油菜精量播種關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進展

摘要： 播種是油菜生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)機械化播種對油菜生產(chǎn)節(jié)本增效具有重要意義，并且目前國內(nèi)油菜機播率較低，油菜播種裝備是農(nóng)機領(lǐng)域的短板弱項，系統(tǒng)梳理我國油菜播種關(guān)鍵技術(shù)及裝備對于提升油菜機械化水平有重要參考價值，因此，對國內(nèi)油菜種植區(qū)域及規(guī)模、播種方式及機械化現(xiàn)狀進行了詳細概述，重點闡述了國內(nèi)外油菜精量排種、主動防堵、智能檢測與調(diào)控、物料運動數(shù)值模擬等關(guān)鍵技術(shù)研究動態(tài)及不足，分析對比了中國與歐美等國家在油菜機械化播種裝備的研究進展與差異，并在系統(tǒng)總結(jié)和分析我國油菜種植特點和裝備發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提煉出了我國油菜機械化播種存在問題和技術(shù)難點，且對油菜機械化播種解決方案、開展核心技術(shù)攻關(guān)、智能化水平提升、裝備可靠性和推廣提高進行展望，這可為油菜機械化播種技術(shù)進一步發(fā)展與研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：油菜；播種；排種器；離散元；進展

中圖分類號： S223.2文獻標志碼：A文獻標識碼

DOI：10.13880/j.cnki.65-1174/n.2024.21.023

文章編號：1007-7383（2025）01-0045-10

Research progress on key technologies and equipment of precision seeding for rapeseed

ZHANG" Tao，REN" Guiying^*，DAI" Cong，TANG" Xinglong，LI" Lei

（Chongqing Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 401329，China）

Abstract：" Sowing is a key link in the process of rape production，and mechanized sowing is of great significance to save cost and increase efficiency in rape production.At present，the mechanical sowing rate of rape in China is low，and the sowing equipment of rape is a weak point in the field of agricultural machinery.Systematically sorting out the key technologies and equipment of rape sowing in China has important reference value for improving the mechanization level of rape.In this paper，the planting area and scale，sowing methods and mechanization status of domestic rapeseed were summarized in detail，focusing on the research trends and shortcomings of key technologies such as precision seed placement，active blocking prevention，intelligent detection and control，and material movement numerical simulation at home and abroad，and the research progress and differences of mechanized sowing equipment for rapeseed in China，Europe and America were analyzed and compared.On the basis of systematic summary and analysis of China′s rapeseed planting characteristics and equipment development trend，the existing problems and technical difficulties in China′s rapeseed mechanized sowing were extracted，and the solutions for rapeseed mechanized sowing，core technology research，intelligent level improvement，equipment reliability and promotion were prospected.The study can also provide a strong reference for the development and research of mechanized rapeseed sowing technology in China.

Key words： Rapeseed;Seeding;Seed-metering device;Discrete element;Progress.

油菜是世界范圍內(nèi)主要油料作物之一，也是食用油脂的重要來源。2022年我國生產(chǎn)植物油約1051.5萬t，而全年消費量為3425萬t，自給率僅為30.7%，供需缺口嚴峻^［1］。近年來，我國相繼出臺了一系列“提高油料自給率”、“統(tǒng)籌油菜綜合性扶持措施”、“推行稻油輪作，大力開發(fā)利用冬閑田種植油菜，強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐”等提升油菜產(chǎn)能政策。提高機械化技術(shù)及裝備水平是支撐油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。播種機械化是油菜全程機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。我國長江流域冬油菜占總產(chǎn)90%以上，稻油輪作模式是該區(qū)域的主要輪作模式之一，但在該模式下茬口矛盾突出、土壤黏重板結(jié)、田塊分散等問題，嚴重阻礙了機械播種技術(shù)及裝備的發(fā)展，2021年機播率僅為38.81%，不能滿足我國油菜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能提升的戰(zhàn)略要求^［2］。

目前，油菜播種方式主要包括人工撒播、機械分段耕整播種、機械耕播集成、飛播、機械移栽等，而加拿大、澳大利亞以及歐盟等發(fā)達國家已利用現(xiàn)代化機械實現(xiàn)了油菜耕整、施肥、播種一體化作業(yè)，但大型機械受限于整機尺寸、農(nóng)機農(nóng)藝不匹配、價格昂貴等因素，無法滿足我國特殊地形、土壤、種植制度下油菜機械化播種要求。國內(nèi)油菜機械化播種技術(shù)研究雖起步晚但發(fā)展快，自主研發(fā)了多款機械式、氣吸式、復(fù)合式油菜播種機，尤其在精量排種、復(fù)合作業(yè)、漏播檢測、智能控制等關(guān)鍵技術(shù)方面不斷突破，但受技術(shù)成熟度不高、加工裝配工藝落后等影響，目前研發(fā)的油菜播種機仍存在傷種率高、排種精度低、可靠性差等問題。

綜上認為，繼續(xù)深入研究播深穩(wěn)定、播種均勻、成活率高的油菜精量播種技術(shù)及裝備是支撐油菜產(chǎn)業(yè)高質(zhì)高效發(fā)展的重要舉措。因此，

本文針對國內(nèi)油菜分布規(guī)模、種植措施及機械化現(xiàn)狀進行概述，并結(jié)合文獻資料對國內(nèi)外油菜播種關(guān)鍵技術(shù)及裝備進行重點闡述，系統(tǒng)梳理現(xiàn)階段油菜機械化播種環(huán)節(jié)面臨問題，在此基礎(chǔ)上提出我國油菜精量播種發(fā)展的建議，以期為研究者了解油菜播種裝備發(fā)展現(xiàn)狀及未來的研究方向提供參考。

1 油菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 油菜分布及規(guī)模

據(jù)國際糧油組織統(tǒng)計顯示，全球油菜產(chǎn)業(yè)主要分布在加拿大、印度、中國、澳大利亞、俄羅斯、烏克蘭、美國等國家，油菜籽總產(chǎn)量占全球92%。近年來，我國油菜種植面積已超過650萬hm2，產(chǎn)量約占全球18%，居世界第三^［3］。受種植面積、供需關(guān)系等影響，全球油菜總產(chǎn)量呈現(xiàn)波動性增長趨勢，尤其在2022年增速達到了12.8%。

由于油菜是喜涼作物，對熱量和土壤要求不高，我國油菜種植范圍廣，長江、黃淮流域為主要產(chǎn)區(qū)。四川油菜播種面積和總產(chǎn)量均居全國之首，2022年總產(chǎn)量達到了317萬t，其次為湖北、湖南、安徽、貴州、江西、云南、重慶、江蘇、河南等地^［4］。近年來我國油菜總產(chǎn)量相對較為平穩(wěn)，2011～2022年油菜總產(chǎn)量分布范圍為1 300～1 600萬t，總產(chǎn)量呈現(xiàn)波動增加。

1.2 油菜種植措施及機械化程度

受氣候條件影響，以播期為界定分為春、冬油菜。全球?qū)用妫幽么蟆拇罄麃喴源河筒藶橹鳎鳂I(yè)面積大，以直播為主，基本實現(xiàn)全程機械化；歐洲國家以冬油菜為主，種植規(guī)模為中等，機械化水平也基本達到100%；印度主要以冬油菜為主，地塊面積較小，機播、人工撒播等方式并存，整體機械化程度較低。中國油菜以六盤山和太岳山為界限，其中六盤山以東、延河以南和太岳山以東為冬油菜產(chǎn)區(qū)，種植總面積和總產(chǎn)量均占全國90%以上，一般生育期為當年9月至次年5月，主要分布在四川、湖北、湖南等地，種植制度為一年多熟制；六盤山以西、延河以北和太岳山以西為春油菜產(chǎn)區(qū)，一般生育期為4—9月，主要分布在甘肅、青海、內(nèi)蒙古、新疆等區(qū)域，種植制度為一年一熟制。目前，我國油菜綜合機械化率總體為60%，其中耕整地率接近85%，機播率接近38%，機收率為44%，北方整體機械化水平高，南方由于地塊零散、土壤黏重、栽培措施多樣等因素影響，機械化水平整體較低^［2］。因此，油菜機播技術(shù)和裝備水平落后已成為制約我國油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

2 油菜精量直播關(guān)鍵技術(shù)進展

2.1 精量排種技術(shù)

排種器是油菜精量播種的核心部件，直接影響播種作業(yè)質(zhì)量和發(fā)芽效果。排種器按工作原理分為機械式、氣力式2種，其中機械式排種器是指運動部件驅(qū)動進行圓周或往復(fù)運動，通過機械作用力將物料有序、定量排出，可實現(xiàn)穴播、條播，但在充種、清種過程中極易損傷種子，且通用性差，具有代表性的機械式排種器有槽輪式、指夾式、圓盤式、窩眼輪式、型孔輪式等。科研人員對機械式排種器作業(yè)性能和種子排種機理做了大量基礎(chǔ)研究，廖慶喜等^［5］研制的一器多行離心式油菜排種器，能夠有效提高排種效率；李沐桐等^［6］提出的離心錐盤推送式充種，很好解決了高速作業(yè)時穩(wěn)定性差的問題；姚露等^［7］開發(fā)的轉(zhuǎn)盤式油菜精量排種器，采用了螺旋定量供種+旋轉(zhuǎn)盤均勻分種的基本原理，減少了種子運移路程；祁俊濤等^［8］設(shè)計了一款新型氣送離心式排種器，主要用于油菜飛播。在槽輪式、窩眼式、圓盤式排種器方面，國內(nèi)科研人員探究了外槽輪工作長度、槽孔傾角、充填高度、轉(zhuǎn)速、動定盤間隙、推種器彈簧壓力、渦輪孔直徑、孔數(shù)、窩眼長度等與排種均勻性、排種損傷率的關(guān)系^［9-10］。

氣力式排種器是指通過風(fēng)機產(chǎn)生氣流，將種子通過吸附或者吹送方式按照設(shè)定軌跡運動，完成精量播種，具有通用性強、機械損傷小、排種均勻性強、高速作業(yè)等優(yōu)點，按照排種原理可分為氣送式、氣壓式、正負氣壓組合式等，能實現(xiàn)精量播種。國外從20世紀50年代開始探索氣力式精量排種器，歐美等發(fā)達國家的技術(shù)先進，如ProMAX40（美國約翰迪爾公司）、CASE IH（德國阿瑪松）、AcromatⅡ（意大利馬斯奇奧公司），以上機具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，適合規(guī)模化大田播種作業(yè)。

國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，近年來高校、科研院所、企業(yè)在此方面進行了大量研究。

油菜氣吸式排種的關(guān)鍵技術(shù)包括氣流方式、氣流壓力、風(fēng)機與排種盤轉(zhuǎn)速、清種方式等。廖慶喜團隊^［11］為解決油菜高速作業(yè)時易傷種、均勻性低等問題，設(shè)計了正負氣壓組合式、氣送式、氣吸式等一系列油菜精量排種器，并分析了發(fā)動機、前進速度等振動信號與排種合格指數(shù)的關(guān)系，氣流速度、種子速度、混種部件結(jié)構(gòu)對總壓力損失、種子逆流、排量一致性的影響，以及排種盤型孔數(shù)量、結(jié)構(gòu)對排種性能的作用機理，得到了正負氣壓組合式油菜排種器最優(yōu)工作壓力和供種轉(zhuǎn)速，為油菜氣力式排種器提供了大量參考依據(jù)。楊松等^［12］為了掌握2BFQ-6型氣力式油菜排種器作業(yè)性能，分析了風(fēng)機轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速、正壓泄氣孔直徑等對排種效果的影響主次序，并得到了該排種系統(tǒng)的排種量方程、排種率參數(shù)組合圖、排種量一致性方程，為該類型機具參數(shù)匹配提供了依據(jù)。為了降低清種和護種環(huán)節(jié)易剪切傷種，李兆東等^［13］采用氣流清種和氣壓護種組合方式，并探究了壓差、排種滾筒轉(zhuǎn)速與排種穩(wěn)定性、種子損傷率之間的關(guān)系。

綜上認為：氣力式排種器是實現(xiàn)油菜精量播種的關(guān)鍵，并且進一步優(yōu)化改進不同土壤、作業(yè)速度等工況下高穩(wěn)定性、輕質(zhì)化、易維修的氣力式排種器仍是目前研究重點之一。

2.2 主動防堵技術(shù)

長江中下游油菜種植區(qū)，由于受高溫高濕、土質(zhì)黏重板結(jié)、地表留存秸稈茬高量大、揚塵等影響，導(dǎo)致觸土部件和排種器在作業(yè)時極易壅堵黏附、掛草纏草、減弱吸種負壓等，嚴重降低播種作業(yè)質(zhì)量和增大功耗。目前，學(xué)者主要通過增加防堵防纏裝置、仿形結(jié)構(gòu)等方式開展降附防堵技術(shù)研究，國外免耕播種機防堵裝置主要采用重力圓盤、清茬撥草輪、導(dǎo)草輥等被動式防堵技術(shù)，代表播種機型有加拿大Flexi-coil公司500HD型、美國John Deere公司1590型、美國Great Plains公司V300XING和3P806NT型、法國KUHN公司KOSMA型、意大利Maschio公司CHIONO型，通過不同形狀開溝器、刀具布置方式、加壓方式等對播種區(qū)域進行破茬清秸作業(yè)，但主要應(yīng)用于大行距、牽引式重型免耕播種機。

國內(nèi)主要采用秸稈粉碎、秸稈切斷和秸稈移位等主動式清秸原理開展研究，設(shè)計開發(fā)了立軸旋轉(zhuǎn)秸稈粉碎裝置、正反轉(zhuǎn)組合式滅茬裝置、雙刀盤等速仿生破茬機構(gòu)、組合刀片式防堵機構(gòu)、非對稱圓盤開溝裝置、滑板壓桿旋切裝置、星齒凹面盤秸稈裝置、單驅(qū)雙動式清秸防堵裝置、主動旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置、側(cè)拋清秸裝置等新型防堵裝置^［14-17］，從動力傳遞方向大致可分為垂直刀輥（刀齒）式和縱向彈齒（刀齒）式，其中典型的有仿形滑刀式、立軸旋轉(zhuǎn)式和縱向刀齒式結(jié)構(gòu)。直播裝備防堵技術(shù)是解決播種質(zhì)量以及作物產(chǎn)量的重要措施，根據(jù)我國的土壤、氣候、農(nóng)藝等措施，科研人員開發(fā)的主動清秸防堵裝置一定程度上解決了易纏草、排種器易堵等問題，但仍存在功耗大、根茬易回彈、土壤易粘附等問題，在合理布局、結(jié)構(gòu)仿生、表面改性、防塵除塵方面仍需進一步研究。

2.3 智能檢測及調(diào)控技術(shù)

隨著自動控制、傳感與檢測、大數(shù)據(jù)等技術(shù)發(fā)展，智能農(nóng)機將是先進生產(chǎn)力之一。油菜播種機智能化主要包括漏播檢測、實時補種和變量播種等。漏播檢測是通過傳感技術(shù)實時監(jiān)測和反饋排種狀態(tài)和性能，補種技術(shù)則是與漏播檢測融合，當出現(xiàn)漏播時及時補種，避免減產(chǎn)，變量播種則是基于景觀農(nóng)業(yè)、處方圖、產(chǎn)量分布等要求進行變量播種^［18］。

由于播種過程不透明，當出現(xiàn)排種器卡種、導(dǎo)種管阻塞等問題時，如不能及時解決，則會出現(xiàn)斷條、稀疏缺苗等情況。為實現(xiàn)油菜等小粒徑種子高通量排種情況下漏播、播量等參數(shù)檢測，國內(nèi)外科研院所和企業(yè)做了大量研究，提出了排種脈沖、排種頻率同步、雙凸透鏡折射等檢測方法^［19］，開發(fā)了圖像傳感、電容傳感、種子流傳感、壓電薄膜和薄面激光-硅光電池傳感、多種傳感結(jié)合等檢測裝置^［20］，其中：孫國峻等^［21］為了解決小籽粒播種檢測難、地輪打滑造成重播或漏播等問題，設(shè)計了基于PVDF壓電薄膜油菜播種檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了播量和排種軸反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)；丁幼春等^［22］為實現(xiàn)油菜播種作業(yè)數(shù)據(jù)儲存和分享，設(shè)計了由傳感檢測裝置、播種監(jiān)測終端、云存儲平臺組成的油菜播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。受田間塵土污染、振動、油菜籽粒輕、排種頻率快等因素影響，檢測的實時性、精度及補種響應(yīng)速度仍需進一步研究。

變量播種能夠節(jié)省種子資源，充分利用水肥光氣熱等資源，實現(xiàn)按需和高產(chǎn)播種。根據(jù)處方圖、作業(yè)速度、密度等參數(shù)決策播量，并反饋給控制系統(tǒng)，通過液壓、電動裝置控制排種器轉(zhuǎn)速，進行變量播種。德國Amazone公司研制的氣送式變量播種機可在控制終端上實時調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速公司；美國John Deere公司研制的SeedStarTM系列精準作業(yè)系統(tǒng)不僅能全方位采集播種信息，而且可人為或根據(jù)田間作業(yè)狀態(tài)自動設(shè)置播種參數(shù)，實現(xiàn)變量播種；蔡正陽^［23］針對油麥田畫景觀農(nóng)業(yè)需求，設(shè)計了一種基于處方圖的自動播種控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)圖案實時切換播種類型；科研人員也開發(fā)了凸輪搖桿式、脈動無級、電控等多種播量調(diào)節(jié)裝置^［24］，對變量播種技術(shù)和調(diào)控裝置繼續(xù)創(chuàng)新，并在現(xiàn)有油菜播種機上集成應(yīng)用將是研究重點。

2.4 物料運動數(shù)值模擬技術(shù)

隨著計算機技術(shù)發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用到物料運動機理和農(nóng)業(yè)機械研發(fā)等領(lǐng)域。油菜種子為小籽散粒物料，很難通過受力和試驗分析其運移規(guī)律、損傷等情況。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究播種機排種性能可大幅度提高工作效率、縮短研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本，尤其在可視化展示排種器運動過程、解析種子運動規(guī)律和排種機理、優(yōu)化參數(shù)等方面具有重要意義，其中以離散元法為代表，可以對散體顆粒進行不連續(xù)運動數(shù)值模擬，已成為農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計的熱點和前沿技術(shù)之一，其基本操作流程首先定義顆粒本征、接觸以及初始化參數(shù)，其次以時間步長為單位對模型進行迭代運行，然后計算顆粒所受合力、合力矩、位移量、轉(zhuǎn)動量，更新顆粒朝向和位置，最后重復(fù)上步驟計算直至達到預(yù)設(shè)迭代量^［25］。目前該技術(shù)在油菜播種機的研究主要有以下三方面。

2.4.1 油菜籽粒參數(shù)標定

離散元法（discrete element method， DEM）仿真試驗是一種研究顆粒之間作用機理和動態(tài)特性等的行之有效方法。油菜籽粒為散體顆粒，在進行模擬時需先進行建模和標定^［26］。由于受大小、形狀、接觸材料等影響，很難通過直接測量得到物料的宏觀特性，因此需要對DEM模型參數(shù)進行標定，以便精準反映微觀參數(shù)和宏觀響應(yīng)之間的關(guān)系，是建模最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。DEM模型建模時一般所需參數(shù)包括表面參數(shù)、本征參數(shù)、接觸參數(shù)，近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用EDEM軟件對種子、土壤、生物質(zhì)、顆粒肥料、果蔬、根莖等農(nóng)業(yè)物料進行了大量參數(shù)標定研究，為相關(guān)裝備開發(fā)提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。目前通過物理和仿真試驗法對油菜種子進行了參數(shù)標定，得到了油菜種子本征和接觸參數(shù)范圍如表1所示^［26-28］，主要包括泊松比、剪切模量、靜動摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)等本征和表面接觸參數(shù)。

2.4.2 運移規(guī)律揭示

揭示油菜種子在排種機構(gòu)內(nèi)物料運動規(guī)律對提高播種性能和縮短設(shè)計周期具有重要意義。學(xué)者們利用高速攝影技術(shù)或EDEM軟件對農(nóng)業(yè)顆粒物料的運動規(guī)律開展了大量試驗和數(shù)值模擬，其中高速攝影技術(shù)能夠直觀、真實地展現(xiàn)物料運動，但無法獲取受力、運動等參數(shù)，較難得到整個排種機構(gòu)內(nèi)種子運移規(guī)律，主要用于直觀觀察和輔助分析。在真實排種過程中，尤其氣力式播種機，種子運動受到氣流、顆粒間、接觸物等復(fù)雜的動量交換，通過EDEM軟件可直觀得到種子的運動軌跡和云圖等^［29-30］，主要有充種過程云圖、排種過程云圖、速度云圖、壓力云圖等。

2.4.3 性能參數(shù)優(yōu)化

通過ANSYS、EDEM等軟件對油菜排種器排種過程進行仿真研究，可分析影響排種性能的主要因素，并結(jié)合臺架和田間試驗研究而快速、便捷實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，如廖慶喜團隊利用仿真技術(shù)對設(shè)計的機械滾筒式、氣力滾筒式、垂直圓盤式、氣力滾針式、離心式、內(nèi)充種式等油菜精量播種機進行參數(shù)優(yōu)化，得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)，其主要結(jié)果見表2。

Gao等^［35］利用CFD-DEM耦合仿真對文丘里進料管中定量種子進料進行了研究，得到了更均勻種子流情況下的風(fēng)壓、噴嘴收斂角、喂料角參數(shù)值分別為10 kPa、70°、45°。劉濤等^［36］利用EDEM軟件模擬和試驗驗證的方法得到，30°倒角窩眼輪式油菜排種器充種合格指數(shù)明顯優(yōu)于不倒角和倒圓角，而且工作轉(zhuǎn)速是影響排種性能的主要因素，仿真和試驗結(jié)果有一定偏差，但變化趨勢一致。賈玉林^［30］對窩眼輪式排種的排種輪轉(zhuǎn)速、型孔深度、型孔直徑等進行了正交仿真試驗，得到了因素與單粒率和漏種率之間的響應(yīng)模型，以及最優(yōu)排種輪轉(zhuǎn)速、型孔深度、型孔直徑分別為100 rpm、2.0mm、2.4mm，臺架試驗與仿真結(jié)果相符。由于模型顆粒形狀、數(shù)量、微觀參數(shù)、仿真時間等限制，利用離散元法輔助農(nóng)機設(shè)計能夠替代繁瑣的試驗過程，但結(jié)果一般具有參考性而非指導(dǎo)性。

3 油菜精量直播裝備研制進展

機械化播種是實現(xiàn)油菜全程機械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是節(jié)本和增效的重要舉措。播種機與土壤互作機理、播種質(zhì)量等將直接影響到油菜生產(chǎn)系統(tǒng)的水分運移和產(chǎn)量效應(yīng)，同時也影響后續(xù)施肥、打藥、收獲等環(huán)節(jié)。油菜機械化播種需滿足籽粒損傷低、漏播率低、均勻性高、播深淺等性能要求，2021年我國油菜播種機械化水平僅為38.81%，因此，探索高效高適應(yīng)性的油菜播種機具是支撐我國油菜產(chǎn)業(yè)集約化、規(guī)模化、輕簡化發(fā)展的迫切需要。

3.1 國內(nèi)油菜精量播種裝備

我國油菜精量播種裝備研究相較于國外較晚，但利用后發(fā)優(yōu)勢在新技術(shù)、新工藝、新材料應(yīng)用及整體結(jié)構(gòu)合理性等方面已緊追國外。目前，國內(nèi)研究油菜播種機的高校、科研院所、企業(yè)等單位較多，如華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、西南大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)機化研究院、上海市農(nóng)業(yè)機械研究所、黑龍江農(nóng)墾集團、烏蘭浩特市順源農(nóng)牧機械制造有限公司等，開發(fā)的部分裝備已大面積推廣應(yīng)用，也有正處于試驗改進及推廣應(yīng)用階段。由于播種作業(yè)時拖拉機碾壓形成輪轍，會使土壤局部緊實度不一致，導(dǎo)致油菜播種效果差，為此開發(fā)了一款前置式油菜播種機，采用平行四連桿仿形結(jié)構(gòu)保證播深穩(wěn)定性，并且對窩眼輪式排種器進行參數(shù)優(yōu)化，經(jīng)田間試驗，播種合格指數(shù)達到85%以上，且前置播種機的播深和出苗情況優(yōu)于后置^［30］。

為了提高土地復(fù)種指數(shù)和利用率，農(nóng)藝專家提出了眾多套種、間作種植模式，如油菜-棉花套種、油菜-果樹間作等具有作業(yè)空間狹小、植株分枝交錯等特點，為實現(xiàn)棉田套種油菜的需求，開發(fā)了一款與微耕機配套的振動式油菜播種機，利用振動破壞散粒體架空原理完成充種和排種，通過對參數(shù)優(yōu)化得到棘輪轉(zhuǎn)速40 r·min^-1、排種孔直徑2.6mm、油菜籽高度50mm，田間試驗該播種機播種均勻性變異系數(shù)為17.3%，同時由于該機質(zhì)量輕、體積小，可用于坡度大或地塊小的丘陵山區(qū)^［37］。

為提高土壤保水、保肥能力，減少作業(yè)工序，科研人員開發(fā)了一系列播種同步旋耕、施肥、覆膜等功能與一體的油菜聯(lián)合直播機。例如，為解決高海拔地區(qū)春油菜在干旱和低溫條件下的減產(chǎn)問題，開發(fā)了一款油菜鋪膜打孔播種機，一次性完成施肥、旋耕、開溝、鋪膜、打孔播種、膜側(cè)覆土等作業(yè)，田間試驗得到該裝備覆土厚度合格率98.3%、覆土寬度合格率91.7%、播種量3.69kg·hm^-2，能夠滿足油菜鋪膜種植農(nóng)藝要求^［38］。

針對長江中下游地區(qū)稻油輪作模式和秸稈全量還田方式，開發(fā)了一款油菜復(fù)式播種機，采用旋耕、開溝、施肥、播種、覆土鎮(zhèn)壓工序，能夠精確調(diào)節(jié)基肥施用量和種子播量，田間試驗得總排量一致性變異系數(shù)1.51%^［39］；針對丘陵山區(qū)缺乏集成播種和施肥功能裝備，開發(fā)了一款油菜種-肥同播同施集排裝置，搭載在微耕機上，通過分析種肥排量關(guān)系，確定了排孔數(shù)量、滾筒轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，田間試驗得到油菜出苗效果整體良好^［33］。

為提高機具的使用率，科研人員開發(fā)了油麥兼用播種機，主要針對油菜和小麥的物料特性，對機械式或氣力式排種器進行創(chuàng)新和優(yōu)化，行間排量一致性變異系數(shù)均小于10%，滿足油麥兼用播種要求^［34］。國內(nèi)典型的油菜直播機結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點如表3所示。

3.2 國外油菜精量直播裝備

國外對播種機研究較早，在技術(shù)、性能等方面均趨于成熟和完善，大多采用機電液集成技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、集成程度高、通用性強、作業(yè)效率高、可靠性高等特點，且配有智能檢測和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測漏播和播量等。國外的播種裝備已在全世界大面積應(yīng)用，占有一定市場份額的生產(chǎn)企業(yè)有美國CASE IH、法國Kuhn、德國Lemken、德國Amazone、奧地利Poettinger、意大利Maschio、加拿大Flexi-Coil、荷蘭Visser等，其開發(fā)的播種機集成了粒距控制、播深控制、播種檢測、變量播種、定向?qū)ХN、高速排種等先進技術(shù)，主要朝大型化、多功能化發(fā)展。另外，由于我國特殊地塊大小、耕作和種植模式、經(jīng)濟條件等實際情況，并不能盲目借鑒國外先進的技術(shù)。

3.3 國內(nèi)外油菜播種裝備及技術(shù)特點對比

國外典型的油菜播種機結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點見表4。

對比分析國內(nèi)外油菜播種裝備及技術(shù)特點，主要存在以下差異：

（1）產(chǎn)品大小和功能多樣化的差異。由于歐美等發(fā)達國家種植模式規(guī)范、規(guī)模大，基本實現(xiàn)了油菜全程機械化生產(chǎn)，研發(fā)使用的多以大型且集整地、施肥、播種等多功能油菜播種裝備為主，高度集成了機電液一體化技術(shù)，可靠性、穩(wěn)定性、作業(yè)效率高，價格昂貴。國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化和規(guī)模化程度不高，油菜多以小規(guī)模和分散種植，開發(fā)的油菜播種裝備重點從輕便、價格低、省力等角度出發(fā)，大面積應(yīng)用的主要以中小型、輕簡低端產(chǎn)品為主，集成精量、復(fù)合等技術(shù)的播種裝備多處于研發(fā)階段，工作性能還不穩(wěn)定。

（2）關(guān)鍵部件技術(shù)水平及制造工藝的差異。國外油菜排種器有機械式、氣壓式、單體式、集排式等多種結(jié)構(gòu)，而且技術(shù)成熟，主要零部件加工結(jié)合了熱處理、包膠、精密測量、自動化裝配等復(fù)雜的工藝流程，很好解決了零件的耐磨性、減粘脫土性、沖擊韌性。我國對油菜播種關(guān)鍵技術(shù)研究較多，例如仿形、覆土鎮(zhèn)壓、變量播種、同步播施、氣流分配等，多停留在結(jié)構(gòu)微改、參數(shù)優(yōu)化等方面，成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用較少、核心技術(shù)突破困難，且技術(shù)研究與加工試制分離，導(dǎo)致加工粗糙，機具可靠性和使用壽命低。

（3）一機多用和適應(yīng)性的差異。國外播種機一般可通過部分裝置置換或參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)多種作物或不同行距間距播種，解決了裝備利用率不高或閑置問題。而我國由于土壤環(huán)境和種植模式差異大，研發(fā)的油菜播種機區(qū)域針對性強，結(jié)構(gòu)多采用焊接等形式，調(diào)整困難，導(dǎo)致通用性和適應(yīng)性差。

（4）智能化程度的差異。國外智能控制技術(shù)較為先進，播種機與拖拉機緊密結(jié)合，在駕駛室內(nèi)能夠精確控制播量、播深、株距、行距、作業(yè)路徑等，操作便捷。我國應(yīng)用的油菜播種機大多為純機械形式，控制難度大，在氣力式播種機方面有一些智能化研究成果，但由于控制方案不成熟、控制精度不高、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等原因，導(dǎo)致產(chǎn)品化較少。

4 油菜直播現(xiàn)存問題及發(fā)展建議

4.1 現(xiàn)存問題

近年來，國內(nèi)高等院校、科研院所及企業(yè)不斷努力，在油菜精量播種理論、技術(shù)及裝備方面取得了顯著成果，但機播率依舊較低，剖析我國油菜產(chǎn)區(qū)情況及播種機現(xiàn)狀，主要存在以下問題：

（1）油菜主產(chǎn)區(qū)機械化播種比率不平衡。長江流域冬油菜生產(chǎn)區(qū)主要分布在丘陵地帶，種植面積占全國80%左右。由于地塊小坡度大、土壤黏重板結(jié)、種植模式多樣，基本采用人工撒播等形式，呈現(xiàn)無機可用或無好機可用的局面，而且重慶、貴州、云南、浙江等地油菜機械化播種率均不足6%，與北方平原地區(qū)相比，機播率差距較大。

（2）關(guān)鍵零部件創(chuàng)新不強，播種性能不穩(wěn)定。排種器是油菜播種機核心部件，目前國內(nèi)大多油菜播種機排種器驅(qū)動方式采用地輪，具有結(jié)構(gòu)簡單、仿形播種等優(yōu)勢，但易打滑、漏播，液壓、電機等新型驅(qū)動方式應(yīng)用不多。針對氣力式排種器，國內(nèi)研究集中在結(jié)構(gòu)微改和參數(shù)優(yōu)化方面，而國外為了解決精量、穩(wěn)定播種，已將氣流分配器的改造創(chuàng)新作為主要發(fā)展方向。同時由于油菜播種機排種器、種子分散裝置設(shè)計不合理及精度不高等原因，在大田作業(yè)時仍存在漏播、堆積、不均勻等現(xiàn)象，難以實現(xiàn)真正意義的油菜精量播種。

（3）精準檢測及控制技術(shù)落后。我國對油菜播種機的研究更多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能集成方面，國外的大型播種機大多集成了播深、播量、料位精準檢測和排種器驅(qū)動、播量播行、風(fēng)機轉(zhuǎn)速等精準控制技術(shù)，可以實現(xiàn)變量播種、處方作業(yè)、大數(shù)據(jù)監(jiān)測，尤其傳感器在精度、種類等方面與國外差距較大。

（4）可靠性低，推廣應(yīng)用難度大。目前科研人員運用各種新技術(shù)、新材料、新原理研制的油菜精量播種機在理論和試驗探索階段都是可行的，但由于我國農(nóng)機制造企業(yè)利潤空間小、投資成本低、制造裝備落后、加工工藝粗糙，使得國內(nèi)油菜播種機普遍存在適應(yīng)性差、穩(wěn)定性低、使用壽命短等問題。為了追求功能多樣、精準化作業(yè)，結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)繁多復(fù)雜，目前研究多集中在單個零部件，缺乏系統(tǒng)調(diào)試，導(dǎo)致故障率高，維修難度大。由于開發(fā)的新型油菜播種機納入農(nóng)機補貼周期長、補貼額度低，以及小規(guī)模種植農(nóng)戶購買率低。以上綜合導(dǎo)致成果轉(zhuǎn)化率低，裝備推廣應(yīng)用難度大。

4.2 發(fā)展建議

農(nóng)業(yè)機械化是推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要手段，在農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和農(nóng)機補短板發(fā)展契機下，提出如下建議，以期為實現(xiàn)油菜全面機械化播種提供參考。

（1）發(fā)展多種油菜機械化播種解決方案。從經(jīng)濟性和可操作性方面探索適應(yīng)我國不同地形、土壤、種植制度下油菜機播方式，綜合解決油菜機播率低，區(qū)域不平衡問題。針對個體小規(guī)模或丘陵山區(qū)小地塊油菜播種，加大手持式或手推式播種裝備研發(fā)，重點從輕量化、小型化優(yōu)化升級；對于機具進地難、免耕播種、搶農(nóng)時等情況，探索油菜飛播技術(shù)，優(yōu)化改進飛播裝置結(jié)構(gòu)及參數(shù)，提升播種一致性；對于適度規(guī)模油菜種植區(qū)，規(guī)范種植模式，研發(fā)耕整、施肥、播種復(fù)合作業(yè)裝備，開展油菜定量和精量播種技術(shù)。

（2）加強油菜播種機核心技術(shù)攻關(guān)。國家及省市持續(xù)設(shè)立農(nóng)機專項，鼓勵國內(nèi)外科研團隊持續(xù)開展油菜機械化播種方面研究，重點從降附防堵、高速精量、多功能集成、智能控制等方向開展核心技術(shù)攻關(guān)。在提升排種器精量排種方面，創(chuàng)新排種器結(jié)構(gòu)和材料，研究電機、液壓馬達等多種高速、精確控制的排種驅(qū)動方式和氣吸式集排器種子輸送及分散機制，以及優(yōu)化改進氣流分配器、種子分散裝置等。

（3）提升油菜播種機的智能化水平。采用先進的傳感器、電氣控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，從播量檢測、漏播檢測、系統(tǒng)決策、變量播種、自動補種等研究方向補齊短板弱項，提高油菜播種作業(yè)精度和出苗整齊性，并將播種、定位的信息等與云服務(wù)器融合，開發(fā)油菜播種信息云平臺，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。

（4）提高裝備可靠性和示范片建設(shè)。借鑒先進的設(shè)計及制造方法，建立播種機關(guān)鍵零部件及整機嚴格的加工和裝配標準；加強可靠性試驗，開發(fā)仿真實工況下油菜播種性能檢測裝置；降低生產(chǎn)成本和提高農(nóng)機購機補貼，提升農(nóng)戶購買力；建立油菜適度規(guī)模全程機械化示范片，通過節(jié)本增效創(chuàng)收引導(dǎo)農(nóng)戶向規(guī)模化轉(zhuǎn)變，并在應(yīng)用中不斷優(yōu)化改進播種性能和可靠性。

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（責(zé)任編輯：編輯張忠）

基金項目：重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院市級財政科研項目實用技術(shù)研究（cqaas2023sjczsy010），重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項面上項目（CSTB2024TIAD-GPX0037），國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1901404）

作者簡介：張濤（1989—），男，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論研究，e-mail：fendou8423030@163.com。

*通信作者：任桂英（1971—），女，正高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與應(yīng)用推廣研究，e-mail： 446824367@qq.com。