大蒜機械化播種技術研究現狀與問題分析

吳小偉武文娟鐘志堂*李 驊崔 軍唐莉莉張 飛陸海莉劉 萍

（1 江蘇省農業機械技術推廣站，江蘇南京 210017；2 南京交通職業技術學院汽車工程學院，江蘇南京 211188；3 南京農業大學工學院，江蘇南京 210031；4 江蘇省農業農村廳，江蘇南京 210036）

從大蒜機械化播種技術研究、大蒜播種機具產權現狀和大蒜播種機具推廣應用3 個方面著手，分析大蒜機械化播種技術與裝備發展現狀；從大蒜播種機發展、大蒜機播農藝、大蒜產業發展3 個方面討論了大蒜生產機械化存在的問題，并提出大蒜機械化播種發展建議。

我國大蒜主產區包括山東、河南、江蘇等省，種植面積約80 萬hm2，全國具備一定規模的大蒜產區70 個左右，以江蘇徐州為中心半徑500 km 的區域是我國大蒜種植最為集中的區域，占全國大蒜種植總面積的80%以上。“2019 中國大蒜產業博覽會”開幕式上，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所公布了全國大蒜主產區（連片種植面積超過666.67 hm2）種植遙感監測面積39.91 萬hm2，其中山東省主產縣有32 個，面積15.64 萬hm2；河南省主產縣有21 個，面積9.63 萬hm2；江蘇省主產縣有10 個，面積7.63 萬hm2。長期以來，大蒜機械化水平低已成為制約我國大蒜產業發展的重要問題，而播種是大蒜生產的關鍵環節，目前主要靠人工完成，勞動強度大、生產效率低、作業成本高。機械化作業具有生產效率高、成本低、用工少等優點，從近幾年“根塊類作物生產關鍵環節機械化技術集成應用、大蒜生產關鍵環節機械化技術應用”項目實施效果看，示范區應用大蒜機械化播種技術可省工節本6 000 元·hm-2左右，經濟效益顯著。通過項目推進，示范區大蒜平均機械化播種水平達到65%左右，較項目實施前有大幅提升。

大蒜機械化播種是大蒜生產的必然發展趨勢。本文從大蒜機械化播種技術研究、大蒜播種機具產權現狀和大蒜播種機具推廣應用情況3 個方面探討大蒜生產機械化存在的問題，并提出相應發展建議，以期為進一步推進大蒜機械化生產提供參考。

1 大蒜機械化播種技術及裝備研究現狀

1.1 大蒜機械化播種技術研究現狀

大蒜播種質量與播種機具性能有關，我國在引進國外大蒜播種機的同時，陸續研制了漏斗式、螺旋管式、水浮式等多種類型大蒜播種機（劉甲振等，2018），機具類型多，性能不一。市場上以擺播機較多，結構設計有很多不同，質量差別較大，價格差異也很大。

大蒜機械化播種技術研究主要集中在栽培農藝、正芽播種、機播取種等方面。大蒜栽培農藝是推進機械化播種的基礎，播種機具的設計制造，既要考慮大蒜生長對環境條件的需求，還要方便制造、工藝條件簡單，最終達到機具價格實惠、作業質量優良，能夠適應不同種植規模和模式的目的。大蒜種植模式主要有平畦、高畦和起壟種植（吳小偉 等，2018），如圖1 所示。國內學者在大蒜栽培農藝技術方面開展了大量研究，劉澤洲等（2018）研究結果表明，大蒜品種對出苗率、根系活性、生育期、鱗莖膨大率和單頭質量影響最大，寬壟栽培（壟寬0.75 m）的根系活性最強，播種日期對根數影響最大。遼寧省發布的大蒜露地生產技術規程要求蒜種單瓣質量要達到3 g，種植密度為37.5 萬～52.5 萬株·hm-2，10 月初播 種，蒜 種用量1 500～1 875 kg·hm-2（王穎 等，2016）。與習慣施肥相比，全程營養解決方案施肥可實現蒜薹抽薹率提高25%左右，倒伏率降低30%左右，蒜頭產量1 537 kg·（667 m2）-1，較習慣施肥增產15%左右，增收500 元·（667 m2）-1左右（侯文通等，2019）。上述研究結果為大蒜機械化播種提供了必要的農藝基礎，也為大蒜播種、收獲裝備制造提供了參考。從目前推廣農藝看，主推的栽培密度為40 萬株·hm-2，根據大蒜產品用途不同種植密度不同，一般采收蒜頭的種植密度小，采收蒜薹的種植密度大；在株行距方面，以20 cm 等行距播種較多，調整株距以滿足不同播種密度需要；用種量根據栽培密度及蒜瓣個體特征而定，基本在1 875 kg·hm-2左右。

在正芽播種方面，由于大蒜播種時鱗芽朝上產出的蒜頭外形規則、個頭較大，商品性好，因此正芽播種技術研究是大蒜機播技術的核心內容。趙麗清等（2014）開展了機器視覺技術在大蒜播種機上的應用研究，機械臂將提前裝入種盤內的大蒜種子夾起，然后移動到播種區域，再把種子插播入土壤中，鱗芽朝上，深度一致，株行距均勻。金誠謙等（2008）研究表明，鱗芽朝下和隨機時，發芽葉出土緩慢且細弱，出苗期長且不整齊，幼葉生長緩慢，植株較矮，葉面積小，蒜頭質量小、橫徑小，地下部分生長姿態與播種時鱗芽的姿態相同，由此可見正芽播種的重要性。韓秋燕等（2016）和耿愛軍等（2018）設計研究了插穴式和鴨嘴式大蒜正芽播種機，以拖拉機為動力，利用三級錐形料斗進行鱗芽定向播種，正芽率達89%～96%，重播率小于5%，漏播率小于3%，播種效率0.05～0.06 hm2·h-1。席東河等（2015）和張麗芬（2017）研究了基于PLC 控制的蒜瓣方向自動識別系統，結果表明該系統對形狀不規則和蒜尾被遮住的蒜瓣圖像也能進行自動化調整，改進后種植機作業產生的蒜瓣倒立率較低。侯加林等（2018）設計了一種雙鴨嘴式大蒜正芽播種裝置，包括A、B、C 3 種類型（圖2），田間試驗結果表明，選用C 型鴨嘴，作業速度在0.72～1.80 km·h-1之間時，大蒜鱗芽正芽率為89.33%～95.67%，正芽率高且穩定。上述研究結果表明，各種大蒜播種機的正芽率基本能控制在90%左右；正芽裝置的結構形式有螺旋型、鴨嘴式、斗形等多種類型，其中螺旋型、鴨嘴式得到了商業化應用，為大面積推廣應用大蒜正芽播種機械提供了可能性。目前，正芽播種機推廣應用率不足10%，大蒜機械播種仍主要以機械擺播式為主，且總體機械化水平不高。

機播取種和補種是制約大蒜機械化播種的另一大因素，尤其是漏種，將會對基本苗產生影響，從而影響產量。在機播取種和補種技術研究方面，主要通過提高取種率、降低補種率來保障基本苗。國內機播取種方式包括錐盤式、旋轉式、轉筒式、氣力式、勺鏈式等5 種（圖3），補種主要停留在人工階段（謝學虎 等，2015；劉甲振 等，2019），導致大蒜機械化播種空穴率問題很難解決。崔榮江等（2016，2017）設計了鴨嘴式大蒜播種器及勺鏈式取種器，栽種鴨嘴垂直入土投種，在栽種速度0.2m·s-1、圓盤栽種半徑16.5 cm、栽種株距13 cm條件下，直立度可以達到98%以上，當勺體長×寬×高為2.3 cm × 4 cm × 1 cm、傾角5°時，單粒率95%，漏播率1.2%，重播率3.8%。在規模化機播作業中，一般只需駕駛員操作機具，不需補種人員，同時也要求播種機取種精準，能夠達到重播率、漏播率指標控制要求。

1.2 大蒜播種機具知識產權現狀

通過國家知識產權局專利檢索系統，采用發明名稱檢索式為“大蒜+播種+機”，截止到2020年4 月20 日，共檢索出233 件專利，含整機及部件。通過佰騰專利數據網，采用相同檢索式和檢索日期，共檢索出國內大蒜播種機知識產權方面專利251 件，兩者數據庫差別不大且佰騰數據庫檢索數量比國家知識產權局檢索數量多，基本不存在漏檢可能，因此利用佰騰數據庫統計功能開展專利統計分析。檢索結果中，實用新型專利143 件，其中有權專利為76 件；發明專利101 件，有權專利為22件，審查中的有51 件。從數據看，發明專利大部分處于審查狀態；外觀專利7 件，有權專利為5 件。從申請人看，主要集中在山東農業大學、濟南慶華農業機械有限公司、山東省農業機械研究院等單位。從申請日期看，2010 年后申請授權專利為233件，占全部授權專利的92.8%。說明2010—2020年是我國大蒜機械化技術快速發展的黃金十年。在眾多的專利中，比較有代表性的是播種機排種器、播種施肥復式作業機、漏種補種裝置，下面選取這三類有代表性的專利進行介紹。

一種是用于大蒜播種機的落料調整裝置（崇峻 等，2019）。采用初級調整裝置、中級調整裝置和三級調整固定裝置實現大蒜正芽控制，弧形殼體利用蒜種的形狀及重心位置偏向根部的特點，使其在自由掉落的過程中實現方向的調整及固定，保證100%的蒜種根部向下，豎直擋板可以防止蒜種飛濺出初級調整裝置，避免漏種（圖4）。但多級正芽控制裝置會導致機具結構變大，復雜性提高。

一種是自施肥式大蒜播種機（賈昌群 等，2018）。包括機架、蒜種箱、驅動地輪和播種單元，通過驅動地輪帶動播種單元和施肥裝置工作，在播種單元下方設置有播種開溝器，在施肥裝置下方設置有施肥開溝器，一次作業可以完成播種、施肥兩種功能（圖5）。但此種機具驅動地輪與地面接觸面積小，易產生打滑現象，導致播種、施肥不均。現有推廣機具在此基礎上優化了傳動地輪，減少打滑兼具鎮壓功能。

一種是大蒜勺式播種裝置（李天華 等，2018）。包括播種機構和補種機構，可以檢測是否漏播并及時補種，以降低大蒜漏播率，取種鏈帶動取種勺從下箱體內取出蒜種，并送到引導通道Ⅱ內往地面播種。該播種裝置還可檢測漏種，檢測傳感器對取種勺內的蒜種進行檢測，將檢測信號發送至控制裝置，若有蒜種，控制裝置控制驅動裝置Ⅰ不動作；若無蒜種，則驅動裝置Ⅰ通過補種鏈上的取種勺從上箱體內取出待播蒜種，并送入引導通道Ⅰ內沿引導通道Ⅱ經引導通道Ⅲ落入地面完成補種。開溝片進行開溝播種，播后在覆土片的作用下完成覆土（圖6）。此種結構為智能化播種裝置，提供了一種自動播種、補種的工作方法，但當前主要停留在設計階段，還未推廣應用，工作時機具震動等因素對播種效果影響較大；同時，該機具需設計多級料倉，不利于機具精簡化、輕量化。

從產權記載的內容看，主要有簡易手推式播種機、輕便汽油機作為動力的播種機、拖拉機懸掛播種機及正芽播種機；從控制方式看有機械式和電氣控制2 種，很大一部分產權涉及播種正芽機構。隨著大蒜機械化播種技術的不斷積累，未來幾年大蒜機械化播種技術將會得到快速應用，逐步解決人工播種勞動強度大、費用投入多的問題，實現真正意義上的“機器換人”。

1.3 大蒜播種機械推廣應用現狀

在推廣應用的大蒜播種裝備中，按配套動力可分為手扶配套大蒜播種機和大中拖配套大蒜播種機；按功能結構可分為播種機和播種施肥復式作業機；主流的劃分是按正芽情況，分為大蒜擺播機和大蒜正芽播種機。大蒜擺播機，播種時蒜芽朝向隨機，主要采用勺鏈式取種結構，機具價格適中，播種質量較低。大蒜正芽播種復式作業機，播種時可一次性完成正芽播種、施肥、覆膜等工序，鱗芽朝上，正芽率大幅提高，播種質量較高，機具價格也較高。目前生產上大蒜擺播機應用較正芽播種機多，但總體機械化水平不高。下面從國內大蒜播種機生產廠家中選取典型的手扶式非正芽播種機、懸掛式非正芽播種機、懸掛式正芽播種機及自走式正芽播種機等幾種典型播種機進行介紹。

圖7 為手扶配套非正芽大蒜播種機，該機結構緊湊，機具價格實惠，每個行程可播5 行，僅具有播種單一功能，主要用于農戶家庭種植大蒜。圖8為大中拖配套大蒜播種機，該機可實現每個行程播種7 行，在播種的同時對土壤進行碎土處理，可大幅提高播種質量，相比手扶配套大蒜播種機，該機播種效率大幅提高，可用于面積較大的地塊，也可為大蒜種植大戶、合作社開展服務。

圖9 為懸掛式非正芽大蒜播種機，該機可實現每個行程播種10 行，播種時機具前方有碎土刀進行碎土，碎土后進行鎮壓，然后播種，播種后再進行覆土鎮壓，提高了蒜種與土壤的貼合度，保證了大蒜出苗率。圖10 為2BUX-8 型懸掛式大蒜正芽播種機，一次行程可完成旋耕碎土、鎮壓、播種復式作業，旋耕機可消除輪胎壓痕，保障土地平整，通過鎮壓使蒜種與土壤充分接觸，便于澆水、覆膜，促進蒜種快速生根發芽，播種效率為0.17 hm2·h-1，正芽率高于90%，株距、種植深度均可調整，但該機具價格較高，小田塊和小農戶一般不適用。

圖11 為履帶自走式大蒜正芽播種機（吳小偉等，2020），該機一次行程可播11 行和連續3 穴，采用勺鏈式取種，利用三級錐形料斗實現蒜種鱗芽定向，通過鴨嘴式插播器實現直立栽種。圖12 為履帶自走式大蒜正芽播種覆膜復式作業機，是在大中拖配套大蒜播種機（圖8）基礎上，增加了覆膜功能，實現播種、覆膜復式作業，但該機機型很大，地頭轉彎非常不便，地頭非工作區較長。

上述大蒜播種機普遍存在工作效率低的問題。此外，就正芽播種機而言，機型大，價格高，小規模種植經濟性不佳；而非正芽播種機結構簡單，機具價格實惠，但播種時正芽率低，影響大蒜播種質量。2017—2019 年，江蘇省農業機械技術推廣站牽頭開展了大蒜機械化生產技術試驗應用項目，從實施效果來看，目前大蒜播種機主要以非正芽普通播種機為主，但大蒜正芽播種對提高大蒜商品性具有重要意義，加上機械裝置制造技術的更新完善，大蒜正芽機播將會是一種趨勢。因此，生產上急需價格實惠、機具結構簡單的大蒜正芽播種機，同時可根據用戶需求調節行數、行距、播種深度，滿足不同大蒜種植規模的高質量播種要求。

2 存在問題與發展建議

2.1 存在問題

2.1.1 大蒜播種裝備落后 近年來我國引進不少國外成熟機型，但價格較高，加之我國大蒜種植模式多樣，這些生產裝備在國內并未得到很好的推廣應用。實現大蒜機械化播種要解決兩方面的問題：一是提高正芽率，二是提高蒜瓣入土后的直立度。

目前市場上推廣應用的大蒜播種機主要有擺播機和正芽播種機兩大類，其中擺播機是主要推廣應用裝備。首先從機具作業效果看，擺播機存在播種質量不高、正芽率低等問題，而正芽播種機的正芽率在80%以上；大蒜正芽播種機比擺播機播種可增產1.7%左右，蒜頭大小均勻，5 cm 以上級蒜頭的占比提高14.5 百分點。其次從機具作業經濟性看，正芽播種機的價格遠高于擺播機，以12 行正芽播種機和8 行擺播機為例，價格相差約8 倍，考慮機具折舊、人員工資、維修等使用成本，正芽播種機和擺播機折算到單位面積成本分別為973 元·hm-2和566 元·hm-2，由此導致正芽播種機的使用率不高。第三，從播種機結構復雜性看，一般正芽播種機可一次性完成播種、施肥、鎮壓等工序，也有部分機具可同時實現覆膜功能，機型較大、功能多，而擺播機一般僅具有播種功能，結構緊湊；操作正芽播種機需2 人，而操作擺播機僅需1 人；機具作業過程中損壞時，正芽播種機維修較擺播機難，維修費用高。因此，急需開展與農藝相適應的大蒜播種機具研究，提高播種質量和機械化水平。

2.1.2 大蒜機播農藝不配套 大蒜播種過程對農藝要求比較復雜，一直是限制大蒜播種環節機械化的瓶頸。大蒜種植要求蒜種根部向下、直立栽種，同時要求單穴單粒，保證對行播種及一定的播種量。目前大蒜機播配套農藝方面主要有以下幾個問題：一是秸稈還田和耕整地質量不達標，導致播種質量差。秸稈粉碎長度、耕翻深度、碎土率等指標是影響機播質量的重要因素，也是解決架種、晾種、正芽率低等問題的重要途徑；耕整地質量不達標將導致機具適應性差，作業質量不高。二是蒜種規格不統一，不同規格蒜種對種勺要求不同，從而導致漏播率或重播率高。三是大蒜栽培模式、種植規范不統一，缺乏全程機械化技術方案，導致播種機通用性差。

2.1.3 大蒜產業發展規模小 從2019 年國家統計數據看，全國糧食作物播種面積為11 606 萬hm2，大蒜種植面積約為糧食作物播種面積的0.69%，導致企業投入積極性不高；而大蒜生產主要靠人力完成，農民對采用機械作業的愿望非常迫切。據測算，大蒜機械播種效率是人工的50 倍以上，節本效益達到5 980 元·hm-2，占大蒜產出的近20%。目前大蒜播種主要靠人工作業，平均每人每天僅能播種0.02 hm2，而大蒜適宜播種期為10～15 天，播種過早或過晚都會影響到蒜頭的商品價值。使用機械播種，大蒜播種可以提早3～5 天完成。另一方面，由于大蒜生產農藝要求的特殊性，播種機具研制、推廣難度較大，生產廠家較少，產品質量參差不齊，同時大蒜種植模式不統一，缺乏統一的種植標準，嚴重影響了機具的適用性及推廣使用有效度。

2.2 發展建議

2.2.1 開展適應農藝要求的播種裝備研究 一是針對大蒜機播“單粒取種、正芽播種和直立下栽”技術要求，開展單粒低損取種、正芽技術、高效導種技術、行距及播種量控制技術研究，形成大蒜機械化播種關鍵技術體系。二是開展導種機構、種植機構和機具整體耦合技術研究，實現機具整體輕量化、結構簡單化，并提升作業質量。三是針對不同主栽品種、土壤類型、耕作方式、前茬秸稈處理方式等，開展適應不同條件下最優機具結構設計，播種效率、漏播率、正芽率、破損率等關鍵指標符合相關標準及農藝要求，最終形成適應農藝要求的大蒜機械化播種裝備。四是探索智能化技術在大蒜播種機上的應用，開展大蒜鱗芽方向識別、正芽機播、智能取種等智能化、信息化技術研究，提高大蒜機播正芽率，準確控制大蒜播種的行距、株距、播深、漏播率等重要農藝參數，為大蒜高產打下基礎，對機播作業參數、播種面積等進行統計監測和分析，為農藝栽培提供更準確、高效的基礎數據。開展農機導航自動駕駛技術在大蒜機械化播種上的應用試驗，降低播種環節的人工成本。五是開展機具作業效率、作業質量、經濟效益指標評估，形成適宜不同規模的大蒜播種裝備配套方案。

2.2.2 開展農機農藝融合的大蒜機播種植模式及標準化研究 一是開展適宜大蒜機械化播種的耕作土壤條件研究，針對前茬作物收獲后秸稈處理方式，選擇適宜的耕作機具及方式，高效開展秸稈還田耕整地處理，形成適宜大蒜機播的最佳土壤條件。二是開展不同規格蒜種對大蒜機播質量影響分析，通過對蒜種進行分級播種及混栽播種試驗，觀察不同規格蒜種對大蒜機播的適應性及播種質量變化情況，明確一致性條件下機播大蒜規格范圍。三是探索大蒜不同種植行距、株距等種植模式參數變化對機械化收獲質量、產量、蒜頭商品性的影響，開展不同種植模式對作業質量、大蒜產量和商品性的影響分析，篩選出適宜機械化聯合收獲的行距、株距，研究集成適宜大蒜機械化播種和收獲的“宜機化”種植技術體系。四是開展相關技術試驗示范，進一步明確不同種植方式對大蒜產品商品性的影響，尋找種植規模、技術方案、產品商品性之間的平衡點，形成大蒜播前對蒜種、田塊的處理要求，播種機具及技術要求，探索建立大蒜機械化播種技術規范和機具操作規范，指導不同種植規模條件下的機具及技術配置，實現大蒜標準化種植，使大蒜播種逐步從依靠人工到機械化，再到高質量機械化轉變，真正實現作業環節的“機器換人”，實現種植機械標準化、規范化，促進大蒜機械化裝備及技術成熟和推廣應用。

2.2.3 開展大蒜機械化生產宣傳培訓 通過開展大蒜機械化生產技術培訓，普及種植技術，開拓大蒜種植戶眼界，讓更多的種植者了解、選用適合自己的大蒜機械化種植方式，進一步明確大蒜擺播、正芽機播、機播覆膜一體化作業等不同種植方式的經濟效益。大蒜機械化播種速度快、均勻度好，能夠保證株距、行距均勻性，為大蒜機械化收獲帶來很大方便。通過機械化裝備的應用，切實減輕勞動強度，提高大蒜種植效益，尤其在大蒜價格低迷時，應用機械化裝備帶來的節本效益有利于保護大蒜種植戶的基本收益，提高種植戶抗風險能力，社會生態效益顯著。

3 結論

通過對大蒜機械化播種技術、知識產權及推廣應用情況分析發現，主推栽培密度為40 萬株·hm-2，以20 cm 等行距播種較多，株距可調，以滿足不同播種密度需要，用種量基本在1 875 kg·hm-2左右。生產中機械播種主要以擺播機為主，正芽播種機推廣應用率不足10%。大蒜播種機專利申請主要集中在2010 年之后，占全部授權專利的92.8%，主要涉及播種機排種器、漏種補種裝置及播種施肥復式作業機。

通過對大蒜播種機、機播配套農藝及大蒜產業發展情況3 個方面存在的問題進行分析發現，大蒜擺播機較正芽播種機存在播種質量不高、正芽率低等問題，大蒜正芽播種機可以實現機播正芽率在80%以上，收獲的蒜頭商品性好，但存在機具購置價格高等不足。在栽培模式、耕整地質量、機播配套農藝等方面存在不協調、不適應；加上大蒜種植面積占全國糧食種植面積比重小，企業研發投入積極性不高，導致了機具研發、升級換代進程加長，從而影響大蒜播種機械的推廣應用。通過對大蒜機播現狀及存在問題分析，建議從適宜機播的農藝要求研究出發，開展播種裝備及配套模式研究，建立適宜機械作業的種植規范，形成從品種選擇、耕整地、機械播種等方面的全程機械化技術方案，解決機具通用性差的問題，提高大蒜生產機械化水平，實現大蒜生產“機器換人”的目標。