段佳鵬,熊蒸科,陳星宇,劉大為,2*
雜交水稻繁育收獲機械研究現狀及展望
段佳鵬1,熊蒸科1,陳星宇1,劉大為1,2*
(1.湖南農業大學機電工程學院,湖南 長沙 410128;2.智能農機裝備湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410128)
機械化是降低雜交水稻育種成本、推廣雜交水稻的重要途徑。為提高我國雜交水稻繁育收獲環節機械的作業質量和作業效率,培育優質高產的種子,通過分析國內外雜交水稻收獲機械研究現狀并對國內外典型收獲機械進行對比,結合我國雜交水稻繁育的國情,在農藝農機結合、降低種子成本等方面對雜交水稻繁育收獲機械展開了探討和展望。
雜交水稻;小區育種;收獲;機械化
雜交水稻技術是我國作物育種的一項重要技術。據報道,2021年5月9日,由袁隆平院士團隊研發的“超優千號”雜交水稻平均畝產1004.83kg[1]。可見,相對于常規水稻,種植雜交水稻具備明顯的產量優勢,對我國糧食增產、保障糧食安全和社會穩定具有重大意義[2]。
我國是人口大國,隨著我國社會經濟的發展和城鎮化的推進,全國可用耕地面積正在不斷減少[3]。面對著來自人口增長和耕地減少的雙重壓力[4],通過小區試驗加快優良新品種選育進程,繁育優質高產的雜交水稻種子,提高糧食產量,無疑是保障我國糧食安全的重要途徑。
雜交水稻繁育包括播種、植保、收獲、分級等環節。與大田作業不同,小區作業的單個種植面積小。因為整個試驗區一般包含多個試驗品種和試驗小區[5-6],所以需要保證各小區試驗品種間不會出現混雜。收獲環節對整個試驗最終數據的影響最大,廣義上的收獲環節包括雜交水稻的田間收獲、分選和烘干等過程。目前我國雜交水稻的小區育種基本上是采用人工或半機械化作業的分段收獲,效率較低,周期偏長,收獲的間接損失大;由于使用普通的收獲機械無法滿足雜交水稻小區育種的試驗要求,自凈功能不理想,易對種子造成損傷[7],因此研究雜交水稻繁育收獲機械有利于加快我國雜交水稻繁育機械化進程。
國外小區育種發展較早,早在20世紀50年代,奧地利Wintersteiger就生產出了適用于小區試驗育種收獲的麥穗脫粒機,并于1963年研發了世界上第一批量產的小區聯合收割機,成功地將該機出口至60多個國家和地區。早在20世紀90年代,部分發達國家在小區育種收獲機械領域就已經實現了機械化、自動化和智能化作業[8]。2020年,以Wintersteiger為代表的國外田間試驗設備研發公司,推出全新開發、具有高性能的Quantum Pro小區聯合收割機[9],在作業效率、割幅和工作穩定性等指標方面創下新高。
此外,韓國在水稻收獲與秸稈處理方面采用新模式,通過使用水稻聯合收割機協同秸稈收獲機械進行田間作業,實現了稻草秸稈的高效回收[10]。日本水稻生產公共機械設施體系齊全,包括集中化育秧、集中化收割和烘干等,減少了收獲環節的勞作時間,極大地降低了種子生產成本[11]。在雜交水稻小區繁育收獲機械領域,美國公司采用大行比相間種植,利用小型聯合收割機分別完成父本、母本種子的收獲[12-13],育種效率高。目前,除奧地利Wintersteiger外,美國Almaco 、德國Hege和丹麥Haldrup等研發的小區育種收獲機械已經達到國際先進水平,性能優勢明顯,主要有以下特點:①人機交互技術成熟。利用地勢平坦的優點,采用小型收獲機械配套大行比種植模式的方法,不僅機械化程度高,而且充分利用了全球定位和遙感等技術輔助駕駛,甚至可實現機器自主收獲。②適應性強。設備配備有適應不同作物品種田間作業的割臺。通過更換割臺和田間調整,可以適應水稻、油菜和牧草等作物的田間收獲要求,適用范圍廣。③智能化水平高。依靠計算機自動完成對種子的干重、含水量和產量等關鍵試驗數據的采集和處理,實現了收割機完成作業即結束試驗和數據處理。④自清潔效果好,種子損傷率低,保證了試驗數據的精準性和科學性。⑤形成了完整的小區育種機械體系,產品覆蓋收割、脫粒、清選、烘干等種子收獲環節。由此可見,部分國外企業在研發雜交水稻繁育收獲機械領域優勢明顯,短時間內將在國際上繼續保持領先地位。
國外比較典型的小區聯合收獲機械有奧地利Wintersteiger的Alpha、Quantum小區聯合收割機和Split雙小區聯合收割機,以及丹麥Haldrup的Haldrup C-60和Haldrup C-65等系列小區聯合收割機。2020年,Wintersteiger在原有機型上進一步創新,開發了Split NH雙小區聯合收割機和Quantum Pro小區聯合收割機(如圖1、圖2所示),在作業效率、割幅、工作穩定性、糧箱容積、用戶友好性和種子流控等方面建立了新的業界標準。德國和丹麥研發的智能化小區收獲機械,可實現一機多用。通過更換并調整割臺和割刀,可以收獲水稻、小麥和玉米等多種作物,且作業效率高,使用一臺機械每天能完成380個小區的收獲作業,作業效率約為人工的20倍。同時,該類設備可自動完成清選、計量、取樣等工作,避免了人工收集和計算數據的誤差[14]。此外,Liang Z等對谷物顆粒損失傳感器的結構進行了優化設計,提高了聯合收割機收割視覺系統的分辨率[15]。Kurita等開發了一種水稻自主收獲操作框架,應用機器人操作算法,使聯合收割機能夠通過循環重復收割、歸位和卸載來自主收割水稻,并借助機器視覺系統實現水稻籽粒卸載的自動化[16]。

圖1 Split NH雙小區聯合收割機

圖2 Quantum Pro小區聯合收割機
相對于國外發達國家和地區,我國對雜交水稻繁育收獲機械的研究開展較晚,進展緩慢,并且普及率一直不高。1960年以前,我國的小區育種收獲完全依靠人工收割、脫粒、清選和干燥[17]。1978年,我國開始引進國外的小區育種收獲機械,但是國外產品價格昂貴,維護不便,并且不能很好地適應我國的田間育種國情。1980年以后,我國開始自主研發小區收獲機械,較成功的機型有以黑龍江省農墾總局紅興隆科研所為代表開發的5ZTY-450型移動式種子脫粒機和河南省衛輝市種子機械廠研制的 QKT-320A型小區種子脫粒機、KT-200A 型單株 (穗) 種子脫粒機等[18-19]。自此,我國在小區育種收獲機械的研究逐漸起步。
目前,我國在雜交水稻繁育收獲機械的研究上已經有了很大的進步。以湖南省農友機械集團有限公司、甘肅省酒泉奧凱種子機械股份有限公司等為代表的現代化農機企業開發的小型聯合收割機、種子清選機和烘干機不僅在國內暢銷,而且出口到了多個國家和地區,但與國外先進設備相比還有較大的差距,主要體現在:①測產系統不成熟。我國對測產系統的研究大多停留在實驗室環節,且實際應用的測產系統僅僅涉及到對收獲環節各項參數的監測,還不能根據收獲機作業情況自動調整控制。②種子損傷較大。我國對種子損傷機理的研究仍處在起步、探索階段,尤其是對雜交水稻種子籽粒的研究成果更是匱乏,導致雜交水稻的收割、脫粒、清選、烘干等環節對種子造成的損傷難以得到很好地控制。③機械化程度不高。目前國內在雜交水稻繁育收獲環節依然采用以人力為主的分段收獲。在雜交水稻分植制種過程中,父本的割除基本依靠人工收割。在混植制種的清選和分選環節,缺少理想的分選設備。④智能化程度不高,收獲機械的人機交互性不強。由此可見,我國小區育種收獲機械還有很大的發展空間,尤其是在雜交水稻繁育收獲機械上的研究更是任重道遠。
在聯合收獲機械研究領域,甘肅農業大學、青島農業大學、西華大學和湖南農業大學等院校的研究成果比較具有代表性,代表機型有4LZZ-1.0型小區稻麥聯合收割機、4GX-100型小區小麥種子收獲機和4LZ-0.8型小型水稻聯合收割機等。湖南農業大學針對小型聯合收割機清選效果不佳的問題,對4LZ-0.8型水稻聯合收割機清選裝置的清選機理進行了理論分析和計算,為該機型清選裝置的優化升級提供了重要的理論依據[20]。此外,湖南農業大學最新的研究成果還有倒伏水稻的機械化收割割臺[21]、雙縱軸流差速脫粒滾筒的谷物脫分裝置[22]、與聯合收割機掛接的割曬機[23]等。
在脫粒機械研究領域,具有代表性的機具有黑龍江省農業機械工程科學研究院和遼寧省農業機械化研究所研發的5TG-180型水稻脫粒機、5ZTY-450型移動式種子脫粒機、5TR-20型水稻單株單穗脫粒機。此外,甘肅農業大學按照田間小區育種收獲的要求設計了一種縱軸流雙滾筒小區育種脫粒分離裝置。該裝置由一種釘齒式圓柱滾筒和短紋桿-板齒錐型滾筒組成。通過短紋桿-板齒錐型滾筒能夠將谷物籽粒快速脫下,通過釘齒式圓柱滾筒能夠對快速脫下的籽粒進一步脫粒分離。應用該裝置具有作業有序、脫出物料分布均勻、損傷和含雜率低、適應性較強等優點[24]。在小區谷物收獲機械智能化方面,江蘇大學創新設計了一種能夠根據脫粒滾筒轉速的變化不斷調整作業速度的智能調控算法,避免了作業時因堵塞造成種子損傷的問題[25]。
在清選機械研究領域,西華大學在傳統清選篩的基礎上設計了一種三層多桿機構振動裝置。該裝置由上篩逐稿篩、中篩清選篩和下篩集糧器組成。作業時,上篩起到逐稿的作用;中篩與上篩的運動方向相同,可增加谷物混合物與氣流的接觸,從而提高清選效果;下篩的運動方向則相反,可實現對谷物的收集,并能充分保證籽粒與雜質的清選分離[26]。湖南農業大學利用雜交水稻親本種子長度的差異設計了一種針對現有不育系種子長度不超過5.8 mm、恢復系不小于12 mm的窩眼型孔分選機,解決了雜交水稻混播混收的清選和分選問題[27]。唐文幫團隊基于綜合性狀優良的小粒型不育系卓201S等雜交水稻品種的優勢,研發出能夠高效機械分離父本、母本種子的分選裝置,并已進入產業化階段[28-29]。袁隆平農業高科技股份有限公司基于光電色選機的原理和雜交水稻病變種子顏色的不同,研制了水稻劣變種子光學分選機,該設備能夠有效地分離出混雜在雜交水稻種子批中的病種[30]。
此外,南京農業大學借鑒應用于苜蓿、茶葉生產的氣吹式收獲機械,設計了一種采用正面氣流將禾吹彎再切割的氣吹式割臺。通過正面氣流吹禾機構把禾吹彎收割,實現對谷物的輸送,并清理割臺;在單個小區收獲后,通過側面氣流清理機構可以對裝置進行清種,能有效降低籽粒殘余量和損失率[31]。
奧地利Wintersteiger是國外專門從事田間試驗設備研發的公司,其產品廣銷全球,尤其是在歐洲農機行業,一直享有盛譽。該公司生產的Classic ST固定式小區脫粒機(如圖3所示)結構緊湊,操作簡易,脫粒精度高,適用范圍廣。通過更換脫粒凹版、逐稿器和清選篩,可實現不同類型種子的脫粒;機內采用氣動籽粒輸出帶,并在各部件邊緣處加蓋蓋板和排氣設備,避免了小區試驗脫粒混種的發生;該設備的脫粒網、振動篩和篩網均可拆卸,配合使用額外的清潔工具和內部照明系統,使不同批次脫粒間的清種工作能夠得到明顯加快。此外,該設備還裝有配套作業的稱重系統,可以自動對脫粒后的種子進行測量,并記錄各批次種子的試驗數據。

圖3 Classic ST固定式小區脫粒機
河南省衛輝市鑫農科機械廠是國內專業研發生產種子科研設備的企業,長期以來為我國農業科研單位田間試驗和稻麥繁育提供種子加工設備。其應用在分段收獲中的代表機型有KT-100型單穗種子脫粒機、QKT-320A型稻麥小區種子脫粒機、KT-200型稻麥單株種子脫粒機和XNK-3C型便攜式多功能測產脫粒機等系列產品。以XNK-3C型便攜式多功能測產脫粒機為例,該機型是專為農作物測產而開發設計的一款多用途測產脫粒機,采用人工半喂入的方式,適用于小麥、水稻、高粱和玉米等農作物,體積小巧,操作簡便,環保美觀,能一次性完成谷物籽粒的脫粒、清選和測產,種子破損率低,脫凈率達99%以上。
甘肅省酒泉奧凱種子機械股份有限公司在農機制造領域深耕已有60年。該公司以研發生產種子清選裝置、田間育種機械和烘干機等種子機械為主,其代表機型有5XF-1.3A復式種子精選機、5XF-15復式種子清選機和5XYT-10/20/50揉搓式玉米脫粒清選機等。以5XF-1.3A復式種子精選機(如圖4所示)為例,通過結合風選、窩眼選和篩片篩選三種方式實現精選效率的最大化,不僅適用范圍廣,還通過更換篩片和窩眼筒規格可以對水稻、小麥、豆類和牧草等種子進行精選分級,并剔除混雜在種子中的病粒和蟲粒,保證了較高的制種質量。

圖4 5XF-1.3A復式種子精選機
除了特殊規格的Classic ST固定式小區脫粒機外,Wintersteiger還生產有Quantum、Classic Plus小區聯合收割機和Split雙小區聯合收割機等一系列產品。以Classic Plus小區聯合收割機(如圖5所示)為例,該設備可以滿足雜交F3 后代和預繁殖小區的快速、無混種收割的所有要求,具有機動性強、高純度脫粒、復雜情況作業、無混種等特點。采用現代化的駕駛平臺設計,使得操作簡易;采用人體工學設計駕駛座,給工作人員創造了舒適的操作環境;割臺配有喂入攪龍、傳送滾筒和輸送帶,可在谷物伏倒、有雜草混跡或濕度較高易堵塞的復雜環境下作業;整機設計時采用割臺側向空氣噴嘴、氣流輸送、可調節鼓風機、噴射式閥門、旋封分離器和雙袋固定器,確保了收獲過程無混種和籽粒的完好輸送。同時,該機型還配有成熟的稱重系統、便攜帶式收割數據采集系統Classic GrainGageTM和收割軟件Easy Harvest,可以精準實現稱重、取樣和重量、濕度及百升重量的測量,智能化程度很高。

圖5 Classic Plus小區聯合收割機
4GX-100型小區小麥種子收獲機是一款國產聯合收割機。通過計算、建立離散元模型進行仿真分析,甘肅農業大學對該機的雙層收獲割臺和伸縮撥指式錐型脫粒裝置進行了改進優化,避免了梳脫割臺造成籽粒飛濺損失大、機器內部滯種、堵塞的問題。作業時,先通過撥禾輪、雙層收獲割臺及輸送器將麥穗送入伸縮撥指式錐型脫粒裝置;然后分別在伸縮撥指、齒錐型脫粒滾筒與上罩殼脫粒紋桿的作用下完成初次和二次脫粒;最后,在吸雜風機的配合下通過分離器完成清選;同時,還能自動對收獲后的小麥完成集糧。該機整機結構緊湊,對小麥等谷物收獲具有較強的適應性[32]。
青島農業大學研制的4LZZ-1.0小區稻麥聯合收割機,作業性能穩定。通過采用全喂入收獲方式和靜液壓輪行走裝置,使得該機具備一次性完成小區稻麥的收割、脫粒、清選、清種、裝袋等環節的能力。該機最大的特點是通過采用全覆蓋的氣流清種設計和側板氣流清種裝置,有效防止了種子在割臺殘留。同時,機內采用流線型曲面和圓角設計,有效避免了種子在清選室的滯留和堵塞。此外,還設計了清種模式。每次完成一個小區的收獲后,啟動清種模式,借助收割機輸送通道流線型和圓角設計的結構,通過高速氣流作用和振動實現機器的自凈,確保收割機內無種子殘留[33]。
湖南農業大學與湖南省農友機械集團有限公司合作開發的4LZ–0.8型小型水稻聯合收割機(如圖6所示)體積輕巧,作業靈活。選用履帶式行走裝置,深泥作業和越野能力強悍;割臺的升降幅度較大,適合不同高度作物的收割作業;通過加裝二次切割機構,可對高茬、殘茬進行二次切割,減輕了收割機的作業壓力,提高了作業質量;采用釘齒作為脫粒部件,使該機的脫粒裝置對高含水量作物進行脫粒有良好的作業性能,增強了脫粒裝置的脫粒分離效果[34]。

圖6 4LZ-0.8型收割機
綜上所述,國外技術在小區育種收獲機械領域已經達到國際先進水平,一些產品不僅適用于雜交水稻的繁育收獲,還能應用于小麥、牧草、蔬菜籽粒等作物的收獲或播種,適用性很強。尤其是在智能化、精準性方面,有成熟的清潔系統、測產系統和數據采集系統,為試驗小區數據的準確性和科學性提供了強有力的保障。相比之下,我國的小區育種收獲機械還存在較大的差距,主要體現在收獲機械作業時種子損傷較大、自凈效果不理想、智能化不高;我國的產品售價便宜,性價比高,更適合于國內的中小型育種單位和科研機構使用。同時,在雜交水稻的繁育領域,國內針對具有明顯性狀差異的雜交水稻品種開發出了適用于混植的分選裝置,如根據籽粒顏色、長度不同的分選裝置等。
目前,國外雜交水稻繁育收獲機械已經具備高適用性、高精度、高智能化、產品系列化等特點,并通過廣泛應用數據采集系統、稱重系統和定位系統,朝著自主收獲、精準作業和高度智能化趨勢發展。基于國內外發展現狀,對我國雜交水稻繁育收獲機械的研究提出以下討論和展望。
(1)降低雜交稻種子成本是雜交水稻收獲機械研究的重點。日本通過改良田地提高機械作業效率,同時大力推廣集中化育秧、收割、烘干等公共服務和廣泛應用節能型烘干機,有效降低了種子成本。由于我國雜交稻品種繁多,而推廣適宜機械化繁育的雜交稻,如抗倒伏特性好的品種和繁育系數高的小粒種,不僅便于機械田間作業,推進雜交水稻繁育收獲機械化進程,而且能大大降低雜交水稻的種子成本,因此應當針對適宜機械化推廣型雜交稻,著力開發專用的收獲機械。同時借鑒日本模式,加快推動集中化收獲公共服務體系的建設也是降低我國雜交稻種子成本的可行方法之一。
(2)農藝與農機結合是雜交水稻繁育收獲機械領域發展的必然趨勢。國外采用大行比相間種植的方式實施雜交水稻育種,通過使用小型聯合收割機分別收獲父本和母本種子,提高了雜交水稻育種的機械化程度。21世紀以來,我國在育種材料上先后培育出了恢復系成恢51430、小粒型不育系卓201S等具有明顯性狀差異的雜交水稻新品種,為實現雜交水稻混合收獲、借助色選或者粒選裝置清選分離父本和母本種子提供了重要基礎。由于目前我國雜交水稻分選裝置尚不成熟,大多停留在實驗研究環節,因此加快對雜交水稻繁育分選裝置的研究和相關科研成果的轉化迫在眉睫。
(3)向聯合收獲的方向發展。聯合收獲相比傳統分段收獲具有省工省時、種子損失低等優勢,對推動雜交水稻繁育機械化、輕簡化具有重要意義。目前,國外育種技術發達地區在水稻、小麥等作物的小區育種收獲環節上,均采用聯合收割機一次性聯合收獲的方式,擁有Classic和Quantum等系列高性能聯合收割機,作業效率高。我國在雜交水稻繁育領域,仍有不少地區采用傳統的分段收獲,導致收獲周期長且種子損失大。尤其是在割除父本環節,基本上都是靠人工收割,導致需要大量的勞動力,加大了雜交水稻種子的制種成本,不利于我國雜交水稻的推廣和應用。
(4)向高精度和智能化發展。國外將自動監測和采集技術廣泛應用于小區收獲機械,如Wintersteiger的稱重系統、便攜帶式收割數據采集系統Classic GrainGageTM和收割軟件Easy Harvest,可以精準實現稱重和濕度測量。與國外相比,我國開發的測產系統及小區聯合收割機清種裝置尚不成熟,影響了小區育種試驗數據的科學性和精準性,因此應當加大測產系統、清種裝置的科研力度,保障雜交水稻繁育的高質高效。
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Research status and prospects of hybrid rice breeding harvester
DUAN Jiapeng1, XIOMG Zhengke1, CHEN Xingyu1, LIU Dawei1,2*
(1.College of mechanical and electrical engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China;2.Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment, Changsha, Hunan 410128, China)
Mechanization is an important way to reduce the cost of hybrid rice breeding and promote hybrid rice. In order to improve the operating quality and efficiency of hybrid rice breeding and harvesting machinery in China, and to cultivate high-quality and high-yield seeds, this article introduces the current research status of hybrid rice harvesting machinery at home and abroad, and compares typical harvesting machinery at home and abroad. Combining with the national conditions of hybrid rice breeding in our country, the hybrid rice breeding and harvesting machinery has been discussed and prospected in the aspects of combining agronomy and agricultural machinery and reducing seed costs.
hybrid rice; plot breeding; harvest; mechanization
S255.4
A
2096–8736(2022)01–0020–07
湖南省教育廳科學研究項目(21A0131);湖南農業大學大學生創新訓練項目(XCX2021029)。
段佳鵬(2001—),男,大學本科,主要研究方向農業機械。
劉大為(1983—),男,副教授,主要研究方向為水稻生產全程機械化技術與裝備。
責任編輯:陽湘暉
英文編輯:唐琦軍