保护性耕作实施过程中，涉及到的主要机具有秸秆残茬管理、表土耕作、免少耕播种和深松机具。
秸秆残茬管理是保护性耕作的基础，秸秆覆盖的好坏，直接关系着保护性耕作实施的成败;表土耕作是杂草控制的关键技术之一;免少耕播种机在有秸秆覆盖的地表完成播种作业，故有效防堵是顺利实施免少耕播种的前提;深松是蓄纳降雨、打破犁底层等所采取的疏松土壤的措施。
2.1 秸秆残茬管理技术与机具
传统翻耕使土壤长期裸露，缺少秸秆残茬的覆盖或混合，降低土壤水分，土壤风、水蚀严重，不利于农业生态环境保护。长期研究表明，地面覆盖秸秆可以有效减少地表径流60%、土壤水蚀80%左右，提高水分利用效15%~17%、土壤蓄水量14%~15%;增加土壤碳、磷和微生物含量，改善土壤结构。此外，秸秆还田可防治沙尘暴，改善农田作物生长环境，实现可持续农业生产。保护性耕作中，需要采用机械化技术对秸秆残茬进行管理，保证免少耕播种和秸秆还田作业质量。
秸秆残茬管理机具通常利用高速运动的秸秆粉碎刀或根茬粉碎刀，对秸秆或作物根茬进行多次高速打击、砍切、揉搓、撕裂后将秸秆或根茬粉碎成碎段和纤维状，一般还伴随着翻埋或抛撒还田作业，具有作业质量好、处理秸秆量大、成本低、生产率高等特点。按照作业形式，秸秆残茬管理机具可分为两大类：
①秸秆粉碎还田机具，主要包括秸秆粉碎机、与联合收获机配套的粉碎装置等;
②根茬粉碎还田机，主要包括单轴式根茬粉碎机、秸秆粉碎与根茬粉碎联合作业机、双轴式根茬粉碎旋耕机等。
秸秆粉碎还田机具中，根据刀片粉碎秸秆的方式不同，可以分为旋转和砍切两种类型。旋转粉碎方式应用广泛，其工作原理是通过高速旋转的锤爪或甩刀，对秸秆进行多次高速锤击、切割和揉搓，将秸秆粉碎成丝瓤状。砍切类型的玉米秸秆还田机械，其工作原理为通过压辊将玉米秸秆沿机具前进方向压倒并与地面紧密接触，切刀在偏心轮盘的带动下做往复运动，将玉米秸秆切成段状。砍切粉碎提高了玉米秸秆切碎长度合格率，减少了后茬小麦免耕播种机具被秸秆堵塞的情况。根茬粉碎还田机主要用于播种前的作物秸秆与根茬处理，作业对象为玉米、高粱、棉花等根茬粗壮硬实的作物。其工作原理为通过旋转的根茬粉碎刀切碎作物根茬并碎土，利用机罩的限制导向作用使得土壤进一步破碎，同时将碎茬和土壤搅拌混合还田。
2.2表土耕作技术与机具
表土耕作是指在收获后至播种前用机械对地表下10cm以内的表层土壤进行的作业，是少耕的一种形式。必要的表土处理对保护性耕作有如下意义：
①平整地表。上茬作物收获后存在沟辙和垄沟，表土耕作能平整地表，有利于后续免少耕播种。
②降低地表秸秆覆盖率。玉米秸秆粉碎条件下，耙一次地可降低秸秆覆盖率15%~24%。将表土和秸秆混合，能够防止冬季休闲时大风将粉碎后的秸秆刮走或集堆，可提高免少耕播种机的通过性。
③灭除杂草。保护性耕作条件下采用全面浅松可使除草率达到90%以上，减少农药使用量和生产成本。
④降低表土容重，减小开沟阻力，提高表土地温，增加蓄水量。浅松作业能降低免少耕播种机40%左右的开沟阻力，减小秸秆根茬和土壤容重对播种质量的影响。免耕加上表土作业后，休闲期蓄水量明显增加，水分利用率提高13.6%。
表土耕作主要包括耙地、浅松、垂直耕作等，在保护性耕作时常用到的机具为圆盘耙、弹齿耙和浅松机等。
圆盘耙在滚转前进时，利用自重和土壤反作用力入土，土壤沿耙片凹面上升和跌落，达到碎土、翻土和覆盖等效果。圆盘耙的关键部件即耙片，根据耙片形状可分为全缘和缺口圆盘，缺口耙片有较强的切土、碎土和切断残茬的能力;按耙组的配置方式可分为对置式和偏置式两种，对置式圆盘耙侧向受力平衡，工作平稳，且耙组交错对置排列，作业后地面无沟埂;偏置式圆盘耙侧向力不易平衡，调整较困难，只宜单向转弯。
弹齿耙主要是通过振动的耙齿来疏松土壤，平整地表，同时防止秸秆缠绕，可用于播种前的地表处理，达到创造良好种床、提高播种质量等目的。弹齿耙工作时不会造成土壤翻转，基本上不减少地表的秸秆覆盖量。根据工作部件弹齿耙可分为凿式、锄铲式等。国外典型弹齿耙基本采用多梁结构，有利于秸秆通过，弹齿的振动通过入土后阻力不均匀性及弹簧部件实现。
浅松机则利用松土铲从地表下5~8cm处通过，表层土壤和秸秆从浅松铲表面流过，并经过镇压，从而获得平整细碎的种床，实现平地、除草、碎土功能，同时浅松还能降低表土容重，提高表土温度，减少播种开沟器的阻力，改善播种质量。浅松处理时，由于并不将秸秆混入土中，地表秸秆量减少不明显。
垂直耕作是一种对土壤进行垂直剪切而不引起土壤水平扰动的耕作方式。垂直耕作中主要使用的关键部件为圆盘刀和圆盘耙，圆盘刀在滚动碎土的同时切碎秸秆残茬，并将秸秆与土壤混合，促进秸秆的腐烂分解，使得种床有更均匀的容积密度和孔隙度，有利于种子的发芽及出苗。细碎的秸秆也能减少堵塞，提高免少耕播种机的通过性。同时垂直耕作减少耕作次数，缩短耕作时间，缓解了土壤压实问题。在实际作业中，垂直耕作多采用“圆盘刀-圆盘耙”、“圆盘刀-深松铲-圆盘耙”等组合形式，以实现更好的土地耕整效果。
2.3免少耕播种关键技术与机具
免少耕播种机是在免耕或者少耕的地表实施播种作业，地表往往存在有一定程度的秸秆残茬覆盖，秸秆残茬覆盖量影响着免耕播种机作业环节的工作可靠性。有效防堵是实施免少耕播种的技术核心，按照防堵形式分为重力切茬防堵、动力驱动防堵和秸秆流动防堵等形式。
2.3.1 重力切茬防堵技术
免耕播种机重力切茬防堵技术主要以圆盘开沟器为核心部件，其防堵原理是开沟圆盘在机具自身重力作用下高速转动，滚动切割秸秆、根茬和土壤，实现顺畅播种、施肥。该技术的优点是工作部件沿地面滚动，具有良好的防堵性能，但由于圆盘开沟器需要较大的正压力，因而免耕播种机播种单体相对较重、种肥分施能力相对较差。
根据圆盘形状结构可分为缺口圆盘、波纹圆盘、平面圆盘、凹面圆盘、涡轮圆盘等。缺口圆盘由于外缘具有一定的冲击作用，因此具有较强的切土、碎土和切断残茬的能力，适用于黏重土壤。常见的缺口圆盘外缘有三角形、梯形或半圆形。
波纹圆盘(微型波纹圆盘)依靠重力和弹簧附加力产生的切、挤作用在作业区形成较宽的松土带，但所需的入土力增大，不适宜在黏重土壤条件下工作，作业时圆盘需加载700~2000N才能切断秸秆，切开地面达到一定的深度，要求机具有足够的重量。波纹圆盘刀的槽数越多、波纹越小，开沟宽度越窄。
平面圆盘与播种机前进方向平行时，圆盘的作用只是切开根茬、切断杂草和秸秆、在土壤表面切出一道缝，后续安装开沟器开沟。平面圆盘与播种机前进方向有一定夹角时，则可直接进行播种、施肥。
凹面圆盘类似于圆盘耙，与前进方向有一定的夹角，工作时，可利用圆盘的角度及滚动，将秸秆、根茬和表土抛离原位，实现破茬开沟。
2.3.2 动力驱动防堵技术
免耕播种机动力驱动防堵技术主要适用于秸秆覆盖量大、抢种抢收的一年两熟地区，其工作原理是利用拖拉机的动力输出轴提供动力，驱动防堵装置对秸秆残茬进行粉碎、抛撒等作业实现防堵。
目前对驱动防堵部件的研究从原理上主要分为“条耕”、“粉碎”、“切茬”和“拨抛”等几种形式。“条耕”式防堵的工作原理是在播种机开沟器前方安装旋耕刀，对播种行进行条带浅耕，粉碎、破除秸秆和根茬，整备种床，保证播种质量，目前应用比较广泛的是条带旋耕模式。
“粉碎”防堵的工作原理是利用安装在开沟器前方(或两侧)高速旋转的粉碎刀将播种行的秸秆粉碎，并利用粉碎刀的动能带动碎秆沿导草板抛向开沟器后方，从而实现防堵。在“粉碎”防堵过程中，粉碎刀不接触土壤，不会对土壤产生扰动，且高速旋转的粉碎刀对播种行的秸秆有很强的粉碎性能和后抛能力，因此防堵性好。
“切茬”防堵的工作原理是切茬圆盘在动力驱动下主动旋转，只需较小正压力就可将覆盖于地表的秸秆和根茬切断，疏松地表土壤，开出种沟;同时，圆盘可将切断的秸秆推向种行两侧，形成清洁播种带防止秸秆堵塞。
“拨抛”防堵的工作原理是拖拉机动力输出轴驱动秸秆粉碎、(侧)抛撒装置或者拨指(拨指不入土)，将残茬和秸秆抛向开沟器后方或播种机两侧，形成清洁播种带防止秸秆堵塞。
2.3.3 秸秆流动防堵技术
相对重力切茬防堵和动力驱动防堵技术，秸秆流动防堵技术主要适用于秸秆覆盖量较小的地区。免耕播种机作业时，地表秸秆的流动性加强，一定程度上能够减少秸秆堵塞现象。常见的增强秸秆流动性的方式有：播种机多排开沟器布置以及开沟器前(侧)部增设防堵装置等。
2.4 深松技术
保护性耕作技术采用免、少耕虽然可以减少土壤耕作，但种、管、收等环节的拖拉机和农机具的田间作业会对农田土壤产生压实现象。此外，土壤紧实度随着土壤自然状态下的沉降会有一定程度的增加，作物根系对水分和养分的吸收能力因土壤相关参数及物理特性的变化而有所改变，最终影响农作物的产量。深松作业在不翻转土壤、不打破原有土壤耕层结构的前提下，利用深松铲疏松种床土壤，打破坚硬的犁底层有利于蓄水保墒，加深耕作层有助于根系深扎，是旱地农业的保护性耕作技术之一。
保护性耕作条件下深松技术与机具的研究需要综合考虑：
①深松铲易被覆盖在地表的秸秆和杂草缠绕，造成堵塞，影响作业质量;目前减少深松铲缠绕的方法有在深松前部增加圆盘切茬刀或者改善深松铲柄的滑切性能;
②保护性耕作采用免少耕，存在土壤紧实度和容重相对较大的问题，使得深松作业阻力增加。常见的深松减阻方法有仿生减阻法、振动减阻法等;
③深松机具的深度监测系统需完善;
④深松环节的碎土特性、土壤机械动力学等仍应作为研究的重点。
先进适用的农业机具是有效实施保护性耕作的关键所在。目前，国内已成功开发出一批具有自主知识产权且适合国情的秸秆还田、表土耕作以及免少耕播种等机具，为保护性耕作技术的推广应用提供了装备保障。但还存在一些不足：
①免耕播种机在大量秸秆覆盖条件下的播种质量有待提高。与国外大型免耕播种机相比，国内播种机具在作业速度、播种质量、防堵部件加工工艺与材料等方面仍需加强研究;
②秸秆还田机具作业质量有待提高。抛撒及覆盖均匀性尚不能实现较佳控制;棉花、香蕉等经济作物的秸秆还田技术与机具研究需逐步加强;秸秆还田正负效应及配套机具优化集成等也应作为研究重点;
③表土耕作机具的相关基础理论较为薄弱，机具结构、运动参数与作业质量的关系有待于进一步研究。