應用比較廣泛，深松鏟采用弧面倒梯形結構，其制作材料使用高硼鋼，強度高和耐磨性好，使得在國產農機具使用壽命得到較大提高。黑龍江省農業機械工程科學研究院研發的1SL-535型桿齒式深松機，利用限深輪調節耕深，能夠深入到地下35cm左右，全方位深松土壤。國內振動式深松機主要有北京銀華春翔農機有限公司開發的1SQ-250型深松機、沈陽農業大學研制的1SZ-2型深松機等。振動式深松機雖在減阻降耗方面有顯著效果，但目前相關技術還不是很成熟，關鍵部件材料的耐磨性和抗疲勞損傷方面還有更多的提升空間。目前各型振動式深松機價格相對較高，結構復雜，工作穩定性較低，制約了振動式深松機的推廣應用。

2.3.2 國外研究現狀

國外深松作業機具已經非常成熟并相繼開發出與之相配套的各種配件，新近研制的集免耕深松、施肥、滅茬等多種功能為一體的聯合整地作業機械，促進了深松聯合作業機的大面積推廣應用。國外的深松聯合作業機適用于一年一季的大面積耕地，機具作業幅寬大，作業效率高，但是往往機具的質量都比較大，通常達到10t以上，所需牽引動力在150kW 以上，產品價格較高，但是性能穩定、作業質量比較好。

目前國外普遍應用的深松機有側彎刀式深松機、振動式深松機及深松、整地、播種聯合作業深松機等。側彎刀式深松機由機架、側彎刀深松鏟柱、深松鏟齒等部件組成，如圖2 所示，工作阻力小、牽引功耗少、作業效率高。振動式深松機有一個與拖拉機動力輸出軸相連的傳動軸，帶動振動杠桿牽引臂使深松機產生振動，工作時能大量減小土壤阻力，提高工作效率。免耕播種聯合作業機是將深松機、動力耙和播種機功能融合于一體的深松整地播種機，可以一次完成深松、整地、播種等多種作業環節。常與160kW以上拖拉機配套使用，工作效率高，使用靈活方便，在大型農場應用廣泛。

圖2 全方位深松機
Fig.2 Bulk subsoiler

2.4 聯合整地機械

平整土地是農業生產中重要的基礎作業環節，精準農業不斷發展，對土地的平整度要求也越來越高。聯合整地作業機配有圓盤耙、釘齒耙、平土框、碎土輥、鎮壓器和耱子等部件，一次作業即可完成碎土、松土、平整和鎮壓等多道工序，作業速度快，工作效率高。

2.4.1 國內研究現狀

伴隨著我國農業機械化的逐步推進，聯合整地作業機的研發和推廣應用也快速發展。各地根據種植作物農藝需求研制了品種繁多、功能各異，集旋耕、滅茬、碎土和整地為主體的聯合作業機，如圖3 所示。目前我國的聯合作業機機型有旋耕深松聯合作業機、SGTN-280型聯合整地機、1GHL-280型旋松起壟機、1GSZ-210/280型組合式旋耕多用機及耕耘整地播種聯合作業機等，多種型號并存，形式功能多樣，每種機型應用地域有其獨特的要求，大區域適應性有待進一步提高。

圖3 國內聯合整地機
Fig.3 Domestic combined land preparation machine

河南科技大學研制的旋耕深松聯合作業機，采用先松土后旋耕的作業方式，配套拖拉機動力88kW。整機主要由深松鏟齒、限深滑板、牽引懸掛架、傳動箱總成和旋耕刀軸等主要部件組成。深松鏟齒采用弧線形生物仿生學工作原理設計制造，以減小土壤阻力。深松深度240～280mm、旋耕深度120～150mm、作業幅寬1 500mm，適用于面積較小的耕作地塊。

黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的深松聯合整地機系列產品，主要工作部件由滅茬、深松、旋耕和起壟4 個部分組成。滅茬部件采用L 型彎刀，刀軸轉速500r/min，滅茬深度80mm，滅茬率>96%；深松部件采用桿齒式深松鏟，深松深度最深400mm；還可根據實際需求加裝施肥和鎮壓裝置。

2.4.2 國外研究現狀

國外自20世紀50年代初期開始研發聯合整地作業機械。英國、法國、德國和奧地利等生產和使用整體型聯合整地作業機以縮短適播期。北美地區大多使用寬幅單項整地作業機，約翰迪爾和凱斯紐荷蘭相繼開發了與大功率拖拉機相配套使用的重型、寬幅、高效聯合整地作業機，如圖4 所示。日本、韓國多使用集耕耘、施肥、播種和鋪膜為一體的中小型聯合整地作業機。

圖4 國外大型聯合整地作業機
Fig.4 Foreign large scale combined land preparation machine

國外耕整地機械發展方向：整機和工作部件模塊化、種類多樣化、批量生產少量化；以旋耕、施肥、播種和整地為主體的聯合作業機成為優先發展機型，以適用于少耕、免耕的保護性耕作方式。機具結構不斷創新、關鍵部件加工工藝逐漸完善、配套附屬設備越來越多，快速掛接環、動力輸出軸離合器、過載保護器和自動避障器等裝置不斷在新機具上出現，提升了機具工作的穩定性，機具不斷向高效、大寬幅、多功能的方向發展，由傳統的機械式向智能化的方向發展；機電液一體化與智能化控制等新技術不斷用于聯合作業機組的作業監測、工作控制，機具能根據實際工作條件自動調節耕深、碎土率、作業速度等各項工作指標。

3 存在問題

3.1 機具功能單一

長期以來由于受到客觀條件制約，我國缺少大型聯合作業機，多以中小型農機具為主。在機械化耕整地作業中，拖拉機經常要掛接各種裝備，進行多次田間聯合作業，才能完成農作物種植對優質苗床土壤結構的需求。機具功能的單一性，導致在耕整地作業過程中必須不斷地裝配與拆卸相關配套部件，嚴重降低農業生產效率。不僅耽誤了寶貴的農時，影響作物生長發育，還使播種、中耕、灌溉等各項后續工作難以展開。

3.2 牽引機具不匹配

翻耕整地機械在工作時所受土壤阻力通常較大，因此牽引機具能量消耗巨大。但目前我國大功率拖拉機擁有量還較少，配套動力主要以中小型拖拉機為主，輸出功率受限，這在很大程度上影響了耕整地機械的工作效率和作業質量。缺少大功率牽引機具使得機械故障頻發且損耗嚴重，在降低作業功效的同時，也造成了額外的能源浪費。

3.3 機械加工工藝水平較低

相對于發達國家，我國農業機械制造設備大多陳舊落后，工藝技術水平普遍較低，零部件加工精度不高，熱處理技術不達標，導致國產耕整地農機具機體抗疲勞性差，結構設計不能滿足各種不同土壤類型和適應種植環境的實際需求，與耕作土壤相接觸的工作部件容易受力變形、斷裂和磨損消耗過快，零配件更換頻繁，以及液壓油缸漏油的問題一直得不到較好地解決，這都大大降低了國產耕整地機械工作的可靠性和適用性。

3.4 國產高端機械市場占有率低

耕整地機械裝備的研發工作自20世紀50年代初期開始起步，但國產高端機具的市場占有率一直較低，目前國外進口高端產品占據大半市場。這主要是因為國產機械產品技術含量較低，通常還需要進行改進優化。耕整地機械的生產、銷售、使用和售后服務等各項環節都不太完善，各種因素都制約了國產高端耕整地機械的快速發展。

4 對策建議

4.1 研發集成化多功能機具

大型多功能集成化耕整地機械，最具代表性的機型是聯合整地機。聯合整地機集滅茬、深松、翻耕、碎土、覆土、平地和鎮壓種床等多種功能為一體，通過各種配套裝置，一次作業即可準備好適合于種植的優質苗床土壤結構。多功能聯合作業機能夠有效減少機械進地次數，減少機械作業對土壤的壓實作用，保持土壤原始團粒結構，緩解土地板結硬化。大型多功能農業機械進行作業，不僅提高了勞動生產率，也使得工作時間明顯縮短。

4.2 提高機加工工藝水平

加快耕整地機械關鍵核心部件的研制開發，可根據不同的種植環境采用相應的材料制作相關零部件。提高機加工與熱處理工藝水平，優化零部件熱處理技術，提升零件制造加工精度。將機具各類部件國產化、標準化、模塊化和系列化，以降低生產、使用和維護成本，徹底打破國外同類產品長期壟斷我國農機市場的不利局面。

4.3 自行研發和國外引進相結合

根據我國耕整地機械發展自身現狀和農業領域的實際需求，引導國內相關農機企業開展適宜本地區的機具研發。根據規?；a經營為依據，建立耕整地機具機械化生產服務示范基地，推進翻耕整地生產關鍵技術和機械裝備的引進、開發和技術推廣應用。另一方面，從國外引進同類先進機型、配件和技術軟件，實現跨越式發展。

4.4 農藝規程和耕整地機械相互結合

耕整地機械化想要達到高效作業，必須與農藝種植模式相結合，機械化作業要符合農藝種植模式的要求，農藝種植模式也要根據機械化作業的要求改變。但是我國各地農作物種植品種不同，農業生態環境大相徑庭，種植模式大多適用于人工作業。因此，只有改變現有種植模式，使農機和農藝結合效果達到最好，才能使機械裝備達到最佳狀態，取得最好的費效比。

4.5 實現耕整地機械裝備信息共享

耕整地實現機械化作業需要相應的機械裝備，然而由于受到農機產品供求信息不明等多種客觀因素影響，致使農戶很難選擇到適用機型。農機生產部門應構建耕整地機械裝備使用電子信息平臺，通過網絡信息平臺收集國內外耕整地機械裝備產品的相關信息，然后通過電腦互聯網或手機APP實現信息實時共享，使得農業領域相關人員快捷方便查詢最新機械裝備信息動態，提高農機裝備工作效率。

5 發展趨勢

5.1 機具功能多樣化

從全球農業機械發展趨勢看，耕整地機具電子化、功能多樣化、大型化是發展主流，這主要是為了適應現代農業高效率機械化作業的需求。目前，國外先進耕整地作業機械，都具有碎土、翻耕、耙地、整地和播種等各種功能。我國的耕整地作業機械也應提高工作效率，朝多功能方向發展。

5.2 驅動型替代牽引型機具

現階段要進一步提高和優化耕整地機械的作業功效，需要從傳統的牽引型向驅動型方向發展。驅動型機具需要具備動力傳動裝置，利用拖拉機的動力輸出軸輸出動力帶動耕整地機具運轉，對不同類型的耕地適應性更強，機具作業效率更高，能夠更好地發揮機具功效。目前的驅動型耕整地機械有旋耕機、動力耙、旋轉犁、滅茬機和振動深松犁等各型裝備，驅動式耕整地機械顯著降低了工作過程中受到的土壤阻力，行進速度、作業質量、工作效率都得到大幅提高。

5.3 保護性耕作替代傳統機具

有別于傳統的耕作模式，保護性耕作是近年來世界農業領域發展的新型種植模式。免耕少耕種植方式，不僅最大限度保留了土壤自我修復機能，還能有效簡化煩瑣的傳統耕作流程，使農業生產逐漸回歸原生態模式。近年來，保護性耕作機具發展快速，免耕少耕播種機等許多新機型廣受農戶歡迎，同時也進一步推動了保護性耕作技術快速發展。

5.4 裝備智能控制裝置

伴隨著北斗衛星導航系統（BDS）、遙感圖像技術（RS）、大數據（CSDN）等各種電子信息技術的快速發展，大型農業機械上也逐漸出現了智能控制裝置，不斷提高機具工作部件的精準調控，自動適時調整機具不同工作部件的工作參數。智能化控制對農業機械的研發制造產生了跨時代的影響，促使耕整地機械裝備向自動化、精準化、人工智能化方向快速推進。目前國外的耕整地機械，大部分都加裝了電子監控操縱裝置，人工智能化程度顯著提高，正向智慧型機具發展。

6 結束語

20 世紀60 年代，發達國家開始將大型聯合作業機具投入到農業生產中。伴隨著科學技術的突飛猛進和大功率拖拉機的使用，耕整地機械裝備也在向快速、高效、超幅寬和聯合作業的方向發展。近年來農業發達國家不斷將工業領域的高端技術應用到農業機械設備的研發生產中，使得現代農業耕整地機械裝備發展成為集機、電、液、氣等各種高新技術為一體的綜合智慧型作業機具。

與發達國家相比，我國耕整地機械在加工設備、制造工藝和售后服務等方面都存在不足和差距，耕整地機械化整體水平還較低，普遍存在產品功能單一、配套機具種類少、可靠性差及故障率高等問題。應根據國內農業生產實際狀況，對國產耕整地機械生產相關企業和購機用戶提供農機購置補貼和扶持政策，引導相關產業健康發展，全面提高我國耕整地機械化水平。