设施农业就地翻土犁研究现状与展望

李祈康，宋昕烔，王丽娟，杨书博，刘 鹏，王辉岩

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255022）

1 研究背景及意义

设施农业是综合工程、环境、生物等技术，在人为可控的环境下，为动植物提供最适宜生长条件以达到高效生产的一种现代农业方式，现已成为农产品打破传统季节性，实现反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法[1]。

近年来，我国设施农业发展迅速，2023 年全国设施农业总面积已达285万hm2（其中设施蔬菜占比81%），而非耕地资源中也还有100万～133万hm2可开发用作设施农业。我国设施农业的面积已占世界设施农业总面积的80%以上。尽管在规模和产出上已很大，但设施内的机械化作业水平非常低，不足10%。大多数作业仍是手工操作，工作效率低、劳动强度大，严重制约着农业机械化发展的整体水平[2]。耕整地是设施农业作物栽培过程中重要的一环，是作物生产的基础，是恢复和提高土壤肥力的重要措施。目前设施农业中耕整地机械化的水平相对于非设施农业整体较低，主要体现在设施农业专用耕作机械种类偏少，不能够满足多种耕作作业的要求。在设施农业中的耕整作业大多采用旋耕法，其耕翻深度只能达到10～15 cm，难以达到深耕深翻。长此以往，土表杂草不能深埋、腐烂，且土壤易形成坚实的犁底层，耕作层变浅，导致保墒性、透气性差，肥力下降，不利于蔬菜的根系生长。同时，人们为了便于蔬菜等农产品的销售流通，长期采用重茬种植，导致病菌孳生[3]。若土地长期不进行深翻，土壤深层的虫卵不易死亡，最后会引发大面积的病虫害，从而影响作物的产量和质量。铧式犁可以达到深翻的作用，但传统铧式犁耕作时将土垡翻向犁沟一侧，使得耕作完成后留一条沟壑。留沟现象在广袤的农田里不会对整体的作业产生太大的影响，但在温室大棚，尤其是有立柱的设施大棚中，沟壑的出现将会极大地影响土地平整性，甚至会危及大棚稳定性[6]。由于没有适合设施农业的深耕机具，多数地区仍延续着人力用铁锨完成深翻作业。因此，急需一种既能实现就地深翻又使土垡无侧移的新型犁[1]。

2 犁的设计发展现状

2.1 常规犁的设计进展

随着犁体设计技术的不断发展，目前已有许多学者采用大型三维曲面造型软件或FEM软件来进行犁体表面的设计与受力分析，与传统的研究方法相比，该方法更加方便、经济、降低了实验费用。对于LEMKRN犁，赵永满等[4]借助Pro/E软件，应用水平直元线三维参数化设计犁体曲面的方法，并利用其设计了相关的犁体曲面，实现了犁体表面的参数化设计，从而有效地提高了犁体的设计效率。徐锐良等[5]以BTU35 犁体为基础，结合水平直元法用Solidwork建立了基于5种不同导曲线犁体，并利用ANSYS 对这几种犁体进行显示动力学分析，得到各自耕作阻力。张娟等[6]通过UG软件对犁体表面进行了模拟，从而为犁体的设计提供了一种新的方法。Ahmadi等[7]设计了一种计算模型，可以通过输入土壤参数，犁的设计参数，工况等得出铧式犁牵引所需的牵引力以及功率，并评估了其计算精度。Tarverdyan等[8]以铧式犁为例，建立分析犁体与土垡间相互运动的运动学分析理论，得出铧式犁的表面方程。张青松等[9]为了减小犁体带来的牵引阻力，开展以铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角等为试验因素的试验，构建了犁体曲面优化模型。并采用3D打印机对犁体曲面进行了试制加工。在设计方面，国外先进的三维造型软件（例如：Solid-Works，CATIA，UG，Pro/E）等）为犁体表面的造型提供了一种新的工具，这对优化犁体表面的参数具有很大的帮助。

2.2 设施农业翻土犁研究现状

在犁体设计理论上，以往的耕作方式主要依赖于传统的耕作理论。由于耕作土壤种类繁多，耕作条件变化多样，土壤形态各异，土壤的容重、含水量、坚实度等指标对耕作阻力、土壤黏附等因素的影响很大。在犁体的数学描述中，需要从曲元线的角度到犁体的曲面设计，运用各种数学分析的方法来表示犁体表面的数学模型。但迄今为止，关于犁体表面的数学模型并没有统一的、通用性的表述，而犁体表面参数的选择也多是由经验决定，缺乏精确的理论计算。在犁体设计与农艺结合方面，缺少相关的研究和理论支持。

近年来，针对设施农业中深翻土地的耕作需求，国内学者开展了设施农业就地翻土犁体设计与仿真研究。宋发成等[10]利用TRIZ理论对铧式犁进行创新设计，合犁体曲面设计方法提出了一种就地翻土犁土垡无侧移的设计方案成功解决了铧式犁土垡侧移的问题，利用Geomagic DesignX 软件进行了犁体曲面的三维建模，提出了一种能够使得土垡无侧移的就地翻土犁具体设计方案，完成了仿真分析，为后续实机的制造奠定了基础。于圣洁[11]等人在前人的基础上设计了一款新式犁体，基于翻土曲元法对就地翻土犁进行正向设计，得到一种翻垡后土垡无侧移且无犁沟的就地翻土犁体曲面，利用EDEM离散元软件对所设计的就地翻土犁进行了仿真试验，在实验中得出了犁体耕作效果较好，正常工作阻力约为1 200 N的结论。

综上所述，当前国内设施农业就地翻土犁的研究主要集中在犁体结构设计与仿真分析领域。学者们通过设计新式犁体、采用TRIZ理论、建立田间耕作试验平台等方法，得出有效的耕作方案。未来，国内研究将更注重优化犁具结构以提高耕作效率，并开展多种设施农业耕作环境下的田间试验来验证新型犁体的实用性。

3 设施农业就地翻土犁存在的问题与建议

由于多年的经验和方法论，犁体曲面的设计参数积累了大量的经验资料，使犁体表面的技术达到了一个固定的成熟度，目前犁耕的效果比较稳定。这就导致犁耕技术的发展被忽视，在基础理论和技术上的投入很少，耕地工艺过程理论和技术还未形成系统性的成果。犁体结构的配置、配套拖拉机的结构尺寸、动力大小、悬挂方式、限深方法、犁体的安装角度、高度与间距等因素都会对作业过程产生影响，因此在研究过程中要从整体操作流程出发，进行更加科学、合理的深入研究。

同时，在就地翻土犁具体应用过程中，由于存在着地理损耗问题[13]（设施农业就地翻土犁的连续全面深翻，土壤结构松散，土壤垂直性减弱）、生态平衡问题（翻地育秧时，翻耕深度越深，生态系统稳定性下降就越快，对生态环境的损害也越大，特别是灌溉农业区域，水质的变化会带来更加重要的影响）和机械设备的问题（犁刀的设计和材质限制了机械犁的坚固性、切割性，使其运行表现不佳。如遇到故障和损坏会产生昂贵的维修费用甚至生产设备的停滞），我们需要对设施农业就地翻土犁进行改进，提高它的生产效率和资源利用率，建议采取如下措施。

从犁体设计源头改进。犁体曲面的设计是一个复杂的多因素混合的系统，其曲面的科学设计应综合考虑犁耕前土壤状态、犁耕后土壤状态、犁体实际运动工况、犁体曲面几何形状、土壤最终状态等五个因素，确定能合理地表示各种因素的参数，并确定出一套科学、合理的数学模型及参数方程。建议利用CAD技术建立合理的犁体结构，采用平面-土壤-复合耕作模式，建立一个智能化、数字化、可视化的犁体曲面设计平台[13]。

合理选择翻地方式，优化土壤结构。应该进行土地调查，分析土地的特性差异，根据差异性采取不同的土壤改良措施和施肥措施。例如在贫瘠的地区使用基于生物技术的行动定向改造方法，添加适当的生物肥料和复合肥等。应该采用深耕浅播、中耕浅播等耕作方式，控制翻耕深度。这可以避免土壤和生态环境的过度破坏。

选择高质量的机械设备。选择优质的犁刀进行生产，可以使用生活垃圾、矿渣等复合材料，实现犁刀的高质量制造。制造和优化特殊材料犁刀，会使农业生产在物质优化和积极性方面变得比较活跃，避免农民手工劳动的 严重缺陷。

综上所述，由于现有的研究还未达到常规农业耕作工具的水平，亟待进一步的研发和优化。未来可以从以下方面展开研究：首先，针对就地翻土犁在设施农业中的实际应用情况，进一步完善其设计和仿真模型，以提高其耕作效率和减少对土壤的损伤。其次，可以利用新材料和新工艺来设计和制造就地翻土犁，进一步提高其性能和耐用度。最后，可以结合人工智能和大数据技术，研究就地翻土犁的智能化控制并优化耕作路径，实现设施农业的智能化生产。