小顆粒種子播種機研究現狀及分析

郭振華，陳換美，伊海濤，徐 帆

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞職業技術學院）

0 引言

小顆粒種子一般是指平均直徑在3 mm以下的作物種子[1]，種類繁多，分布非常廣泛，多種花卉、蔬菜、牧草以及谷物的種子都屬于此類。2015年，小顆粒種子作物種植面積達到3.675×107hm2，占全國農作物種植總面積的22%[2]。由于小顆粒種子具有單種體積小、質量輕、外部形狀不規則等特點，給播種器的設計造成了一定的困難，難以實現精量播種。市場上專門針對小顆粒種子作物的播種設備較少，現有的播種機在使用中存在播種精度不高、作業穩定性差等問題，因此小顆粒種子播種設備的研制問題亟待解決。本文介紹了當前主要的小顆粒種子排種器種類、排種器的工作原理、國內外小顆粒播種機械研究現狀，總結當前小顆粒種子排種器在使用過程中出現的問題，對未來小顆粒種子播種機械的發展進行展望，希望為以后的研究工作提供參考。

1 排種器的類型

播種機械是重要的農業裝備，其組成主要包括機架、種箱、排種器、開溝器、鎮壓輪等，其中排種器是播種機的核心部件。排種器的設計是否合理直接關系到播種質量和整機的工作性能，按照工作原理主要分為機械式排種器、氣力式排種器、靜電式排種器等。

1.1 機械式排種器

機械式排種器按照結構特點，又可以具體分為指夾式排種器、外槽輪式排種器、圓盤式排種器。

（1）指夾式排種器的工作過程主要包括夾種、清種、推種、導種四步驟，通過夾持充種、振動清種及柔性導種等方式完成播種作業[3]。但是由于不同種子類型在尺寸、形狀上存在一定差異，高速作業時指夾式排種器的充種能力大幅下降，同時出現種子破碎率升高、機具振動劇烈、播種質量及作業效率顯著下降等諸多問題，指夾式排種器由于其適應性差最終逐漸退出主導市場。

（2）外槽輪式排種器[4]，工作原理：通過槽輪的轉動，將種箱中的種子經由槽輪的凹槽帶出落入排種管，播種到田間。外槽輪排種器的通用性好，能夠應用于玉米、小麥、芝麻、水稻等表皮摩擦力小的種子。其特點是工作過程中播種量穩定，適應性強，在不同的工作速度、不同的地表條件下，均能保持各行播量一致性；不足之處是槽輪排種容易發生脈動效應，造成播種不均勻[5]。外槽輪排種器因為結構簡單、易加工、可靠性好，被廣泛應用。

（3）圓盤式排種器[6]，主要針對中耕作物，它的核心機構為水平的排種圓盤，排種圓盤布置在種箱的底部，圓盤周圍有許多不同的孔，孔洞大小取決于種子的外廓大小及精播的要求。工作過程中，通過鏈傳動帶動種箱底部圓盤旋轉，在重力作用下，種箱內種子落入圓盤孔內，隨著圓盤轉動，型孔外面的種子被刮種舌刮掉，留在型孔內的種子來到排種口時依靠自身重力落入田間完成播種。水平圓盤排種器的原理簡單，播種精度高，適于精細作物播種，而且排種器可以通過安裝不同規格的圓盤，滿足條播及其他播種要求。不足之處是排種盤的轉速不能過高，過高的轉速易出現漏種等情況，因此無法滿足高速播種的需求。

1.2 氣力式排種器

氣力式排種器[7]的工作原理：在密閉氣室中形成一定的真空度，利用吸力或吹力將種子固定在排種盤的各個孔上，帶動種子隨排種盤一起轉動，當種子轉出氣室后，不再受吸力（壓力）作用，依靠自身重力作用落入溝槽中，完成播種。按照氣力作用方式不同，排種器分為氣吸式和氣壓式兩種排種器，氣吸式相對于氣壓式性能更加穩定，應用較為廣泛。與機械式排種器相比，氣力式排種器對不同類型的種子具有更好的適應性，氣力式排種器可以根據種子的大小、形狀等規格設計不同的風孔，滿足多種種子的播種需求，具有良好的通用性；同時，氣力式排種器相對于機械式排種器可以減少對種子的傷害，高速作業時也能夠保證一定的穩定性。不足之處是氣力式排種器結構復雜，為了更好的控制氣流，對加工工藝的要求較高，因此生產成本較高。

1.3 其他形式

近年來，隨著新的研究理論的提出，許多學者將新理論與播種作業相結合，對播種技術進行了新的探索，在傳統排種器的基礎上，提出了新的播種方法[8]。

靜電播種是一種將靜電吸附現象應用于播種作業的技術，該技術最早由日本學者提出[9]。其工作原理是播種前用磁性材料對種子進行包裹處理，利用電磁鐵與磁性物質間的吸附力實現對種子的吸附控制，播種過程中，通過控制電源開關間接控制磁力的產生，達到吸種和落種的目的。

流體播種技術[10]最早是由英國學者提出的，其原理是將水、保水劑、農藥、肥料、激素等按照一定的比例配置成凝膠懸浮劑，將種子與懸浮劑混合，使種子可以均勻的分布于懸浮劑之中。播種時，通過均勻的噴灑懸浮液來達到精量播種的目的。流體播種技術克服了小顆粒種子在播種過程中路徑混亂不易控制的難題，同時可以為種子的萌發提供必要的水分和肥料，目前已經用于蔬菜和花卉的播種[11]。

種子帶播種[12]是一種源于日本的播種技術，其原理是將種子按照一定的距離編入編織帶中，由專門的播種機械將打包成捆的種子帶鋪在田間，覆蓋土壤。這種播種技術可以保證播種的均勻性和出苗率，在發達國家得到廣泛應用。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

歐美等發達國家對精量播種機械的研究起步較早，從上世紀40年代開始，已經陸續研制出多種基于不同原理的播種機械，許多產品現在仍處于國際領先地位。

美國Great Plains公司旗下開發的PS25120型牧草播種機[13]能夠精準的控制播種量，牧草最小播種量可以控制在0.6 kg/hm2以內，作業幅寬3 m，行數16行，作業過程中可以精準控制播種深度，同時，其采用的獨特前后輪鎮壓設計，可有效壓碎苗床，為種子萌發創造良好環境。

韓國PLANT公司研制的JAS-802B型自走式播種機[14]，是一種適合小面積播種的蔬菜播種機械，整體結構小巧輕便，操作簡單，其播種輪采用特殊的防靜電材料，可有效提高播種效率。這種播種機械通過調整排種輪結構的方式來適應不同規格的種子，能夠適用于多種作物的播種。其優點是一次下地可以完成開溝、播種、覆土、鎮壓等多種工序，具有高效易操作等特點，對中小顆粒的蔬菜種子具有良好的通用性。

美國的MFC公司研制的SN-1-130型氣吸式精量播種機[15]，采用氣吸式的工作原理實現吸種落種，這種方式有效降低了播種空穴率，可以實現株距在0.5 cm至52.6 cm范圍內任意調整。該播種機適用于番茄、蘿卜、油菜等不同規格小顆粒蔬菜種子的播種。我國曾引進該機械用于番茄的播種，收到良好的效果，在播種量減少到150 g/hm2的同時，將空穴率降低到僅為0.5%。

意大利GASPADO公司研制的多功能氣吸式蔬菜播種機（圖7）通過采用先進的制造工藝有效提高了播種效率，其排種器是鋁合金材質通過精密壓鑄而成，排種盤采用不銹鋼材質，排種盤上的型孔采用激光鉆孔來提高其精度。通過采用先進工藝，播種設備的效率得到了提高。播種株距和行距可以通過調整齒輪機構來實現，能夠滿足同時播種4~24行不等。該設備具有良好的通用性，廣泛適用于白菜、甜菜、蘿卜等小顆粒作物種子和經過丸化處理的包衣種子[16]。

約翰迪爾是美國具有代表性農業裝備生產企業，將多材料偶聯技術應用于其研制的蔬菜播種機（圖8）[17]，有效提高了排種器的耐磨性和密封性。為了實時監控播種作業情況，在播種機上裝備了漏播監控系統，播種出現漏播重播等異常現象時，駕駛員可以通過監控系統發出的警報及時發現并排除故障。

2.2 國內研究現狀

進入21世紀后，我國一些科研院所和高校開始對小顆粒播種技術展開研究[18]，經過近20年的發展，已經研制出多種具有實用價值的機型。

張東光等[19]研制的2BX-10型精少量播種機，采用拖拉機牽引式作業，針對性的解決了小籽粒谷物播種困難的問題。該機的播種器機構采用驅動環槽式（圖9），這種結構對種子可以起到一定的保護作用，降低種子的損傷率，排量穩定，播種均勻性和一致性均能滿足國家標準。

DB-S03蔬菜播種機（圖10）是德易播農機公司研發的DB系列蔬菜播種機代表機型[21]。該機型采用窩眼輪式排種器，工作時，排種器轉動，種箱內的種子在重力作用下落入窩眼，排種器繼續轉動，當護種板尾端轉出護種區時完成落種。這種機型結構簡單，排種盒拆裝方便，可以根據種子的形狀大小選擇合適的排種器，通用性良好。動力方式上有人力、電力、發動機動力等多種選擇方式。

田波平等學者采用正負壓組合的方式設計一種排種器，并應用于精量播種機，研制成功2BFQ-6型油菜精量聯合直播機[22]。該機型在充種和清種階段分別采用正負壓處理，這種方式既降低了種子的破損率和漏播率，又能有效防止孔型的堵塞。此機型適用于油菜等小顆粒作物，正負壓組合的排種方式克服了因種子質量小而落種困難的問題。

王志強等學者設計的周向槽縫氣吸式排種器，采用地輪驅動的方式帶動吸盤轉動，轉動過程中通過吸盤上的撥子片控制播種粒數。應用這種播種方式研制出的2BQX-5型谷子氣吸式精量播種機[23]，漏播率小于2%，播種均勻，可以滿足谷類作物等多種小顆粒種子的旱作精播。

2BQS-8型精密播種機[24]采用正壓吸種、負壓排種相結合的方式實現高速精密播種，該機型可用于淺層開溝、精量播種，適用于胡蘿卜等小顆粒作物種子，作業幅寬達2.5 m，可同時播種8行。

3 存在問題

我國在小顆粒播種技術的研究起步較晚，許多機型是從國外引進后二次研發生產的，缺乏自主研發與創新。當前我國自主研發的成熟機型較少，在引進國外技術和自我研發的過程中，存在許多問題亟待解決。

（1）種植模式與播種機械不適應。我國小顆粒種子作物的種植依然以小規模種植為主，與現代化的規模化管理相悖。實現農業機械現代化，規模化種植是必要前提，因此農業種植模式現代化亟需進一步發展，與機械化作業相適應。

（2）產品標準化程度低。相比國外，我國農機生產廠家良莠不齊，許多廠家生產工藝和產品材料比較落后，造成生產的產品可靠性差、壽命短、精度低等一系列問題。另外，各廠家獨立生產農業機械產品，缺乏統一的標準，造成設備零件通用性差，給設備的維護和使用造成不便。

（3）作業效率低。由于制造工藝落后及其他原因，當前我國研制的小顆粒播種機械存在漏播和損傷率高等問題，高速作業時，精量播種難以保證。

4 展望

隨著經濟社會的發展，人民生活品質的提高，花卉、蔬菜、雜糧等小顆粒作物因其較高的經濟價值，種植面積將不斷增加，小顆粒作物的的精量播種設備需求也會有較大增長。

（1）集排器的研究與應用。集排器是指集中排種器，通過一個排種器將種子平均分配到多個排種管道。集排器具有結構緊湊、調整方便等特點，可以大幅提高播種效率，滿足高速、寬幅的作業要求，是將來小顆粒播種發展的方向之一。

（2）排種智能監測系統的應用。小顆粒種子因其體積小、質量輕，在播種的過程中容易發生漏播或重播現象，肉眼不易觀測到。通過采用智能監測系統可以及時發現漏播重播的現象，及時排除故障，提高播種效率。

（3）發展多功能復合作業機械。將播種作業與開溝、施肥、覆土、鋪膜等作業整合，實現機具一次下地完成多項功能。聯合作業機械可以減少機具下地次數，保護土壤，降低作業成本，提高作業效率。

（4）播種技術與現代信息技術和空間技術相結合實現精準農業。基于遙感技術、地理信息技術及全球定位技術對農田進行單元信息統計，建立作物信息處方地圖，通過系統診斷和科學管理，實現降低環境污染、提高農業資源利用率的精量播種與精良施肥，實現經濟效益與環境效益的雙提高，是現代農業發展的必然趨勢。

5 結束語

我國在播種器的研究上起步較晚，與歐美等農業技術發達國家相比，小顆粒種子播種技術相對落后。我國小顆粒種子排種器的技術含量、工作穩定性等方面與國外發達技術還存在一定差距。國外農業機械雖然技術成熟，但是存在機型大、成本高等特點，并不適用我國國情，不適合大量引進。近年來，經過我國科技人員的不懈努力，在引進國外先進技術的基礎上不斷創新，生產出多種適合我國國情的小顆粒種子播種機械，使我國的農業機械化水平得到提高，與發達國家的差距不斷縮小，我國農業機械化已經邁上高速發展的道路。