玉米變量播種技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

摘要：變量播種技術(shù)可根據(jù)農(nóng)田土壤、環(huán)境、氣候等因素的差異性調(diào)整作物播種量，實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)條件與播種量的精準(zhǔn)合理匹配。隨著玉米精密播種技術(shù)的廣泛應(yīng)用和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展， 變量播種成為近年來(lái)精密播種技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)革新。為充分利用我國(guó)有限的土地資源、最大限度挖掘增產(chǎn)潛力， 盡可能地節(jié)本增效提供新的發(fā)展空間。我國(guó)變量播種技術(shù)的研究相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚， 尚處于探索研究和試驗(yàn)階段。通過(guò)綜述玉米變量播種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與信息決策系統(tǒng)3方面的研究現(xiàn)狀， 闡述不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的播種量調(diào)節(jié)特性及相關(guān)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀；重點(diǎn)分析控制系統(tǒng)與信息決策系統(tǒng)在作業(yè)監(jiān)測(cè)、變量播種、變量補(bǔ)種以及處方圖等方面取得的進(jìn)展。提出目前存在土壤實(shí)時(shí)檢測(cè)不成熟、變量播種位置不精準(zhǔn)、變量補(bǔ)種工作速度低等問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合我國(guó)國(guó)情提出對(duì)玉米變量播種技術(shù)的發(fā)展前景和趨勢(shì)加以展望， 并結(jié)合我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀指出田間土壤養(yǎng)分快速檢測(cè)技術(shù)、高排種質(zhì)量和響應(yīng)速度的精量播種單體、高效變量播種技術(shù)等未來(lái)玉米變量播種技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：玉米；變量播種；變量施肥；處方圖

中圖分類(lèi)號(hào)：S23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 12-0041-06收稿日期：2023年3月28日

修回日期：2023年8月17日

*基金項(xiàng)目：四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)（2023ZZCX003）；四川省基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2022JBKY0012-02）

第一作者：程方平， 男， 1982年生， 成都人， 高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程。E-mail：chengfpscu@163.com

通訊作者：趙幫泰， 男， 1981年生， 成都人， 研究員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)科學(xué)與工程。E-mail：870048173@qq.com

Current status and trends of research on variable seeding technology for corn

Cheng Fangping， Zhao Bangtai， Mei Linsen， Yang Changmin， Wang Yipeng， Zhang Wei

（Sichuan Academy of Agricultural Machinery Sciences， Chengdu， 610066， China）

Abstract： Variable seeding technology can adjust crop seeding rates according to the differences of farmland soil， environment， climate and other factors， so as to achieve precise and reasonable matching between crop growth conditions and seeding rates. With the widespread application of precision seeding technology for corn and the further development of precision agriculture， variable seeding has become an innovation in the field of precision seeding technology in recent years. This provides a new development space for making full use of China’s limited land resources， maximizing the potential for increasing production， and maximizing cost savings and efficiency as much as possible. The research on variable seeding technology in China started relatively late compared to the developed countries and is still in the exploratory and experimental stage. This article reviews the current research status of the driving system， control system， and information decision-making system of corn variable seeding technology， and elaborates on the seeding quantity adjustment characteristics of different driving systems and their related research and application status. The progress of control systems and information decision-making in operation monitoring， variable seeding， variable replanting， and prescription graphs is analyzed in detail. It is proposed that there are problems with the current soil real-time detection technology being immature， inaccurate variable sowing positions， and low speeds of replanting operations. At the same time， the development prospects and trends of corn variable sowing technology in our country are discussed， and it is pointed out the future development direction of corn variable sowing technology includes rapid detection technology of soil nutrients in fields， precision sowing units with high seed quality and response speed， efficient variable replanting technology， etc.

Keywords： corn; variable rate seeding； variable rate fertilization； prescription map

0 引言

玉米是我國(guó)主要糧食作物，既是我國(guó)重要的糧食資源，也是重要的飼料原料和工業(yè)原料^［1］，玉米產(chǎn)業(yè)不僅對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也具有舉足輕重的地位。我國(guó)是世界玉米生產(chǎn)第二大國(guó)，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，2021年我國(guó)玉米種植面積達(dá)43 324 khm²，總產(chǎn)量達(dá)2.72×10⁸ t，成為我國(guó)種植面積和產(chǎn)量最大的糧食作物。

新中國(guó)成立以來(lái)， 我國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展， 除了育種技術(shù)不斷增強(qiáng)， 機(jī)械化生產(chǎn)水平也得到了全面的提高， 隨著機(jī)械化播種技術(shù)的不斷提高， 機(jī)播基本取代秧苗移栽。玉米精密播種技術(shù)的大力應(yīng)用和推廣， 極大地推動(dòng)了玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。玉米精密播種是指用精密播種機(jī)按照玉米種植的農(nóng)藝要求， 按照設(shè)定的行距、粒距和播種深度將種子播入土壤中并準(zhǔn)確定位的過(guò)程， 可實(shí)現(xiàn)苗齊、苗全、苗壯的同時(shí)節(jié)約種子、減少間苗作業(yè)，既節(jié)約成本又提高作業(yè)效率和產(chǎn)量。隨著玉米生產(chǎn)適度規(guī)模化經(jīng)營(yíng)進(jìn)程的加快， 玉米種植逐漸從過(guò)去單純追求產(chǎn)量轉(zhuǎn)向保障產(chǎn)量的同時(shí)提升效益， 玉米精密播種技術(shù)因其具有突出的節(jié)本增產(chǎn)增收的優(yōu)點(diǎn)， 受到科研人員的高度重視和種植戶的歡迎， 我國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。

本文通過(guò)對(duì)玉米變量播種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與信息決策系統(tǒng)3方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述， 對(duì)我國(guó)玉米變量播種技術(shù)的發(fā)展前景和趨勢(shì)加以展望， 并結(jié)合我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀指出未來(lái)玉米變量播種技術(shù)的發(fā)展方向。

1 發(fā)展變量播種技術(shù)的必要性

傳統(tǒng)的精密播種技術(shù)缺少對(duì)具體土壤肥力、氣候條件和生態(tài)環(huán)境等因素的考慮， 采用簡(jiǎn)單的均一化播種， 保證播種粒數(shù)、粒距、播種深度一致， 制約了土地生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。除了研究粒距和播種深度對(duì)產(chǎn)量的影響^［2］， 變量播種技術(shù)可根據(jù)田間土壤、環(huán)境、氣候等條件的差異性改變玉米播種量， 實(shí)現(xiàn)播種量與生長(zhǎng)條件的精準(zhǔn)高效匹配，賦予了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)更多的提升空間。變量播種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)玉米產(chǎn)量潛力瓶頸突破、資源利用效率進(jìn)一步提高、改善玉米生產(chǎn)質(zhì)量與效益的重要手段， 為充分利用我國(guó)有限的土地資源、最大限度挖掘增產(chǎn)潛力， 盡可能地節(jié)本增效提供了技術(shù)支撐。玉米高產(chǎn)的最佳密度與土壤肥力、光熱資源等生態(tài)條件密切相關(guān)^［3］，變量播種針對(duì)不同的作業(yè)條件實(shí)時(shí)調(diào)整播種密度， 不僅節(jié)約了良種， 還有很大的增產(chǎn)潛力。我國(guó)玉米種植已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模， 變量播種技術(shù)節(jié)本增效的作用和玉米種植的規(guī)模效應(yīng)疊加將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)

傳統(tǒng)播種機(jī)排種器動(dòng)力來(lái)自驅(qū)動(dòng)地輪^［4］， 地輪驅(qū)動(dòng)排種的播種機(jī)通過(guò)改變機(jī)械的傳動(dòng)比以調(diào)節(jié)播種粒距， 隨著播種速度提高， 地輪的滑移率及傳動(dòng)鏈的顫動(dòng)都會(huì)增加， 且不能根據(jù)需要及時(shí)調(diào)節(jié)， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)控變量播種^［5］。變量播種需要根據(jù)作業(yè)條件施以不同數(shù)量的種子， 要求播種機(jī)排種速度具備實(shí)時(shí)調(diào)整的功能， 按照決策信息及時(shí)改變作業(yè)參數(shù)。隨著人們要求播種技術(shù)具有精準(zhǔn)變量的功能， 播種機(jī)排種器由地輪驅(qū)動(dòng)發(fā)展到了液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式見(jiàn)表1。

2.1 液壓驅(qū)動(dòng)

國(guó)外對(duì)排種器驅(qū)動(dòng)的研究和應(yīng)用相對(duì)國(guó)內(nèi)較早，美國(guó)CASE設(shè)計(jì)的變量播種機(jī)采用電控液壓馬達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)^［6］，該機(jī)構(gòu)由變量控制驅(qū)動(dòng)器、直流伺服電動(dòng)機(jī)、隨動(dòng)液壓馬達(dá)、馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器等組成，可以通過(guò)改變液壓比例閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)排種速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者楊壯等研究了基于液壓馬達(dá)的排種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分析了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)播種單體與集中驅(qū)動(dòng)排種主軸兩種方案。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)播種單體方案中，由于液壓馬達(dá)存在個(gè)體差異，各行播種粒距不一致，需要配置控制系統(tǒng)進(jìn)行修正；集中驅(qū)動(dòng)排種主軸，每個(gè)排種器轉(zhuǎn)速一致，確保了播種粒距一致，但是各行之間不能獨(dú)立調(diào)節(jié)。劉文浩等利用拖拉機(jī)自帶液壓輸出，采用脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)液壓增扭器來(lái)調(diào)節(jié)播種機(jī)排種軸按照要求進(jìn)行變量工作。采用脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)為精準(zhǔn)及時(shí)變量播種提供了新的選擇，也為自動(dòng)變量控制的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要有3種方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)排種器主軸；電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器主軸；電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器內(nèi)種盤(pán)。相對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)更加直接且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。為了克服地輪、液壓等機(jī)械式驅(qū)動(dòng)方式的弊端，Yang等^［7］等研發(fā)了排種器電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合齒輪減速增扭作用驅(qū)動(dòng)排種器，降低了對(duì)電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩的要求，同時(shí)提高了排種器轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

由于電機(jī)存在轉(zhuǎn)速與扭矩成反比的軟特性，而排種器需要變速排種，需要在高轉(zhuǎn)速的同時(shí)扭矩不下降。He^［8］、張春嶺^［9］等針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高速時(shí)的低扭特性，設(shè)計(jì)了基于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。姚潁飛等^［10］設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制的玉米精量播種機(jī)單體驅(qū)動(dòng)器，基于STM32F103C8T6單片機(jī)，搭建了有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)單體，單體驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，由霍爾傳感器采集播種機(jī)的作業(yè)速度，通過(guò)高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用增益調(diào)整型模糊PID算法使調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化率實(shí)時(shí)修正PID控制參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速300～10 000 r/min均有較好的穩(wěn)定性和線性度，使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速精準(zhǔn)地跟隨作業(yè)速度的變化。

楊碩等^［11］針對(duì)現(xiàn)有玉米精密電驅(qū)排種控制系統(tǒng)無(wú)法快速適應(yīng)不同類(lèi)型排種器排種控制的問(wèn)題，在玉米播種采用總線控制電動(dòng)排種的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種對(duì)玉米排種器排種驅(qū)動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的電驅(qū)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)在排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，采用分段線性插值的方法現(xiàn)場(chǎng)獲取排種器驅(qū)動(dòng)曲線，實(shí)現(xiàn)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定與控制，增強(qiáng)電驅(qū)排種的適用性和工作參數(shù)范圍。

3 控制與信息決策技術(shù)

3.1 作業(yè)監(jiān)測(cè)

不管是定量還是變量作業(yè)。播種作業(yè)時(shí)，種子需要投放至一定深度的土壤下面，如果不扒開(kāi)土壤檢查，作業(yè)人員難以發(fā)現(xiàn)種子下落情況，需要等出苗后才發(fā)現(xiàn)，將造成較大產(chǎn)量損失和補(bǔ)種作業(yè)成本增加。目前，播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要采用光電式、電容式、壓電式和機(jī)器視覺(jué)等類(lèi)型傳感器^{［12， 13］}。從監(jiān)測(cè)的方式主要是料位的監(jiān)測(cè)和播種過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

料位監(jiān)測(cè)只監(jiān)測(cè)了種箱里面是否還有種子，如果發(fā)生堵塞或者排種裝置沒(méi)有正常工作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)誤認(rèn)為播種機(jī)正常作業(yè)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。播種過(guò)程監(jiān)測(cè)是目前最常用的方式。過(guò)程監(jiān)測(cè)中，常用光電式、電容式傳感器。賈洪雷等^［14］通過(guò)光電編碼器在間隔一定脈沖數(shù)記錄是否有種子信號(hào)判斷漏吸、通過(guò)種子產(chǎn)生的脈沖寬度判斷是否有多吸，用于氣吸式播種機(jī)監(jiān)測(cè)。劉坤^［15］針對(duì)電容法存在電場(chǎng)非線性和強(qiáng)度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種E型正交叉指電容傳感器，改善了電場(chǎng)穿透深度，提高了電容信號(hào)微小變化的辨識(shí)精度，實(shí)現(xiàn)了玉米種子的高精度快速檢測(cè)。

3.2 變量播種

美國(guó)在20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的Max emerge planters系列精密播種機(jī)就已裝備了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)系統(tǒng)，結(jié)合GPS、GIS、信息處理和遙感技術(shù)，可根據(jù)土壤肥力和含水量等外部條件的變化，實(shí)施變量播種。變量播種包括了在已播區(qū)域時(shí)排種器的實(shí)時(shí)關(guān)斷、彎道路徑上播種時(shí)內(nèi)外粒距均勻一致；在土壤、光熱水等資源條件差異下處方圖式和實(shí)時(shí)傳感器式的變量播種，實(shí)時(shí)傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)可用于生成動(dòng)態(tài)處方圖。

和賢桃^［12］基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理對(duì)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中播種機(jī)與拖拉機(jī)的位置關(guān)系進(jìn)行建模，結(jié)合GPS連續(xù)定位的方式計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑，建立了轉(zhuǎn)彎播種定位模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎播種條件下對(duì)各播種單體位置坐標(biāo)的定位，同時(shí)依據(jù)各播種單體的轉(zhuǎn)彎半徑并結(jié)合拖拉機(jī)前進(jìn)速度加入轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)各播種單體的播種速度進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整，解決了轉(zhuǎn)彎播種時(shí)內(nèi)側(cè)播種粒距小、外側(cè)播種粒距大的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)玉米精量播種機(jī)的排種器驅(qū)動(dòng)電機(jī)大都直接連接排種器主軸，直聯(lián)主控制器，無(wú)法滿足變量播種作業(yè)對(duì)各個(gè)播種單體獨(dú)立控制的要求且播種行數(shù)難以拓展。丁友強(qiáng)等^［16］針對(duì)上述問(wèn)題，搭建了基于單片機(jī)STM32F103的單體驅(qū)動(dòng)器硬件和軟件架構(gòu)，并集成了CAN總線通訊模塊，可通過(guò)增減單體驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)播種機(jī)行數(shù)拓展，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)排種器單體轉(zhuǎn)速的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

楊麗等^［17］研究了一種基于動(dòng)態(tài)處方圖的變量播種控制系統(tǒng)及方法，將土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及坐標(biāo)信息傳輸至播量決策控制器，用測(cè)得的單點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)并生成實(shí)時(shí)播種量處方圖，根據(jù)處方圖動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速，克服了由于單點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差較大所造成的變量播種精度下降的問(wèn)題。

3.3 變量補(bǔ)種

變量補(bǔ)種除了充分利用土壤潛力、節(jié)約種子外，還為進(jìn)一步減少漏播影響提供了新的選擇。現(xiàn)有補(bǔ)種主要通過(guò)額外補(bǔ)種和變量補(bǔ)種。常規(guī)玉米播種機(jī)出現(xiàn)漏播后難以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，除了提高排種器質(zhì)量入手減少漏播，從排種器本身結(jié)構(gòu)上完全解決漏播問(wèn)題難度較大，主要是增加額外的補(bǔ)種裝置。

龔麗農(nóng)等^［18］在排種器的排種盤(pán)上設(shè)計(jì)了雙排窩眼，分為主排窩眼和副排窩眼，利用光電傳感器監(jiān)測(cè)主排種器充種情況，當(dāng)主排種器充種窩眼出現(xiàn)漏充種時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)控制副排種器在及時(shí)排種，由于補(bǔ)排的種子與所漏充種的窩眼在徑向上處于相同位置，補(bǔ)種精確度較高。金衡模等^［19］設(shè)計(jì)了一種玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由補(bǔ)種排種器、步進(jìn)電機(jī)、漏播監(jiān)測(cè)傳感器、空氣壓縮機(jī)、空氣控制閥及補(bǔ)充管組成，將播種率提高到了99%，但是該系統(tǒng)較為復(fù)雜，且需要額外增加一套系統(tǒng)。

朱瑞祥等^［20］在勺輪式玉米精量排種器基礎(chǔ)上，采用超越離合器設(shè)計(jì)了一種基于的大籽粒作物漏播自補(bǔ)種裝置，采用激光光電傳感器和霍爾傳感器分別監(jiān)測(cè)漏種和排種器速度，依靠排種器自身的超越旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)位置無(wú)偏差補(bǔ)種并能夠故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了排種與補(bǔ)種一體化的變速補(bǔ)種裝置，將播種率提高到了99.2%。

趙淑紅等^［21］針對(duì)玉米勺式排種器出現(xiàn)的漏播問(wèn)，設(shè)計(jì)了一種變速補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電傳感器在偏離出種口前20°位置進(jìn)行提前檢測(cè)，漏播發(fā)生時(shí)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變排種器轉(zhuǎn)速越過(guò)空種槽達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)種的目的。變速補(bǔ)種存在突然加速問(wèn)題，當(dāng)播種速度較快時(shí)易導(dǎo)致種子抖動(dòng)掉落，對(duì)排種器的持種能力要求較高。當(dāng)播種株距較小、作業(yè)速度較快時(shí)，采用變速補(bǔ)種裝置需要更快的反應(yīng)速度和加速能力，對(duì)裝置的性能和可靠性提出了更高的要求。目前，變量補(bǔ)種適用于低速播種，對(duì)于高速播種還有待進(jìn)一步的研究。

3.4 處方圖生成

對(duì)于變量播種機(jī)，其排種控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的處方圖精確控制播種機(jī)各行按處方圖上的播種量進(jìn)行播種，而作業(yè)地塊的土壤肥力、歷年作物產(chǎn)量甚至天氣和管理等都是生成決策系統(tǒng)處方圖的考慮的因素^［22］。對(duì)土壤的空間變異性進(jìn)行詳細(xì)的獲取是精準(zhǔn)、變量作業(yè)的前提性基礎(chǔ)工作，現(xiàn)有獲取方式有田間采樣后進(jìn)行試驗(yàn)分析、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法和田間快速測(cè)量。其中田間土壤養(yǎng)分測(cè)定主要是通過(guò)以化學(xué)分析測(cè)定土壤中養(yǎng)分的含量，并在其他理論的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤肥力進(jìn)行解釋、評(píng)價(jià)并提出播種建議^［23］，該方法耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，在播種時(shí)田間土壤肥力已發(fā)生變化；專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法主要靠專(zhuān)家技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)判斷，誤差較大；常規(guī)田間快速測(cè)量所測(cè)組分少、精度低。

趙春江院士團(tuán)隊(duì)^［24］研發(fā)了全球首臺(tái)車(chē)載式農(nóng)田土壤現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)系統(tǒng)，利用光譜技術(shù)首創(chuàng)了土壤養(yǎng)分現(xiàn)場(chǎng)速測(cè)方法，可在10～15 min內(nèi)完成養(yǎng)分、重金屬、微量元素等38個(gè)指標(biāo)的快速測(cè)量，并通過(guò)地理位置的對(duì)應(yīng)，構(gòu)建土壤大數(shù)據(jù)，為變量播種提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

4 變量播種技術(shù)存在的問(wèn)題

精準(zhǔn)變量播種技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)的領(lǐng)域，經(jīng)多年發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)在研究土壤、種子、養(yǎng)分之間的互作關(guān)系方面取得了一定的成果，引領(lǐng)著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。在播種機(jī)上應(yīng)用和發(fā)展變量播種技術(shù)，還需要信息技術(shù)（GPS、GIS、RS等）、智能控制技術(shù)、播種驅(qū)動(dòng)技術(shù)和決策處方技術(shù)等多種技術(shù)的融合發(fā)展。變量播種技術(shù)還處在試驗(yàn)研究起步階段，在我國(guó)的生產(chǎn)應(yīng)用較少，還有很多難點(diǎn)有待進(jìn)一步的研究。

1）

土壤實(shí)時(shí)檢測(cè)不成熟。變量作業(yè)主要基于土壤肥力和產(chǎn)量生成的處方圖進(jìn)行變量播種。變量播種技術(shù)的實(shí)施首先需要獲知種植區(qū)域土壤的肥力狀況，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)獲取土壤養(yǎng)分圖的方法尚不成熟，土壤養(yǎng)分圖獲取仍然依靠土壤采樣，大型車(chē)載式檢測(cè)系統(tǒng)價(jià)格昂貴。對(duì)土壤肥力狀況的采集只能通過(guò)田間土壤采樣和實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的方法解決，基于采樣和分析成本的限制，采樣點(diǎn)本身所占的面積占農(nóng)田面積的萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一，沒(méi)有測(cè)定的地點(diǎn)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行估算，其可靠性較低。因此，無(wú)論從技術(shù)裝備的普及程度，還是從人力、物力和財(cái)力的投入狀況分析，都無(wú)法大規(guī)模地開(kāi)展精細(xì)化土壤肥力狀況的檢測(cè)。

2） 變量播種位置不精準(zhǔn)。變量播種是在精量播種的進(jìn)一步發(fā)展，即使在播種環(huán)節(jié)采用了變量播種，但是播種變量實(shí)現(xiàn)決策目標(biāo)調(diào)整位置到作業(yè)實(shí)際調(diào)整位置始終存在一定滯后距離，削弱、抵消了變量播種的效果，甚至改變播種量后的種子沒(méi)有精準(zhǔn)到合適的位置，甚至?xí)?lái)減產(chǎn)。最終作物的產(chǎn)量還受到種子質(zhì)量、生產(chǎn)管理、氣候變化、收獲損失等多種因素的影響，缺少多年長(zhǎng)期的觀測(cè)和對(duì)比試驗(yàn)，且變量播種對(duì)播種作業(yè)和處方圖的要求相對(duì)較為繁瑣，種植戶難以感受到變量播種帶來(lái)的效益。變量播種技術(shù)大多處于試驗(yàn)和示范階段。

3） 變量補(bǔ)種工作速度低。由于我國(guó)地形地貌及種植經(jīng)營(yíng)規(guī)模的條件下的機(jī)型選擇，我國(guó)玉米精密播種排種器中有相當(dāng)部分的機(jī)械式排種器，機(jī)械式排種器始終存在一定程度的漏播率，從排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減少漏播難度較大，變量播種為減少漏播提供了新的技術(shù)手段。目前變量補(bǔ)種技術(shù)主要采用加速排種進(jìn)行補(bǔ)種，存在一定延時(shí)，主要用于低速作業(yè)的漏播補(bǔ)種，對(duì)于較高作業(yè)速度條件下的漏播補(bǔ)種，存在加速抖落種子和響應(yīng)不及時(shí)，未消除漏播，還增加了重播的新問(wèn)題，補(bǔ)種效果有待進(jìn)一步提高。

5 變量播種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于耕地條件的限制和對(duì)糧食需求的壓力，進(jìn)一步挖掘糧食生產(chǎn)潛力成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求。變量播種成為現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究熱點(diǎn)。變量播種技術(shù)提高了土壤的利用率、節(jié)約了種子，提高了糧食產(chǎn)量和品質(zhì)，成為糧食生產(chǎn)持續(xù)健康高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)玉米精密播種生產(chǎn)現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，在以后的玉米播種機(jī)的研究和發(fā)展中應(yīng)注意以下問(wèn)題。

1） 田間土壤養(yǎng)分快速檢測(cè)技術(shù)。田間土壤檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)變量播種決策的基礎(chǔ)，當(dāng)前的土壤采用檢測(cè)分析技術(shù)存在周期長(zhǎng)、成本高，難以支撐變量播種的推廣和大規(guī)模應(yīng)用，采用光譜、激光等新技術(shù)、新手段，研發(fā)田間土壤快速檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新選擇，也是實(shí)施變量播種決策提供快速高效的技術(shù)支撐，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

2） 高排種質(zhì)量和響應(yīng)速度的精量播種單體。目前，國(guó)外憑借軟硬件技術(shù)和算法優(yōu)勢(shì)研制了多種不同模式的變量播種控制系統(tǒng)并投入使用，在一定規(guī)模的生產(chǎn)中得到檢驗(yàn)。我國(guó)主要從作業(yè)速度獲取并驅(qū)動(dòng)排種方式和控制系統(tǒng)算法優(yōu)化等方面進(jìn)行多種電驅(qū)播種控制技術(shù)的研究，變量播種裝置，特別是高排種質(zhì)量和響應(yīng)速度的精量播種單體還很大的提升空間。

3） 高效變量補(bǔ)種技術(shù)。現(xiàn)有變量補(bǔ)種技術(shù)與現(xiàn)代高效精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求還有較大差距，在變量補(bǔ)種是的加速極易導(dǎo)致種子在排種器內(nèi)的振動(dòng)，影響種子的穩(wěn)定取種和攜種，甚至抖落導(dǎo)致漏播，加速延遲導(dǎo)致株距的不均勻。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化排種結(jié)構(gòu)，提高排種器的持種能力和抗振動(dòng)性能，減少排種器變速對(duì)播種質(zhì)量的影響。加強(qiáng)漏播檢測(cè)提前時(shí)間、補(bǔ)種結(jié)構(gòu)、變速控制的算法研究，提高變速補(bǔ)種的響應(yīng)速度和加速平滑度，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)補(bǔ)種。

精密排種技術(shù)在玉米播種機(jī)中已廣泛應(yīng)用，但我國(guó)玉米播種機(jī)械化率和播種質(zhì)量還不高，且耕地資源有限和糧食增產(chǎn)壓力較大，高效精密的變量播種技術(shù)是提高機(jī)械化播種質(zhì)量的重要手段，是播種機(jī)未來(lái)的研究方向，變量播種涉及技術(shù)眾多，需要進(jìn)一步結(jié)合農(nóng)藝、機(jī)械、電子、信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的深度融合來(lái)提升播種機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)高效精密的突破。

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