膜上精量播種裝備研究現狀及發展趨勢

閆建偉，魏 松，張富貴

（貴州大學機械工程學院/現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025）

0 引言

我國西北、西南部分地區常年干旱，水資源缺乏。西北地區深居內陸，干旱少雨，屬于半干旱地區，西南地區雖然氣候濕潤且多雨，但是雨量分配不均衡，降雨時空分布常與農作物需水期嚴重錯位[1-3]，且地形復雜，地貌類型多樣，易發生干旱。常年干旱嚴重制約西北、西南的糧食安全和社會經濟發展。如何最大限度地利用天然降水，實現水肥高效耦合對提高旱地作物產量具有重要意義[4-5]。地膜覆蓋能減少土壤水分蒸發，改善土壤水分情況，提高土壤的水分供應能力，并且可以把天然降水轉化為有效降水并提高土壤貯水量[6-11]。近年來，隨著國家對糧食安全高度重視以及在西部大開發政策影響下，覆膜播種技術得到推廣。本文在介紹國內外膜上精量播種機概況基礎上，分析了當前膜上播種機具的現狀特點及存在問題，并提出相關解決措施，為膜上精量播種機的進一步研制和結構優化提供參考。

1 國外膜上精量播種技術與機具

在國外，近年來由于免耕技術和保護性耕作技術的大力推廣以及精密播種技術的成熟，美國、巴西、意大利等國家主要以免耕播種機為主。對于膜上精量播種機的研究較少。其中較為典型的是由意大利比安奇公司研制的SEMINATRICE MODULA 系列覆膜打孔穴播機（圖1）。該機采用電驅式打孔穴播設計，可互換不同種類播種分配器，能夠靈活調節播種深度、播種量和種間距離，該播種機采用拖拉機牽引，適用于大田作業，對土地的平整度要求高，在西南丘陵地區小塊地以及地勢不平地區播種作業較為困難。

2 國內膜上精量播種技術與機具

我國對于膜上播種機的研究起步于20 世紀80 年代，起步較晚，再加之我國農作物種類繁多，大多數作物種子外形不規則、質量較輕等因素導致我國大部分旱地播種仍采用人工點播或者人力式播種機，如圖2。近年來，隨著隨著國家對種植業的大力扶持，農作物、經濟作物及蔬菜種植業發展迅速，國內學者開始對膜上穴播機進行研究，主要有鏟式、舵輪式、直插式和滾輪式穴播機以及手持式點播機，其中對鏟式和舵輪式研究較少，更側重于直插式和滾輪式穴播機。

圖2 貴州省畢節市威寧縣雙龍鎮白蘿卜播種現場

2.1 鏟式、舵輪式穴播機研究現狀

王鵬[12]運用離散單元法對鏟式玉米播種機在土壤凹凸不平的工作環境下排種、成穴以及投種過程進行分析，得出在土壤不平情況下播種機作業速度對排種影響較大，作業速度不宜過快，土壤不平對成穴器成穴影響非常小但是會導致種子變異系數上升，該研究對鏟式穴播機結構設計具有一定的意義；鄧瑩等[13]設計了一種手扶式鏟式玉米精量播種機，對成穴鏟轉速和播種機的前進速度進行了速度匹配設計，使該播種機可適用于不同的株距作業，滿足不同的種植密度要求，但是該播種機為小型機械，僅適用于小塊地作業，其株距變異系數有待降低。

郭志宏[14]設計了一舵輪式勺盤穴播器，將勺盤式排種器內置于舵輪盤內部，縮短了種子行程、降低了種子在輸送管道的滑移率，進一步提高了播種精度。李忠久[15]設計了一種舵輪式杠桿開啟穴播機，能實現水稻種子精量播種并且不傷種，提高了水稻育秧播種質量。

2.2 滾輪式穴播機研究現狀

隨著農業科學技術與手段的不斷創新，國內學者更多側重于滾輪式穴播機相關精密播種技術的研究。穴播輪盤上的鴨嘴在地膜上運動時，鴨嘴在入土和出土過程中，會有撕膜和挑膜現象的發生，對覆膜質量造成了極大影響，因此降低滾輪式穴播機對地膜的損壞成為滾輪式穴播機的研究難點。

劉曉東[16]等針對花生膜上播種設計了一種集起壟、施肥、噴藥、鋪膜及播種等于一體的2BD-3/6 型花生膜上穴播機（圖3），并且在整機后端機架加載多壟仿形機構，大大提高了機器在不同土壤環境下作業的適應性，該機采用拖拉機牽引膜上播種作業，行距180～220 mm，播種深度30～50 mm,作業速度0.6～0.99 hm2/h，但是該機在實際播種過程種存在撕膜、挑膜現象。

圖3 2BD-3/6 型花生膜上穴播機

圖4 旱地胡麻施肥覆膜穴播聯合作業機

周剛[17]針對西北旱區胡麻覆膜播種設計了一種施肥覆膜精量播種一體機（圖4），并對滾輪式穴播機進行運動分析，能夠實現胡麻膜上精量播種，該機采用拖拉機三點懸掛牽引、膜上播種、施肥一體，行距200 mm，株距200 mm，1 壟6 行，播種效率0.12～0.8hm2/h。

馮巖等[18]運用EDEM 仿真技術對窩眼輪式排種器排種輪轉速、窩眼輪型孔圓角直徑和窩眼輪型排列升角進行了仿真分析并得到最佳組合，再結合田間試驗驗證仿真試驗的可靠性，提高了油菜精量播種質量。孫步功等[19]針對傳統全膜覆蓋雙壟溝玉米播種機播種效率低、易損壞膜和掛膜等問題對播種機的動力傳動裝置采用結合非圓齒輪連接曲柄連桿機構和圓柱齒輪曲柄連桿機構來共同控制成穴器運動，大大提高了播種機播種精度并且減少了成穴器對地膜的破壞。劉小龍等[20]針對覆膜玉米穴播機的平行成穴機構作業垂直入土擾動等問題設計了三剛易柔成穴機構，該機構可大幅降低成穴時對土壤的擾動以及對地膜的破壞。余斌等[21]針對甘肅等西北丘陵地區設計了一種手推式穴播機（圖5），該機輕巧方便、操作靈活并且采用齒輪傳動，可實現鴨嘴和排種器排種同步開啟，可滿足農作物精量膜上播種，該機采用人工推動進行膜上播種作業，株距可分別調整為280 mm、230 mm 和200 mm，播種深度50 mm 或者60 mm，播種效率0.43～0.67 hm2/d，但該機需人力推動、播種效率較低，存在勞動強度高等缺點。

圖5 手推式穴播機

圖6 2BZ-4 玉米精量穴播機

甘肅省定西市三牛農機制造有限公司生產的2BZ-4 玉米精量穴播機（圖6）采用微耕機牽引式膜上播種，作業速度能夠達到1～3 km/h。該機采用微耕機牽引式膜上播種，行距300～700 mm，播種深度30～45 mm，作業效率0.22～0.50 hm2/h。

馬明義[22]設計了一種2BT-2 型玉米全膜雙壟溝電動自走式穴播機（圖7），采用手扶式，以蓄電池為動力源，由直流電動機驅動地輪，可以滿足玉米全膜覆蓋雙壟溝播的農藝技術要求，該機行距400 mm，1 壟2 行，播種深度20～60 mm，播種速度≤1.8 km/h。

圖7 2BT-2 型玉米全膜雙壟溝電動自走式穴播機

石林榕等[23]對氣吸式鴨嘴滾輪排種器進行結構優化，采用彈性墊片做為吸孔材料，能夠減少播種時對種子的刮傷，同時能夠實現精量播種。

2.3 直插式穴播機研究現狀

為避免輪式穴播機作業過程中成穴器回轉余擺線引起的撕膜挑膜現象和傳統的人工膜上點播人工勞動強度大、效率低的缺陷以及為適應少耕、免耕及地膜覆蓋播種作業要求[24]，我國于20 世紀90 年代初對直插式播種機開展研究。王平等[25]設計了一種由曲柄滑塊機構驅動的平行四桿機構直插式播種裝置，能夠實現膜上播種時成穴器“零速”播種，可以有效減少膜上播種作業時成穴器挑膜、撕膜現象。

石林榕等[26]設計了一電驅式小區玉米直插式穴播機（圖8），并設計了前進速度補償機構、限深機構和后輪高度調節機構，對相關結構設計進行了優化分析，在兼顧玉米精密播種的農藝要求的同時還可以大幅度提高整機作業平穩度，降低對地膜的損傷。該機采用手扶式，以蓄電池為動力源，由直流電動機驅動地輪，結合前進速度補償機構，穴播桿入土到出土時前進速度接近零，行距400 mm，株距330 mm，播種深度40～50 mm，播種速度≤0.62 km/h。

戴飛等[27]結合凸輪—曲柄滑塊機構設計了玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機（圖9），應用轉動導桿機構與正弦機構進行串聯，研發了直插式近等速補償機構，采用手扶式以蓄電池為動力源，由直流電動機驅動地輪，成穴器近似垂直破膜入土及出土完成膜上播種作業。該機行距400 mm，播種深度40～50 mm，株距360 mm，播種速度≤1.8 km/h。

圖9 基于近等速機構的玉米全膜雙壟溝直插式穴播機

圖10 玉米直插穴播機

石林榕等[28]在玉米直插穴播機的基礎上針對被動鴨嘴開啟過程播種性能受地面高低起伏影響較大的問題開發了由轉動導桿機構驅動平行四桿機構的直插式前進速度補償機構，研制了由共軛凸輪、強排—強啟排種器為核心工作部件的玉米直插穴播機（圖10）。相關田間試驗表明該機能有效減少覆膜種床擾動，緩解采光面機械破損，降低穴孔錯位率。

馬軍民等[29]研制了組合槽輪驅動機構，實現了間隙運動，以曲柄滑塊機構做直線往復運動進行直插播種，解決了傳統滾輪穴播器膜上播種時存在的撕膜、挑膜、穴位錯孔等問題。

3 現存問題分析

目前，國內外針對主要糧食作物的膜上精量播種機的研究已經取得了很多成果，技術基本成熟，田間作業的大型播種機具作業性能良好，而現有的膜上精量播種機能用在山地丘陵地區和小粒徑蔬菜播種的成果較少，以及與農藝要求的融合還需進一步加強。

與農藝要求不匹配。我國農作物物種繁多，大部分種子體積小、質量輕、形狀不規則，不同作物對農藝有不同的要求。目前國內大部分膜上播種機械只針對小麥、玉米等顆粒較大作物，對蔬菜等小粒作物膜上穴播機研究較少，大小粒種子播種機械由谷物類播種機改裝而來，與農藝不匹配導致播種質量差。

4 發展建議及展望

（1）加大自主研發力度。國外播種機械大多數為大型機器，成本高，不適合大量引進。應加大對核心技術的研發和引進，進行二次創新，生產出適合本國機械化生產的機械。由于膜上播種機的排種盤、觸土部件鴨嘴等關鍵部分加工精度和制造要求高，應采用新型材料和先進的工業加工工藝，提高播種質量、延長穴播機的使用壽命。

（2）提高膜上播種機通用性。一臺播種機可以滿足不同種粒尺寸大小，能夠根據農藝要求靈活調節行距、株距、播種深度和播種量，提高其通用性，實現一機多用。

（3）加大對播種機觸土部件等關鍵部分研究優化。應重點加大對直插式穴播機的研究力度，提高其作業效率和耐久性。對于輪式穴播機應重點研究如何減少成穴器撕膜、挑膜等問題，同時要充分考率機具的結構和農藝要求，還要考慮土壤條件等因素。

（4）結合蔬菜種子農藝要求。應加強對蔬菜種子的基礎理論研究，要掌握蔬菜種子的物理特性，建立多種完善的種子數據庫，針對農作物種子的特性研制出專門的膜上精量播種機。

5 總結

我國現階段覆膜播種機研制雖然已取得一定發展，但是依然處于探索階段，針對蔬菜等小粒種子的播種機械很少。國外主要采用免耕機械播種，對覆膜播種機幾乎沒有研究，可借鑒的經驗很少，因此需要加大自主研發力度。