Research status and prospects of mechanization technology for rice in hilly and mountainous areas
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摘要:
作为丘陵山地种植历史最久、种植面积最广、产量最高的农作物，水稻耕种收综合机械化水平的提升对于推进整个丘陵山地农业机械化全程全面高质量发展意义重大。该文以丘陵山地水稻机械化关键技术为“切口”，在梳理国内丘陵山地的特征与丘陵山地水稻机械化发展现状的基础上，围绕水稻耕、种、收等主要环节的生产机械化开展技术前沿与态势分析，剖析国内外水稻机械化技术装备研发差距，提出不同环节下国内丘陵山地水稻机械化发展面临的挑战，并展望未来丘陵山地水稻机械化发展态势，以期为推动水稻全程全域生产机械化水平提升、补齐丘陵山地农机化发展短板、建设现代农业强国提供新思路、新方向。研究表明：1）2022年国内丘陵山地水稻耕种收综合机械化率为80.8%，并且在不同的环节间、地区间发展不平衡不充分；2）与先进国家相比，国内的水稻耕种收机械研发与应用起步较晚、基础不牢、产品的综合性能不高，特别是针对丘陵山地的轻量、高效、高稳定性的水稻耕种收机械相对匮乏，发动机高功率低排放设计制造技术、刀具抗损降耗优化设计技术、车架轻量化设计技术等关键技术仍有待进一步攻克；3）轻量化、智能化、绿色化等是未来国内丘陵山地水稻生产作业装备发展方向与趋势。
Abstract:As the crop with the longest planting history, widest planting area, and highest yield in hilly and mountainous areas, the improvement of the comprehensive mechanization level of rice cultivation and harvesting is of great significance for promoting the comprehensive and high-quality development of agricultural mechanization throughout the entire hilly and mountainous area. This study takes the key technology of rice mechanization in hilly and mountainous areas as the incision, and based on the characteristics of hilly and mountainous areas in China and the current development status of rice mechanization in hilly and mountainous areas, conducts a technological frontier and trend analysis around the production mechanization of rice tillage, planting, harvesting and other main links, analyzes the gap in research and development of rice mechanization technology and equipment at home and abroad, explores the challenges faced by the development of rice mechanization in hilly and mountainous areas in China under different links, and looks forward to the future development trend of rice mechanization in hilly and mountainous areas, in order to provide new ideas and directions for promoting the overall mechanization level of rice production, filling the gaps in the development of agricultural mechanization in hilly and mountainous areas, and building up China's strength in agriculture. This study proposes that, the comprehensive mechanization rate of rice cultivation and harvesting in hilly and mountainous areas of China in 2022 is 80.8%, and the development is unbalanced and insufficient among different links and regions; Compared with advanced countries, the research and application of rice cultivation and harvesting machinery in China started relatively late, with a weak foundation and low comprehensive performance of products. Especially, there is a relative shortage of lightweight, efficient, and highly stable rice cultivation and harvesting machinery for hilly and mountainous areas. Key technologies such as engine high-power low emission design and manufacturing technology, tool wear resistance and consumption reduction optimization design technology, and frame lightweight design technology still need to be further overcome; Lightweight, intelligent, and green technologies are the future directions and trends for the development of rice production equipment in hilly and mountainous areas of China.
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0. 引 言
受耕地条件、耕作制度、社会经济发展等多重因素影响，与中国东北、新疆等平原地区农业生产的高度机械化、智能化、无人化程度相比，国内丘陵山地农业机械化程度较低，部分地势复杂的地区依然存在有机难用、无好机用现象，部分农业生产环节的农机装备仅仅实现了对畜力的替代，人力劳动作业强度依然较大、作业条件依然艰苦，严重影响了农业农村现代化整体进程。近年来，政府也高度重视丘陵山地农机化发展，2004年6月国家出台《中华人民共和国农业机械化促进法》，首次明确提出要“加强丘陵山区农机化发展”；农业农村部、工业和信息化部、国家发展改革委、财政部等相关部委也相继颁布《丘陵山区农田宜机化改造工作指引》《“十四五”全国农业机械化发展规划》《关于在若干省份开展“一大一小”农机装备研发制造推广应用先导区建设的通知》等系列政策，重点探索丘陵山地适用小型机械研发制造、熟化定型、推广应用三位一体的新机制、新模式，着力解决丘陵山地农业机械化滞后问题。同时还相继建设了丘陵山地农业装备技术重点实验室、东南丘陵山地农业装备重点实验室、丘陵山区耕作机械重点实验室、农业环境工程与智能化装备重点实验室等国家重点实验室，培育了雷沃、沃得、中联重工等国产农机品牌，支持丘陵山地农业机械化发展。但总体而言，国内自主研发制造的农机装备以大型、高速农机装备为主，主要面向大规模、集约化生产的平原地区，不适宜田块细碎、泥泞、陡坡的丘陵山地，如何破解国内丘陵山地农业机械化问题是当前政府关心的焦点、热点问题。
水稻是国内丘陵山地种植历史最久、种植面积最广、产量最高的农作物，选择丘陵山地水稻机械化技术与装备开展研究具有较高的普适性、典型性、可推广性。水稻的耕种收机械化技术在平原地区已经得到了广泛应用，并积累了丰富的经验，能够为丘陵山地水稻机械化技术与装备的研究提供较好的对比参照与借鉴。鉴于农作物耕种收综合机械化率是衡量农业机械化发展水平的主要指标[1]，本文围绕丘陵山地水稻耕、播、收三个主要环节开展深入研究，以丘陵山地水稻机械化关键技术为“切口”，在梳理丘陵山地的特征与丘陵山地水稻机械化发展现状的基础上，围绕水稻耕整、种植、收获等主要生产环节的机械化开展技术前沿与态势分析，剖析国内外水稻机械化技术装备研发差距，分析不同生产环节的丘陵山地水稻机械化发展面临的挑战，并展望未来丘陵山地水稻机械化发展态势，以期为推动水稻全程全域生产机械化水平提升、补齐丘陵山地农机化发展短板、建设现代农业强国提供新思路、新方向。
1. 国内丘陵山地水稻机械化发展现状分析
1.1 国内丘陵山地的战略地位与耕地特征
国内丘陵山地面积占国土面积的比例超过60%[2]，具体省份包括广东（60.96%）、湖北（61.03%）、湖南（61.25%）、江西（68.25%）、浙江（69.09%）、广西（72.93%）、福建（78.58%）、四川（90.55%）、重庆（90.93%）、云南（92.20%）、贵州（95.66%）[3]。丘陵山地是国内重要的粮食、油料、蔗糖、烟叶、蔬菜瓜果、麻类作物等生产基地，以全国耕地33.55%的面积，生产了占全国总产量40%的水稻、30%的玉米、80%的马铃薯、60%的蔬菜和90%的茶叶，在国家多元化食物供给保障体系中有着举足轻重的地位，对保障国家粮食安全意义重大。但是，与平原地区相比，丘陵山地耕地土壤以红壤为主，质地黏重、酸性强、易板结、养分差，对农机的防水性、防腐性、抗阻性、防下陷、灵敏性等性能要求较高，同时，丘陵山地地块坡度大、石砾多、细碎凌乱、坡多台多埂多、形状不规则，农田大多数是鸡窝地、巴掌田、大长田，机械化耕作条件较差，导致农机上山难、下田难，客观上制约了当地农业机械化的发展。
1.2 国内丘陵山地水稻机械化发展现状
依据统计年鉴数据计算，2022年国内丘陵山地水稻耕种收综合机械化率达80.8%，水稻耕种收综合机械化率居丘陵山地其他农产品之首（表1）。但是，与全国水稻耕种收综合机械化率（86.6%）相比还存在一定差距，并且不同环节间、不同地域间水稻生产机械化水平悬殊。从环节来看，2022年丘陵山地水稻耕、收机械化率分别为97.8%、92.7%，而机播率不足50%，种植环节机械化水平较低。从地域来看，浙江、湖北等地的水稻耕种收综合机械化率较高，分别达90.1%、88.0%，而云南、贵州等西南地区水稻耕种收综合机械化较低，仅为44.7%、62.7%，丘陵山地水稻机械化发展严重不平衡、不充分[4]。
表 1 2022年丘陵山地水稻耕种收综合机械化率Table 1. Comprehensive mechanization rate of rice cultivation and harvesting in hilly and mountainous areas in 2022区域Region 机耕率
Machine-plowed rate/%机播率
Machine-sown rate/%机收率
Mechanical harvesting rate/%综合机械化率
Comprehensive mechanization rate/%浙江 100.0 66.9 100.0 90.1 福建 99.0 43.7 92.4 80.4 江西 99.1 49.0 98.0 83.7 湖北 99.0 63.0 98.2 88.0 湖南 98.6 45.8 92.4 80.9 广东 99.0 36.3 96.1 79.3 广西 98.8 49.4 97.7 83.6 重庆 97.7 30.5 84.4 73.5 四川 98.8 55.2 92.7 83.9 贵州 96.9 1.6 78.1 62.7 云南 71.3 9.7 44.2 44.7 丘陵山地 97.8 46.1 92.7 80.8 全国 98.7 61.6 95.5 86.6 2. 丘陵山地水稻耕整机械化技术研发现状
鉴于丘陵山地地块小、石砾多、坡度陡、养份差等自然条件，现阶段国内外丘陵山地水稻耕整地环节的机械化主要通过微耕机、旋耕机等中小型农机装备完成[5-6]。
2.1 国外丘陵山地水稻耕整机械化技术研发现状
旋耕机、微耕机在国外的研发与应用可以追溯到20世纪40年代[7]，1947年日本久保田开发生产了世界上第一台耕田机，此后，伴随着全球农业机械化的不断发展进步，国外丘陵山地水稻耕整地技术装备逐渐形成了较强的技术积累和创新能力，微耕机、旋耕机系列农机技术装备也逐步熟化，不断推出系列创新性微耕机、旋耕机装备和技术，以满足市场变化趋势和用户升级需求。
目前国外微耕机的研发制造主要朝着更加轻便耐用、更加节能环保两个方向发展，如POMEROY[8]发明了微耕机的可拆卸模块，将整机分解为多个独立的功能模块，每个模块都可以独立拆卸和更换，便于用户根据实际需求进行选择和组合，有助于灵活满足不同作业环节、不同作物类型对农机的个性化需求；日本RYOBI公司生产的ACV-
1500 型号微耕机，以电力为驱动，搭载了最新开发的高性能马达，最大耕深可达280 mm，最大工作幅宽可达360 mm，不仅能够满足丘陵山地耕整地的动力需求，还能够实现无尾气排放和低噪音污染，有助于减少农业生产过程中的碳排放。对于旋耕机而言，国外学者主要围绕旋耕机的自动导航性能、提升旋转刀片硬度、提高作业强度等方面进行开发研究。如YUN等[9]学者，开发了基于立体视觉的脊线跟踪方法，能够帮助自走式旋耕机在凹凸不平的耕地和强紫外线照射的作业环境下自主稳定行走；DILAY等[10]基于Diamond Jet高速氧燃料（DJ-HVOF）技术，在硼合金30MnB5 钢基材的旋耕机刀片上涂覆WC10Co4Cr陶瓷粉末，有效提高了刀片硬度，磨损量为原来的1/6，不仅延长了旋耕机的使用寿命，还降低了摩擦力，有效提高了旋耕机在丘陵山地的作业效率；针对刀片的旋转角度，SAIMBHI等[11]使用计算机图形学方法对旋耕机叶片进行改进和开发，以提高旋耕机在湿地的作业能力和工作效率；FARZAD等[12]针对丘陵山地粗糙、颠簸的复杂作业环境，基于红外传感器开发了一种实时测量系统，该系统能够精准识别土壤表面粗糙程度，并及时监测和调整旋耕机的土壤保护罩角度以满足实时作业强度，通过该系统可实现土壤保护罩0°~80°的自由调整，并将系统响应时间降为0.26 s，有效保障了旋耕机的作业强度和平衡运行能力。此外，HIRASAWA等[13]建立了可估算耕地土壤堆高的旋耕模型，旨在从旋耕机宽度、刀片性状与排列等维度评价旋耕机的整地性能。
2.2 国内丘陵山地水稻耕整机械化技术研发现状
国内的微耕机、旋耕机研发始于20世纪90年代，姚若松[14]受“屎壳郎推屎爬”的启发，发明了国内首台微型前置式、双向犁、单履带、多功能耕作机，开启了国内丘陵山地耕作机的自主研发道路。截至目前，国内已经拥有包括鑫源、威马、中联重科、星光、沃得等众多具备自主研发能力的农机企业，开发并熟化了柴油、汽油、电动等多种动力方式系列微耕机、履带式旋耕机产品（表2）。其中，微耕机以其体积小、质量轻、操作简便、通过型好、爬坡能力强的特点，被广泛应用于重庆、云南、四川、贵州等西南高原单双季稻稻作区；旋耕机以其结构紧凑、自重轻、防塌陷、转弯半径小等优点，被广泛应用于湖南、江西、湖北等华中单双季稻稻作区[15-16]，联合推动了国内丘陵山地水稻生产耕整地环节机械化发展。
表 2 丘陵山地典型微耕机与履带式旋耕机产品及主要参数Table 2. Typical micro tiller and tracked rotary tiller products and main parameters in hilly and mountainous areas类型
Type厂家
Manufacturer核心产品型号
Core product model产品参数
Product parameters主要销往地区
Mainly sold to regions市场占有率
Market share rate/%微耕机 重庆鑫源 1WGQZ4.2-100B-1 工作幅宽 1000 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）180°重庆、湖南、四川、广东、广西、湖北、浙江等 5.89 重庆宗申 1WGQZ4.5-100 工作幅宽 1000 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）180°重庆、湖南、广西、四川、云南等 4.61 重庆耀虎 1WG4.0-100FQ-ZC 耕宽100 mm，耕深 1000 mm，作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；扶把调整幅度（水平/垂直方向）180°重庆、四川、湖南、广西、广东等 3.43 重庆威马 1WG4.0-100FQ-ZC 可折叠扶手，方便直立存放；耕宽400 mm；耕深80 mm 重庆、浙江、湖南、四川、广西、湖北等 3.35 重庆旺耕 1WGCZ4.1-115(G4) 工作幅宽 1150 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）90°重庆、四川、湖南、湖北、广西、江西等 2.70 履带式
旋耕机中联重机 1GLZ-230M 工作幅宽 2300 mm；耕深旱田80~100 mm，水田100~160 mm；
轨距1200 mm；接地面积1.28 m2江西、湖南、浙江、广西等 43.03 江苏沃得 1GZL-220D
1GZL-220F作业宽幅220 cm；耕深12 cm；轨距 1200 mm；离地间隙370 mm江西、湖南、湖北、福建等 34.71 湖州丰源 1GZL230B(G4)
1GZL230C(G4)作业宽幅230 cm；轨距 1209 mm湖南、江西、浙江等 6.82 泰州常发 1GZL-220A(G4) 作业宽幅230 cm；轨距 1250 mm；离地间隙320 mm湖南、江西、湖北等 4.03 星光农机 1GZL-230C
1GZL-230A(G4)作业宽幅220 cm；耕深≥10 cm；轨距 1150 mm江西、湖南等 3.05 2.2.1 国内丘陵山地微耕机技术研发现状
在丘陵山地，微耕机的推广与使用有效解决了“馒头山、鸡窝地、巴掌田”中大型农业机械难以通达、不能使用的问题，对推进丘陵山地水稻机械化发展起到了举足轻重的作用。但是，传统微耕机也普遍存在噪音大、作业效率低、作业质量不稳定、作业操作者劳动强度高、存在安全隐患等问题。为攻克以上难题，国内学者围绕微耕机手柄减震、隔振技术、内燃式微耕机替代技术、微耕机旋耕刀扭矩与功耗降低技术、微耕机辅助深度控制技术、微耕机模块化、智能化控制技术等核心关键技术开展了系列研究（如表3所示）。针对微耕机噪音大、劳动强度高等问题，YIN等[17]和LIU等[18]通过研发可降低振动强度的手柄、在发动机与车架之间安装隔振器等装置的方法，降低微耕机的振动强度；GAO等[19]和威马农机股份有限公司[20]等通过研发基于电网供电类型和基于蓄电池供电类型的微耕机，改变传统内燃式微耕机噪音大、笨重的属性，为微耕机操作人员创造更加静音、便捷的作业条件。针对微耕机作业效率低、作业质量差等问题，LI等[21]聚焦微耕机的核心部件旋耕刀，基于光滑粒子伽辽金（smoothed particle galerkin，SPG）方法对耕作过程中微耕机与土壤相互作用机制的模拟，研究了不同耕作条件下微耕机旋耕刀扭矩与功耗，优化设计了微耕机旋耕刀扭矩与功耗降低技术；KANG等[22]研发设计了由检测器、控制器、执行器和显示界面组成的微耕机辅助深度控制系统，用于实时显示耕深和控制微耕机阻力杆的往复运动，有效提升了微耕机耕深的一致性，有效提升了微耕机作业质量。
表 3 国内丘陵山地水稻微耕机技术研究进展Table 3. Research progress of rice micro tiller technology in hilly and mountainous areas of China技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 微耕机手柄减震、
隔振技术中国农业大学[17] 2019 基于对微耕机耕作状态下手柄振动数据的时域和频域分析，构建三维数字模型，设计出可以降低振动强度的手柄，改善操作人员的工作强度 河南农业大学[18] 2022 基于对微耕机振动源的识别，通过替换发动机与车架橡胶螺栓、在发动机与车架之间安装隔振器等综合方法，优化隔离了发动机振动对微耕机的影响。 内燃式微耕机替代技术 南京农业大学[19] 2012 基于三相交流异步电机，研发了基于电网供电类的电动微耕机，该微耕机质量为110 kg，功率为4 kW，可实现耕深16 cm，耕幅90 cm，耕作效率 1500 m2/h。重庆威马农机股份有限公司[20] 2023 重庆威马农机股份有限公司于2023年上市了蓄电池供电类微耕机WMFT516，该微耕机整机质量25.8 kg，续航时间30 min，可实现耕深≥80 mm，耕宽400 mm 微耕机旋耕刀扭矩与功耗降低技术 四川大学[21] 2022 基于光滑粒子伽辽金（SPG）方法对耕作过程中微耕机与土壤相互作用机制的模拟，研究了不同耕作条件下微耕机旋耕刀扭矩与功耗，并通过遗传算法对其进行了双目标优化 微耕机辅助深度
控制技术西南大学[22] 2014 研发设计了由检测器、控制器、执行器和显示界面组成的微耕机辅助深度控制系统，用于实时显示耕深和控制微耕机阻力杆的往复运动，有效提升了微耕机耕深的一致性（将变异系数由11.59%降低到5.82%），提升了微耕机作业质量，并降低了操作人员的劳动强度（将劳动强度指数由20降低到18） 微耕机模块化、智能化控制技术 上海理工大学[23] 2024 研发设计了以Arduino为控制系统的模块化智能农业作业车，具有精密的机械结构和智能的控制系统，通过作业车设计，将喷洒、松土、播种、收割等多个作业单元联系成一体，达到一机多用的效果，并具备适应性强、操作简便、维护费用低等特性 为了减少微耕机对操作人员的伤害，除了减轻微耕机的自身质量、降低微耕机的振动强度之外，王宇涵等[23]还探索了微耕机的智能化控制技术，研发设计了以Arduino为控制系统的模块化智能作业车，并验证了其稳定性和自动化程度。
2.2.2 国内丘陵山地旋耕机技术研发现状
旋耕机种类繁多，按照不同的工作原理和结构设计有不同的分类方式，其中，履带式旋耕机具有强大的地面接触力和驱动力，具有能爬坡、防塌陷、通过性好等性能，既适应水田泥泞、湿滑的作业环境，也适应丘陵山地的复杂地形，在国内丘陵山地水稻田耕整环节得到了广泛推广与应用。国内的履带式旋耕机的研发始于21世纪初，湖南中天龙舟农机有限公司经过8年的研发，自主创新制造了“龙舟履带自走式旋耕机”[24]，开创了国内履带式旋耕机自主研发先河。传统的旋耕机存在功能单一、农药和尘土对操作人员危害大、作业质量不高、研发周期长、资金投入大等研发瓶颈，为克服这些难题，包括中国农业大学等在内的高校与农机研发科研围绕基于虚拟样机技术的旋耕机研发设计技术、模块化多功能通用底盘技术、远程操纵技术、旋转刀片减扭降耗技术、旋耕机减黏增脱技术等核心关键技术开展了系列研究（如表4所示）。针对旋耕机设计制造的研发周期长、资金投入大等研发瓶颈，WU等[25]提出了基于虚拟样机技术的旋耕机研发设计技术，通过该技术可缩短旋耕机的研发周期、及时发现并改进问题，有效节省了研发成本。针对履带式旋耕机功能单一的问题，周汉林等[26]、陈斌等[27]研发了履带式旋耕机的多功能底盘技术和多模块换装技术，优化了传统履带式旋耕机的单一功能，实现了一机多用，有效减少了农机的闲置浪费。针对旋耕机在工作过程中扬起的农药和尘土对操作人员影响问题，张俊杰等[28]研发了1GZDY-120履带自走式遥控旋耕机，可远程控制旋耕机行走快慢、转向、旋耕机升降、旋转刀轴停转等动作，有效降低了操作人员劳动强度。针对旋耕机作业质量不高的问题，肖茂华等[29]聚焦旋耕机的核心关键部件之一——旋耕刀，研发设计了旋耕机自激振动旋转刀片，实现旋耕作业减扭降耗，提高了旋耕机的工作质量；LIU 等[30]研发了一种基于土壤表面粗糙程度动态特性的旋耕机智能振动脱茬系统，通过该系统旋耕机可根据实时土壤表面粗糙程度做出相应脱离响应，有效提高了旋耕机的脱茬性能。
表 4 国内丘陵山地水稻旋耕机技术研究进展Table 4. Research progress on rotary tiller technology for rice cultivation in hilly and mountainous areas of China技术Technology 机构Institution 年份Year 内容Contents 基于虚拟样机技术的旋耕机研发设计技术 江西省农业科学院[25] 2022 基于深度学习网络的履带自走式旋耕机驱动系统的构建并开展系统仿真试验，提出基于深度学习相关算法、自编码网络、卷积神经网络的履带自走式旋耕机的结构设计方法，可通过对虚拟样机的动态仿真开展主要零部件的受力分析和关键零部件的有限元分析，旨在缩短设计周期，节省设计成本，提升设计的合理性 模块化、多功能
通用底盘技术广东省现代农业装备研究所[26] 2021 研发了一款丘陵山地履带式多功能底盘，该底盘由底盘机架、液压驱动系统、橡胶履带、支重轮、导向轮等零部件组成，能够实现车架的纵向和横向双向自动调平，以及旋耕、除草、喷药、运输多个农机的集成，综合提高了履带式旋耕机的爬坡性、自适应性、一机多用性能 湖南农业大学[27] 2021 基于多模块互换技术，在单一履带动力平台的基础上，优化了传统履带式旋耕机的单一功能，形成了履带式动力底盘模块+旋耕机模块、收割机模块、车型模块的形式，实现了旋耕、收割、运输等多种功能的集成，实现大宗农业机械装备在基于动力平台上的条件下一机多用，有助于减少农业机械的闲置浪费、提高农用资源的利用率 远程操纵技术 河北省农业机械化研究所[28] 2022 研发 1GZDY－120 履带自走式遥控旋耕机，其集机械技术、电子集成控制技术和液压控制技术于一体，通过发射器发送指令，接收器接收指令传输至液压元件或电子元件，控制机具行走快慢、转向、旋耕机升降、旋转刀轴停转等动作。该远程控制履带式旋耕机已经通过测试试验，测得最小转弯半径小、平均接地压力大，抓地能力强，旋耕深度适宜且稳定性好 旋转刀片减扭降耗技术 南京农业大学[29] 2022 基于DEM-MBD技术，建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型，分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律，研发设计了旋耕机自激振动旋转刀片，旨在实现旋耕作业减扭降耗 旋耕机减黏增脱技术 华中农业大学[30] 2023 基于水田旋耕机减黏增脱的实际需求，研发了一种基于土壤表面粗糙程度动态特性的旋耕机智能振动脱茬系统，通过该系统旋耕机可根据实时土壤表面粗糙程度做出相应脱离响应，有效提高了旋耕机的作业质量和脱茬性能 3. 丘陵山地水稻种植机械化技术研发现状
3.1 国外丘陵山地水稻种植机械化技术研发现状
国外水稻插秧机的研究始于19世纪末，日本于1898年申请了世界第一个水稻插秧机专利[31-32]，意大利于1915年就开始研究拔秧苗的水稻插秧机[33]。经过一个多世纪的发展，日本、韩国、印度、意大利等学者围绕结构设计、电动/液压控制技术、自动化导航技术、智能控制技术、数据采集与分析技术等水稻插秧机核心关键技术开展了系统研究，YOSHISADA等[34]围绕自行走水稻插秧机的快速转弯控制策略和田头翻转算法设计开展了深入研究，提出了水稻插秧机的岬角转弯路径生成算法，有效提高了水稻插秧机的通过性，提高了其自主工作效率；SIDDIQUE[35]等针对插秧机液压系统存在的可持续性差等问题，基于商业仿真软件AMESim开发了水稻插秧机液压仿真系统，旨在升级水稻插秧机的控制装置、延长机器使用寿命；YOSHISADA等[36]研发了以GPS和IMU引导的、能够自动转向的水稻插秧机。
目前国外先进国家中，意大利主要采取直播的方式进行水稻种植，日本和韩国主要以插秧的播种方式为主，其中，以日本的水稻插秧机更为先进、应用更为广泛、更值得借鉴。经过了几代技术革新，近年来日本的水稻插秧机装备技术逐步向更加节省育苗成本、更加功能集成、更加减少劳动力以及更加轻量化、无人化等技术方向发展。如日本三菱公司开发了纸膜水稻插秧机，有助于阻挡阳光抑制杂草的生长，保温土壤，控制水分蒸发，保障秧苗的快速生长，纸膜采用可降解材料制成，50 d左右就可以自动降解成氮肥还田，目前这种纸膜插秧机已经在日本石川县得到了广泛应用，实现了水稻种植的生态化、可持续化发展。又如日本洋马农机研发的AP4手扶式插秧机，外观小巧仅151 kg，主要动力源为一台小型汽油发动机，可实现一个人一天之内插秧20 000 m2，适用于丘陵山地的小型地块，有效提高了水稻种植效率。
3.2 国内丘陵山地水稻种植机械化技术研发现状
国内水稻插秧机的研制始于20世纪50年代，1956年华东农业科学研究所研制出畜力4行梳齿分秧滚动式插秧机“华东号插秧机”，是世界上第一台成型的水稻插秧机，开创了国内水稻插秧机生产的先河[37]。近年来，伴随着研发制造技术的不断发展，国内水稻种植环节机械的自主研发能力不断增强，不但实现了水稻插秧机的自主研发，还创新研发了具有自主知识产权的水稻直播机，逐步形成了以江苏、浙江为主的水稻种植机械产业集群，培育出久富、星莱和、沃得、常发、福马、中联农机、富来威等适宜于丘陵“湿田烂地”的水稻种植机械品牌和产品，推动国产机国内销售市场份额不断提升，带动丘陵山地水稻种植机械化发展。如华南农业大学罗锡文院士团队自主研发的水稻直播机[38]，能够同步完成开沟、起垄、穴播，节省了传统水稻种植的育秧、插秧环节，推动实现智能导航、自动控制、精准定量播种，是传统人工插秧速度的100多倍，产量可达1.05 kg/m2。江苏常发农业装备股份有限公司自主研发生产的2ZS-4HT型号水稻插秧机，采用660 mm大直径车轮实现了在湿烂田地较好的通过性，平衡板采用高性能金属材料确保整机平衡，保障插秧机能够在丘陵山地凹凸不平的田块中实现插秧深度一致。伴随着国内水稻插秧机自主研发能力的不断提升，国产品牌的市场占有率也逐步提升，以高速插秧机为例，2021年国内高速插秧机国产品牌占比增长至55%，日系品牌占比下降至45%[39]。
依据不同的工作原理和应用场景，水稻种植机械可以被分为水稻插秧机与水稻直播机两大类。
3.2.1 国内丘陵山地水稻插秧技术研发现状
水稻插秧机是将培育好的秧苗定植在水田中的种植机械。该机械由秧箱、分插秧系统、送秧系统、机架、行走装置、承载浮体以及动力驱动装置等核心零部件构成，具有技术成熟以及秧苗行距株距整齐、抗倒伏能力强等优势。针对国内丘陵山地对水稻插秧机适应复杂地形、高效稳定作业、多功能化与自动化、轻便灵活与耐用性等方面的需求，浙江大学、华南农业大学、浙江理工大学等相关科研院所以及农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室等国家重点实验室的科研人员，围绕水稻插秧机的车架轻量化设计技术、宽窄行插枝技术、多功能集成技术、自动控制技术等核心关键技术开展了深入研究（表5），如WU等[44]利用深度学习网络和机器视觉开展骑乘式插秧机视觉/惯性组合导航研究，旨在实现水稻插秧机的自动导航；张娜娜等[45]以有限元分析结果为依据，建立了车架优化设计模型，提出车架轻量化设计方案，以适宜丘陵山地湿软田块机械化需求；孙良等[46]提出一种具有局部平面轨迹特性的空间轨迹不等速行星轮系机构，并开展基于取秧口和机构回转中心位置约束下的宽窄行分插机构综合研究，旨在实现插秧机系统取秧过程侧向零偏移量、侧向零偏转角的平面轨迹。
表 5 国内丘陵山地水稻插秧机技术研究进展Table 5. Research progress on rice transplanter technology in hilly and mountainous areas of China技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 变量施肥等插秧机集成技术 华南农业大学等[40] 2023 集成水稻插秧与施肥功能，设计了自动控制的固体颗粒肥料变量施肥装置，以单片机STM32为控制核心，构建施肥量在线检测及智能调控系统，实现变量施肥作业 智能插秧机设计
技术沈阳航空航天大学等[41] 2024 基于智能化需求分析、技术要求与设计原则、物联网技术、硬件设计与优化、软件开发与优化等，提出智能插秧机创新策略 自动导航相关技术 安徽农业大学工学院[42] 2019 提高了秧苗行中心线提取算法的实时性和精度，采用基于分区域特征点聚类的秧苗行中心线提取方法，为确定插秧机的相对位置提供依据，推动实现水稻插秧机自动导航 华南农业大学等[43] 2019 以井关PZ-60型水稻插秧机为平台开展电动方向盘插秧机转向控制系统设计技术研究，采用电动方向盘作为转向执行机构，提出电动方向盘转向系统具有较好的动态响应和控制稳定性，适用于插秧机作业的自动转向控制，满足插秧机自动导航作业要求 浙江大学[44] 2024 对骑乘式插秧机进行视觉/惯性组合导航，利用深度学习网络和机器视觉提取稻田引导路线 车架轻量化设计 浙江理工大学等[45] 2012 以有限元分析结果为依据建立车架优化设计模型，结构改进后车架质量降幅达16.77% 再生稻分插机构设计技术 浙江理工大学等[46] 2024 提出空间轨迹不等速行星轮系机构，开展基于取秧口和机构回转中心位置约束的宽窄行分插机构综合研究，实现取秧过程侧向零偏移、偏转角 3.2.2 国内丘陵山地水稻直播技术研发现状
水稻直播机是直接向水田播种水稻种子的机械，由种箱、排种器、输种管、开沟等装置构成，具有简化插秧育苗等种植工序、缩短水稻生育期等优势。国内丘陵山地水稻直播机的研发始于20世纪70年代，第一台丘陵山地水稻直播机由湖南益阳农机所根据东风-2S水稻插秧机改装而成，可适用于泥脚深度35 cm的湖区、山丘地区[47]。针对平稳行驶、精准播种等丘陵山地水稻生产现实需求，相关科研团队围绕水稻直播机精量穴直播相关核心技术开展了系列研究，推动国内水稻直播机逐步向精量化、无人化、生态化方向发展（如表6所示）。如张明华等[49]针对压茬效果较差、仿形系统不完善等问题，对水稻精量穴直播机仿形与滑板机构进行优化，优化后水稻精量穴直播机的纯作业效率为0.67 hm2/h，穴距合格率达100%，穴粒数合格率达95%；武涛等[54]针对南方水田结构复杂多变、水稻直播机受不确定性干扰较大等问题，提出一种基于滚动时域的车辆运动状态估计方法，以提高水稻直播机运行中的抗干扰能力和路径跟踪控制精度；程思明等[57]提出南方山改田水稻机械旱直播机覆生物降解地膜技术，集成旋耕、施肥、起垄、播种、浇水、覆膜、覆土、镇实等功能于一体，有助于实现水稻种植的生态友好、省工降本、高产高效。
表 6 国内丘陵山地水稻直播机技术研究进展Table 6. Research Progress on Rice Livestreaming Machine Technology in Hilly and Mountainous Areas of China技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 水稻直播机整机设计 中国农业机械化科学研究院等[48] 2012 开展水稻直播机设计与试验，设计的水稻直播机可一次完成整平、播种、施肥和覆盖等工序，播种均匀性变异系数24.5%，各行排种量一致性变异系数3.2%，种子破损率0.2%
水稻直播机滑板机构优化设计华南农业
大学[49]2017 对水稻精量穴直播机仿形与滑板机构进行优化，优化后水稻精量穴直播机的纯作业效率为0.67 hm2/h，穴距合格率达100%，穴粒数合格率为95%，空穴率为0，播种后田面高差小于3 cm；平均首次故障前作业量为30.4 hm2/m，有效度为98.2%，各项性能指标和可靠性指标均达到了相关国家标准 华中农业大学等[50] 2024 针对水稻直播机滑板在扰动饱和水田环境中黏附重和阻力大的问题，提出一种水稻直播机仿生滑板，开展水田土槽试验，研究其在水田土壤环境下的减阻效果，为水田触土部件减黏降阻技术开发提供了新思路 精准排种 华南农业大学等[51-52] 2016,
2020基于直播机的稻种适应性、作业速度、播量调节等开展均匀分种、定量排种试验，研制了气力集排式、气吹集排式直播机分种装置，提高了直播机播种的均匀性和稳定性，通过减少排种器数量和使用气力输送种子，降低了伤种率 自动驾驶 上海交通大学等[53] 2018 提出不平整泥泞水田环境中的水稻直播机自动驾驶控制方法 上海交通大学等[54] 2022 开展基于滚动时域的无人水稻直播机运动状态估计研究，提出一种基于滚动时域的车辆运动状态估计方法（MHE），将状态估计问题转化为固定时域的优化问题并充分考虑约束条件，从而实现对带约束非线性模型状态的估计 小型化、轻量化、智能化设计 四川省农业机械研究设计院等[55] 2021 设计了一种锂电池驱动的四行电动遥控水稻直播机，实现通过雷达测量机组位移控制水稻播种，减小了轮子打滑造成的播种误差，通过三轮独立电机驱动，减小了机组田间转弯半径，电池续航里程超过2 h，整体机组重量轻、移动方便、转向精准、漏播率小、播种精准，适合在丘陵山区条田中水稻生产使用 种膜覆膜相关技术 辽宁省农业机械化研究所[56] 2024 设计了一种水稻种膜覆膜直播机，该直播机采用水稻种膜覆膜，将事先按农艺要求设定株距和穴距、黏附水稻种籽粒的可降解地膜铺设于整理好的土壤上，省去了复杂的播种装置，解决了机械式排种器在播种作业过程中对水稻种籽粒的机械损伤问题 建德市农业技术推广中心；浙江大学等[57] 2024 提出南方山改田水稻机械旱直播机覆生物降解地膜技术，集成旋耕、施肥、起垄、播种、浇水、覆膜、覆土、镇实等功能，有助于实现水稻种植的生态友好、省工降本、高产高效 4. 丘陵山地水稻收获机械化技术研发现状
4.1 国外丘陵山地水稻收获机械化技术研发现状
水稻收割机是世界传统四大农机（轮式拖拉机、小麦收割机、玉米收割机、水稻收割机）之一，日本、韩国、美国等农机强国的水稻机收率已经超过99%[58]，主要有约翰迪尔（John Deere）、凯斯纽荷兰（CNH Industrial）、久保田（Kubota）、克拉斯（Claas）、井关（ISEKI）等水稻收割机主要生产企业，有力地推动了全球水稻收获环节的机械化率。但是约翰迪尔（John Deere）、凯斯纽荷兰（CNH Industrial）、克拉斯（Claas）等欧美企业生产的收割机多为用于旱田的谷物、玉米、小麦联合收割机，割台收割宽度达5 m以上、喂入量可达2.5 kg/s，适用于大地块、大规模的水稻收割，不适宜于丘陵山地。久保田（Kubota）、洋马（YANMAR）、井关（ISEKI）等日本小型水稻收割机械，以其娇小的机型、可靠的质量、优良的性能受到国内丘陵山区和印度、泰国等亚洲水稻生产国家的青睐。洋马针对印度、巴基斯坦等南亚地区田块形状不规则、土地承载能力相对较强等耕地特点，以及农田轮作、农作物利用率高且精细等农作特色，推出了AG系列的半喂入式水稻收割机，可满足南亚地区便捷、耐用、节工、稻梗二次回收利用的生产需求；久保田针对印度、柬埔寨等东南亚地区田地泥泞易打滑、土地承载能力差、水稻饱满易倒伏等农业生产特色，研发出DC系列全喂入式水稻收割机，该机器不带粮仓、机身小巧且割台设计灵活，非常适合东南亚地区承载能力弱、易打滑的山地水稻收割。总体而言，水稻收割机的核心技术和产品已经相当成熟。
针对亚洲水稻产区的复杂水田环境、普遍的轮作制度以及农民的低经济收入等现实困境，日本、孟加拉、伊朗、印度和巴基斯坦等国的学者们开展了系列创新研究和探讨（如表7所示）。如YANG等[59]针对水田的复杂环境，建立了实时高精度稻田图像分割模型，旨在保障智能水稻收割机的安全可靠和精准作业；RAHIMI等[60]针对丘陵山地坡多、埂多、石砾多、收割机在作业过程中图像获取困难等问题，开展图像去模糊改善水稻联合收割机的谷物监测技术研究，提出了一种图像去模糊算法，旨在防止水稻收割机在收割的过程中由于连续振动而阻碍谷物监测图像获取；SCHALCH等[61]围绕孟加拉国对水稻收割机作业效率提升需求，在传统机床等刀片制造工艺的基础上，提出冲裁、成型等刀片制造工艺，简化刀片形状的复杂性，旨在提高水稻收割机的生产效率、稳定性；GOLAM等[62]基于本国石油等传统能源的匮乏，提出一种太阳能水稻收割机设计方案，采用太阳能储能元件取代传统柴油水稻收割机发动机，推动水稻收割机的新能源化发展。
表 7 国外水稻收割机技术研究进展Table 7. Research progress on rice harvester technology abroad技术Technology 机构Institution 年份Year 内容Contents 自动驾驶相关技术 日本京都大学[59] 2020 针对丘陵山地水田的复杂环境开展障碍物检测和识别研究，将“瘦身”方法应用于图像级联网络（ICNet），建立了实时高精度的稻田图像分割模型，旨在精准确定收获和未收获区域之间的航线路径，保障智能水稻收割机的安全和精准作业 作业监测相关技术 伊朗桂兰大学[60] 2023 针对丘陵山地坡多、埂多、石砾多、收割机在作业过程中图像获取困难等问题，开展图像去模糊改善水稻联合收割机的谷物监测技术研究，提出一种图像去模糊算法，旨在防止水稻收割机在收割的过程中由于连续振动而阻碍谷物监测图像获取 收割机刀片等核心零部件 美国佐治亚理工学院[61] 2023 围绕孟加拉国对水稻收割机作业效率提升需求，开展收割机刀片相关研究，在传统机床等刀片制造工艺的基础上，提出冲裁、成型等刀片制造工艺，简化刀片形状的复杂性，提高生产效率和产品质量 新能源动力系统 孟加拉吉大港工程技术大学[62] 2024 针对孟加拉国石油等传统能源有限的自然资源条件开展太阳能水稻收割机设计研究，提出采用太阳能储能元件取代传统柴油水稻收割机发动机的新设计理念 4.2 国内丘陵山地水稻收获机械化技术研发现状
国内水稻收获机械的研制始于20世纪60年代[63]，上海市收割机会战组、江苏收割机联合设计组、湖北联合设计组等单位针对丘陵山地水田等耕地特征自主研发了半喂入式、全喂入式等适宜丘陵山地水稻收获的水稻收割机。经过60余年的发展，已逐步培育出沃得、雷沃、泰州常发、中联重机、星光等系列水稻收割机企业和品牌，并逐步替代日本久保田、洋马、井关等国外水稻收割机，占据国内市场主要份额。针对丘陵山地地块狭小、梯田坡地较多、套种轮作普遍的特点，国内也自主研发了多款结构简单、通过性较好的微型自走式水稻收获机，其中，以微型半喂入式履带水稻收割机对丘陵山地的适应性最强，如重庆鑫源自主研发的4 LZ-0.6 L半喂入履带式水稻收割机，质量只有350 kg，最小离地间隙仅20 cm，喂入量达0.6 kg/s，满足丘陵山地地块狭小、坡度大、节工省力的需求。
国内丘陵山地不但作业环境复杂，而且水稻种植普遍密度大、行距小、稻穗低垂，因此，稳定性、灵活性以及高割茬精度、高脱粒能力是国内丘陵山地水稻收获机械研发的重点、难点和热点，具体研究进展如表8所示。
表 8 国内丘陵山地水稻收割机技术研究进展Table 8. Research progress on rice harvester technology in hilly and mountainous areas of China技术Technology 机构Institutions 年份Years 内容Contents 自动驾驶稳定性与灵活性相关技术 华南农业大学等[64] 2019 对丘陵地区收割机底盘机架做有限元分析，得到底盘的固有频率、振型和受力分析，通过Simulation模块进行模态分析，利用模态分析技术得到工作装置的各阶模态频率、模态特性和受力分析，研究底盘机架模态振型与振动之间关系，验证所设计的底盘机架合理性 南京农业大学[65] 2024 研发了一种用于无人收割机的实时水稻穗密度检测方法，利用深度学习技术在水稻无人收割场景中进行实时稻穗检测和密度评估，旨在提高收割机的农作物状态感知能力，实现自动调速 精准化割茬作业技术 江苏大学[66] 2024 研制了一种轻型水稻杂质含量和破碎率检测系统，结构简单可靠，可连续采集高质量的谷物图像，改进后的网络对于破碎颗粒和杂质的分割精度可分别提高6.13%和9.19% 南京农业大学[67] 2024 提出一种基于RGB-D图像的无人水稻收割机收割宽度测量方法，可以适应复杂的收割场景，具有更高的鲁棒性、更低的测量误差，并且切割宽度计算与收割机偏航角无关 脱粒作业能力提升技术 一拖（黑龙江）东方红工业园有限公司[68] 2017 针对微型水稻收割机切割器、拨禾轮等切割模块，以及脱粒模块进行优化改进，以适应淮河以南丘陵地势地形 江苏大学[69] 2020 开展导条对切向纵流水稻联合收获机脱粒产量和清收损失分布的影响研究，应用离散元模拟，分析了导条在脱粒输出分布上的分布位置，以脱粒率的标准差作为评价准则，得到了分配装置的最优结构参数 江苏大学[70] 2022 开展脱粒间隙技术研究，建立了刚性短秸秆和柔性长秸秆模型，通过脱粒模拟分析稻草上的平均压缩力，提出同心脱粒间隙脱粒产物中除谷物以外的物质（MOG）的质量分数比非同心间隙降低4.3%，稻草的破损程度也较低，为提升水稻收割机的脱粒和清洗能力提供理论依据 华南农业大学[71] 2023 设计了一种再生稻气力输送装置，详细分析了混合腔收缩段截面高度、长度对气流场以及再生稻籽粒运动的影响，以风机转速、填充系数和水平螺旋输送器转速作为试验因素，旨在减少再生稻收获机输送器的堆积与阻塞 自动清扫装置设计技术 马斯奇奥（青岛）农机制造有限公司等[72] 2022 设计一种自动清扫发动机侧罩的装置，装置由电机带动侧罩圆盘转动，由集成Codesys程序的控制器控制，每隔10 s圆盘自动转2.5 s，由静止的刮臂将旋转的圆盘上的杂物刮下，从而实现自动清洁 在稳定性和灵活性方面，华南农业大学的王斌斌等[64]基于收割机底盘机架模态振型与振动之间关系研究，提出一种能够避免外部激励共振的底盘机架，有助于提高收割机行走的牢固性和可靠性；南京农业大学的SUN等[65]研发了一种用于无人收割机的实时水稻穗密度检测方法，提出了一种基于YOLOv5n的改进水稻穗检测模型（RP-YOLO），有助于实现收割机作业速度的实时调整，提高收割机的自主性和适应性。在割茬精准度方面，江苏大学的 WU等[66]针对稻谷杂质含量和破碎率开发了一种轻量级检测系统，可连续采集高质量的谷物图像，使破碎颗粒和杂质的分割精度分别提高6.13%、9.19%，有助于帮助驾驶员及时调整联合收获机的工作参数，减少收获过程中的杂质和破碎籽粒，提高收获质量；南京农业大学的SUN等[67]提出一种基于RGB-D图像的无人水稻收割机收割宽度测量方法，可以适应丘陵山地复杂的收割场景，具有更高的鲁棒性、更低的测量误差。在脱粒能力方面，江苏大学的CHAI等[69]应用离散元模拟，分析了导条在脱粒输出分布上的分布位置，以脱粒率的标准差作为评价准则，得到了分配装置的最优结构参数；江苏大学的LIU等[70]采用离散元法（DEM）建立刚性短柔性长稻草模型，分析同心和非同心脱粒间隙对水稻秸秆损伤的影响，为提升水稻收割机的脱粒和清洗能力提供理论依据；华南农业大学的刘伟健等[71]采用DEM-CFD耦合的方法，设计了一种再生稻气力输送装置，旨在减少再生稻收获机输送器的堆积与阻塞。
5. 国内外发展差距与技术挑战
作为典型的丘陵山地国家，日本、韩国、意大利等国家高度重视本国农业机械化相关政策的支持、科技研发的投入，以及科研机构、制造企业、专业合作社之间的密切合作，推动本国农机技术的自主创新发展与农业机械化水平的整体提升。如早在1971年，韩国就在全国范围内实施了“新村运动”，扶持农户兴建桥梁、整治农地、修筑农田道路等，改地宜机，为本国农业机械化的发展创造了良好的环境基础；日本投入了大量的资金、人力等资源推进农机科学研究和实验验证，设立了包括“农业·食品产业技术研究机构（NARO）”等在内的农业技术科技创新机构，围绕传统农机开展了技术更新与新机型研发，并密切关注市场需求，与农机制造商、农机合作社等积极开展合作与共享，加速技术创新、避免重复研发。目前日本已经进入以小型、轻便、容易操作、舒适性好、自动化程度高为特征的农业机械化发展阶段[73]，并逐步向智能化方向发展。
与日、韩、意等国家相比，国内的水稻耕种收机械研发与应用起步较晚、基础不牢、产品的综合性能不高，特别是针对丘陵山地的轻量、高效、高稳定性的水稻耕种收机械相对匮乏，发动机高功率低排放设计制造技术、刀具抗损降耗优化设计技术、车架轻量化设计技术、坡地自适应技术、车身调平技术、机具智能化控制技术等共性核心关键技术仍有待进一步攻克。具体到耕种收不同生产环节，国内丘陵山地水稻机械化装备研发制造还存在如下现实困境。一是在耕整地环节，现有国内自主研发生产的用于丘陵山地的微耕机和旋耕机在体积上、便捷性能上已经满足丘陵山地耕整地的基本需求，但是与国外先进机型相比，国产微耕机和自走式旋耕机的自重普遍较大、动力普遍不足、人性化设计相对缺乏，农机操作人员的劳动强度依然繁重、作业条件依然艰苦，尚未达到综合机械化发展阶段，微耕机减震减阻技术、微耕机深度调节自动控制技术、自走式旋耕机多功能通用底盘技术、旋耕机减黏增脱优化设计技术等核心关键技术仍有待深化。二是在种植环节，虽然国内对于水稻种植机械的研发起步较早，但是与国外先进产品相比，国产丘陵山地水稻种植机械通过性、作业稳定性、精准性、高效性还有待提升，宽窄行分插秧系统优化设计技术、施肥等多功能集成技术、自动控制技术、减黏降阻控制技术、直播机精量播种技术、直播机种膜覆膜自动化控制技术等核心关键技术科技研发仍有待深化提升。三是在收获环节，国内当前批量生产、国内市场畅销的水稻收获机械主要是针对大规模田块、大喂入量的全喂入式联合收获机型，适宜丘陵山地水稻收获的半喂入式水稻收获机械品种不多、综合性能不好、返修率较高，行驶适应性优化提升技术、割茬精度优化提升技术、脱粒能力优化提升技术等核心关键技术科技研发仍有待提升（表9）。
表 9 亟待提升的丘陵山地水稻机械化关键技术Table 9. Key technologies for mechanization of rice in hilly and mountainous areas that urgently need improvement项目Items 关键技术Key technology 共性技术 发动机高功率低排放设计制造技术、刀具抗损降耗优化设计技术、车架轻量化设计技术、坡地自适应技术、车身调平技术、智能化控制技术 耕种环节 微耕机减震减阻技术、微耕机深度调节自动控制技术、自走式旋耕机多功能通用底盘技术、旋耕机减粘增脱优化设计技术 种植环节 宽窄行分插秧系统优化设计技术、施肥等多功能集成技术、自动控制技术、减黏降阻控制技术、直播机精量播种技术、
直播机种膜覆膜自动化控制技术收获环节 行驶适应性优化提升技术、割茬精度优化提升技术、脱粒能力优化提升技术 此外，国内丘陵山地专用农机制造企业普遍自主创新能力弱、生产规模小、市场覆盖面小、产值不高，农机制造企业与科研机构合作与共享不足，丘陵山地农机社会化服务能力普遍薄弱，与国外先进技术也存在较大差距。
6. 未来发展展望
1）在保证作业性能、安全可靠性能等综合指标的前提下逐步向轻量化、微型化方向发展。对车架等应力较大、应力集中的部位进行结构优化、配置优化和结构创新，推动计算机辅助工程仿真（computer aided engineering，CAE）等先进技术在水稻耕种收机械研发与设计环节的应用，深化多连接结构的一体化设计，减少焊接等加工工序，减少机械应力集中，去除冗余结构；深化高强钢、超高强钢等合金新材料及先进成形技术在水稻耕种收机械及核心零部件制造中的应用，提升旋耕刀、割刀等核心部件的硬度同时，减轻机械整体结构的质量，实现水稻耕种收机械在丘陵坡地湿田中的通过性和灵活性的提高、降低作业过程中的能耗与废气排放、提高机械的可操作性。
2）不断优化设计提升发动机的功率密度和耐用性。突破国产农机发动机效能低、耐用性差的发展瓶颈，聚焦燃烧室结构、喷油系统、点火系统等发动机燃烧系统开展优化创新，借鉴日本多点喷油技术、高压共轨喷油技术等先进技术，实现喷油系统的高精度控制；优化燃烧室的形状、尺寸和流道结构，实现燃料与空气的均匀混合；深化提升发动机传感器的采集精度，实现发动机喷油量和点火时间的精确控制；将数字虚拟模型等先进算法与技术应用于发动机设计，深化提升发动机研发制造工艺的精细化程度，以满足水稻耕种收机械对丘陵山地的复杂地形和恶劣作业环境的动力输出需求。
3）推动丘陵山地水稻生产数字智能化发展。加强适宜于丘陵山地复杂地形地势的传感器、芯片、算法、模型的技术攻关，深化多传感器融合技术、自动导航技术与动力底盘机械的有机融合，不断提高丘陵山地水稻机械化装备在复杂作业环境中的作业能力、作业效率、作业质量；深化北斗导航、大数据、智能感知、机器视觉、深度学习等数字技术在丘陵山地水稻生产作业装备研发制造中的应用，推动实现水稻生产作业装备的高端智能化升级；根据丘陵山地水稻生产需求，探索构建集数字化感知、智能化决策、精准化作业、智慧化管理于一体的无人/少人农场作业场景[74]，有效提高丘陵山地水稻生产作业效率和耕地利用率，为解决主体老龄化及耕地冬季撂荒问题提供支撑。
4）推动丘陵山地水稻生产作业装备绿色低碳化发展。对标“双碳”目标，攻克高能量长时效蓄电池技术、低转速大扭矩电动机[75]等核心关键技术，制定相关制造与安全的行业标准、国家标准、技术规范，加强绿色新能源、混合动力水稻耕种收农机装备的研发制造，并加强相关上下游产业链及相关充电设备的配套衔接。加强无膜铸造、一体化压铸成型、数控加工、激光加工、3D打印等[76]绿色制造技术在丘陵山地水稻农机装备设计制造过程中的应用，开展节材设计、生态设计等绿色产品设计工艺的应用，推动丘陵山地水稻耕种收机械轻简化发展的同时减少传统制造工艺中的能源消耗和环境污染。
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表 1 2022年丘陵山地水稻耕种收综合机械化率
Table 1 Comprehensive mechanization rate of rice cultivation and harvesting in hilly and mountainous areas in 2022
区域Region 机耕率
Machine-plowed rate/%机播率
Machine-sown rate/%机收率
Mechanical harvesting rate/%综合机械化率
Comprehensive mechanization rate/%浙江 100.0 66.9 100.0 90.1 福建 99.0 43.7 92.4 80.4 江西 99.1 49.0 98.0 83.7 湖北 99.0 63.0 98.2 88.0 湖南 98.6 45.8 92.4 80.9 广东 99.0 36.3 96.1 79.3 广西 98.8 49.4 97.7 83.6 重庆 97.7 30.5 84.4 73.5 四川 98.8 55.2 92.7 83.9 贵州 96.9 1.6 78.1 62.7 云南 71.3 9.7 44.2 44.7 丘陵山地 97.8 46.1 92.7 80.8 全国 98.7 61.6 95.5 86.6 
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表 2 丘陵山地典型微耕机与履带式旋耕机产品及主要参数
Table 2 Typical micro tiller and tracked rotary tiller products and main parameters in hilly and mountainous areas
类型
Type厂家
Manufacturer核心产品型号
Core product model产品参数
Product parameters主要销往地区
Mainly sold to regions市场占有率
Market share rate/%微耕机 重庆鑫源 1WGQZ4.2-100B-1 工作幅宽 1000 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）180°重庆、湖南、四川、广东、广西、湖北、浙江等 5.89 重庆宗申 1WGQZ4.5-100 工作幅宽 1000 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）180°重庆、湖南、广西、四川、云南等 4.61 重庆耀虎 1WG4.0-100FQ-ZC 耕宽100 mm，耕深 1000 mm，作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；扶把调整幅度（水平/垂直方向）180°重庆、四川、湖南、广西、广东等 3.43 重庆威马 1WG4.0-100FQ-ZC 可折叠扶手，方便直立存放；耕宽400 mm；耕深80 mm 重庆、浙江、湖南、四川、广西、湖北等 3.35 重庆旺耕 1WGCZ4.1-115(G4) 工作幅宽 1150 mm；作业生产率≥0.04 hm²/(h·m)；
扶把调整幅度（垂直方向）90°重庆、四川、湖南、湖北、广西、江西等 2.70 履带式
旋耕机中联重机 1GLZ-230M 工作幅宽 2300 mm；耕深旱田80~100 mm，水田100~160 mm；
轨距1200 mm；接地面积1.28 m2江西、湖南、浙江、广西等 43.03 江苏沃得 1GZL-220D
1GZL-220F作业宽幅220 cm；耕深12 cm；轨距 1200 mm；离地间隙370 mm江西、湖南、湖北、福建等 34.71 湖州丰源 1GZL230B(G4)
1GZL230C(G4)作业宽幅230 cm；轨距 1209 mm湖南、江西、浙江等 6.82 泰州常发 1GZL-220A(G4) 作业宽幅230 cm；轨距 1250 mm；离地间隙320 mm湖南、江西、湖北等 4.03 星光农机 1GZL-230C
1GZL-230A(G4)作业宽幅220 cm；耕深≥10 cm；轨距 1150 mm江西、湖南等 3.05
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表 3 国内丘陵山地水稻微耕机技术研究进展
Table 3 Research progress of rice micro tiller technology in hilly and mountainous areas of China
技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 微耕机手柄减震、
隔振技术中国农业大学[17] 2019 基于对微耕机耕作状态下手柄振动数据的时域和频域分析，构建三维数字模型，设计出可以降低振动强度的手柄，改善操作人员的工作强度 河南农业大学[18] 2022 基于对微耕机振动源的识别，通过替换发动机与车架橡胶螺栓、在发动机与车架之间安装隔振器等综合方法，优化隔离了发动机振动对微耕机的影响。 内燃式微耕机替代技术 南京农业大学[19] 2012 基于三相交流异步电机，研发了基于电网供电类的电动微耕机，该微耕机质量为110 kg，功率为4 kW，可实现耕深16 cm，耕幅90 cm，耕作效率 1500 m2/h。重庆威马农机股份有限公司[20] 2023 重庆威马农机股份有限公司于2023年上市了蓄电池供电类微耕机WMFT516，该微耕机整机质量25.8 kg，续航时间30 min，可实现耕深≥80 mm，耕宽400 mm 微耕机旋耕刀扭矩与功耗降低技术 四川大学[21] 2022 基于光滑粒子伽辽金（SPG）方法对耕作过程中微耕机与土壤相互作用机制的模拟，研究了不同耕作条件下微耕机旋耕刀扭矩与功耗，并通过遗传算法对其进行了双目标优化 微耕机辅助深度
控制技术西南大学[22] 2014 研发设计了由检测器、控制器、执行器和显示界面组成的微耕机辅助深度控制系统，用于实时显示耕深和控制微耕机阻力杆的往复运动，有效提升了微耕机耕深的一致性（将变异系数由11.59%降低到5.82%），提升了微耕机作业质量，并降低了操作人员的劳动强度（将劳动强度指数由20降低到18） 微耕机模块化、智能化控制技术 上海理工大学[23] 2024 研发设计了以Arduino为控制系统的模块化智能农业作业车，具有精密的机械结构和智能的控制系统，通过作业车设计，将喷洒、松土、播种、收割等多个作业单元联系成一体，达到一机多用的效果，并具备适应性强、操作简便、维护费用低等特性
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表 4 国内丘陵山地水稻旋耕机技术研究进展
Table 4 Research progress on rotary tiller technology for rice cultivation in hilly and mountainous areas of China
技术Technology 机构Institution 年份Year 内容Contents 基于虚拟样机技术的旋耕机研发设计技术 江西省农业科学院[25] 2022 基于深度学习网络的履带自走式旋耕机驱动系统的构建并开展系统仿真试验，提出基于深度学习相关算法、自编码网络、卷积神经网络的履带自走式旋耕机的结构设计方法，可通过对虚拟样机的动态仿真开展主要零部件的受力分析和关键零部件的有限元分析，旨在缩短设计周期，节省设计成本，提升设计的合理性 模块化、多功能
通用底盘技术广东省现代农业装备研究所[26] 2021 研发了一款丘陵山地履带式多功能底盘，该底盘由底盘机架、液压驱动系统、橡胶履带、支重轮、导向轮等零部件组成，能够实现车架的纵向和横向双向自动调平，以及旋耕、除草、喷药、运输多个农机的集成，综合提高了履带式旋耕机的爬坡性、自适应性、一机多用性能 湖南农业大学[27] 2021 基于多模块互换技术，在单一履带动力平台的基础上，优化了传统履带式旋耕机的单一功能，形成了履带式动力底盘模块+旋耕机模块、收割机模块、车型模块的形式，实现了旋耕、收割、运输等多种功能的集成，实现大宗农业机械装备在基于动力平台上的条件下一机多用，有助于减少农业机械的闲置浪费、提高农用资源的利用率 远程操纵技术 河北省农业机械化研究所[28] 2022 研发 1GZDY－120 履带自走式遥控旋耕机，其集机械技术、电子集成控制技术和液压控制技术于一体，通过发射器发送指令，接收器接收指令传输至液压元件或电子元件，控制机具行走快慢、转向、旋耕机升降、旋转刀轴停转等动作。该远程控制履带式旋耕机已经通过测试试验，测得最小转弯半径小、平均接地压力大，抓地能力强，旋耕深度适宜且稳定性好 旋转刀片减扭降耗技术 南京农业大学[29] 2022 基于DEM-MBD技术，建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型，分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律，研发设计了旋耕机自激振动旋转刀片，旨在实现旋耕作业减扭降耗 旋耕机减黏增脱技术 华中农业大学[30] 2023 基于水田旋耕机减黏增脱的实际需求，研发了一种基于土壤表面粗糙程度动态特性的旋耕机智能振动脱茬系统，通过该系统旋耕机可根据实时土壤表面粗糙程度做出相应脱离响应，有效提高了旋耕机的作业质量和脱茬性能
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表 5 国内丘陵山地水稻插秧机技术研究进展
Table 5 Research progress on rice transplanter technology in hilly and mountainous areas of China
技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 变量施肥等插秧机集成技术 华南农业大学等[40] 2023 集成水稻插秧与施肥功能，设计了自动控制的固体颗粒肥料变量施肥装置，以单片机STM32为控制核心，构建施肥量在线检测及智能调控系统，实现变量施肥作业 智能插秧机设计
技术沈阳航空航天大学等[41] 2024 基于智能化需求分析、技术要求与设计原则、物联网技术、硬件设计与优化、软件开发与优化等，提出智能插秧机创新策略 自动导航相关技术 安徽农业大学工学院[42] 2019 提高了秧苗行中心线提取算法的实时性和精度，采用基于分区域特征点聚类的秧苗行中心线提取方法，为确定插秧机的相对位置提供依据，推动实现水稻插秧机自动导航 华南农业大学等[43] 2019 以井关PZ-60型水稻插秧机为平台开展电动方向盘插秧机转向控制系统设计技术研究，采用电动方向盘作为转向执行机构，提出电动方向盘转向系统具有较好的动态响应和控制稳定性，适用于插秧机作业的自动转向控制，满足插秧机自动导航作业要求 浙江大学[44] 2024 对骑乘式插秧机进行视觉/惯性组合导航，利用深度学习网络和机器视觉提取稻田引导路线 车架轻量化设计 浙江理工大学等[45] 2012 以有限元分析结果为依据建立车架优化设计模型，结构改进后车架质量降幅达16.77% 再生稻分插机构设计技术 浙江理工大学等[46] 2024 提出空间轨迹不等速行星轮系机构，开展基于取秧口和机构回转中心位置约束的宽窄行分插机构综合研究，实现取秧过程侧向零偏移、偏转角
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表 6 国内丘陵山地水稻直播机技术研究进展
Table 6 Research Progress on Rice Livestreaming Machine Technology in Hilly and Mountainous Areas of China
技术Technology 机构Institution 年份Year 特征Features 水稻直播机整机设计 中国农业机械化科学研究院等[48] 2012 开展水稻直播机设计与试验，设计的水稻直播机可一次完成整平、播种、施肥和覆盖等工序，播种均匀性变异系数24.5%，各行排种量一致性变异系数3.2%，种子破损率0.2%
水稻直播机滑板机构优化设计华南农业
大学[49]2017 对水稻精量穴直播机仿形与滑板机构进行优化，优化后水稻精量穴直播机的纯作业效率为0.67 hm2/h，穴距合格率达100%，穴粒数合格率为95%，空穴率为0，播种后田面高差小于3 cm；平均首次故障前作业量为30.4 hm2/m，有效度为98.2%，各项性能指标和可靠性指标均达到了相关国家标准 华中农业大学等[50] 2024 针对水稻直播机滑板在扰动饱和水田环境中黏附重和阻力大的问题，提出一种水稻直播机仿生滑板，开展水田土槽试验，研究其在水田土壤环境下的减阻效果，为水田触土部件减黏降阻技术开发提供了新思路 精准排种 华南农业大学等[51-52] 2016,
2020基于直播机的稻种适应性、作业速度、播量调节等开展均匀分种、定量排种试验，研制了气力集排式、气吹集排式直播机分种装置，提高了直播机播种的均匀性和稳定性，通过减少排种器数量和使用气力输送种子，降低了伤种率 自动驾驶 上海交通大学等[53] 2018 提出不平整泥泞水田环境中的水稻直播机自动驾驶控制方法 上海交通大学等[54] 2022 开展基于滚动时域的无人水稻直播机运动状态估计研究，提出一种基于滚动时域的车辆运动状态估计方法（MHE），将状态估计问题转化为固定时域的优化问题并充分考虑约束条件，从而实现对带约束非线性模型状态的估计 小型化、轻量化、智能化设计 四川省农业机械研究设计院等[55] 2021 设计了一种锂电池驱动的四行电动遥控水稻直播机，实现通过雷达测量机组位移控制水稻播种，减小了轮子打滑造成的播种误差，通过三轮独立电机驱动，减小了机组田间转弯半径，电池续航里程超过2 h，整体机组重量轻、移动方便、转向精准、漏播率小、播种精准，适合在丘陵山区条田中水稻生产使用 种膜覆膜相关技术 辽宁省农业机械化研究所[56] 2024 设计了一种水稻种膜覆膜直播机，该直播机采用水稻种膜覆膜，将事先按农艺要求设定株距和穴距、黏附水稻种籽粒的可降解地膜铺设于整理好的土壤上，省去了复杂的播种装置，解决了机械式排种器在播种作业过程中对水稻种籽粒的机械损伤问题 建德市农业技术推广中心；浙江大学等[57] 2024 提出南方山改田水稻机械旱直播机覆生物降解地膜技术，集成旋耕、施肥、起垄、播种、浇水、覆膜、覆土、镇实等功能，有助于实现水稻种植的生态友好、省工降本、高产高效
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表 7 国外水稻收割机技术研究进展
Table 7 Research progress on rice harvester technology abroad
技术Technology 机构Institution 年份Year 内容Contents 自动驾驶相关技术 日本京都大学[59] 2020 针对丘陵山地水田的复杂环境开展障碍物检测和识别研究，将“瘦身”方法应用于图像级联网络（ICNet），建立了实时高精度的稻田图像分割模型，旨在精准确定收获和未收获区域之间的航线路径，保障智能水稻收割机的安全和精准作业 作业监测相关技术 伊朗桂兰大学[60] 2023 针对丘陵山地坡多、埂多、石砾多、收割机在作业过程中图像获取困难等问题，开展图像去模糊改善水稻联合收割机的谷物监测技术研究，提出一种图像去模糊算法，旨在防止水稻收割机在收割的过程中由于连续振动而阻碍谷物监测图像获取 收割机刀片等核心零部件 美国佐治亚理工学院[61] 2023 围绕孟加拉国对水稻收割机作业效率提升需求，开展收割机刀片相关研究，在传统机床等刀片制造工艺的基础上，提出冲裁、成型等刀片制造工艺，简化刀片形状的复杂性，提高生产效率和产品质量 新能源动力系统 孟加拉吉大港工程技术大学[62] 2024 针对孟加拉国石油等传统能源有限的自然资源条件开展太阳能水稻收割机设计研究，提出采用太阳能储能元件取代传统柴油水稻收割机发动机的新设计理念
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表 8 国内丘陵山地水稻收割机技术研究进展
Table 8 Research progress on rice harvester technology in hilly and mountainous areas of China
技术Technology 机构Institutions 年份Years 内容Contents 自动驾驶稳定性与灵活性相关技术 华南农业大学等[64] 2019 对丘陵地区收割机底盘机架做有限元分析，得到底盘的固有频率、振型和受力分析，通过Simulation模块进行模态分析，利用模态分析技术得到工作装置的各阶模态频率、模态特性和受力分析，研究底盘机架模态振型与振动之间关系，验证所设计的底盘机架合理性 南京农业大学[65] 2024 研发了一种用于无人收割机的实时水稻穗密度检测方法，利用深度学习技术在水稻无人收割场景中进行实时稻穗检测和密度评估，旨在提高收割机的农作物状态感知能力，实现自动调速 精准化割茬作业技术 江苏大学[66] 2024 研制了一种轻型水稻杂质含量和破碎率检测系统，结构简单可靠，可连续采集高质量的谷物图像，改进后的网络对于破碎颗粒和杂质的分割精度可分别提高6.13%和9.19% 南京农业大学[67] 2024 提出一种基于RGB-D图像的无人水稻收割机收割宽度测量方法，可以适应复杂的收割场景，具有更高的鲁棒性、更低的测量误差，并且切割宽度计算与收割机偏航角无关 脱粒作业能力提升技术 一拖（黑龙江）东方红工业园有限公司[68] 2017 针对微型水稻收割机切割器、拨禾轮等切割模块，以及脱粒模块进行优化改进，以适应淮河以南丘陵地势地形 江苏大学[69] 2020 开展导条对切向纵流水稻联合收获机脱粒产量和清收损失分布的影响研究，应用离散元模拟，分析了导条在脱粒输出分布上的分布位置，以脱粒率的标准差作为评价准则，得到了分配装置的最优结构参数 江苏大学[70] 2022 开展脱粒间隙技术研究，建立了刚性短秸秆和柔性长秸秆模型，通过脱粒模拟分析稻草上的平均压缩力，提出同心脱粒间隙脱粒产物中除谷物以外的物质（MOG）的质量分数比非同心间隙降低4.3%，稻草的破损程度也较低，为提升水稻收割机的脱粒和清洗能力提供理论依据 华南农业大学[71] 2023 设计了一种再生稻气力输送装置，详细分析了混合腔收缩段截面高度、长度对气流场以及再生稻籽粒运动的影响，以风机转速、填充系数和水平螺旋输送器转速作为试验因素，旨在减少再生稻收获机输送器的堆积与阻塞 自动清扫装置设计技术 马斯奇奥（青岛）农机制造有限公司等[72] 2022 设计一种自动清扫发动机侧罩的装置，装置由电机带动侧罩圆盘转动，由集成Codesys程序的控制器控制，每隔10 s圆盘自动转2.5 s，由静止的刮臂将旋转的圆盘上的杂物刮下，从而实现自动清洁
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表 9 亟待提升的丘陵山地水稻机械化关键技术
Table 9 Key technologies for mechanization of rice in hilly and mountainous areas that urgently need improvement
项目Items 关键技术Key technology 共性技术 发动机高功率低排放设计制造技术、刀具抗损降耗优化设计技术、车架轻量化设计技术、坡地自适应技术、车身调平技术、智能化控制技术 耕种环节 微耕机减震减阻技术、微耕机深度调节自动控制技术、自走式旋耕机多功能通用底盘技术、旋耕机减粘增脱优化设计技术 种植环节 宽窄行分插秧系统优化设计技术、施肥等多功能集成技术、自动控制技术、减黏降阻控制技术、直播机精量播种技术、
直播机种膜覆膜自动化控制技术收获环节 行驶适应性优化提升技术、割茬精度优化提升技术、脱粒能力优化提升技术
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