適宜南方丘陵雙季雜交稻的精量育秧播種裝備的研制與試驗

吳羅發，張文毅，舒時富，李艷大，紀 要，陳立才，祁 兵

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所/江西省智能農機裝備工程研究中心/江西省農業信息化工程技術研究中心，江西 南昌 330200；2.農業農村部 南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014)

南方雙季稻種植面積約占全國水稻種植面積的1/2，保障雙季稻生產是我國糧食安全與社會穩定的戰略要求[1-3]。經過幾十年的發展，水稻機械化生產水平取得了顯著的進步，但水稻育插秧仍然是水稻機械化生產最突出、最薄弱的環節[4-5]。水稻機械化插秧的關鍵，在于育秧，育出符合適應插秧機作業的標準化秧苗，直接關系到機插質量和水稻產量[6-8]。水稻機插主要作業指標符合農業生產要求，具有生產率高、作業質量較好、操作簡單方便的優點，體現了現代農業的發展方向。然而，插秧機的秧苗是在特定尺寸的容器(秧盤)中培育的，秧苗密度大(2～5株/cm2)，土層薄(1～2.5 cm)。在這樣特殊的條件下培育適應機械栽插的秧苗(標準秧苗：苗高12～25 cm，葉齡2.5～4.5，秧根盤結成塊)難度較大，既要促進根系生長，又要控制秧苗徒長。機械化生產是保障雙季稻的必要手段，而育插秧一直是雙季稻全程機械化的難點和薄弱環節[9-11]。目前，南方丘陵雙季稻區機械化種植模式以毯狀苗育插秧為主，育秧播種設備和插秧機等大多從日本、韓國進口，主要適應于常規稻大播量成毯的中小苗栽插，無法適應雙季雜交稻特別是超級稻的稀播勻播壯秧培育的農藝要求[12-15]。針對南方丘陵雙季稻區現有技術存在的問題，本研究重點研發適應雙季雜交稻稀播壯秧育秧裝備，減少用種量，增加播種均勻度合格率，為南方丘陵雙季稻豐產、高效、高質量育秧移栽提供技術裝備支撐。

1 裝置方案與工作原理

1.1 設計依據

育秧盤尺寸580 mm×280 mm×30 mm。 插秧機取秧面積：按橫向移動16次，17.5 mm/次；縱向可調節的取秧量范圍為8～17 mm，取最大值17 mm；插秧機每次取秧切塊的面積，根據橫縱向組合，面積為17 mm×17.5 mm=297.5 mm2。

1.2 排種裝置方案

設計的南方雙季雜交稻精量播種裝置由氣吸雙層滾筒、正壓吹種、氣動振動器、播種箱體等部件組成，其總體結構如圖1所示。

1.3 工作原理

精量播種機主要采用雙層氣吸式滾筒結構。滾筒分為內層和外層，內外層封閉，保持負壓。將滾筒與鏈輪固連，由動力裝置驅動滾筒轉動。在滾筒內部的空心軸上均勻開孔，兩端分別安裝負壓裝置，在真空裝置的作用下，封閉的滾筒內部保持負壓吸種的工作狀態。在活塞震動裝置的作用下，水稻種子在箱內表現為“沸騰”的狀態，有效減少了水稻種子間的摩擦，提升了吸種的效果。水稻種子被吸附在滾筒上，并跟隨滾筒裝置一起轉動，轉動到最低位置點時，封閉氣孔、切斷負壓，水稻種子在清種裝置的作用下被播種于秧盤中。適用于雙季雜交稻的雙層氣吸滾筒裝置三維模型如圖2所示。

2 關鍵部件設計

2.1 滾筒參數的設計

精量育秧是雙季雜交稻機插所必需的配套支撐條件。因此，精量播種的滾筒裝置設計需要與插秧機的取秧面積相互匹配。現有插秧機的秧箱橫、縱向運動軌跡分別為橫向移動16次、縱向移動17 mm，現有育秧盤尺寸規格標準為580 mm×280 mm×30 mm。播種滾筒需按照插秧機的取秧切塊面積17 mm×17.5 mm=297.5 mm2設置，按照取秧面積在其斜對角線上布置吸孔，吸孔數量為2，播種滾筒上的吸孔距離與插秧機秧箱橫向移動距離17.5 mm相匹配，縱向間距根據滾筒按照如下公式計算：

S=2πRn/L

(1)

式(1)中，R為播種滾筒的外圓半徑；L為育秧盤長度，L=580 mm；π為配套插秧機縱向移動距離，π=17 mm；n為播種滾筒完成一次播種所需要轉動的圈數。n一般取整數值，這樣可以提高控制系統檢測到秧盤即開始進行播種的工作效率，本裝置中n為2，滾筒完成一次播種后立即復位。縱向間距S與浮動壓輥能否及時關閉氣孔負壓的精準度顯著相關，浮動壓輥的變形量要保持適宜，太大對播種的位置準確度影響較大，變形量達到剛好堵塞氣孔即可，不宜過大或過小。因此，本裝置的設計參數確定為播種滾筒外圓半徑為83 mm，播種滾筒的總長度為315 mm，滾動轉動圈數n為2。

2.2 排種部件設計

在滾筒播種過程中，滾筒的清種效果對水稻精量播種的種子吸附效果具有顯著的影響。針對設計的機械式清種裝置樣機實際清種效果不理想的狀況，優化改進采用氣力式設計為正壓吹種。排鐘部件設計具體如圖3所示。采用正壓可有效清除氣孔上多余的水稻種子，同時吹除播種滾筒轉動所跟隨的水稻種子。

2.3 雙層滾筒結構設計

播種的穩定性和精確性是水稻精量播種裝置的關鍵指標，良好的播種質量才能為后續的機插環節提供優質的秧苗。針對設計的單層滾筒播種空穴率大于5%、吸種合格率小于90%等關鍵指標不理想的狀況，優化單層滾筒改進成雙層氣力式滾筒。雙層氣力式滾筒結構具體如圖4所示。播種滾筒分為內外兩層，內筒和外筒的材料均為鋁合金材質，外層沿圓周方向均勻分布有34排吸孔，內層亦沿圓周方向均勻分布有34條對應的溝槽。制作時先將滾筒內層放置于液氮中進行冷凍，然后將滾筒外層套入從液氮中取出的內層，安裝時注意保持外層上34排吸孔與內層上34排溝槽相互匹配；安裝完成后的滾筒放置于常溫下，即成為緊密集合的雙層播種滾筒。采用此種設計能夠保證雙層滾筒內部的密封效果，同時能保證每一排吸種氣孔之間的密閉性能，從而提高播種性能。

3 樣機試驗

3.1 試驗裝備

試驗裝備為設計出的雙層氣吸式滾筒精量播種裝置樣機(圖5)。吸種和吹種采用漩渦氣泵，漩渦氣泵采用的規格為240 m3/h，最大風量值2.2 kW額定功率。采用無極變頻器調節氣泵電機的轉速從而實現工作負壓值大小的變化。

3.2 播種均勻度合格率試驗

開啟育秧機正常工作狀態，連續育秧10盤，分別對每盤的合格率進行統計，并作最后平均值。再統計每盤的空穴率，取平均值。播種裝置均勻度合格率=盤合格率穴數/盤總穴數×100%，空穴率=盤空穴數/盤總穴數×100%。測試結果表明(表1)，通過對隨機的10個樣本進行檢測，最終測得均勻度合格率為95.56%(圖6)。

表1 播種均勻度合格率檢測結果

3.3 工作效率測試試驗

調試精量播種機為最佳日常工作狀態，連續完成育秧100盤為1組，并進行10組，共1000盤，記錄每一組的完成時間。計算平均生產效率(盤/h)。生產效率=盤數/用時(s)×3600。檢測試驗結果表明(表2)，通過1000個樣本的檢測，最終測得平均生產效率為570盤/h。

表2 播種工作效率測試結果

3.4 秧苗素質試驗

對研制的水稻精量播種機進行了早、晚稻的大田育秧試驗，并與普通水稻育秧播種機進行對比，分析育秧的實際效果(表3)。試驗采用的早稻品種為潭兩優83和株兩優1號，晚稻品種為泰優398和五優華占。T為研制的精量播種機，CK對照為普通水稻育秧播種機。從表3中可以看出，精量播種機處理(T)的出苗率早稻與對照(CK)差異不顯著，晚稻兩個品種T處理的出苗率均優于CK。秧苗均勻度合格率T處理較CK顯著提升，早稻和晚稻4個品種的結果均相同。早晚稻4個品種的T處理，其株高均顯著高于CK。而根長、根數和莖基寬等指標均表現出T處理顯著優于對照(CK)。上述結果表明，采用研制的水稻精量播種機，其出苗率、均勻度合格率、株高、根長、根數和莖基寬等秧苗素質指標均大于對照機型，差異達顯著水平。說明水稻精量播種機能夠有效提升雙季雜交稻的秧苗素質，達到精量播種的目標，有利于雙季稻的機械化插秧。

表3 水稻精量播種機的秧苗素質

4 結論與討論

針對雙季雜交稻精量播種的農藝要求，本研究設計了一種雙層氣吸滾筒式精量播種部件、氣吸式吸種、清種結構，研發了氣力式精量播種裝置，解決超級稻育秧小播量播種均勻性差及落種位置準確性不高的難題，以適應南方雙季雜交稻精量播種的要求。試驗結果表明，采用氣力式水稻均勻育秧播種流水線育秧，常規稻可省種10%～20%，雜交稻省種20%～30%，播種均勻性明顯提高，盤根效果、秧苗素質好，實現了南方雙季雜交稻毯狀苗育秧極小播量的要求，有效保證機插取秧對應面積內1～2粒水稻種子的精量育秧指標，試驗結果表明播種均勻度達95.56%，空穴率不足3%，作業效率達570盤/h以上，有效解決了已有水稻育秧播種流水線不能適應雙季雜交稻精量播種要求的問題，填補了我國超級稻和雜交稻毯狀苗低播量均勻播種及通用型育苗播種技術裝備的空白。

育插秧技術一直是發展南方丘陵雙季稻全程機械化的重點和難點，特別是南方丘陵山區特殊的地理環境和氣候特征，需要更加適宜的育插秧技術和裝備來支撐雙季稻產業的發展[16-17]。國內學者針對水稻機械化種植開展了廣泛研究，這些研究主要側重于適應于常規稻大播量成毯的中小苗育插秧技術與裝備研發，而對適應于南方丘陵雙季雜交稻稀播勻播壯秧培育技術與裝備研發相對較少[18-19]。目前國內外生產上普遍應用的育苗播種裝置主要采用機械槽輪式排種輪，能滿足大播量育苗播種需要，但對南方雜交稻和超級稻的小播量精量播種的適應性不足[20-21]。隨著我國城鎮化進程加快和超級稻、雜交稻的推廣應用，南方丘陵區用工難、用工貴的問題日益突出，稻農對水稻精量播種流水線和水稻大苗移栽機械的需求將更加迫切[22-23]。本研究的成果將為南方丘陵雙季稻機械化育秧提供適宜的裝備支撐，成果的推廣應用將有效提升南方雙季稻生產的機械化水平。