蔬菜精量直播技術及裝備的研究現狀

管春松 崔志超 高慶生 楊雅婷 陳永生，2*

（1農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014；2江蘇現代園藝工程技術中心，江蘇鎮江 212400）

對于葉菜類、蔥蒜類等種植密度大、行距小的蔬菜作物，種子機械化直播既能減少繁雜的作業工序，又能提高作業效率，對降低蔬菜生產成本、實現蔬菜生產全程機械化具有現實意義。本文總結了蔬菜精量直播四大關鍵技術，并在此基礎上分類分析了國內外蔬菜精量直播機發展現狀、特點及推廣應用狀況，淺析現有直播裝備及配套技術存在的問題并給予發展建議，為蔬菜精量直播機的進一步深入研究提供參考。

蔬菜是我國近幾年發展速度較快的經濟作物之一，現種植面積僅次于糧食作物，成為農業經濟發展的重要支柱產業（陳永生 等，2014）。我國作為世界上最大的蔬菜生產國和消費國，種植面積和總產量分別占全球的43%和49%，截止到2017年我國蔬菜種植面積達0.22億hm2（3.3億畝），總產量達7.8億t，人均年占有量600 kg左右（http：//www.moa.gov.cn/ztzl/scscxx/）。但與糧食作物相比，我國蔬菜機械化綜合水平僅為20%左右（張曉青 等，2012；陳永生 等，2015；管春松 等，2017），落后的機械化水平嚴重制約了蔬菜產業的發展。

蔬菜種植一般分為育苗移栽和直播兩種方式，因移栽需集中供苗、遠距離運輸且機械化移栽用工量仍較大等因素，同時針對葉菜類、蔥蒜類等密植小行距的蔬菜作物機械化移栽實現難等現狀，機械化直播既替代了育苗移栽的繁瑣，又節省人工，提高作業效率，同時能夠保證播深一致、出苗整齊，利于作物后期管理與收獲。傳統的人工撒播，不僅作業效率低，且因拋撒的不規范，造成了種子大量浪費，還存在覆土深度不一、分布不均和出苗不齊等現象，難以實現規模化種植。因而實施蔬菜機械化播種已成為蔬菜園區迫切需要解決的問題之一。

蔬菜機械直播是通過播種機直接在整理好的田塊進行播種的作業方式，近幾年國內已對蔬菜機械直播開展了大量研究工作，但面對繁多的蔬菜種類，通用化的播種裝備越顯得鳳毛鱗角，成為蔬菜播種環節亟須攻克的難題。筆者調研了國內外蔬菜直播機的研究狀況與特點，分析探討我國現有機型存在的問題，旨在為國內蔬菜直播機的研究、設計與推廣應用提供參考。

1 蔬菜精量直播關鍵技術

1.1 種子丸?；夹g

由于蔬菜種類千差萬別，胡蘿卜、茄子、大蔥等蔬菜種子形狀、體積、規則都不一；另外，微小粒蔬菜種子質量輕、體積小，使得蔬菜直播機對種子識別敏感度下降，精量播種難度增大，因而需對種子進行處理，將其包衣丸?；?，以更好地適應機械化播種。

目前發達國家蔬菜種子丸?；庸ぬ幚砺蔬_90%以上，已逐漸形成規范的加工標準，而我國種子丸粒化加工處理率不足10%，與國外差距較大。種子丸粒化技術發展推廣的關鍵在于丸粒化粉材料和將粉粘結固化于種子表面的丸?；O備（胡志超 等，2008），首先由于國內針對多種類蔬菜種子丸?；玫陌路蹌┐蠖嗖捎猛ㄓ眯筒牧希瑲⑾x劑也是品種單一，缺乏針對性，對不同區域、不同氣候特點的適應性差，影響發芽率，缺乏系統研究；其次加工設備內壁做工粗糙，種子出口處結構設計不合理所引起的包衣后的種子易撞擊出口，故而導致包衣成丸效果差，甚至出現傷種現象，另外通用性差，同時滿足圓粒和扁粒種子加工的設備缺乏，目前仍以進口德國、美國、丹麥等國產品為主；再次加工工藝流程不規范，無統一的質量加工規范和檢驗標準，最終導致我國與國外丸?；焚|相差較大，造成我國蔬菜丸粒化種子大多直接從荷蘭、美國、日本等國家引進。隨著蔬菜精量播種技術的推廣應用，我國種子丸?；夹g必將得到迅猛發展。

1.2 精量排種技術

蔬菜直播技術中，精量排種是關鍵，而排種器則是精量排種的核心部件，當前如何解決小粒徑種子實現精量排種仍是技術瓶頸。排種器按工作原理可分為機械式和氣力式兩大類。

機械式排種器播小粒徑種子時型孔過小易造成堵塞和破損，型孔過大又難以實現精量排種。為此國內一些學者在排種器方面進行了大量研究，如連銀娟和羅玉蓮（2002）研制了滾筒式油菜播種機，滾筒孔設計成喇叭狀用以防堵塞；袁文勝等（2009）研發了一種異形孔窩眼輪式排種器，核心為異形孔的窩眼孔型和排布方式及清種部件；陳海英和劉建政（2010）設計了一種鑲嵌組合式排種器，通過試驗得出排種輪的型孔直徑和深度、引種槽與退種槽的傾角和深度、刷種板與窩眼輪之間的間隙是影響播種質量的關鍵因素。上述幾位代表學者都針對精量排種在排種器型孔、排布方式和設置清種器等方面進行了研究，但僅在圓粒油菜種子的精量排種方面有所改善，對于大多數異形蔬菜種子并不適用。

氣力式排種器對于玉米、大豆等大粒徑種子播種效果較好，但適于小粒徑蔬菜種子直播的排種器則不多，原因是切斷氣流后小粒徑種子難以靠自重快速落下，設置刮種裝置則又容易造成傷種。由于氣力式直播機要配備空壓機或風機等，致使整機體積較大，配套拖拉機馬力選型較大，適合歐美國家和中國的東北、西北等土地面積較大的地塊作業。

1.3 播深可調技術

播深一致可使出苗整齊，利于后續田間管理，尤其葉菜類蔬菜收獲時對植株整齊性要求極高。由于開溝器深度調節結構不同，開溝深度的調整方法也不一樣，一般采用改變限深板的上下位置或調節限深輪、地輪、仿形輪或鎮壓輪相對開溝器的上下位置來調節開溝深度，從而達到控制播深的目的。

這種方法比較簡單，在多數播種機上廣泛應用，但在地表起伏較大的情況下播深控制精度誤差較大。在智能控制方面有學者采用壓力控制法和超聲波測距控制法對播深控制進行過研究，如程修沛等（2017）運用壓力控制原理結合壓力傳感器、PLC控制系統和電動推桿等研制了一種小麥等深播種機；游兆延等（2014）運用超聲波測距控制原理設計了一種自動限深裝置，試驗效果較機械式有所改善，但播深智能化系統在市場上現有機型中應用程度不高，一方面與智能播深控制系統的穩定可靠性有關，另一方面與農民文化程度普遍不高，對智能化方面認識度不夠，使用及故障處理困難較大等因素有關。

1.4 多功能集成技術

蔬菜種植要求精耕細作，現有蔬菜直播機大多只包含播種單項功能，整地、起壟、播種、施肥、施藥等功能多為分段作業，增加機具作業次數的同時也延誤了農時、增加了作業成本，將分段作業工序集中于一機，一次作業就能完成蔬菜種植的所有要求，節工節本增效明顯。國內現有應用較多的功能組合為旋耕起壟播種一體機、施肥播種一體機、起壟覆膜播種一體機、松土施肥覆膜播種一體機等。

2 國外研究現狀

發達國家于20世紀中期開始研究蔬菜直播機械化技術，蔬菜播種機趨向大型化和播種、開溝、施肥等聯合作業的方向發展。到20世紀80年代，逐漸向精量和聯合作業方向發展，對不規則種子進行丸?；赃m應直播機具，采用各種監測裝置及自動控制技術來提高播種精度。目前，歐美等發達國家的萵苣、洋蔥、甘藍、芹菜、大白菜、蘿卜等蔬菜品種均已實現機械化精量播種，其直播機類型按工作原理大體分為以下幾類。

2.1 機械式

由于日本、韓國境內多山地丘陵，田塊面積較小、分布零星不集中，因此直播機型偏向小型化，小巧輕便易攜帶、零部件易更換、播種行數易調節。根據種子的形態大小和農藝要求選擇合適的排種輪，調整開溝器高度及排種單元之間的寬度以適應播種深度及行距的要求，選擇合適的鏈輪直徑以適應株距的要求。排種輪多采用槽輪或窩眼輪式排種器，根據動力組配方式可分為人力手推型、自走助力型和牽引懸掛型，優點是操作簡單、裝卸方便、可靠性好；缺點是不能實現單粒精量播種，且排種輪轉動過程中易傷種，影響發芽率。

圖1 人力手推型直播機

2.1.1 人力手推型 如圖1所示，人力手推型直播機結構輕巧，操作簡單，有單行、雙行、三行和多行之分，通常播種行在1～7行之間，每兩行之間行距可調，最小行距≥40 mm，排種器為槽輪或窩眼輪（可更換），由地輪通過鏈條驅動，可播種小粒徑蔬菜種子（蘿卜、普通白菜、菠菜、蔥等）和包衣種子。低位排種設計使落種更穩定，提高播種精度。整機結構尺寸相對較小，易于掉頭，適用于距離較短的田塊。代表機型如日本矢崎SYV系列、韓國璟田2BS-JT系列、韓國播藍特JP系列等。

2.1.2 自走助力型 自走助力型直播機根據動力形式分為電動和油動兩種（圖2）。播種行數一般在10行以上，行距、株距、播深可根據農藝要求進行調整。

電動直播機播種方式為槽輪交換式，點播間隔為鏈齒輪交換式，配套動力為約100 W的電機，續航時間約3.5 h，最大工作效率為0.27 hm2·h-1，代表機型如日本矢崎SYV-M系列（http：//www.shyazaki.cn/.）。

油動直播機播種方式為輪式，整機配備約3 kW的汽油機或柴油機，配有多個傳動齒輪，調整齒輪傳動比可使播種株距保持在20～50 mm之間（可選），行距在80～150 mm之間，作業效率可達0.33 hm2·h-1，代表機型如韓國璟田2BS-JT系列和韓國播藍特 JP 系列等（http：//www.nongjx.com/.）。

圖2 自走助力型直播機

2.1.3 牽引懸掛型 牽引懸掛型直播機一般直接掛接于機頭或旋耕起壟或旋耕施肥機具后作業（圖3），可與拖拉機或微耕機進行配套，動力形式不受限制，拖拉機配套動力在8.8～44.1 kW之間，作業行數2～8行，微耕機配套動力7.3 kW以內，作業行數2～4行，兩種牽引動力配套的直播機行距均可調，排種器為窩眼輪式，由地輪驅動，株距在20～50 mm之間（可選），適合小粒徑丸粒化或圓粒種子單粒精量點播，不規則蔬菜種子可達每穴2～3粒。代表機型如日本矢崎SYV-TU（拖拉機）/GU（微耕機）系列、韓國播藍特JPH/JTS系列和意大利ORTOMEC公司MULTI-SEED系列等（http：//www.ortomec.com/）。

圖3 牽引懸掛型直播機

2.2 氣力式

歐美國家相對日本、韓國人口密度較低，土地面積廣闊，且氣力式易實現精量高速穴播，故歐美國家普遍推廣應用大型化、高效化的氣力式直播機，根據工作原理主要分為氣吸式、氣壓式和氣吹式3種類型，優點是對種子圓形丸?；笙鄬Φ托m應性強，且高速精量；缺點是種子分選清潔度要求高。

氣吸式直播機利用負壓吸種，完成種子與種群的分離、輸種，在投種區切斷負壓，依靠種子自身重量或刮種裝置對種子的作用完成投種過程；氣壓式直播機利用正壓將種子壓在排種滾筒的窩眼上，滾筒轉動到投種區，正壓氣流截斷，種子在重力作用下離開窩眼；氣吹式直播機與窩眼輪式直播機排種原理相似，不同點是利用氣流把多余種子清理掉。相關機型有美國滿勝公司生產的MONOSEM氣吸式播種機（圖4）和意大利馬斯奇奧公司生產的ORIETTA型和OLIMPIA型氣吸播種機，氣壓式則如美國奧利斯·查默斯公司生產的ALLISCHALMERS氣壓式充種播種機，氣吹式則如德國貝克公司生產的AeromatⅡ氣吹式播種機等（陳永生，2017）。

針對高密度氣吸式播種，英國StanHay公司推出一款S-780蔬菜直播機，包括風機、播種單元、傳動系統、地輪、機架等（圖5），核心部件是播種單元的真空排種器，排種器內的排種盤有若干圈均勻密布的型孔，當機器運轉時，排種盤上型孔在風機氣壓作用下均有種子吸附在上面，當排種盤轉到泄壓處，每一圈型孔上的種子會順著各自的滑道成一定間隔并排落入同一開溝器開出的種溝內，從而達到密植的效果（陳永生和李莉，2017）。相關機型還有意大利AI公司的AI-840-SN型高密度蔬菜直播機等。

圖4 MONOSEM氣吸式播種機

圖5 S-780氣吸式高密度直播機及排種器

2.3 帶式

20世紀70年代，為節省種子和間苗用工量，在美國已大量推廣種子帶式播種，確定合適的株距后將種子編織在紙帶內，紙帶隨著種輪的轉動埋入土中，紙帶遇水降解后種子與土壤接觸生長。此后，日本也研制出一款種子帶式蔬菜直播機，播種前需將種子提前放入一種寬約12 mm、株距10 mm的可降解帶狀“紙”中，然后將其卷成種子帶卷，播種機將其鋪放到種溝內，再由覆土器進行掩埋，其作業效率可達1 hm2·h-1，作業速度最快達6.4 km·h-1（劉甲振 等，2018）。此法優點在于可實現簡易定量播種，且效率高；缺點在于需配套相應的紙帶編織設備，增加生產成本。

為此，近些年一些企業也采用紙帶定量點播的原理，對上述帶式播種方式進行改進，研制出皮帶型孔式直播機，如日本井關公司研制了一種帶式蔬菜直播機（圖6-a），其排種器是一種帶有種穴型孔的輸送皮帶（圖6-b），該機械以微耕機作為動力源，集碎土、播種、鎮壓等功能于一體，相關機型還有英國StanHay公司的870型高精度帶式蔬菜直播機（圖7）。

圖6 帶式蔬菜直播機

圖7 StanHay 870型帶式高精度排種器

2.4 勺式

勺式排種器多適用于塊莖類作物，與塊莖類種子尺寸大、便于取種有關，通過安裝在轉筒或取種鏈或轉盤上的小勺逐個連續舀取種子，運動到投種口投放，主要用于馬鈴薯、大蒜、生姜等作物的播種。如韓國HADA公司、法國Erme公司、西班牙J J Broch公司生產的大蒜播種機均采用轉盤式取種勺排種（圖8），馬鈴薯則采用勺鏈式排種居多（圖 9）。

2.5 其他形式

除上述類型外，英國提出了液體播種，將種子懸浮在凝膠中進行播種，此法對種子損傷小、出苗率高，且成熟期一致；日本提出了靜電播種，采用“同性相斥、異性相吸”的原理，利用靜電發生器將土床上帶有大量負電荷，蔬菜種子上帶有正電荷，在電場的作用下，種子下落時被嚴格吸附在土地上，實現精準定位播種（侯召龍 等，2015）；意大利提出海綿摩擦式播種，通過電機帶動海綿柔性體的旋轉，在離心力的作用下將種子從種箱中分離出來，而后落入導種管內，隨之落入種溝內，因導種管下部尾端空間位置調整方便，特別適合密植小株行距要求的蔬菜種子直播。

圖8 轉盤式取種勺

圖9 勺鏈式排種原理圖

3 國內研究現狀

近幾年隨著蔬菜生產機械在國內得到重視，蔬菜直播的概念逐漸深入人心，對蔬菜直播機的研究逐漸增多。但我國土地面積廣闊，南北方地形差異大，致使現有蔬菜直播機類型多樣化嚴重，作業效果參差不齊，整體技術水平仍處于起步階段。于是，國內相關企業借鑒國外經驗并進行國產化再創新，在一定范圍內推廣使用。

基于技術和經濟性、實用性等方面的考慮，同時兼顧設施與露地作業的通用性，國內目前推廣比較好、農民易接受的仍以機械式蔬菜直播機為主，主要包含小型手推式和自走式（電動與油動）及拖拉機掛接的懸掛式機型為主，用戶可根據作業株行距要求及作業效率等自由選配相應的單一或組合機型。代表機型如德易播公司的2BSJ機型（圖10）、悅田公司的SYV系列機型（圖11）、上?？挡┕旧a的2BS系列機型等。

圖10 德易播電動氣吸式蔬菜精密直播機

圖11 悅田電動蔬菜直播機

為解決規模化種植、高速精量播種問題，一些科研院所及企業在氣吸式播種方面也開展了大量研究，并取得一定成果。2000年左右，新疆天業集團為解決番茄播種問題，從美國引進了SN-1-130型氣吸氣吹式精量播種機，曹杰等（2002）發現該機器播種量為150 g·hm-2，空穴率僅為0.5%，在當時屬世界最先進的精量直播機。中機美諾研制了2BJ-4/5型氣吸式播種機，可播胡蘿卜、洋蔥、辣椒等小粒蔬菜種子（王晉，2012）。華中農業大學田波平（2008）運用負壓吸種、正壓吹種的原理，克服了小粒徑種子因自重輕、自由落體難的難題，成功研制出2BFQ-6型油菜精量直播機。黑龍江省農業機械工程科學研究院開發出2HB-4型蔬菜精播機，研制一種負壓吸種、正壓吹雜高速精密排種器，實現負壓吸種、自然泄壓排種后進行播種，而且通過正壓吹風除去排種孔處多余的小種子以及雜物等，解決了漏播現象，保證了出苗率。應用該排種器，黑龍江德沃科技開發公司研發了2BQS-8/8X型氣力式蔬菜直播機（圖12），可以一次完成淺層開溝、精密播種、圓輪壓種、雙側覆土、整體鎮壓等作業工序（陳永生和李莉，2017）。

在其他播種方式上，青島銳星機械公司采用種子帶播種，種子粒數和間距由種子編織機中的電腦控制，可播種白蘿卜、菠菜、洋蔥及甜菜等；德易播公司和青島大順精鋒公司采用轉勺式排種器播種小粒徑蔬菜種子（圖13）；江蘇大學胡建平和毛罕平（2003）通過改變線圈電流大小以得到不同大小的磁吸力，實現對不同大小、不同質量種子的精密排種。在大蒜、馬鈴薯等精特作物播種方面，山東瑪麗亞公司采用勺鏈式取排種結構（陳斯，2017）；棗莊海納科技有限公司為保證馬鈴薯正牙率，采用針式直播將馬鈴薯塊莖嵌插于鏈式傳動的釘齒上，而后立直旋轉于地面上方落入開好的種溝內（雷志遠和賈平，2016）。

圖12 德沃2BQS-8型氣力式蔬菜精密直播機

圖13 轉勺式排種器

4 存在問題與建議

4.1 種子品種多，缺乏規范的丸粒化標準

不同種類、同種類不同品種之間蔬菜種子的形狀、大小、質量等差異性較大，有粒徑大于5 mm的瓜類和豆類種子，也有粒徑2～5 mm的菠菜、蘿卜種子等，還有粒徑2 mm以下的茼蒿、雞毛菜種子等，對應的質量也不同；種子形狀有圓形、扁平、橢圓形、扁球形等，這些因素顯著增加了播種機的設計難度，對排種器的適應性要求顯著增加。建議對形狀較大且相對規則的種子播前先進行分級處理，以增加排種可靠性，對形狀較小或不規則的異形種需進行丸?；幚恚蛊湟巹t化、標準化，有利于保證機具排種穩定性，提高作業質量。

4.2 蔬菜種類多，缺乏通用型的機具

我國蔬菜種類繁多，株行距等種植農藝要求各不相同，且同品種蔬菜種植區域分散，造成同品種不同地區之間種植模式各異，缺乏標準化、規范化引導，使得播種機研發和推廣難度倍增。建議針對同一種蔬菜作物采用同區域相同蔬菜品種、不同區域相同品種、同區域不同蔬菜品種、不同區域不同品種分類逐步規范統一，強化農藝與農機融合，梳理確定相應的農藝要求規格，指導播種機的系列化開發，最終實現同機型、同品種、不同地區的通用化作業。

4.3 作業要求多，整機系統智能化程度低

因種植習慣和氣候條件等原因，不同區域蔬菜種植要求不一，部分地區不僅需實現精量播種，甚至播種前需進行旋耕、起壟、施肥等，部分土壤干燥地區還需進行澆水或覆膜，另外在作業過程中機手需及時獲知種量、播深等參數，對整機的多功能及智能控制要求提升。建議在農戶成本接受的前提下盡量提高機具操作的多功能性，采用模塊化配置，自由組合裝卸，集成智能控制面板，以滿足不同區域種植要求，方便社會化服務體系的建立。

4.4 耕作方式多，作業環節間的配套性差

因蔬菜種植分為平作、壟作、溝作，耕種方式有犁耕、旋耕、開溝、旋耕起壟、開溝起壟等多種，不同的耕作質量對機械化播種后的發芽率及成活率影響顯著；其次對于類似雞毛菜、莧菜等密植型作物播種密度需考慮后續機械化收獲的方便性，故而對播種機的播量、開溝寬度、深度及相應的調節裝置設計要求多樣，建議從全程全面機械化、產業鏈整體布局出發，由易至難，逐步解決芹菜、雞毛菜等葉菜類，胡蘿卜、白蘿卜等根菜類，辣椒、番茄等茄果類蔬菜的精量直播難題，配套集成精耕細管、輕簡收獲技術，實現特定作物全程機械化生產。