棉花種植機械化關鍵技術與裝備研究進展

苑嚴偉，白圣賀，牛 康，周利明，趙 博，偉利國，劉立晶

·專論與綜述·

棉花種植機械化關鍵技術與裝備研究進展

苑嚴偉1,2，白圣賀1,2，牛 康2，周利明2，趙 博2，偉利國2，劉立晶1,2※

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司農業裝備技術全國重點實驗室，北京 100083）

作為棉花產業發展的基礎環節，棉花種植機械化是制約棉花產業發展的重要瓶頸。實現棉花種植機械化是棉花產業發展方式轉變、提質增效、提升國際市場競爭力的重要途徑之一，也是棉花產業全程機械化和規模化的研究重點。該文總結了中國棉花種植現狀和特點，闡述了國內外典型棉花種植機械化關鍵技術與裝備的研究現狀，重點剖析了棉花育苗移栽和直播2種主要種植技術與裝備發展動態。在此基礎上，結合精準農業背景和棉花產業生產發展要求，歸納了現有棉花種植機械化技術與裝備面臨的機會和挑戰，提出未來的研究方向和發展建議，以期為棉花種植機械化技術研究與裝備創新設計提供參考。

農作物；農業機械；種植；棉花；機械化；育苗移栽；直播

0 引 言

作為國家重要戰略物資和經濟作物，棉花種植面積和產量均位于全球前列，其產業是中國鄉村振興的基礎配套產業，占有重要地位[1-2]。隨著棉花產業發展方式轉變、結構調整以及比較效益降低，現如今中國棉花生產正面臨著以單純追求高產向高產優質高效的方向發展[3-4]。中國作為世界棉花生產和消費大國，增強棉花話語權和國際市場競爭力，確保棉花產業高質量發展刻不容緩。這已得到政府、生產企業、科研院所等各方的廣泛關注和重視[1,5-6]。

棉花種植是棉花全程生產的基礎環節，更是促進棉花生產提質增效和提升棉花生產競爭優勢的重要途徑。農業生產經營朝以機械化為支撐的適度規模化方向轉變[7]，我國棉花種植范圍廣，存在種植模式多、栽培自然條件差異較大、農藝工序繁雜、勞動強度大和效率低等諸多問題。因此，發展棉花機械化種植技術與裝備是對我國棉花生產發展的有力支撐，更是提高棉花綜合機械化水平、推進農業現代化的重要舉措[8]。

目前國內棉花機械化種植分為棉花直播和育苗移栽[9]。育苗移栽是在營養缽上育苗，再將培育合格的棉苗移栽到棉田。育苗移栽屬于勞動密集型作業，具有典型的旱田作物移栽的特點，但易產生傷苗與漏播現象[10]。棉花直播可將棉種直接播入棉田，工序簡單，勞動強度低且作業效率高，適合于大田種植作業，應用廣泛[11-12]。現有研究主要集中在裝備結構設計及優化、流場模擬仿真分析、作業性能試驗研究等方面，已初步形成了棉花種植機械化技術與裝備體系[13-20]。棉花種植機械化需符合精準農業發展方向，追求高產優質高效的發展目標。這是棉花產業發展的重大現實需求，更是棉花全程機械化和規模化的研究重點[21]。

本文闡述中國棉花種植概括，歸納分析國內外典型棉花種植機械化關鍵技術與裝備的研究現狀。圍繞棉花育苗移栽與直播技術及裝備的研究動態，基于精準農業背景，結合棉花產業生產發展要求，以高效率、高精度、高效益為目標，提出棉花種植機械化面臨的問題，并展望未來發展方向。

1 棉花種植概況

棉花種植范圍集中在全球北緯40°至南緯30°之間，主要分為亞洲東南部、北美洲、沙丁美洲和非洲產棉區。其中，亞洲東南屬于最大的棉花生產和消費地區，主要是中國、印度、巴基斯坦；北美洲屬于第二產棉區，也是出口第一大區，主要是美國；拉丁美洲屬于第三產棉區，以巴西、墨西哥、阿根廷為主；非洲屬于第四產棉區，也是世界高品級長絨棉的主要產地[22]。

國內棉花產區主要分為黃河流域棉區（以冀豫魯陜為主）、長江流域棉區（以皖鄂湘蘇贛川浙為主）、西北內陸棉區（以甘肅、新疆為主）三大區域[23-24]，1991、2000、2010、2020年各省棉花生產情況[24-25]如表1所示。由表1可知，國內棉花種植呈現西移態勢，長江流域、黃河流域棉區面積大幅減少，逐漸由西北內陸棉區變為主體，尤其是新疆棉花播種面積增幅最快，比重逐步增大。棉花種植主體正向新疆集中，已成為中國棉花生產的中堅力量和新主產區。

表1 不同省區棉花播種面積和總產量的比較

注：“*”表示無數據或該數值＜0.01。

Note: “*” indicates that there is no data or that the value is less than 0.01.

2 棉花育苗移栽技術與裝備

我國棉花育苗移栽方式主要有2種：基質裸苗移栽和缽苗移栽[26]。基質裸苗移栽育苗費用高，容易引起棉苗根系損傷；缽苗移栽省種省時，具有補償氣候、提前作物發育期的綜合效益，即提高作物復種指數，該模式逐漸得以推廣。棉花缽苗移栽多通過半自動移栽機進行作業，人工輔助喂苗，需在旁照看機器以防漏投棉苗，作業效率較低。長期以來，棉花缽苗移栽技術深受農藝專家和農戶的青睞，但由于缺少性能可靠的移栽裝備，致使難以大面積推廣應用。

國外棉花種植均是直播，對棉花缽苗移栽研究較少，但旱地自動缽苗移栽技術相對成熟[27-31]。棉花缽苗移栽裝備技術研究在國內起步較晚，進展緩慢，大多是借鑒國外成熟旱田缽苗移栽機型。山東青州火絨機械制造的半自動棉花缽苗移栽機，每臺機器配置2～3人工投苗至鴨嘴式栽植器，利用行星輪式控制鴨嘴栽植器開合并帶動附帶的覆土鎮壓裝置。該機用于棉花缽苗栽植效果較好，裸根苗直立度差[32]。半自動吊籃式棉花缽苗移栽機由山東理工大學和石河子大學聯合設計，采用偏心圓盤式驅動吊籃實現開穴栽植，再由覆土鎮壓器覆土壓實。該類機型結構簡單，價格低廉，以小田作物為主，比如2YZ-40型吊籃式缽苗移栽機[33-34]。

為進一步提高棉花缽苗移栽機工作效率，學者開展了全自動棉花缽苗移栽機構研究。華中農業大學研制了棉花缽苗移栽系統總成，利用液壓缸和曲柄滑塊機構分別控制分缽裝置和投缽裝置完成對應的分缽和投缽動作，但結構復雜、機構龐大，尚處于研究階段[35]。浙江理工大學設計了旋轉式棉花缽苗取苗機構，利用雙向螺旋軸驅動秧箱橫向往復運動，縱向間歇機構控制秧箱縱向間歇送秧動作。該機首次將回轉式移栽機構應用于棉花缽苗移栽，結構簡單、效率高、成本低，但需與栽植機構緊密配合[36-37]。

由于種植農藝區別，國外幾乎不采用棉花移栽方式，致使學者研究較少。但國外旱地自動移栽機技術先進，性能可靠，已有一定規模推廣使用，可為國內開展棉花移栽研究提供經驗和思路[38]。國內棉花移栽基本采用人工投苗的半自動移栽方式（鴨嘴式與吊杯式），均缺乏可靠的自動送苗裝置，長期作業故障率高，致使移栽作業勞動強度增大、作業速度降低、綜合效益不明顯；針對全自動棉花缽移栽機研究不夠系統，多處于試驗階段，無性能穩定可靠的產品。后續圍繞移栽質量與效率為目的，加強移栽機構創新。通過現代設計軟件仿真、試驗等手段對其進行不斷優化，為研發高效、精準、低損取苗機構提供有力理論支撐。引入信息化、智能化技術，加強機電一體化融合，助于實現移栽機的全自動化作業，并促使移栽機械向智能化方向發展，提升作業質量。

3 棉花直播技術與裝備

3.1 種植農藝

棉花直播根據種植模式可分為露地直播和地膜覆蓋直播[39]。露地直播工序簡單，省力省本，但播后受環境影響程度大，風險高；地膜覆蓋直播具有增溫保墑、改善品質效應等特點，有利于獲得高產、優質棉，廣泛應用于國內棉花主產區[40-42]。其中地膜覆蓋直播又稱地膜覆蓋穴播，根據鋪膜與播種程序不同分為膜上打孔穴播和膜下開溝穴播。膜上打孔穴播可省放苗、封土工序，播種均勻，但若遇雨水，致使土面易板結，出苗難，且對土壤質地及整地質量要求高[43-44]；膜下開溝穴播具有適應性強（粘土、沙壤土均能作業）、作業速度快、勞動效率高等特點，能夠保持土壤結構與墑情，利于實現一播全苗，但勞動力消耗大[45-46]。地膜覆蓋穴播集中于新疆地區，主要有3種：傳統模式、機采模式與超寬膜模式[47-48]，特點如表2所示。

表2 新疆棉花主要種植模式特點

3.2 棉花機械化穴播技術

穴播器是地膜覆蓋直播機的核心部件，是決定播種機工作性能的關鍵要素。根據工作原理不同，棉花穴播器分為氣力式和機械式[49]，其中氣力式基于真空吸力原理，形成氣流作為載體確保完成囊腫和排種工作；機械式有多種方法實現排種，比如水平圓盤式、勺式、指夾式等[50]。

3.2.1 氣力式

氣力式穴播器分為2種：負壓式（氣流清種）和正壓式（氣壓差攜種），通過改變吸孔大小和數量，以適應不同尺寸規格的種子。1950年，國外開始研究氣力式排種器，因具有適應性強、穩定性好、高速播種等特點逐漸發展成為主流[51]。1970年，HUDSPETHA等[52]研制出氣吸式棉花精密播種機。結果表明：該機種子間距合理，與傳統的條播機相比具有良好的生長環境。PARISH等[53-54]以玉米和棉花種子為研究對象，構建氣吸式排種器投種過程的數學模型。結果表明：在保證排種性能的條件下，最大排種頻率為16粒/s，排種盤充種極限線速度為0.34 m/s。YAZGI等[55]以棉花和玉米種子為研究對象，開展垂直圓盤氣吸式排種器不同吸孔數量及作業速度對排種性能的影響。結果表明排種器在播種作業速度為1～1.5 m/s時，具有良好的適應性，直至作業速度提高到2 m/s時，排種性能將急劇下降；SINGH[56]為優化棉花播種機的結構與工作參數，探究排種盤轉速、真空度和吸種孔形狀對播種質量影響。

國內陳學庚等[57]研制出氣吸式棉花精密穴播器，可實現精量取種、清種、精準投種和精確點種，單粒穴播量合格率達到95%以上。為解決氣吸式精量穴播器易漏氣、能耗大等難題，該團隊盧勇濤又設計了一種新型穴播器[58]，優化其關鍵部件參數。試驗表明單粒率超過95.5%，重播率低于2.9%，漏播率低于1.6%。徐國杰[59]采用陣列吸孔吸種與側向氣吹清種相結合的方式，設計出一種氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器，對3種棉花種子進行試驗。結果表明：合格指數均在92%以上，漏播指數均在3%以下，重播指數均在5%以下。為解決氣吸滾筒式排種器能耗大、吸孔易堵塞等問題，康施為等[60]采用氣流清種、減小負壓氣室空間及清理吸孔等方法，以氣流吸種為基礎設計了一種滾筒式精密排種器。結果表明：播種合格率為93.2%，漏播率為2.1%，重播率為4.7%。姜有忠等[61]設計了一種基于有序充種的集排滾筒式排種器，解決了結構復雜、振動大、動力消耗大等問題。

3.2.2 機械式

機械式總體分為兩種：一是通過機械方式直接從種群中精確攫取種子來確定排種量，如指夾式，嚴格要求種子形狀與尺寸。因此需精選種子，必要時需進行丸粒化處理，應用較少；二是通過控制種子體積以確定排種量，如圓盤式、勺輪式、窩眼式等，利用排種元件上的容腔從種子群精確分離單粒種子，但種子形狀和大小、型孔形式對排種性能產生直接影響[49,62]。

YAZGI等[55]研究排種盤在不同型孔數量條件下精密播種裝置的排種均勻性。結果表明：在種子間距為100 mm的條件下，棉花在排種盤型孔數為26孔時具有最好的排種效果。王吉奎等[63-64]設計了一種夾持自鎖式棉花精量穴播器，可實現精量播種。為降低地面振動引起的種子脫落問題，王吉奎等[65]優化了取種器結構，增設護種裝置，改善整機播種穩定性。陳學庚等[66]以新疆地區土壤與氣候狀況為依據，研制出棉花雙膜覆蓋精量播種機。結果表明：該機空穴率低于3%，穴粒數合格率高于85%。張學軍等[16]設計了雙倉轉盤式棉花豎直圓盤穴播排種器，結果表明單粒率為94.3%，破損率0.09%。肖旭等[67]以南方棉種“一穴兩粒”的農藝要求為基礎，設計了一種機械式精量穴播棉花排種器。結果表明穴粒數合格指數為93.62%，重播指數3.87%，漏播指數2.51%。王龍等[68]模擬分析窩眼式穴播器轉速對排種性能的作用關系。為解決排種器在充種過程中由于型孔未囊取種子而造成漏播問題，李娟娟等[69]建立棉種充填過程的運動學模型對相互搶位棉種進行力學分析，研究取種輪運動參數與排種器轉速對充種性能的影響。應用離散元仿真軟件分析落入型孔的棉種速度的變化趨勢，并分析取種輪振動頻率對種群擾動的影響。表3為典型棉花播種裝置[70-75]。表4為典型棉花機械化穴播技術特點。

氣力式播種具有不傷種子、通用性好、作業速度快等特點，可更換排種盤適用于不同尺寸種子。這既提高作業效率，又確保排種作業質量。但由于種子群在高速旋轉作用下易造成運動規律不合理，影響排種性能，需嚴格要求氣密性，并存在結構復雜、動力消耗大、價格高昂、不耐用易磨損等問題。今后在研究氣力式播種技術時，在排種過程中應構建棉種的運動學和動力學模型，對排種器氣流場動力學特性進行仿真分析，明確棉種運動規律和工作機理，優化穴播器空間結構，開發低能耗、低成本、高耐用的產品。機械式排種器因其結構簡單、成本低得到廣泛使用，按照作業形式主要分為指夾式、圓盤式、勺輪式、窩眼式等。其中指夾式利用機械力夾持種子進行排種；圓盤式通過更換排種盤來保證運轉，單粒點播或穴播種子；勺輪式采用型孔大小取種，實現單粒穴播和點播；窩眼式利用取種輪實現取種，但存在易傷種、對種子外形尺寸要求較高及播種作業速度不高等問題。后續應針對國內不同區域種植模式與技術需求的差異，完善棉花播種相關基礎理論，優化改進關鍵部件與結構，集成先進技術，提高機械式排種器的適應性和高效性。

表3 典型棉花播種裝置

表4 典型棉花機械化穴播技術特點

3.3 棉花機械化播種智能化技術

采用精量播種技術省種省工，作業效率高、播種均勻性好、出苗整齊，利于后續田間管理和機械化收獲，成為棉花機械化播種的技術重點和研究熱點[66,76]。國外精量播種技術成熟，智能化水平較高，其中氣力式應用較多[56]。國內棉花種植普遍采用地膜覆蓋穴播，與國外農藝相差較大，難以直接應用。目前棉花機械化播種智能化技術發展緩慢，研究集中在自動導航和播種作業參數實時監控等[3,77-79]。

北斗衛星導航自動駕駛有效保障作業后的條田接行準確、播行端直，為后續棉花打藥、施肥、收獲等提供了標準化作業環境[80-82]。KAIVOSOJA等[83]開發了GNSS錯誤模擬器提高拖拉機導航和定位精度。ERKAN等[84]使用分布式非線性預測控制方法解決拖拉機軌跡追蹤問題，可提高控制精度和對環境干擾的魯棒性。2013年，羅錫文院士團隊研發國內首套“基于GPS的輪式農業機械導航及自動作業系統”棉花鋪膜播種機在新疆兵團第八師121團33連棉田進行現場播種演示[85]。張超[86]利用衛星導航自動技術搭載田間性能檢測設備，與傳統機械播種的誤差比對。結果表明，衛星自動駕駛技術播種精度更高，棉花更易采凈，且降低了勞動強度。王晨[87]研究了視覺導航試驗控制平臺，通過LabVIEW建立了視覺導航控制測控系統。

播種作業參數實時監測是目前研究最多和最為成熟的領域。穴播器自身轉動及前進時易振動，工作環境惡劣，易出現取種、排種不暢造成空穴；再者穴播器內部完全封閉，不易及時發現空穴問題。張學軍等[88]以齒盤式穴播器為對象，基于激光對射型和霍爾傳感器開發了一種棉花精量穴播器取種狀態監測系統。結果表明：光照對監測系統無影響，合格穴數監測精度最低為96.17%，空穴數監測精度最低為93.11%。曹葉等[89-90]利用CCD高速攝像頭，開發了棉花穴播器排種性能自動監測系統。周利明等[91-92]研制了螺旋型電容籽粒傳感器，實現了棉花精密播種機播種量的檢測。結果表明，播種量監測精度為94.6%，漏播量監測精度為93.5%，重播量監測精度為88.1%。

播種作業中應用北斗衛星導航自動駕駛技術，有效解決了“播不直、接不上茬”難題。自動導航技術已逐步應用于棉花規模化的農業生產，但針對棉花播種過程智能化作業的實用性、適應性、可靠性仍需進一步研究。目前棉花精密播種機普遍采用穴播的方式，與常見排種器結構和排種方式不同，屬于“點播式投種”，現有監測技術難以運用。播種作業參數實時監控雖取得一定成果，但無推廣應用，后續需提高測控設備精度，降低設備成本。另外，變量播種核心是變量播種處方圖和變量播種機，其中變量播種處方圖獲取是難點，需要依賴于各方面技術發展與進步。

3.4 點播式全約束導種技術

棉花地膜覆蓋直播則以點播式導種為主，利用與地面垂直的往復式投種機構將種子直接送進種溝，屬于全約束的種子運移[93]。楊徐飛等[19]設計一種氣吸式棉花精量穴播器，慣性和刮種器的共同推動使種子順利滾落到穴播器滾筒內圈，優化鴨嘴結構尺寸，減少種子碰撞嘴壁情況，確保種子準確落入穴中，不會造成太大位置偏移。盧勇濤等[58]優化設計鴨嘴結構，確保滾筒工作平穩，作業過程中不易掛膜，滑移率低。康建明等[94]利用負壓氣吸取種與強制斷氣投種組合的排種原理，實現精量取種和精確投種。王順利[95]設計一種機械鉗夾式棉花精量排種器，利用凸輪導軌和彈簧強制控制動鉗和定鉗間的張開角度，提高取種可靠度，并依靠彈簧彈力強制取種，確保了取種穩定性和可靠性。

點播式投種實質是用點播方式讓土壤包圍種子，在土壤摩擦力和回流作用下消除種子落入種床土壤的彈跳滑移現象，能夠保證種距一致性，適用于穴播、鋪膜播種等低速作業，但無法實現高速作業[76]。零速投種[96]一直都是機械化播種中的技術難點和研究重點，現有技術仍做不到絕對的零速投種。后續應繼續深入研究和應用“零速投種”理論，如通過虛擬仿真技術和高速攝影等技術研究種子與土壤的碰撞過程，以播種機“零速投種”為目標創新設計穴播器與配套導種裝置，合理優化導種裝置結構曲線[97-98]。

4 棉花種植機械化面臨問題與發展建議

棉花種植技術經歷了快速的發展，在精準農業發展的大背景下，追求高產優質高效的發展目標。結合棉花產業生產發展要求與現有棉花種植機械化技術與裝備現狀，在以后研究中需重點關注和解決[1,66,99-100]：

4.1 棉花種植機械化面臨的主要問題

1）地區發展不均衡，忽略農機作業適應性。我國棉花生產布局隨國家農業布局和結構調整而發生重大變化，承擔國家棉花產業發展的重任。新疆棉區作為全國最主要的棉花產區，但由于長期的產量優勢和扎實的農業生產基礎，忽視了區域布局和長遠發展規劃。其中，南疆傳統棉區發展緩慢，缺乏適宜小規模機采的種植模式，限制機器使用，且技術應用到位率不足，難以發揮區域特色；北疆棉區土地流轉快，新技術應用快，機械化程度高，生產效益提升。

2）基礎性研究薄弱，科技創新不足。棉花種植機械的綜合基礎系統理論和共性技術綜合分析比較欠缺，企業技術創新機制有待完善。另外缺乏多層次、多途徑的創新探索，生產實踐中存在問題研究不夠深入，尤其棉花移栽機構創新過程中依然難以擺脫對經驗和靈感的依賴，其創新設計的系統理論和方法仍未完成形成。由此造成棉花種植機械產品技術水平不高，影響機具作業的適應性和可靠性

3）智能化作業裝備缺乏，農業環境日益惡化。重要農藝活動更多依賴于傳統作業設備或人工操作，缺乏智能化精準作業裝備，且絕大多數設備在作業過程中存在作業質量差、精準度低、操作不方便等多種問題。另外我國大部分棉花種植以直播為主，采用覆膜種植方式，產量明顯高于傳統直播方式，但造成了農田白色污染，連續多年種植導致土壤質量下降，加劇了農業生態環境惡化，給農業生產增加了不確定性。

4.2 棉花種植機械化發展建議

現代化農業背景下，高效率、高精度、高效益成為棉花種植機械化發展方向。結合國內實際情況，因地制宜地開展棉花種植機械化技術研究，主要朝以下方向發展：

1）優化棉花產區布局，增強農機與農藝配合。堅持棉區合理布局“三足鼎立”，兼顧三大棉區均衡發展。根據棉區比較優勢，重點布局新疆棉區，確定扶持重點，實行規模化和專業化生產，彌補效率（單產）和效益（收益）優勢不足，持續提高新疆棉花生產效率競爭力。適當發展長江和黃河流域棉區，穩定和鞏固棉花生產。出臺政策文件，整合相關資源，充分調動各相關涉棉部門的積極性，加強棉花種植扶持力度，確保種植結構保持合理水平。

研究農藝技術與農機技術融合發展模式，采用先進農藝技術，發展節本、高產的種植技術體系。構建規模化、輕簡化種植體系改善棉田種植條件，投入智能化機械生產，實現棉花高效播種作業。針對不同地區棉花種植實際要求，研究不同作業要求機械裝備，配套相應的農藝要求。明確標準，靈活形式，以規模化、標準化棉田為基礎，配套建設高效節水、精準施肥設施，提高棉花生產管理水平、棉田產出水平和水肥資源利用效率，促進棉花產業模式規范化。

2）加強基礎理論研究，提升自主創新能力。探究土壤和作物與作業機具及關鍵部件的相互作用關系理論技術研究，集成作物物理特性、機構創新設計以及互作機理的一體化研究體系。加強生產工藝與生產機械的聯動性，形成土壤-作物-機具有效的三元一體發展模式。優化改進機具關鍵部件與結構，集成先進技術，確保機具及關鍵部件的適用性和可靠性。

應加大研發和引進核心技術，進行二次創新，研制適用性強的農機裝備并不斷加以改進。不斷突破新技術、新方法、新材料、新裝備，加速學科間融合與滲透，提高播種質量。重點加大對穴播機的研究力度，提高其作業效率和耐久性，延長穴播機使用壽命。在滿足農藝要求、提高自動化程度的前提下，兼顧裝備的經濟型和適應性，加快開發多功能、多元化自動種植裝備，提高棉花種植業生產發展水平。

3）加快智能化技術應用，綠色優質發展。加大信息化和智能化利用力度，突破關鍵工況參數及作業質量參數采集傳感器的研究與開發，精準采集機具作業信息與播種質量指標。研發智能精準化裝備，將使棉花種植機械向智能化、無人化方向發展，降低作業成本和勞動強度，提高生產效率和作業質量，提升資源利用率，從而推進傳統棉區升級改造，加快產業模式與生產方式創新。

加大研發棉花種植生物降解地膜力度，逐步替代聚乙烯地膜，依靠科技創新來突破資源環境瓶頸制約，推動形成產業布局合理、資源高效利用、生態系統穩定、產地環境良好的農業發展格局。突破生物降解地膜、農業污染控制與修復等關鍵技術，依靠科技支撐棉花生產走向優質高效、綠色安全、資源節約、環境友好的現代化道路。

棉花種植機械化是棉花產業轉變發展方式、提質增效、增強國際市場競爭力的重要途徑之一。目前棉花種植機械化已形成了比較完備機械化播種技術與裝備體系，但自動化、智能化程度仍需提高。智能化精量播種裝備成為發展趨勢，必將向信息智能化、高效大型化的方向發展。精準農業是我國傳統農業粗放化生產經營向現代化、精量化生產經營轉型的必然要求。棉花精量播種技術的推廣應用則是棉花全程機械化技術推廣應用技術重點和基礎，最終目標是實現棉花精準化、智能化、無人化播種。優化棉花產區布局，確保種植結構保持合理水平，提高新疆棉花生產效率與競爭力。加強加大自主研發力度，提高自主創新能力和技術儲備是確保棉花產業發展的保障。推進棉花機械化種植模式下農機農藝農信深度融合，形成科學合理的棉花機械化播種體系。突破資源環境瓶頸制約，優化資源配置，全面推動中國棉花生產的綠色優質可持續發展。

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Research progress in the key technologies and equipment for cotton planting mechanization

YUAN Yanwei1,2, BAI Shenghe1,2, NIU Kang2, ZHOU Liming2, ZHAO Bo2, WEI Liguo2, LIU Lijing1,2※

(1.,100083,; 2.,,100083,)

Cotton is one of the most important strategic materials and cash crops. The planting area and output of cotton have been ranked among the top in the world. Among them, cotton planting has been one of the basic links in the whole process during production. The mechanization of cotton planting has been the key bottleneck to restricting the cotton industry at present. The reason can be that the mechanical planting of cotton can be utilized to improve the quality and efficiency of cotton production, and then enhance the competitive advantage of cotton production, which is directly related to the sustainable development of the national cotton industry. The cotton mechanization planting can be divided into the cotton live broadcast and transplanted seedlings. Most previous efforts were focused on the optimization of equipment structure, flow field simulation, and operation performance tests. The cotton planting mechanization technology and equipment system have begun to take shape during this time. Cotton planting mechanization should follow the development direction of precision agriculture for the promising goal of high yield, quality, and efficiency, indicating a major practical demand in the cotton industry. The development mode of the cotton industry can be changed to enhance the quality and efficiency, as well as the competitiveness of the international market. It is also the research focus of the whole process mechanization and scale of the cotton industry. In this review, the current situation and characteristics of cotton planting were summarized on the key technologies and equipment in China. There was a trend of westward expansion of the cotton area in the Yangtze River basin and the Yellow River basin, whereas, the northwest inland cotton area gradually served as the main body of cotton planting in China. Especially, the sowing area of cotton in Xinjiang increased the fastest, while the proportion of cotton gradually increased, and the cotton in Xinjiang was the backbone of national cotton production for the new main producing area. Two technologies of cotton planting mechanization were proposed to emphatically analyze the research status and trends during cotton seedling cultivation, transplanting, and cotton live streaming. Furthermore, the opportunities and challenges were summarized to combine with the background of precision agriculture and the production requirements of the cotton industry. The future research directions and suggestions were addressed to optimize the layout of cotton-producing areas, in order to improve the competitiveness of cotton production efficiency under the planting structure at a reasonable level. Moreover, the independent innovation ability and technology reserve can be expected to strengthen the independent research and development of the cotton industry. A scientific and reasonable system can be formed to promote the deep integration of agricultural machinery, agronomy, and credit under mechanized cotton seeding. Therefore, the allocation of resources can be optimized to comprehensively promote the green, high-quality, and sustainable development of cotton production. The finding can provide a strong reference for cotton planting mechanization and equipment innovation.

crops; agricultural machinery; plant; cotton; mechanization; seedling transplanting; direct seeding

10.11975/j.issn.1002-6819.202212139

S223.2

A

1002-6819(2023)-06-0001-11

苑嚴偉，白圣賀，牛康，等. 棉花種植機械化關鍵技術與裝備研究進展[J]. 農業工程學報，2023，39(6)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212139 http://www.tcsae.org

YUAN Yanwei, BAI Shenghe, NIU Kang, et al. Research progress in the key technologies and equipment for cotton planting mechanization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212139 http://www.tcsae.org

2022-12-19

2023-03-05

國家重點研發計劃項目（2022YFD2002401）；自治區區域協同創新專項（科技援疆計劃）項目（2021E02055）

苑嚴偉，研究員，博士生導師，研究方向為農業機械自動控制與智能化儀器。Email: yyw215@163.com

劉立晶，研究員，博士生導師，研究方向為種植機械裝備。Email：xyliulj@sina.com

中國農業工程學會會員：苑嚴偉（E040100027M）