玉米全程機械化現狀與裝備研究進展*

歐陽安，樊晨龍，趙慧慧，董佳琪，焦雨軒

(1. 工業和信息化部裝備工業發展中心，北京市，100846； 2. 中國農業大學工學院，北京市，100083；3. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，是重要的糧食、飼料和工業原料，對保障國家糧食安全和農產品有效供給具有重要戰略意義[1-3]。近年來，我國玉米播種面積和產量總體呈穩中求進態勢，2021年全國播種面積為43 320 khm2，同比增長2 060 khm2，增長近5%；產量超過2.725×108t，同比增加12 330 kt，增幅4.7%。相比發達國家，我國玉米單位面積產量、綜合生產經濟效益等仍有較大差距，2021年我國玉米單位面積產量為6 291 kg/hm2，比2020年減少0.4%，僅為美國的60%[4]。玉米全程機械化是促進玉米產業節本增效、提高玉米生產綜合經濟效益和國際競爭力的重要手段[5]。玉米生產機械化不僅可以減輕農民的勞動強度、助力爭搶農時，還可以降低玉米生產成本，提高玉米單位面積產量，提升玉米生產規?；?、專業化、現代化水平，促進畜牧業和糧食加工業的發展。玉米實現全程機械化作業，可以大大節省勞動力，增加農民收入，提高經濟效益、社會效益和生態效益[6-7]。

本文對我國玉米全程機械化和國內外玉米生產機械化裝備發展現狀進行了綜述，對智能化技術發展前景和趨勢加以展望，深入分析了當前玉米全程機械化及裝備發展面臨的問題，并提出了相關對策建議。

1 玉米主產區機械化現狀

玉米生產全程機械化主要包括耕、種、管、收四個環節。相較于國外發達國家已經實現玉米生產全程機械化，我國玉米機械化起步較晚，但近年來玉米全程機械化生產技術加快應用、機具種類不斷增加、機械化水平持續提升，全程機械化成效開始顯現。玉米耕整地綜合措施得以應用，耕整地質量不斷改善，精量播種面積進一步擴大，播種質量有一定提升，高地隙植保和無人機植保技術發展迅速，玉米機收由高速增長轉為高質量發展[8]。

我國玉米種植區域分為北方春玉米區、黃淮海夏玉米區、西南山地玉米區、西北內陸玉米區、南方丘陵玉米區和青藏高原玉米區[9]。其中，北方春玉米區主要包括黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、寧夏5省，產量占比45.4%；黃淮海夏玉米區主要包括山東、河南、河北、江蘇、安徽、山西、陜西7省，產量占比35.6%；西南山地玉米區主要包括四川、云南、貴州、重慶4省(市)，產量占比10.3%。從省份上看，黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北、遼寧、四川、山西、云南是玉米產量排名前10的省份，產量占全國玉米總產量的81.6%，其中黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南5省占比55.6%。

從主要糧食作物來看，2021年我國三大主糧小麥、玉米和水稻綜合機械化率分別為97.42%、90.70%和85.15%，其中小麥全程機械化率最高，已基本實現各環節的機械化作業，玉米生產綜合機械化水平總體較好，機耕率與小麥、水稻相當，機收率較兩者偏低，如表1所示。從玉米生產各環節來看，三大主產區受地理環境、種植規模、經濟發展水平影響，機械化率發展不均衡。統計數據表明，北方春玉米區玉米綜合機械化程度最高，機械化率平均達到92.81%，其中機耕率、機播率、機收率分別為96.68%、97.26%和83.19%。黃淮海夏玉米區玉米綜合機械化率平均為90.50%，其中機耕率、機播率、機收率分別為97.51%、90.90%和79.89%。西南地區玉米綜合機械化程度較低，其中，玉米機耕環節主要采用微耕機，機械化率為89.98%，稍低于北方和黃淮海地區，然而種植和收獲環節機械化率僅為6.83%和6.48%，以人工作業為主，與其他兩個產區機械化程度差距較大，屬于玉米生產全程機械化發展的薄弱環節，亟需重點攻關和突破。

表1 主糧作物機械化率及玉米分區機械化率Tab. 1 Main grain crop mechanization rate and maize partition mechanization rate %

2 國內外玉米生產機械化裝備現狀

玉米生產機械化裝備是實現玉米生產全程機械化的根本保障，裝備的技術性能和質量是作物生產機械化水平的重要體現。

歐美等發達國家規模化經營(平均經營規模175 hm2)、標準化種植(美國種植行距統一為76 cm)的模式較好地促進了機械化技術與裝備的發展。美國在20世紀40年代實現了糧食生產機械化，20世紀60年代后期，糧食生產機械化水平進一步提升，實現了耕整地、播種、田間管理、收獲、干燥等全過程機械化。當前，歐美國家玉米生產機械化裝備品種齊全，廣泛采用機電液一體化技術，具有作業效率高、技術先進、可靠性高等特點，并逐漸向大型化、通用化方向發展，電子技術、導航技術、遙感技術和地理信息系統等先進的智能技術已廣泛應用，精準化、智能化程度不斷提升，有力地支撐其玉米大規模高效機械化生產。

我國玉米生產機械化裝備起步較晚，近年來，在國家部委、行業企業和相關高校院所的共同努力下，裝備種類、數量持續增加，在高效、精準、低耗型裝備的研發與應用方面取得了一些重要突破，在關鍵裝備的材料工藝、復式作業、自動導航及智能監控等方面取得了重要進展，顯著提升了綜合機械化水平，推動玉米生產全程機械化成效明顯。我國玉米種植區域廣闊，經營規模、土地類型多樣，集約化程度不高，不同產區農藝模式多樣，平作、壟作、間套作并存，種植行距差異大，作業機型以中小型機型為主，大型機具多集中用于東華北、西北等一年一熟地區規?；N植。

2.1 耕整地機械

玉米種植前的耕整地機械主要包括旋耕機、深松機、鏵式犁、圓盤耙、聯合整地機等，主要作用是疏通土壤，透氣蓄水，覆蓋雜草與殘茬，防止病蟲害，為作物的生長發育創造良好的條件[10-13]。

國外耕整地機械產品具有大型、復式、耐磨、技術先進等特點。液壓翻轉犁一般在5鏵以上，最多可達18鏵，代表產品有德國的半懸掛式翻轉犁VariTitan、法國的Multi-Master和Vari-Master系列犁；動力驅動耙幅寬是國內的2倍，一般為4～6 m，如德國的動力驅動耙Zirkon 10、法國的HR1040R系列的動力驅動耙。犁鏵、耙片、耙齒等入土部件重量輕、強度大、韌性好，熱處理加工工藝領先，堅固耐用。聯合整地機械已具有耕深和水平自控調節、快速換刀、快速掛接、自動過載保護等功能。

與發達國家相比，我國液壓翻轉犁多為3鏵、4鏵，最多不超過8鏵，整機笨重、效率低、油耗大、作業效果與國外產品有差距；犁鏵、耙片、驅動耙耙齒等各種入土作業部件與國外產品相比差距較大，如國內生產的犁鏵和耙齒使用壽命只有國外進口產品的1/3～1/2。本文選取國內外典型耕整地機械進行對比，如表2所示。

表2 國內外典型耕整地機械對比Tab. 2 Comparison of typical tillage machinery at home and abroad

2.2 種植機械

玉米種植機械主要包括免耕播種機、精量播種機、穴播機等，主要作用為提升農作物生產種植效率，降低農作物生產種植成本，對農村產業發展和農民增產增收具有重要意義[14-17]。

國外的播種機械技術成熟，在排種器的設計研發以及智能控制等方面處于領先地位。在排種技術上，多采用氣力式排種器，對清種和投種要求較高，并配備高速投種裝置，可實現12 km/h以上的高速精量播種作業，單粒率達到99%以上。瑞典的Tempo T系列播種機采用氣吸式精量排種器，通過更換種盤可以實現玉米、大豆、向日葵等多種作物的播種，并安裝了基于iPad的E-Control控制系統；美國John Deere 1750-1780系列免耕播種機安裝MaxEmerge單元和SeedStar監控系統，Kinze 4905播種機配備了True Speed高速排種器、Blue Vantage顯示控制器、Blue Drive電動驅動器等，均實現了播種作業的智能控制。

我國經過幾十年的研發創新，形成了多款自主創新的精量排種器，現階段應用推廣主要以機械式精量排種器為主，氣力式排種技術高速發展，逐漸在市場上占據一定的份額。其中玉米生產中機械式播種機數量比較多，使用較多的機型包括2BYFSF-4型勺輪式播種機、2BMZF-2/4型機械式播種機等。機械式播種機通常配套中小功率拖拉機進行作業，能完成開溝、播種、施肥、覆土鎮壓等農藝要求。氣力式播種機使用較多的機型包含2BDY-6/8/9型、2BJMQ-6型、2BQ-11型等。在排種技術方面，丁力等[18]針對氣吸式玉米精密排種器工作速度提高時充種效果不佳、漏播嚴重、風壓需求量大等問題，設計了一種具有輔助充種作用種盤的玉米氣吸式高速精量排種器。試驗結果表明，排種器在作業速度8～14 km/h，風壓為-3.71～-3.21 kPa時，合格指數均能達到91.3%以上，漏播指數均小于5.1%，重播指數均小于3.6%。王業成等[19]為了簡化機械式玉米排種器結構，設計了一種夾持式玉米精密排種器，通過壓種環在各工作區域的不同結構配合夾種塊控制種子的位置及運動狀態，實現排種作業。試驗結果表明，在工作速度為11 km/h時，合格指數為90.1%，重播指數為9.1%，漏播指數為0.8%。

整體上，國內在排種技術方面與國外仍存在較大差距，尤其在作業速度上，國外已經達到了12 km/h以上，普遍達到14 km/h；而國內目前普遍工作在8 km/h，很少達到10 km/h以上[20-22]。在播種單粒率和合格率方面，國外的排種器具有很高的精度，在高速作業條件下仍能保持在99%以上的精度，而國內僅能維持在90%左右，存在一定的差距。國內外典型種植機械對比如表3所示。

2.3 田間管理機械

玉米的田間管理機械主要包括施肥機、噴桿噴霧機、植保無人機、微滴灌設備等，進行間苗、除草、松土、培土、灌溉、施肥和防治病蟲害等作業，能有效提高玉米產量[23]。

歐美國家普遍采用大型懸掛式或牽引式噴桿噴霧機，噴幅達18～34 m，利用液壓技術可控制噴桿保持平衡與穩定，采用計算機和電子控制技術可進行噴霧壓力和噴霧量的監測和調整。機械、電子和液壓技術的結合，顯著提高了噴霧機的作業效率和作業精度。

與發達國家相比，我國植保機械主要以手動噴霧器為主，勞動強度較大、工作效率較低。國內已經研發出大型自走式噴桿噴霧機，但國產自走式噴桿噴霧機噴嘴流道、變量控制系統，液壓泵及馬達在精度、可靠性等方面與國外差距明顯，功能單一，適用面窄，霧化質量較差，防飄性能差，易滲漏。對于噴頭這一核心部件，多數企業出于成本考慮多選用價格低廉的國產噴頭，一定程度上影響了噴霧質量，國內對噴頭研究相對不足，研究時缺乏對噴頭、機具與農藥的有機結合。精準噴藥技術我國尚處于起步階段，還未形成較為成熟的產品。袁琦堡等[24]成功研究出自動混藥技術，將水箱、藥箱和混合器分別設置，根據病蟲草害信息和噴施處方圖在田間作業時實時混藥，可實現藥液濃度和噴量的自動調節。王相友等[25]基于噴藥幅寬22 m的噴桿式噴藥機設計了一種多回流式變量噴藥控制系統，可實現噴藥流量隨速度實時變化，具有穩定性好、精度高和易操作等優點，提高了農藥利用率。國內外典型噴霧機對比如表4所示。

表3 國內外典型種植機械對比Tab. 3 Comparison of typical planting machinery at home and abroad

2.4 收獲機械

玉米收獲機械主要包括摘穗型、籽粒直收型收獲機和青飼料收獲機等，其中以摘穗型收獲為主，籽粒直收和青飼收獲占比不足10%。目前我國玉米聯合收獲機以4行機為主流產品，國內品牌市場占有率高，2021年市場前5名企業均為國內品牌。在玉米籽粒收獲機和青飼料收獲機方面，國產機具占主流，美國和德國的國外品牌占據了一定的市場份額，以大型機具為主。

國外發達國家玉米收獲機械經過一百多年的發展，收獲機具大型化、通用化、智能化程度高，已廣泛采用了機電一體化和自動化技術。在作業效率方面，國外玉米聯合收割機主流機型為8、12、16行，喂入量一般為20～40 kg/s，最大喂入量可達50 kg/s以上。其中12行主流收獲機作業速度一般在10 km/h，每臺每天收獲66 hm2左右。國內玉米收獲機械研制起步晚，目前機械化收獲以果穗收獲為主，籽粒直收正在快速發展。在作業效率方面，國內聯合收獲機主流機型為4～6行，喂入量一般為8～12 kg/s，最大不超過20 kg/s。收獲機作業速度一般在5～7 km/h左右，無故障時間間隔大致在60～80 h。

歐美國家的自走式青貯飼料收獲機割幅寬、喂入量大，最大功率達680 kW，割臺幅寬達到10.5 m，工作效率可達200 t/h以上[26]。歐美青飼料收獲機具有設計獨特、質量好、油耗低、收獲效率高、駕駛環境舒適和視野開闊等特點，可根據不同作業需求更換不同割臺[27]。國內自走式青飼料收獲機近幾年銷量增長較快，其中中型機是青貯玉米收割的主力機型，在大型自走式青飼料收獲機發展上有一定突破。如中機美諾最新的9458型自走式青飼料收獲機，具有動力強、割幅寬、喂入量大、反轉清堵快、不對行收割及割茬低等技術特點，屬于國內大型高端青貯機[28]。

整體上，國外玉米收獲機在保證作業性能的情況下，整機大型化、通用化、智能化程度高，收獲效率高。國內玉米聯合收獲機發展迅速，中小型自走式玉米聯合收獲機產品廣泛應用于實際生產，在大型自走式青飼料收獲機發展上有一定突破，但與國外的農機企業相比，在機型大小、作業效率和作業性能等方面還有較大提升空間。國內外玉米收獲機械對比見表5。

表5 國內外先進玉米收獲機械對比Tab. 5 Comparison of advanced corn harvesting models at home and abroad

3 玉米機械智能化技術發展趨勢

隨著GPS、GIS、傳感與檢測、信息處理、自動控制及物聯網等技術在農業生產領域的應用，玉米生產機械化裝備將逐步向智能化、自動化與舒適化方向發展[29]，全天候、全過程、全空間的無人化作業將是未來農業生產的發展趨勢。西方發達國家玉米生產機械裝備智能化程度高，生產各環節實現了智慧感知、智慧生產和智慧管理，機械化、信息化和智能化高度融合。目前我國玉米生產裝備智能化程度較低，僅在變量施肥、自動導航等技術方面開展了示范應用。準確把握玉米機械智能化技術發展趨勢，對于提升玉米生產機械化裝備水平、推動產業高質量發展具有重要意義。

耕整地機械通過應用液壓、導航、遙控技術，可實現耕深和水平自動調節、快速換刀、快速掛接、自動過載保護等功能，作業精度和效率提升。玉米播種機械正向精準、變量、智能化方向發展，變量播種技術、GPS技術和GIS技術三者的結合，可根據感知的土壤有機質含量、溫度和濕度、犁溝中的殘留物，隨時調整播種狀態，實現按土壤肥力、產量信息進行精準變量播種，從而有效利用土地資源、節約良種、挖掘產量潛力[30-31]。

田間管理機械基于土壤特性、作物生長、病蟲害狀況監測多傳感器融合技術，可以對土壤含水率和有機質含量、作物長勢(株高、葉面積指數、生物量、倒伏面積等)、養分脅迫和病蟲害等信息進行實時監測，在作業時能夠按需調節灌水量、施肥量和施藥量，實現精準變量施肥和噴藥。

玉米收獲機械基于3S(全球定位系統GPS、地理信息系統GIS和遙感技術RS)技術，可實現自動對行、割茬高度自動調節、自動控制車速、自動停車等功能，基于產量、谷物水分、土壤特性等傳感器，可在收獲作業過程中實時檢測產量和土壤肥力，并繪制產量、土壤肥力處方圖，為后期播種、變量施肥、打藥等提供依據。

農業傳感器、衛星導航、物聯網、大數據、人工智能及云計算等技術的成熟極大促進了耕種管收各環節農機的自動化協同作業。通過“地—空—星”一體化農業信息獲取技術全天候、多尺度感知土壤養分信息和作物全周期生長情況，利用自動導航和無人駕駛技術建立機群協同作業系統，基于物聯網、大數據及云計算等技術構建農機云管控平臺，可實現基于作物生長需要的耕種管收各環節種、肥、水、藥的精準管理和農機智能調度。

4 玉米機械化及裝備發展面臨的問題

目前，我國玉米生產綜合機械化率已達到90%，但玉米全程機械化及裝備發展不平衡不充分的問題嚴重，主要表現為幾個方面。

1) 區域機械化發展不平衡，南方及西南丘陵山區玉米種、收機械化率低。相較于北方平原產區地勢平坦、土地開闊的地形條件，丘陵山區玉米種植常位于山區和半山區，土地連片性差、山區坡度較大、土壤黏重，中大型機械入田困難，現有小型機具適應性差。農機的研發和推廣受制于復雜的耕地環境，種植、收獲環節機械化發展嚴重滯后，機械化率均未達7%。

2) 各地農藝種植標準不統一，藝不宜機導致“有機難用”。受生產條件及種植歷史等因素的影響，我國各地區長期以來形成了差異化的種植習慣，種植農藝標準不同，機械化發展多處于“以機適藝”的狀態，農機農藝融合不夠。多樣化、差異化的農藝要求使得機械裝備研發的成本和難度加大，應用范圍受到限制，可推廣性和適用性降低。如我國玉米種植行距從30～90 cm不等，地區間甚至同一區域縣域內行距不統一，而玉米收獲采用的是對行收獲方式，由于行距不適宜往往導致機收損失大幅增加，嚴重影響了整機作業質量。

3) 玉米裝備關鍵技術亟待攻關，產品性能較國外差距較大。國內在播種壓力傳感裝置、高速投種裝置、玉米籽粒收獲等關鍵技術上尚未突破，導致播種精度不高，收獲損失率與破損率較大。國產入土部件相對笨重、抗疲勞強度不夠、熱處理工藝存在差距。國內大型噴桿噴霧機技術相對落后，寬幅高速噴桿高度自動調整技術尚未突破，高質量噴頭、液壓泵及馬達等重要零部件依賴進口。收獲以摘穗為主，籽粒直收占比較低，提升機械化技術水平實現低破碎低損籽粒直收是玉米產業提質增效的重要技術手段。

4) 玉米生產裝備企業“小散弱”特點明顯，創新能力亟待提升。2021年玉米收獲生產企業有88家，全國公示補貼銷量為2.6萬臺，除少數龍頭企業外，大多企業規模小、實力弱。我國農機研發多集中在高等院校和科研院所，但科研成果轉化嚴重不足，多數停留在實驗室樣機階段，缺少大規模試驗驗證。而國內企業研發投入普遍不足，平均僅為2%，遠低于國外5%的研發投入水平，原創性技術供給不足，制造工藝跟不上，產品大多處于簡單模仿階段，企業與高校、科研院所的協同創新亟待加強。

5 對策建議

補短板、攻核心、強智能、抓協同、促提升，推動玉米機械化裝備的高質量發展和玉米生產全程機械化水平的全面提升，為玉米產業高質高效發展、保證國家糧食安全提供強力支撐。

1) 補短板，補上南方及西南丘陵山區機具短板。聚焦玉米生產全程機械化薄弱環節，尤其針對南方及西南丘陵山區適用機具缺乏，開展關鍵基礎技術和產品的工程化攻關，加快科技成果轉化和產業化，研發先進適用的輕簡型播種、田間管理、收獲機具，提高機械裝備在丘陵地貌、黏重土壤條件下作業的適應性、穩定性、安全性，補上丘陵山區玉米機械化短板，實現有機可用、有好機用。

2) 攻核心，著力突破農機裝備關鍵核心技術。發揮我國市場規模大、產業體系完整的優勢，強化大中小企業的協作，建立創新聯盟與研產推用一體化機制，有計劃、分步驟地開展氣力式高速精量排種、高地隙寬幅高效植保、大喂入量縱軸流低破碎脫粒分離、高效清選、鮮食玉米低損收獲等技術攻關創新，突破核心部件關鍵技術，研發高品質材料、高質量制造工藝與基礎零部件，促進針對玉米機械化重點環節的新型農機裝備研發，提高作業質量、效率與產品可靠性。

3) 強智能，加快農機裝備智能化升級。面向數字化、智能化、網聯化發展趨勢，突破智能感知、智能導航、智能作業和智能管理等技術，開展智能農機裝備傳感器、智慧決策系統和精準作業裝置等的研究。加快新一代信息技術與農機裝備深度融合，推動5G、大數據、云計算、人工智能等在農機裝備研發設計、生產制造、經營管理、市場服務等各環節應用，加大農機裝備數字化、綠色化改造力度，為推進玉米全程智能精準作業提供有力支撐。

4) 抓協同，推動農機農藝農田融合發展。加快培育適合機械化生產的玉米品種，完善適應機械化作業的種植技術體系，用標準化引領規?；靡幠；龠M機械化。因地制宜開展農田宜機化改造，通過提高地塊平整度、減少田埂、配套機耕路等措施，有效改善土地機械作業的基礎條件，解決農機下田難問題。支持引導優勢農機企業、科技創新聯盟等直接對接新型農業經營主體，建立“企業+合作社+基地”的農機裝備研發、生產、推廣新模式，加快推廣適合農藝農田要求的農機裝備。

5) 促提升，增強產業鏈供應鏈穩定性和競爭力。依托現有基礎，建設若干農機裝備產業集群，推進集群數字化綠色化改造。進一步優化農機裝備發展環境，支持有實力的大企業通過兼并重組、戰略合作做強做優，培育一批具有較強生態主導力和競爭力的產業鏈“鏈主”企業。支持生產制造玉米播種、植保、采收等主機或零部件的中小企業聚焦主業、專注創新，提升專業化能力，在玉米生產領域培育一批“專精特新”小巨人企業和制造業單項冠軍企業，打造大中小企業相互支撐、共同發展的融通發展生態，更好支撐農機裝備產業高質量發展。

6 結語

本文全面梳理了耕種管收各環節玉米生產機械化發展現狀，概括了國內外玉米生產機械化裝備的技術特點，展望了未來智能化技術發展的趨勢，分析了我國玉米機械化及裝備發展存在的主要問題，從補齊丘陵山區玉米機械化短板、開展核心關鍵技術攻關、加快農機裝備智能化升級、加強農機農藝農田融合發展、增強產業鏈供應鏈穩定性和競爭力等五個方面，提出下一步發展思路和對策建議。