育苗精量播種機研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析*

楊昌敏，易文裕， 2，邱云橋，趙幫泰，程方平，陳昶

(1. 四川省農業(yè)機械研究設計院，成都市，610066； 2. 農業(yè)農村部丘陵山地農業(yè)裝備技術 重點實驗室，成都市，610066)

0 引言

育苗播種與傳統(tǒng)直播方式相比，可提高土地利用率，緩解季節(jié)茬口矛盾，改善種苗條件，增加產量和收入[1]。蔬菜、花卉等小粒種子種類繁多，種植廣泛，少部分采用直播，多數(shù)采用育苗移栽[2]。育苗精量播種機是機械化育苗的關鍵設備，可以減輕人工點播勞動強度、提高播種效率、降低人力成本，近年來被廣泛應用。

育苗精量播種機按排種器的特性有多種分類方式[3]，按排種器攜種方式不同，可以分為機械式、氣力式、磁吸式；按排種器設計樣式不同，可分為板(盤)式、針(管)式、滾筒式；按自動化程度不同，可分為手持式、半自動、全自動播種機[4]。氣力式精量播種，對種子的結構尺寸要求不嚴格，不損傷種子，可進行較高速度作業(yè)，是小粒種子育苗精量播種的首選和趨勢。

通過對當前氣力板式、針式、滾筒式育苗精量播種機技術研究現(xiàn)狀及產品特性介紹，分析我國育苗精量播種機技術發(fā)展存在的問題，并提出相應建議措施，以期為我國進一步研制、優(yōu)化、推廣育苗精量播種機提供參考。

1 育苗精量播種機排種器特點

排種器是育苗精量播種機的核心部件，其工作性能直接影響播種精度、均勻性和種子的出苗率。機械式排種器結構相對簡單，成本低，但對種子幾何尺寸要求較嚴格，在充種、清種過程中，種子容易遭受擠壓而損傷，且單粒播種效果差，不適合高速作業(yè)[5]；氣力式排種器有氣吸和氣吹兩種方式，采用真空吸附原理，可以根據種子的大小、形狀等規(guī)格設計不同的風孔，對不同類型的種子具有更好的適應性，生產效率高，是排種器研究的主要方向[6-7]。氣力板式播種機能實現(xiàn)單次整盤播種，效率較高，但對種子一致性要求高，否則易因穴孔氣壓不均勻出現(xiàn)漏播；氣力針式播種機在國內外最早出現(xiàn)，操作簡單，適用面廣；氣力滾筒式播種機打破板式、針式間歇作業(yè)方式，通過滾筒圓周吸附種子，實現(xiàn)種子的連續(xù)播種，效率較高。氣力手動、半自動播種機作業(yè)效率不高，但成本較低，適用于小規(guī)模用戶；氣力全自動播種機多應用于生產線，適合規(guī)模較大的用戶使用，價格較高。育苗精量播種機不同分類方式，見表1。

表1 育苗精量播種機不同分類方式Tab. 1 Different classification of seed metering device

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外對育苗播種機的研究

歐美等國家對播種機排種器的研究開始較早，20世紀50年代后期歐美等國家開始對氣力式精量排種器進行研究，采用理論研究、特殊結構設計加上新型材料、新加工工藝的應用，使排種器通用性、播種精度和效率不斷提高。理論研究方面，如歐洲的P. Guarella教授團隊認為空氣是不可壓縮的，將其作為理想氣體，設定特殊環(huán)境，對吸盤式排種器進行試驗研究，建立相關模型，為排種器研究奠定理論基礎；Dylan St等對氣力式精量排種器的轉動速度與負壓值間的關系進行研究，得到了試驗種子相對應的排種器轉速、排種孔參數(shù)、氣壓值，為研制高質量排種器提供支持。結構設計和材料應用方面，法國公司生產的氣吸式排種器殼體和種盤均采用鋁合金壓鑄，排種盤采用不銹鋼板，耐磨、抗腐蝕，同時配備高強塑料密封環(huán)防止氣室漏氣，配備黃銅攪種裝置增加種子流動性，提高排種器播種性能，延長使用壽命[8-9]；意大利公司設計的氣吸式排種器，裝置結構緊湊，以種盤圓心為中心周向分布攪種片，提高種群的流動性，有利于吸種，同時采用雙側清種裝置提高清種性能，單粒率較好[10-11]；韓國的Hwang S J等[12]對播種洋蔥種子的滾筒形狀進行了優(yōu)化，盡量減少重量，同時滿足所需的強度，形狀優(yōu)化后的滾筒重量，比傳統(tǒng)滾筒減輕17.7%，并且滿足2.0以上的安全系數(shù)。

隨著氣動技術發(fā)展以及元器件制造水平的提高，在氣力式排種器研究的基礎上，發(fā)達國家研制出了多種氣力式精量播種機，并很快應用到育苗生產中[13]。國外研制的機型較多，功能較完善，自動化程度較高，并且配套設備齊全，這其中包括英國、美國、澳大利亞、荷蘭、韓國等國家眾多公司的知名產品[14-15]。荷蘭公司生產的氣力板式精量播種機，適用于單粒播種，對種子外形有一定要求，生產效率較高。荷蘭生產的Nozzle系列針式精量播種機如圖1所示，采用真空吸附原理，具有自動清潔吸嘴的功能，并且能夠一次完成兩排穴孔的播種，播種精度高。

圖1 針式精量播種機Fig. 1 Nozzle precision seeder

圖2為英國公司生產的滾筒式穴盤育苗精量播種機。該播種機實現(xiàn)了一個滾筒播種多種蔬菜種子和播種大小不同的穴盤，正常播種效率700盤/h，對研究播種機滾筒的多適用性邁出了一大步。

圖2 滾筒式精量播種機Fig. 2 Roller precision seeder

隨著技術發(fā)展，荷蘭、美國、日本、韓國都有工廠化育苗自動生產線，工廠化育苗自動生產線成套技術在發(fā)達國家已基本形成，并向高科技、高度自動化發(fā)展。澳大利亞公司生產的ST1500型育苗播種生產線，適用于多種類型穴盤，播種精確可靠，廣泛應用于蔬菜等種植領域，最大播種速度可達1 500盤/h；荷蘭公司生產的Granette 2000Tex型雙排針式流水線，能使用可編程TEX電腦進行多種播種模式的設置和儲存，播種精度非常高，噴嘴具有獨特的自清潔機構，有效減少吸嘴堵塞，如果發(fā)生堵塞，且無法通過自清潔解決時，監(jiān)控系統(tǒng)還會發(fā)出報警[16]。意大利公司生產的Line1400型播種生產線，如圖3所示，有強大的工作能力，可以通過電子系統(tǒng)控制全部的工作部件[17]。

圖3 Line1400播種生產線Fig. 3 Line1400 type seeder

2.2 國內對育苗播種機的研究

我國在20世紀80年代中期正式引進育苗技術，通過對排種器進行理論分析、仿真模擬、結構改進設計等，精量播種機工作性能得到較大提高，播種精度、效率得到大幅提升。理論研究方面，李耀明等[18]以油菜等作物種子為研究對象，對振動種盤內種子的運動過程進行理論分析，通過性能試驗，確定了振動氣吸式排種器核心部件的結構和參數(shù)；陳進等[19-20]通過ANSYS對滾筒吸孔結構流場進行了模擬仿真分析，得出吸孔結構對取種性能的影響規(guī)律，并對仿真結果進行了性能試驗驗證。結構設計方面，楊葉[21]提出緊湊型沖穴播種一體式的設計方案，采用鴨嘴型播種頭機構和吸盤吸種機構巧妙配合，實現(xiàn)沖穴播種一步到位，減少播種工序，提高育苗質量和效率；張歡等針對現(xiàn)有氣吸滾筒式排種器部件多、裝配難、密封性差的問題，提出了利用3D快速成型技術打印部分負壓吸種滾筒的新思路，并創(chuàng)新設計了雙腔排種滾筒，以番茄種子為試驗對象，確定了影響排種性能指標較優(yōu)的結構和工作參數(shù)；劉云強等[22]為解決播種非球形蔬菜種子重播率較高的問題，設計了一種清種裝置，并通過對清種裝置內流場仿真模擬，優(yōu)化了清種裝置結構參數(shù)。

經過多年探索，我國多種育苗播種機產品問世。2BXP-500型壓穴翻轉式精量播種機，可配32孔至288孔的多種規(guī)格育苗播種板，播種速度300～400盤/h，但高速作業(yè)時，氣壓不夠穩(wěn)定，播種板穴孔存在漏播現(xiàn)象。RSZN-600型針吸式穴盤播種機如圖4所示，采用氣電二合一的傳動控制技術，節(jié)能、環(huán)保，要求種子飽滿，可實現(xiàn)一穴一粒精準播種。

圖4 RSZN-600型針吸式播種機Fig. 4 RSZN-600 Needle suction seeder

2YB-G30A-2型滾筒式精量播種機如圖5所示，采用高精度電子滾筒系統(tǒng)，適用于0.3～4 mm之間的種子，形狀不限，適應性好，適用于小型育苗工廠，但播種機不帶氣源系統(tǒng)，需外配氣源裝置才能投入使用，成本較高。

圖5 2YB-G30A-2滾筒式精量播種機Fig. 5 2YB-G30A-2 Drum precision planter

全自動水稻育秧流水線如圖6所示，播種機排種器采用螺旋排種，改變傳統(tǒng)直線排種方式，實現(xiàn)螺旋交替充、排種，大大提高了播種均勻性，配備全自動上盤機、上土機以及壘盤機，可實現(xiàn)自動化生產，大大節(jié)約勞動力，提高了生產效率。

圖6 全自動育秧流水線Fig. 6 Automatic seedling production line

2BS-6型氣力式蔬菜穴盤高速播種生產線，采用氣力滾筒播種，正負氣壓端面換氣技術，帶有自動清洗裝置，實現(xiàn)了播種生產的機械化和自動化，適用于蔬菜、煙草、花卉等種子播種，600～900盤/h，播種效率較國外精播流水線還存在一定差距。

2.3 國內外對新型播種技術的研究

近年來，國外專家學者在利用不同原理實現(xiàn)精量播種方面進行著不斷探索，為了解決形狀不規(guī)則、重量輕的蔬菜種子的播種問題，研究利用一些新的播種方式。如日本提出的蔬菜靜電播種[23]，是一種將靜電吸附現(xiàn)象應用于播種作業(yè)的技術，播種前用磁性材料對種子進行包衣處理，利用電磁鐵與磁性物質間的吸附力實現(xiàn)對種子的吸附，通過控制電源開關間接控制磁力產生，達到吸種和落種目的；日本提出的種子帶播種，將種子按照一定距離放入編織帶中，由專門的播種機械將打包成捆的種子帶鋪在田間，覆蓋土壤，保證播種的均勻性和出苗率，此技術在發(fā)達國家廣泛應用；英國提出的液體播種[24]，將種子與由水、農藥、肥料等按照一定比例配置成的懸浮劑混合，使種子均勻的分布于懸浮劑之中，通過噴灑懸浮劑來達到精量播種的目的，克服了小顆粒種子因質量輕，播種過程中漂浮、不易控制的難題，目前已經用于蔬菜和花卉的播種；英國還提出了適合牧草的超音速播種[25]。

我國王家勝等[26]研制了一種基于種子帶模式的播種裝置，種子帶采用易于土壤分解的材料制成，通過更換配套吸種輥輪可適應多種作物播種；張燕青[33]等以谷物種子為研究對象，按一定比例配置了谷子種?；旌蠎腋∫?，將谷種與液體混合均勻后利用流體排種裝置完成排種。國內也有學者研究磁力式排種的精量播種機，此類播種機吸種部件主要由磁吸頭、電磁線圈和反磁性套管組成[27]，調節(jié)電磁線圈通電電流的大小，可改變磁吸力大小，從而實現(xiàn)各類種子的精量播種。此種播種方法簡便，對種子外形和體積沒有過高要求，單粒精播率高，播種速度快[28]，但該類播種方式需提前將種子進行磁粉包衣處理。

通過上述論述可以看到我國育苗精量播種機的攜種方式、排種器樣式、產品種類以及對新型播種技術的研究上都緊跟國外，但在種子適應性、播種效率、作業(yè)性能等方面與國外還存在一定差距。國內外育苗精量播種機比較，見表2。

表2 國內外育苗精量播種機比較Tab. 2 Comparison of seedling planters

3 存在問題

1) 育苗精量播種機播種性能還不夠穩(wěn)定。我國氣力式育苗播種機，一般需要借助空氣壓縮機作為氣源，由于氣源壓力的不斷變化，許多機型在高速作業(yè)下易因氣壓不穩(wěn)，造成漏播、重播等問題。播種盤中的種子常含有灰塵和雜質，清理不及時，播種過程中也極易造成導管、吸種口的堵塞，出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。

2) 育苗精量播種機關鍵結構設計、參數(shù)精準控制技術有待突破。氣力式排種器因種子適應性好，而被廣泛應用，但我國排種器在多功能結構設計、氣壓精準控制技術方面還存在不足，育苗過程中所需的播種關鍵部件相當大程度上還依賴進口。

3) 農機農藝融合有待加強。種子的物理特性與播種裝置結構和性能參數(shù)相關性較大，影響播種質量。育苗播種機械一般只注重了播種的能力，而忽略了播種時農藝方面的要求，機藝融合不夠，影響出苗的整齊度，導致幼苗后期生長不好，并且機具互換性較差，播種機利用率不高。

4) 設備成本高，推廣應用難。當前我國種植模式是分散種植多、規(guī)模種植少，育苗精量播種機成本較高，與我國農產品價格水平不相適應，個體經營、小規(guī)模生產戶機具購買率低，設備推廣應用難。

4 發(fā)展建議

1) 重視技術創(chuàng)新，提高育苗精量播種機作業(yè)穩(wěn)定性。學習國外先進的設計、制造方法，引進與自主創(chuàng)新相結合，通過技術創(chuàng)新為育苗精量播種機提供強有力的技術支撐和基本保障。對播種機關鍵部件建立標準化的設計方法，統(tǒng)一制造規(guī)范，改善播種機播種性能，提高設備穩(wěn)定性。

2) 突破關鍵參數(shù)控制難的問題，提升育苗播種機作業(yè)精準度。應用精密電器控制元件，采用先進電氣控制技術，對排種器氣密性進行精準控制，提高播種作業(yè)精度。同時，利用計算機視覺技術等，加裝播種智能監(jiān)控系統(tǒng)和補漏裝置，對漏播位置及時補種，提高出苗整齊性。

3) 加強機藝融合，研發(fā)多功能播種機，實現(xiàn)一機多用。播種機設計充分考慮種子物理特性的差異性和播種農藝要求，為播種機排種器關鍵部件的設計提供支撐。機藝融合，研發(fā)參數(shù)可調、能適應不同類型種子播種的通用性播種機，提高機具互換性，擴大適用范圍，實現(xiàn)一機多用。

4) 降低生產成本，大力推廣應用，持續(xù)提升播種機技術水平。育苗精量播種機的研制應在保證工作性能的條件下盡可能降低成本，同時將研發(fā)的新型育苗播種機納入國家農機購機補貼，提高用戶購買力，推動機具推廣應用，在推廣應用中不斷進行優(yōu)化改進，持續(xù)提升其技術水平。

5 結語

精量播種技術是當前播種機械中的最新技術，隨著科學技術的日新月異，世界各國出現(xiàn)了許多新型的育苗播種機，工作質量和效率不斷提升。目前，我國育苗精量播種機取得了較大進步，但相比國外發(fā)達國家在技術和裝備水平上仍有一定的差距。引進吸收國外先進技術結合我國實際，通過技術創(chuàng)新提升育苗精量播種機作業(yè)效率、播種精度和自動化水平是我國今后育苗科技的重要研究和發(fā)展方向。