張海晴 ，陳逸飛 ，喬 平

（蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物，也是全球重要的糧食作物之一，玉米增產(chǎn)提質(zhì)對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。近60 年，我國玉米種植面積增長了4～5 倍，總產(chǎn)量增加了10 倍以上[1]。但在我國的許多農(nóng)業(yè)地區(qū)，想要在高產(chǎn)期高質(zhì)量地完成大面積玉米種植作業(yè)并不容易。玉米精密播種技術(shù)及機械的推廣，可以有效提高玉米播種效率[2]。同時，玉米精播機械具有省種、省時、高產(chǎn)等優(yōu)點，能夠提高農(nóng)民的經(jīng)濟效益。因此，越來越多的農(nóng)民開始使用玉米精密播種機械[3]。

雖然我國玉米種植面積飛速增長，但是在單位面積產(chǎn)量方面，與美國相比仍有很大差距[4]，2020 年數(shù)據(jù)顯示，我國玉米單位面積產(chǎn)量僅為美國的60%。造成這一情況，除了土地條件等自然因素、玉米品質(zhì)參差等差別外，種子漏播所導致的先天性減產(chǎn)也是一個重要原因。解決玉米種子漏播問題的一種可行方法是應用玉米精密播種機械[5]。玉米精密播種機械可以同步進行挖穴與落種，并適應各種播種環(huán)境，能夠提高播種的效率，提高種子發(fā)芽率，從而實現(xiàn)玉米高效率播種[6]。本文簡要概述了關(guān)于玉米精密播種機械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、尚存的問題以及解決策略。同時，對玉米精密播種機械未來的發(fā)展方向進行了展望。

1 玉米精密播種機械研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)玉米精密播種機械研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于玉米精密播種的相關(guān)研究從20 世紀70年代開始，陸續(xù)研制了基于不同原理、不同結(jié)構(gòu)形式的玉米精密播種機械[7]。

精密播種機械的載體是排種器，最先實現(xiàn)玉米精密播種的是機械式精密排種器。機械式精密排種器主要依靠容腔實現(xiàn)取種和攜種[8]。目前我國常用的機械式精密排種器有三種，分別是勺輪式排種器、指夾式排種器和氣力式精量排種器。

1）勺輪式排種器：通過導種葉輪與排種勺的等速轉(zhuǎn)動，在充種區(qū)完成取種的過程，從而隨著排種盤的旋轉(zhuǎn)在清種毛刷和重力的同步作用下進行清種過程，種子通過導種葉輪完成排種，實現(xiàn)單粒精密播種[9]。勺輪式排種器是玉米精密播種機的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著玉米精密播種的質(zhì)量[10]。

2）指夾式排種器：通過輪機控制指夾在調(diào)定位置的開啟與關(guān)閉，進行攜種、清種、排種的工作過程，由于指夾與固定盤之間存在互相作用力，這種工作方式可以有效降低排種器在排種過程中受到振動等外界因素的影響，提高播種精度[11]。王金武等[12]通過建立因素與指標之間的數(shù)學模型，進行排種適應性試驗，發(fā)現(xiàn)指夾式精量玉米排種器具有良好的適應性，能滿足精密播種的農(nóng)藝需求。苑嚴偉等[13]圍繞玉米播種的排種、投種、著床3 個過程展開研究，設計了一種自身結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)最優(yōu)組合的指夾式排種器。

3）氣力式精量排種器：主要通過空氣壓力或真空負壓進行充種過程，使用機械式清種結(jié)構(gòu)或清種毛刷完成清種，實現(xiàn)玉米單粒精密排種。氣力式排種器適應性強，傷種率低，在高速作業(yè)時仍能夠?qū)崿F(xiàn)精密播種，因此在我國得到廣泛應用[14]。

1.2 國外玉米精密播種機械研究現(xiàn)狀

玉米精密播種主要通過玉米播種機來實現(xiàn)。為了提高播種機的性能，國外學者進行了大量研究，對排種器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，如排種盤型孔數(shù)、型孔結(jié)構(gòu)、型孔直徑等[15-17]；優(yōu)選播種機的作業(yè)參數(shù)，例如排種盤的氣壓、轉(zhuǎn)速、播種機作業(yè)速度等；優(yōu)化導種管的結(jié)構(gòu)[18]，優(yōu)選開溝器[19]等。歐美發(fā)達國家早期就開始采用機械化與規(guī)?；姆椒▉砀咝Ч芾碛衩追N植工作，他們在玉米精密播種機械與精確排種器的研究方面一直走在前列。這些國家已經(jīng)研發(fā)出多種系列的精確排種器和播種裝置，并不斷朝著提高精確度、加快種植速度以及實現(xiàn)智能化的方向發(fā)展[20]。目前，歐美發(fā)達國家主要采用氣力式排種器，許多農(nóng)業(yè)先進國家在20 世紀50 年代就開始推廣使用氣力播種技術(shù)。氣力播種按排種原理不同可分為氣吸式、氣壓式和氣吹式播種[21]，并增加輔助導種裝備，具有通用性較好、排種精度較高等優(yōu)點，但其復雜性也逐步增加，成本較高。在研制氣力式玉米播種機的同時，國外也研制了一些機械式玉米精密播種排種器，具有代表性的主要有：Great Plains Manufacturing 公司開發(fā)的通過改變排種輪以播種多種作物的單粒排種器、以Nibex 為代表的勺匙式精密排種器[22]。與歐美發(fā)達國家相比，我國因受各種因素限制，氣吸式播種機具仍在普及過程中。對此方面的研究是未來一段時間內(nèi)我國玉米精密播種的發(fā)展方向[23]。

2 存在的問題

2.1 技術(shù)推廣與應用的瓶頸

雖然玉米精密播種機械在理論研究和實踐應用方面取得了顯著成果，但在技術(shù)推廣和應用過程中仍面臨一定的瓶頸。如果擴大勺輪的尺寸，可以在勺輪圓周上增加均勻分布的種子槽數(shù)量，從而提高播種的效率。然而，由于技術(shù)水平和成本的制約，無法無限制地增加勺輪的尺寸。為了提高播種效率，必須對勺輪的旋轉(zhuǎn)速度適當進行控制，以確保其保持在合適的范圍內(nèi)。對于勺輪式播種器，控制播種速度顯得尤為重要。在進行精準播種作業(yè)時，需要實現(xiàn)種子的均勻分布和保持穴距的一致性。這通常需要通過控制勺輪式播種器的旋轉(zhuǎn)速度與播種機前進速度的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)，而這一過程的難度相對較高。與勺輪式排種器相比，指夾式排種器的成本較高，因此，指夾式排種器的適用范圍相對較小。該類型排種器的關(guān)鍵在于指夾器在排種盤上的分布方式以及配套彈簧彈性系數(shù)的確定等方面。如果設計方法不合理，排種過程中可能會導致種子受損、需要重新播種或者出現(xiàn)漏播等情況，從而對精密播種效果造成不利影響。

與機械式排種器相比，氣力式排種器的成本較高，因此，氣力式排種器的適用范圍較窄。氣力式排種器的核心組件是真空氣室，其真空度與吸孔直徑、吸孔數(shù)量、吸種圓盤尺寸、播種作業(yè)速度、播種高度等多種因素緊密相關(guān)，這些因素對最終的播種效果產(chǎn)生顯著影響[24]。

2.2 缺乏可靠性試驗

目前，運用各種新技術(shù)、新原理研制的精密排種器在理論上都是可行的。然而，能用試驗證明高性能指標的玉米精密排種器不多。

現(xiàn)階段，試驗檢測排種器性能，多為光電檢測和人工檢測[25]?？墒褂霉怆姍z測來檢測是否存在漏播情況，但檢測準確性不高，并且試驗種子缺少嚴格分級處理，因此試驗結(jié)果誤差較大。人工檢測排種器性能時，比較直觀，能較好地反映種子的著落情況。但是人工檢測過程中，某些缺陷會讓人產(chǎn)生視覺疲勞，導致很多誤判；人工檢測還容易受到外界干擾，檢測效率難以得到保證。因此，精密排種器的試驗需要更加科學、可靠的檢測裝置。

排種器在不同土壤中的適應性不同，高性能的玉米精密排種器還需要通過對不同的土壤類型進行適應性研究，以保證其在不同的土壤都能實現(xiàn)精準排種。

3 應對措施

精密播種機是實現(xiàn)玉米精密播種機械化的主要手段，對播種質(zhì)量具有關(guān)鍵性影響。在此背景下，排種器作為精密播種機的核心組件，扮演著重要角色，其優(yōu)化和設計對播種質(zhì)量具有決定性的作用[26]。

通過對排種器的排種盤結(jié)構(gòu)形狀進行改良，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎上進行優(yōu)化，在新設計中，排種器的外殼采用鑄鐵材料澆鑄而成，排種器的真空室采用了馬蹄形設計。此外，在排種盤上加裝了攪種輪，使播種過程更加均勻。排種器的蓋子采用透明材料制作，方便觀察內(nèi)部情況。值得注意的是，這項研究對傳統(tǒng)的圓形排種盤結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新，保留了取種口底部的吸孔，并在排種盤上增加了取種結(jié)構(gòu)和攪種結(jié)構(gòu)。這一新型排種器在低壓和高速的工況下都具有出色的排種性能[27]。

4 結(jié)論與展望

課題組綜述了玉米精密播種機械的研究現(xiàn)狀與進展，分析了目前面臨的挑戰(zhàn)。未來研究應著力解決以下幾個方面的問題：一是提高玉米精密播種機械的經(jīng)濟性與可操作性，加大技術(shù)推廣力度；二是針對不同區(qū)域的特點開展適應性研究，提高精密播種機械在各地的應用效果；三是進一步拓展智能化精密播種機械的研究領域，加強與其他現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械的融合與發(fā)展。

目前我國正在玉米精密播種機械方面積極研究，盡管如此，與發(fā)達國家相比仍存在差距。隨著農(nóng)機企業(yè)和科研機構(gòu)對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)等創(chuàng)新理念的理解逐步深入，我國玉米精密播種機械也必將朝著更高效率、高性能、智能化的方向深入發(fā)展。