小麥小區(qū)精密播種機(jī)械化裝備研究歷程及展望

王 勇，徐祝欣，李國(guó)瑩，楊 誠(chéng)，孫欽華，李國(guó)梁

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109； 2.青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司，山東 青島 266109)

0 引言

小區(qū)精密播種是在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行育種基礎(chǔ)試驗(yàn)時(shí)，為甄選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種的技術(shù)手段[1]。通常根據(jù)試驗(yàn)規(guī)劃在不同小區(qū)內(nèi)按照一定的農(nóng)藝參數(shù)精密點(diǎn)播不同品種的單粒種子，可有效提高種子出苗率及保證生長(zhǎng)狀態(tài)一致性，更好地凸顯各品種性狀的差異，降低客觀因素對(duì)遴選優(yōu)良性狀的影響。

實(shí)踐表明，機(jī)械化精密點(diǎn)播可有效提高育種試驗(yàn)播種環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外小麥小區(qū)精密播種技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)農(nóng)藝要求，總結(jié)出亟需解決的關(guān)鍵問題，對(duì)我國(guó)小麥小區(qū)精密播種機(jī)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用具有重要借鑒意義。

1 小麥小區(qū)精密播種現(xiàn)狀與農(nóng)藝要求

育種基礎(chǔ)試驗(yàn)可細(xì)分為穗行比較、各代株系比較，以及品種資源保存研究利用等試驗(yàn)[2]。只有實(shí)現(xiàn)精密點(diǎn)播才能提高這些試驗(yàn)在單穗選擇環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。因此，小區(qū)精密播種不僅對(duì)行距、粒距和播深等參數(shù)精確性要求最高，而且播種過程中不能出現(xiàn)品種混雜。

調(diào)研得知，國(guó)內(nèi)大多數(shù)育種單位在進(jìn)行小麥小區(qū)精密播種時(shí)依然采取人工播種(圖1)，這種方式會(huì)降低試驗(yàn)品種的出苗率，從而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖1 人工點(diǎn)播Fig.1 Precision seeding by human

為深入了解小麥小區(qū)精密播種技術(shù)，調(diào)研了山東及河北地區(qū)的部分小麥育種試驗(yàn)基地?；貎?nèi)每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)約9 m、寬3.2 m，彼此間隔0.5 m，中間道路1 m，左右保護(hù)行2.5 m，上下保護(hù)行3 m，小區(qū)與地頭留有5～6 m的距離方便農(nóng)機(jī)具掉頭，如圖2所示。進(jìn)行小麥精密點(diǎn)播時(shí)行距一般取20/25/30 cm，株距(4±1)cm，播深3～5 cm，但是株距和行距等參數(shù)會(huì)因品種、地區(qū)和播種方式的不同存在較小的差異。而且，育種小區(qū)參數(shù)會(huì)由于試驗(yàn)?zāi)康?、作物品種、地區(qū)及選用農(nóng)機(jī)具的不同存在較大差異。

圖2 小區(qū)規(guī)劃示意(局部)Fig.2 Partial planning diagram of plot

2 國(guó)外研究歷程及現(xiàn)狀

2.1 研究歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外較早就開展了對(duì)小麥小區(qū)精密播種技術(shù)及相關(guān)裝備的研發(fā)，20世紀(jì)60年代進(jìn)入萌芽期，形成麥類作物精密播種理論。

20世紀(jì)70年代中至80年代是過渡期，出現(xiàn)了簡(jiǎn)易精播機(jī)并不斷進(jìn)行改良。德國(guó)Fahse公司于1976年研發(fā)出GS-23型氣吸式小麥精播機(jī)，但不能實(shí)現(xiàn)單粒精播[3-4]。法國(guó)隨后研發(fā)出Nodet PeumasemⅡ型單粒氣吸式播種機(jī)，通過排種器周邊均勻分布的、帶有負(fù)壓的吸嘴實(shí)現(xiàn)氣吸式排種，更換不同吸嘴可播種不同作物[5]。20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入發(fā)展期，奧地利Wintersteiger公司生產(chǎn)出一種較成熟的氣吸組合式小區(qū)精密播種機(jī)，可用于小麥作物的單粒點(diǎn)播并且精準(zhǔn)度較高，非常適用于小區(qū)田間育種試驗(yàn)，在許多國(guó)家和地區(qū)得到推廣使用[6]。

歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，國(guó)外的小麥小區(qū)精播機(jī)逐步進(jìn)入成熟期，原理日趨成熟，功能更加完備，已實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化并達(dá)到較高水準(zhǔn)，具有以下特征。

(1)機(jī)具通用性強(qiáng)，選配不同排種器等關(guān)鍵部件可以進(jìn)行單粒和多粒精密播種切換，以及播種向日葵、玉米等其他作物，可滿足不同試驗(yàn)需求[6-7]。

(2)播種質(zhì)量好，播種定位控制器及監(jiān)控器等電子元件的安裝可對(duì)播量粒距等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整以保證作業(yè)質(zhì)量[8]。

(3)自動(dòng)化水平高，可自動(dòng)完成清種、供種等操作，目前正趨于全程自動(dòng)化。

(4)智能化水平高，計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)的運(yùn)用，在保證農(nóng)藝參數(shù)的同時(shí)，提高了小區(qū)播種機(jī)作業(yè)的精準(zhǔn)性[7]。

2.2 典型代表及產(chǎn)品

奧地利Wintersteiger公司、德國(guó)Haldrup公司在小麥小區(qū)精密播種機(jī)研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，其中最具代表性的是Wintersteiger公司的Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)(圖3)。該機(jī)專為小區(qū)精密播種而設(shè)計(jì)，搭配播種定位控制器、自動(dòng)供種及GPS定位等先進(jìn)裝置，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)點(diǎn)播[9]。

圖3 Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)Fig.3 Monoseed TC self-propelled seed drill

盡管處于行業(yè)先進(jìn)水平，但是Wintersteiger公司研發(fā)的小麥小區(qū)精播機(jī)存在共性缺點(diǎn)——更換品種時(shí)需要停機(jī)清種，因此降低了作業(yè)效率，而且由于停機(jī)時(shí)間短對(duì)風(fēng)壓要求特別高。因?yàn)槠洚a(chǎn)品采用的是由一個(gè)固定的螺旋槽圓盤和一個(gè)帶有徑向槽的圓盤相疊加的組合吸孔式排種器(圖4)。播種時(shí)依靠負(fù)壓將種子吸附到由徑向槽孔與螺旋槽孔重疊處形成的孔口上；一個(gè)小區(qū)播種結(jié)束后為避免品種混雜，排種器倒轉(zhuǎn)，負(fù)壓消失，種子從孔口處跌落到種子室，操作換氣閥使種子室與真空管相連才能把種子室內(nèi)的種子吸到集料桶中完成清種操作。

圖4 Wintersteiger公司的排種器Fig.4 Seeding device of Wintersteiger

德國(guó)Haldrup公司研發(fā)的SD-50型自走式播種機(jī)(圖5)也是一款非常出色的育種機(jī)械。該款精播機(jī)基于模塊化設(shè)計(jì)，使得機(jī)具寬度等參數(shù)靈活可調(diào)，提高了機(jī)具的適用性；采用四輪驅(qū)動(dòng)，可靠性較強(qiáng)且能適應(yīng)不同的播種條件；可配備錐體格盤式分種系統(tǒng)和彈匣式自動(dòng)供種裝置，自動(dòng)化水平較高；采用氣吸式精密排種器，可精密點(diǎn)播小麥等作物。缺點(diǎn)是該款精播機(jī)采用的是玉米氣吸式排種器(圖6)，只簡(jiǎn)單地更換了吸盤，導(dǎo)致播種小麥時(shí)清種不干凈，常會(huì)發(fā)生夾種的情況。

圖5 Haldrup SD-50型自走式播種機(jī)Fig.5 Haldrup SD-50 self-propelled planter

圖6 Haldrup公司的玉米氣吸式排種器Fig.6 Seeding device used for corn of Haldrup

由于國(guó)內(nèi)外育種試驗(yàn)方法及小區(qū)參數(shù)存在較大差異，而且國(guó)外機(jī)具價(jià)格昂貴，遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)諸多育種單位的購(gòu)買力，再加上售后服務(wù)不及時(shí)等諸多因素，導(dǎo)致國(guó)外的小麥小區(qū)精播機(jī)無法精準(zhǔn)滿足國(guó)內(nèi)育種市場(chǎng)的需要。

3 國(guó)內(nèi)研究歷程及現(xiàn)狀

3.1 研究歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

改革開放前，國(guó)內(nèi)無小區(qū)精密播種機(jī)，改革開放后，從國(guó)外引進(jìn)了Plotspider自走式小區(qū)精播機(jī)，但由于國(guó)內(nèi)外小區(qū)農(nóng)藝參數(shù)差異較大無法推廣應(yīng)用[10]。那一時(shí)期，國(guó)內(nèi)對(duì)小區(qū)精播機(jī)的研制處于停滯階段[11]。

1983年，挪威農(nóng)業(yè)大學(xué)教授奧約德應(yīng)邀來到國(guó)內(nèi)講學(xué)、國(guó)際田間試驗(yàn)機(jī)械化協(xié)會(huì)中國(guó)分會(huì)的建立，以及國(guó)內(nèi)種子繁育事業(yè)的需要促進(jìn)了我國(guó)小區(qū)播種機(jī)的研發(fā)，出現(xiàn)了ZXJB-4型小區(qū)精密播種機(jī)和XBJ-150型系列小區(qū)播種機(jī)，解決了小麥小區(qū)定量條播問題，但并未徹底解決小麥小區(qū)精播難題[9，12-13]。

2009年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基于電磁振動(dòng)原理設(shè)計(jì)出自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥小區(qū)播種機(jī)自動(dòng)供種。2011年，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)利用機(jī)電一體化技術(shù)研發(fā)出連續(xù)供種裝置，并在小麥小區(qū)播種機(jī)上得到應(yīng)用[14]。上述裝置的研發(fā)成功，提升了國(guó)內(nèi)機(jī)具自動(dòng)化水平，促進(jìn)了小麥小區(qū)精播機(jī)的研發(fā)。

2015年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)與中機(jī)美諾科技股份有限公司融合機(jī)械控制與電控的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出自動(dòng)上種及倒種裝置，在2BY-6型育種試驗(yàn)播種機(jī)上進(jìn)行了運(yùn)用，可自動(dòng)進(jìn)行上種與倒種工序，為后續(xù)研究奠基了有力基礎(chǔ)[15]。

截至目前，國(guó)內(nèi)有13家單位從事小麥小區(qū)精密播種機(jī)的研發(fā)工作并解決了小麥小區(qū)精密播種難題。其中，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司和河南力墾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司為小麥小區(qū)精播機(jī)的研制做出了不小的貢獻(xiàn)，技術(shù)處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

3.2 典型代表及產(chǎn)品介紹

2020年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)與青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司聯(lián)合研發(fā)出YC1306A型自走式小麥小區(qū)精播機(jī)(圖7)。該機(jī)采用獨(dú)立研發(fā)的雙種腔式精量排種器，利用氣吸原理可精密點(diǎn)播不同種類麥類作物和油菜等小籽粒作物，解決了不停機(jī)清種的難題；具有自動(dòng)供種裝置，配備北斗輔助控制系統(tǒng)及輔助走直駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)化及智能化水平較高，操作簡(jiǎn)單；采用液壓無級(jí)變速駕駛時(shí)靈活度高，作業(yè)參數(shù)可調(diào)。該機(jī)在國(guó)內(nèi)處于較高水平，適用于國(guó)內(nèi)大多數(shù)育種單位，先后在河北、山東等地的育種單位進(jìn)行了小麥小區(qū)精密播種試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其作業(yè)效率高、播種質(zhì)量好，受到相關(guān)科研院所的一致好評(píng)。

圖7 YC1306A型自走式小麥小區(qū)精播機(jī)Fig.7 YC1306A self-propelled plot precision seeder

河南力墾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司借鑒Wintersteiger公司Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)，研制出2BZL1250型自走式數(shù)控單粒播種機(jī)(圖8)，解決了小麥小區(qū)精密播種難題，但是清種時(shí)需要停機(jī)，播種效率略低。

圖8 2BZL1250型自走式數(shù)控單粒播種機(jī)Fig.8 2BZL1250 self-propelled CNC single seeder

4 需解決的關(guān)鍵問題及研究建議

小麥小區(qū)精播機(jī)普遍存在播種作業(yè)速度低、作業(yè)效率低的問題，需要重點(diǎn)研究高速作業(yè)過程中不停機(jī)清種的排種器工作原理和結(jié)構(gòu)型式。

國(guó)內(nèi)的氣吸式精播機(jī)智能化水平較低，如播種過程可視化程度較差、預(yù)設(shè)路徑和實(shí)時(shí)調(diào)控等方面研究成果較少等，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，加強(qiáng)相關(guān)軟硬件的開發(fā)。

進(jìn)一步完善各作業(yè)部件工作機(jī)理，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化或方案改進(jìn)，保證株距行距等參數(shù)的精確性，提高整機(jī)作業(yè)性能，進(jìn)一步減少重播漏播等現(xiàn)象的發(fā)生。將其工作機(jī)理拓展到其他農(nóng)作物的播種、清種環(huán)節(jié)。

5 國(guó)內(nèi)小區(qū)精播機(jī)發(fā)展展望

近年來，國(guó)家相關(guān)部門多次強(qiáng)調(diào)種子繁育事業(yè)的重要性，號(hào)召大力推進(jìn)育繁推一體化進(jìn)程，加快宜機(jī)化生產(chǎn)，并出臺(tái)相關(guān)扶持政策，這些都對(duì)育種機(jī)械行業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。另一方面，隨著種業(yè)發(fā)展對(duì)育種機(jī)械需求量的不斷擴(kuò)大，各地育種單位都在積極探尋適合該地區(qū)的育種機(jī)械，這種內(nèi)驅(qū)力會(huì)吸引更多科研單位及農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)投入到小區(qū)精密播種機(jī)研發(fā)的工作中，從而帶來行業(yè)的快速發(fā)展和育種機(jī)械的推陳出新。

在研發(fā)小區(qū)精密播種機(jī)械時(shí)，還應(yīng)注意以下問題。

(1)合理控制研發(fā)成本，在研發(fā)高智能化、高自動(dòng)化和播種質(zhì)量佳的大型精密播種機(jī)時(shí)要顧及大多數(shù)育種單位的消費(fèi)能力。

(2)加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合力度，廣泛調(diào)研、充分考慮國(guó)內(nèi)大多數(shù)育種單位的作業(yè)參數(shù)，提高機(jī)具的適用性。

(3)提高小麥小區(qū)精密播種作業(yè)全程自動(dòng)化和智能化水平，降低勞動(dòng)力成本。

(4)加速科研成果轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)新型農(nóng)機(jī)具宣傳推廣力度。