柏永祥，楊小平，石林榕，田劍峰，臧 金

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黨參，別名“條黨”，桔?？泣h參屬多年生草本植物，質(zhì)較軟而結(jié)實，斷面稍有裂隙，皮部黃百色，木部淡黃色，具有增強機體應(yīng)激能力、免疫功能、延緩衰老、抗?jié)?、抗腫瘤、升血糖和抑菌等作用。黨參多生長于西藏東部、四川西部和甘肅東部等地區(qū)，其種子為橢圓形，其長軸約為1.22 mm，短軸約為0.68 mm。黨參的種植可以采取育苗移栽法與種子直播法，育苗移栽法生長周期較短，但會損傷根系，導(dǎo)致根芽腐爛，進而引起缺苗現(xiàn)象。種子直播法生產(chǎn)周期長(3～5年)，但其缺苗率低、作業(yè)效果好。

黨參在甘肅省渭源地區(qū)為主要經(jīng)濟作物，為了提高農(nóng)戶的收入，黨參機械化生產(chǎn)勢在必行，現(xiàn)在市場上針對黨參播種的機械設(shè)備較少，且基本是半機械化的移栽機械，存在效率不高、價格昂貴和作業(yè)穩(wěn)定性差等問題，黨參直播機械的研制問題亟待解決[1-3]。

1 播種機械的種類

播種機械根據(jù)其工作對象可分為移栽機械和直播機械。

1.1 移栽機

移栽機械[4-5]常用于水稻、棉花等小籽粒作物，主要由喂入器、導(dǎo)苗管、扶苗器、開溝器和覆土鎮(zhèn)壓輪等工作部件組成。當前，比較成熟的栽植機構(gòu)包括鏈夾式、撓性圓盤式、行星齒輪式和多連桿式等，這些移栽機構(gòu)的栽植軌跡均為有環(huán)扣的余擺線，在平整地面上可以保證缽苗的栽植效果，但甘肅省黨參多種植在丘陵山區(qū)，地塊小、不平整，移栽機難以保證移栽的質(zhì)量。

移栽機工作時，經(jīng)人工分苗，將秧苗整齊放入到喂入器的喂入筒中，當喂入筒轉(zhuǎn)到導(dǎo)苗管的上方時，喂入筒下面的閥門打開，秧苗靠自身重力下落到導(dǎo)苗管內(nèi)，通過傾斜的導(dǎo)苗管將秧苗引入到開溝器開出的苗溝里，秧苗在扶苗器的扶持下呈直立狀態(tài)，然后在開溝器和覆土鎮(zhèn)壓輪共同作用下完成覆土、鎮(zhèn)壓的栽植過程[6-8]。

1.2 直播機

直播機由排種器、種箱、開溝器、鎮(zhèn)壓輪、機架等機械部件組成，其中排種器是直播機的核心部件。排種器設(shè)計的合理性直接決定直播機的工作效果，根據(jù)排種器的工作方式，播種機分為機械式直播機、氣吸式直播機以及其他形式[9-10]。

表1 移栽機的優(yōu)缺點

1.2.1 機械式直播機

世界上出現(xiàn)的第一臺直播機械是1636年在希臘被研制出來的機械式直播機，直到今天，機械式播種機使用量依然是最多的。根據(jù)排種器的特點，可以將機械式直播機分為指夾式、外槽輪式、窩眼輪式、圓盤式和勺式等播種形式，直播機運轉(zhuǎn)過程中，通過動力源帶動其在田間行走，行走輪做勻速運動，帶動排種輪做自轉(zhuǎn)運動，種子經(jīng)排種輪進入開溝器內(nèi)部，在重力的作用下均勻落在開溝器事先開好的溝槽內(nèi)，完成排種過程[11]。窩眼輪式排種器原理簡單、播種精度高，改變窩眼輪形狀可以準確控制排種量，適用于黨參的播種。

1.2.2 氣吸式直播機

氣吸式直播機是研究者在總結(jié)機械式直播機的不足后，經(jīng)過不斷改進研制而成的，其工作原理是通過風(fēng)機不斷向排種器內(nèi)輸入風(fēng)力，在密閉的排種室內(nèi)形成負壓或者正壓空間，種子在排種室內(nèi)通過壓力的作用，被固定在排種盤上的窩眼內(nèi)隨排種盤旋轉(zhuǎn)，當種子隨排種盤離開氣室后不再受氣壓的影響，依靠自身的重力作用落入由開溝器事先開好的溝槽內(nèi)完成排種作業(yè)，多余的種子則在刮種盤的作用下落回排種室內(nèi)[12-13]。氣吸式直播機的作業(yè)精度高，能適應(yīng)不規(guī)則形狀的種子，對種子的傷害較小，可以完成高速作業(yè)，但相比機械式來說，其適用于黨參種子的吸嘴制造工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，在成本增加的同時且不能保證播種作業(yè)效果。

1.2.3 其他形式

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者將多學(xué)科理論綜合運用到直播機械的研究中去，對直播機進行了新的探索，在傳統(tǒng)直播機的基礎(chǔ)上提出了許多新興的理論。

靜電播種是由日本學(xué)者提出的一種新型播種技術(shù)[14]。其工作原理是播種前對種子進行處理，使其具有磁性，利用電磁鐵與磁性物質(zhì)間的吸附作用，將種子固定在排種盤上，工作時利用開關(guān)控制電源間接控制磁力的產(chǎn)生，完成排種工作。

流體播種技術(shù)是由英國學(xué)者最早提出的，其原理是將水、保水劑、農(nóng)藥、肥料、激素等按照預(yù)先設(shè)置好的比例配置成凝膠懸浮劑，將種子與懸浮劑混合，使種子可以均勻地分散在懸浮劑中[15]。播種時，通過懸浮液的均勻噴灑來達到精量播種的目的。該技術(shù)克服了小顆粒種子形狀小且不規(guī)則的難題，同時可以為種子的萌發(fā)提供必要的水分和肥料，該技術(shù)已經(jīng)開始在蔬菜和花卉的播種領(lǐng)域內(nèi)試用。

種子帶播種最先由日本學(xué)者提出，其工作原理是將種子預(yù)先按一定種距編入編織袋內(nèi)，再由專門開發(fā)的播種機械將編織袋平鋪在田間，覆蓋土壤[16-17]。這種播種技術(shù)可以保證播種的出苗率和均勻性，但種子入帶工序復(fù)雜，增加了成本，不適合于在甘肅小面積黨參種植地區(qū)使用。

2 黨參播種機械國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

相較于國內(nèi)的播種機械研究，歐美國家則起步較早，從20世紀40年代便開始研究播種機械，目前已經(jīng)研究出多款適應(yīng)不同地形以及播種需要的機型，并擁有多項自主專利，在播種機械的研究中處于國際領(lǐng)先水平。

2.1 國外移栽機

20世紀30年代，國外一些學(xué)者開始研究移栽機，20世紀50年代，第一臺半自動移栽機問世，20世紀80年代，移栽機在歐美國家廣泛使用。經(jīng)過科研工作者的不斷努力、優(yōu)化，如今國外移栽機技術(shù)已經(jīng)非常完善。

日本井關(guān)研制的PVHR2蔬菜移栽機如圖1所示，采用乘坐式作業(yè)，單程可以完成多行作業(yè)，避免了同一壟上反復(fù)插秧對田塊造成的損傷。其前輪裝有左右平衡裝置，通過左手調(diào)節(jié)手柄可以控制機體傾斜，增加機體的平穩(wěn)性，搭配升降傳感器，確保移栽的深度一致，以及移栽軌跡整齊。

圖1 日本關(guān)天的PVHR2

意大利Ferrari的FPA系列移栽機[20]如圖2所示，采用人工投苗的方式，最高移栽速度可以達到2 000 株/h，通用性好。隨著育苗技術(shù)的提高，工廠化育苗技術(shù)為自動取苗的實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)，進入20世紀90年代，國外的移栽機邁向了全自動、多功能的方向。

圖2 意大利Ferrari的FPA

洋馬YR60DZF高速乘坐式插秧機[21]如圖3所示，其動力穩(wěn)定，控制臺設(shè)有水平控制裝置(UFO)，在作業(yè)時始終保持移栽臺水平，配有V型整地滾輪可以平整田地，穩(wěn)定插秧與施肥深度，同時減少水浪費以及土塊對已插秧苗的影響。

圖3 洋馬YR60DZF

2.2 國外直播機

20世紀60年代歐洲以Gianni為代表的學(xué)者采用真空式原理研發(fā)出種子穴播排種器，開辟了一個針對小籽粒的精量穴播時代。Hudspeth和Wanjura共同設(shè)計的X行播種裝置的真空穴播排種器、Parish設(shè)計的垂直排種盤式排種器，均在不同程度上提高了播種效率[22-23]。美國大平園(Great Plains)公司自主研發(fā)的PS1572型懸掛式牧草播種機能夠完成牧草的精量播種[24]，其公司的精密排種器裝置可以精確地控制排種量，最小播種量可以控制在0.6 kg/hm3，作業(yè)寬度為1.8 m，每次作業(yè)行數(shù)最大為10行，行距為20 cm。工作過程中其可以精準控制播種深度，同時其自帶的前后輪鎮(zhèn)壓設(shè)計，可細碎苗床，為種子創(chuàng)造良好的萌發(fā)環(huán)境。PS1572型懸掛式牧草播種機如圖4所示。

圖4 PS1572型懸掛式牧草播種機

美國滿勝(MONOSEM)公司研制的6行免耕播種機利用氣吸式排種盤，擁有獨特的調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)種子的大小、形狀調(diào)節(jié)風(fēng)量吸力和刮種器位置，平衡彈簧的設(shè)計可以有效減少機器行進過程中的振動沖擊，能適應(yīng)土質(zhì)較硬的田地，在可調(diào)節(jié)V型鎮(zhèn)壓輪的作用下使種子被土壤完全覆蓋，將機械與電子技術(shù)結(jié)合，在作業(yè)過程中實時監(jiān)視排種效果[25-26]。美國滿勝(MONOSEM)公司研制的6行免耕播種機如圖5所示。

圖5 6行免耕播種機

2.3 國內(nèi)移栽機

國內(nèi)移栽機械的研究是從20世紀70年代開始的，主要以引進國外先進機型加以改進為主，經(jīng)過研究者多年的努力，國內(nèi)已經(jīng)自主研制出一批適應(yīng)于我國國情的機型，20世紀80年代我國在蘇聯(lián)CP-6和CPH-4型移栽機的基礎(chǔ)上成功研制出半自動移栽機。久保田農(nóng)業(yè)機械(蘇州)有限公司生產(chǎn)的久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧機如圖6所示，其通過配有的節(jié)能啟停手柄可以停止或者啟動發(fā)動機，減少能耗，防陷變速桿可以在泥腳較深的田塊保持穩(wěn)定的作業(yè)。

圖6 久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧機

韋利波[27]等研制的甘草移栽機，結(jié)合了甘草移栽的農(nóng)藝要求，采用自動分苗機構(gòu)和自動移栽機構(gòu)，實現(xiàn)了一次完成開溝、自動分苗、送苗、栽苗、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)，操作簡單，效率高，大大減少了甘草移栽過程中的人力消耗。甘草移栽機如圖7所示。

圖7 甘草移栽機1.開溝器；2.輸苗帶搜器；3.輸苗帶；4.滑道；5.移植器；6.機架；7.傳動系統(tǒng)；8.地輪；9.覆土器；10.鎮(zhèn)壓輪

安徽博萊澤農(nóng)業(yè)機械科技有限公司研制出的博萊澤2ZB-4秧苗移栽機如圖8所示，該機型集覆膜、鋪滴灌管、鎮(zhèn)壓以及覆土等能力為一體，多種模式可以滿足不同地區(qū)的作業(yè)要求，采用行星齒輪回轉(zhuǎn)栽苗方式，傳動可靠，維護方便。

圖8 博萊澤2ZB-4秧苗移栽機

2.4 國內(nèi)直播機

勃農(nóng)興達機械有限公司自主設(shè)計的2BHS-2 型黃芪壟上撒播機[28]，在外槽輪型小麥排種器的基礎(chǔ)上加以改進，能一次完成黃芪的播種開溝、施肥、排種和覆土作業(yè)。經(jīng)過田間試驗證明：該機型能滿足黃芪壟上撒播作業(yè)的農(nóng)藝要求，作業(yè)效果好。已經(jīng)得到種植戶的認可。2BHS-2 型黃芪壟上撒播機如圖9所示。

圖9 2BHS-2 型黃芪壟上撒播機1.排種器組合；2.調(diào)節(jié)手柄；3.輸種管；4.播種開溝器；5.連接桿組合；6.黃芪散種器組合；7.起壟鏵組合；8.拉板型覆土器組合；9.鎮(zhèn)壓器；10.施肥開溝器；11.驅(qū)動輪；12.機架；13.排肥器；14.種肥箱組合

侯華銘[29]團隊根據(jù)精量播種的農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種傾斜圓盤式小籽粒精少量排種裝置，如圖10所示。該排種裝置可維持穩(wěn)定充種，依靠自身重力完成柔性清種，彈性推種器的設(shè)置可以清除少數(shù)卡在間隙內(nèi)的種子，確保種距。由于是柔性設(shè)計，可以有效避免種子損傷。

圖10 傾斜圓盤式小籽粒精少量排種裝置1.種箱；2.卸種孔；3.充種室；4.排種器殼體；5.充種孔；6.落雜孔；7.排種孔；8.排種槽；9.充種盤孔處凸臺；10.排種盤槽孔處凸臺；11.充種盤；12.殼體隔板；13.排種盤；14.排種盤上凸臺；15.排種器軸；16.滾動軸承；17.落種孔；18.殼體內(nèi)凸緣；19.彈性推種器；20插板；21.充種盤下凸臺；22.進種孔

劉曉東等[30]針對機械式排種器播種精度不足的問題設(shè)計和試驗了沉孔輪式排種器，如圖11所示。

圖11 沉孔輪式排種器1.開溝器；2.串孔；3.鏈條；4.主動鏈輪；5.從動鏈輪；6.種箱；7.毛刷；8.沉孔輪；9.定位卡；10.底座；11.串孔；12.覆土板

錢國鋒等[31]為了更好地提高機械式排種器的效率與精度，在傳統(tǒng)機械播種器的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款偏心內(nèi)嵌式精量扎穴播種器，如圖12所示，有效改善了傳統(tǒng)播種方式阻力大、能耗高的問題。

圖12 偏心內(nèi)嵌式精量扎穴播種器1.主軸；2.型孔凹輪；3.存種腔；4.擺桿；5.扎穴臂外殼；6.防卡片；7.活塞腔；8.扎穴活塞；9.排種腔；10.清種毛刷；11.安裝架固定軸；12.回位彈簧

邢鶴琛團隊[32]為滿足長江地區(qū)小籽粒作物的播種要求，提高播種機械的作業(yè)效率、優(yōu)化播種機零件結(jié)構(gòu)并有效減少機械式播種機械易損傷種子和堵塞窩眼等問題，設(shè)計了一款斜錐型孔輪式集排器，如圖13所示，該排種器無需清種裝置與護種裝置，田間試驗證明該排種器能滿足播種要求。

圖13 斜錐型孔輪式集排器

3 存在的問題

國內(nèi)的農(nóng)機研究起步較晚，大部分播種機械都是由國外引進然后經(jīng)過二次改進，缺乏針對我國國情的自主研發(fā)和創(chuàng)新的機械。當前由國內(nèi)自主研發(fā)的小籽粒直播機型較少，在引進國外技術(shù)和自主研發(fā)的過程中，存在以下問題亟待解決。

3.1 播種量難以控制

黨參種子的千粒重約為0.31 g，多呈不規(guī)則形狀，由于種子在運輸過程中相互摩擦，產(chǎn)生靜電，相互粘結(jié)，一般排種盤上的型孔無法確保每穴播種量。

3.2 株距難以控制

由于黨參種子體積小、質(zhì)量輕，在下落過程中易受氣流干擾，使得種子在脫離排種器后無法落入預(yù)定區(qū)域，特別是高距離投種時，無法保證良好的株距。

3.3 規(guī)?；N植難以實現(xiàn)

國內(nèi)黨參的種植大多以小規(guī)模種植為主，尚未形成大規(guī)模、批量化種植的模式。然而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械的實現(xiàn)，規(guī)?；N植是首要條件，因此農(nóng)業(yè)種植規(guī)模化亟需進一步發(fā)展，與全程機械化作業(yè)相配合。

3.4 研發(fā)投入不足

近些年國內(nèi)科研工作者研究方向以大型農(nóng)機為主，對于小面積種植作物的播種機械研發(fā)投入不足，機械化程度低，使得現(xiàn)有個體農(nóng)戶仍然依靠傳統(tǒng)人工種植，造成了生產(chǎn)效率低下，人力資源浪費嚴重的現(xiàn)象，因此急需加大小面積、小籽粒播種機械的研發(fā)投入以適應(yīng)不同地區(qū)的種植模式。

4 展望

(1)隨著智能化技術(shù)不斷地發(fā)展，智能化監(jiān)測系統(tǒng)越來越成熟，將其運用到黨參直播機械上，可以及時發(fā)現(xiàn)播種過程中因黨參種子體積小、質(zhì)量輕而發(fā)生的重播和漏播問題，提高播種機械的作業(yè)質(zhì)量。

(2)3D打印技術(shù)已經(jīng)相當完善，在黨參直播機的窩眼設(shè)計時，采用3D打印技術(shù)設(shè)計異型窩眼，可以制造出理想的窩眼輪，以便精確地控制黨參的播種量，提高黨參播種機械的性能。

(3)將播種作業(yè)與開溝、覆土、施肥、鋪膜等作業(yè)整合，實現(xiàn)多功能聯(lián)合作業(yè)。聯(lián)合作業(yè)可以減少機械下地對土壤的破壞，降低費用，提高效率。

(4)我國黨參小規(guī)模種植是制約黨參產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，在未形成大規(guī)模種植之前，適當加大對小規(guī)模種植機械投入，是提高甘肅省黨參生產(chǎn)效率的重要舉措。

5 結(jié)束語

與西方發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)機械化的研究起步較晚，機械化水平低，對黨參等小籽粒作物排種裝置的研究有明顯的差距，主要體現(xiàn)在排種器的技術(shù)含量、工作穩(wěn)定性等方面。國外農(nóng)業(yè)機械主要適用于大規(guī)?；N植，不符合我國種植的基本國情，不適合大批引進。近年來，我國科研人員在國外成熟的技術(shù)上進行二次優(yōu)化創(chuàng)新，設(shè)計出一批適合于我國國情的種植機械，提高了我國農(nóng)機機械化水平，但是在工作中仍然存在一些問題。因此，未來對種植機械的優(yōu)化，解決工作時暴露出的問題，縮短與發(fā)達國家農(nóng)機的差距，促進我國農(nóng)業(yè)機械化蓬勃發(fā)展，是我們每一個科研人員的使命。

近年來甘肅省的藥材產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但黨參種植面積依然占比不高，黨參生產(chǎn)機械化水平過低，作為生產(chǎn)過程中重要環(huán)節(jié)之一的播種作業(yè)，其機械化程度與其他農(nóng)作物相比更是存在明顯差距。在整理國內(nèi)外黨參類小籽粒播種機械的基礎(chǔ)上，本文分析指出了甘肅省黨參直播機械當前面臨的問題，主要是播種量和株距難以控制、規(guī)?；N植難以實現(xiàn)、研發(fā)投入不足等。對此，本文提出了未來黨參機械化播種發(fā)展的趨勢，以期更快研制出適應(yīng)甘肅省的黨參直播機械，逐步推動黨參生產(chǎn)全程機械化。