我國蔬菜精量直播裝備技術現狀與發展趨勢

摘要：蔬菜生長周期短，經濟效益高，蔬菜產業已成為我國農業發展的重要支撐，但因其種子粒徑較小、形狀不規則、機械播種難度大等特點，導致目前蔬菜播種機械化程度不高，生產效率較低，嚴重制約蔬菜產業的進一步發展。以部分典型蔬菜播種機為例，闡述國內外蔬菜播種機的研究現狀及先進蔬菜播種技術，指出目前我國蔬菜直播機存在排種器通用性較差、播種效率和精度較低、電氣智能化程度不高等問題，蔬菜播種機研發仍處于初級階段。認為我國未來蔬菜直播機的發展方向將以大型氣力式和小型清潔能源的機械式為主，并建議制定農藝標準及規范，提高播種機的通用性、加快新技術應用，為精量蔬菜播種機的研制提供參考。

關鍵詞：蔬菜播種機；精量播種；蔬菜直播機

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

Current state and development trend of precision seeding equipment for vegetable seeds in China

Abstract：

The vegetable growth cycle is short， the economic benefit is high， the industry has become an important support for the development of Chinese agriculture. But the seed size is small， irregular shape， mechanical sowing difficulty and other characteristics. It leads to the current situation that vegetable planting mechanization degree is not high， the production efficiency is low， which has seriously restricted the further development of the vegetable industry. Taking some typical vegetable planter as an example， the research status of vegetable planter at home and abroad and the advanced vegetable sowing technology are described. It is pointed out that there are some problems in the generality of seed arranger， low sowing efficiency and precision， and low degree of electrical intelligence of vegetable seeder. The research and development of vegetable seeder is still in the primary stage. It is believed that the development direction of vegetable live seeding machine in China in the future will be mainly large pneumatic type and small mechanical type with clean energy. It is suggested that the agronomic standards and norms should be formulated to improve the generality of the seeding machine and speed up the application of new technology， so as to provide reference for the development of precision vegetable seeding machine.

Keywords：

vegetable planting equipment; precision seeding; vegetable live seeding machine

0 引言

我國栽培的蔬菜有100多種，分為20個科，常見蔬菜主要集中在十字花科、茄科、豆科等8科。蔬菜可提供人體所必需的多種維生素和礦物質等營養物質，據聯合國糧農組織1990年統計，人體必需的維生素C的90%、維生素A的60%來自蔬菜［1］。此外，蔬菜中含有多種有益健康的植物化學物質。

隨著人們生活水平提高和科學膳食觀念的建立，我國蔬菜食品市場的需求量增大，蔬菜產業前景一片大好；加之我國土地流轉推進，農村勞動力減少，蔬菜產業亟需推進機械化來提高生產效率。而播種作為蔬菜生產的重要一環，精量直播技術逐漸成為蔬菜機械化研究的重點。目前我國蔬菜生產機械化水平遠低于大宗糧食作物［2］，專用機型少，作業效果差，導致蔬菜產業所需勞動力多、生產效率低［3］，與日益增長的蔬菜需求矛盾加大。因此開展蔬菜直播機械化裝備及技術研究，對提升蔬菜生產機械化水平、推進蔬菜產業持續發展具有重要意義。

本文闡述蔬菜精量直播機的國內外研究現狀，總結目前市場主流的機械式、氣力式蔬菜播種機特點，分析蔬菜直播機的未來發展方向，并針對目前蔬菜直播機械化存在的問題提出建議，為蔬菜播種技術及裝備研發提供參考。

1 蔬菜種植現狀與技術特點

近年來，我國蔬菜產業發展迅速，蔬菜種植面積僅次于糧食作物。2020年，我國蔬菜種植面積達到21485khm2（圖1），占農作物總播種面積的12.8%［4］。由于蔬菜作物經濟效益高，生長期短，加上人們對蔬菜需求越來越大，蔬菜產業逐漸成為農業支柱型產業之一。

蔬菜種植有移栽和直播兩種方式［5］，移栽所需的勞動量較大，同時對于種植密度大、行距小的葉菜類蔬菜來說，實現機械化移栽的難度大；相對于育苗移栽，大田直播步驟比較簡單，具有省工、節本、高效、高產等優點。根據2020年數據統計，按蔬菜種植面積大小排序，前10位分別為辣椒、大白菜、大蒜、普通白菜、番茄、蘿卜、黃瓜、茄子、結球甘藍、菜豆［6］（圖2）。通常采用直播方式播種的有大白菜、普通白菜、蘿卜、大蒜和菜豆，其中作物種子粒徑小于3mm，屬于小籽種子的作物有大白菜、普通白菜和蘿卜三種。

蔬菜的播種農藝較其他作物有一定的特殊性，對蔬菜播種機提出了特殊要求。

1） 蔬菜種植對土壤要求較高，其產量與土壤肥力和土壤通透性都有較大關系。翻耕、起壟能使活土層加厚，土壤通透性增強，從而促使根系伸展，提高產量。因此蔬菜播種前要對土地進行耕整、施肥、起壟，機械化種植時一般在播種機前掛接翻耕起壟機實現聯合作業，或者在使用翻耕起壟機耕整地后再用播種機播種。

2） 蔬菜種植農藝所要求的株距、行距區別較大，大白菜、蘿卜等作物適合壟作，通常一壟播種一行或兩行；而普通白菜、香菜等作物適合密植，且無需起壟，通常間隔一定距離作畦。

3） 蔬菜播量較小，通常采用“一穴一粒”的播種方式。以大白菜為例，每公頃用種2250g左右；而密植的普通白菜每公頃用種22500g左右。

4） 對于露地大田種植而言，蔬菜種植茬口較短，一年往往能輪作2種以上作物。以山東膠州的露地大田為例［7］，5月初種植西瓜、菜用大豆或馬鈴薯等，8月初進行收獲；8月18日左右開始種植大白菜，11月中上旬開始收獲。

2 蔬菜播種機結構特點

蔬菜播種農藝決定了其播種機和一般糧食作物播種機的結構存在差異，其結構差異主要體現在播種單體上。蔬菜播種單體（圖3）主要部件有平行四桿仿形機構、行走輪、開溝器、覆土器、鎮壓輪、排種器，其中排種器是決定播種機播種質量好壞的核心部件，按照其播種方式可分為機械式和氣力式。而開溝器是必不可少的觸土部件，同樣也會對排種質量有影響，按照其結構可分為雙圓盤式、船型鏟式、滑刀式等。蔬菜播種機的作業條件較好，排種器一般放置在離地面較近的位置，排種器無需輸排種管，種子從排種器出來后經排種口直接落入土壤。此外，蔬菜播種機可通過直接調節開溝器的高度來適應不同蔬菜種植的播深。蔬菜播種機的排種器通常由地輪或電機經鏈條驅動，可通過調整傳動比改變作物株距。

機械式播種機結構比較簡單、成本低，易于保養維護，由于這類播種機機型相對較小，所以工作時易于操控，運輸存放十分方便。常見的驅動方式有手動、電動、油動和拖拉機驅動。根據排種器分類常見的有槽輪式、窩眼輪式和型孔帶式3種，其中窩眼輪式最常見。窩眼輪式排種器工作時，種子因自重落入窩眼輪型孔，刮種器刮除多余種子，孔內種子隨排種輪轉到落種區后，靠重力離開型孔，落入種溝，其中排種輪可根據種子形狀、大小進行選擇。機械式缺點是對種子形狀要求較高，異形或小粒種子要進行丸粒化處理后才能播種；另外排種輪轉動時易傷種，影響發芽率；再有在高速播種時高速振動直接導致囊種性能下降。因此，這類播種機通常用于小面積土地和大棚的蔬菜播種。

具體各類型蔬菜播種機的對比分析如表1所示。

氣力式播種機可實現精量播種，可靠性高，且對種子形狀要求較低，種子損傷小。工作時一般掛接于拖拉機，可實現大幅寬、多個單元作業，工作效率高。氣吸式排種器工作時，排種盤靠風機產生的負壓吸住種子，種子隨排種盤旋轉完成分離和輸種，進入落種區后壓力被阻斷，種子靠自重落入種溝，其中排種盤可根據不同作物的農藝要求選配，可實現一壟多行播種。但是氣吸式播種機造價高，配套拖拉機的驅動功率相對較大，維護復雜。因此，氣吸式播種機通常適用于露地大面積播種。

3 國外研究現狀

20世紀中期，發達國家就已經開始研究蔬菜直播機械化技術。目前，歐美國家的芹菜、蘿卜等蔬菜品種均已實現機械化精量播種［8］，而韓日的小型蔬菜播種裝備技術也十分成熟。

3.1 機械式

國外機械式播種機多采用窩眼輪式排種器，按照驅動方式可分為手推型、自走型和懸掛型。

3.1.1 手推型

日本AP系列蔬菜播種機結構簡單、操作簡便，播種行數在3行以內，整機重量在10kg左右，行距可調，最小行距通常為90mm左右，采用窩眼輪式排種器，通過地輪驅動，可通過更換鏈輪調整株距；開溝器采用船型鏟式設計，滿足蔬菜播種需要。該機適用于播種白菜、蘿卜等圓形蔬菜種子，可根據種子形狀大小選配排種輪。該類型的機器靈活輕巧，操控、維護十分簡單，但是效率較低，適于在小面積田塊或梯田上使用。相似機型還有韓國JP系列等。

3.1.2 自走型

自走型蔬菜播種機在動力驅動下能直線行駛，通常播種速度可達4km/h，但需要人工輔助調整方向，按照驅動方式可分為電動式和油動式。

電動式的代表機型有日本FP系列播種機，其排種器為窩眼輪式，行距、株距、播深可人工調節，采用鎳氫電池提供動力，續航時間約2.5h。由于電能為清潔能源，不會對空氣造成污染從而破壞植物生長環境，所以比較適合在設施內使用［9］。

油動式的代表機型有韓國JAS系列蔬菜播種機，以汽油發動機為動力。采用窩眼輪式排種器，通過地輪驅動，其排種輪采用防靜電材料，防止種子黏附，還可根據需求選配不同種類開溝器，一次作業可以完成開溝、播種、覆土和鎮壓的工作，行數8～13行［10］。該機裝載2.75kW的發動機，通過V形帶傳輸行走動力，穩定驅動，上坡能力優秀，可適應有一定坡度的田地。相似機型還有韓國璟田2BS-JT等。

3.1.3 懸掛型

懸掛式蔬菜播種機掛接于拖拉機上，由拖拉機輸出軸驅動，通常拖拉機配套動力在8.8～44.1kW之間。韓國JPH型播種機采用窩眼輪式排種器，株距20～50mm之間可調，播深10～30mm可調，單體重量11kg，可播種白菜、蘿卜、花椰菜等蔬菜種子。相似的機型還有日本SYV-TU系列等［11］。

懸掛式機具的排種器除了比較常見的窩眼輪式外，還有根據種繩播種改進而來的皮帶型孔式排種器。英國史丹希870帶式蔬菜播種機輕便、結構簡單、通用性強，最多可搭載18個播種單體作業［12］。其排種器內零件都用橡膠覆蓋，能避免種子受到損傷。工作時，種子從種箱經過阻塞勻速落至充種區，型孔傳送帶填充種子后由驅動輪帶動順時針旋轉，同時清種輪逆時針旋轉將多余的種子從型孔移走，種子轉至末端落下，落種高度25mm，保證了種子的落地時不會發生彈跳或滾動，播種精度得到保證。

在歐美國家，蔬菜種植規模較大，加之機械式播種機不適于高速作業，機械式蔬菜播種機已經基本退出市場［11］。反觀日本、韓國，由于其地形較為復雜，山地丘陵占比大，地塊面積小且分布不集中，蔬菜播種機以小型機械式為主，其手扶式和自走式機型比較先進。由于我國南方地區蔬菜種植條件與韓、日較為相似，因此韓日的小型播種裝備技術值得我國學者借鑒學習。

3.2 氣力式

歐美國家平原較多，地廣人稀，農田面積大，適于大型播種設備作業。他們對氣力式播種技術和裝備研究較早，目前已經實現了機械化、智能化，氣力式播種裝備技術較為發達。我國東北、西北地區幅員遼闊，適于大面積種植蔬菜，引入了一些歐美的大型氣力式蔬菜播種裝備。

英國X30型氣吸式蔬菜播種機可以用于多種蔬菜作物及其他小粒作物的精量播種。高精度、高可靠性的排種器以及低位落種保證了較高的播種精度。該排種器的氣吸區有3條氣道，搭配有若干圈均勻密布型孔的排種盤實現一個播種單元進行1行、2行、3行的密集式排種。該排種器采用透明材質殼體，并在外部搭載監控裝置，可實時反饋排種器的工作情況。開溝器設計了滑刀式、翼鏟式和三行錐式以適應不同土質，滿足不同的播種要求。該機針對不同農藝要求，可通過變鏈輪擋位調整株距，通過調整開溝器高度改變播深。同時機架可搭載螺旋式排肥裝置，實現開溝、排種、施肥、覆土、鎮壓的聯合作業。該機型最多可搭載21個播種單體進行超大幅寬作業，同時可選擇折疊式機架方便運輸和存放。該機結構精巧、功能齊全、通用性強，適合在大田進行各類蔬菜的播種作業。

意大利OLIMPIA型氣吸式蔬菜播種機包含寬行播種和窄行播種兩種單體，它采用了一個播種單體安裝兩個排種器的密集排種結構，兩個排種器的間距可調，可實現小行距密植。其排種器由鋁合金精密壓鑄而成，排種盤使用不銹鋼材料和激光鉆孔工藝，在相同株距的情況下，降低排種盤的轉速，吸種和落種精度顯著提高［10］。鏈傳動傳動比調整方便，株距、行距和播深可調節，最多能搭配24個播種單體進行作業。

國外氣力式播種機還有意大利SN-1-130型、德國Minair Nova型等［13］。當前，氣力式播種機在歐美國家發展迅速，種類齊全，基本能夠滿足各類蔬菜種子的精量播種。其播種機上廣泛采用質量小、強度高的高科技材料和加工工藝，提升播種機性能和壽命的同時，美化了播種機的外觀。此外，國外很多先進播種機都搭載了漏播監控系統，可由顯示器觀察每行排種器的播種狀況，當排種出現異常時，監控系統發出警報，駕駛員可以迅速通過顯示器了解出現故障的部件，方便故障的排除［14］。

4 國內研究現狀

我國于20世紀70年代初開始研發糧食作物的精量播種機并取得了一定成果［15］，近年來隨著蔬菜產業迅速發展，蔬菜生產機械化需求擴大，越來越多的學者和企業開展蔬菜精量播種機技術及裝備研究。我國糧食精量播種技術已經有一定的發展，加上國外蔬菜播種技術早已成熟，目前我國研發的蔬菜播種機大多是由糧食精量播種機改裝或借鑒引進國外先進技術［16］。但我國南北區域蔬菜種植條件差異較大，因此不能只對國外單一的模式進行學習研究，應選擇符合當地條件的經驗進行吸收再創新。

4.1 機械式

我國機械式蔬菜播種機吸收了韓日的播種機技術并結合國內實際情況，大多采用窩眼輪式排種器。該類型排種器通常采用尼龍材質，依靠毛刷清種，最大程度減少了種子損傷。播種時，根據種子大小、農藝要求選擇合適的窩眼輪和傳動比，具有良好的通用性。但是，尼龍材質容易摩擦起電，且輪孔一般較小，作業時容易被雜物堵塞，影響充種效果，導致漏播率高；同時，機械式排種器充種性能較差，不適用于高速作業［17］。對應的機型有河北DB系列、青島DS-3S等。

為解決窩眼輪式排種時種子受擠壓容易堵塞窩孔，易造成缺苗斷壟的問題，張宇文［18］研制出了一種新型機械式多功能精密排種器（圖4）。針對種子易堵塞窩眼的情況，設計出能平穩嚙合于排種孔中的推種齒，并推導出其曲面方程，將精密排種與外槽輪常規排種組合在一個排種盒中。若將這種方法轉移至窩眼輪式蔬菜播種機上，能避免因蔬菜種子堵塞窩眼孔從而導致漏播的問題。

針對我國部分地區蔬菜產業生產規模偏小，人工成本較高的問題［2］，應以提高效率和降低勞動強度為目標，積極研究小型蔬菜播種裝備技術并研發適合散戶使用的小型蔬菜播種機。

4.2 氣力式

我國北方蔬菜種植條件與歐美國家較為相似，在蔬菜播種裝備技術研究時，充分借鑒、吸收了歐美蔬菜播種機的研發經驗。MSO型氣吸式蔬菜精密播種機適用于播種小籽粒蔬菜，播種精度高，產品穩定性好。其作業幅寬最大，最多可播種8行，配套動力45kW。漏播、重播率小于5%，可節省種量，節省后續的人力間苗、補苗成本。但是，該播種機的核心零部件大多從國外進口，價格昂貴，維護成本高。

2BQS-8型及2BQS-8X型氣力式蔬菜精量播種機采用負壓吸種、正壓吹種的工作原理，可根據播種不同蔬菜對行距和株距進行調整，在壟上或者整地成畦的種床上一次完成淺層開溝、精密播種、雙側覆土、圓輪壓種、整體鎮壓等作業工序，實現一機多用。此外，2BQS-8X型氣力式蔬菜播種機一個播種單元有兩個排種器，適用于一行雙苗帶密植作業。通過負氣吸種，正壓吹種的方法，能在提高播種合格率的同時保護種子不受到傷害。這種方法也逐漸被國內學者深入研究［1920］，運用至更多的蔬菜播種設備上。

殷德峰［21］設計了一種適用于小粒徑蔬菜種子的氣力窩眼輪式排種器（圖5），吸收了氣力式排種器和窩眼輪式排種器的優點，解決了由于小粒徑蔬菜種子外形不規則造成的充種難度大的問題，同時設計了一種齒狀推種裝置以解決型孔堵塞的問題。該排種器特點是結合重力和氣力充種，提高了充種的效率和可靠性；結合窩眼輪式排種器的特點，通過清種刷進行清種，減少重播；全程采用氣力攜種，以減小對種子造成的機械損傷；排種器采用推種輪進行強制投種，以保證種子掉落的精度和可靠性。將氣力式和機械式結構相結合，提高充種效率和播種合格率的同時，避免了氣力式型孔易堵塞和機械式易傷種的缺點，為蔬菜排種器研制提供了新思路。

劉海等［20］針對小白菜精量多行密集排種的需求，設計了雙排種盤可同時播8行的小白菜正負氣壓組合式排種器（圖6），同時通過氣固耦合仿真對排種器的各項參數對排種性能影響分析出了較優因素水平組合，并進行實驗。該排種器可實現8行集中排種，在簡化傳動系統、節省成本的同時，解決了出苗效果差異明顯的問題。目前針對蔬菜播種的集排式排種器的研究較少，該排種器也為蔬菜播種機的研制提供了新思路。

5 存在問題及發展建議

5.1 存在問題

目前我國蔬菜精量播種機正在快速全面發展，廣大科研工作者和企業以改進和創新相結合的模式不斷推動蔬菜精量播種技術的發展，解決了許多實際問題。但是相比發達國家，該技術仍有一定差距。

1） 蔬菜播種機的研發仍處于初級階段，大多通過糧食播種機改裝或仿制國外先進機型而來；相關結構設計往往只憑經驗，缺乏對蔬菜種子物理特性等基礎理論的深入研究，缺乏基礎數據支撐。

2） 多數播種機的排種器對蔬菜種子形狀要求較高，適應性差，機器通用性低，只能播種特定種類的種子。

3） 播種效率較低。受技術和地形制約，我國蔬菜播種機行數較小，無法實現多單元、大幅寬作業；此外蔬菜播種機的作業速度較低，目前大多數機型的播種速度為4～7km/h［9］。

4） 播種精度較低。受生產條件和加工水平的限制，以及播種前的整地效果無法保證，播種精度不能達到實際生產要求，尤其是對形狀不規則、質量較輕的蔬菜種子，出現重播和漏播的現象較多。

5） 機器可靠性不高，在高強度作業時容易出現因零件材料疲勞而產生的故障。為降低制造成本，機器使用材料性能較差，無法適應惡劣的作業條件。

6） 電氣化、智能化程度較低，目前國內排種器多采用地輪驅動，排種速度易受環境影響，精度較差；此外，機器作業質量監控及故障診斷尚未實現智能化，影響作業質量。

因此，國內蔬菜播種機研發及產品仍處于起步階段［22］，還有很大的發展空間。

5.2 發展建議

1） 加大力度研發氣力式播種裝備。蔬菜品種多樣，大部分種子尺寸較小且形狀存在差異，氣力式排種器適應能力更強且不會傷種；加之我國土地流轉推進，蔬菜生產向大面積集中種植方向發展，氣力式播種機更適合實現大型化。綜上，大型氣力式播種裝備將成為蔬菜播種的主流，將在未來得到更廣泛的應用。

2） 加快研發清潔能源動力的小型蔬菜精量播種裝備。近年來，我國以大棚蔬菜為主的高效設施蔬菜種植模式逐漸興起，溫室大棚有空間較小、空氣流通較慢的特點。因此，研發應用于溫室大棚的清潔能源動力的小型精量播種機是當前設施蔬菜種植產業的關鍵。這不僅可以提高設施蔬菜播種效率，而且能夠有效避免環境污染等問題。

3） 規范各類蔬菜的不同品種在各地區的農藝要求，將種植戶的個人經驗轉化為可推廣的種植標準。目前，各地區之間蔬菜種植模式差異較大，沒有統一的種植規范［3］，導致農機的研發難度加大。通過制定規范標準，讓播種機的研發者清晰認識蔬菜種子物理特性和農藝標準，為設計播種機提供基礎理論支撐，從而設計制造出適合蔬菜種子特點的精密播種機。

4） 加強蔬菜播種機的通用性設計。由于部分蔬菜種植茬口較短且無法連作，為避免蔬菜播種機使用時間太短而存放時間過長，應設計通用性強的蔬菜播種機。通過更換排種器、開溝器的零件和調節傳動比等方式，適應不同作物的播種農藝要求。擺脫播種機使用的季節性限制，提高機具使用率，解決播種機的閑置問題。

5） 提高蔬菜播種機的作業效率，加快高性能排種器的研發。隨著土地流轉推進，大面積露地蔬菜種植模式越來越普遍，為提高播種作業效率，應盡量采用氣力式密集排種器，并實現“一器多行”或“一單元多排種器”。同時，將新型材料應用到排種器中，在確保結構強度可靠性的前提下，減輕整機質量，減少動力消耗，提高作業速度、播種精度及機器使用壽命。在播種單元上設計減震裝置降低因高速播種而產生的整機震動，并設計大幅寬機架以滿足多行高效作業。

6） 蔬菜精量播種技術向電氣智能化發展，將智能排種監測技術等技術應用于蔬菜播種機械。蔬菜種子較小，漏播和重播不易發現。通過電子監測器可以檢測和計算出播種量、重播率和漏播率等性能指標，并且當排種管堵塞、氣管漏壓等異常情況發生時能夠及時報警并顯示故障位置，為操作者提供明確直觀的故障信息。

6 結語

隨著我國農業產業結構的調整，蔬菜種植面積不斷擴大，學者們將針對蔬菜精量播種技術持續研究、日益進步。而未來蔬菜播種機的研究將分別圍繞大型氣力式蔬菜精量播種機和小型新能源蔬菜播種機兩個方向進行。此外，我國學者將不斷研發先進技術用于蔬菜播種機，更好地推進蔬菜播種機械化、智能化，提高蔬菜播種效率。

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