玉米變量播種技術研究現狀及趨勢

摘要：變量播種技術可根據農田土壤、環境、氣候等因素的差異性調整作物播種量，實現作物生長條件與播種量的精準合理匹配。隨著玉米精密播種技術的廣泛應用和精準農業的進一步發展， 變量播種成為近年來精密播種技術領域的一項革新。為充分利用我國有限的土地資源、最大限度挖掘增產潛力， 盡可能地節本增效提供新的發展空間。我國變量播種技術的研究相對發達國家起步較晚， 尚處于探索研究和試驗階段。通過綜述玉米變量播種技術的驅動系統、控制系統與信息決策系統3方面的研究現狀， 闡述不同驅動系統的播種量調節特性及相關研究和應用現狀；重點分析控制系統與信息決策系統在作業監測、變量播種、變量補種以及處方圖等方面取得的進展。提出目前存在土壤實時檢測不成熟、變量播種位置不精準、變量補種工作速度低等問題。同時結合我國國情提出對玉米變量播種技術的發展前景和趨勢加以展望， 并結合我國生產現狀指出田間土壤養分快速檢測技術、高排種質量和響應速度的精量播種單體、高效變量播種技術等未來玉米變量播種技術的發展方向。

關鍵詞：玉米；變量播種；變量施肥；處方圖

中圖分類號：S23

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0041-06收稿日期：2023年3月28日

修回日期：2023年8月17日

*基金項目：四川省農業科學院自主創新專項（2023ZZCX003）；四川省基本科研業務費（2022JBKY0012-02）

第一作者：程方平， 男， 1982年生， 成都人， 高級工程師；研究方向為農業機械與農業工程。E-mail：chengfpscu@163.com

通訊作者：趙幫泰， 男， 1981年生， 成都人， 研究員；研究方向為農業科學與工程。E-mail：870048173@qq.com

Current status and trends of research on variable seeding technology for corn

Cheng Fangping， Zhao Bangtai， Mei Linsen， Yang Changmin， Wang Yipeng， Zhang Wei

（Sichuan Academy of Agricultural Machinery Sciences， Chengdu， 610066， China）

Abstract： Variable seeding technology can adjust crop seeding rates according to the differences of farmland soil， environment， climate and other factors， so as to achieve precise and reasonable matching between crop growth conditions and seeding rates. With the widespread application of precision seeding technology for corn and the further development of precision agriculture， variable seeding has become an innovation in the field of precision seeding technology in recent years. This provides a new development space for making full use of China’s limited land resources， maximizing the potential for increasing production， and maximizing cost savings and efficiency as much as possible. The research on variable seeding technology in China started relatively late compared to the developed countries and is still in the exploratory and experimental stage. This article reviews the current research status of the driving system， control system， and information decision-making system of corn variable seeding technology， and elaborates on the seeding quantity adjustment characteristics of different driving systems and their related research and application status. The progress of control systems and information decision-making in operation monitoring， variable seeding， variable replanting， and prescription graphs is analyzed in detail. It is proposed that there are problems with the current soil real-time detection technology being immature， inaccurate variable sowing positions， and low speeds of replanting operations. At the same time， the development prospects and trends of corn variable sowing technology in our country are discussed， and it is pointed out the future development direction of corn variable sowing technology includes rapid detection technology of soil nutrients in fields， precision sowing units with high seed quality and response speed， efficient variable replanting technology， etc.

Keywords： corn; variable rate seeding； variable rate fertilization； prescription map

0 引言

玉米是我國主要糧食作物，既是我國重要的糧食資源，也是重要的飼料原料和工業原料^［1］，玉米產業不僅對保障國家糧食安全具有重要意義，在國民經濟中也具有舉足輕重的地位。我國是世界玉米生產第二大國，據國家統計局數據可知，經過多年的持續穩定發展，2021年我國玉米種植面積達43 324 khm²，總產量達2.72×10⁸ t，成為我國種植面積和產量最大的糧食作物。

新中國成立以來， 我國玉米產業得到了長足發展， 除了育種技術不斷增強， 機械化生產水平也得到了全面的提高， 隨著機械化播種技術的不斷提高， 機播基本取代秧苗移栽。玉米精密播種技術的大力應用和推廣， 極大地推動了玉米產業的發展。玉米精密播種是指用精密播種機按照玉米種植的農藝要求， 按照設定的行距、粒距和播種深度將種子播入土壤中并準確定位的過程， 可實現苗齊、苗全、苗壯的同時節約種子、減少間苗作業，既節約成本又提高作業效率和產量。隨著玉米生產適度規模化經營進程的加快， 玉米種植逐漸從過去單純追求產量轉向保障產量的同時提升效益， 玉米精密播種技術因其具有突出的節本增產增收的優點， 受到科研人員的高度重視和種植戶的歡迎， 我國學者也進行了大量的研究。

本文通過對玉米變量播種技術的驅動系統、控制系統與信息決策系統3方面的研究現狀進行綜述， 對我國玉米變量播種技術的發展前景和趨勢加以展望， 并結合我國生產現狀指出未來玉米變量播種技術的發展方向。

1 發展變量播種技術的必要性

傳統的精密播種技術缺少對具體土壤肥力、氣候條件和生態環境等因素的考慮， 采用簡單的均一化播種， 保證播種粒數、粒距、播種深度一致， 制約了土地生產潛力的發揮。除了研究粒距和播種深度對產量的影響^［2］， 變量播種技術可根據田間土壤、環境、氣候等條件的差異性改變玉米播種量， 實現播種量與生長條件的精準高效匹配，賦予了精準農業更多的提升空間。變量播種技術是實現玉米產量潛力瓶頸突破、資源利用效率進一步提高、改善玉米生產質量與效益的重要手段， 為充分利用我國有限的土地資源、最大限度挖掘增產潛力， 盡可能地節本增效提供了技術支撐。玉米高產的最佳密度與土壤肥力、光熱資源等生態條件密切相關^［3］，變量播種針對不同的作業條件實時調整播種密度， 不僅節約了良種， 還有很大的增產潛力。我國玉米種植已具有相當的規模， 變量播種技術節本增效的作用和玉米種植的規模效應疊加將產生巨大的經濟效益和社會效益。

2 驅動技術

傳統播種機排種器動力來自驅動地輪^［4］， 地輪驅動排種的播種機通過改變機械的傳動比以調節播種粒距， 隨著播種速度提高， 地輪的滑移率及傳動鏈的顫動都會增加， 且不能根據需要及時調節， 無法實現無級調控變量播種^［5］。變量播種需要根據作業條件施以不同數量的種子， 要求播種機排種速度具備實時調整的功能， 按照決策信息及時改變作業參數。隨著人們要求播種技術具有精準變量的功能， 播種機排種器由地輪驅動發展到了液壓驅動、電機驅動， 常見驅動方式見表1。

2.1 液壓驅動

國外對排種器驅動的研究和應用相對國內較早，美國CASE設計的變量播種機采用電控液壓馬達執行機構^［6］，該機構由變量控制驅動器、直流伺服電動機、隨動液壓馬達、馬達轉速傳感器等組成，可以通過改變液壓比例閥的開度實現排種速度的無級調節。

國內學者楊壯等研究了基于液壓馬達的排種驅動系統，分析了獨立驅動播種單體與集中驅動排種主軸兩種方案。獨立驅動播種單體方案中，由于液壓馬達存在個體差異，各行播種粒距不一致，需要配置控制系統進行修正；集中驅動排種主軸，每個排種器轉速一致，確保了播種粒距一致，但是各行之間不能獨立調節。劉文浩等利用拖拉機自帶液壓輸出，采用脈沖信號控制步進電機帶動液壓增扭器來調節播種機排種軸按照要求進行變量工作。采用脈沖信號控制步進電機為精準及時變量播種提供了新的選擇，也為自動變量控制的應用奠定了基礎。

2.2 電機驅動

電機驅動主要有3種方式：電機驅動傳動機構，驅動機構在驅動排種器主軸；電機直接驅動排種器主軸；電機直接驅動排種器內種盤。相對液壓驅動，電機驅動更加直接且易于實現自動控制。為了克服地輪、液壓等機械式驅動方式的弊端，Yang等^［7］等研發了排種器電機直驅技術，采用步進電動機結合齒輪減速增扭作用驅動排種器，降低了對電動機最大輸出扭矩的要求，同時提高了排種器轉動的穩定性。

由于電機存在轉速與扭矩成反比的軟特性，而排種器需要變速排種，需要在高轉速的同時扭矩不下降。He^［8］、張春嶺^［9］等針對步進電動機高速時的低扭特性，設計了基于直流電動機驅動的PID閉環控制系統，實現對電動機轉速的精確控制。姚潁飛等^［10］設計了一種基于模糊PID控制的玉米精量播種機單體驅動器，基于STM32F103C8T6單片機，搭建了有刷直流電機驅動排種控制系統及驅動單體，單體驅動器工作時，由霍爾傳感器采集播種機的作業速度，通過高精度光電旋轉編碼器實時反饋電機轉速，利用增益調整型模糊PID算法使調速系統根據轉速偏差和偏差變化率實時修正PID控制參數，電機轉速300～10 000 r/min均有較好的穩定性和線性度，使電機轉速快速精準地跟隨作業速度的變化。

楊碩等^［11］針對現有玉米精密電驅排種控制系統無法快速適應不同類型排種器排種控制的問題，在玉米播種采用總線控制電動排種的基礎上，設計了一種對玉米排種器排種驅動進行現場標定的電驅控制系統，系統在排種驅動電動機控制信號與排種盤轉速之間的對應關系中，采用分段線性插值的方法現場獲取排種器驅動曲線，實現排種盤轉速現場快速標定與控制，增強電驅排種的適用性和工作參數范圍。

3 控制與信息決策技術

3.1 作業監測

不管是定量還是變量作業。播種作業時，種子需要投放至一定深度的土壤下面，如果不扒開土壤檢查，作業人員難以發現種子下落情況，需要等出苗后才發現，將造成較大產量損失和補種作業成本增加。目前，播種機作業質量監測主要采用光電式、電容式、壓電式和機器視覺等類型傳感器^{［12， 13］}。從監測的方式主要是料位的監測和播種過程的監測。

料位監測只監測了種箱里面是否還有種子，如果發生堵塞或者排種裝置沒有正常工作，監測系統會誤認為播種機正常作業，難以及時發現問題。播種過程監測是目前最常用的方式。過程監測中，常用光電式、電容式傳感器。賈洪雷等^［14］通過光電編碼器在間隔一定脈沖數記錄是否有種子信號判斷漏吸、通過種子產生的脈沖寬度判斷是否有多吸，用于氣吸式播種機監測。劉坤^［15］針對電容法存在電場非線性和強度不高的問題，設計了一種E型正交叉指電容傳感器，改善了電場穿透深度，提高了電容信號微小變化的辨識精度，實現了玉米種子的高精度快速檢測。

3.2 變量播種

美國在20世紀90年代生產的Max emerge planters系列精密播種機就已裝備了“精準農業”技術系統，結合GPS、GIS、信息處理和遙感技術，可根據土壤肥力和含水量等外部條件的變化，實施變量播種。變量播種包括了在已播區域時排種器的實時關斷、彎道路徑上播種時內外粒距均勻一致；在土壤、光熱水等資源條件差異下處方圖式和實時傳感器式的變量播種，實時傳感器采集相關數據可用于生成動態處方圖。

和賢桃^［12］基于阿克曼轉向原理對轉彎過程中播種機與拖拉機的位置關系進行建模，結合GPS連續定位的方式計算轉彎半徑，建立了轉彎播種定位模型，實現了轉彎播種條件下對各播種單體位置坐標的定位，同時依據各播種單體的轉彎半徑并結合拖拉機前進速度加入轉彎補償算法，實現根據轉彎半徑對各播種單體的播種速度進行補償和調整，解決了轉彎播種時內側播種粒距小、外側播種粒距大的問題。

國內玉米精量播種機的排種器驅動電機大都直接連接排種器主軸，直聯主控制器，無法滿足變量播種作業對各個播種單體獨立控制的要求且播種行數難以拓展。丁友強等^［16］針對上述問題，搭建了基于單片機STM32F103的單體驅動器硬件和軟件架構，并集成了CAN總線通訊模塊，可通過增減單體驅動器實現播種機行數拓展，實現驅動排種器單體轉速的獨立調節。

楊麗等^［17］研究了一種基于動態處方圖的變量播種控制系統及方法，將土壤養分數據及坐標信息傳輸至播量決策控制器，用測得的單點數據轉化為面數據并生成實時播種量處方圖，根據處方圖動態調節排種器轉速，克服了由于單點數據誤差較大所造成的變量播種精度下降的問題。

3.3 變量補種

變量補種除了充分利用土壤潛力、節約種子外，還為進一步減少漏播影響提供了新的選擇。現有補種主要通過額外補種和變量補種。常規玉米播種機出現漏播后難以實現補種，除了提高排種器質量入手減少漏播，從排種器本身結構上完全解決漏播問題難度較大，主要是增加額外的補種裝置。

龔麗農等^［18］在排種器的排種盤上設計了雙排窩眼，分為主排窩眼和副排窩眼，利用光電傳感器監測主排種器充種情況，當主排種器充種窩眼出現漏充種時，監控系統控制副排種器在及時排種，由于補排的種子與所漏充種的窩眼在徑向上處于相同位置，補種精確度較高。金衡模等^［19］設計了一種玉米精播機漏播補償系統，該系統主要由補種排種器、步進電機、漏播監測傳感器、空氣壓縮機、空氣控制閥及補充管組成，將播種率提高到了99%，但是該系統較為復雜，且需要額外增加一套系統。

朱瑞祥等^［20］在勺輪式玉米精量排種器基礎上，采用超越離合器設計了一種基于的大籽粒作物漏播自補種裝置，采用激光光電傳感器和霍爾傳感器分別監測漏種和排種器速度，依靠排種器自身的超越旋轉實現位置無偏差補種并能夠故障報警，實現了排種與補種一體化的變速補種裝置，將播種率提高到了99.2%。

趙淑紅等^［21］針對玉米勺式排種器出現的漏播問，設計了一種變速補種系統，該系統采用光電傳感器在偏離出種口前20°位置進行提前檢測，漏播發生時由步進電動機改變排種器轉速越過空種槽達到實時補種的目的。變速補種存在突然加速問題，當播種速度較快時易導致種子抖動掉落，對排種器的持種能力要求較高。當播種株距較小、作業速度較快時，采用變速補種裝置需要更快的反應速度和加速能力，對裝置的性能和可靠性提出了更高的要求。目前，變量補種適用于低速播種，對于高速播種還有待進一步的研究。

3.4 處方圖生成

對于變量播種機，其排種控制系統根據設定好的處方圖精確控制播種機各行按處方圖上的播種量進行播種，而作業地塊的土壤肥力、歷年作物產量甚至天氣和管理等都是生成決策系統處方圖的考慮的因素^［22］。對土壤的空間變異性進行詳細的獲取是精準、變量作業的前提性基礎工作，現有獲取方式有田間采樣后進行試驗分析、專家經驗法和田間快速測量。其中田間土壤養分測定主要是通過以化學分析測定土壤中養分的含量，并在其他理論的基礎上，對土壤肥力進行解釋、評價并提出播種建議^［23］，該方法耗費時間較長，在播種時田間土壤肥力已發生變化；專家經驗法主要靠專家技術和經驗判斷，誤差較大；常規田間快速測量所測組分少、精度低。

趙春江院士團隊^［24］研發了全球首臺車載式農田土壤現場快速檢測系統，利用光譜技術首創了土壤養分現場速測方法，可在10～15 min內完成養分、重金屬、微量元素等38個指標的快速測量，并通過地理位置的對應，構建土壤大數據，為變量播種提供了關鍵技術支撐。

4 變量播種技術存在的問題

精準變量播種技術是精準農業應用和研究的熱點的領域，經多年發展，此項技術在研究土壤、種子、養分之間的互作關系方面取得了一定的成果，引領著精準農業技術的持續發展。在播種機上應用和發展變量播種技術，還需要信息技術（GPS、GIS、RS等）、智能控制技術、播種驅動技術和決策處方技術等多種技術的融合發展。變量播種技術還處在試驗研究起步階段，在我國的生產應用較少，還有很多難點有待進一步的研究。

1）

土壤實時檢測不成熟。變量作業主要基于土壤肥力和產量生成的處方圖進行變量播種。變量播種技術的實施首先需要獲知種植區域土壤的肥力狀況，通過傳感器實時檢測獲取土壤養分圖的方法尚不成熟，土壤養分圖獲取仍然依靠土壤采樣，大型車載式檢測系統價格昂貴。對土壤肥力狀況的采集只能通過田間土壤采樣和實驗室分析相結合的方法解決，基于采樣和分析成本的限制，采樣點本身所占的面積占農田面積的萬分之一到百萬分之一，沒有測定的地點采用統計學方法進行估算，其可靠性較低。因此，無論從技術裝備的普及程度，還是從人力、物力和財力的投入狀況分析，都無法大規模地開展精細化土壤肥力狀況的檢測。

2） 變量播種位置不精準。變量播種是在精量播種的進一步發展，即使在播種環節采用了變量播種，但是播種變量實現決策目標調整位置到作業實際調整位置始終存在一定滯后距離，削弱、抵消了變量播種的效果，甚至改變播種量后的種子沒有精準到合適的位置，甚至會帶來減產。最終作物的產量還受到種子質量、生產管理、氣候變化、收獲損失等多種因素的影響，缺少多年長期的觀測和對比試驗，且變量播種對播種作業和處方圖的要求相對較為繁瑣，種植戶難以感受到變量播種帶來的效益。變量播種技術大多處于試驗和示范階段。

3） 變量補種工作速度低。由于我國地形地貌及種植經營規模的條件下的機型選擇，我國玉米精密播種排種器中有相當部分的機械式排種器，機械式排種器始終存在一定程度的漏播率，從排種器結構進一步減少漏播難度較大，變量播種為減少漏播提供了新的技術手段。目前變量補種技術主要采用加速排種進行補種，存在一定延時，主要用于低速作業的漏播補種，對于較高作業速度條件下的漏播補種，存在加速抖落種子和響應不及時，未消除漏播，還增加了重播的新問題，補種效果有待進一步提高。

5 變量播種技術的發展趨勢

由于耕地條件的限制和對糧食需求的壓力，進一步挖掘糧食生產潛力成為農業發展的必然要求。變量播種成為現代精準農業的研究熱點。變量播種技術提高了土壤的利用率、節約了種子，提高了糧食產量和品質，成為糧食生產持續健康高質量發展的關鍵技術。針對玉米精密播種生產現狀和未來發展的趨勢，在以后的玉米播種機的研究和發展中應注意以下問題。

1） 田間土壤養分快速檢測技術。田間土壤檢測是實現變量播種決策的基礎，當前的土壤采用檢測分析技術存在周期長、成本高，難以支撐變量播種的推廣和大規模應用，采用光譜、激光等新技術、新手段，研發田間土壤快速檢測技術是現代農業發展的新選擇，也是實施變量播種決策提供快速高效的技術支撐，推動農業的高質量發展。

2） 高排種質量和響應速度的精量播種單體。目前，國外憑借軟硬件技術和算法優勢研制了多種不同模式的變量播種控制系統并投入使用，在一定規模的生產中得到檢驗。我國主要從作業速度獲取并驅動排種方式和控制系統算法優化等方面進行多種電驅播種控制技術的研究，變量播種裝置，特別是高排種質量和響應速度的精量播種單體還很大的提升空間。

3） 高效變量補種技術。現有變量補種技術與現代高效精準農業發展需求還有較大差距，在變量補種是的加速極易導致種子在排種器內的振動，影響種子的穩定取種和攜種，甚至抖落導致漏播，加速延遲導致株距的不均勻。通過進一步優化排種結構，提高排種器的持種能力和抗振動性能，減少排種器變速對播種質量的影響。加強漏播檢測提前時間、補種結構、變速控制的算法研究，提高變速補種的響應速度和加速平滑度，實現快速平穩補種。

精密排種技術在玉米播種機中已廣泛應用，但我國玉米播種機械化率和播種質量還不高，且耕地資源有限和糧食增產壓力較大，高效精密的變量播種技術是提高機械化播種質量的重要手段，是播種機未來的研究方向，變量播種涉及技術眾多，需要進一步結合農藝、機械、電子、信息技術等多學科技術的深度融合來提升播種機的自動化、智能化水平，最終實現對播種機高效精密的突破。

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