近年来,传统耕作方式引起的水土流失、扬尘和沙尘暴天气频发、生态恶化等环境问题越来越引起人们的重视,保护性耕作技术是解决这些问题的重要措施之一。本文在分析国内外保护性耕作的基础上,针对我国水稻种植中用工多、人工成本高、南方稻区土壤含水率高、秸秆量大韧性强等问题,将保护性耕作技术和水稻精量直播技术相结合,借鉴保护性耕作中条带旋耕理念,提出了一种双列正置驱动缺口圆盘破茬技术,研制了水稻免耕精量旱穴直播机,对水稻免耕精量旱穴直播机的关键技术及部件进行了深入研究,包括测定了土壤相关参数,对南方稻区水稻根茬复合体剪切特性进行了测量和分析,在对三种破茬圆盘进行离散元仿真和土槽试验的基础上,设计了一种集双列正置驱动缺口圆盘破茬装置,平行四杆仿形机构、型孔轮式排种器和弹性地轮驱动于一体的水稻免耕精量旱穴直播机,进行了田间性能试验和生产试验,取得的主要研究成果如下:(1)根据南方稻区保护性耕作技术的要求,对南方稻区的土壤物理特性进行了测定,采用自制的剪切试验装置对水稻根茬-土壤复合体进行了剪切特性试验,试验结果表明:极限剪切应力与复合体的含水率呈二次多项式函数关系;与土壤容重呈幂函数关系;与根茬-土壤复合体直径呈二次多项式函数关系;与剪切速度呈对数函数关系。剪切位置距离根茬中心越远极限剪应力越小,切刃刃角越小极限剪切应力也越小。在4种形状的刃口切刀中,凹圆弧切刃的极限剪切应力最小。在剪切速度450 mm/min、含水率25%、切刃刃角15°时,极限剪切应力最小,为水稻根茬破茬开沟装置的设计提供了依据。(2)建立了南方稻区土壤和水稻秸秆的离散元模型,以三种类型的破茬圆盘刀、台车的前进速度和刀轴转速为试验因素进行了仿真试验,并通过土槽试验进行了验证,两种试验误差为12%~30%。根据试验结果确定以缺口圆盘作为主要的破茬工作部件,据此设计了双列正置驱动缺口圆盘破茬装置并进行了试验。试验结果表明:土壤含水率在20~25%之间、秸秆覆盖量小于0.6kg/m~2、缺口圆盘直径Φ为435mm、驱动刀轴转速为350r/min、机具的前进速度为3.6 km/h时破茬装置的秸秆切断率和根茬率可以达到90%。(3)设计了一种水稻免耕精量旱穴直播机,可同步完成驱动破茬、开沟、精量播种、覆土和镇压等作业。对水稻免耕旱穴直播机的破茬性能、开沟性能、排种器和传动系统等关键部件进行了田间试验,田间试验结果表明:机具前进速度增加时,水稻秸秆的切断率和根茬切破率下降,但在驱动刀轴的转速为450r/min时,前进速度2.8 km/h、3.6 km/h和前进速度4.3 km/h时,三种前进速度下秸秆切断率和根茬切破率都达到95%;在鞋靴式(锐角)、鞋靴式(钝角)、标准双圆盘、限深双圆盘和缺口双圆盘的开沟器对比性能试验中,限深双圆盘能开出深1~3cm、宽4~6cm的适宜水稻播种的种沟。在地轮滑移率试验中,在土壤含水率为23%,秸秆覆盖量为0.75kg/m~2时,地轮滑移率在3%~12%。以前进速度为影响因素,采用型孔轮式排种器进行了台架试验和田间试验,在前进速度为2.7~3.6 km/h时,穴粒数合格率为90.57%,穴距合格率为88.77%。当前进速度超过3.6 km/h时,田间试验的穴距合格率为80%左右。机具较优作业参数为:前进速度3.6km/h、刀轴转速350 r/min。(4)进行了机械免耕直播对水稻生长特性的影响试验和大田生产试验,试验结果表明:与人工免耕撒播相比,机械免耕直播的出苗率高10%,实现了水稻免耕机械精量有序播种,成穴成行,满足水稻直播相关技术要求,与机械插秧和常规耕作机械直播相比产量降低约3%~5%。水稻免耕精量旱穴直播与人工免耕撒播、常规机械直播和机械插秧相比,每亩节约成本80~100元。2017年,在湖南益阳大通湖区千山红农场进行了生产试验,采用甬优4149品种,水稻整体生长平衡,株高、穗形均匀,结实率高,无明显病害,平均亩产705.88kg,高于当地平均产量5%。