張鵬飛 李景宇 張思豪 刁培松 王文君

摘要：精密播種技術是農業(yè)機械化生產(chǎn)的重要組成部分，也是規(guī)?；N植實現(xiàn)節(jié)本增效的重要手段。對種子的運動行為的精準調控，是精密播種技術的核心，也是改善單粒精播質量的關鍵。從播種機種子運動各環(huán)節(jié)角度，在充種清種、導種輸種、投種落地三個階段的種子運動調控以及后續(xù)觸土部件對種子位置的影響等方面，綜述單粒精播機械中種子運動調控方法的國內外研究現(xiàn)狀和進展。從排種器、導種輸種裝置、種子落地時的彈跳滾動、后續(xù)觸土部件等方面指出精密播種過程中存在的應著重解決的技術問題，并針對以上技術問題結合我國的生產(chǎn)現(xiàn)狀對今后精密播種機種子運動調控方法發(fā)展趨勢作展望，指出了精密排種技術、導種輸種技術、種子落地防彈跳技術、覆土鎮(zhèn)壓技術的具體發(fā)展建議，為精密播種技術研究及裝備創(chuàng)新設計和應用推廣提供參考。

關鍵詞：精密播種；單粒率；種子運動；調控方法

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0122-07

Abstract： Precision planting technology is an important part of agricultural mechanization production， and also an important means of saving cost and increasing profits in large-scale farm production. Accurate control of seed motion is the core of precision planting technology and the key to improve the quality of single-seed precision planting. From the perspective of seed motion stages in precision seeding operation， the overall situation of seed motion control method of the single-seed precision planter was discussed， and the main technical problems in precision seeding operation were pointed out. In view of the above technical problems and combined with the current production situation of China， the future development trend of precision planting technology is forecasted. Specific suggestions are given in terms of precision seeding technology， seed guide technology， seed bouncing inhibition technology， and soil covering and compaction technology. The research provides reference for innovation design and application promotion of precision planter.

Keywords： precision planting; single-seed rate; seed motion; control method

0 引言

現(xiàn)代農業(yè)向著高精度、高效率的方向發(fā)展，尤其是農業(yè)的基礎—種植業(yè)，對先進高效農業(yè)生產(chǎn)技術有著更為迫切的需求［1］，如精密播種技術、高效耕整地技術、精準植保技術、低損收獲技術等［2-5］，其中精密播種技術作為大田農業(yè)生產(chǎn)技術的起點，已成為現(xiàn)代農業(yè)中農作物生長發(fā)育和豐產(chǎn)豐收的重要保障。

精密播種是指在根據(jù)農藝要求，將確定數(shù)量的種子按照固定的行距、粒距和深度播入土壤并準確定位的過程［6］，其主要目的是提高粒距、行距均勻性及播深一致性，為種子創(chuàng)造均勻一致的生長環(huán)境［7-9］，降低由于株距不一致造成的相鄰植株對空間、營養(yǎng)物質、光照等資源的過度競爭，節(jié)約種子、減少間苗用工、提高產(chǎn)量。其中精量排種系統(tǒng)是實現(xiàn)高速精密播種的基礎。

精量排種系統(tǒng)是由充種箱體至種溝土壤的整個過程中提供種子運移和自由度約束的系列串聯(lián)裝置，包括單粒精量排種、種子平穩(wěn)運移、種子準確定位等關鍵技術和裝置［10-14］，其目標是對種子的運動行為進行精準控制，是單粒精密播種技術裝備的核心。在整個精量排種系統(tǒng)中，種子的運動貫穿于從充種到落地的各個環(huán)節(jié)。因此，對精量排種系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的種子運動行為進行有效調控是改善單粒精播質量的關鍵。

精密播種機械作業(yè)過程中，種子一般經(jīng)歷充種清種、導種輸種、投種落地三個階段，每個階段中的種子運動均會對最終的播種精度產(chǎn)生影響。國內外關于高速精密播種機的種子運動特性研究也主要集中在這三個方面。除此之外，后續(xù)觸土部件的作業(yè)過程也會影響土壤中種子的位置。

本文的目的是從充種清種、導種輸種、投種落地三個階段的種子運動調控以及后續(xù)觸土部件對種子位置的影響等方面，綜述單粒精播機械中種子運動調控方法的國內外研究現(xiàn)狀和進展，指出精密播種過程中普遍存在的應著重解決的技術問題，并結合我國的生產(chǎn)現(xiàn)狀對今后的精密播種發(fā)展趨勢作展望。

1 精密播種機種子運動調控方法國內外研究進展

1.1 充種清種階段的種子運動調控方法

充種清種是利用精量排種器將種子群體化為連續(xù)均勻的單粒種子，提高充種率和單粒率。國內外研究人員對機械式和氣力式精量排種器進行了大量研究。針對機械式排種器，通過分析排種器內種子的運動規(guī)律，優(yōu)化排種盤［15-16］、取種部件［17-19］、清種裝置［20-21］等結構，改善其排種性能；運用高速攝像技術探索機械振動對取種、攜種、清種過程的影響規(guī)律［22-23］。針對氣力式排種器，采用氣流擾動種群的方法，改善種群空間狀態(tài)與氣流結構［24-25］；采用正壓氣流充種方式［26］，并結合電力驅動方式［27］，改善高速作業(yè)穩(wěn)定性；采用機械和氣力相結合的排種方式［28］，實現(xiàn)種子的穩(wěn)定吸附和單粒率；采用正負壓雙作用排種器，負壓吸種和正壓卸種相結合，或負壓吸種和機械卸種機構相結合［29］，保證小粒種子吸種和卸種穩(wěn)定性。目前在充種清種方面的研究主要是通過優(yōu)化排種器結構或采用多種原理組合形式，改善種子在取種、攜種、清種、卸種過程中的運動，以適應高速作業(yè)需求，保證單粒率。不同排種方式的技術總結和對比如表1所示。

相比于機械式排種器，氣力式排種器在單粒精播作業(yè)過程中優(yōu)勢明顯，作業(yè)速度高、種子損傷小、排種性能可靠，因此氣力式排種器被廣泛應用在要求大型高速作業(yè)的規(guī)?；r場中。

1.2 導種輸種階段的種子運動調控方法

導種輸種是對離開排種器的種子通過自身重力、被動約束或主動約束等方式引導至種溝的過程，主要分為無約束輸種、被動導種和主動導種三種方式。無約束輸種是指種子離開排種器后，只受到重力和慣性力的作用而沒有其他的約束，相關研究主要集中在改善種子離開排種器時的投種高度、投種角度和投種速度上［30-31］。被動導種是利用導種管使種子按照相對固定的軌跡運動，研究主要集中在通過優(yōu)化導種管腔體機構和導種曲線參數(shù)［32-34］，提高導種均勻性和穩(wěn)定性。主動導種分為機械、氣力、水力三種輸送方式強制種子保存有序狀態(tài)，其中，機械輸送方式采用柔性導種帶［35］、毛刷式導種部件［36］、輸送帶式導種部件［37］、V型凹槽撥輪式導種部件［38］等主動運移機構，減少種子輸送過程中的無序碰撞；氣力輸送方式通過優(yōu)化氣送風壓工作參數(shù)［39］和導種部件、集排器［40］、導流渦輪［41］等結構參數(shù)，提高種子流的均勻性；水力輸送方式采用電磁控制［42］、水泵驅動［43］、凸輪推抵［44］等方式控制水流壓力，減小種子和管壁的碰撞。目前國外發(fā)達國家技術已經(jīng)非常成熟，擁有先進的氣力式主動導種輸種系統(tǒng)，播種粒距一致性高，作業(yè)可達20 km/h，并得到推廣應用。然而，國內播種機的主動導種輸種系統(tǒng)還處于研究試驗階段，目前仍普遍采用被動導種方式（導種管），播種速度為6～8 km/h，速度和精度都有待提升。不同導種輸種方式的技術總結和對比如表2所示。

隨著作業(yè)速度的提高，無約束導種和被動導種的方式由于無法很好地解決種子離開排種器時的運動穩(wěn)定性和種子在導種管中無序碰撞問題，研究人員逐漸將研究重點逐步轉向主動導種方式。另外，主動投種方式還可以通過降低投種速度和高度，間接降低種子落地后的彈跳和滾動，提高單粒播種精度。

1.3 投種落地階段的種子運動調控方法

投種落地是種子從離開導種輸種裝置開始到靜止在種溝某個位置的整個運動過程。而研究種子與土壤碰撞瞬間的運動特性是消除種子落地彈跳和滾動的基礎。國內外研究人員對種子與土壤碰撞關系進行了部分探索，如通過分析種子離開排種器的運動軌跡，找到碰撞速度和角度、土壤表面特性、種子類型對彈跳高度和位移的影響規(guī)律［45］；通過測量土壤物理特性，建立了大豆種子與土壤顆粒的EDEM模型，分析大豆種子與土壤碰撞過程中的瞬間速度、受力情況［46］；通過分析種溝形貌、土壤類型和土壤含水率等因素對種子落地彈跳位移影響規(guī)律，建立了種子彈跳的力學模型［47］。關于種子與種溝土壤碰撞后產(chǎn)生彈跳的研究主要集中在測量種子彈跳高度、位移及建立力學和仿真模型上，并沒有針對如何控制種子的彈跳進行深入研究，也沒有提出對應的控制方法。

為實現(xiàn)對種子落地彈跳和滾動的限制，國外研究人員普遍采取了種子落地彈跳后的補救措施，主要是通過在導種輸種機構的后方增設壓種裝置，如拖帶式壓種舌、剛性壓種輪、橡膠壓種輪［48］等，減少種子落地碰撞后產(chǎn)生的彈跳和滾動。國內研究人員借鑒國外研究成果，也采取類似的方法降低種子落地彈跳［49］。這些方法目前在大型高速精密播種機械，特別是氣力式播種機械上應用普遍。

然而，這類種子落地彈跳后的補救措施，只能在一定程度上減少種子落地后的彈跳和滾動范圍，并不能從根本上消除種子的彈跳和滾動。另外，壓種舌或壓種輪等被動壓種裝置雖然可以增加種子土壤的充分接觸，但也會造成種子位置的二次移動和種子損傷。

1.4 后續(xù)觸土部件對種子位置影響的研究進展

種子落入種溝后，為保證種子土壤的充分接觸，通常還需要壓種、覆土、鎮(zhèn)壓等工序，在該過程中，土壤與種子的相對位置也會產(chǎn)生一定的變化。國內外研究人員針對后續(xù)工作部件對種子位置的影響進行了相關研究，主要集中在通過試驗或仿真，優(yōu)化部件結構和工作參數(shù)，減小種子的位移，如針對不同土壤類型和種子類型，選用不同的壓種裝置，以減小種子損傷和種子的移動［48］；通過對覆土過程中土流與種子運動狀態(tài)的仿真分析，優(yōu)化覆土器的結構和工作參數(shù)，減小覆土過程中的種子位移量［50］；通過建立鎮(zhèn)壓裝置與土壤、種子作用的離散元模型，分析鎮(zhèn)壓作業(yè)時土壤和種子的流動過程，找到了鎮(zhèn)壓裝置對種子位置的影響規(guī)律［51］。

隨著觸土部件結構的成熟和針對不同作物的專用部件的開發(fā)，觸土部件對種子位置的影響越來越小，相關的研究也逐漸減少。

2 存在問題

1）? 高速高效是現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展方向，而氣力式排種器在規(guī)?；N植大型機具和高速作業(yè)中的優(yōu)勢非常明顯，因此近年來氣力式排種方式得到了快速發(fā)展和廣泛應用。然而，目前我國的氣力式排種器在高速作業(yè)條件下的播種單粒率和穩(wěn)定性還不能滿足要求，隨著作業(yè)速度的提高，排種盤轉速也會相應地增加，由于充種時型孔處氣流力作用時間縮短、離心力增大，清種時種子與清種部件接觸時間短、動量大，導致充種和清種性能下降，尤其在14 km/h以上的高速作業(yè)條件下，會嚴重影響播種單粒率和穩(wěn)定性。另外，氣力式排種方式的快速發(fā)展，并不意味著機械式排種方式將被氣力式排種方式取代，我國現(xiàn)有的耕地政策以及復雜的地形特點，尤其是丘陵山區(qū)機械化需求日益增加，決定了小型低速播種作業(yè)機具的長期需求，而機械式排種器在小型播種機具和低速作業(yè)中的優(yōu)勢不可替代，因此未來機械式和氣力式兩種排種方式會長期并存發(fā)展。然而，丘陵山區(qū)的復雜作業(yè)條件，如大斜坡、振動嚴重等，對機械排種性能也有顯著影響。

2）? 主動導種輸種裝置是實現(xiàn)高速播種作業(yè)條件下種子穩(wěn)定運移的關鍵，發(fā)達國家針對主動導種輸種裝置進行了系統(tǒng)研究，匹配特定的排種器進行作業(yè)，因此，主動導種輸種裝置與不同排種器適應性相對較差。相比之下，近年來我國的主動導種輸種技術和裝置雖然已經(jīng)進行了一些相關研究并取得了一定進展，還處于模仿和試驗階段，目前還沒有成熟的主動導種輸種裝置廣泛應用在高速播種機上，也沒有深入研究主動導種輸種過程中的種子相對位置變異過程。另外，現(xiàn)有的工作也主要集中在機械式導種輸種裝置的研究上，對氣流和水流導種輸種過程的研究很少。

3）? 種子離開導種輸種機構，脫離約束并自由下落，會與種溝土壤發(fā)生碰撞而產(chǎn)生無規(guī)則的彈跳，最終使種子落地位置失去控制，抵消充種排種、導種輸種、播深控制等機構的作用。隨著播種作業(yè)速度的進一步提高，這一問題也更加凸顯。目前對投種落地階段相關技術的研究相對滯后，關于種子落地彈跳行為的控制方法主要有兩種：（1）投種前的主動控制，通過主動導種裝置實現(xiàn)近地投種，降低投種高度和速度，減少落地碰撞能量進而降低種子落地彈跳位移；（2）種子落地彈跳后的補救措施，通過在導種管后方增設壓種裝置實現(xiàn)對種子落地彈跳后的強制按壓，降低種子彈跳范圍，在土壤含水率高的情況下該方法作業(yè)效果較差，此外被動壓種裝置雖然可以增加種子土壤的充分接觸，但也會造成種子位置的二次移動和種子損傷?，F(xiàn)有這兩種方法在一定程度上降低了種子落地后彈跳滾動的運動范圍，屬于通過間接方式來抑制種子落地后的彈跳滾動，但不能從根本上克服落地碰撞瞬間的種子彈跳問題。

4）? 對于一般播種機來說，排種器后面還需要安裝一系列的觸土部件，如壓種裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等，已完成整個播種作業(yè)過程。在設計和改進播種機械后續(xù)觸土部件時，研究人員主要考慮其本身作業(yè)效果，如壓種裝置作業(yè)后的種子土壤充分接觸情況、覆土裝置作業(yè)后的覆土厚度一致性、鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)后的土壤堅實度等，很少有研究將觸土部件作業(yè)過程中對種子位置變異的影響作為設計和改進觸土部件的依據(jù)。這些觸土部件作業(yè)過程中，會帶動種子周圍土壤流動，而土壤的流動會帶動種子位置的變異，進而改變種子相對位置，降低粒距一致性。

3 展望

1）? 隨著高速高效農業(yè)的發(fā)展，氣力式排種器將得到更加廣泛的應用，而機械式排種器在小型播種機具和低速作業(yè)中的優(yōu)勢不可替代，因此未來機械式和氣力式兩種排種方式會長期并存發(fā)展。針對氣力式排種器，重點應該放在14 km/h以上的高速作業(yè)條件下提高充種、清種和攜種的穩(wěn)定性。針對機械式排種器，其結構和種類繁多，結合我國現(xiàn)有的耕地政策以及復雜的地形特點，尤其是丘陵山地，研究適應于不同作物和不同種植模式的排種器，將農機農藝相融合，提高排種器在復雜地形（如斜坡傾角大、地表起伏大）條件下的作業(yè)質量。同時，不同作物排種器的通用性也是未來的研究重點。

2）? 與發(fā)達國家相比，我國的主動導種輸種技術和裝置幾乎沒有成熟的主動導種輸種技術應用在播種機上，為適應高速高效作業(yè)需求，國內科研人員應加快主動導種輸種技術的實用性研究及推廣應用，提高單粒播種的速度和精度。另外，導種輸種技術和裝置不能在播種機上完成獨立工作，必須與相應的排種器配合使用。因此，針對不同區(qū)域、不同作物、不同種植模式，進一步開展導種輸種裝置與排種器的集成化設計，提高導種質量和效率。

3）? 現(xiàn)有對精量排種系統(tǒng)的研究主要集中在充種排種、導種輸種等裝置的結構與控制方法方面，對投種落地階段相關技術的研究相對滯后，僅僅采用簡單的被動壓種裝置，能在一定程度上降低種子彈跳范圍，但也會造成種子位置的二次移動和種子損傷。未來應從種子與種溝土壤的碰撞行為入手，尋求落地碰撞瞬間直接抑制種子彈跳的新方法。通過研究種子與土壤碰撞后彈跳和滾動的直接原因，改變種子土壤接觸瞬間的碰撞條件或環(huán)境，直接消除或抑制落地碰撞瞬間抑制種子彈跳。

4）? 對單粒精播種子位置變異的研究還是主要集中在前三個方面，而后續(xù)觸土部件對種子位置變異的影響少有考慮，很容易被忽略，因此，在設計和改進壓種裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等播種機后續(xù)觸土部件時，除了考慮本身作業(yè)效果外，還需關注觸土部件作業(yè)過程中由于土壤流動對種子位置變異的影響，將其作為后續(xù)觸土部件設計和改進的一個重要指標，盡量減小由后續(xù)觸土部件作業(yè)造成的種子位置的變異。

參 考 文 獻

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