油菜全產業鏈機械化智能化關鍵技術裝備研究現狀及發展趨勢

萬星宇，廖慶喜,2，廖宜濤,2，丁幼春,2，張青松,2，黃凰,2，陳慧，朱龍圖

1.華中農業大學工學院，武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070

油菜是我國最重要的油料作物之一，具有飼料、綠肥、蔬菜、能源、旅游以及蜜源等多種功能和開發利用上的優勢。我國主要油菜種植區域一般可分為冬播油菜和春播油菜兩大產區，其中冬油菜產區集中分布于長江流域，占總產量的90%以上，種植形式上以稻-油或稻-稻-油水旱輪作方式為主[1]。按照油菜生產經營流程，油菜全產業鏈包括產前、產中、產后三大階段。產前階段以育種和種子精細處理為主，涵蓋優良種子種苗繁育與推廣、農資儲備與供應等；耕整地、播種、田間管理、收獲是產中階段的主要環節，但各環節機械化整體水平不高且發展不均衡，2019年油菜機播率、機收率分別僅為32.5%和44%；產后階段主要為油脂加工，包括收獲后油菜種子預處理、制油、精煉等環節。長期以來，油菜全產業鏈三大階段發展相對孤立，綜合機械化水平低下，智能化進展緩慢，進而導致生產成本高、效益低，制約了油菜產業的發展。隨著農業現代化進程快速推進，農業生產經營向以機械化為支撐的適度規模方式轉型[2]，打通我國油菜生產產前、產中、產后階段技術與經營壁壘，提高全產業鏈綜合機械化、智能化水平是實現油菜產業高質量發展的重要途徑。

本文在介紹國內外油菜生產與我國全產業鏈概況基礎上，比較了國內外油菜生產產前、產中、產后三大階段主要環節機械化智能化關鍵技術與裝備發展現狀，分析了現階段油菜全產業鏈綜合發展的技術難點和存在問題，展望了我國油菜全產業鏈機械化智能化技術發展趨勢。

1 油菜全產業鏈概述

油菜是十字花科蕓薹屬一年生草本植物，主要分為白菜型、芥菜型和甘藍型3種類型。由于其抗逆性強、適應范圍廣，目前是全球許多國家和地區的主要油料作物之一[1]。我國的油菜主產區一般可劃分為冬播油菜區和春播油菜區。我國冬播油菜種植區域主要集中在長江流域各省份，春播油菜種植區主要分布在青海、內蒙、甘肅等3省(區)[1]。油菜全產業鏈指油菜生產的產前、產中、產后3個階段，主要環節如圖1所示。

圖1 油菜全產業鏈機械化生產主要環節Fig.1 The main mechanized processes of the whole industrial chain of rapeseed production

產前階段主要為油菜育種和種子精細處理，田間機械化育種技術與裝備已發展成為特殊的、獨立的機械化技術體系，以小區播種最為典型。種子精細處理指使用生物、物理、化學因子以精選或保護油菜種子，控制病蟲草害，提高油菜在不同土壤條件下的出苗率和幼苗素質，對于提高油菜“一播全苗”的穩定性、產量和品質有著重要意義，主要環節包括油菜種子清選、消毒浸種、包衣等。

產中階段主要包括耕整地、播種、田間管理、收獲等主要環節。耕整地是油菜種植的首要環節，其目的在于創造良好的土壤耕層構造和表面狀態[3]，關鍵技術包括油菜種床整理、開畦溝、深施肥、秸稈還田等。播種是油菜生產的關鍵環節之一，現階段主要應用精量播種技術將油菜種子以一定播種量均勻地播撒在種床適宜位置，保障了農藝要求的種植密度，為種子發芽、光水肥氣充分利用、個體與群體均衡發育提供良好條件[1]。田間管理是油菜生產的長周期環節，是油菜從播種到收獲的整個生長過程所需的各種管理措施，包括間苗、追肥、防治病蟲草害等。收獲是產中階段的收尾環節，是高效低損獲取清潔籽粒的關鍵，機械化收獲在多熟制地區有利于縮短收獲期，為及時栽種后茬作物創造條件[4-5]。

產后階段主要指油脂加工過程，是油菜生產商品轉化環節。油脂加工環節主要是從油菜籽粒中提取油脂，并對提取的毛油進行精煉，得到精制的食用油脂產品；同時，對油菜籽粒進行精深加工和綜合利用，從油脂生產副產物中提取高附加值的產品。

協調同步發展產前、產中、產后階段機械化生產關鍵技術與裝備是提高企業、新型經營主體等抵御市場風險的能力，促進農業現代化，實現勞動力就業與油菜產業發展由產中集約向產前、產后階段拓展的關鍵。

2 產前小區播種和種子精細處理技術與裝備

2.1 小區播種技術與裝備

小區播種機是培育新品種時專門用于田間試驗的播種機，具有定量播種、自動清種等特點，高性能小區播種機的應用是提高小區育種試驗，加快油菜新品種研發，促進育種產業發展的重要方式。

國外小區育種機械起步較早，小區播種機技術趨于成熟。國外生產小區播種裝備的公司包括奧地利的溫特斯泰格(Wintersteiger)、丹麥的霍爾(Haldrup)、美國的阿麥科(Almaco)、巴西的Maquinarium等，代表機型如圖2A～C所示。溫特斯泰格(Wintersteiger)公司研制了氣吸組合式小區精量播種機[6]，實現了單粒排種，并通過安裝電子調控器、播種定位控制器以及GPS模塊，提高了自動化程度，實現了種子播量、播深等參數的可調可控[7]。

A:Monoseed DT 小區單粒播種機 Monoseed DT precision spaced planter; B:Plotseed S 輕型小區條播播種機 Plotseed S light plot seeder; C:Seed Pro 360 小區單粒播種機 Seed Pro 360 precision spaced planter; D:XBJ-150型自走式小區播種機XBJ-150 self-driving plot seeder; E:2BZXJ-1手扶式小區育種播種機 2BZXJ-1 Walking type plot breeding; F:全自動化小區精量播種機 Fully automatic precision seeder.圖2 油菜育種小區播種裝備Fig.2 Seeding equipment of rapeseed breeding plot

國內對小區育種機械的研究起步較晚，小區育種試驗多采用人工播種的作業方式。隨著種子產業的發展，玉米、大豆、苜蓿等大粒徑作物的小區播種機發展迅速。2003年，黑龍江省農墾總局紅興隆農管局科研所成功研制XBJ-150系列小區播種機(圖2D)，可實現不同種類種子及肥料的播量可調[8]。2009年，黑龍江省東北農業大學成功研制了2BZXJ-1手扶式小區育種精密播種機(圖2E)，可一次完成開溝、播種、覆土、鎮壓等作業工序，體積小、質量輕，可單人操作[9]。2014年，中機美諾農機公司成功研制了全自動化的小區精量播種機(圖2F)，具有自動化程度高、播種效率高、播種穩定性好等特點[10]。然而，針對籽粒細小油菜的育種專用小區播種裝備鮮有報道，我國大部分地區處于“無機可用”或“無好機可選”的狀態，嚴重制約了油菜種業的發展。

2.2 種子精選處理技術與裝備

產前種子精選處理包括種子清選、浸種消毒、包衣等環節。種子清選是指利用種子與雜余物物理和空氣動力學特性差異，通過種子清選機械選出合格優良的種子。目前種子清選以風篩組合式清選方式為主，侯艷芳等[11]利用懸浮速度的差異設計了由吸入型風選裝置和下吹風裝置組成的風選裝置，獲選率為98.20%～99.50%；胡志超等[12]針對現有風篩式清選機生產率低的問題，對振動喂料裝置和主動力系統與篩體振動裝置進行優化，研制了高效風篩式種子清選機，實際生產率可達12.6 t/h。針對油菜種子粒徑小、易破損等問題，提高種子清選機械適應性是解決專用化的關鍵。

現階段浸種消毒研究以消毒工藝為主，萬林等[13]通過研究經H2O2浸泡的油菜種子出苗后生物質酶的活性及有機質的含量，得出過氧化氫浸種能促進苗期生長，提高產量；張順凱等[14]通過研究H2O2浸種對不同播期油菜生長發育的影響，得出H2O2浸種處理對早播油菜生產具有負向效應，但對晚播油菜生產具有顯著的正向效應。目前與消毒浸種工藝的配套機械化技術與裝備鮮有報道。

種子包衣是將農藥、肥料、殺蟲劑、殺菌劑等化學成分混合在一起，加入黏著劑或成膜劑通過攪拌或噴涂等方法包裹在種子的表面，是現代種子加工生產中的關鍵環節。具有代表性的種子設備有丹麥的興百利(CIMBRIA)公司生產的CC50批次式包衣機、美國的OLIVER公司生產的R534批次式種子處理機等。任奕林等[15]為解決包衣過程中種子之間的粘接問題，設計了一種可自由拆卸式的對輥式滾筒機構油菜種子包衣設備，通過設置密布和相互配合的上凹槽和下凹槽，可實現油菜種子單獨包衣。喻志成[16]結合機器視覺技術，依據種子包衣后種衣的特點，提出使用機器視覺技術對種子包衣技術進行鑒定，提出了采用結合機器視覺技術的種子包衣智能化控制方式。

總體而言，我國產前種子精細處理設備多為通用機型，存在適應性差、作業質量不佳等問題，難以滿足油菜高質量精細處理要求。油菜專用設備匱乏，需要圍繞油菜種子粒徑小、流動性好、含油量高、易破損等生產現實開發配套技術與裝備。

3 產中環節關鍵技術與裝備

3.1 耕整地技術與裝備

1)種床整理技術與裝備。我國南方冬油菜主產區生產季節的降水量較大，因此，一般要求油菜種植耕整地機具作業后的種床廂面平整，具體而言細碎土層深度需在8 cm以上，地表平整度在5 cm之內，碎土率大于50%，且開好廂溝、腰溝、畦溝(溝寬需200～400 mm，溝深150～300 mm)以便雨水及時排出，才能滿足油菜種植的基本要求[3]。

進行機械化耕整作業時，耕整機械的耕作深度主要由聯合耕整、翻耕、旋耕、深松等機具作業深度及仿形機構共同決定[3]，研究耕深穩定性調控技術對后續油菜播種作業至關重要。國外如凱斯紐荷蘭、約翰迪爾等大型農機公司研發的聯合耕整機(圖3A)利用機具自身質量，通過調節行走支撐輪離地高度進而控制機具作業深度，可通過相關傳感技術實時調節耕作深度。國內相關學者對耕整機具作業深度也進行了研究，萬國偉等[17]研制了一種液壓驅動式圓盤耙，作業耕深為85～120 mm，耕深穩定性變異系數為9.6%。劉曉鵬等[18]開發設計了一種聯合耕整機，該耕整機主要采用主動式對置犁耕與被動式開畦溝、碎土、平整相結合的工藝方案，試驗結果顯示，該該耕整機耕深穩定性系數達90%以上。

一般耕作機具實現耕深穩定后，還需進行碎土平整作業，以避免播深不一致，導致油菜出苗不齊及長勢不一致等問題[1]。國外油菜用聯合耕整機具一般通過后置安裝釘齒耙、彈齒耙或者碎土輥以實現土地的細碎平整(圖3B、3C)[3]。張青松等[19]研制了一種深淺旋組合式種床整備裝置，該裝置采用多區段雙螺旋線對稱排列旋耕彎刀實現旋耕碎土，再配合后拖板實現廂面平整，試驗結果顯示，該種床整備裝置的碎土率與廂面平整度分別為50.94%～64.64%和22.12%～29.37%。

在保證廂面平整度與碎土率的基礎上，還需滿足油菜種植作畦開溝的農藝要求。現階段油菜播種開畦溝裝置的作業方式主要包括主動和被動開溝2種，其中主動開畦溝裝置作業效果好，但功耗較高；被動開畦溝裝置雖然結構簡單，但難以保持作業穩定[3]。張青松等[20]設計了一種類鏵式犁開畦溝裝置，實現了前犁開溝起土、后犁收溝整形的開溝工藝。為滿足土壤高含水率條件下的開畦溝作業要求，劉曉鵬等[21]進一步設計了一種船型開溝器，該船型開溝器作業是可形成溝深150～250 mm、上溝寬250～350 mm、溝底寬80 mm的梯形畦溝。開畦溝技術是我國南方冬油菜產區油菜種植田間雨水順利排出的重要保障。

種床整理是油菜播種重要環節，穩定的土層深度、適宜的細碎土壤和廂面平整度是保障油菜正常生長發育的必備條件。國外種床整理多采用大型化裝備，作業效率高，但不適宜于我國南方油菜主產區土壤黏重板結、地表前茬作物秸稈殘留量大等復雜田間工況，發展適應該地區種床整理的耕整地裝備是研究難點。

2)深施肥和秸稈還田技術與裝備。傳統撒施或者機械混施于土壤表面的施肥方式，其肥料利用率一般不超過30%。與之相比，肥料深施通過將肥料施入到種子的正下方或者側下方土層指定深度，可有效降低肥料揮發和流失，肥料利用率可提高到35%～40%。形式多樣的深施肥鏟(圖3D～G)是實現肥料深施的關鍵部件之一[3]。國外聯合耕整機由于作業幅寬大，一般多采用鋤鏟式或滑刀式深施肥鏟，主要為多列交錯布置以防止土壤擁堵，如約翰迪爾1835型聯合耕整機的作業幅寬可達18.3 m，其中深施肥鏟布置成4列，每列鏟體間距達762 mm。受我國南方冬油菜產區田塊面積小、田間轉移不便等不利因素的影響，我國油菜深施肥裝備作業幅寬一般較小，普遍作業幅寬為2～4 m，機具作業速度一般不超過7 m/s。為解決水旱輪作區深施肥鏟易堵塞的問題，肖文立等[22]設計了一種帶切茬圓盤的類鏵式深施肥裝置，通過在施肥鏟體前安裝切茬圓盤，實現切茬、破土及深施肥的功能。廖宜濤等[23]基于主動刮削防堵原理設計了一種油菜精量聯合直播機主動防堵深施肥裝置，可滿足稻-油輪作區油菜種植施肥播種農藝要求。在我國冬油菜產區，由于地表秸稈量大且韌性強，土壤黏重板結，油菜種植機具作業幅寬小，深施肥部件鏟體及出肥口易堵塞，難以保證深施肥作業質量，采用仿生技術及創新性設計新型深施肥機是目前冬油菜產區深施肥部件研究的重點及難點[3]。

秸稈還田不僅降低了秸稈焚燒所造成的大氣污染，而且還可通過增加土壤有機質、改良土壤結構、促進微生物活力和作物根系發育等實現增產，進一步減少化肥施用量。國外地塊廣闊區域如加拿大等在播種油菜前，先通過大型聯合耕整機對地表秸稈進行翻埋和還田處理，為后續的油菜播種提供了良好條件。目前我國南方冬油菜產區采用獨特的水旱輪作模式，由于油菜播種時土壤黏重板結，且地表前茬作物秸稈高粗、殘留量大，秸稈還田技術尚未成熟應用。為提高對復雜田間工況的適應性，魏國粱等[24]設計了一種犁旋組合式油菜直播機(圖3H)，該機型可一次性作業完成秸稈翻埋、碎土平整、開畦溝、施肥、播種等作業工序。廖慶喜等[25]則設計了一種帶狀種床整理裝置(圖3I)，通過旋耕裝置的滅茬刀組及帶狀旋耕刀組進行秸稈還田及種床整理。秸稈還田技術及裝備的應用可實現田間大量秸稈的機械化埋覆，在減輕勞動強度的同時還可有效地避免機具堵塞，提高了油菜機械化播種效率。

3.2 精量播種技術與裝備

隨著農機農藝技術深度融合，傅廷棟院士提出油菜種植可因地、因時增加種植密度等建議，達到“以密增產、以密補遲、以密省肥、以密控草、以密適機”的效果。油菜種子具有粒徑小、球形度高以及流動性較好等特點，但由于其表皮薄且含油量高，導致機播時易出現破損和堵塞現象，開發適用于油菜種子特殊生物學特性和密植農藝要求的排種器是目前油菜機械化精量播種的難點和關鍵點之一。此外，隨著土地經營方式轉變，以農業專業合作社、農機專業合作社和家庭農場為主體的適度規模經營成為發展趨勢，對作物播種效率提出了更高要求。目前，油菜機械化精量播種主要由單體式排種、集中式排種、無人機排種等排種方式[1]。

1)單體式精量排種技術與裝備。單體式排種器可播種一行作物，依據作業幅寬及行距，播種機可模塊化配置多個單體式排種器一次完成多行作業；油菜單體式精量排種主要包含機械式和氣力式兩類。湯楚宙等[26]針對型孔輪式排種器設計了一種調節環以調節播量，研究了不同排種器結構尺寸及作業參數對排種均勻性及種子破損率的影響規律；張青松等[27]設計了一種帶缺口矩形勺式油菜精量穴播排種器，研究了型孔尺寸、數量、安裝傾角和轉速等因素對播種質量的影響規律。

A:聯合耕整機限深單元 Depth limit unit of combined tillage equipment; B:聯合耕整機碎土單元 Crushed soils unit of combined tillage equipment; C:聯合耕整機平整單元 Leveling unit of combined tillage equipment; D:深施肥示意圖 Schematic diagram of deep fertilization; E:鋤鏟式深施肥鏟 Hoe shovel type deep fertilizing shovel; F:滑刀式深施肥鏟 Sliding blade deep fertilizing shovel; G:類鏵式深施肥鏟 Ploughshare like deep fertilizing shovel; H:犁旋組合式油菜直播機 Plough rotary combined rapeseed direct seeder; I:滅茬旋耕雙軸耕整機 Double axial rotary tillage machine.圖3 種床整理、深施肥技術以及秸稈還田技術裝備Fig.3 Seedbed management equipment，and equipment for deep fertilizing，straw application

氣力式排種器相比于機械式排種器具有傷種率低及對種子適應性好等優點[1]，田波平等[28]研制了2BFQ-6型油菜精量聯合直播機，能一次完成開溝、起壟、播種、施肥等作業；舒彩霞等[29]、廖宜濤等[30]進一步分析了其氣力系統工作特性并提出一種溢流釋壓的穩壓方法，研究了各運行參數對排種質量的影響規律。為提高油菜精量直播機對播量變化的適應性，舒彩霞等[31]設計了一種凸輪搖桿式播量調節裝置，分析了調節裝置運動學特性；為進一步提高正負氣壓式排種器對高速排種適應性，李兆東等[32]設計了槽齒組合式吸種盤，采用動力學分析與EDEM仿真分析等手段研究了較優的槽齒結構型式及其對充種和吸種效果的影響機理。通過不斷改進優化，2BFQ系列播種機已在長江流域冬油菜種植區及部分春油菜種植區得到廣泛應用。

2)集中式精量排種技術與裝備。集中排種器(簡稱集排器)為1個排種部件、1個種箱或者1個統一的輸種系統同時排種，實現“一器多行”的精量排種裝置，可實現高速、寬幅播種，顯著提高工作效率，具有裝種卸種方便、整機及傳動結構簡單等特點，已成為當前排種技術發展的趨勢[1]。根據排種原理可分為機械離心式集排器、氣力滾筒式排種器和氣送式集排器(圖4)。

機械離心式排種器主要利用回轉運動部件迫使種子在離心力作用下排出。廖慶喜等[33]設計了一器多行機械離心式油菜排種器(圖4A)，依靠回轉的倒置內錐筒實現一器多行排種，同時結合EDEM軟件模擬分析了排種過程，探明了種子量與臨界轉速之間的關系[34]，進一步通過優化型孔直徑并設計枝狀閥式分流裝置提高了田間作業適應性[35-36]。王都等[37]為提高油菜離心式集排器充種穩定性，設計了一種“沙漏通道”型充種管，實現排種器種子流可控。機械離心式集排器結構簡單且靈敏度高，但其排種量與播種機前進速度同步性不夠[1]。

氣力滾筒式集排器(圖4B)應用氣流正壓或負壓使種子吸附或壓在型孔上，一次播種6～8行[1]。基于正負氣壓組合式排種原理，李明等[38]設計了一種氣力滾筒式油菜精量集排器，建立了負壓值、正壓值與集排器結構參數和運行參數的數學關系模型。李兆東等[39]采用氣流清種與氣壓護種組合技術解決了種子易被剪切破壞的問題，設計了一種“倒方錐”型孔并應用于油菜精量氣壓式集排器。德國阿瑪松公司研制了EDX氣壓式精密排種器[40]，可適應前進速度15 km/h的高速精量播種，完全滿足大田塊高效播種需求。

氣送式集排器采用機械定量、氣流一階分配或二階分配的方式排種，能適應多種作物高速、寬幅、高效播種，已成為國內外排種器發展的主要方向[1]。國外的氣送式播種機主要應用于以大豆、麥類等為代表的中、大粒徑作物種子精量條播。Downs等[41]采用的Gandy5812型和FlexKing160型氣送式集排器可將大豆、綠豆、高粱和小麥等種子平均分配至開溝器中。Kumar等[42]比較了平行盤、封閉漏斗型和流線型分配器結構形狀對排種性能的影響，發現供種速率和入口氣壓對分配均勻性影響較大。我國南方冬油菜產區多為稻油(麥)水旱輪作種植方式，油菜、小麥是主要冬季種植作物，為提高機具利用率，雷小龍等[43-44]設計了油麥兼用型氣送式集排器(圖4C)以提高機具利用率，提出了一種傾斜錐柱狀型孔和錐孔輪交錯排布的結構，優化設計了文丘里管式供料裝置和碗式枝狀分配器。邢鶴琛等[45]設計一種油菜雙圈、小麥三圈型孔交錯排布以及斜錐形型孔結構的油麥兼用集排器，基本滿足長江中下游地區油菜和小麥播種要求。為實現油菜輕簡化精量、高速播種，Ystkul等[46]進行了氣流集排的關鍵參數(空氣速度，流量濃度和管道直徑)與排種均勻性影響的研究。Mudarisov等[47]為研究氣送式集排器中種子、氣流兩相流的影響機制，開展了CFD-DEM耦合仿真，以數學模型的方式描述了集排器分種的過程。針對作業坡度對油菜氣送式集排器性能影響的問題，王磊等[48-49]應用EDEM、DEM-CFD仿真探究地表坡度對供種裝置、集中分配器性能的影響規律，針對坡度變化范圍大時供種量穩定性不足等問題，設計了一種調節彈簧調節清種毛刷與外切圓弧型孔輪距離以控制充種及清種量，實現坡地播種穩定供種。氣送式集排器排種性能優越，可適應高速、寬幅、多種作物的精量播種，現階段能滿足油菜、小麥等小、中粒徑種子的播種要求，有效提高了機具利用率和生產效率，是中國農業現代化進程中規模化經營機械化播種的發展趨勢[1]。

3)無人機播種技術與裝備。長江中下游地區丘陵、山區、河灘、坡地等冬閑田面積廣闊，是油菜種植的潛在耕地資源之一，常規地面播種裝備因適應性問題無法進入作業或進入作業的經濟效益不高。配備高精度自主飛行功能的無人機體型小、作業靈活、可懸停、起降無需跑道、地形適應性好，可以實現航跡規劃和自動導航飛行[50]，具有地面播種裝備無法比擬的高通過性特點[51-52]，利用無人機飛播技術可完成復雜地貌的油菜種植。

油菜無人播種裝備主要由無人機和播種裝置組成，無人機作為利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛行器，可實現適應不同地貌和播量需求的油菜飛播。黃小毛等[53]為有效解決農用無人機復雜邊界田塊下的油菜播種作業問題，引入貪婪算法、凸多邊形最小跨度法和步進旋轉法，提出一種對田塊邊界形狀具有普適性意義的旋翼無人機作業路徑規劃算法。徐博等[54]為實現多個作業區域不同播種效果，基于遺傳算法與TSP 問題得到區域間的優化作業順序，研究了一種無人機全局航線規劃算法。吳開華等[55]為在坡地作業過程中保持穩定的仿地飛行以提高作業質量，通過前置毫米波雷達與對地毫米波雷達的高度進行多雷達高度信息融合以提高響應速度，并采用模糊PID控制算法控制無人機高度。針對無人機的研究主要為提高飛播作業過程的作業質量、效率和續航，重點開展無人機作業路徑的規劃和優化工作。

播種裝置作為實現飛播的核心部件，其排種性能決定種子在地表分布的均勻性和一致性。張青松等[56]為解決丘陵山區油菜種植面積逐步擴大和平原地區稻油茬口矛盾突出的問題，開發了與極飛P20四旋翼無人機平臺配套的油菜無人機飛播裝置和控制系統，設計的槽輪式排種裝置可實現油菜條播；黃小毛等[57]設計了基于離心條播式排種器的無人機油菜飛播裝，優化了上凸錐筒離心式排種器結構，提出了一種與離心排種器配合使用可實現油菜條播的輔助導種裝置；Wu等[58]為實現坡地有效播種，設計了一種用于無人機的離心式排種裝置，應用EDEM仿真分析離心式圓盤的轉速、無人機的飛行高度和擋板環的角度對分布均勻性的影響。綜上所述，現有針對無人機播種裝備的研究主要集中于設計輕量化、結構簡單的排種裝置，通過仿真和試驗分析無人機旋翼氣流、排種裝置、導種管對播種均勻性的影響，且為增加地表種子分布的有序性，無人播種逐漸由撒播到條播技術發展。

3.3 收獲技術與裝備

油菜屬于無花序作物，植株高大、分枝多、成熟果莢易炸裂，機械化收獲作業難度較大。現階段油菜機械化收獲方式主要有聯合收獲和分段收獲兩種形式。此外，為提高油菜種植附加價值，實現油菜多功能開發利用，飼用收獲也逐步推廣應用。

1)分段收獲技術與裝備。分段收獲主要通過割曬機先將油菜割倒鋪放于田間進行晾曬，利用后熟作用至油菜完全成熟后，再進行撿拾、脫粒作業。我國油菜種植區域跨度較大，各地區油菜特性與成熟度不一致，增加了油菜的收獲難度。分段收獲充分利用了油菜的后熟作用，確保成熟度基本一致，對油菜的品種適應性較強，延長了收獲期，可減小收獲損失率并有效緩解輪作區茬口矛盾突出的問題，且收獲后籽粒相對飽滿、含水率基本一致，利于產后油脂加工，提高油脂品質[59]。

割曬機主要通過立式或臥式割臺輸送裝置將割倒后的油菜集中并有序鋪放至田間，鋪放方式可分為中間鋪放與側邊鋪放2種形式。因油菜植株高大，國內外油菜割曬機以臥式割臺為主，2種鋪放方式并存。發達國家已實現油菜規模化種植，形成了寬幅、大馬力、專用化、智能化的油菜割曬裝備，如John Deere公司研制的JD A400系列割曬機(圖4D)采用中間鋪放方式，割幅可達6.4 m，可根據需要調節割茬高度；加拿大MacDon公司研制的M200型割曬機(圖4E)，割幅為6.1～12.2 m，能夠實現雙向駕駛，收獲效率高。在關鍵裝置與調控技術研發上，Hobson等[60]針對油菜收獲時堵塞嚴重、損失較大的問題，設計了一種輔助輸送裝置，提高了油菜輸送的流暢性。Foster等[61]設計了一種配有速度控制系統的自走式油菜割曬機，可以根據作業需求調節收獲速度，提高了收獲的適應性。

我國油菜收獲機械研究起步較晚，現階段分段收獲裝備基本實現了切割、輸送、鋪放的功能，但存在輸送效率低、鋪放質量差、輸送通道易堵塞等問題，限制了割曬機的工作效率。廖宜濤等[62]針對南方小地塊作業損失大、能耗高等問題，設計了一種用于小地塊油菜分段收獲的4SY-1.8型手扶式油菜割曬機，與手扶拖拉機配套作業，結構簡單。韓彩銳等[63]針對前懸掛油菜割曬機傳動路徑復雜、動力損失大等問題，設計了一套與4SY-1.8型油菜割曬機配套的液壓驅動系統，各運動單元獨立工作，提高了對不同品種油菜的適應性。王修善等[64]針對現有油菜割曬機適應性差等問題，設計了一種4SY-2.0型油菜割曬機，采用履帶式底盤和立式割臺作業，可根據地形調整割茬高度，油菜鋪放整齊均勻。石增祥[65]等以聯合收獲機為動力平臺設計了4SY-2.2型油菜割曬機(圖4F)，實現油菜的單側鋪放。

油菜輸送和鋪放的過程中，機具參數與油菜特殊生物學特性不匹配是導致鋪放效果不佳的重要原因。金誠謙等[66]基于4SY-2型油菜割曬機研究了油菜形態、成熟度、輸送機構參數、鋪放裝置參數以及排禾口等因素對鋪放質量的影響。蔣亞軍等[67]針對4SY-2.9 型油菜割曬機(圖4G)機架振動幅度大等問題，基于Ansys對機架進行了建模分析，得到了六階模態下機架的頻率與振型，提出了增加拱門結構的設計方案，降低了割曬機工作時的共振。李海同等[68]為提高手扶立式油菜割曬機的作業性能，基于Ansys和Adams建立了割曬機與油菜植株的剛柔耦合模型，并進行了仿真試驗，得到了前進速度、割茬高度、植株密度、摩擦系數等因素對油菜鋪放質量的影響，為割曬機的作業參數優化提供了理論支撐。

綜上所述，國外因田塊面積大，油菜割曬機以寬幅、大喂入量、大馬力、廣適性為特點，多采用中間鋪放方式，基本實現了油菜莖稈的有序條鋪。我國南方冬油菜種植區受田塊面積小、水旱輪作田間工況復雜等制約，寬幅割曬機難以應用推廣，有限割幅內實現莖稈有序鋪放是割曬機研發的難點；此外，實現割曬機機組前進速度、撥禾輪轉速、輸送裝置運行參數等的綜合適配是提高割曬機對油菜植株適應性的關鍵。

2)聯合收獲技術與裝備。聯合收獲是使用聯合收獲機一次性完成油菜切割、脫粒、分離、清選等主要工序的收獲方式，具有省時省力、作業效率高、適宜搶農時等優點，可適應我國絕大部分地區的油菜種植環境。得益于水稻、小麥等糧食作物聯合收獲技術的快速發展，稻麥聯合收獲已形成了較為成熟的機械化收獲技術與裝備體系。然而，由于油菜植株高大、成熟度不一致、角果易炸裂等特殊生物學特性，由稻麥聯合收獲平臺發展而來的油菜聯合收獲機適應性不足，綜合損失率居高不下。2019年我國油菜機收率僅為44%，遠低于小麥、水稻的機械化收獲水平。目前油菜聯合收獲機總體上向廣適性、大喂入量、智能化、功能集成化方向發展，圖4H和圖4I為國內外典型油菜聯合收獲機。

油菜聯合收獲機由割臺、脫粒分離裝置、清選裝置等組成，割臺工作過程中割刀、側邊切割器往復運動及撥禾輪擊打是導致割臺振動與落粒損失的主要因素之一，植株接觸部件的優化是提高油菜聯合收獲機適應性、減少籽粒損失的關鍵[69]。在解決割臺均勻喂入的問題上，李海同等[70]提出了具有莖稈切割、輸送、復切功能的分體組合式割臺及其復切輸送器間隙自適應調節機構；朱劍等[71]開發了一種基于嵌入式的電液比例控制系統，提升了割臺工作高度調整實時性和準確性；莊肖波等[72]提出一種基于魯棒反饋線性化割臺高度控制策略，提升喂入量的穩定性、降低整機各環節的作業負荷波動。目前割臺損失仍是整機主要損失之一，低損均勻喂入是提升后續工作部件性能的關鍵。

針對脫粒分離裝置大喂入量作業適應性要求，國內外圍繞脫粒元件的選擇與優化設計、脫粒間隙可調結構設計及相關參數匹配設計開展了研究。唐忠等[73]研究了不同脫粒元件的脫粒分離的性能影響，試驗得出短紋桿綜合脫粒性能較優。邸志峰等[74]設計了一種紋桿塊與釘齒組合式軸流脫粒滾筒；謝芳平等[75]、耿端陽等[76]設計了柔性脫粒滾筒，均為脫粒元件的設計與選型提供依據。李耀明等[77]設計了由凹板間隙調節系統和凹板篩后側油壓力采集系統組成的脫粒滾筒負荷監測和凹板間隙調節裝置；王勛威等[78]設計了一種直徑可調的脫粒滾筒，通過改變脫粒滾筒直徑，實現脫粒間隙調節。脫粒分離裝置作為聯合收獲機的核心裝置，其物料處理能力的提升是實現聯合收獲機喂入量提升的關鍵，圍繞大喂入量及其波動變化作業開展脫粒滾筒結構設計、脫粒分離裝置的參數優化與匹配是未來發展方向。

清選裝置以風機與振動篩組合式清選裝置為主，也有部分中小型聯合收獲機采用旋風分離清選裝置。針對風篩組合式清選裝置主要開展了篩分機理探究、風機和篩體優化、氣流場和物料耦合分析等研究。童水光等[79]、樊晨龍等[80]、王立軍等[81]為優化風機和篩體分別提出了雙風道六出風口風機、圓錐形風機、雙層振動清選裝置以提高清選系統的工作性能。李耀明等[82]針對清選篩脫出物易粘附、堵塞清選篩的問題開展了仿生篩的研究，明確脫出物粘附規律與仿生篩的結構設計。在清選裝置內氣流場和物料運動分析研究中計算流體力學CFD和顆粒離散元DEM及其耦合的方法應用廣泛，李洋等[83]研制了多風道清選試驗臺以研究脫出物喂入量對清選裝置內部氣流場的影響；李洪昌等[84]對風篩式清選裝置進行CFD與DEM軟件耦合仿真，得到脫出物在清選室內的運動規律及脫出物顆粒運動軌跡。此外，廖慶喜等[85]基于短程收獲原理，開發了利用懸浮氣流清選的旋風分離清選系統，驗證了旋風分離應用于油菜清選的可行性。隨著油菜單位產量的不斷提高，需要進一步研究清選裝置的結構與運動參數匹配、脫出物與清選裝置耦合、脫出物組分分配、關鍵裝置布局優化在聯合收獲機有限空間內合理布局，提高清選裝置性能及效率。

3)飼用收獲技術與裝備。為增加油菜種植附加產值，提高農戶種植積極性，除油用外，油菜的莖、葉可作為鮮喂飼料直接供牲畜食用，也可青貯后作為春冬飼草的重要來源，緩解冬春季節青飼料嚴重缺乏的問題，且飼用油菜作飼料具有種植成本低、產量高、適口性好、蛋白質和脂肪含量高等優點，對于我國畜牧業的發展具有促進作用。目前，青飼收獲技術和裝備發展相對成熟，典型裝備包括紐荷蘭公司FR9040青貯收獲機、CLAAS(科樂收)JAGUAR 970自走式青貯飼料收割機、新疆牧神4QZ-3000A型自走式青(黃)貯飼料收獲機、中機美諾9265A自走式飼料收獲機等，但飼用油菜專用收獲裝備鮮有報道。

飼用收獲技術關鍵在于切碎技術的研究，莖稈切碎質量的高低是評價飼料優劣的重要標準。公譜等[86]研究表明切碎方式不僅影響切碎效果，且對畜禽采食率、飼料營養價值等影響顯著，切碎方式的選擇要綜合飼喂對象、飼料種類、飼料后續處理和功耗等多方面的因素。按照切碎方式的不同，切碎裝置可分為盤刀式和滾刀式2種類型[87]。盤刀式切碎裝置用于飼用油菜收獲時，油菜受過度揉搓擠壓，導致汁水溢出無法飼喂，而且切碎后物料易在長而窄的輸送通道內堵塞而無法繼續作業。蔣亞軍等[88]針對長江中下游地區飼用油菜生物量大、含水率高，缺乏適用收獲機械的問題，開發了飼用油菜專用收獲機(圖4J)，開展了冬春鮮喂飼用油菜機械化收獲切碎裝置設計與試驗。吳巧梅等[89]對平板刀式滾筒切碎裝置的參數進行試驗優化，在滿足拋扔條件下，應盡量選擇較大的切割前角，刀片的安裝隙角要盡可能小。飼用油菜收獲期長、不同生育期物料特性差異大、喂入量大、含水率高等特殊生物學性狀是導致常規青貯收獲機適應性不高的主要原因[90-91]，同時飼用油菜作為新型飼料，其適口性、飼喂效果與機械化收獲裝備參數匹配關系亟待深入研究。

3.4 病蟲草害無人機防治技術與裝備

無人機植保作業對不同地形、地塊大小和作物高度適應性好，具有作業效率高、應對突發災害能力強等特點。國內相關企業生產了系列化的植保無人機，如大疆T系列植保無人機、極飛P系列植保無人機等。為提高施藥的均勻性、減小藥液的飄逸損失和節能高效作業，眾多學者開展了無人機噴藥系統關鍵部件結構優化、作業參數和作業效果實時檢測等研究。

A:機械離心式 Mechanical centrifugal type; B:氣力滾筒式 Pneumatic drum type; C:氣送式 Pneumatic conveying type； D:約翰迪爾JD A400油菜割曬機 John Deere JD A400 windrower for rapeseed harvesting; E:MacDon M200油菜割曬機 MacDon M400 windrower for rapeseed harvesting; F:4SY-2.2型油菜割曬機4SY-2.2 type of windrower for rapeseed harvesting; G:4SY-2.9型油菜割曬機4SY-2.9 type of windrower for rapeseed harvesting:H:CLAAS Lexion8700-7600聯合收獲機ClAAS Lexion 8700-7600 combine harvester; I:沃得4LZ-5.0E聯合收獲機WODE 4LZ-5.0E combine harvester; J:飼用油菜收獲機 Forage rapeseed harvester.圖4 油菜精量播種與收獲機械裝備Fig.4 Rapeseed precision sowing and harvesting machinery and equipment

噴藥系統合理的結構設計和作業參數控制是良好作業效果的重要保證。李熙等[92]采用在藥箱設置水平和豎直阻尼隔板的結構方案，降低了藥液晃動對無人機穩定運行的不利影響。姜銳等[93]設計一種通過采集藥箱內外氣壓差值及無人機傾斜角度，利用混合數字濾波算法準確獲取藥箱液量的監測裝置。何勇等[94]詳細分析了不同噴嘴的結構、特點和適用場景，介紹了噴嘴性能評價指標及測試方法，提出應結合作物、噴藥需求以及作業環境三因素進行施藥決策。劉洋洋等[95]通過建立閥門開度與作業高度、作業速度和施藥量的分級控制算法，構建多信息監測與變量施藥系統。此外，仿真模擬分析是研究施藥效果的有效措施，張豪等[96]采用CFD方法分析了懸停高度、生長階段和自然風速等因素對無人機下洗氣流場的影響規律，研究得出自然風影響下洗氣流分布對稱性，沿逆風方向調整可改善施藥效果。Wen等[97]采用生成對抗網絡模型提取樣本特征來預測單旋翼無人機氣流場，獲得比CFD模型更快的數據壓縮速度和更高壓縮率。

噴藥效果的精準高效觀測是評價作業質量和改進噴藥系統的重要依據。張瑞瑞等[98]采用熒光示蹤法與水敏紙法研究了不同飛行速度和飛行高度條件下施藥霧滴沉積特性。王志翀等[99]設計一種無人機噴藥霧滴沉積飄移立體分布的測試方法，通過在地面和空中布設沉積和飄移收集器，研究了不同機型和噴頭作業時的沉積和飄移特性。王昌陵等[100]設計一種仿真果園試驗臺，通過在地面、冠層、空中等處設置沉積和飄移收集裝置，提出可采用霧滴空間飄移指數評價藥液霧滴空間飄移特性。利用無人機技術可解決因油菜生育后期植株高大、分枝眾多等因素導致田間封行，傳統植保機械難以作業的難題，開放環境下實現霧滴均勻覆蓋、提高續航時間及作業效率仍是重大挑戰。

4 產后油脂加工技術與裝備

油脂是人體所需能量和脂肪酸的重要來源之一。油脂加工設備包括了從油菜籽粒收獲后的干燥、清理、分選、儲藏及輸送，籽粒的預處理、預榨、浸出、精煉、包裝與副產品的精深加工等全過程各個單元操作所需的各種專用設備和通用設備。通過制油工藝改良提高油料產品轉化率和利用率，對協調產業發展，推進農業增效，促進農民增收，保障農村穩定，提高城鄉居民生活水平和質量具有重要的現實意義。

脫皮冷榨制油工藝是近幾年國內外涌現出的新型工藝技術，可減少加工物料的高溫處理，所得油脂品質高且降低了加工能耗和成本[101]。脫皮與皮仁分離是制油前預處理中重要環節，也是雙低菜籽高效加工研究的難點和熱點。德國凱姆瑞亞·斯凱特公司與德國埃森綜合大學食品工藝系合作開發了一種油菜籽破殼及殼、仁分離設備；采用相對運動的2個圓輥對油菜籽進行壓碎的破殼方式，殼、仁分離則采用了高壓電場分離法[102]。中國農業科學院油料作物研究所應用離心撞擊式脫皮和綜合分離原理，研制出油菜籽干法脫皮機與皮仁分離系統[103]。

傳統熱榨-浸出菜籽油加工工藝生產的油脂色澤深、酸值高等缺點[104]。與傳統的油菜籽制油普遍采用蒸炒、預榨、浸出工藝不同，低溫壓榨不需蒸炒，能耗較低，且冷榨制油工藝一般為全機械過程，經螺旋壓榨機壓榨后過濾。雙螺旋壓榨機由于具有油脂高效提取、餅粕質量好和工藝成本低等優點而得到廣泛推廣，現已出現了多種新型低溫壓榨工藝技術和設備[105]。國內在相應低溫壓榨設備加工能力和規模方面不斷擴大，如低溫螺旋榨油機[106]、單螺桿油料冷榨機[107]、油料冷榨機[108]等。然而，我國油菜生產經營規模相對較小，油菜產后油脂加工環節缺少成套產地加工設備，導致收獲后油菜籽粒無法及時處理，延長了產后加工周期，提高了高含水率油菜籽粒霉變風險，造成籽粒損失。

5 油菜無人農場關鍵技術與裝備

農場由于其特殊規模效應，在農業生產領域具有重要的作用，伴隨農業的發展，農場經歷了傳統農場到機械化農場到自動化農場再到目前的無人農場。無人農場是在人不進入農場的情況下，采用物聯網、大數據、人工智能、5G、機器人等新一代信息技術，通過對農場設施、裝備、機械等遠程控制或智能裝備與機器人的自主決策、自主作業，完成所有農場生產、管理任務的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產作業模式(圖5)，無人農場的本質是實現機器換人[109]。全天候、全過程、全空間的無人化作業是無人農場的基本特征。

圖5 油菜無人農場概念Fig.5 Concept of rapeseed unmanned farm

2017年英國哈勃亞當斯農業大學研究團隊率先建立了世界首個無人農場，同年日本建立了世界首個蔬菜無人農場，隨后美國、韓國等也開始布局無人農場，我國在山東、江蘇、福建、黑龍江等地陸續開展了無人農場的應用探索。國內規模最大、由碧桂園控股有限公司與北大荒集團聯合打造的建三江無人化農場試驗示范項目，已經分別在大豆、玉米、水稻田塊和實驗場地進行了耕整地、播種、插秧、噴藥、噴肥、收獲、運糧等農業生產全過程的無人化作業現場演示，為油菜無人農場的布局奠定了堅實的基礎。

油菜無人農場的建立要依托作物生產全程無人自主作業、作業環節自主完成和油菜生長全程自動監控等環節。作物生產全程無人自主作業包括耕整地、種植、田間管理和收獲各環節。生產環節無人化包括從機庫到田間及完成作業后回到機庫的全過程，需要無人駕駛耕整作業機械、無人駕駛種植機械、無人駕駛田間管理機械和無人駕駛收獲機械的支撐。作物生長全程自動監控包括從耕整到收獲各階段植株的生長狀況及需水、施肥和噴藥的監測及決策。

我國南方地區由于土地規模和經營模式，成為阻礙油菜無人農場規模化發展推廣的重要因素，目前國內尚未見針對油菜生產的無人農場，但隨著機器人、物聯網、人工智能等先進技術不斷應用到農業生產經營的耕種管收等各個環節，油菜無人農場的建立指日而待，其中自動導航技術應用最為廣泛，播種環節智能化生產也是保證后續收獲與田間管理環節標準化的基礎。

5.1 產中作業自動導航技術

產中作業自動導航技術是提高田塊資源利用率的有效措施，可保證作業機具在工況復雜田塊內的對行準確度和直線行駛精度，其關鍵技術包括田間載具(拖拉機、收獲機等)位置定位、導航路徑跟蹤控制和定位數據整合等，主要采用厘米級定位系統RTK GPS(real time kinematic)全球導航衛星系統GNSS(global navigation satellite system)獲取設備的當前位置，實現產中作業機械自動駕駛實時控制[1]。

針對拖拉機導航，為提高導航和定位精度，Kaivosoja等[110]開發了GNSS錯誤模擬器。以東方紅X804拖拉機為平臺，羅錫文等[111]開發了基于RTKDGPS的自動導航控制系統，應用了跨行地頭轉向控制方法。黎永鍵等[112]結合了RTKDGPS定位和雙閉環轉向控制，提高了拖拉機自動轉向系統性能。針對收獲機導航，張成濤等[113]設計了谷物聯合收割機視覺導航系統，考察了電控全液壓轉向系統的操縱性能。丁幼春等[114]設計了一種基于單神經元PID的聯合收獲機導航控制器；曾宏偉等[115]、吳剛等[116]、張成濤等[117]、關卓懷等[118]針對導航路徑提取方法分別提出了區域生長算法、基于改進平滑度紋理特征的視覺導航路徑識別算法、基于改進Hough變換(HT)的直線檢測算法等方法，有效提升了收割區域和未收割區域識別的精度、速度、抗干擾能力，為導航提供了深厚的研究基礎。

自動導航系統的核心是導航路徑規劃及路徑跟蹤控制方法，多以農機運動學或動力學為基礎，采用模糊控制、人工神經網絡、最優控制等方法設計控制模型[1]。為提高較高含水率條件下的追蹤功能，Xiong等[119]建立了拖拉機動態模型。Zhang等[120]為控制拖拉機路徑跟蹤設計了最優分數階比例微分控制器，降低了閉環系統絕對誤差，減少了作物破壞。為提高拖拉機軌跡追蹤控制精度及其對環境干擾的魯棒性，Erkan等[121]提出了分布式非線性預測控制方法。為有效估測農機的航向角度，張智剛等[122]采用基于協方差函數的加窗估計算法在線估計電子羅盤和微機械陀螺的測量方差。為實現東方紅拖拉機的液壓轉向，張聞宇等[123-124]設計了自適應變論域模糊控制器，提出了基于SVR逆向模型的拖拉機導航純追蹤控制方法；為解決播種導航作業起始位姿調整和套行作業自動轉彎過程中人工操作配合難度大的問題，進一步提出了雙切圓尋線模型控制方法。丁幼春等[125]設計了一種基于免疫PID的小型履帶式油菜播種機導航控制器，提高了輕簡化智能化播種機對南方稻茬田土壤黏濕、田塊小的適應性。為了實現自主導航拖拉機離開衛星定位系統時能夠持續可靠工作，田光兆等[126]提出了基于三目視覺的拖拉機行駛軌跡預測方法，該方法可用于短時預測拖拉機的行駛軌跡，為自主導航控制提供依據。張華強等[127]為提升農機作業時直線行駛的精度，提出一種通過PSO算法動態確定純追蹤模型前視距離的路徑跟蹤算法，能有效地提高農機作業時的直線行駛精度。自動導航技術已逐步應用于規模化的農業生產，但針對油菜產中作業過程智能化技術與裝備的實用性、適應性、可靠性仍需要進一步研究。

5.2 漏播檢測與實時補種技術

漏播檢測與實時補種技術可實時監測播種質量參數，并及時反饋漏播狀態，有效避免了后期補苗或補種作業[1]。光電檢測是作物種子漏播檢測的有效手段之一，以Precision Planting和John Deere等為代表的國外公司開發了光電檢測裝置并安裝于導種管內，可實時探測和反饋排種量及排種時間間隔，但光電檢測方法對排種速度快、種子粒徑小的油菜高通量排種檢測適應性不足[1]，李明等[128]提出了一種基于排種頻率的檢測方法，可有效檢測漏播程度。為實現小粒徑油菜種子精量排種器重播條件下的漏播檢測，丁幼春等[129]提出了一種同步檢測排種盤轉速與排種脈沖、雙重閾值約束排種頻率與時間間隔的檢測方法；進一步設計了油菜精量排種器種子流傳感裝置，提高了小粒徑油菜種子排種量的監測準確性，實現了油菜種子流排種頻率與排種總量的實時監測[130]，并針對油菜精量排種器的漏播問題，設計了螺管式補種器對漏播進行補種[131]；同時結合基于時變窗口的漏播檢測方法，優化了螺管式補種裝置結構，集成了基于PWM驅動直流電機與無線傳輸方式，構建了變量補種策略，實現了精量排種器漏播實時檢測與變量補種有機融合，解決了油菜機械化排種漏播的問題[132]。通過采用排種頻率法、排種脈沖同步和碰撞信號等方法可實現油菜種子漏播狀態的檢測，但由于油菜籽粒徑小、流動性好，還需進一步提高實時檢測漏播狀態準確度并降低補種響應時間。

5.3 變量播種施肥技術

變量播種施肥強調按需播種或施肥，是最大限度提高資源利用率、省種省肥的有效措施。變量播種施肥技術以決策分析系統為核心，通過液壓、電動等技術執行可控播種或施肥作業。實施過程中需將機具前進速度、產量分布圖、油菜播期和品種等參數反饋給智能控制系統，控制系統則控制液壓、電動元件驅動精量排種器與排肥器轉動，實時調節排種量和肥量。Amazone公司研制的氣送式集排系統供種裝置采用液壓驅動系統，可通過控制終端實時調節排種器轉速實現變量播種。Michihisa[133]基于處方圖設計了變量播種與施肥控制系統，可利用電機驅動控制排種器、排肥器轉速，并與TTKGPS導航技術配合實現變量播種和施肥。張伏等[134]為提高傳統播種施肥控制系統播種施肥利用率和效能低的問題，設計了一種可實現人機交互變量播種施肥系統。針對國內變量施肥控制系統與排肥監測系統集成化程度低，電動機驅動變量施肥系統動態響應研究不夠深入，楊碩等[135]設計了基于電動機驅動、支持多路播種施肥監測的變量施肥控制系統。變量播種技術所依賴的自動控制、導航技術、決策分析、液壓和電控等多種技術在我國農機領域的應用尚處于發展階段，亟需加快相關技術研發以適應我國農業現代化發展需要。

6 技術難點分析與發展趨勢

中國油菜種植區域主要分布在長江流域，具有一年多熟種植制度、土地分散、地塊狹小和土壤黏重板結等典型特征，但是產前、產中、產后階段發展不均衡、不充分，導致生產手段落后、成本高、綜合效益低，嚴重影響民眾油菜種植的積極性。三大階段發展不均衡主要體現在區域不平衡、上下游階段不平衡和各環節技術體系不平衡三大方面。發展不充分包括整個油菜生產產業發展總量不夠豐富、發展程度不夠高、發展態勢不夠穩固，體現在油菜產中耕種收全程機械化技術與裝備不能很好地滿足當前和未來現代農業生產的需要，存在機械化、智能化水平低、部分裝備缺乏的現實問題；技術層面急需解決油菜生產的產前技術裝備加快研發，產中作業裝備的進一步優化改進和提高適應性，產后高品質菜籽油產地加工機械和成套裝備不足；同時全產業鏈機械裝備智能化參數調控技術和基于物聯網、大數據等前沿技術的智能化管理與精準作業系統是迫切需要攻克的關鍵技術。

6.1 全產業鏈機械化智能化技術難點

1)油菜育種、種子精細處理與收獲后產地加工機械和成套裝備發展不足，要求產前、產后機具作業適應性強。油菜育種以小區育種為主，小區播種是開展育種田間試驗的關鍵環節，然而油菜籽粒與水稻、小麥等作物不同，籽粒直徑集中于1.5～2.2 mm，小區播種、篩分、包衣等產前環節技術難度大。現階段適宜小粒徑油菜的小區播種機仍然匱乏，產前精細處理研究以工藝改良為主，缺乏適宜大規模生產的油菜種子產前處理配套機械化技術與裝備。產后預處理環節不及時，經聯合收獲或分段收獲后，一般通過人工篩分籽粒中的雜余，結合晾曬控制籽粒含水率以便后續儲存及加工，處理周期長、場地需求大、質量難以保證，導致收獲后油菜籽粒處理滯后，進而引起霉變和運輸損失，影響產后油脂品質。

2)油用油菜生產經濟效益有待提高，油菜種植附加產值不足，農戶種植積極性不足，要求拓展油菜多功能開發利用。根據油菜生育進程進行綜合開發利用，可實現油菜“一菜多用”，提高油菜種植效益，促進種養結合、用養結合，加快一、二、三產業融合，但飼用、菜用、肥用油菜生產機械化技術與裝備仍然不足，需要加強油菜全價值鏈生產技術與裝備發展。

3)油菜產中種植區域多樣、作業工況復雜，各環節機械化生產水平不均衡，標準化與規模化生產需要加強。冬油菜種植區域大多為分散種植，經營規模小，不利于耕整地、播種、收獲等關鍵環節大型機械作業；各地種植自然條件不一，栽培制度和技術多樣化，油菜生育期內不同階段植株性狀差異大，不同環節機械化作業標準差異大，要求產中作業裝備結合油菜農藝要求，開展上下游環節適應性優化。

4)圍繞油菜全生育期開發的農機、農藝與信息化技術融合亟待突破。優選適應全產業鏈機械化生產的油菜良種，規范各區域油菜栽培模式及輪作模式種植要求以提高成苗率，滿足油菜產中機械化收獲對油菜植株株型、分枝和成熟度等需求，最終獲取高品質油菜籽粒并提取綠色安全食用油。隨著農業信息技術的快速發展，農業傳感器、精細作業與智能裝備和物聯網等技術和裝備綜合應用于油菜生產各階段的系統決策、油菜長勢監測和機械化裝備控制，有效提高了資源利用率和工作效率。

6.2 全產業鏈機械化智能化發展趨勢

1)加快油菜種子精細處理與產地加工技術與裝備的研發，加強油菜全產業鏈技術體系建設。研究油菜產前種子精細處理技術裝備，產后針對菜籽烘干不及時導致大量聯合收獲菜籽霉變損失嚴重，開發適合我國小規模和規模化生產經營的高品質菜籽油產地加工機械和成套裝備。

2)探索油菜全價值鏈開發利用，提高油菜生產附加值。系統研究油菜飼用、肥用、菜用、花用、蜜用等多功能開發利用的生物特性與各功能模塊的技術要求，重點研發飼料油菜的高效切碎技術、肥用的低耗切碎與深埋技術、菜用的高效有序切割采摘技術等關鍵技術及其配套裝置，創制油菜多功能開發利用的飼用收獲、油菜薹有序收獲和油菜高效深埋還田等系列裝備，滿足不同功能要求，提升油菜的附加值。

3)均衡發展油菜產中階段規模化經營，實現高質高效油菜生產。隨著農業現代化發展進程快速推進，我國土地經營方式已向適度規模化經營轉變，客觀引導產業鏈上下游擴大生產規模，通過節本增效創收，以育種技術、種子精細處理技術、耕播集成技術、近地面航空播施關鍵技術、油菜分段與聯合收獲技術等為支撐，結合油菜種植農藝，融合機械化生產智能技術與無人系統，應用農業傳感器技術、精細作業技術與智能裝備和物聯網技術等，探索作物長勢監測和機械裝備控制方式、病蟲草害防治、大數據決策等先進技術，有效提高油菜生產機械的智能化水平，提高資源利用率和作業效率。

4)油菜產業將隨著農業人口、土地規模和科技發展的變化，在不同階段有不同的發展動力，形成“政府推動-市場拉動-規模驅動-科技引領”的發展路徑。政府推動：現階段油菜種植規模偏小，傳統小農依然是油菜生產主體，政府應通過購機補貼、作業補貼、扶持項目、購買服務等方式推廣先進適用的技術裝備，加強機耕道、機庫棚、維修中心、丘陵山區宜機化改造等基礎設施建設，補齊油菜產業發展的短板；市場拉動：經市場競爭存活的新型農業經營主體逐漸成為油菜種植主力軍，油菜多功能開發技術及裝備有無的問題基本解決，普通農戶能夠通過土地流轉、全程托管、委托作業服務等方式間接實現全程機械化；規模驅動：職業農業將成為油菜生產的主體，土地規模化發展加速，平原和丘陵較平地塊的油菜種植實現了規模經濟，山區通過發展油菜旅游等方式提高種植效益，油菜全程全面機械化基本實現；科技引領：物聯網、大數據、云計算、移動互聯網、虛擬現實、人工智能等智能農業技術在油菜生產中大量應用，油菜生產和管理實現了機械化、自動化、信息化和智能化，油菜產業將在科技的引領下實現高質量發展。