丘陵山地耕作装备发展现状及展望

王元俊， 李明生， 谢守勇， 刘凡一， 孙玉华， 刘 军

（1.西南大学工程技术学院，重庆 400715； 2.丘陵山区农业装备重庆市重点实验室，重庆 400715）

0 引言

在我国，主要地形有山地、丘陵、平原、高原和盆地，分别占国土面积的33%、10%、12%、26%和19%，其中丘陵山地的面积占国土面积的69%，其耕地面积、农作物播种面积均占全国的1/3，涉及农业人口近3 亿人。丘陵山地农业的发展对保障全国粮食安全具有重要意义。耕作作为农业生产的首要环节，其耕作质量的好坏直接影响后续播种质量和作物产量[1]。

目前，丘陵山地的农业机械化水平较平原地区严重滞后，农业农村部数据显示，2021 年，丘陵山地农作物耕种收综合机械化率不足50%，远低于全国农作物综合机械率的72.03%[2]。2022 和2023 年中央1 号文件都对加强丘陵山区农机装备研制作出部署安排[3-4]。农业农村部印发的《“十四五”全国农业机械化发展规划》中也明确指出，加快补上农业机械研发制造短板、粮食等重要农产品生产全程机械化短板和丘陵山区机械化发展短板。丘陵山地由于地块小且分散、地形起伏大、没有专门的机耕道等因素的影响，使大中型耕作机械存在下地难、不易转弯、作业难度大和作业质量差等问题，严重限制了丘陵山区耕作机械化的发展[5]。

本研究对国外实现耕作机械化所采取的措施进行归纳，为我国丘陵山地实现耕作机械化提供参考，对丘陵山地主要的耕作装备旋耕机、微耕机、深耕机和深松机的研究现状进行梳理总结，分析存在的问题，并对其发展提出建议和展望。

1 耕作装备和耕作方式

耕作装备具有恢复土壤结构、改善土壤蓄水保墒能力、打破犁底层、细碎土壤和减少病虫害，为下一步播种创造良好条件的功能[6]。从原始社会开始人们就对耕作装备进行研究，我国最原始的耕作装备是耒耜，耒耜经过改进形成了犁，公元前8 世纪到公元前3 世纪春秋战国时期，我国已经拥有了耕地、整地系列铁、木制农具，主要以畜力和人力为主的牵引农具[7]。发展至今，我国耕地、整地装备多为拖拉机牵引，大部分地区实现了耕作机械化作业，但在丘陵山地耕作水平还比较低，仍有部分采用畜力牵引。耕地机械是播种前的机械，在翻耕、疏松和深松土壤等方面表现突出的优势，主要机具有铧式犁、圆盘犁、耕耙犁、旋耕机、深耕机具和深松机具；整地机械是指对犁耕、深松等作业后的土壤进行平整、细碎疏松和压实的机械，主要机具有圆盘耙、水田耙和秸秆粉碎还田机。

耕作方式主要分为传统耕作、旋耕、深松和免耕覆盖4 类[8]。①传统耕作是指在春秋耕地过程中，土壤表层全部被搅动，一般翻耕15 cm 左右的农作方式，翻耕能实现表层土壤和下层土壤的交换，使原来紧实的耕层变得松散，增加土壤耕层厚度、提高土壤的透气性。同时，翻耕也有翻埋作物根系、杂草及防除病虫害的作用[9]。传统耕作虽然具有上述优点，但也存在几方面的问题：一是翻耕使得地下湿土暴露，加快土壤水分的蒸发，不利于土壤蓄水保墒，并且其田间管理粗放，水土流失严重；二是传统耕作需要机械多次进地，土壤被机械压实，容易形成“晴天硬邦邦，雨天不渗汤”，造成土壤板结；三是传统耕作的土壤利用强度较大，导致可耕种物种多样性的丧失[10-12]。②旋耕是指利用旋耕机进行作业的耕作方式，旋耕作业后的土壤细碎，一次作业就能达到播种要求，可以减少成本；同时，旋耕作业的适用性广泛，水田和旱地都可选用旋耕作业，尤其适合土壤含水量高的田地。但旋耕作业的耕层较浅，影响作物生长，长期旋耕会导致活土层变薄，底层土壤形成坚硬的犁底层[13]。③深松作业是指在不翻转土壤的情况下，用深松机具对土壤进行疏松的耕作方式，深松作业能够打破犁底层，显著提高土壤的蓄水保墒能力、增加土壤的透气性，降低土壤密度，为根系比较发达的作物提供生长条件；同时，选择深松作业也能降低生产成本，深松一般3～4 年进行一次，减少了能源的消耗。深松作业也有不利的地方，由于深松作业只对土壤进行松动而不翻动，导致土壤里面的杂草和害虫不能被有效消除，深松作业对技术要求较高，深松机具需要专业人员进行操作，否则容易出现深松深度不够、土地不平整等现象[14-15]。④免耕覆盖是不对土壤翻耕，将收获后的秸秆粉碎后直接覆盖在地表，保持土壤原有的良好结构，增加土壤有机碳含量和蓄水量，提高作物产量，实现土壤固碳保墒和作物增产的协同增效。研究人员比较干旱和施肥条件下，常规耕作与免耕覆盖对作物产量的影响，结果表明，免耕覆盖优于常规耕作；但免耕由于没有犁地，通常会导致地表被压实，土壤空气容量下降，在处理杂草和病虫害方面有待加强[16-18]。

2 国内外丘陵山地耕作装备发展现状

2.1 国外发展现状

国外耕作技术先进的国家有美国、加拿大、英国和法国等。20 世纪40—50 年代基本实现农业机械化，90 年代进入高度机械化。目前，国外对耕作机械及其部件的研究已经形成了较完善的体系。国外丘陵山地占国土面积较大的国家有德国、日本、韩国等。

德国农业用地大多位于山地和高原，农业可利用的土地资源有限，为了解决农业资源的限制，德国提出了农业4.0，是以先进技术为支撑和手段的一种高度智能、高度协同和高度精准的现代化农业形态[19]。随着工业化和城镇化的推进，德国农场土地向大规模集约化发展，普遍实现了耕作机械化[20]。日本丘陵山地占国土面积的4/5 左右，20 世纪50 年代中期开始实施土地改良计划，将丘陵山地不适宜大中型机械作业的土地改良为标准地块，发展至今，大中型农机已经可以大范围作业，推进了日本农业的发展[21]。韩国丘陵山地占国土面积的比例和我国差不多，为2/3 左右，于20 世纪60 年代初期开始推行“土地改良法”，对丘陵山地地块进行规模化整理，为农业机械化提供了必要的作业条件，现在丘陵山地耕作机械化水平接近100%[22]。

国外在对丘陵山地土地资源进行改造的同时也开始研究适合丘陵耕作的机械。SAHAY C S 等[23]研究了一种用于旱地耕作微耕机的振荡装置，可以增加耕作深度，并使土壤更加细碎。LOPES A G C 等[24]对拖拉机在深松作业中不同胎压对深松的影响进行试验，结果表明，胎压过高会增加打滑现象的发生，也增加了能量的消耗，深松作业效率降低。HILAL Y Y 等[25]以拖拉机驾驶员座椅的振动、滑移、临界深度和深度稳定性为研究对象，研究了深耕机振动翼和非振动翼在相同前行速度下，振动和非振动在拖拉机驾驶员座椅的振动、滑移、临界深度和深度稳定性方面的表现，结果表明，振动优于非振动。ASKARI M 等[26]对深松翼铲进行设计，设计了一种弯曲角度10°的深松翼，相较于传统深松翼（弯曲角度0°）深松效果更优。POCHI D 等[27]研究了一种根据坡度、振动及颠簸程度自动调节驾驶座椅的系统，能有效地提高驾驶员的舒适度。

由上述可知，国外主要通过对丘陵山地土地进行整合，以地适机，为大中型机械作业创造条件；同时对耕作机械关键部件进行优化设计。可以看出，国外丘陵山地耕作装备朝大型化、智能化方向发展。

2.2 国内发展现状

国内丘陵山地耕作装备发展至今大致经历了3 个阶段。第1 阶段是20 世纪80 年代以前，耕作主要由人力和畜力完成，当时我国已经开始对旋耕机展开研究，但当时的旋耕机由于转运困难、需要配合手扶拖拉机使用、功能比较单一及不能同时适应水田和旱地等问题没有得到推广[28]。第2 阶段是20 世纪80—90年代中期，国内开始研制适合丘陵山地的微耕机。研制早期由于没有适合的材料和制造工艺达不到要求等原因，导致研制出来的微耕机存在质量不好和使用时间不长等问题，随着后续相关材料的研发和科学技术的进步，微耕机整机质量、稳定作业时间、安全性等都得到了大幅度提高，微耕机耕作时代由此开启[29-30]。第3 阶段是20 世纪90 年代至今，微耕机虽然解放了人力和畜力，但长时间使用微耕机也带来一些新的问题，微耕机由于耕深较浅容易造成底层土壤板结，形成犁底层，使得土壤蓄水保墒能力下降，不利于作物生长，同时，使用微耕机时产生的振动会对使用者造成伤害，因此，丘陵山地开始了对深耕、深松机械的研究。本研究就丘陵山区的主要耕作机械旋耕机、微耕机、深耕机和深松机的研究现状进行归纳。

2.2.1 旋耕机

20 世纪50 年代后期，国内开始了旋耕机的研究，旋耕机是农业生产中最常用的耕作机械之一，耕作后的土壤细碎、地表平坦，一次作业可达到播种要求，在农业中被广泛应用[31]。适用于丘陵山地的旋耕机主要以小型旋耕机为主，在使用过程中还存在一些问题，如使用过程能耗高、故障率高和适用性不强等问题，因此，研究人员开始对丘陵山地小型旋耕机进行设计和优化。

在丘陵山地的旱地和果园等地方，由于土壤板结严重，造成通用微耕机难以耕作，林宇钢等[32]设计了一种小型双轴旋耕机，前轴安装凿切刀盘，后轴安装深耕锄刀盘，前后刀盘交错布置。作业时前轴反旋，入土性能好、破土能力强，后轴正旋，对破裂的硬土进行粉碎作业，双轴作业可以提高机具切土能力，同时提高碎土率。小型旋耕机的挡泥板多为整体式固定结构，在南方丘陵山地使用时，由于土壤黏度较大，机具运行一段时间后会出现堵泥现象，增加能耗，清理堵泥时需要停机将整块挡泥板拆掉，费时费力。针对上述情况，姚祖玉[33]设计了一种便携可拆式小型旋耕机挡泥板结构，将之前的固定式挡泥板改为可拆式，堵泥时能够快速拆卸挡泥板并清理堵泥，提高整机的工作性能，可广泛应用于南方丘陵山地黏性土地。高健博[34]对小型旋耕机遥控执行机构进行了设计，实现操作人员在远端通过遥控装置控制旋耕机的作业，整机的通过性良好，可在丘陵山地不规则大棚、果园等狭小空间作业。

2.2.2 微耕机

微耕机由于价格低、操作方便等优点，深受丘陵山区农民的青睐，重庆鑫之源动力设备有限公司研发了几款适合丘陵山地耕作的微耕机，分别是鑫源SRIZ135 型、鑫源SRIZ105 型和鑫源SRIZ-95 型微耕机[35]。但使用微耕机时强烈的振动会对人体带来巨大的伤害[36]。针对微耕机工作时的振动对操作者具有危害，方晶晶等[37]对微耕机振动特性进行研究，通过数学建模和软件仿真的方法，提出了一种“微耕机-土壤”系统，为减小微耕机工作时的振动提供了参考。路世青等[38]对微耕机的振源进行分析，设计了减振装置，为新一代农机减振提供了参考。针对微耕机作业主要由操作人员操控，操作人员要随着机器走动，造成操作人员体力消耗大、容易造成疲劳及引起操作失误的问题，冯建等[39]设计了一款基于视觉检测的智能微耕机，实现耕作过程自动化。黄伟玲等[40]研究了一种适合赣南山区的电动微耕机，采用电池控制变频电机，解决了微耕机启动困难、调速不平缓的问题，为赣南山区研制专用微耕机提供了参考。药林桃等[41]设计了一种基于RTK-GPS 的智能微耕机导航系统，实现耕作路线的智能规划，并通过实时接收作业数据对机具耕作偏差进行校正。邓海静等[42]以TRIZ（发明问题解决理论）为指导，对微耕机原型产品进行创新设计，将手拉式启动改进为手摇式启动，使原来的直线运动变为旋转运动；对振动、阻力控制及能力损耗方面也进行了创新设计。付雅军等[43]针对微耕机通常选用汽油机或柴油机作动力，存在整机偏重、转运困难等问题，设计研究出了用轮毂电机作为微耕机的驱动装置，使微耕机的结构更加简单。

2.2.3 深耕机

土壤是农业生产的基础，其好坏直接决定农作物质量，因此保持良好的土壤环境对保持我国农业经济长远发展具有重要意义[44]。传统的耕作方式，只对浅层土壤进行耕作，深层土壤由于常年不进行耕作，会逐渐形成坚硬的犁底层，土壤的蓄水保墒能力随之降低，不利于土壤的长久利用[45]。近年来，随着农业科技的不断发展，机械化深耕成为改变土壤质量的科技化手段，机械化深耕具有以下优势：一是可以有效打破犁底层，提高土壤蓄水保墒能力；二是可以为大部分农作物的根系生长提供足够的空间，机械化深耕深度可达40 cm，满足90%的作物根系生长要求；三是可以有效改善土壤的疏松度，增强通风透气性；四是能够有效降低土壤病虫害的发生概率，土壤的质量得到显著提高[46]。在我国平原地区采用大中型拖拉机悬挂铧式犁进行耕作，但大中型深耕机由于机组体积大、质量大等原因，在丘陵山地使用存在转运困难、作业时容易下陷等问题，农机企业和研究者开始尝试研发适合丘陵山地耕作的深耕机。

卫韦等[47]设计了一种适合南方丘陵山区使用的小型履带式链式深耕机，通过在驱动齿轮前后增加张紧轮，在张紧轮之间加装支撑轮，整机的接近角增大，越野能力和转弯性能得以提升。深耕装置部分，主动轮采用带齿的齿轮，使链刀沿着既定路线绕行，不会拖链，而从动轮为了减轻伸进土壤进行工作时土壤阻力，设计成不带齿的光轮，设计出的深耕机耕深可达25 cm，耕深稳定性可达94%。针对重庆市烟草种植区无适合的深耕机进行深耕，影响烟草种植质量的问题，王耀文等[48]结合重庆市烟草种植区地形地貌、土壤特性等因素，研制出了适合重庆市烟草种植区的小型深耕机。张富贵等[49]结合丘陵山地的地形设计了一款小型自走式螺旋深耕机，耕深可达30 cm，行走装置采用履带，有效地解决了丘陵山地地形复杂导致大型机械难以进入的问题，动力由8.8 kW 风冷柴油机和液压系统提供。孙效荷[50]针对微耕机作业深耕不均匀、耕深不理想等问题，研制出适合丘陵山地使用的自走式螺旋深耕机，耕深可达30 cm，幅宽可达50 cm。许蓬勃等[51]结合云南地区非标准大棚的空间结构和大棚内蔬菜种植的农艺要求，设计研发了一种小型折腰式四驱多功能深耕机，该机爬坡能力、越埂能力、转向能力强，最大爬坡角度可达58°，最大越埂高度可达92 mm，最小转弯半径1.2 m。

2.2.4 深松机

为了进一步提高农业经济的发展水平，国内开始引进深松整地技术，并开始研发深松机械。丘陵山地对机械化深松整地技术的引进时间不长，2015 年，重庆市、新疆维吾尔自治区木垒县等丘陵山区开始引进机械化深松整地技术和相关机械，引进的机械大多都体积和质量较大，不能适应丘陵山地的地形，存在作业阻力大、深松达不到要求等问题。针对这一系列问题，相关研究人员和高校开始研制适合丘陵山地深松的深松机[52-54]。

易文裕等[55]对轻简型茶园深松耕作机相关部件进行了优化升级，解决了当时丘陵山地茶园缺乏深松耕作机的现状。林雪等[56]基于南方丘陵山地多为黏性土壤、耕作多为小块田地等现状，设计了一种螺旋深松机，深松作业深度可达40 cm；运用Ansys LS-DYNA（显式有限元分析工具）对螺旋式深松组件切削土壤的过程进行仿真，得出降低螺旋式深松组件的转速可以有效减小切削土壤的阻力。针对强迫振动式深松机作业时通常会造成整机振动，能耗较大，自激式振动深松机结构复杂等问题，西南大学[57-58]发明了一种翼板振动式振动深松机，通过振动拉杆带动翼板实现机具在作业时整机不进行振动，降低了能量消耗，整机结构简单，工作强度高。针对深松机在丘陵山区作业时能耗较大，陈同浩等[59]基于振动减阻原理，设计了一种适合丘陵作业的小型自激振动装置，自激振动装置采用双弹簧振动，并通过Ansys LS-DYNA 对自激振动装置进行仿真，得出设计的自激振动装置在振动时能够有效降低切削阻力，达到降低深松机作业时功率的要求。LIN Y 等[60]提出了一种研究深松过程的模拟方法，通过模拟与试验结果的比较，误差在理想范围内，证明了模拟方法的可行性。

3 存在问题及影响因素

经过多年的发展，丘陵山地耕作装备取得了一定发展，但相对于平原地区还存在较大差距，也存在一系列问题。丘陵山地农田土层薄、地下石块多，当前的耕作装备难以对地下障碍物进行识别及规避。受耕作装备对地形适应性不足、容易发生侧翻、作业地形多变的影响，耕深一致性难以保证。南方丘陵山地土壤黏度大、耕作阻力大，小型耕作装备的动力不足。丘陵山地地块小、机耕道窄，导致现有中大功率拖拉机转弯半径过大、转场困难。现有作业装备智能化程度低、操作难度大、费时费力。长时间浅耕、旋耕作业造成土壤压实，形成坚硬的犁底层。机械化深松耕作方式推广不足，耕作装备价格太高，农民不能负担过高的生产成本。

3.1 自然条件

自然条件是影响丘陵山地耕作装备发展的主要因素，丘陵山地地形复杂、地面起伏大、地块小及没有专门的机耕道，导致大中型耕作机械进地难、转向难和转运难；地下石块较多，容易对耕作机械前进造成阻挡，遇到大石块有可能造成耕作部件损坏；南方丘陵山地的土壤多为黏性土壤，农机作业时容易陷入土壤中，对作业造成严重影响，极端情况下甚至会损坏农机。因此，现有的耕作机械多以小型农机为主，而且使用范围不大。

3.2 农民投入成本太高

由于农民生活水平和经济水平较低，不能负担起过高的生产成本，因此对于购买耕作机械的热情不高；而政府对于农业机械的补贴和政策主要集中在大中型农机上，对于适合丘陵山地耕作的小型农机补贴相对较低，给耕作装备在丘陵山地的推广带来了困难，严重阻碍了丘陵山地耕作装备的发展。

3.3 新产品研发投入不足

丘陵山地较平原地区而言，对耕作装备的性能要求更高，现有的农机多为引进或者在原有基础上进行结构优化，适用性不强，丘陵山地迫切需要适合丘陵地区的新农机，但新农机的研发前期投入成本太高，也需要花费时间来试验，并且回报率低，造成农机企业对新产品的研发积极性不高。这样将导致丘陵山地耕作装备发展缓慢，相较于平原地区的农业发展差距进一步拉大。

3.4 缺少必要的科学指导和安全监理

农机操作不当，不仅会造成作业质量达不到要求，而且可能会出现机器伤人的情况，农民一般购买农机都是为了减少劳动量，对于操作只是简单地阅读说明书，只要机器能运转就行。没有参加过农业机械技术安全教育，也缺乏安全意识，这不仅为操作人员留下了安全隐患，更为其他在农机周边的人员留下了安全隐患。同时，当前农机安全监理工作没有发挥应有的作用。安全监管应对农机的生产、销售、操作和维修等方面进行监管，使农机在正常的状态下有效地进行作业，不仅保证作业质量，而且减少安全事故的发生。

4 发展趋势与建议

4.1 发展趋势与技术展望

国内现有的丘陵山地耕作装备多为小型机械，如旋耕机、微耕机、深耕机和深松机，存在适用机型少、作业效率低和工作稳定性差等问题。目前丘陵山地使用的微耕机多以内燃机作为动力装置，工作时不仅会污染环境，还伴随着振动和噪声，将动力装置换为电动机可以有效地解决这些问题，未来电动微耕机的研发将是一大趋势。微耕机要能在丘陵山地作业首先要解决进地难的问题，所以微耕机在丘陵山区会继续向小型、微型化发展。为减少操作人员的劳动强度，要进一步发展智能化微耕机。随着计算机、传感器和人工智能技术的不断发展，我国农业机械正在向自动化、智能化方向发展，未来应该提高丘陵山地耕作装备的自动化及智能化程度，不仅解放操作者的双手，而且提高作业质量。未来可以将GPS 导航技术应用到耕作机械中，对耕作机械的行驶路线进行设定，提高农机田间运行的准确性和工作效率。

丘陵山地地形较平原复杂，多为坡地且地块小，需要高动力性、高通过性、高稳定性、高制动性、高灵活转向、轻量化及绿色化的耕作装备。技术方面，坡道抗倾斜技术、姿态调控技术、液压制动防抱死技术和折腰扭腰转向技术等都是丘陵山地耕作装备需要完善的技术。

4.2 发展建议

以我国丘陵山地耕作装备现状分析为基础，结合当前丘陵山地农业机械化现状，对我国丘陵山地耕作机械化提出几点发展建议。

4.2.1 土地宜机化改造

土地宜机化改造是丘陵山地实现耕作机械化的必经之路。国外丘陵山地占比较大的国家，如日本在20世纪50 年代开始对土地进行大规模宜机化改造后，于20 世纪70 年代后期基本实现农业机械化，日本目前还在深化土地改革。韩国以“新村运动”为契机，开始对农田进行宜机化改革，使得农业机械化快速发展。

在国内，重庆市于2014 年开始土地宜机化改造工作，土地经过宜机化改造后，已经由以前的小块分散变为现在的大块连续，为大中型耕作装备提供了作业空间，耕作机械化水平得到大幅提高。丘陵山地要继续推进土地宜机化改造，发挥耕作机械最大效率、自动化和智能化的优势。

4.2.2 加强基础配套设施建设

考虑到丘陵山地耕作的特殊性，要建设专门的机耕道、卫星定位基站等，满足先进农机技术所需的基础条件，同时，为了规范作业，要加强对耕地资源的统筹规划。为了方便农民能及时地对受损农机进行维修，不耽误农时，要建立专门的农机维修点，还要与农机销售企业和农机生产商协商，建立农机维修售后服务点，解决农民担心购买农机后不能正确使用及遇到故障时不知道怎么维修的问题。

4.2.3 加深耕作方式与农艺融合

丘陵山地土壤黏度大、石块多，不同作物所需的生长环境不同，需要采用不同的耕作方式，选择适合的耕作机械。如对花生播种前的土壤采用旋耕和深耕两种方式对比，试验得出，深耕对于花生的生长发育有促进作用、产量有明显提高；对玉米播种前的土壤采用深松、深耕、浅耕和旋耕4 种耕作方式，试验得出，玉米干物质积累和产量由高到低依次是深松、深耕、浅翻和旋耕。通过上述试验可以看出，针对作物的生长特性选用适合的耕作方式可以提高作物产量。

4.2.4 加速智能化技术与农机融合

将先进的耕作技术与耕作机械融合，智能监测技术应用于耕作机械上，可以实现对耕作状况、耕作面积等实时监控；将GPS、计算机视觉及相关控制等技术运用于耕作机械上，可实现合理规划耕作路线、自动避开障碍物、降低机械故障率。

5 结束语

提高丘陵山地耕作机械化水平，对提高丘陵山地农业生产效率、保障国家粮食安全具有重要意义。丘陵山地耕作机械化距全国平均水平还有差距，虽然现在基本解决了“无机可用”的难题，但是适配丘陵山地耕作的农机还是存在一定缺口。未来我国丘陵地区要继续推进土地宜机化改造、加强基础配套设施建设、加速农机与先进技术的融合。