馬鈴薯播種機具研究進展

劉文政，何　進，李學強，魏忠彩，章志強，鄭　侃，趙宏波，張宇帆

(1.中國農業大學 工學院，北京　100083；2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心，山東 德州　253600；3.山東希成農業機械科技有限公司，山東 德州　253600)

0　引言

馬鈴薯是一種產量高、營養豐富、加工用途廣且生長期短的糧食作物，在世界范圍內種植廣泛，是世界四大主要糧食作物之一，對保障世界糧食安全具有重要意義[1]。我國馬鈴薯種植已有300年多的歷史，具有種植面積大、分布范圍廣等特點，目前已成為世界第一大馬鈴薯生產國。據聯合國糧農組織統計，2014年我國馬鈴薯總產量和種植面積分別占世界的19%和29%[2]。2015年初，國家提出馬鈴薯主糧化發展戰略，將其列為繼小麥、水稻、玉米之后的第四大主糧作物[3]。2016年2月，農業部正式發布《關于推進馬鈴薯產業開發的指導意見》，意味著我國馬鈴薯產業發展進入快車道[4]，而發展馬鈴薯種植機械化對于促進馬鈴薯產業的發展起著至關重要的作用。

播種是馬鈴薯生產過程中關鍵環節之一，播種質量直接影響馬鈴薯收獲、產量和品質[5-6]。我國雖然是馬鈴薯生產大國，但迄今為止國內很多地區依然采用人工或半機械化播種作業，勞動強度大、生產效率低、作業質量差、生產成本高，嚴重制約著國內馬鈴薯產業的發展。20世紀初，歐美一些國家開始對馬鈴薯播種技術與機具展開相關研究；20世紀40-60年代，美國、加拿大等發達國家已基本實現馬鈴薯播種機械化；20世紀50年代末至60年代初，國內開始對馬鈴薯播種機械開始研究[7-8]，但同國外先進機具相比，在機具性能穩定性、作業質量和播種精度等方面與發達國家尚存在一定差距[9]。因此，了解和掌握馬鈴薯播種機及其關鍵部件主要類型和特點，探討存在的主要問題，對于我國馬鈴薯機械化播種機具的研究和推廣具有重要意義。

1　馬鈴薯機械化種植面積分析

圖1為2008-2014年我國馬鈴薯種植面積變化圖[10]。由圖1可以看出：2008-2014年全國馬鈴薯播種面積、馬鈴薯機耕面積及機播面積均呈逐年增加的趨勢，2014年馬鈴薯播種面積為5 573.30khm2，比2008年增長了19.51%，年平均增長率在3%以上。其中，2008-2009年播種面積增長率達到8.95%，增長幅度較大。馬鈴薯機耕面積方面：2014年為3 039.55khm2，比2008年增長了77.39%，年平均增長率10.02%，增長速度較快。其中，2008-2011年年均增長速度接近15%。馬鈴薯機播方面：2014年為1 320.09khm2，較2008年增長了17.66%，增長速度很快。其中，2008-2009年及2010-2011年機械播種面積增長率均在32%以上。整體來看，隨著馬鈴薯耕作及播種機械化水平的提升，馬鈴薯播種面積呈逐年增長的趨勢，但國內馬鈴薯種植機械化水平依然很低。其中，機械化耕作面積不足馬鈴薯播種面積的1/2，機械化播種面積不足馬鈴薯播種面積的1/5。馬鈴薯種植大部分靠人工進行作業，對我國馬鈴薯產業的發展起到制約作用，推進馬鈴薯播種機械化勢在必行。

圖1　2008～2014年全國馬鈴薯種植面積變化圖

2　馬鈴薯播種機主要結構類型

馬鈴薯播種機的核心部件是排種器，由工作原理可分為勺式、氣力式、帶式、轉盤式和刺針式等類型。

2.1勺式馬鈴薯播種機

勺式馬鈴薯播種機是目前使用最為普遍的一類播種機具，根據播種機自動化程度的高低將其分為全自動化和半自動化。勺式排種裝置是此類播種機的核心部件，根據驅動方式的不同，可分為帶勺式和鏈勺式兩種。其工作原理為：種薯受重力作用流動到種箱底部充種區，破拱裝置貼著種箱壁小幅振動，攪動種薯以免結拱；主動輪從播種機地輪獲得動力帶動排種器運轉，充種區一側的排種鏈(帶)向上運動，鏈(帶)上的種勺依次舀取種薯；待種勺運動至清種區，由振動式清種裝置清除種勺內多余種薯，被清除的多余種薯回落至種箱；種勺到達最高點后，種薯下落至前一種勺的勺背上，種勺勺背與導種管配合拖住種薯，防止種薯自由下落；種勺攜帶種薯運動至投種點，種薯由于失去支持力，下落至開溝器開好的種溝內，完成排種[5,11]。帶勺式排種裝置結構簡單，造價較低，易于增設振動裝置，并且能夠更好地協調排種器與拖拉機之間的速度關系；但其容易打滑，致使傳動可靠性降低，難以保證株距均勻性；鏈勺式排種裝置具有較好的傳動性能，但往往會出現破壞薯種幼芽、影響發芽率的現象，進而影響馬鈴薯的產量[12]。

2.1.1全自動勺式馬鈴薯播種機

全自動勺式馬鈴薯播種機主要由勺式排種裝置、施肥裝置、機架、開溝器、地輪也及起壟覆土裝置等幾部分組成，一次進地可完成開溝、施肥、播種、起壟覆土等多項作業[13]。根據與拖拉機配套形式的不同，全自動勺式馬鈴薯播種機又可分為懸掛式和牽引式兩種。拖拉機牽引或懸掛播種機進行田間作業時，開溝器開溝，地輪隨拖拉機前進并通過鏈輪和鏈條為播種和施肥裝置提供動力，肥料通過施肥器進入施肥管，經開溝器施入土壤；勺式排種裝置將種薯播至溝床，其后的起壟覆土裝置進行起壟覆土，完成馬鈴薯播種全過程。

現有典型機具如中機美諾科技股份有限公司生產的1240A型4行馬鈴薯播種機，如圖2所示[14]。

圖2　1240A型馬鈴薯播種機

該機與拖拉機配套形式為牽引式，采用帶勺式排種裝置，通過異形種杯皮帶產生的振動進行清種；開溝器采用雙圓盤機構，施肥單元運用雙側深施肥技術，所需配套動力74.5kW以上。由樂陵市天成工程機械有限公司與山東理工大學、山東省農業機械科學院共同研制的2CMX-4B型4行馬鈴薯播種機[15]，采用三點懸掛式結構，機具前端的開溝器為雙面犁尖式，排種器為鏈勺式且外設護罩，地輪為主動傳動機構，可根據不同的速比調整株距；機具后端的起壟覆土裝置為弧形圓盤式扶土盤，加有噴藥系統。該機播種行距90cm，適應株距14.5～47cm，需配套動力92kW以上。德國Grimme公司生產的GL32F型雙行馬鈴薯播種機[16-17]如圖3所示。該機采用三點式懸掛結構，機具前端為螺旋推進式施肥系統，設置傾斜圓盤覆土裝置，可實現在種薯兩側進行顆粒施肥，施肥量200～1 500kg/hm2；播種單元采用帶勺式排種裝置，適應行距75～90cm，配有平行四邊形結構的犁鏵開溝器，以保證種薯深度的精確性；機具后端除標準配置的圓盤式覆土器，還配置有后懸掛支架系統，為用戶提供豐富的選裝部件，如做壟型、鎮壓等，同時配有機器監控視頻系統，需動力50kW以上。英國Standen公司生產的SP400型4行馬鈴薯播種機[18]，與拖拉機配套形式為三點懸掛式，排種器采用鏈勺式排種裝置，開溝器為不銹鋼材料，機身配備重型底盤，起壟覆土裝置采用起壟犁體機構，同時可配備有自動限深裝置及液壓轉向裝置等。該機播種株距13～45cm，需配套動力95.6kW以上。

圖3　Grimme 32F型馬鈴薯播種機

2.1.2半自動勺式馬鈴薯播種機

半自動勺式馬鈴薯播種機主要由勺式排種裝置、施肥裝置、機架、開溝器、地輪、補種座及起壟覆土裝置等幾部分組成，一次進地可完成開溝、施肥、播種、起壟覆土等多項作業。有些機型根據農藝需要，設有鋪膜系統。該類播種機為小機型，一般采用鏈勺式排種機構，為保證較高單種取種率、降低漏播率，增設人工補種這一環節，從而增加了人工勞動強度。

現有較典型機具，如青島洪珠農業機械有限公司生產的2CM-1/2型大壟雙行覆膜馬鈴薯播種機[19]。該機采用三點懸掛機構，采用鏈勺式排種裝置，中部設有補種座供工作人員補種時使用，后部除標準配置的起壟覆土裝置外，還設有鋪膜、鋪設滴灌管等裝置。

該機工作深度8～15cm，播種行距24～28cm，株距20～35cm，施肥量0～6000kg/hm2，且這些參數均可調，提升了機具的作業適應性，需配套動力22kW以上。青島璞盛機械有限公司生產的2CM-2A型單壟雙行馬鈴薯播種機[20]，排種器采用鏈勺式排種裝置，種箱加裝電子振動播種裝置，肥箱加裝特制的雙向絞龍葉片等自動攪拌裝置，開溝器為雙面犁尖式，地輪為外跨式承載輪，且機具后端采用起壟刀式扶壟器。該機播種株距28/31/34cm可調，行距22～28cm，與拖拉機配套型式為三點懸掛式，需動力29.4～36.8kW。

勺式馬鈴薯播種機性能對比如表1所示。由表1可知：全自動馬鈴薯播種機配套動力均在50kW以上，所需功率較大，播種行數多，作業效率高，一般為中大型機型；而半自動馬鈴薯播種機一般為國產小型機，機動靈活，適應性較強，適用于小地塊作業，但需要人工補種，增加了人工勞動強度。在全自動馬鈴薯播種機中，1240A型與2CMX-4B型為國產機，GL32F型與SP400型為國外機型。從其自動化程度進行對比，國外機型采用液壓傳動系統并配備有電子或視頻監控系統，自動化程度要高于國內同類機型；同時1240A型與GL32F型馬鈴薯播種機的排種器均為帶勺式，排肥方式均采用雙側施肥技術，可有效避免燒種、燒苗。勺式馬鈴薯播種機具有結構簡單、操作方便、適應性強等特點，是目前使用最為普遍一類機型。

表1　勺式馬鈴薯播種機性能對比

續表1

2.2氣力式馬鈴薯播種機

氣力式馬鈴薯播種機主要由氣力式排種裝置、施肥裝置、機架、開溝器、地輪和覆土裝置等幾部分組成。氣力式排種裝置是氣力式馬鈴薯播種機的核心部件，其借助氣流作用進行充種、清種或攜種，主要分為氣吸式、氣吹式、氣壓式和中央集排式等幾種類型。相比于機械式排種器，氣力式排種器具有以下優點：①對種子的外形尺寸要求不高，不需要對種薯進行分級處理；②株距調節方便，只需改變排種器的工作轉速；③具有更好的通用性及更高的作業速度；④重播率、漏播率、種子破損率低；⑤更利于實現單粒精量播種[21-23]。

美國Crary公司生產的Lockwood600系列氣吸式馬鈴薯播種機[24-25]，包括Lockwood604、606、608等3種型號，如圖4所示。該機采用負壓吸種方式，可對整薯或切塊薯進行播種，與拖拉機配套形式為牽引式，其播種行數為4/6/8行；種薯箱采用大料斗設計，配有靴式開溝器。該系列播種機采用雷達控制的液壓傳動系統，并在機具輪軸上配備GPS導航系統，氣吸式排種單元中配氣閥配置有不銹鋼材料的吸種臂且吸種臂端口安裝有柔性聚氨酯材料的種薯杯，能夠在較高的播種速度下保證投種位置的準確性，同時利用電子監控系統控制種子播量；除此之外，還配備有清洗及噴藥系統。該機播種行距81.3～101.6cm，株距15.2～45.7cm，最大作業速度可達10.5km/h，所需動力103.0/132.4/165.5kW以上。目前，氣力式馬鈴薯播種機在我國還未進行大面積推廣使用，但對于氣力式馬鈴薯排種技術與裝備已開展相關研究。東北農業大學呂金慶等研制開發了2CMQ2型氣吸式馬鈴薯排種器[26]，該排種器主要由吸種箱、種箱、配氣閥、吸管接口、吹管接口和調節螺桿等部分組成。其工作原理為：當吸種臂與負壓氣室連通時，吸種臂在負壓作用下從種箱中吸取種薯，并攜帶種薯隨排種器同步轉動；當吸種臂旋轉至與正壓氣室連通位置時，吸種負壓消失，種薯在正壓及自身重力作用下落至開溝器開好的種溝內，實現排種作業。

2.3帶式馬鈴薯播種機

帶式馬鈴薯播種機主要由帶式排種裝置、施肥裝置、機架、開溝器、地輪和起壟覆土裝置等幾部分組成。工作原理：種薯輸送帶和種植帶以不同速度相向運動，以保證種薯不會從側面漏出，種薯則從種植帶上落入種溝[27]，該裝置具有對薯種外形體積要求不高的優點。帶式馬鈴薯播種機是近年來國外研制的一種新型播種機，目前我國還沒有大面積推廣使用。

圖5為德國Grimme公司制造的GB330型3行帶式馬鈴薯播種機[17,28]。該機采用牽引式掛接機構，取種方式采用水平差速傳送帶可實現高速取種，3個播種單元采用分段控制并通過液壓進行單行驅動，且帶有坡地調平裝置；機具配備的施肥系統在種薯兩側進行顆粒施肥，犁鏵式開溝器和壟成形裝置均采用液壓控制。該機型全部操作采用VC50操作終端進行控制，播種行距42cm，傾斜料斗容量3 000kg，作業速度最高可達12km/h，需配套動力60kW以上。荷蘭Miedema公司生產的2000L型2行帶式馬鈴薯播種機[29]，與拖拉機配套形式為三點懸掛式，整機采用液壓驅動，且通過拖拉機上的電磁控制系統和人機操作界面系統進行控制，該機播種行距75～91cm，株距3.8～50cm，整機質量2 000kg，需動力73.5kW以上。

2.4轉盤式馬鈴薯播種機

轉盤式馬鈴薯播種機主要由轉盤式排種裝置、施肥裝置、機架、開溝器、地輪及起壟覆土裝置等部分組成，其排種器采用圓形狀轉盤，轉盤上設有隔板，且隔板呈放射狀分布，將轉盤分成若干小格。工作時，地輪通過鏈條帶動取種轉盤下方的橫軸而驅使排種器運行，取種轉盤由錐齒輪連接的橫軸帶動旋轉，取種轉盤位于立軸上端；種薯由薯箱下端的開口處滑出，由人工將種薯從托盤處取出并放到轉盤小格中，取種轉盤下方的機架設有擋板和透過擋板的排種管；當帶有種薯的轉盤小格轉到排種管口位置時，薯種由取種轉盤撥入排種管，然后播種至開溝器開出的溝槽中。取種轉盤式馬鈴薯播種機具有對種薯大小和形狀沒有要求，排種過程不傷薯、不卡種以及重漏播率低等優點；但由于需要人工放種，人工勞動強度大[23,30]。

東北農業大學研制的2CMB2型2行轉盤式馬鈴薯播種機，主要針對地塊較小、坡度較大的西南一、二季混作區和南方冬作區，一次作業可完成馬鈴薯(種薯、切塊薯、微型薯)開溝、施肥、播種、起壟覆土及鎮壓等多項作業，搶農時，效率高，且農機農藝相結合適應性強，保證了馬鈴薯先進栽培技術的實施和播種質量[17]。意大利F.LLISPEDO公司生產的TPA-PP2型轉盤式馬鈴薯播種機[31]，具有體積小、質量輕、作業靈活等特點，采用三點懸掛機構，機具前端左右兩側設有限深輪，后端兩對覆土圓盤帶有刮土板，一次進地作業行數為2行，整機質量192kg，需配套動力22kW以上。

2.5針刺式馬鈴薯播種機

針刺式馬鈴薯播種機主要用于美國，在20世紀80年代得到廣泛應用，由針刺式排種裝置、開溝器和覆土器等組成。其主要特點是對種薯大小和形狀沒有特定要求。工作時，開溝器開溝，針刺式排種裝置則從種箱中通過針刺扎取種薯并隨旋轉圓盤旋轉，至投種區在導種管和幅擋的共同作用下將種薯從針刺上拔出并落入種溝內，覆土器覆土，完成播種作業。試驗及田間生產實踐表明：薯塊大小和形狀對排種器的種植株距均勻度沒有顯著性影響，投種均勻度遠比勺式播種機高；但針刺式排種裝置對種薯有損傷，薯種間容易交叉感染病菌，且刺針易變形損壞，同時工作過程中刺針容易纏繞雜草和污泥，目前該類型播種機已很少采用[30,32]。

3　各類型馬鈴薯播種機的比較分析

通過各類型馬鈴薯播種機比較(見表2)表明：勺式馬鈴薯播種機在我國占據重要位置，但其存在重漏播率高、播種質量差及作業速度低等問題。隨著對播種精度及作業效率要求日益提高，勺式馬鈴薯播種機需進一步完善其機具性能，提升自動化智能化程度。氣力式馬鈴薯播種機對種子外形尺寸要求不高，作業速度快，種子破損率低且可實現精量播種，是未來發展趨勢方向。轉盤式馬鈴薯播種機因其自身作業靈活等特點，可加大在我國山地丘陵等地帶進行推廣。

表2　各類型馬鈴薯播種機比較

4　展望

4.1加大機具作業機理研究

當前，我國馬鈴薯播種機一般采用勺式馬鈴薯播種機，普遍存在重播和漏播率高、傷薯嚴重、播種質量差及故障率高等問題，對機具作業機理研究顯得尤為重要[30]：①加強馬鈴薯播種機開溝、取種、投種、施肥、覆土等關鍵技術的研究，實現裝備的高效低耗精量播種，并積極探索新工藝，使用新材料，完善產品性能，不斷提升馬鈴薯播種機可靠性；②根據馬鈴薯機械化播種作業特點，對勺式馬鈴薯播種機進行優化改進，并借鑒現有小麥、玉米播種機及國外成熟經驗，著力研究和開發氣力式馬鈴薯播種機，實現精量高速播種。

4.2走自動化、智能化發展道路

自動化、智能化馬鈴薯播種機是未來發展的一個重要方向，具有以下優點[23,34-35]：①實現高速、精確及無損播種，同時可實時監測、控制自動補償，降低種薯播種過程中的重播和漏播率，提升播種質量和作業效率；②降低馬鈴薯播種勞動強度，減少機械播種作業過程中的能源消耗，同時通過自動化、智能化施肥播種系統對肥料、種薯的施用量進行精準控制，降低生產成本；③可以有效降低馬鈴薯播種機的操作難度，進而降低對操作人員的文化程度及勞動能力的要求。

4.3農機農藝結合

我國馬鈴薯種植區域分布廣，區域差異較大，種植模式與種植制度多樣，嚴重阻礙了馬鈴薯播種機械化的發展。農機農藝相結合是解決這一問題的關鍵，應從以下幾個方面入手[24,36]：①研究不同地區、不同種植模式下的機械化適應性，并研究借鑒國外的機械化作業模式和作業路線，整合不同種植模式，大力推廣高產、優質、高效的適合機械化作業的馬鈴薯種植模式；②針對不同的地形、地塊的差異研究不同類型的馬鈴薯播種機，既要生產出適應小地塊的機動靈活的小型機，又有針對大面積作業的大型機，從而提高作業效率，降低功率消耗；③加大馬鈴薯微型薯原種播種機的研發力度，為推廣品質好的脫毒馬鈴薯種植提供基礎條件，從而提高馬鈴薯增產幅度，增加糧食產量。

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