针对哈萨克斯坦南部灌溉性灰化土的低牵引力旋转条耕与精准播种系统的工程优化与田间验证 作者：Darkhan Karmanov, Askhat Umbetbekov, Zauresh Tulyubaeva, Jenis Utemuratov, Akbota Duisengali, Nurgul Seiitkazy

《AgriEngineering》：Engineering Optimization and Field Validation of a Low-Traction Rotary Strip-Tillage and Precision Seeding System for Irrigated Sierozem Soils of Southern Kazakhstan Darkhan Karmanov, Askhat Umbetbekov, Zauresh Tulyubaeva, Jenis Utemuratov, Akbota Duisengali and Nurgul Seiitkazy

　　摘要：在灌溉农业中，播种前的耕作作业伴随着高能耗以及土壤结构退化的风险增加，尤其是在干旱和半干旱地区的异质壤土中。本研究针对哈萨克斯坦南部灌溉型灰壤土，提出了一种结合了旋耕和精准播种功能的联合农具的工程设计优化及田间验证。研究内容包括土壤与刀片相互作用的分析建模、旋耕刀片几何形状的优化，以及使用实验原型（FS-2.1）进行的对比田间试验。分析优化表明，最佳的刀片安装角度为54–56°，这可使单位切割面积减少约22%。田间试验结果显示，该联合农具能够形成高质量的苗床：85.2%的土壤团聚体直径小于25毫米，表面平整度偏差低于5毫米。与传统多遍耕作技术相比，牵引力、燃料消耗和总能耗分别降低了38%、43%和54.5%。研究结果证实，将优化的旋耕刀片几何形状与条带式土壤扰动方式相结合，可以在不牺牲农艺性能的前提下显著节省能源。所提出的工程解决方案为哈萨克斯坦南部及类似农业生态区域的灌溉农业提供了一种低牵引力、资源高效的耕作-播种系统。

1. 引言
播种前的土壤耕作仍然是全球灌溉作物种植系统中能耗最高、机械冲击最大的作业之一。传统的土壤准备技术通常需要多次连续的田间作业，包括初次耕作、苗床准备、平整和播种。在灌溉条件下，这种多遍作业会加剧土壤压实，破坏土壤结构，并因反复的机械作用而增加燃料和能源消耗[1,2,3]。这些作业的累积影响不仅限于能源效率低下，还会加速土壤结构退化，降低土壤孔隙度，对水分保持和根区通气产生负面影响。在灌溉对稳定作物生产至关重要的干旱和半干旱地区，土壤的机械脆弱性进一步加剧了这些挑战。在哈萨克斯坦南部，灌溉农业中的播种前耕作特征是高能耗和对土壤结构的显著破坏，尤其是在有机质含量较低的土壤中。该地区的土壤类型主要为深栗色土、栗色土、棕色土和灰棕色土，占全国领土的44%，面积约为1.2亿公顷[4]。低腐殖质含量（1.0–2.0%）导致土壤团聚体稳定性差，对高强度机械处理的敏感性增加，因此只有在灌溉条件下并采用节能技术的情况下才能实现有效的作物生产。

在哈萨克斯坦南部（包括突厥斯坦、詹比尔、克孜勒奥尔达和阿拉木图地区），灌溉农业主要在灰壤土上进行，这些土壤通常是空间上异质的土壤镶嵌体，由浅栗色壤土、盐碱土及其他次生土壤类型组成。这种土壤异质性导致物理和机械性质（如容重、凝聚力和抗剪强度）存在较大差异。因此，传统耕作机械在不稳定载荷条件下作业，导致土壤破碎效率低、牵引力过大且能耗增加[3,4,5]。关于这些土壤的结构和农艺物理特性，已有研究在中亚灌溉农业的土壤管理和侵蚀控制系统中进行了描述[4,5]。当全幅耕作在整个田地反复进行时，这些效应尤为明显，因为这会扰动与植物建立无关的土壤体积。

从农艺和工程角度来看，这种情况凸显了一个根本矛盾：现代灌溉农业需要精确且可控的土壤准备，但现有的机械化策略大多基于为非灌溉或结构较为稳定的土壤开发的高能耗方法。因此，挑战不仅在于提高机器性能，还在于重新定义土壤扰动、能源投入与农艺功能之间的相互作用。单次耕作-播种技术被提出作为一种有效手段，旨在减少累积土壤扰动、限制机器通行次数并提高能源效率。先前的研究表明，当土壤准备和播种整合为单一技术操作时，可以降低燃料消耗和运营成本[5,6,7]。然而，许多现有的联合农具是为高功率拖拉机设计的，其工作部件参数主要基于经验选择，不适合中亚灌溉农业系统中的低牵引力条件，在这些系统中，优先考虑的是减少土壤扰动而非最大化生产效率[6,7]。

旋耕工具因其能够生成细小团聚体并形成均匀的土壤结构，而被广泛用于粘性和灌溉土壤中的苗床准备。然而，其能源效率高度依赖于刀片几何形状、安装角度和与土壤的运动学相互作用。早期研究显示，刀片方向和切割轨迹显著影响土壤破坏机制、反作用力和扭矩需求[8,9,10,11]。尽管有这些发现，大多数旋耕工具的设计仍基于经验调整而非分析优化，限制了其对特定土壤环境的适应性。此外，虽然条带式土壤扰动被认为是减少能源消耗和保护土壤结构的有前景策略，但将条带耕作原理与分析优化的旋耕部件相结合的研究尚未得到充分重视。在联合耕作-播种系统中，刀片几何形状、土壤切割力学、局部扰动与系统级能源性能之间的定量关系尚未明确，这阻碍了针对结构韧性较低的灌溉土壤开发可重复的工程解决方案。

本研究的工程贡献在于建立了旋耕刀片几何形状、土壤切割力学与灌溉条件下整体能源性能之间的定量联系。与传统经验方法不同，所提出的方法结合了土壤-工具相互作用的分析建模、工程优化和田间验证。这种整合使得开发的机械化系统不仅在操作上有效，而且从土壤力学和能量传递的角度也具有物理合理性。通过控制条带式土壤扰动和精确定义的刀片几何形状，本研究旨在平衡高质量苗床形成的农艺要求与降低牵引力和能耗的工程目标。这种方法符合全球向保护性和精准耕作发展的趋势，即通过优化土壤-机器相互作用来实现生产力提升，而非增加机械强度。近期研究也证实了在多样化的土壤和气候条件下，资源高效的条带耕作和联合播种系统对可持续农业生产的重要性[12,13,14]。

基于研究发现的空白，本研究的目标是开发并验证一种低牵引力的旋耕-播种联合农具。研究结合了分析建模、旋耕部件的工程优化以及哈萨克斯坦南部灌溉型灰壤土条件下的对比田间评估，最终目标是建立一种可在干旱地区灌溉农业的土壤、气候和动力约束条件下运行的资源高效耕作-播种系统的可重复设计框架。

2. 材料与方法
2.1. 工程概念与原型设计
该联合农具采用系统化的工程设计方法开发，旨在减少灌溉条件下的累积土壤扰动、能源消耗和金属磨损。核心理念是将旋耕和精准播种整合为一次性的条带式作业过程，将强烈的机械作用限制在种子行区域内。最终采用的设计（图1）是一种由PTO驱动的农具。其主要组成部分包括焊接矩形框架（7）、用于动力传输的变速箱（2）、带凹槽的滚筒式精准播种单元（4）和主动旋耕单元（3）。旋耕单元配备两个L形刀片转子，每个转子在指定的条带宽度内工作。转子被保护罩包围。深度控制通过一组测量轮（8）实现，播种后的土壤压实由两个压轮（6）确保。动力通过万向轴（1）从拖拉机的PTO传递到变速箱（2），然后通过链条传动（5）分配给旋耕器和播种计量机构（图1）。

2.2. 实验原型的技术特性
FS-2.1原型按照最终确定的工程文档制造，并配置为适用于哈萨克斯坦南部灌溉农业系统中常用的低牵引力拖拉机（图2）。

2.3. 旋耕刀片几何形状的分析背景与优化
旋耕刀片几何形状的优化基于考虑了灌溉型灰壤土机械性质和旋耕运动学参数的分析模型[6,7]。该分析框架得到了关于旋耕力学和土壤-工具相互作用的研究支持[10,11,12,13]，而原型特定参数则来自FS-2.1农具的实验开发。分析重点在于确定土壤碎屑厚度、单位切割面积和刀片-土壤相互作用顺序。单位切割面积的计算公式为：
\[ \text{单位切割面积} = \frac{\text{刀片宽度} \times \text{耕作深度}}{\text{刀片安装角度}} \]
参数分析表明，增加刀片安装角度（α）会促进切割主导的土壤破坏，从而减少有效切割面积和能源需求。最佳刀片安装角度确定为54–56°，计算结果显示单位切割面积减少了约22%。

2.4. 土壤-刀片相互作用模型与运动学约束
为确保土壤碎屑的稳定破碎并防止其在旋耕滚筒下积聚，对与刀片相互作用的土壤碎屑元素建立了力平衡关系。防止土壤颗粒向前携带的条件基于经典旋耕力学得出的力平衡关系：
\[ \text{力平衡关系} = \frac{f_m \times m \times g \times R^2}{\alpha \times (R - h)} \]
其中：
- \(f_m\)：土壤-刀片摩擦系数
- \(m\)：土壤碎屑元素的质量（kg）
- \(g\)：重力加速度（9.81 m·s?2）
- \(R\)：转子半径（m）

图3显示了作用在土壤碎屑元素上的力。根据此分析，最佳刀片安装角度确定为54–56°，以确保在1.5–3.0 km·h?1的行驶速度下稳定作业。实际上，FS-2.1农具在土壤条件和拖拉机功率允许的情况下可以以更高的速度（最高8 km·h?1）运行。

2.5. 能源需求分解
旋耕农具的总能耗通过基于标准旋耕能量分析方法的部件分解进行计算[1,10]：
\[ \text{总能耗} = \text{土壤切割功率} + \text{土壤抛射功率} - \text{克服阻力的功率} - \text{滚动阻力功率} - \text{传动损失} \]
土壤切割功率的计算公式为：
\[ \text{土壤切割功率} = \frac{\text{土壤切割系数} \times \text{工作宽度} \times \text{耕作深度}}{\text{前进速度}} \]
土壤抛射功率的计算公式为：
\[ \text{土壤抛射功率} = \frac{\text{土壤抛射系数} \times \text{旋转速度}^2 \times \text{质量}}{\text{摩擦系数}} \]

2.6. 实验地点与土壤条件
田间试验在2021年生长季节进行，地点位于哈萨克斯坦南部阿拉木图地区的哈萨克斯坦农业与农村发展研究所（KRIARD）的试验田（北纬43°18′，东经76°54′），海拔约740米。该试验地点代表了哈萨克斯坦南部的灌溉农业系统。试验在灌溉条件下进行，以大豆（Glycine max L.）作为试验作物。试验前的前茬作物为冬小麦。这种轮作方式是哈萨克斯坦南部灌溉农业系统的典型特征。该地区的土壤属于灌溉型灰壤土，以轻质栗色壤土亚型为代表。在测试时，表层土壤（0–0.20米）呈现出播种前的紧实状态。在进行田间实验之前，对土壤的物理性质进行了分析，以确保实验条件的可重复性。土壤样本取自0–0.20米层，并对其含水量、穿透阻力和结构状况进行了分析。这些参数是哈萨克斯坦南部灌溉型灰壤土的典型特征，也与灌溉后常见的紧实土壤状况相符。

2.7 实验设计与测量程序
FS-2.1单次通过（SP）系统的性能与传统多次通过（CP）技术进行了对比，后者包括依次进行的初次耕作、二次土壤准备、表面平整和常规行作物播种。传统多次通过技术包括四个连续的操作步骤：（1）使用犁进行初次耕作；（2）使用旋耕机进行二次土壤准备；（3）使用耙子进行表面平整；（4）使用机械播种机进行常规行作物播种。实验采用了具有四个重复次的随机完全区组设计。每个实验地块代表了相应技术的一次完整操作过程。测量的参数包括牵引力、燃料消耗、总能量输入、土壤团聚体粒径分布、表面平整偏差以及播种深度和间距精度。

2.8 统计分析
所有实验数据均以平均值±标准差（SD）表示。统计分析使用IBM SPSS Statistics 26（IBM公司，美国阿蒙克）进行。实验处理之间的差异通过95%置信水平的一元方差分析（ANOVA）进行评估（p < 0.05）。当检测到统计学上显著的差异时，使用Tukey的HSD事后检验进行成对比较。在分析前验证了正态性和方差齐性假设。实验设计、现场测量和统计处理均遵循哈萨克斯坦及独联体国家采用的农业工程测试方法，包括GOST 20915-2011 [14]（农业机械。田间测试方法）及相关国家标准。

2.9 经济评估
FS-2.1系统的经济性能通过运营成本分析进行评估，包括燃料消耗、劳动力需求、机械折旧和维护成本。根据实验期间的区域市场条件，假设燃料价格为0.85美元/升。机械折旧基于10年使用寿命和每年300公顷的利用率进行计算。成本效益比是指单次通过技术所节省的运营成本与组合机械所需额外资本投资之间的比率。为了提高经济分析的稳健性，还进行了对燃料价格变化的敏感性分析。

3. 结果
3.1 理论验证与设计参数
分析建模确认，优化的旋转刀片几何形状在灌溉型灰壤土条件下确保了稳定的土壤切割并减少了峰值反作用力。从传统的刀片安装角度（40°）转变为优化的54–56°范围后，比切割面积减少了约22%。这种减少促进了以切割为主的土壤破坏方式，限制了刀片与土壤的同时接触，从而降低了扭矩波动。土壤-刀片相互作用模型表明，顺序刀片接触会导致均匀的土壤碎片形成，并沿旋转鼓周均匀传递能量。作用在土壤碎片上的力平衡表明，在优化的刀片角度和操作速度下，重力超过了离心力和摩擦力，防止了土壤被带到旋转鼓下方。这些分析结果为田间实验中观察到的牵引阻力降低和功率需求减少提供了机械基础。本节报告的所有分析结果均与表2中总结的土壤物理条件相符。

3.2 田间性能与土壤苗床质量
以下所有田间性能指标均使用表1中指定的FS-2.1配置获得。稳定的工作深度和没有地下隆起的现象可以归因于该机械的结构布局（图1），该布局将测量轮和条带式旋转单元集成在一个刚性框架内。现场观察确认了操作稳定，没有堵塞、过度振动或土壤在旋转鼓上的堆积（图2）。条带耕作系统实现了0.14 ± 0.01米的均匀工作深度，而传统多次通过系统的深度变化较大（0.15 ± 0.02米）。土壤团聚体分析显示，单次通过系统产生的团聚体中有85.2 ± 2.8%小于25毫米，而传统系统为65.3 ± 3.5%（表3）。FS-2.1系统的表面平整偏差不超过5毫米，而传统处理的偏差为15–25毫米（表3）。这些结果表明，所提出的单次通过技术满足了灌溉条件下播种前苗床准备的农艺要求。

3.3 牵引阻力、燃料消耗和能量输入
FS-2.1系统的测量牵引阻力平均为5.2 ± 0.4千牛，比传统系统（8.4 ± 0.6千牛）减少了38%。这一减少与土壤-刀片相互作用模型预测的力重新分布一致（图3），该模型限制了作用在刀片上的峰值法向力和摩擦力。单次通过系统的特定燃料消耗从传统技术的16.4 ± 1.2千克/公顷降低到9.3 ± 0.8千克/公顷，减少了43%。总能量输入从1275 ± 98兆焦/公顷减少到580 ± 45兆焦/公顷，总体节能了54.5%（表4）。这些结果表明，旋转刀片几何形状的分析优化直接转化为可测量的田间能量效益。

3.4 播种质量、经济性能和可靠性
尽管能源需求大幅减少，FS-2.1系统仍保持了较高的播种质量。种子间距的变异系数（CV）为8.4%，播种深度均匀性达到92.3%。这些数值符合灌溉作物生产条件下精确播种的推荐范围。经济分析显示，在基准燃料价格0.85美元/升的情况下，100公顷灌溉生产系统的成本效益比为1:1.75，回收期不到两年。敏感性分析表明，在燃料价格波动±20%的范围内，成本效益比介于1:1.58到1:1.92之间。同时，回收期仍低于2.3年，证明了系统的经济性能的稳健性[6]。可靠性评估表明，平均故障间隔时间超过180小时，操作可用性系数为0.96（表5）。

3.5 派生能量-质量指标
为了进行跨研究比较，计算了额外的衍生指标。将燃料消耗转换为能量当量（柴油密度0.84千克/升；热值35.8兆焦/升）后，传统系统的燃料能量输入从大约699兆焦/公顷减少到FS-2.1系统的396兆焦/公顷。每1%小于25毫米的土壤团聚体的能量强度从19.53兆焦/公顷%降低到6.81兆焦/公顷%，提高了约65%。综合质量-能量指数提高了约2.9倍，表明优化后的单次通过系统在苗床质量和能量输入之间取得了显著平衡。

4. 讨论
本研究的结果表明，牵引阻力、燃料消耗和总能量输入的减少主要是由于旋转耕作系统的结构和运动学优化，而不是技术过程的简化。换句话说，这种改进是通过更合理的机械能转化为有效的土壤破碎实现的，而不是通过降低功能来实现的。这一区别很重要，因为它表明可以在不牺牲农艺质量的情况下实现节能，从而解决了土壤耕作工程中的一个长期矛盾。由于刀片安装几何形状的优化而导致的比切割面积的分析减少，为田间观察到的能量改进提供了物理上的解释。经典旋转耕作理论将土壤破坏描述为压缩变形、剪切位移和拉伸断裂的结合。当刀片几何形状与土壤机械性质不匹配时，大部分施加的能量会以非生产性的变形和重复切割已经扰动的材料的形式耗散。相比之下，本研究中的优化配置促进了一种受控的切割机制，最小化了多余的变形。在土壤-工具相互作用的理论分析和实验研究中都报告了类似的刀片几何形状与土壤阻力之间的关系[11]，但这些关系很少被转化为组合耕作-播种机械的设计方法。比切割面积大约22%的减少从根本上改变了主导的土壤破坏机制，从以压缩为主转变为以切割为主。这一转变有几个机械上的意义：首先，它减少了作用在单个刀片上的峰值反作用力，从而降低了牵引力要求；其次，它限制了刀片沿转子周长的同时接触，使负载更均匀地分布，稳定了扭矩需求；第三，它减少了土壤在旋转鼓下堆积和二次压实的可能性。因此，分析预测与田间测量结果的一致性验证了在灌溉型灰壤土条件下提出的土壤-刀片相互作用模型的有效性。这种一致性尤为重要，因为它表明预测性工程方法可以成功捕捉到结构薄弱、异质土壤的行为，这些土壤通常被认为难以建模。这种验证增强了使用分析工具指导土壤作业机械设计的信心，减少了对经验性试错方法的依赖。

与之前报道的组合耕作-播种系统相比，后者通常只能实现20–40%的节能[1]，FS-2.1系统观察到的总能量输入减少代表了显著的改进。这种性能提升归因于两个工程原理的协同作用：首先是将强烈的土壤扰动限制在与作物行对齐的离散条带上，从而将处理土壤体积限制在直接参与植物建立的区域内；其次是基于土壤机械行为的刀片几何形状的分析优化，而不是基于经验调整。虽然这两种方法都是独立研究的，但它们的结合产生了累积效应，放大了能源效率的提升。基于条带的扰动已被证明可以减少能源消耗并减轻土壤退化，同时保持农艺功能[3,10]。在本研究中，这一概念进一步得到扩展，表明条带耕作的有效性在很大程度上取决于条带内的土壤切割机制。如果没有优化的刀片几何形状，局部扰动仍可能导致能源传递效率低下。因此，结果表明，空间选择性和机械优化必须共同考虑，而不能作为孤立的设计策略。该系统在灌溉型灰壤土中的有效性尤其值得注意。这些土壤的特点是腐殖质含量低、团聚作用弱，在反复全宽耕作时容易发生再压实。传统方法通常通过在整个田地施加均匀的机械处理来加剧这些限制。通过减少扰动土壤体积并限制根区外的负载，所提出的系统减轻了二次压实效应，同时保持了有利的苗床条件。这一观察结果与全球范围内朝着保护和精准耕作策略发展的趋势一致，这些策略旨在将农业生产与资源消耗脱钩[1,11]。从工程设计的角度来看，这些发现强调了将分析建模整合到机械开发工作流程中的重要性。力平衡计算、功率分解和现场测量结果之间的对应关系证实了预测性工程框架可以显著提高机器效率。类似的方法在改进旋转工具设计和组合耕作系统方面也已被证明有效[2,9]。因此，这里提出的方法可以通过重新校准几何和运动学参数，适用于不同的土壤质地、水分条件和拖拉机功率等级。操作可行性还得到了经济和可靠性指标的支持。有利的成本效益比和高操作可用性表明，该系统适合商业化应用，而不仅仅是一个实验原型。这一方面对于灌溉农业尤为重要，因为在那些燃料成本高、拖拉机动力有限以及需要可持续土壤管理的地区，机械化选择受到诸多限制。降低能源需求与保持稳定的农艺性能相结合，为耕作技术的现代化提供了一条实际可行的路径，而无需大幅增加资本投入。然而，也应认识到本研究的几个局限性。田间实验是在一个生长季节内、在一个实验地点进行的。尽管所得结果能够代表哈萨克斯坦南部灌溉性灰壤土的特性，但为了验证在不同气候条件、土壤湿度状况和作物轮作下的效果稳定性，还需要进行多季节、多地点的实验。因此，未来的研究应包括在不同灌溉区域进行的长期田间试验，以评估所提出技术在更广泛的农业生态条件下的稳定性。这样的研究将有助于进一步完善系统的工程参数，并对其农艺和能源性能进行更全面的评估。

5. 结论

本研究开发并验证了一种适用于哈萨克斯坦南部灌溉性灰壤土的低牵引力组合耕作工具，该工具集成了单次通过旋转条带耕作和精准播种功能。研究结合了土壤与刀片相互作用的分析建模、工程优化以及田间规模验证。主要结论如下：

- 通过对旋转刀片几何形状的分析优化，确定了最佳安装角度为54-56°，从而将单位切割面积减少了约22%，并使得土壤破坏方式向切割主导型转变。
- 田间验证表明，与传统的多次通过技术相比，这种优化后的单次通过系统将牵引阻力降低了38%，燃料消耗减少了43%，总能耗降低了54.5%。
- 在灌溉条件下，种子床质量和播种性能得到了保持或改善，表现为细颗粒比例高、表面不平整度小以及种子放置精确。
- 运营和经济指标证实了FS-2.1系统的实际可行性，包括良好的成本效益比、较短的回收期以及高运行可靠性。
- 基于条带的土壤扰动方式与分析优化的旋转工作部件的结合，为设计低牵引力、资源高效的耕作-播种系统提供了一个可复制的工程框架。

总体而言，所提出的方法表明，在不牺牲农艺性能的前提下，可以实现能源需求的显著降低。这些发现有助于推进灌溉农业的可持续机械化战略，并可适用于其他具有类似土壤和动力限制的地区。