黑土是重要的土壤资源,我国的黑土地主要集中在东北地区,是世界四大黑土地之一,也是我国重要的商品粮基地,加强粮食主产区黑土地保护和利用对保障我国粮食安全具有重要意义。黑土地在传统耕作利用中,因过度开垦、忽略了种养结合,导致黑土层变薄、土壤有机质下降、风蚀水蚀加剧等问题,对国家粮食安全产生严峻挑战。为切实有效保护好黑土地这一“耕地中的大熊猫”,广大科技工作者积极探索适宜的技术模式,有序推进黑土地保护与利用。保护性耕作技术是以机械化为手段、以“覆盖免耕、保土保水”为精髓的一种绿色农业耕作技术,对降低土壤风蚀水蚀、增加土壤肥力、提高土壤的蓄水保墒能力具有积极效益。秸秆混埋还田技术作为保护性耕作技术体系中的一种秸秆处理与蓄水耕层构建方式,秋季玉米机收后,采用松耙联合整地机对全量秸秆覆盖的耕地直接进行作业,完成秸秆的深层混埋。秸秆混埋还田技术有效解决了春季播种期地温回升慢、玉米秸秆腐烂速率低等问题,具备绿色农业的可持续发展优势。本文立足黑土地保护实际需求,采用农业机械设计、离散元及有限元仿真、室内土槽试验及田间试验等手段,研究适用于东北黑土区的秸秆混埋还田技术,研发与该技术配套的关键部件,从而为黑土地保护提供有效的解决方案。本文为秸秆混埋还田技术的研究与示范提供了试验依据和装备支撑,主要研究内容包括以下几个方面:（1）玉米秸秆混埋还田对土壤水分入渗及玉米苗期生长特性研究为探究玉米秸秆混埋还田对土壤水分入渗性能的影响,利用Design Expert软件,根据Box-Behnken试验原理通过室内土柱模拟试验,以秸秆混埋深度、秸秆混埋量、秸秆长度为影响因素,以渗水量为指标进行三因素三水平二次回归正交试验。通过建立响应面数学模型,分析各因素对土壤水分入渗性能的影响规律,并对影响因素进行综合优化。试验结果表明:当秸秆混埋深度为20 cm、秸秆混埋量为80%、秸秆长度为9 cm时,渗水量达到最优值。揭示玉米秸秆混埋还田对玉米苗期生长及种床特性的影响,对不同秸秆混埋深度、秸秆混埋量、镇压强度条件下玉米苗期生长及种床特性进行评价。试验指标包括:玉米出苗率、平均出苗时间、玉米株高及茎粗、玉米根系干重、玉米植株茎叶干重、土壤坚实度及土壤含水率等。由试验结果分析可知,秸秆混埋深度、秸秆混埋量、镇压强度对玉米出苗率、平均出苗时间、玉米株高及茎粗、玉米根系干重、玉米植株茎叶干重影响显著,对土壤坚实度及土壤含水率影响不显著;相比于22 kPa的镇压强度,12 k Pa的镇压强度玉米生长特性较好,镇压强度过高会影响植株根系延伸;当秸秆混埋量由60%提高至80%时,土壤坚实度降低,土壤含水率逐渐升高,说明土壤中混埋秸秆可以降低土壤坚实度,增强土壤的持水性能。（2）土壤秸秆混合体仿真模型研究及滚珠型深松铲设计与试验为寻求黑土区秸秆混埋还田中关键部件设计优化过程中的离散元仿真模型参数,以黑土区土壤秸秆混合体为研究对象,构建土壤秸秆混合体离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。采用圆筒提升的方法确定土壤秸秆混合体的实际堆积角,利用Design Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数:土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能。进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理确定最优参数组合:秸秆-土壤滚动摩擦因数为0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数为0.24、土壤-钢静摩擦因数为0.75、土壤JKR表面能为0.67 J/m~2。依据建立的土壤秸秆混合体模型及农业机械设计原理,确定滚珠型深松铲结构方案及各部件结构参数,建立深松铲力学模型,基于离散元法分析滚珠型深松铲及传统型深松铲的土壤扰动性能及耕作阻力。运用室内土槽试验,分析不同工作速度下滚珠型深松铲及传统型深松铲的耕作阻力及深松稳定性。结果表明:相比于传统型深松铲,滚珠型深松铲可降低8.74%～13.38%的耕作阻力,深松稳定性系数在93%以上。（3）仿生圆盘耙片结构设计及有限元分析为解决圆盘耙单体作业过程中切削性能不稳定的问题,基于仿生学原理,从金蝉运动角度进行分析,利用MATLAB软件对金蝉外轮廓曲线进行拟合提取,利用MATLAB软件的图像处理模块将金蝉轮廓图像转化为数学模型,以确定准确的函数坐标,采用整体法进行曲线拟合,用于仿生圆盘耙片缺口曲线设计,设计仿生圆盘耙片。探究仿生圆盘耙片运动机理,分析其在作业过程中的耕作阻力。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA分析仿生圆盘耙片对秸秆和土壤切削性能的影响,优化仿生圆盘耙片单体在松耙联合整地机上的配置。搭建仿生圆盘耙片动态性能测试试验台架,分析在不同作业速度、耙片偏角、耙片入土深度作业后的秸秆还田率。试验结果表明:机具作业速度7 km/h,耙片偏角25°,耙片入土深度16 cm,秸秆还田率达到最大值为64.78%。（4）秸秆混埋还田配套关键部件集成与松耙联合整地机田间试验综合运用秸秆混埋还田技术研究成果,集成深松铲和仿生圆盘耙片关键部件,设计了适宜于秸秆混埋还田技术的松耙联合整地机并进行样机试验。田间试验结果表明:机具一次作业可以完成切茬、混埋、深松、碎土、镇压等多项工序,完成全量秸秆覆盖还田地块的耕整作业。研究不同机具作业速度、耙片入土深度、深松铲入土深度对秸秆覆盖率和秸秆还田率的影响。通过响应曲面图分析不同因素间的交互作用,利用软件优化求解器得到:机具作业速度9 km/h,耙片入土深度13 cm,深松铲入土深度30 cm,秸秆覆盖率达到最大值60.13%,秸秆还田率达到最大值79.80%。通过试验对优化后的参数进行验证,试验得到的数值与模型最优值相对误差小于5%,研究结果可为秸秆混埋还田技术推广及机具优化改进提供理论参考。