水稻生产全程机械化技术研究进展

2014-02-18罗锡文王在满

现代农业装备 2014年1期

关键词：华南农业大学精量水田

罗锡文，王在满

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

水稻生产全程机械化技术研究进展

罗锡文，王在满

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

提高水稻生产全程机械化水平是保障国家粮食安全、增强我国农业综合生产能力、增加农业收入和推进农业现代化的重要措施之一。本文重点介绍了华南农业大学工程学院在水稻生产全程机械化技术领域的研究进展，主要包括农田精准平整技术、水稻精准种植技术、水田精准喷施技术、水稻精准收获技术和稻谷干燥技术，同时分析了实现水稻生产全程机械化的重要性。

水稻生产精准水稻机械化水田机械

0 引言

水稻是我国的主要粮食作物，提高水稻生产全程机械化水平是保障国家粮食安全、增强我国农业综合生产能力、增加农业收入和推进农业现代化的重要措施之一。多年来，华南农业大学研究团队在水田耕整、水稻种植、稻田管理、水稻收获和稻谷干燥等水稻生产全程机械化技术领域进行了深入研究，并形成了一批科研成果，本文将重点介绍其中一部分技术的研究进展。

1 农田精准平整技术与机具

农田表面的平整精度直接影响水、肥、药的效率，进而影响作物的生产情况和产量。因农田表面不平整,20%以上的灌溉用水被浪费。采用激光平地技术可大幅度提高土地平整精度，节水30%～50%，作物产量提高20%～30%，灌水效率提高30%，并可大幅度减少田间杂草以及肥料流失。从2003年开始，华南农业大学对农田精准平整技术与机具进行了深入研究，研制成功2种水田激光平地机和1种旱地激光平地机。

1.1 水田激光平地技术与机具

水田激光平地技术包括高程控制技术和水平控制技术。高程控制技术采用旋转的激光束平面作为精准平整的基准平面，通过激光接收器和高程控制器自动调整平地铲高度。水平控制技术采用微机械加速度传感器和微机械陀螺仪，通过信息融合检测平地铲的动态水平倾角，采用水平控制器控制液压油缸运动使之保持平地铲水平。通过高程控制系统和水平控制系统的联合控制，可使平地铲工作时始终处于与旋转激光束基准面平行的水平面内工作，从而实现水田精准平整。

华南农业大学研制成功的水田激光平地机结构简单、操作方便，可与多种水田动力底盘相连接，包括乘坐式高速插秧机和轮式拖拉机，见图1。作业后水田平整度小于3 cm，作业效率大于 0.27 hm2/h（4亩/h），适用于水田播、插、撒、抛前带水作业平整。从2006年开始，水田激光平地机在我国广东、湖南、湖北、江西、安徽、江苏、上海、云南、重庆、河北、河南、新疆、黑龙江、辽宁等省

市和国外泰国、老挝、缅甸、越南等地进行了推广应用。生产应用结果表明，采用水田激光平地技术，可提高水田的平整精度，节约灌溉用水量，增加水稻产量，经济、社会效益显著。

2008年广东省科技厅组织的科技成果鉴定结论为“该项目研究成果在水田平地技术及机具领域居国际领先水平”。

1.2 旱地激光平地技术与机具

旱地激光平地技术采用激光束基准平面作为非视觉控制手段，代替常规平地设备操作人员的目测判断能力，自动控制液压调节系统实现平地铲的升降，达到精准平整土地的目的。旱地激光平地机采用轮式拖拉机牵引，平地铲采用框架式结构，利用液压油缸调节平地铲与地轮的相对高度。通过激光接收器和高程控制器，自动控制平地铲工作时始终保持在与旋转激光束基准面平行的平面内工作。旱地激光平地机还装配有激光接收器电控液压升降系统，方便平地人员在驾驶室内设置平地深度。激光发射半径400 m，作业速度5～8 km/h，平整精度≤5 cm，适用于播种前的精细平整。

旱地激光平地机已转让给河南豪丰机械制造有限公司生产，包括1JPD-200和1JPD-360两个型号，幅宽分别为2 m和3.6 m，在河南、河北、山东等地进行了推广应用，见图2。生产应用结果表明，采用旱地激光平地机技术，可明显提高土地平整精度，较大幅度地提高灌溉用水利用率和农作物产量，减少田间杂草。

图1 水田激光平地机

图2 旱地激光平地机

2 水稻精准种植技术与机具

在水稻种植方面，华南农业大学重点研究了水稻精量穴播技术和超级稻精密育秧播种技术，并研制成功了一系列机型。

2.1 水稻精量穴播技术与机具

在水稻生产的诸多环节中，水稻种植是农艺最复杂、用工最多、在水稻生产全程机械化中实现难度最大的环节之一。近年来我国直播稻栽培技术发展很快，目前全国已有超过30%的水稻种植面积采用直播方式，但大都采用人工撒播方式。采用人工撒播的稻种在田间无序分布，水稻生长疏密不均，通风透气采光性差，易感染病虫害，根系分布在表层土壤中，植株明显变矮，穗型略小，容易倒伏。为了充分发挥直播稻分蘖节位低、不伤根和没有返青期的优点，解决人工撒播中存在的问题，亟需解决的主要问题是通过机械直播改无序为有序、要求播种均匀并可满足常规稻、杂交稻和超级稻等不同品种对播种的农艺要求，并适应不同地区的气候、

土壤等条件。《全国农业机械化科技发展“十二五”规划（2011—2015年）》在“突破主要农作物机械化关键技术”内容中提出了重点研究水稻高效精量直播等关键技术与装备。1998年以来，华南农业大学对同步开沟起垄水稻精量穴播技术进行了深入研究，研制成功5种水直播机机型和2种旱直播机机型。

1）研究成功同步开沟起垄水稻精量水穴播技术、同步开沟起垄施肥水稻精量水穴播技术、同步开沟起垄喷施水稻精量水穴播技术和水稻精量旱穴播技术。同步开沟起垄水稻精量水穴播技术在田面同时开出播种沟和蓄水沟，播种沟位于两条蓄水沟之间的垄台上，采用穴播方式将水稻芽种或干种播在播种沟中，实现了成行成穴有序生长，由于垄面不淹水或少淹水，提高了土壤中的氧化还原电位，有利于根系生长、改善根系结构和减少倒伏。由于只需在蓄水沟中保持一定水层而无需在整个田面灌水，因而可节省水稻生产用水30%以上和减少甲烷排放10%以上。同步开沟起垄施肥水稻精量水穴播技术在播种时同步将肥料深施于播种沟一侧，可节省水稻生产用肥30%以上。同步开沟起垄喷施水稻精量水穴播技术在播种时同步喷施液体地膜或除草剂。水稻精量旱穴播技术在旱田旋耕平地后采用干种播种。

图3 普通型水稻精量穴播机

图4 同步施肥型水稻精量穴播机

图5 整体型水稻精量旱穴播机

图6 单体仿形型水稻精量旱穴播机

2）研制成功适合水稻精量穴播技术的可调组合型孔式排种器，并研制成功5种水稻精量水穴播机，包括与插秧机机头配套的普通型、同步施肥型、同步喷施型、简易型和与轮式拖拉机配套的普通型，见图3、图4；2种水稻精量旱穴播机，包括整体型

和单体仿形型，见图5、图6。水稻精量穴播机实现了行距可选（20 cm、25 cm、30 cm三种固定行距和20+30 cm宽窄行距）、穴距可调（10～25 cm多级可调）、播量可控（3～10粒/穴或10～20粒/穴），作业效率大于0.33 hm2/h（5亩/h）。

3）从2006年开始，水稻精量水穴播机先后在我国广东、广西、海南、湖南、湖北、江西、安徽、上海、江苏、浙江、河南、河北、辽宁、黑龙江、云南、四川、重庆、贵州、新疆、宁夏等省市及国外泰国、老挝、缅甸、越南、苏丹和柬埔寨进行推广应用。应用结果表明，采用水稻精量穴播技术，杂交稻产量可达9 000 kg/hm2（600 kg/亩）以上，常规稻可达8 250 kg/hm2（550 kg/亩）以上,比人工撒播、人工抛秧和人工插秧可分别增产10%、8%和6%以上，hm2（亩)节本增效分别可达750元、1 125元和1 875元（50元、75元和125元）以上。近年来，水稻精量穴直播技术在部分地区取得了一些高产记录，如：2012年在新疆农一师六团一连采用水稻精量水穴播技术，产量达14 566.5 kg/hm2（971.1 kg/亩）（品种：A稻8号）；在温宿县托乎拉乡四大队采用水稻精量旱穴播技术，产量达14 503.5 kg/hm2（966.9 kg）（品种：A稻8号）；2012年在浙江杭州市余杭区采用同步施肥水稻精量水穴播技术和水稻好氧栽培技术，产量达13 330.5 kg/hm2（888.7 kg/亩）（品种：甬优12）。2013年在新疆农一师一团采用水稻精量旱穴播技术产量15 441.0 kg/hm2（1 029.4 kg/亩）（品种：高丰 1号）；2013年在浙江杭州市余杭区采用同步施肥水稻精量穴播技术，产量达12 336.0 kg/hm2（822.4 kg/亩）（品种：春优84）。

4）2008年广东省科技厅组织的科技成果鉴定结论为“在水稻水直播机械研究领域居国际领先水平”。目前水稻精量水穴播机已转让给上海世达尔现代农机有限公司生产，水稻精量旱穴播机已转让给河南豪丰机械制造有限公司和新疆科神农业装备科技有限公司生产。

2.2 水稻机械化精密育秧技术与装备

水稻机械化育秧技术是水稻移栽的重要环节，目前国内外只有实用于常规稻的工厂化育秧机械，且播量大、播种精度低，秧苗素质差，缺少适合于杂交稻和超级杂交稻机械化育秧的技术与设备。2006年以来，华南农业大学对水稻工厂化和田间育秧技术进行了深入研究，研制成功2种水稻机械化精密育秧机型。

2.2.1 水稻工厂化精密育秧技术与装备

该装备适用于超级杂交稻、杂交稻、常规稻的钵体盘、钵体毯状盘和毯状盘工厂化秧盘育秧流水作业，更换振盘即能实现精密的撒播、条播、穴播。主要生产工艺包括放盘、铺底土、压平土、淋洒水、精密播种、覆表土、清扫等，多项作业一次完成。主要机型是2SJB-500型水稻秧盘育秧精密播种流水线，见图7。该机利用振动种室与螺旋勺轮定量供种，适应种子能力强，供种均匀性好；采用V-T型振动种盘实现有序排种，能实现对行、对穴和撒播精密播种，播种精度好；采用左右螺旋毛刷清扫钵体盘表土，秧盘表面平整、干净；整机功能齐全、适用性强、制造成本低、生产率高，作业效果好。

图7 水稻秧盘育秧精密播种流水线

该装备比现有育秧设备结构简单，价格是同类进口设备的1/3左右。机具在性价比、使用成本和技术先进性、实用性、可靠性方面均具有很强的市场竞争力，已在黑龙江、吉林、浙江、广东等省推广应用，结果表明，与传统育秧相比增产5%～6%。

2.2.2 水稻田间精密育秧技术与装备

该机适用于杂交稻、常规稻的钵体毯状盘和毯

状盘田间秧盘育秧精密播种作业，主要机型2STB-2型是水稻田间育秧精密播种机，见图8。该机采用螺旋勺轮精密播种，播种均匀、精度高；整机田间移动采用浮板人力拖动，移动省力；播种量调节采用多变速传动调节系统，调节方便；整机制造成本较低，播种精度好，生产率高，田间移动方便。

该设备结构新颖，制造成本低，有效促进了我国南方地区普遍采用的田间育秧机械化精密播种技术，在实用性、可靠性方面均具有很强的市场竞争力，现已在广东、湖南、云南等省推广应用，在我国南方具有很好的应用前景。

图8 水稻田间育秧精密播种机

3 水田精准喷施技术与装备

水田植保是我国水稻生产的重要环节。目前我国植保存在药效利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物药害、操作者中毒等主要问题。植保机械的质量和使用的好坏直接影响到操作人员和农产品的安全。近年来，华南农业大学重点研究两个方向：变量喷雾和高地隙宽幅喷雾技术、农用航空植保技术。

3.1 水田变量喷雾技术与机具

华南农业大学研究了在线混药式变量喷雾的控制系统、差压式液体流量计、文丘里式差压流量计、电容式液位检测仪和压力式液位检测仪，并以ARM7为上位机（核心芯片为S3C44B0）、以单片机为下位机设计了喷雾控制研究控制系统及配套软件，并研制成功了以乘坐式水稻插秧机底盘为动力的水田变量喷雾机，可实现对每个喷头的单独开启及关闭控制，见图9。该机主要由插秧机头、药箱、柱塞泵、喷臂、电磁阀、喷头、蓄电池和控制箱组成，具有精准对行喷雾、喷头开启与闭合可控、喷臂可折叠等特点，适合不利于大型机械进入的水田喷施等作业。喷雾压力可调，可对不同种植行的水稻进行有选择的精确喷雾，药液流量17-25 L/min，喷雾压力0.8～1.5 Mpa，作业幅宽6 m。

图9 水田变量喷雾机

采用高地隙宽幅喷雾技术可以解决现有水田喷雾机械地隙低、喷雾不均匀、工作效率低等问题。通过集成高地隙自走式底盘、喷雾系统、机电液中央控制系统、动力系统、行走转向系统以及液压系统等机械结构，能够达到底盘离地间隙高，行驶稳定，通过性强，作业过程中不会伤害作物的目的。华南农业大学与福田雷沃国际重工股份有限公司合作，研制成功了高地隙宽幅水田喷雾机，如图10。

该机采用雷沃M700H拖拉机加装高地隙水田铁轮，离地间隙1 m，作业幅宽12 m以上，大大提高了作业效率。

图10 高地隙宽幅水田喷雾机

3.2 农用航空植保技术与装备

采用航空植保作业能快速高效地完成病虫草害的防治，特别是能及时有效地防治大面积爆发性的有害生物灾害；同时不受地理因素的制约，无论山区或平原、水田还是旱田，以及不同的作物生长期，特别是对于地面机械难以进入的、或是蝗虫和其它害虫的滋生地域，都可高效地完成作业任务。与地面机械田间作业相比，飞机作业还有降低作业成本、不会留下辙印和损坏农作物的特点。

华南农业大学与隆平种业公司合作开展了飞机喷施920生物药剂、杂交水稻制种辅助授粉等试验，取得了良好的效果，见图11。采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵在水稻田里对多种型号无人飞机飞行时的风场进行测量，通过考察X、Y、Z三个方向上的峰值风速、Y向风场宽度、动力电池的压降等指标，对多种机型用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选。

图11 无人飞机喷雾作业

4 水稻精准收获技术与装备

在水稻收获方面，华南农业大学研究成功了由双板差分谷物流量传感器、电容式谷物水分传感器、无线产量传感器节点和嵌入式产量监视系统组成的水稻联合收割机测产系统。双板差分冲击式谷物流量传感器利用一个参考检测板实时检测联合收割机的振动干扰和姿态影响，实验误差小于3%，田间测产误差小于5%。电容式谷物水分传感器和取样装置可实现自动取样与测量稻谷含水率，平均取样时间约为18 s，测量误差小于3%。无线产量传感器节点由STC单片机、GPS模块和无线通讯模块组成，嵌入式产量监视器由无线接收模块、ARM芯片、LCD触摸屏组成，通过CC1000无线模块接收无线产量传感器节点发送的产量和位置信息，自动存储当前小地块的产量数据，并以图形方式显示。

图12 水稻联合收割机测产系统

5 稻谷干燥技术与装备

马路晒谷、谷场晒谷等太阳光自然烘干方式仍

是目前农村中的一种主要干燥方式，稻谷常年霉烂损失在250万t左右。在稻谷干燥方面，华南农业大学重点研究了稻谷集中干燥成套技术与装置。

研究成功了稻谷集中干燥成套技术与装置，包括粮食水分在线检测技术与装置、干燥自适应控制系统、高低温多段组合干燥机、高湿粮食干燥机、集中干燥工艺与装备关键技术，见图13。粮食水分在线检测装置在线检测物料含水率误差≤±0.35%，检测物料含水率极差≤0.7%；干燥自适应控制系统控制出机粮含水率偏差≤±0.5%。在广东、黑龙江、湖南等地建成了适合我国低温环境和高温高湿环境下的粮食集中干燥设施。与现有批次式干燥模式相比，降低干燥能耗59%，干燥能力高出17倍；与国内同类干燥机相比干燥单位热耗降低59%，爆腰增率降低36.7%。