摘要：传统秸秆还田作业中秸秆粉碎质量不佳、旋耕深度不均等问题普遍存在，导致耕层土壤孔隙结构不合理，表层孔隙>30%易漏水漏肥，耕层20—30cm孔隙<15%阻碍根系下扎，进而影响小麦出苗与产量。在分析秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机刀具参数不合理导致土壤孔隙度欠佳原因的基础上，提出了刀具参数优化设计方案，可有效改善耕层土壤孔隙分布，为小麦高产栽培创造良好条件。

　　关键词：秸秆粉碎还田；旋耕联合作业；刀具参数优化；耕层土壤孔隙度；小麦种植

　　秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机是实现秸秆资源高效利用和小麦播种前整地的核心农艺装备，对提升作业效率具有重要作用。当前该类联合作业机在实际作业时由于刀具参数设计未充分考虑小麦主产区的土壤特性，导致秸秆粉碎不均，进而造成耕层土壤孔隙度分布不合理，最终影响小麦出苗率和产量。因此，研究秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机刀具参数的优化设计，以改善小麦耕层土壤孔隙度结构显得特别关键。

　　1.秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机作业后土壤孔隙度欠佳原因分析

　　1.1刀具参数与土壤特性适配性不足

　　不同小麦主产区土壤类型物理特性差异显著，若刀具参数设计未结合目标土壤特性优化则难以获得理想孔隙结构。刀片间距和旋耕刀排列密度固定，不能适应不同质地土壤对秸秆粉碎细度和土壤破碎程度的需求，在黏重土壤中，间距过小或排列过密易导致刀片粘土、秸秆缠绕、功耗激增，同时土壤被过度剪切破坏团聚体结构；而在轻质壤土中，间距过大或排列过疏则导致秸秆粉碎长度超标、漏切率高，且土壤破碎不足、深层土块大。同时刃口角度选择不当，在黏土中角度过小加剧粘土堵塞，角度过大则切削效率低下；在壤土中角度过大会加速刀片磨损。旋耕深度调节范围不足或不稳定时，当耕层目标深度变化时作业深度达不到或超出要求，直接导致目标耕层孔隙度不达标或过度疏松[1]。

　　1.2刀具材料与结构设计不合理

　　刀具材料特性与结构对作业效果和土壤扰动影响很大。粉碎刀片或旋耕刀若选用耐磨性和韧性不足的材料，易在作业过程中崩刃或卷刃，导致秸秆粉碎长度不均、切削土壤能力下降，影响土壤破碎均匀性和孔隙分布。如果刀具结构设计不合理，与土壤接触时入土性能差、切削阻力大，不仅能耗高，而且对土壤的扰动模式不合理，难以形成“上虚下实”的孔隙结构，可能出现表层土壤被反复切削过于粉细、深层土壤疏松不足的问题。在土壤湿度较高条件下作业，传统结构刀具粘土严重，作业质量急剧下降，土壤孔隙结构难以保障。

　　1.3作业部件协同运作不足

　　作业后土壤孔隙度欠佳的一个重要诱因是动力传动与调节系统的协同误差。传动系统动力传递若有波动或滞后，粉碎刀辊转速、旋耕刀辊转速与机器前进速度三者之间的匹配关系就容易错位，机器前进太快而粉碎或旋耕深度未达要求时，秸秆掩埋率低、破碎不充分，旋耕层浅且不均；若机器前进太慢停留过久，同一区域土壤被反复切削碾压，导致土壤结构破坏、容重增大。并且当耕深调节机构精度不够或反馈不及时的时候，作业深度波动大，导致预设耕层内的孔隙度控制目标难以稳定实现，影响小麦根系生长环境[2]。

　　2.秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机刀具参数优化设计

　　2.1基于土壤力学特性的刀具切削参数优化

　　土壤的剪切强度、黏聚力和内摩擦角等力学特性决定了其受刀具切削作用时的土壤破碎模式与孔隙形成。摩尔-库伦强度理论指出土壤破碎程度和孔隙结构受刀具切削角度、入土深度、前进速度以及土壤自身力学参数共同影响。建立刀具-土壤相互作用模型能把切削过程中土壤受力状态、破碎区范围和预期孔隙结构量化。离散元法（DEM）仿真分析显示，当旋耕刀刃口作用于土壤35°、-45°特定切削角度和速度比下，能在目标耕层形成更均匀的破碎区和连通性良好的孔隙网络，避免过大土块或过细粉末。当切削应力超过土壤临界破碎强度时，理想团粒结构破坏风险增大，因此需优化刀具前进速度与转速比，并依据土壤湿度实时调整。在黏土中，需增大刀片间距并采用更大刃口角度配合较高转速（如280 r/min）；在壤土中，可采用较小间距和适中角度及转速。土壤破碎与孔隙度预测数学模型可表示如下：

　　f=K（刃口角度，刀片间距，转速/前进速度，土壤含水率，土壤黏聚力）

　　式中：K为经验系数。公式预测不同刀具参数组合下土壤破碎效果和孔隙度指标，指导刀具结构与运动参数优化[3]。

　　2.2秸秆粉碎长度控制与旋耕掺混效果协同

　　秸秆粉碎长度及其在耕层中的分布均匀性是影响土壤有机质转化、孔隙结构稳定性和水分保蓄能力的关键因素。粉碎刀片的结构参数和运动参数直接影响秸秆的受冲击能量和断裂模式。能量转化分析表明，粉碎过程涉及秸秆的冲击、剪切和撕裂等多种断裂方式。建立秸秆本构模型发现，当刀片线速度低于临界值时，秸秆易发生塑性变形而非脆性断裂，导致粉碎长度超标。刀具系统优化需配置合理的刀片线速度和刀片间距，并依据秸秆含水率进行调整。同时，粉碎刀辊与旋耕刀辊的垂直间距和转速匹配至关重要，确保粉碎后的秸秆能及时、均匀地落入旋耕刀运动区域，被有效切削掺混入土。田间实测数据表明，优化后的间距和转速比能将耕层内秸秆分布均匀性系数提升至0.85以上，避免秸秆集中影响局部孔隙度和播种[4]。秸秆掺混均匀性与能耗关系数学模型如下：

　　η∝（刀辊间距，转速比）/E（能耗）

　　式中：η为掺混均匀性；E为能耗。公式量化秸秆掺混效果与能耗的平衡，为参数设定提供依据。

　　2.3耕层孔隙度分布优化设计

　　旋耕作业的目标是在垂直剖面上形成“上虚下实”的土壤孔隙结构。依据土壤孔隙分级理论和根系生长需求，需通过旋耕刀排列、弯折角度差异和耕深精准控制的协同设计来实现土壤分层扰动。力学分析表明，刀辊上不同位置的刀具对土壤的作用深度和扰动强度不同。建立旋耕刀空间运动轨迹模型，优化排列方式与相位差，能实现在一次作业中分层疏松土壤。实验结果显示，采用“上疏下密、上翘下弯”的刀具配置，配合精确的耕深控制，能将目标耕层20—30 cm的孔隙度从优化前的18%显著提升至26±2%，同时表层0—10 cm孔隙度控制在25%—30%的理想范围，避免过度松散。耕层土壤孔隙度纵向分布目标函数可表示如下：

　　Ptarget(Z)=az+bz

　　式中：Ptarget(Z)是深度z处的目标孔隙度；a,b为根据土壤类型和小麦需求设定的系数。通过优化刀具参数组合，可使实测土壤孔隙度Pmeasured(Z)逼近Ptarget(Z)[4]。

　　3.总结

　　研究提出了基于土壤力学、秸秆粉碎动力学和耕层结构目标的三维优化方案，通过建立土壤破碎与孔隙度预测模型、秸秆掺混效果能耗方程和耕层孔隙分布目标函数，系统解决秸秆粉碎还田联合作业中存在的粉碎质量差、耕深不稳、孔隙结构不合理等问题。同时，秸秆粉碎还田与旋耕联合作业机通过优化刀具参数可显著提升作业质量，改善小麦耕层土壤孔隙环境，为小麦高产稳产提供有效的机械化整地技术支撑。

　　参考文献：

　　[1]陈如雪,孙丽芳,张芯源,等.秸秆还田与微生物菌剂配施对冬小麦旗叶碳氮代谢及产量形成的影响[J].作物学报,2025,51(7):1901-1913.

　　[2]石梦迪,于乔乔,蒋文月,等.带旋和全旋耕作对稻茬小麦生长和土壤理化性质的影响[J].农业工程学报,2023,39(8):65-75.

　　[3]赵鹏飞,巨晓腾,杨鹏琨,等.肥管前置式小麦宽苗带旋耕施肥播种机设计与试验[J].农业工程学报,2024,40(20):12.

　　[4]王晶,孙松青,李雪,等.秸秆不同还田方式对轮作小麦—玉米产量,土壤养分及蔗糖酶活性的影响[J].江苏农业科学,2023,51(4):85-90.