水稻智能化育秧與雜交稻精準播種機插技術進展

王亞梁 朱德峰 張玉屏 陳惠哲

（中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州310006；第一作者：wangyaliang@caas.cn；*通訊作者：cnrice@qq.com）

水稻是我國主要的糧食作物，水稻產量安全對保障國家糧食安全具有十分重要的意義。隨著經濟社會的發展和農村勞動力的轉移，從事水稻生產的勞動力數量大幅下降，水稻生產從小規模散戶生產向大面積規模化生產轉變，水稻生產社會服務化水平不斷提升[1]。水稻生產機械化是規模化生產的基礎，其中水稻機插種植是保障水稻穩產增產的重要技術措施。我國水稻機插種植技術引自日本，2000 年以來開始大面積推廣，其中北方稻區基本實現機插，而南方稻區由于育供秧規模化程度低，加上地理環境等因素，機插比例不高[2]。由于農村勞動力的減少，對水稻機插生產過程提出了機器換人的要求，結合目前數字化人工智能的發展，稻作發展逐步走向智能化[3-4]。水稻機插關鍵環節是育秧，隨著農業新型經營主體水稻生產合作社的興起，水稻生產規模化程度逐步提高，育供秧技術模式的變化加快了水稻機插種植的步伐[5]。實現高質量的水稻機插種植，關鍵在于實現農機農藝配套。在我國，目前機插技術的瓶頸在雜交稻的機插，雜交稻播種量高、生產成本高、秧苗素質較差、機插苗數不均、返青慢，抑制了雜交稻的產量優勢[6]。播種量低，則成毯較難，漏秧率高。中國水稻研究所首創雜交稻精準播種機插技術，實現了低播量下高質量均勻機插[7]。育秧工廠的推廣應用，精準播種技術的突破，無人插秧機的出現，初步實現了水稻育插秧智能化作業。同時，水稻生長診斷技術不斷提升，實時評估產量及稻米品質[8-9]，逐步實現精準施肥和灌排水自動化監測[10-11]，水稻機插種植逐步實現智能化。文章綜述了水稻智能化育插秧生產關鍵技術的進展，以為水稻機插種植數字化、智能化發展提供參考。

1 水稻育秧工廠的回顧

水稻機插育秧模式經歷泥漿小棚育秧、旱地大棚育秧、溫室育秧、疊盤出苗育秧。育秧播種也經歷人工播種、自動播種、播種流水線播種。育秧土經歷大田泥漿、旱地土及專用基質。早期應用的泥漿育秧、人工播種逐步退出產業應用。水稻機插基質育秧和播種流水線播種逐步成為主流在生產上應用。目前水稻育秧方式還是以撒播為主，按照育秧空間可以分為拱棚育秧、大棚育秧、多層育秧、旋轉育秧，但是其空間利用率并不是很高。在南方為了降低育秧風險及提高育秧的靈活性，創新了工廠化疊盤出苗的育秧方式，實現了工廠化出苗、農戶育秧的靈活育秧方式。北方由于氣候環境的限制以及作業方式的不同，育秧還是以大棚軟盤育秧為主，主要以自動軌道播種機播種大面積應用。由于北方利用軟盤育秧，便于運輸，秧苗買賣方便，萌發了育秧工廠，之后進一步發展到南方。然而由于空間較大，育秧成本高，播種、秧盤搬運等環節都需要人工進行，在疊盤出苗方式出現以前，規模化育秧的效率比較低。

疊盤出苗技術的出現解決了水稻機插秧苗質量差、育秧風險大、育秧能力低的問題，研發了水稻機插疊盤出苗的育秧模式[12]，進而進入工廠化育秧模式。該模式的特點是將水稻機插育秧過程分為二段，第一段從播種到出苗，第二段從出苗到成秧。播種到出苗是育秧中技術和裝備要求高、控制難度和風險較大的環節。這個環節可以在工廠中完成，智能檢測和控制的重點是秧盤、基質和水分自動供給，出苗室溫濕度的自動檢查和控制。秧盤運送到出苗室后，出苗室的溫濕度可以自動檢測、控制，并實現遠程監控。已在主要稻區建立多個自動化、智能化水稻疊盤出苗育秧中心，大幅提升了育秧能力、秧苗質量，降低了育秧成本和風險，提高了水稻產業智能化水平，支撐產業發展。與疊盤出苗育秧模式配套，研發了第二段出苗到成秧的多種育秧模式，形成水稻“1+N”的兩段式育供秧模式（圖1）。經過多年的發展，疊盤育秧工廠由原先只有出苗室，服務面積只有333.3 ～666.7 hm2發展到目前的服務面積達到3 333.3 hm2以上，配套了智能化的作業方式，形成了新型的智能化育秧工廠。

圖1 疊盤出苗“1+N”兩段式育供秧模式

2 水稻智能化育秧工廠的設計

水稻機插質量的關鍵是秧苗的質量，育秧效率及秧苗質量決定了機插秧的發展。機插育秧技術要求高、用工多、風險大。自從水稻機插技術研發以來，各國一直致力于育秧模式、裝備和技術的機械化、自動化和智能化研究與應用。

水稻智能化育秧工廠的核心是疊盤出苗室，由此出發，智能化育秧工廠從第一代出苗暗室工廠發展到現在自動化、智能化水稻疊盤出苗育秧中心，從浸種、自動供盤、播種、澆水、基質供給、疊盤及機械手秧盤碼垛，并進一步實現秧盤運送的機械化、自動化和智能化。按照育秧流程，智能化的育秧工廠由浸種池、離心機、播種流水線、基質提升機、供盤機、疊盤機、垛碼機器人、出苗室、鍋爐房、溫濕度控制器、叉車等部分組成。目前，各環節都已經有了較大的改變，浸種池由原先的水泥池發展到現在的可折疊噸袋浸種，節省了空間；離心機減少了大批量種子浸種催芽的時間；基質、供盤機、疊盤機以及垛碼機器人實現了播種完全的無人化；出苗室的溫濕度控制是利用鍋爐房和溫濕度控制器進行的，鍋爐房的作用是進行增溫增濕，溫濕度控制器已經遠程監測，保證出苗室的溫度維持在出苗溫度31℃～32℃。在育秧工廠，目前還需要人的地方在于出苗室的育秧出苗后的叉車搬運，以及基質的叉車搬運，還沒有實現完全的無人化作用。

在水稻專用基質生產中，采用智能化基質生產技術，從配料、混合、包裝、碼垛實現了機械化、自動化和智能化作業，提高了基質生產過程的作業效率、精準配料、遠程監控，為包裝育秧基質的質量控制提供了保障。在水稻機插育秧中一直制約秧苗質量的是傳統的播種育秧模式，水稻機插育秧過程中常出現出苗差、不整齊、發病嚴重、爛種爛秧、秧苗不壯等問題。

水稻秧盤基質育秧需要采用旱育秧方式，確保培育健壯的秧苗，提高機插質量。傳統采用人工澆水、噴灌，很難控制秧盤基質含水量及水分的均勻性。采用大盤低壓雙側或中間多角度微噴帶，確保每個秧盤基質水分均勻。微噴帶的噴灌噴水時間、噴水量由基質濕度監測自動控制，確保秧盤水分處于適宜秧苗及其根系生長的環境。大棚溫度根據秧苗生長期間的要求及大氣環境溫度，自動溫度檢控。育秧期間大棚溫度及秧盤水分的自動監控系統實現了水稻育秧管理智能化。

3 雜交稻精準播種機插

雜交稻產量高，面積占我國水稻種植面積的50%以上，對保障國家糧食安全發揮著重要作用。然而，隨著我國社會經濟的發展和農村勞動力的轉移，水稻種植方式從手工插秧向機械化種植發展，要求雜交稻機械化種植。現有的水稻機插秧技術采用秧盤撒播，播種量大、秧苗質量差、機插漏秧率高、機插苗數不均勻、插后返青較慢，在雜交稻上應用用種量大，產量效益不高，很難發揮雜交稻的增產潛力。如果降低雜交稻播種量，則會造成成毯性差無法機插，且漏秧率高，人工補苗成本高。雜交稻種植要求稀播少本，現有日本研發的機插技術無法解決雜交稻機插的核心問題。雜交稻種子價格高，機插高播種量，用種量大，種子成本高，且秧苗質量差，制約了雜交稻的生長優勢。長期以來，沒有解決雜交稻機插問題成為雜交稻進一步推廣的技術瓶頸。中國水稻研究所首創雜交稻精準播種機插技術，可以實現雜交稻稀播少本種植。雜交稻精準播種改傳統機插秧盤撒播為精準穴播或條播，利用氣吸式的播種方式（圖2），改傳統機插播種按秧盤的種子克數播種為按機插叢的種子粒數播種，改傳統機插播種種子隨機撒播為種子定位定量精準播種（圖3）。雜交稻精準播種流水線包括秧盤自動供盤、基質自動上料、秧盤底土鋪放、秧盤定位壓穴或條、秧盤定位定量氣吸播種、定量覆土澆水。雜交稻精準播種后，采用疊盤出苗技術，確保出苗整齊，成秧率達到80%以上，秧苗健壯。

雜交稻精準播種與定量取秧機插配套，根據雜交稻種植品種類型和種植季節，確定每叢機插苗數和播種粒數，以及秧齡和每盤取秧次數。實現雜交稻播種機插精準化、數字化、智能化。

與傳統秧盤撒播機插比較，雜交稻精準播種機插技術播種量由70～80 g/盤下降到40～45 g/盤，每667 m2節省用種量35%左右，秧苗質量大幅提高（表1）；機插漏秧率下降60%左右，機插秧苗均勻度提高80%，返青提早3～7 d，產量提高5%～10%。雜交稻播種量有效降低，精準播種與機插配套，機插植傷小、漏秧率低、插苗均勻、插后返青快、增產增效顯著。

圖2 播種流水線及氣吸式播種器

圖3 雜交稻播種方式的轉變

圖4 漏秧率無人機監測

表1 精準播種與傳統播種用種量比較

4 水稻智能化機插

水稻機插存在機插漏秧、出苗不均勻、機插后部分插苗會出現死亡等問題。采用傳統人工方法調查，調查工作量大、效率低、精準度不高，影響苗期管理。隨著無人機及大田苗數智能檢測技術的進步，采用無人機苗數智能檢測技術可以動態檢測機插漏秧率（圖4）、機插苗數及插后成苗數，為苗期肥水管理提供基礎。水稻插秧機在北斗導航系統的支持下，可實現無人駕駛機插，提高了機插作業效率。但是水稻無人駕駛插秧機還是采用現有的秧苗，需要頻繁裝秧換秧，制約了無人插秧機的機插作業效率，需要改進育秧方法和秧苗類型，進一步發揮智能無人插秧機的效率和作用。

長期以來，水稻生產施肥采用人工撒施，肥料分布均勻度不高、利用率低、勞動強度大。近年來，發展推廣了水稻機插側深施肥技術，在機插的同時將肥料根據需求一次性定量、定位、均勻、深施在機插水稻側下方的泥土中。試驗研究表明，水稻機插同步側深施肥技術具有顯著提高肥料利用率、促進水稻前期營養生長、降低作業成本、提高水稻產量的特點。隨著土壤肥力及其與水稻生長和產量關系的研究進展，傳統的機插側深施肥技術與水稻高效綠色發展的要求存在距離，近年在水稻機插側深施肥技術基礎上，發展水稻機插差異化施肥技術，在水稻插秧機上安裝土壤肥力監測系統，在機插側深施肥的同時，根據插秧機感知土壤肥力的差異控制施肥量的多少。土壤肥力高的區域少施肥料，肥力低的區域多施肥料，肥料調整幅度達到30%左右。水稻機插差異化施肥降低了肥料用量，提高了肥料利用率，可以防止施肥過度引起的倒伏，實現高產高效。

5 展望

育秧工廠的智能化主要解決數據收集、處理和應用三大問題，實現智能化、標準化作業，目前在環節上已經能夠實現育插秧過程完全機器換人。為了進一步提升社會化服務的水平，今后智能化育秧工廠的發展要實現育秧、烘干、稻米加工的一體化作業，并對生產進行決策，實現水稻生產的統一協調。水稻機插栽培技術目前已經發展較為成熟，根據產量及品質的要求，育秧工廠要根據產量及品質目標，計算不同品種機插播種量、育秧時間、機插模式，以期更好的服務生產，實現育插秧的一體化作業。在數據處理問題的同時，提高目前裝備的智能化水平，實現互聯網、物聯網的終端控制，形成區塊鏈的作業模式，提升產品附加值，實現全產業鏈智慧化轉型。