耕地土壤质量是保证粮食产量和品质的关键因素之一。中国耕地长期高负荷产出,土壤肥力严重下降,土壤侵蚀速度加剧,水土流失面积逐年扩大,粮食产量增长出现瓶颈。保护性耕作是以土壤质量为核心的新型农业耕作制度和技术体系,目标是保护、改善并有效利用自然资源,实现经济、生态、社会意义上的农业可持续生产。残茬地表覆盖还田是保护性耕作技术重要组成部分,具有改良土壤结构,增加有机质含量,提高土壤抗旱、蓄水保墒能力,降低风蚀水蚀,减少化肥、农药施用量等优点。残茬地表覆盖还田核心是技术模式和机具装备。针对黑龙江省特有的寒温带大陆季风性气候特点和规模化、化集约化生产现状,研制一种适合玉米残茬全覆盖条件,配套宽幅原位免耕播种施肥装置实现残茬地表覆盖还田和免耕播种施肥功能的残茬处理装置对于土壤保护和粮食增产至关重要。在黑龙江省垄作玉米残茬全覆盖条件下,以实现高速、宽幅、原位免耕播种,残茬垄间覆盖还田为原则,对侧向多级残茬处理关键技术及装置进行研究,包括秸秆清理技术、根茬清除技术、残茬侧向多级运移技术和残茬破碎抛撒调控技术等,采用理论分析、数学建模、动力学仿真、离散元仿真等方法对残茬处理关键机理进行深入探究,在其基础上采用二次回归正交旋转中心组合试验、正交试验、模糊综合评价等方法对残茬处理装置及关键零部件的结构与工作参数进行优化组合试验,为残茬处理装置设计奠定理论与试验基础。主要研究内容与结果包括:(1)侧向多级残茬处理技术方案设计针对黑龙江省地区春播季玉米残茬全覆盖条件下免耕播种和残茬地表覆盖还田作业,设计一种与宽幅原位免耕播种施肥装置配套的侧向多级残茬处理技术方案,实现垄作玉米茬地的清秸、除茬、残茬侧向运移、残茬适度破碎及整幅宽垄间残茬覆盖还田等功能,为播种装置将种子播种在无残茬、湿润、通透性良好的土壤中创造条件,形成“下实上虚”的种床结构,解决寒区春季玉米残茬全量地表覆盖还田阻碍地温回升,导致作物产量降低问题,并与现有宽幅播种施肥装置配套实现10.8 km/h高速复式作业。(2)定轴式种床构建装置研究设计一种在玉米残茬全覆盖条件下,能够完成清秸、除茬和残茬侧向输送功能的定轴式种床构建装置,探明清秸、除茬机理,对影响工作性能的结构与工作参数进行试验研究。为探索侧向清秸刀对机组作业过程中秸秆缠绕度、振动强度、功耗和覆秸均匀度的影响,对侧向清秸刀清秸机理进行了分析,建立滑切面工作曲线数学模型,完成滑切面工作曲线设计,确定影响侧向清秸刀工作性能的关键结构与工作参数。应用四因素三水平正交试验方法,选取初始半径、起始滑切角、刀辊角速度和机组作业速度为影响因素,秸秆缠绕度、振动强度、当量功耗和覆秸均匀度为评价指标,对影响侧向清秸刀作业性能的结构和工作参数组合进行优化分析,结果表明:初始半径200 mm、起始滑切角30°、刀辊角速度42 rad/s、机组作业速度7.2 km/h条件下,无秸秆缠绕,振动强度为159 m/s~2,当量功耗为4.9 k W,覆秸均匀度为0.075,对比现有侧向清秸刀振动强度降低46.5%,当量功耗降低29.6%,工作过程中未出现堵塞现象;针对原位免耕播种施肥作业过程中残留玉米根茬和须根导致播种施肥触土部件堵塞、播种质量降低问题,设计一种玉米根茬清除用侧向清茬刀,对侧向清茬刀清茬、输送、抛扔等作业过程进行分析,建立正切刃曲线数学模型,完成侧向清茬刀结构及正切刃工作曲线设计,确定影响其作业性能的关键结构与工作参数。应用三因素三水平正交试验和模糊综合评价方法,选取清茬弯角、正切刃宽度、侧向清茬刀角速度为影响因素,根茬清除率、土壤扰动率、当量功耗为性能指标,对影响作业性能的侧向清茬刀结构和工作参数组合进行优化分析,结果表明:在作业速度7.2 km/h条件下,清茬弯角0.86 rad、正切刃宽度50 mm、侧向清茬刀角速度52 rad/s时,根茬清除率为94.3%,土壤扰动率为54.3%,当量功耗为3.4 k W。(3)残茬单级运移机理分析及整流装置研究针对玉米残茬侧向多级运移过程滞留,影响播种施肥区间清秸率,制约机具工作质量和作业效率提升的问题。探明玉米残茬单级运移机理,设计玉米残茬侧向运移整流装置,确定影响整流装置工作性能的关键结构参数。采用二次回归正交旋转中心组合试验方法,在EDEM软件中构建的玉米残茬侧向运移整流装置试验平台上,以进入角、整流包角、整流半径为试验因素,清秸率、行间清秸一致性为性能评价指标进行虚拟仿真参数组合优化试验,结果表明:进入角60°、整流包角105°、整流半径425 mm,此时清秸率为92.4%,行间清秸一致性为93.2%。根据虚拟仿真优化参数组合进行整流装置加工和田间验证试验,清秸率为93.1%,行间清秸一致性为92.5%,与虚拟仿真试验结果基本吻合。(4)基于侧向清秸原理的残茬破碎抛撒装置研究针对玉米残茬侧向多级运移宽幅作业,提出一种玉米残茬适度破碎复合抛撒垄间地表还田方案,设计一种残茬破碎抛撒装置,能够完成玉米残茬的捡拾、破碎、抛撒等作业工序。对残茬捡拾、破碎和抛撒机理进行探究,建立相关数学模型,确定影响残茬捡拾率的主要因素为破碎长刀回转直径和破茬长刀旋转角速度,影响残茬破碎率的主要因素为破碎长刀长度、破碎长刀质量、破碎长刀刃角、破碎长刀刃口厚度、破碎长刀质心位置、刀座回转半径和破碎长刀旋转角速度,影响残茬抛撒的主要因素为破碎长刀回转直径、破茬长刀旋转角速度、负压叶片长度、负压叶片宽度和负压叶片倾角。针对影响残茬破碎性能的关键结构与工作参数进行离散元仿真试验,以破碎长刀刃角、破碎长刀刃口厚度、破碎长刀质量、破碎长刀转速为试验因素,残茬捡拾率、残茬破碎率、功耗为性能评价指标进行组合试验,最优参数组合为:破碎长刀刃角15°～18°、破碎长刀刃口厚度0.51～0.62 mm、破碎长刀质量0.3 kg、破碎长刀转速1415 r/min时,残茬捡拾率大于80%、残茬破碎率大于80%,功耗小于7 k W。采用CFD-DEM耦合仿真方法,对残茬破碎抛撒装置内玉米残茬颗粒群的运动特性进行分析,明晰负压叶片可提高残茬捡拾、输送和抛撒效率,能够实现玉米残茬垄间地表覆盖还田。为探究残茬破碎抛撒装置负压叶片结构参数对残茬捡拾率、垄间覆秸一致性和功耗的影响,采用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,以负压叶片长度、负压叶片宽度、负压叶片倾角为试验因素,残茬捡拾率、垄间覆秸一致性、功耗为性能评价指标进行仿真试验,试验结果表明:负压叶片宽度为27.5～41.0 mm、负压叶片倾角为121°～127°、负压叶片长度为53 mm时,残茬捡拾率大于85%、残垄间覆秸一致性大于75%,功耗小于7.6 k W。(5)残茬覆盖技术对土壤物理结构和产量影响为探究残茬覆盖技术对黑龙江地区耕层土壤结构特性和作物产量的影响,2017～2019年在齐齐哈尔市克山县北联乡新兴村(第三积温带)实施连续3年大田定位对比试验,设置垄间残茬覆盖免耕(MRNT)、秸秆离田免耕(SONT)、秸秆归行免耕(SRNT)、秸秆覆盖条耕(SCST)和翻耙整地(CK)5个处理,分析5种耕作技术模式对土壤容重、土壤孔隙度、土壤有机质含量和作物产量的影响。试验研究表明,对0～25 cm土层土壤容重影响,MRNT、SRNT、SCST之间无显著性差异,与SONT之间均存在显著性差异;对25～50 cm土层土壤容重影响,MRNT、SONT、SRNT之间无显著性差异,与SCST之间均存在显著性差异,MRNT、SONT、SRNT、SCST与CK之间均存在显著性差异;对50～75 cm土层土壤容重影响,MRNT、SONT、SRNT、SCST之间无显著性差异,SONT、SRNT、SCST与CK之间无显著性差异,MRNT与CK之间存在显著性差异。对0～25 cm土层土壤孔隙度的影响,MRNT、SRNT、SCST之间无显著性差异,而与SONT、CK之间均存在显著性差异,SONT与CK之间无显著性差异;对25～75 cm土层土壤孔隙度的影响,MRNT、SONT、SRNT、SCST之间无显著性差异,而与CK之间均存在显著性差异;对0～50 cm土层土壤有机质含量的影响,MRNT、SRNT、SCST之间无显著性差异,而与SONT、CK之间均存在显著性差异,SONT与CK之间无显著性差异;对50～75 cm土层土壤有机质含量的影响,MRNT、SONT、SRNT、SCST、CK之间无显著性差异。各残茬地表覆盖还田耕种模式随耕种年份对0～50 cm土层土壤容重、土壤孔隙度和土壤有机质含量均具有不同程度影响,MRNT和SRNT对改良土壤结构效果较好,MRNT、SRNT、SCST对提高土壤有机质含量效果较好。MRNT、SRNT耕种模式增产效果显著,2017年MRNT、SRNT与SONT、SCST之间均存在显著性差异,MRNT与SRNT之间无显著性差异,MRNT、SRNT比CK玉米产量分别增加12.6%、10.6%;2018年MRNT、SRNT、SCST与SONT、CK之间均存在显著性差异,MRNT、SRNT比CK大豆产量分别增加7.6%、7.2%;2019年MRNT、SRNT与SONT、CK之间均存在显著性差异,MRNT、SRNT比CK玉米产量分别增加9.2%、10.4%。