水稻精量直播排種器研究進展

摘要：水稻是我國重要的糧食作物，對我國具有重要的戰略意義，增加水稻產量有利于保障我國糧食安全，而精量播種是提升水稻產量的重要舉措之一。播種設備以其高效作業、穩定可靠、省工省力等優點得到廣泛應用，在實現水稻精量播種過程中起到關鍵作用。綜合了解播種設備應用現狀及不足，對提高播種精度、改善播種質量具有重要意義。本文首先分析了國內外水稻播種設備的研究現狀，概括其實現精量播種的原理，并對其優缺點及適用地塊進行分析，探討了實現高速精量播種的研究方向；其次歸納排種器的類型，闡述不同類型排種器實現精量播種的工作原理，在綜合國內外排種器應用改善現狀的基礎上，對其現有弊端提出改進方向，重點介紹氣吸式排種器的優缺點及其應用現狀，提出通過改善種子流動性、穩定吸室負壓、調整稻種姿態等方式提高氣吸式排種器的播種精度；最后針對排種器投種過程中出現的種間碰撞、落地彈跳而引起播種合格率降低的問題，分析投種速度、角度、高度是解決問題的關鍵，通過動力學分析，增設導種管道確保種子按照預期軌跡運移，實現投種一致性與均勻性，以期為實現水稻精量直播提供參考。

關鍵詞：水稻；精量播種；排種器；投種過程；工作原理；優缺點

中圖分類號：S223.2 ""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0013-09

水稻是我國重要的糧食作物，雜交水稻的出現大幅提升了水稻的產量，對我國的糧食安全和社會保障具有重要意義［1-4］。相較于常規稻，雜交水稻具有分蘗能力強、產量高、品質優、用種量少的優點，甚至對于一些超級雜交稻，僅需1～3粒即可滿足穴播要求［5-6］。因此，如何實現精量播種成為重點問題。

隨著我國機械化程度的進步，機械化播種已被廣泛應用，大力推展機械化播種對于推進我國農業現代化具有重要的意義［7］。排種器是播種過程的核心部件，結合我國現有水稻品種所需播種量少的現狀，如何實現排種器精量播種是重中之重。唐楠銳等針對水稻種子流動性差、充種困難設計了一種具有攪種型孔的雙腔水稻精量穴播排種器，為進一步優化機械式水稻精量排種器提供了思路［8］。李蘭蘭等為提高機械式水稻精量排種器的精度，設計了一種滑片型孔輪式排種器，其主要的創新點在于通過弧形滑片的往復移動進行護種，保證充入型孔內的種子在到達投種區域之前不會掉出［9］。楊全軍等針對排種器高速作業易產生漏播的現象，設計了一種雙盤高速氣力式水稻精量排種器，其工作原理主要是利用正負氣壓完成對水稻種子的充種、攜種、投種、清種等過程［10］。張順等為滿足雜交稻 2～4粒的播種要求，設計了一種內充氣力式精量排種器，其主要工作原理為種子通過自身重力及種間作用力充入到窩眼中，轉到負壓區時，未被穩定吸附的稻種掉落到充種區，到達投種區時，負壓氣流被隔斷，完成投種［11］。上述研究主要通過改善種子充種過程的流動性、保證攜種過程的穩定性和確保投種過程的順暢性提高播種精度，但仍無法穩定地實現水稻精量直播。

本文對國內外水稻精量直播機械的研究現狀進行了綜述，介紹了目前應用較廣的排種器種類及其工作原理，重點分析了在投種過程中如何減少種間碰撞、穴內彈跳而造成的播種合格率降低的問題，以期為進一步提高水稻精量排種提供參考。

1 水稻精量直播機械的國內外研究現狀

水稻種植模式主要包括育秧移栽和直播2種方式。水稻育秧移栽播種質量好，秧苗分布相對均勻，高產穩產，但是生產過程繁瑣，耗時耗力，主要分布在亞洲地區。水稻直播具有作業效率高、生產成本低的優點，是歐美等發達國家水稻種植的主要方式，近年來發展較為迅速［12］。

1.1 水稻精量直播機械的國外研究現狀

水稻機械化直播水平比較高的國家主要分布在歐美地區，其技術研究較早，已基本實現完備的機械化直播體系。美國目前基本實現水稻機械化直播全區域覆蓋，其中旱直播約占80%，主要機型為牽引式條播機播種，作業幅寬大，機械化程度高，生產成本低，比較具有代表性的為美國John Deere公司生產的1520型水稻旱直播機（圖1-a），可實現大地塊直播，作業效率高，播種性能好［13-14］。意大利Maschio Gaspardo 公司生產的氣吹式播種機（圖1-b），可適應多種谷物，可以根據播種速度自動調節下種量，實現高精度播種［15］。挪威的Kverneland公司生產的格蘭DL氣吹式條播機（圖1-c），種箱位置低，便于加種，校準簡易，工作幅寬3.0～4.5 m，工作效率高。德國LEMKEN公司生產的Solitair精量播種機（圖1-d），集整地、播種、施肥多重功能于一體，其定量播種裝置可根據不同谷物、不同播量進行調節，操作簡單，功能全面［16］。日本的久保田公司生產的2BDZ-10水稻直播機（圖1-e），可以對每行播量進行調整，并且設有余量報警器，當余量不足時，可以反饋到駕駛面板，發出警報［17］。韓國大同設計的2BD-10A（DXD1025）單體式水稻直播機（圖1-f）所示，采用透明式種箱，能夠確認種箱種子余量，并且可以利用手動式種箱切斷閘門，靈活控制各行播種。

國外機械化直播技術較為成熟，歐美地區主要以飛機撒播為主，亞洲地區多采用大田機械播種，國外設備多適用于大田作業，工作效率高，可根據播種量自動調節進種量，并且集整體、播種、施肥等多種功能于一體，大幅減少勞動力，但因播種面積過大，易造成種子浪費，并且不符合我國小地塊的國情，難以在我國推廣應用。

1.2 水稻精量直播機械的國內研究現狀

近年來，隨著國家對水稻種植的大力投入，水稻直播機械成為各農機生產單位和科研單位的研究熱點，水稻直播機械化得到大力發展［18］。上海世達爾2BDXZ-10CP水稻穴直播機（圖2-a），可以通過調節2種大小窩眼、更換3種排種輪來調節播量，可以根據具體的需求來選擇不同的行數，可以搭配不同的動力單元，相應的具有不同的穴距調節方式。中機美諾科技股份有限公司生產的美諾6288播種機（圖2-b），可以一次性完成整地、施肥、播種、覆蓋作業，播種均勻性好，作業效率高，由于種箱較大，可適應大塊田作業。湖北黃鶴插秧機制造有限公司生產的黃鶴2Z-XRD2410水稻直播機（圖2-c），株距可調，對種子外形適應性好，具備超大種子箱，有利于提升作業效率。北京德邦大為科技股份有限公司生產的2BD-11多功能覆土直播機（圖 2-d），一次性完成旋耕、施肥、播種和覆土作業，可以減少水稻育秧、運秧和插秧環節，能有效降低生產成本和勞動強度，提高生產效率。浙江博

源農機有限公司生產的2BD-10A水稻精量穴直播機（圖2-e），可同時進行開溝、起壟和播種作業，空穴率低，護種功能好，工作效率高。農業農村部南京農業機械化研究所研發的2BDZQ-33800水稻直播機（圖2-f），是國內首臺33行大型智能化氣力集排式水稻直播機，它的出現填補了國內大型氣力式智能化水稻直播機技術的空白。這款水稻直播機大幅簡化了播種機結構，實現了播量的精準調整，智能化程度較高，操作方便，作業效率高。

我國水稻直播機仍處于發展階段，大多是根據玉米、小麥等作物播種機改進而來，播種精度低，且根據播種作物的不同需更換不同的排種器，在高速作業時難以實現精量播種。

綜上所述，我國水稻直播機直播技術與發達國家相比仍有較大差距。排種器是播種機的核心部件，其性能的優劣直接影響播種設備的工作狀況。因此，改善排種器在高速作業時的播種精度是提升我國水稻精量直播技術的關鍵措施。

2 水稻精量直播排種器的分類

目前排種器主要分為機械式排種器和氣力式排種器兩大類。機械式排種器根據其結構的不同主要分為槽輪式、圓盤式、窩眼輪式和指夾式。因水稻種子的外形特點，較為常用的為槽輪式和圓盤式。機械式排種器結構簡單，更適合于中等或大播量要求，但是對種子外形尺寸要求較高，易傷種，且在高速作業時易產生嚴重漏播和種子損傷的問題。氣力式排種器主要根據吸室為正壓或者負壓分為氣吸式、氣吹式、氣壓式。氣力式排種器以其作業速度高、不易傷種，且能實現定量精播的優點被廣泛應用。

2.1 機械式排種器

2.1.1 外槽輪式排種器

外槽輪式排種器結構簡單，通用性強，但是易對種子造成損傷，而且容易造成充種不均勻，可能會有“脈動”現象，影響播種合格率。工作原理是依靠種子自身重力填充到凹槽中，隨著槽輪的旋轉，凹槽中的種子在槽齒的強制推動下經排種口排出，完成排種過程，這一層種子也被稱為“強制層”，后面的“帶動層”種子隨之排出。

周海波等針對現有的外槽輪式排種器充種不均勻的問題，設計了一種電磁振動勺型外槽輪式定量供種裝置（圖3）［19］。其工作原理為利用振動促進種子的流動，防止種層變薄而導致充種能力急劇下降，影響定量供種的精度，并進行了振幅對供種量影響的試驗。結果表明：沒有加入電磁振動時，定量供種的相對誤差高達20%，而加入振動后，定量供種的相對誤差僅有9%，供種裝置的振動有利于提高充種效果。

何麗楠等為解決槽輪排種器播種不均勻，且不能同時使用水稻和小麥的播種要求的問題，設計了一種稻麥兼用螺旋槽式排種器［20］。該研究通過理論分析，確定了螺旋角的范圍，并進行了排種器性能試驗。結果表明：在螺旋角為30°、轉速為 30 r/min、工作長度為0.6 cm時，水稻每穴3～8粒的占比為94.41%，每穴小于3粒的占比為2.02%，每穴大于8粒的占比為3.57%，滿足水稻直播的排種要求。

綜上所述，槽輪式排種器面臨的主要問題是充種性能不佳、播種不均勻，特別是當種箱內種量不足時，更易造成漏充現象。現有解決方案的原理是通過增加水稻種子的流動性，增設振動裝置，改善槽輪的螺旋角度，改變槽輪槽孔形狀等。

2.1.2 圓盤式排種器

圓盤式排種器主要分為水平圓盤式排種器、垂直圓盤式排種器、傾斜圓盤式排種器3類。水平圓盤式排種器（圖4-a），其工作原理為種子依靠自身重力充入到型孔中，隨著圓盤旋轉到達清種區域，刮種器刮掉多余的種子，到達投種區域時，在種子自重的作用下完成投種。其主要的優點是結構簡單，低速工作時合格率高；缺點為投種高度高，種子易在種溝內發生彈跳，不能適用高速作業。垂直圓盤式排種器（圖4-b），其工作

原理為種子依靠自身重力和離心力沿徑向充入到型孔中，到達投種區域依靠種子自身重力完成投種。其主要優點為結構簡單，投種高度低；缺點是充種面積小，不能適用于高速作業。傾斜圓盤式排種器（圖4-c），其工作原理為種子依靠自身重力充入到型孔中，到達清種區域依靠自身重力增強清種效果，到達投種區域依靠自身重力完成投種。其優點為充種區大，投種高度低；缺點為傳動裝置較為復雜。

李帥奇等設計了一種適宜于丘陵地區的山地水平圓盤式排種器，其主要結構如圖5所示［21］。該研究選取最優組合排種盤直徑為200 mm、動排種盤厚度為10 mm、漏種孔弧度為15 mm時，合格指數為98.78%。

崔清亮等為解決谷子等小籽粒種子播種難、少量播種的問題，設計了一種傾斜圓盤式谷子精量排種器，其主要結構如圖6-a所示［22］。因谷子籽粒較小，可能會卡在充種孔內，因此設計了如圖6-b所示的彈性推種器，其主要工作原理為推種頭頂部給充種孔的種子一個輕微的推力，使種子進入落種過程。排量穩定性和均勻性試驗表明，排量穩定且均勻，工作性能可靠。

2.1.3 指夾式排種器

指夾式排種器的主要工作原理為當排種盤轉動到特定位置時，夾種器開啟，夾持住種群中的種子，夾持不牢固的種子會在自身重力的作用下掉落到種群中，完成清種過程。當種子到達投種區域時，夾持器打開，種子掉落完成排種。

周鵬等為提高指夾式玉米精密排種器的排種質量，對指夾式排種器主要部件進行了分析。并對排種盤面附加材料以及頻率、作業速度進行了臺架性能試驗。試驗結果表明：添加橡膠薄墊、頻率為 14 Hz、作業速度為4 km/h時，排種效果最佳［23］。

2.1.4 窩眼輪式排種器

窩眼輪式排種器的工作原理主要為種子通過自身重力填充到窩眼中，到達刮種區域時，利用刮種板刮掉多余的種子，到達投種區域時，種子在自身重力的作用下完成投種。

李慧琴等設計了一種窩眼輪式小麥精量排種器，確定了該排種器的最佳性能參數。仿真試驗結果表明：窩眼輪轉速為影響排種性能的主要因素，其次為型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比。當窩眼輪轉速為40 r/min、型孔為30 °倒角、毛刷與排種輪的傳動比為 2 ∶1時，可以達到最佳的排種效果［24］。

2.2 氣力式排種器

氣力式排種器是指利用氣流實現對種子的運輸以及投種，對種子形狀要求不高，且不傷種，應用較為廣泛。根據正負壓的不同，氣力式排種器主要分為氣吸式、氣壓式、氣吹式。

2.2.1 氣吸式排種器

氣吸式排種器的工作原理為種箱內的種子充入到排種盤上，由于吸室內的負壓狀態，使得種子被吸附在吸孔上。隨著排種盤的轉動，被吸孔吸附的種子隨之轉動。當種子到達清種區域時，多余的種子將會被清種毛刷清理。隨著排種盤的繼續轉動，種子到達投種區。此時，吸室內負壓消失，種子在自身重力的作用下落入到投種管內，完成播種。

邢赫等為解決氣吸式排種器更換排種盤才能調節播種量的問題，設計了一種氣吸式播量可調排種器［25］。其主要的工作原理為在排種殼體內設立3個相互獨立的負壓通道，每個負壓通道設計了不同的吸孔數量，根據播量要求的不同開啟相應的1條或多條負壓通道。相對于傳統的氣吸式排種器，該播量可調排種器具有調節播量方便快捷的優點，但是也存在些許不足。一是該排種器的仿真試驗是在靜態的條件下進行的，試驗結果較理想，但實際工作的排種盤是轉動的，缺乏動態研究；二是需要手動調節流道氣壓的開關，未能實現自動化開關相應流道。

臧英等設計了一種單粒氣吸式排種器，通過調整稻種的吸附姿態以實現高精度播種（圖7）［26］。圖7-a為種子中間部分被排種盤吸孔吸附，且長軸的方向不與排種盤轉動切向方向相重合；圖7-b為種子中間部分被排種盤吸孔吸附，且長軸的方向與排種盤轉動的切向方向一致；圖7-c為種子一端被吸孔吸附。當稻種的長軸方向與排種盤轉動的切向方向一致時，稻種被吸附的有效距離長，有利于被吸種盤吸附，從而提高排種精度。該研究通過對稻種在排種盤中的運動過程進行理論分析，設計了一種具有導流槽和輔助吸種裝置的吸種盤，使得稻種能夠被調整到易吸附的狀態。

楊發展等為解決氣吸式水稻精量排種器排種穩定性較差的現狀，對排種盤進行了優化設計［27］。當播種機即將到達終點時，由于種子數量過少可能會造成無法被排種盤吸附的現象。在排種盤上設置凹槽以擾動種子的姿態，增加種子在排種盤內的流動性，以增加種子被吸種孔吸附的概率。EDEM離散元仿真試驗表明，當凹槽的深度為2 mm、凹槽邊緣采用圓角設計且當圓弧半徑為2 mm、圓角的角度為90 °時，種子的流動性最好。

魏海明等為減少育秧的繁瑣步驟，設計了一種用于水稻旱地直播的氣吸式排種器［28］。采用負壓吸種、高壓清種的方式，并采用正交試驗確定了吸種盤轉速、氣室真空度和吸種孔直徑對排種性能的影響程度。結果表明，吸種孔直徑大小對排種性能的影響程度最大。

明哲等利用CATIA軟件設計了一種新型氣吸式水稻排種器，確定出影響排種器工作質量的主要因素為排種盤孔徑、真空度和轉速，為排種器的數字化設計提供了一定的理論依據［29］。

紀要等為降低播種動力消耗，設計了一種氣吸雙層滾筒式排種器（圖8）。其主要工作原理為負壓區吸種，投種區切斷負壓，利用種子自身重力和刮板投種，正壓區清種。采用雙層獨立氣道式滾筒，降低排種器氣力參數要求［30］。

萬霖等針對氣吸式水稻排種器氣壓利用較差、種盤旋轉部位摩擦較大的問題，設計了一種嵌入氣腔式水稻排種器。其核心創新點是設計了一種包含擾流葉片的旋轉氣腔結構，當氣腔旋轉時，擾流葉片增加氣體的流動性，使得氣腔內的平均壓強和吸孔處的流速達到極佳的工作效果。與傳統存在摩擦的氣吸式排種器進行對比試驗，其合格率、漏播率、重播率均優于傳統排種器［31］。

張國忠等為實現雜交水稻精量直播的要求，設計了一種具有群布吸孔排種盤的氣吸式水稻精量穴播排種器［32］。對水稻種子在排種盤吸附過程的運動情況進行分析，并在清種區域設計了由單根清種指組成的清種裝置，重吸的種子與清種指發生碰撞，掉落到種子堆中，減少重吸率。但清種指的存在可能會讓僅吸附1粒的種子與清種指碰撞掉落，從而產生漏吸現象。

綜上所述，氣吸式排種器的改進方向如下：（1）增加種子被吸附過程中的流動性，特別是當種箱中種子較少時，種子流動性的增加可以提高排種器的排種性能。（2）根據播種要求設計合適的吸種盤吸孔直徑、吸種盤轉速以及吸室的真空度，增加種子被吸附的概率。（3）調整稻種的吸附姿態，使得水稻種子被吸附時處于一種穩定吸附的狀態。

2.2.2 氣吹式排種器

氣吹式排種器護種效果較好，但由于是通過風機產生的氣流進行清種，難以控制氣流大小，導致清種效果較差。

楊春華等為解決氣吹式排種器充種效果差的問題，設計了一種氣流輔助充種裝置［33］。其主要工作原理為利用氣體輔助充種裝置產生的氣流將種箱底部的種子推到排種盤上的錐孔內，極大地提高了充填效果。

2.2.3 氣壓式排種器

氣壓式排種器的工作原理為充種室內的種子被正壓氣流吹送到吸孔上，當種子到達清種區域時，清種毛刷將清理掉吸附性較差的種子。種子到達投種區域時，在種子的自重作用下完成投種過程。氣壓式排種器護種效果較好，但由于遠距離輸送可能會造成合格率下降。

劉禮陽等為提高水稻集排式精量穴直播的排種性能，應用正壓氣流充種、攜種和投種原理，設計了一種水稻氣壓滾筒式集中排種器［34］。該研究進行了排種器結構和工作參數對排種性能的影響試驗，結果表明，影響排種器性能的主要因素為氣流孔數量，其次為氣流孔直徑和排種滾動轉速。

2.3 機械式與氣力式排種器總結

機械式排種器優點較為明顯，主要表現在結構簡單，生產成本較低，比較適用于我國小地塊種植的國情。其缺點主要體現在對種子外形要求較高，易損傷種子，并且高速作業工況下效果不穩定，易漏播。但受制于我國目前機械化種植的現狀，未來相當長的一段時間機械式排種器仍能廣泛應用。

氣力式排種器以其獨特的吸附種子方式，對種子外形尺寸要求較低，不傷種，護種效果好，其播種精度優于機械式排種器，并且能適應高速作業，是未來發展的主流趨勢。但其結構復雜，成本較高，需要配合相應的氣壓，仍有較大的發展空間。

3 投種過程

種子完成在排種盤的運輸過程后，從投種管投出時極易造成在穴內的彈跳現象，其原因在于投出時種子距離穴內的高度、種子的初速度以及投射角均會影響到種子的播種效果，可能會造成漏播現象。

為解決水稻種子在投種過程中易與投種管發生碰撞，造成水稻種子損傷的問題，田立權等設計了一種彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器［35］。通過對水稻種子彈射出去的運動軌跡進行理論分析，得到水稻種子彈射軌跡方程。依據此軌跡設計投種管，最大限度的將水稻種子的彈射軌跡包絡在投種管內，從而減少水稻種子與投種管的碰撞，減少水稻種子受到的損傷［36］。

王洪超等設計了一種氣吸式水稻穴播排種器，并且研究了投種高度對水稻種子播種合格率、漏播率和重播率的影響［37］。結果表明，當投種高度小于9 cm時，排種器合格率略微下降，漏播率和重播率變化幅度較小；當投種高度大于9 cm時，漏播率下降，重播率上升。其原因為隨著投種高度的增加，投放的種子易在穴內彈跳，從而造成漏播。但是此試驗的缺點在于沒有繼續研究排種器高度距離穴11 cm以后對排種性能的影響。

陳學庚等為解決排種器投種角度高，造成種子在穴內產生彈跳的現象，設計了一種帶式導種裝置［38］。該帶式導種裝置將種子包絡在種子輸送帶與種道護板形成的輸送腔內，有效降低了種子投送點到種溝內的距離，從而減少種子的彈跳現象，種子播入種溝后株距的合格率提高。

綜上所述，投種速度、角度、高度是影響種子種間碰撞、穴內彈跳的關鍵因素，選擇合適的投種位置有利于提高排種精度，可以從以下3個方面確保投種精度：（1）根據動力學分析，計算種子投種過程的運動曲線，確保種子順利落入到穴內。（2）設置導種管，使種子能按照確定的位移路線運動，確保投種一致性和均勻性，保證精度。（3）根據種子的物理特性，設計相應的投種高度與穴內深度，防止在投種過程中出現彈跳，造成播種合格率下降。

4 結論

本文介紹了國內外水稻直播機的現狀，并對核心部件排種器的研究進展進行了分析，結論如下。

我國水稻直播機械發展速度較快，但與美國等發達國家相比還有較大差距。我國目前還無法實現100%定量精播，特別是隨著雜交水稻品種的優質改善，僅需每穴3～5粒即可滿足播種要求，未來對于水稻精量播種的要求將會更高。

排種器是水稻直播機械的核心部件，主要分為機械式與氣力式兩大類。機械式排種器對種子形狀要求較高，易傷種，且存在充種性能差，不能適應高速作業等缺點；氣力式排種器對種子外形適應性好，不傷種，但未能完全實現定量精播。未來的改進方向可以通過增加水稻種子的流動性、改變排種盤參數（吸孔直徑、吸種盤轉速、吸室真空度等）以及調整稻種為易被吸附的姿態來提高播種性能。

投種過程是排種器工作的關鍵步驟，也是影響播種精度的重要因素。因水稻種子外形及投種速度等原因，排種器排出的種子易在穴內進行彈跳，從而造成漏播現象。種子在穴內的彈跳而導致合格率下降的問題，總結出投種速度、角度、高度是影響投種過程的關鍵因素，對種子之間的種間碰撞、穴內彈跳影響作用較大。

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