王 勇，徐祝欣，李國瑩，楊 誠，孫欽華，李國梁

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109； 2.青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司，山東 青島 266109)

0 引言

小區(qū)精密播種是在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行育種基礎(chǔ)試驗時，為甄選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種的技術(shù)手段[1]。通常根據(jù)試驗規(guī)劃在不同小區(qū)內(nèi)按照一定的農(nóng)藝參數(shù)精密點播不同品種的單粒種子，可有效提高種子出苗率及保證生長狀態(tài)一致性，更好地凸顯各品種性狀的差異，降低客觀因素對遴選優(yōu)良性狀的影響。

實踐表明，機(jī)械化精密點播可有效提高育種試驗播種環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。在調(diào)研國內(nèi)外小麥小區(qū)精密播種技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)農(nóng)藝要求，總結(jié)出亟需解決的關(guān)鍵問題，對我國小麥小區(qū)精密播種機(jī)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用具有重要借鑒意義。

1 小麥小區(qū)精密播種現(xiàn)狀與農(nóng)藝要求

育種基礎(chǔ)試驗可細(xì)分為穗行比較、各代株系比較，以及品種資源保存研究利用等試驗[2]。只有實現(xiàn)精密點播才能提高這些試驗在單穗選擇環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。因此，小區(qū)精密播種不僅對行距、粒距和播深等參數(shù)精確性要求最高，而且播種過程中不能出現(xiàn)品種混雜。

調(diào)研得知，國內(nèi)大多數(shù)育種單位在進(jìn)行小麥小區(qū)精密播種時依然采取人工播種(圖1)，這種方式會降低試驗品種的出苗率，從而影響試驗的準(zhǔn)確性。

圖1 人工點播Fig.1 Precision seeding by human

為深入了解小麥小區(qū)精密播種技術(shù)，調(diào)研了山東及河北地區(qū)的部分小麥育種試驗基地。基地內(nèi)每個小區(qū)長約9 m、寬3.2 m，彼此間隔0.5 m，中間道路1 m，左右保護(hù)行2.5 m，上下保護(hù)行3 m，小區(qū)與地頭留有5～6 m的距離方便農(nóng)機(jī)具掉頭，如圖2所示。進(jìn)行小麥精密點播時行距一般取20/25/30 cm，株距(4±1)cm，播深3～5 cm，但是株距和行距等參數(shù)會因品種、地區(qū)和播種方式的不同存在較小的差異。而且，育種小區(qū)參數(shù)會由于試驗?zāi)康?、作物品種、地區(qū)及選用農(nóng)機(jī)具的不同存在較大差異。

圖2 小區(qū)規(guī)劃示意(局部)Fig.2 Partial planning diagram of plot

2 國外研究歷程及現(xiàn)狀

2.1 研究歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

國外較早就開展了對小麥小區(qū)精密播種技術(shù)及相關(guān)裝備的研發(fā)，20世紀(jì)60年代進(jìn)入萌芽期，形成麥類作物精密播種理論。

20世紀(jì)70年代中至80年代是過渡期，出現(xiàn)了簡易精播機(jī)并不斷進(jìn)行改良。德國Fahse公司于1976年研發(fā)出GS-23型氣吸式小麥精播機(jī)，但不能實現(xiàn)單粒精播[3-4]。法國隨后研發(fā)出Nodet PeumasemⅡ型單粒氣吸式播種機(jī)，通過排種器周邊均勻分布的、帶有負(fù)壓的吸嘴實現(xiàn)氣吸式排種，更換不同吸嘴可播種不同作物[5]。20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入發(fā)展期，奧地利Wintersteiger公司生產(chǎn)出一種較成熟的氣吸組合式小區(qū)精密播種機(jī)，可用于小麥作物的單粒點播并且精準(zhǔn)度較高，非常適用于小區(qū)田間育種試驗，在許多國家和地區(qū)得到推廣使用[6]。

歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，國外的小麥小區(qū)精播機(jī)逐步進(jìn)入成熟期，原理日趨成熟，功能更加完備，已實現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化并達(dá)到較高水準(zhǔn)，具有以下特征。

(1)機(jī)具通用性強，選配不同排種器等關(guān)鍵部件可以進(jìn)行單粒和多粒精密播種切換，以及播種向日葵、玉米等其他作物，可滿足不同試驗需求[6-7]。

(2)播種質(zhì)量好，播種定位控制器及監(jiān)控器等電子元件的安裝可對播量粒距等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整以保證作業(yè)質(zhì)量[8]。

(3)自動化水平高，可自動完成清種、供種等操作，目前正趨于全程自動化。

(4)智能化水平高，計算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)的運用，在保證農(nóng)藝參數(shù)的同時，提高了小區(qū)播種機(jī)作業(yè)的精準(zhǔn)性[7]。

2.2 典型代表及產(chǎn)品

奧地利Wintersteiger公司、德國Haldrup公司在小麥小區(qū)精密播種機(jī)研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，其中最具代表性的是Wintersteiger公司的Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)(圖3)。該機(jī)專為小區(qū)精密播種而設(shè)計，搭配播種定位控制器、自動供種及GPS定位等先進(jìn)裝置，可實現(xiàn)高效精準(zhǔn)點播[9]。

圖3 Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)Fig.3 Monoseed TC self-propelled seed drill

盡管處于行業(yè)先進(jìn)水平，但是Wintersteiger公司研發(fā)的小麥小區(qū)精播機(jī)存在共性缺點——更換品種時需要停機(jī)清種，因此降低了作業(yè)效率，而且由于停機(jī)時間短對風(fēng)壓要求特別高。因為其產(chǎn)品采用的是由一個固定的螺旋槽圓盤和一個帶有徑向槽的圓盤相疊加的組合吸孔式排種器(圖4)。播種時依靠負(fù)壓將種子吸附到由徑向槽孔與螺旋槽孔重疊處形成的孔口上；一個小區(qū)播種結(jié)束后為避免品種混雜，排種器倒轉(zhuǎn)，負(fù)壓消失，種子從孔口處跌落到種子室，操作換氣閥使種子室與真空管相連才能把種子室內(nèi)的種子吸到集料桶中完成清種操作。

圖4 Wintersteiger公司的排種器Fig.4 Seeding device of Wintersteiger

德國Haldrup公司研發(fā)的SD-50型自走式播種機(jī)(圖5)也是一款非常出色的育種機(jī)械。該款精播機(jī)基于模塊化設(shè)計，使得機(jī)具寬度等參數(shù)靈活可調(diào)，提高了機(jī)具的適用性；采用四輪驅(qū)動，可靠性較強且能適應(yīng)不同的播種條件；可配備錐體格盤式分種系統(tǒng)和彈匣式自動供種裝置，自動化水平較高；采用氣吸式精密排種器，可精密點播小麥等作物。缺點是該款精播機(jī)采用的是玉米氣吸式排種器(圖6)，只簡單地更換了吸盤，導(dǎo)致播種小麥時清種不干凈，常會發(fā)生夾種的情況。

圖5 Haldrup SD-50型自走式播種機(jī)Fig.5 Haldrup SD-50 self-propelled planter

圖6 Haldrup公司的玉米氣吸式排種器Fig.6 Seeding device used for corn of Haldrup

由于國內(nèi)外育種試驗方法及小區(qū)參數(shù)存在較大差異，而且國外機(jī)具價格昂貴，遠(yuǎn)超國內(nèi)諸多育種單位的購買力，再加上售后服務(wù)不及時等諸多因素，導(dǎo)致國外的小麥小區(qū)精播機(jī)無法精準(zhǔn)滿足國內(nèi)育種市場的需要。

3 國內(nèi)研究歷程及現(xiàn)狀

3.1 研究歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

改革開放前，國內(nèi)無小區(qū)精密播種機(jī)，改革開放后，從國外引進(jìn)了Plotspider自走式小區(qū)精播機(jī)，但由于國內(nèi)外小區(qū)農(nóng)藝參數(shù)差異較大無法推廣應(yīng)用[10]。那一時期，國內(nèi)對小區(qū)精播機(jī)的研制處于停滯階段[11]。

1983年，挪威農(nóng)業(yè)大學(xué)教授奧約德應(yīng)邀來到國內(nèi)講學(xué)、國際田間試驗機(jī)械化協(xié)會中國分會的建立，以及國內(nèi)種子繁育事業(yè)的需要促進(jìn)了我國小區(qū)播種機(jī)的研發(fā)，出現(xiàn)了ZXJB-4型小區(qū)精密播種機(jī)和XBJ-150型系列小區(qū)播種機(jī)，解決了小麥小區(qū)定量條播問題，但并未徹底解決小麥小區(qū)精播難題[9，12-13]。

2009年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基于電磁振動原理設(shè)計出自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)小麥小區(qū)播種機(jī)自動供種。2011年，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)利用機(jī)電一體化技術(shù)研發(fā)出連續(xù)供種裝置，并在小麥小區(qū)播種機(jī)上得到應(yīng)用[14]。上述裝置的研發(fā)成功，提升了國內(nèi)機(jī)具自動化水平，促進(jìn)了小麥小區(qū)精播機(jī)的研發(fā)。

2015年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)與中機(jī)美諾科技股份有限公司融合機(jī)械控制與電控的優(yōu)勢，研發(fā)出自動上種及倒種裝置，在2BY-6型育種試驗播種機(jī)上進(jìn)行了運用，可自動進(jìn)行上種與倒種工序，為后續(xù)研究奠基了有力基礎(chǔ)[15]。

截至目前，國內(nèi)有13家單位從事小麥小區(qū)精密播種機(jī)的研發(fā)工作并解決了小麥小區(qū)精密播種難題。其中，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司和河南力墾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司為小麥小區(qū)精播機(jī)的研制做出了不小的貢獻(xiàn)，技術(shù)處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

3.2 典型代表及產(chǎn)品介紹

2020年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)與青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司聯(lián)合研發(fā)出YC1306A型自走式小麥小區(qū)精播機(jī)(圖7)。該機(jī)采用獨立研發(fā)的雙種腔式精量排種器，利用氣吸原理可精密點播不同種類麥類作物和油菜等小籽粒作物，解決了不停機(jī)清種的難題；具有自動供種裝置，配備北斗輔助控制系統(tǒng)及輔助走直駕駛系統(tǒng)，自動化及智能化水平較高，操作簡單；采用液壓無級變速駕駛時靈活度高，作業(yè)參數(shù)可調(diào)。該機(jī)在國內(nèi)處于較高水平，適用于國內(nèi)大多數(shù)育種單位，先后在河北、山東等地的育種單位進(jìn)行了小麥小區(qū)精密播種試驗。試驗結(jié)果表明，其作業(yè)效率高、播種質(zhì)量好，受到相關(guān)科研院所的一致好評。

圖7 YC1306A型自走式小麥小區(qū)精播機(jī)Fig.7 YC1306A self-propelled plot precision seeder

河南力墾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司借鑒Wintersteiger公司Monoseed TC型自走式單粒播種機(jī)，研制出2BZL1250型自走式數(shù)控單粒播種機(jī)(圖8)，解決了小麥小區(qū)精密播種難題，但是清種時需要停機(jī)，播種效率略低。

圖8 2BZL1250型自走式數(shù)控單粒播種機(jī)Fig.8 2BZL1250 self-propelled CNC single seeder

4 需解決的關(guān)鍵問題及研究建議

小麥小區(qū)精播機(jī)普遍存在播種作業(yè)速度低、作業(yè)效率低的問題，需要重點研究高速作業(yè)過程中不停機(jī)清種的排種器工作原理和結(jié)構(gòu)型式。

國內(nèi)的氣吸式精播機(jī)智能化水平較低，如播種過程可視化程度較差、預(yù)設(shè)路徑和實時調(diào)控等方面研究成果較少等，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，加強相關(guān)軟硬件的開發(fā)。

進(jìn)一步完善各作業(yè)部件工作機(jī)理，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化或方案改進(jìn)，保證株距行距等參數(shù)的精確性，提高整機(jī)作業(yè)性能，進(jìn)一步減少重播漏播等現(xiàn)象的發(fā)生。將其工作機(jī)理拓展到其他農(nóng)作物的播種、清種環(huán)節(jié)。

5 國內(nèi)小區(qū)精播機(jī)發(fā)展展望

近年來，國家相關(guān)部門多次強調(diào)種子繁育事業(yè)的重要性，號召大力推進(jìn)育繁推一體化進(jìn)程，加快宜機(jī)化生產(chǎn)，并出臺相關(guān)扶持政策，這些都對育種機(jī)械行業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。另一方面，隨著種業(yè)發(fā)展對育種機(jī)械需求量的不斷擴(kuò)大，各地育種單位都在積極探尋適合該地區(qū)的育種機(jī)械，這種內(nèi)驅(qū)力會吸引更多科研單位及農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)投入到小區(qū)精密播種機(jī)研發(fā)的工作中，從而帶來行業(yè)的快速發(fā)展和育種機(jī)械的推陳出新。

在研發(fā)小區(qū)精密播種機(jī)械時，還應(yīng)注意以下問題。

(1)合理控制研發(fā)成本，在研發(fā)高智能化、高自動化和播種質(zhì)量佳的大型精密播種機(jī)時要顧及大多數(shù)育種單位的消費能力。

(2)加強農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合力度，廣泛調(diào)研、充分考慮國內(nèi)大多數(shù)育種單位的作業(yè)參數(shù)，提高機(jī)具的適用性。

(3)提高小麥小區(qū)精密播種作業(yè)全程自動化和智能化水平，降低勞動力成本。

(4)加速科研成果轉(zhuǎn)化，加強新型農(nóng)機(jī)具宣傳推廣力度。