大豆玉米帶狀復(fù)合種植全程機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備*

齊彥棟，金誠(chéng)謙，劉崗微，楊騰祥

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

大豆玉米帶狀復(fù)合種植能夠協(xié)調(diào)大豆、玉米相互爭(zhēng)地的矛盾[1-3]。2011年被列為農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)化實(shí)用技術(shù)，2019年遴選為國(guó)家大豆振興計(jì)劃重點(diǎn)推廣技術(shù)，2020年中央一號(hào)文件指出“加大對(duì)玉米、大豆間作新農(nóng)藝推廣的支持力度”，2021年《“十四五”全國(guó)種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確將大豆玉米帶狀復(fù)合種植列為東北、黃淮海等地區(qū)大豆擴(kuò)面增產(chǎn)的主推技術(shù)，2022年中央一號(hào)文件指出黃淮海、西北、西南推廣大豆玉米帶狀復(fù)合種植[4]。2022年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布了《大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》[5]，為各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門(mén)提供參考。各省市也陸續(xù)發(fā)布針對(duì)各地區(qū)的玉米大豆帶狀復(fù)合種植指導(dǎo)意見(jiàn)與機(jī)具推薦目錄，推動(dòng)大豆玉米帶狀復(fù)合種植的發(fā)展推廣。2022年全國(guó)16省市將推廣玉米大豆帶狀復(fù)合種植1 033 khm2，到2025年，全國(guó)預(yù)計(jì)推廣面積3 333 khm2[6]，大豆玉米帶狀復(fù)合種植發(fā)展前景廣闊。本文闡述大豆玉米帶狀復(fù)合種植全程機(jī)械化技術(shù)研究進(jìn)展，介紹耕播、田間管理、收獲的關(guān)鍵技術(shù)和現(xiàn)有裝備，探究大豆玉米帶狀復(fù)合種植全程機(jī)械化發(fā)展方向。

1 大豆、玉米在我國(guó)種植發(fā)展現(xiàn)狀

大豆是我國(guó)重要的糧食和油料作物，2021年我國(guó)大豆播種面積為8 400 khm2，產(chǎn)量為16 400 kt[7]。2020年我國(guó)大豆需求量達(dá)119 849.5 kt，目前我國(guó)大豆進(jìn)口依賴嚴(yán)重，2020年我國(guó)大豆消費(fèi)量中，進(jìn)口大豆占比為83.7%，國(guó)產(chǎn)大豆占比僅為16.3%，對(duì)我國(guó)糧食安全造成較大的隱患[8]。我國(guó)自2019年開(kāi)始實(shí)施國(guó)產(chǎn)大豆振興計(jì)劃，2022年啟動(dòng)國(guó)家大豆和油料產(chǎn)能提升工程，提高大豆產(chǎn)能。玉米是我國(guó)的主要糧食作物，2021年我國(guó)玉米播種面積達(dá)43 324.1 khm2，產(chǎn)量達(dá)272 552 kt，2021年我國(guó)玉米產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的39.91%。大豆與玉米主產(chǎn)區(qū)相同，生長(zhǎng)期重合，二者存在嚴(yán)重的爭(zhēng)地現(xiàn)象。玉米單產(chǎn)高，大豆單產(chǎn)低，大豆種植經(jīng)濟(jì)效益較低，農(nóng)民種植大豆積極性不高，導(dǎo)致我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。

大豆玉米復(fù)合種植技術(shù)是保證玉米基本不減產(chǎn)、增加大豆產(chǎn)量的有效途徑。該種植模式可以充分發(fā)揮大豆根瘤固氮作用，提高土壤肥力，同時(shí)充分利用作物邊行優(yōu)勢(shì)，提高土地利用率，實(shí)現(xiàn)大豆玉米雙高收益，有效保證糧油種植效能最大化，緩解我國(guó)糧油爭(zhēng)地矛盾。

2 大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)提出的要求

農(nóng)藝方面，大豆玉米帶狀復(fù)合種植需要根據(jù)資源條件、種植熟制、水肥條件等選擇適宜的品種，玉米選用高產(chǎn)、適宜密植和機(jī)械化收獲的高產(chǎn)品種，大豆選擇耐蔭、耐密、抗倒品種。大豆玉米帶狀復(fù)合種植的群體產(chǎn)量主要取決于玉米的單產(chǎn)，為提高玉豆套作體系的總產(chǎn)量和總產(chǎn)值、確保經(jīng)濟(jì)效益，一般將大豆和玉米進(jìn)行密植[9-13]，具體播種時(shí)間需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、前茬作物收獲時(shí)間和效益目標(biāo)確定。

大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)以“選配良種、擴(kuò)間增光、縮株保密”為核心，以“減量一體化施肥、化控抗倒、綠色防控”配套[14]，與農(nóng)藝措施復(fù)雜而不統(tǒng)一的傳統(tǒng)套種模式有明顯的區(qū)別，但大豆和玉米兩種作物共生時(shí)間上的差別帶來(lái)了種植模式的差異，現(xiàn)有種植模式有“2(玉米)+3(大豆)”“2+4”“3+4”“4+4”“4+6”等模式，不同的模式需要播種、收獲機(jī)械配置不同作業(yè)幅寬，對(duì)作業(yè)機(jī)械的通用性、可調(diào)整性提出了較高的要求；北方、黃淮、南方的土壤、前茬秸稈條件差異較大，種床創(chuàng)制技術(shù)有差異；擴(kuò)間增光與縮株保密需要考慮什么樣的株行距能夠穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，也需要考慮什么樣的株行距適合機(jī)械化作業(yè)；在農(nóng)藝上為保證兩種作物的正常生長(zhǎng)，大豆玉米施肥用藥要分開(kāi)，在機(jī)械技術(shù)上需要考慮如何實(shí)現(xiàn)差異化精準(zhǔn)施肥施藥。

大豆玉米帶狀復(fù)合種植的全程機(jī)械化是指在大豆、玉米播種、植保、收獲等生產(chǎn)全過(guò)程中實(shí)施機(jī)械化作業(yè)，節(jié)省人力資源、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量。隨著勞動(dòng)力減少與土地流轉(zhuǎn)進(jìn)程加快，大豆玉米帶狀復(fù)合種植必須實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。探究大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)與裝備對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要的推動(dòng)作用[2, 15]?，F(xiàn)階段已經(jīng)攻克部分達(dá)到大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝要求的關(guān)鍵技術(shù)，研制出了合適的耕種管收作業(yè)機(jī)具，推動(dòng)了大豆玉米帶狀復(fù)合種植的發(fā)展。農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)高度融合、研究出合理的機(jī)械作業(yè)工藝、研制出可靠高效的作業(yè)機(jī)具、實(shí)現(xiàn)高效與高產(chǎn)的統(tǒng)一仍然是現(xiàn)階段主要研究方向。

3 耕播關(guān)鍵技術(shù)與裝備

3.1 大豆玉米帶狀復(fù)合種植對(duì)耕播的具體要求

大豆玉米帶狀復(fù)合種植株距較小且要求嚴(yán)格，現(xiàn)有排種器株距難以精確調(diào)控，且高速播種時(shí)，漏種率較高，難以滿足帶狀復(fù)合種植的要求。另外復(fù)合種植大豆植株行距小，免耕播種行間易擁堵，對(duì)種床的創(chuàng)制與播種機(jī)秸稈防堵技術(shù)有一定的要求；而玉米密植后對(duì)肥料的需求加大，目前的凈作播種機(jī)排肥量不夠，需要對(duì)肥箱和排肥機(jī)構(gòu)改進(jìn)。

3.2 耕播關(guān)鍵技術(shù)研究

3.2.1 耕整地關(guān)鍵技術(shù)

大豆玉米帶狀復(fù)合種植大豆、玉米同時(shí)播種，種床條件需要同時(shí)滿足大豆、玉米要求。播種株行距要求嚴(yán)格，現(xiàn)有播種機(jī)排種器多以地輪驅(qū)動(dòng)，為保證株距合格率，要求種床較為平整。采用保護(hù)性耕作技術(shù)可以減少種床受到風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤抗旱能力和肥力[16]，可用于大豆玉米帶狀復(fù)合種植，我國(guó)主要采取的保護(hù)性耕作措施有留茬壟作少免耕、留茬覆蓋少免耕、坡耕地免耕溝播、秸稈還田少免耕并進(jìn)行適時(shí)深松作業(yè)[17]。張祥彩等[18]探究了滑動(dòng)式開(kāi)溝器刃口厚度、刃口曲線、入土隙角和入土角對(duì)種床土壤容重、土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體、土壤擾動(dòng)量和表層秸稈擾動(dòng)量的影響，為創(chuàng)造適宜種床環(huán)境條件的滑動(dòng)式開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。周華等[19]設(shè)計(jì)了秸稈還田深松旋埋聯(lián)合耕整地機(jī)，集土壤深松、破茬碎土、秸稈旋埋、平地等功能于一體，耕后地表平整度為1.0 cm，滿足農(nóng)藝要求。趙淑紅等[20]采用離散元軟件模擬深松鏟鏟尖在土壤中的運(yùn)動(dòng)，獲得土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合曲線，將曲線優(yōu)化作為鏟柄外形曲線，試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的深松鏟土壤擾動(dòng)量小，耕作阻力小。

3.2.2 小株距精密播種技術(shù)

大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝要求大豆株距7～12 cm，玉米株距8～14 cm，需要適當(dāng)增加排種器轉(zhuǎn)速保證株距，而排種器轉(zhuǎn)速的提高會(huì)導(dǎo)致排種質(zhì)量不穩(wěn)定。為提高排種器性能，王奇等[21]探究了指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動(dòng)特性對(duì)排種性能的影響，為免耕播種機(jī)指夾式排種器性能的提高提供了參考。陳玉龍等[22]為滿足大豆高速精密播種作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種凸勺式排種器(圖1)，播種速度為6～12 km/h時(shí)的粒距合格率高于93%，漏播率低于3%，滿足播種機(jī)高速精密作業(yè)的要求，但株距合格率有待進(jìn)一步提高。基于GPS測(cè)速的電驅(qū)式精量播種機(jī)可以較好地實(shí)現(xiàn)高速精量播種，排種盤(pán)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠根據(jù)播種機(jī)前進(jìn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器反饋實(shí)現(xiàn)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，提高作業(yè)質(zhì)量，試驗(yàn)表明，基于GPS測(cè)速的電驅(qū)式精量播種機(jī)播種粒距合格率和粒距變異系數(shù)均優(yōu)于機(jī)械式播種機(jī)，更適合高速作業(yè)工況[23]。氣力式排種器使用氣流作用充種、清種或攜種，對(duì)種子的大小和形狀適應(yīng)性較強(qiáng)，相比機(jī)械式排種器更容易實(shí)現(xiàn)高速、精密播種[24]。氣流還可以用于輔助投種，王云霞等[25]設(shè)計(jì)了一種適用于氣流輔助高速投種的精量播種機(jī)壓種裝置，配合壓種輪與土壤雙向擠壓作用實(shí)現(xiàn)種子的精確定位，能夠顯著減少種子的落地彈跳，增加株距合格率。

圖1 凸勺式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的研究與應(yīng)用，播種機(jī)機(jī)具逐步向智能化方向發(fā)展，播種測(cè)控技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)播種質(zhì)量得到很大提升[26]。黃東巖等[27]設(shè)計(jì)了基于壓電薄膜的播種機(jī)排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，紀(jì)超等[28]設(shè)計(jì)了基于反射式紅外光電傳感器的播種機(jī)排種檢測(cè)系統(tǒng)，二者均可實(shí)現(xiàn)免耕精量播種機(jī)排種質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)裝置識(shí)別到漏播時(shí)，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)種可以顯著提高播種粒距的一致性，趙淑紅等[29]設(shè)計(jì)了玉米勺式排種器變速補(bǔ)種系統(tǒng)，使用光電傳感器在出種口提前檢測(cè)，漏播發(fā)生時(shí)由步進(jìn)電機(jī)改變排種器轉(zhuǎn)速，越過(guò)空種槽達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)種的目的，但在高速播種的工況下，補(bǔ)種效果不顯著。吳南等[30]建立了補(bǔ)種機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)了補(bǔ)種控制算法，當(dāng)檢測(cè)到漏播時(shí)，計(jì)算補(bǔ)種籽粒與上一籽粒之間的距離，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)漏播補(bǔ)種，田間試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)免耕播種合格率均值為98.72%，有效提高了播種質(zhì)量。

3.2.3 大豆玉米播種分控技術(shù)

大豆、玉米同時(shí)播種，但株行距不同、施用化肥不同，需要分別控制大豆玉米的株行距、播種深度、施肥種類與施肥量。現(xiàn)有機(jī)具進(jìn)行大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種時(shí)存在播種機(jī)部件和參數(shù)調(diào)整困難、播種效果差、綜合效益低的問(wèn)題。任領(lǐng)等[31]結(jié)合整機(jī)驅(qū)動(dòng)和仿形播種單體的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大豆玉米帶狀復(fù)合種植專用精量播種機(jī)，可通過(guò)播種單體的控制手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)大豆玉米復(fù)合播種株距、播深和施肥量的精確分控。根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植的間作模式，播種機(jī)也分為“2+4”“4+4”等不同的大豆玉米播種單體的組合，播種時(shí)應(yīng)按照實(shí)際需要選用不同的播種機(jī)具。

3.2.4 玉米大排量施肥技術(shù)

玉米施肥機(jī)需要采用大排量排肥技術(shù)，目前可以采用增加肥箱容積的方法，使用兩個(gè)或多個(gè)排肥器給一行玉米施肥。張繼成等[32]設(shè)計(jì)了基于增量式PID算法的多種固體肥精確施控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三種固體肥的適時(shí)快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)精量排出，為多排肥器的設(shè)計(jì)提供參考。張季琴等[33]設(shè)計(jì)了排肥單體獨(dú)立控制的變量施肥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各行的獨(dú)立作業(yè)，作業(yè)幅寬可調(diào)，提高了變量施肥機(jī)對(duì)田間復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，為施肥獨(dú)立作業(yè)單體控制設(shè)計(jì)提供了參考。

3.2.5 秸稈防堵技術(shù)

大豆玉米帶狀復(fù)合種植大豆行距30 cm，玉米行距40 cm，大豆玉米行間距60 cm，與普通凈作相比行距縮小25%～50%，播種作業(yè)時(shí)排種管更容易擁堵雜草、秸稈、根茬等，在黃淮海一年兩熟夏播地區(qū)尤為嚴(yán)重。良好的防堵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)免耕播種、提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，現(xiàn)階段播種機(jī)防堵主要采用切茬式、分秸式、破茬式、碎秸式、拋秸式五種防堵方法，但分別存在通用型差、可靠性不高等問(wèn)題[34]。王韋韋等[35]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式秸稈移位防堵裝置，使用旋轉(zhuǎn)立式刀片將待播區(qū)地表秸稈移出，實(shí)現(xiàn)待播區(qū)地表平整無(wú)秸稈。姚文燕等[36]基于旋耕防堵理論設(shè)計(jì)了一種淺旋條帶對(duì)行主動(dòng)式防堵裝置，使用旋耕刀將秸稈切碎、拋灑，試驗(yàn)表明，秸稈清潔率為91.85%，可以滿足高速作業(yè)需求。顧峰瑋等[37]提出“潔區(qū)播種”的思路，將待播區(qū)內(nèi)地表的秸稈進(jìn)行粉碎，并撿拾收集，經(jīng)提升后向后端拋灑，苗床整理、施肥播種可以在相對(duì)清潔的土地上進(jìn)行，隨后被拋灑的秸稈均勻覆蓋于播種后的地面上，滿足全秸稈覆蓋地免耕播種大豆玉米的需求。

3.2.6 均勻接行技術(shù)

大豆玉米帶狀復(fù)合種植對(duì)播種作業(yè)直線度要求較高，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)可用于播種機(jī)具的輔助駕駛，提高播種機(jī)直線行駛和交接行的精度，減輕機(jī)手的勞動(dòng)強(qiáng)度[38]，其關(guān)鍵技術(shù)包括定位測(cè)姿技術(shù)、路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制等，已經(jīng)逐漸成為新的研究熱點(diǎn)[39]。定位測(cè)姿技術(shù)包括基于RTK-GPS的位置測(cè)量方法、基于機(jī)器視覺(jué)的位置測(cè)量方法和基于多傳感器的位置測(cè)量方法[40]，現(xiàn)階段多使用RTK-GPS、機(jī)器視覺(jué)和多傳感器融合的方法進(jìn)行測(cè)姿定位，以得到更好的測(cè)量結(jié)果。在路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制方面，王輝等[41]采用預(yù)瞄追蹤輔助直線引導(dǎo)農(nóng)機(jī)快速穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃路徑，在顛簸不平的旱地路面直線路徑跟蹤誤差絕對(duì)值的平均值為1 cm。白曉平等[42]對(duì)傳統(tǒng)二輪車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建模方法進(jìn)行改進(jìn)，采用加入側(cè)偏角的方法優(yōu)化農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模過(guò)程，試驗(yàn)表明，優(yōu)化模型設(shè)計(jì)的路徑跟蹤控制器對(duì)直線路徑跟蹤有一定的提升，對(duì)曲線跟蹤精度有較大的提升。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電動(dòng)方向盤(pán)與電控液壓閥轉(zhuǎn)向[43-44]。

3.3 現(xiàn)有耕播裝備

大豆玉米帶狀復(fù)合種植耕整地模式與傳統(tǒng)耕整地模式相近，傳統(tǒng)耕整地機(jī)具可以滿足大豆玉米帶狀復(fù)合種植的耕作要求。西北地區(qū)常用的機(jī)具有聯(lián)合整地機(jī)、桿齒式深松機(jī)與全方位深松機(jī)，黃淮地區(qū)可以直接使用免耕播種機(jī)進(jìn)行播種，但需要解決秸稈堵塞問(wèn)題，通常是在機(jī)具開(kāi)溝前增加撥草輪或者切茬刀來(lái)解決此類問(wèn)題。對(duì)于普通耕整地模式，西北地區(qū)一般采用深松、旋耕、翻地、耙地等組合方式進(jìn)行整地，主要機(jī)具有復(fù)式犁、螺旋形犁、心土混層犁、聯(lián)合整地機(jī)、桿齒深松機(jī)、全方位整地機(jī)等耕整地機(jī)械，黃淮地區(qū)主要使用圓盤(pán)耙或者釘齒耙對(duì)前茬作物進(jìn)行滅茬處理，西南和長(zhǎng)江中下游地區(qū)通常使用旋耕機(jī)在播種前進(jìn)行淺旋耕作。耕整地機(jī)具生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)不同的作業(yè)要求組合多種作業(yè)部件，實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量的提高。

針對(duì)不同的大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式，各企業(yè)與科研院所設(shè)計(jì)制造的復(fù)式播種機(jī)已經(jīng)投入使用。河北某公司生產(chǎn)的2BFYD-2/4型、2BFYDM-2/4型大豆玉米密植分控施肥播種機(jī)，分別適用于前茬秸稈較多的黃淮海地區(qū)和地表秸稈少、地面平整的東北、西北地區(qū)；河南某公司生產(chǎn)的大豆玉米帶狀復(fù)合免耕播種機(jī)系列包含“2+4模式”“4+4模式”“4+6模式”，作業(yè)速度可達(dá)8 km/h，株距可調(diào)，排肥量增加75～375 kg/hm2，作業(yè)效率可以達(dá)到8 hm2/天；黑龍江某公司生產(chǎn)的2BQYT-4/2型，2BQYT-3/2型一體化精量播種機(jī)，作業(yè)速度最大8 km/h，行距、株距可調(diào)，玉米大豆施肥分控，并具備排種施肥監(jiān)控功能。

4 田間管理關(guān)鍵技術(shù)與裝備

4.1 大豆玉米帶狀復(fù)合種植對(duì)田間管理的具體要求

大豆玉米帶狀復(fù)合種植田間管理主要包括雜草防除、病蟲(chóng)防治、化學(xué)控旺、水肥管理等。在雜草防除方面，播種前可以使用無(wú)人機(jī)或者噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行田間的全封閉除草。出苗后，由于玉米大豆分屬單、雙子葉作物，根據(jù)除草劑的除草機(jī)理，不能同期同田全覆蓋除草，這是大豆玉米帶狀復(fù)合種植植保難題。另外病蟲(chóng)防治和化學(xué)控旺也需要分別根據(jù)大豆、玉米不同的生長(zhǎng)階段和實(shí)際生長(zhǎng)情況選擇相應(yīng)的藥劑獨(dú)立噴施。

4.2 田間管理關(guān)鍵技術(shù)研究

4.2.1 雙噴霧系統(tǒng)分帶定向施藥技術(shù)

大豆和玉米需要噴施的農(nóng)藥種類不同，因此需要使用相互獨(dú)立的雙噴霧系統(tǒng)對(duì)大豆玉米同時(shí)施藥。佘鴻飛等[45]設(shè)計(jì)了用于棉花落葉催熟劑噴灑的雙藥液雙管路噴霧機(jī)，并投入實(shí)際生產(chǎn)使用，提高了藥液的使用效率降低了農(nóng)藥污染，可為分帶定向施藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。尚增強(qiáng)[46]針對(duì)大豆玉米帶狀復(fù)合種植的需要設(shè)計(jì)了小型電動(dòng)自走式分帶噴桿噴霧機(jī)(圖2)，該系統(tǒng)包括大豆藥箱、玉米藥箱、雙隔膜泵、藥液管路、多路控制閥和防飄移噴頭等。噴霧過(guò)程中，大豆、玉米不同農(nóng)藥分別經(jīng)隔膜泵加壓后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)管路系統(tǒng)，通過(guò)多路控制閥，經(jīng)噴頭霧化后沉積于靶標(biāo)葉面，實(shí)現(xiàn)分帶定向施藥。為防止藥液飄移產(chǎn)生藥害，在不同苗帶之間加裝防飄移隔簾或隔板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以有效防止藥液飄移。

圖2 雙噴霧供藥系統(tǒng)

4.2.2 自適應(yīng)噴桿調(diào)節(jié)技術(shù)

帶狀復(fù)合種植不同種植模式的大豆、玉米行數(shù)與行距各不相同，對(duì)輪式植保機(jī)通用性要求較高，可將植保機(jī)噴桿設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)部件，噴頭掛架使用螺栓緊固，可以在需要時(shí)方便快速地調(diào)節(jié)噴頭高度與間隔。大豆和玉米高度相差較大，施藥時(shí)噴桿過(guò)高會(huì)導(dǎo)致對(duì)大豆的噴施效果較差，過(guò)低則可能碰撞玉米植株，Wang等[47]設(shè)計(jì)了基于生長(zhǎng)期識(shí)別的棉花精準(zhǔn)施藥技術(shù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)棉花生長(zhǎng)期判斷，根據(jù)生長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)藥液的精準(zhǔn)噴灑操作，為噴霧機(jī)根據(jù)不同作物行與生長(zhǎng)狀況調(diào)整噴桿高度提供參考。徐晶[48]設(shè)計(jì)了基于作物冠層高度的噴桿高度調(diào)節(jié)與自適應(yīng)系統(tǒng)，使用超聲波傳感器測(cè)量作物冠層高度，設(shè)計(jì)了噴桿位姿測(cè)量與控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)節(jié)后實(shí)際高度與設(shè)定高度最大誤差為14 mm。大田作業(yè)田間地表凹凸不平，大型噴桿噴霧機(jī)在作業(yè)過(guò)程中車(chē)輛發(fā)生傾斜時(shí)噴桿可能會(huì)與作物發(fā)生碰撞，影響噴藥均勻性甚至發(fā)生安全事故，印祥等[49]設(shè)計(jì)的高地隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，作業(yè)實(shí)時(shí)調(diào)整噴桿水平角度并使之保持在±1°以內(nèi)，滿足噴桿自動(dòng)調(diào)平控制要求。

4.2.3 植保機(jī)輪距調(diào)節(jié)技術(shù)

針對(duì)不同行距下高地隙噴桿噴霧機(jī)田間行走困難的問(wèn)題，竇玲靜[50]設(shè)計(jì)了自走式噴霧機(jī)輪距可調(diào)式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為液壓缸驅(qū)動(dòng)的空間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)獲得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，為高地隙植保機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。季位文[51]對(duì)植保機(jī)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了輪距調(diào)節(jié)裝置，增加了輪距調(diào)節(jié)的精度，為高地隙植保機(jī)可調(diào)節(jié)底盤(pán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

4.2.4 防飄移噴霧技術(shù)

大豆玉米帶狀復(fù)合種植對(duì)藥液偏移較為敏感，除了加裝物理隔離簾，對(duì)防飄移噴霧技術(shù)的研究同樣重要。在大田情況下進(jìn)行農(nóng)藥噴施，自然風(fēng)是影響噴施效果的主要因素，苑進(jìn)等[52]考慮自然風(fēng)影響，對(duì)氣輔式噴霧霧滴飄移特性進(jìn)行建模，為噴霧主動(dòng)控制系統(tǒng)提供了控制模型和決策依據(jù)。靜電噴霧技術(shù)可以減少大田噴霧作業(yè)的農(nóng)藥稀釋用水量，解決傳統(tǒng)噴頭藥液霧滴分布不均和葉片背面沉積量不足的問(wèn)題，馬旭等[53]將靜電噴霧噴頭與噴桿噴霧技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)得到最優(yōu)的噴霧參數(shù)，為靜電噴霧技術(shù)在大型噴桿噴霧機(jī)上的應(yīng)用提供參考。對(duì)靶施藥技術(shù)可以進(jìn)一步減少農(nóng)藥的使用量，采用基于LiDAR和機(jī)器視覺(jué)的作物識(shí)別方法[54-55]，通過(guò)控制施藥部件，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶施藥，為精準(zhǔn)施藥提供了新思路。汪閃閃[56]通過(guò)流體仿真方法對(duì)霧化噴頭的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為氣助式變幅噴頭的設(shè)計(jì)提供了參考。植保無(wú)人機(jī)噴施的霧滴除受到自然風(fēng)影響之外還受到自身旋翼風(fēng)的影響，為提高植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，劉道奇等[57]通過(guò)試驗(yàn)建立了植保無(wú)人機(jī)飛行速度、飛行高度、噴霧壓力和噴霧均勻性關(guān)系模型，對(duì)多旋翼無(wú)人植保機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。噴嘴是植保噴霧機(jī)上的關(guān)鍵部件，何勇等[58]在總結(jié)各類植保無(wú)人機(jī)常用噴嘴的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合的基礎(chǔ)上，提出了噴嘴性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析當(dāng)前植保無(wú)人機(jī)在發(fā)展中需要解決的問(wèn)題并提出建議，為植保無(wú)人機(jī)噴嘴的發(fā)展提供思路。

4.3 現(xiàn)有田間管理裝備

針對(duì)不同復(fù)合種植地區(qū)不同種植模式，可采用不同的植保機(jī)具。3WPZ-1200型高地隙分帶噴桿噴霧機(jī)適合于較大地塊“2+5”“2+6”模式的施藥，藥箱容積1 200 L，作業(yè)幅寬10 m，作業(yè)速度最大8 km/h。3WPZ-200型小型擺桿式分帶噴桿噴霧機(jī)可實(shí)現(xiàn)小地塊的分帶植保，藥箱容積200 L，作業(yè)幅寬2 m。變幅植保無(wú)人機(jī)通過(guò)改變噴頭角度實(shí)現(xiàn)變噴幅施藥，可以單獨(dú)對(duì)玉米行或者大豆行進(jìn)行植保作業(yè)，適應(yīng)多種種植模式。

5 收獲關(guān)鍵技術(shù)與裝備

5.1 大豆玉米帶狀復(fù)合種植對(duì)收獲的具體要求

由于大豆玉米成熟順序不同，收獲模式分為異機(jī)分時(shí)間段收獲、異機(jī)同時(shí)間段一前一后收獲、異機(jī)同時(shí)間段跨帶收獲和同機(jī)同時(shí)間段收獲，其中異機(jī)分時(shí)間段收獲包括先收玉米和先收大豆兩種作業(yè)模式，同機(jī)同時(shí)間段收獲包括大豆玉米青貯收獲、同一機(jī)體更換割臺(tái)收獲籽粒、大豆籽粒玉米果穗同時(shí)收獲、大豆籽粒玉米籽粒同時(shí)收獲。由于大豆在收獲期易炸莢，為減少損失，收獲時(shí)應(yīng)考慮優(yōu)先收獲大豆，在分時(shí)間段收獲時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制收獲機(jī)械機(jī)身寬度及割臺(tái)幅寬，減少對(duì)未收作物的碰撞。先收作物需要根據(jù)種植模式的不同選用相應(yīng)幅寬的收割機(jī)收獲，以免對(duì)未收作物造成減產(chǎn)。同時(shí)間段一前一后收獲對(duì)幅寬要求不高，可以使用現(xiàn)有收割機(jī)，但可能由于種植帶較窄造成收割機(jī)割幅不滿，機(jī)具利用率較低。

5.2 收獲關(guān)鍵技術(shù)研究

5.2.1 密植玉米低損摘穗技術(shù)

玉米摘穗收獲過(guò)程中存在籽粒損失高、破碎率高、果穗啃傷嚴(yán)重的問(wèn)題，為提高玉米果穗收獲機(jī)的收獲質(zhì)量，程修沛等[59]設(shè)計(jì)了上拉莖掰穗機(jī)構(gòu)，陳美舟等[60]設(shè)計(jì)了仿生手掰穗式摘穗機(jī)構(gòu)，有效避免了果穗的損傷，為低損傷玉米收獲提供參考。耿端陽(yáng)等[61]設(shè)計(jì)了間隙定位加持輸送裝置，解決了立輥式玉米收獲機(jī)莖稈輸送裝置堵塞的問(wèn)題，提高了立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)的穩(wěn)定性。

5.2.2 玉米低損低破碎脫粒技術(shù)

在玉米籽粒聯(lián)合收割機(jī)方面，玉米籽粒收獲一次性完成果穗摘取、脫粒清選等工序，收獲效率高，成本低，但是容易導(dǎo)致籽粒損傷破皮、籽粒損失等問(wèn)題。玉米低損低破碎脫粒技術(shù)是解決玉米脫粒過(guò)程中的籽粒損傷與損失的關(guān)鍵技術(shù)。耿端陽(yáng)等[62]設(shè)計(jì)了橫軸流式玉米柔性脫粒滾筒，采用柔性釘齒和彈性短紋桿組成的柔性脫粒滾筒可以減小脫粒元件與果穗之間的剛性沖擊，從而有效降低脫粒過(guò)程中的未脫凈率，降低籽粒損傷。王鎮(zhèn)東等[63]設(shè)計(jì)了一種變徑脫粒滾筒，將滾筒前端直徑漸變?cè)龃?，后端與脫粒分離段等徑，減少了脫粒元件與果穗之間的直接接觸，使果穗之間的接觸揉搓作用更強(qiáng)，降低了籽粒的破碎。為降低籽粒清選損失率和含雜率，程超等[64]建立籽粒含雜率和損失率的回歸模型并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)較優(yōu)水平區(qū)間為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～1 000 r/min，振動(dòng)頻率6～8 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度15～25 mm。王立軍等[65-66]對(duì)清選篩篩體結(jié)構(gòu)和清選氣流場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到最佳的篩孔長(zhǎng)度21.68 mm，篩孔高度10.86 mm，篩孔縱向間距55.04 mm，此時(shí)振動(dòng)篩的篩分效率達(dá)到89.91%，籽粒清潔率達(dá)到97.28%，當(dāng)清選裝置入風(fēng)口氣流速度16 m/s，氣流角25°，階梯高度8.36 mm，振動(dòng)頻率4.45 Hz時(shí)，清潔率可提高到99.16%。

5.2.3 大豆低損割臺(tái)技術(shù)

由于大豆結(jié)莢低，且易炸莢，研究大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)仿形技術(shù)具有重要意義。Ni等[67]研究分析了土壤與收獲機(jī)仿形機(jī)構(gòu)的相互作用機(jī)理，建立了仿形機(jī)構(gòu)受力與土壤下陷關(guān)系模型及角度傳感器檢測(cè)角度與仿形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的關(guān)系模型，設(shè)計(jì)了割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，割茬平均高度與設(shè)定值的相對(duì)誤差小于2 mm，實(shí)現(xiàn)了割臺(tái)對(duì)地仿形功能。金誠(chéng)謙等[68]采用MBD-DEM耦合的方法設(shè)計(jì)了一種主—副板壓緊式割臺(tái)仿形機(jī)構(gòu)，提高了仿形機(jī)構(gòu)對(duì)田間地形變化感知的靈敏度，為聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)的仿形系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。另外，使用柔性撥禾板可以有效降低撥禾輪對(duì)大豆植株的打擊，勻流輸送割臺(tái)可以解決莖稈在割臺(tái)上的擁堵問(wèn)題[69]，降低大豆炸莢、飛濺等割臺(tái)損失。

5.2.4 大豆低破碎柔性脫粒技術(shù)與高效清選技術(shù)

我國(guó)的大豆機(jī)械收獲相較于小麥水稻等作物存在破碎、含雜及損失較多的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，金誠(chéng)謙等[70]通過(guò)試驗(yàn)探究了不同脫粒滾筒結(jié)構(gòu)形式對(duì)大豆機(jī)收質(zhì)量的影響，探索了不同含水率下最佳的脫粒參數(shù)匹配，為谷物收獲機(jī)滾筒設(shè)計(jì)提供參考。錢(qián)震杰等[71]通過(guò)研究柔性脫粒齒桿與谷物含摩擦打擊動(dòng)力學(xué)，為柔性脫粒齒桿設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。劉鵬等[72]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比常規(guī)魚(yú)鱗篩、加長(zhǎng)魚(yú)鱗篩、線性魚(yú)眼篩、錯(cuò)位魚(yú)眼篩、貝殼篩、網(wǎng)篩、圓孔篩、六棱孔篩、魚(yú)鱗尾篩、柵格尾篩分別作為上篩、下篩和尾篩的不同組合形式對(duì)清選效果的影響，為大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選篩的研發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。金誠(chéng)謙等[73]進(jìn)行了大豆聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)作業(yè)參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)得出大豆聯(lián)合收獲機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度6 km/h、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導(dǎo)流板角度26°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 260 r/min、分風(fēng)板角度11.5°、上篩前部開(kāi)度19 mm、上篩后部開(kāi)度11 mm，此時(shí)損失率為0.24%，破碎率為0.90%，含雜率為0.14%。

5.2.5 大豆低破碎籽粒輸送技術(shù)

聯(lián)合收獲機(jī)螺旋輸送器對(duì)大豆籽粒有搓擦擠壓作用，造成了大豆籽粒破碎率高的問(wèn)題，郭飛揚(yáng)等[74]設(shè)計(jì)了大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧裝置，有效解決了卸糧過(guò)程中螺旋輸送器對(duì)大豆造成擠壓損傷的問(wèn)題，可以滿足大豆聯(lián)合收獲機(jī)的卸糧要求。隨后對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速、卸糧軟管內(nèi)徑、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為因素，以破碎率、卸糧效率為指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得到最優(yōu)的氣力卸糧工作參數(shù)為葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 166 r/min，軟管內(nèi)徑100 mm，此時(shí)破碎率為1.49%，卸糧效率為1.3 L/s，降低了卸糧過(guò)程對(duì)大豆籽粒的損傷。

5.2.6 大豆收獲質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)

聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量在線檢測(cè)可以為收獲部件的參數(shù)調(diào)整提供反饋，但現(xiàn)階段大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量在線檢測(cè)手段缺乏。陳滿等[75]以聯(lián)合收獲機(jī)收獲的大豆樣本為研究對(duì)象，建立基于高光譜的大豆含雜率反演模型，該模型具有較強(qiáng)的擬合效果和預(yù)測(cè)能力，為大豆機(jī)械化作業(yè)含雜率的在線快速檢測(cè)提供了新途徑。陳滿等[76]提出了基于機(jī)器視覺(jué)的谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線破碎率、含雜率的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了大豆機(jī)械化收獲質(zhì)量在線可視化檢測(cè)與報(bào)警，為大豆聯(lián)合收獲機(jī)的參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制策略提供技術(shù)支持。

5.3 現(xiàn)有收獲裝備

針對(duì)大豆先收的收獲模式，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所和企業(yè)聯(lián)合研制了4LZ-1.5、4LZ-2.0型大豆聯(lián)合收獲機(jī)，有效割幅1.5 m、2 m，適合帶狀復(fù)合種植的窄行大豆收割。針對(duì)玉米先收的作業(yè)模式，張敏[77]、李景斌[78]分別設(shè)計(jì)了高地隙玉米收獲機(jī)，加高收獲機(jī)底盤(pán)，割臺(tái)分布在左右兩側(cè)，可以跨大豆帶收獲玉米，而不影響大豆作物。異機(jī)同步收獲可以使用當(dāng)?shù)爻墒斓恼惺斋@機(jī)具進(jìn)行。

6 展望

大豆玉米帶狀復(fù)合種植實(shí)現(xiàn)了玉米基本不減產(chǎn)的情況下增收一季大豆，提高了農(nóng)民的收入水平，推動(dòng)了大豆玉米的協(xié)調(diào)發(fā)展。加強(qiáng)大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝農(nóng)機(jī)基礎(chǔ)研究，探索不同地區(qū)農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合的技術(shù)模式，形成全程機(jī)械化方案，推廣有利于機(jī)械化作業(yè)規(guī)范的種植模式，提高自主創(chuàng)新能力和技術(shù)儲(chǔ)備水平，是實(shí)現(xiàn)大豆玉米帶狀復(fù)合種植高效生產(chǎn)的必然選擇。

1) 加強(qiáng)理論研究，促進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝進(jìn)一步融合。在農(nóng)藝方面，高產(chǎn)與宜機(jī)化作業(yè)綜合考慮，制定相應(yīng)的行距、株距、行數(shù)比例、帶寬、帶間距等農(nóng)藝規(guī)范；在農(nóng)機(jī)方面需要進(jìn)一步研發(fā)適應(yīng)大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝要求的裝備，提高機(jī)具通過(guò)性與作業(yè)性能，實(shí)現(xiàn)耕、種、管、收全程機(jī)械化作業(yè)。

2) 加強(qiáng)裝備創(chuàng)新，研發(fā)大豆、玉米一體化作業(yè)機(jī)具。現(xiàn)階段大豆玉米帶狀復(fù)合種植的專用機(jī)具較少，機(jī)械裝備大多基于已有的裝備改裝而來(lái)，雖然可以達(dá)到作業(yè)要求，但還有較大的改進(jìn)空間。應(yīng)依據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植特點(diǎn)，開(kāi)展專用機(jī)具研發(fā)，突破聯(lián)合播種、植保、收獲關(guān)鍵技術(shù)與裝備，研發(fā)一體化播種機(jī)、植保機(jī)與收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)大豆、玉米同步播種、植保與收獲作業(yè)。

3) 提高機(jī)具智能化水平，提升機(jī)具適應(yīng)性。在大豆、玉米帶狀復(fù)合種植模式下，導(dǎo)航與輔助駕駛技術(shù)、對(duì)行技術(shù)、仿形技術(shù)、作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)等智能化技術(shù)，可以提升作業(yè)機(jī)具對(duì)環(huán)境與種植模式的適應(yīng)性，提升作業(yè)質(zhì)量，提高作業(yè)效率。