国内外蔬菜播种机的应用现状与研究进展

胡 童，齐新丹，李 骅，梅占舰

随着生活水平的提升，人们对饮食提出了更加绿色健康的要求。蔬菜是日常饮食中必不可少的食物之一，能为人体提供必需的维生素和矿物质等营养成分，并且具有防癌、瘦身、美肤等多种功效。我国是蔬菜生产大国，据《2016中国统计年鉴》，我国蔬菜种植面积从2006年的1664万 hm2增长到2015年的2200万hm2，产量从2006年的53953.05万t增长到2015年的78526.10万t，出口量从2006年的568万t增长到2015年的832.62万t，蔬菜播种面积占农作物总播种面积的百分比从2006年的10.94%增长到2015年的13.22%。由此可见蔬菜生产在农作物生产中占有重要地位，具有较好的发展前景。

目前，我国蔬菜种植方式以人工或半机械化播种为主，此种方式耗费大量人力、物力、财力且播种效率低，蔬菜综合机械化水平仅约为20%，远远低于粮食作物［1］。而发达国家在蔬菜生产管理方面已达到机械化、标准化和科学化的先进水平，有些生产环节已经高度自动化和智能化，人工参与仅仅作为对机械化操作的一种补充［2］。为缩小与发达国家在蔬菜生产方面的差距，同时为适应蔬菜种植业发展需求，蔬菜生产机械化已成为一种必然趋势。

播种机的使用可以大大提高播种效率、减轻播种劳动强度、减少人工劳动成本、节省大量的种子、便于作物的管理和收获以及增加作物产量。播种机的研发与使用促进了农业的发展，但是目前我国播种机的工作效率及精度都还有待提高。本文分析了蔬菜播种机的应用现状，阐述了国内外蔬菜播种机的研究进展，为进一步发展播种机提供参考。

1 蔬菜播种机应用现状

1.1 叶菜类蔬菜播种机

1.1.1 叶菜类蔬菜播种方式 叶菜类蔬菜品种众多，主要有小白菜、菠菜、苋菜、芹菜、甘蓝、洋葱、大蒜等。叶菜是人们不可缺少的生活物质，播种面积占全国蔬菜种植面积的1／3以上。叶菜播种方式多为条播，条播即将种子按行播在苗床上，按照农艺要求保持合理行距。种子在每行中的播种深度基本一致，而且分布较均匀。此种方式易于作物的后期管理及收获，而且便于实施机械操作，因而是一种使用广泛的播种方式。

1.1.2 现在主要机型及特点 国外叶菜类播种机以大型宽幅为主，具有播种精度高、通用性强、效率高等特点。法国MONOSEM研发的NG Plus气吸式播种机使用多种可靠材料及先进的制造工艺，极大提高了播种机的精度及使用寿命。德国AMAZONE生产的ED系列精量播种机工作宽度最大可达12 m，并带有液压可折叠支架，实现了快速高效的精密播种。德国LEMKEN公司生产的Saphir系列机械式精量播种机可一次性完成苗床播前整地及播种工作，根据不同种子可进行无极调节播种深度，并配有电脑控制终端。

国内叶菜类播种机起步较晚，播种精度及效率都存在不足。上海康博公司生产的2BS－JT10型精密蔬菜播种机结构紧凑，该机可通过改变开沟器的位置进行播深的调整，更换不同传动齿轮可对株距进行调节，整机依靠汽油发动机提供动力。但该机自动化程度较低，播宽较窄。黑龙江德沃公司生产的2BQS－8X型气力式蔬菜播种机可播多种小粒径蔬菜种子，该机可根据农艺要求进行株距及行距的调整。但该种装备能耗大、受机器振动影响大以及智能化程度低。

1.2 根茎类蔬菜播种机

1.2.1 根茎类蔬菜播种方式 根茎类蔬菜主要包括萝卜、胡萝卜、马铃薯、牛蒡、香椿、莴苣、竹笋等，具有较高的营养价值。该类蔬菜播种方式多为穴播，穴播即在播行上按照适宜的株距进行播种，每穴中播有一定数量的种子。采用精密播种机进行穴播，可使种子具有合理的播种深度和间距，并减少间苗和定苗作业。

1.2.2 现在主要机型及特点 国外代表机型有韩国播兰特JPH－6型胡萝卜精量播种机，该机可一次性完成起垄及播种作业，行距及株距可根据农艺要求进行调节。德国GRIMME公司生产的GL410四行马铃薯播种机具有所需动力小、可实现高速播种、播种质量好等特点。

国内代表机型有河南豪丰机械制造有限公司研发的2HBJ－4型胡萝卜精量播种机，该机可将播种及前期准备工作一次完成，提高了播种效率。但是存在重播及漏播现象，后期需要人工间苗。黑龙江省农业机械工程科学研究院研发的2CMF－4型牵引式马铃薯播种机通过仿形装置可对播种深度进行准确调节，该机结构紧凑、操作方便，但是存在着伤种及播量不稳定的缺陷。

1.3 果菜类蔬菜播种机

1.3.1 果菜类蔬菜播种方式 果菜类蔬菜主要包括黄瓜、甜瓜、南瓜、番茄、辣椒、豌豆、毛豆等，播种方式多为育苗移栽。育苗移栽具有成苗速度快、幼苗长势均匀、可实现远距离运输及节省种子等优点［3］。穴盘育苗是常见的育苗移栽方式，播种时将种子播在含有基质的穴盘中，使每穴保持一粒种子。

1.3.2 现在主要机型及特点 国外穴盘育苗播种机正朝着高效、智能化的方向不断完善。美国Blackmore研发的Cylinder精密播种机可直接通过改变吸种口而实现不同种子及不同规格穴盘的播种，播种效率极高。意大利MOSA生产的M－DSL1200型精密穴盘育苗播种机操作简便、播种质量可靠。

国内穴盘育苗播种机种类众多，播种效率及质量在不断提升。南京农机化研究所研制的2BQ－D型气吸式精密播种机可实现不同作物的播种，实现一穴一粒的精密播种，播种效率高。台州赛得林机械有限公司生产的SDL－1700型针式精密播种机通过更换穴孔、吸管及导管可实现不同穴盘规格及种子的播种，播种性能稳定。

2 蔬菜播种机研究进展

蔬菜播种机是按照农艺要求定量地将种子播在苗床上，使种子具有适宜的深度和间距，便于作物充分吸收阳光及养分且能降低种内竞争。播种机的核心部件是排种器，排种器的性能决定了播种机的播种精度。按照排种器的排种原理可将播种机主要分为机械式播种机和气力式播种机。

2.1 机械式播种机

机械式播种机主要有水平圆盘式、倾斜圆盘式、外槽轮式、窝眼轮式、型孔轮式、垂直转勺式、指夹式和带式等30余种［4］，具有结构较简单、便于制造、操作方便、经济性好等优点，因此在市场中占有一定比例。机械式播种机利用排种器的型孔将种子从种箱内分离出来，容易发生型孔堵塞而出现漏播的现象，故对种子外形和尺寸要求较为严格，而且不适于催芽后的作物播种。在作业速度上此种播种机受到较大限制，通常不具有通用性。

自20世纪40年代以来，欧美等发达国家已开始对播种机进行研究，起步阶段主要对玉米、小麦、甜菜等进行机械式排种技术研究［5］。 Jafari J F 等［6］研究了槽轮式条播机的运行特性，并发现种子流的脉动对排种均匀性的影响较大，随着运行速度的提升不均匀现象更为明显。提出用复合式螺旋装置来提高排种均匀性，并且基于种子的特性建立了一个设计复合式螺旋装置的方程，但是并没有考虑螺杆的一致性。Maleki M R等［7］设计了一种复合式螺旋装置来提高机械式播种机的排种均匀性，并研究了螺旋装置的螺槽深度、宽度、螺杆外径和角速度对排种效果的影响。通过试验得出了最佳组合参数，并通过均匀系数来检测种子的分布，解决了种子流脉动产生的不均匀现象。Anantachar M等［8］针对由回归分析法建立的关于播种速度、种子间距及种子损伤率模型存在的缺点，提出利用人工神经网络对倾斜盘式排种器的排种性能参数进行预测，采用遗传算法作为单目标约束优化问题，确定了神经网络模型的最优结构，结果表明人工神经网络模型比统计模型更好地预测种子计量装置的性能参数。Grewal R S等［9］研究了六行倾斜圆盘洋葱播种机在不同转速和不同槽孔数量情况下的排种性能，并以重播率、漏播率及排种合格率为指标在实验室进行了检测，通过田间试验验证了该机具的可行性。

我国对精量排种技术的研究始于20世纪70年代初，早期主要对机械式精量播种机进行研究。国内学者通过引进、借鉴国外播种机，设计出了一些机械式精量播种机。但是由于受到国内自然条件和社会条件的影响，播种机的研发还不够完善，尤其是对于蔬菜类小粒径作物的播种机研发仍处于起步阶段。大量的学者对机械式精量播种机做了研究，如1972年锦州市郊区农机所研制出的2BS－6型蔬菜播种机，该机具有结构紧凑、操作方便等特点，但是种子的破损率较高、排种精度不高。张宇文［10］研制出采用机械式多功能精密排种器的播种机，设计了一种推种齿来克服窝孔堵塞的问题，并可实现不同粒径种子的精量播种，达到一机多用的目的。刘宏新等［11］研究了作业参数对立式圆盘排种器性能的影响，通过试验得出了合格指数、漏播指数和变异系数与作业速度、株距及种盘直径之间的回归模型，试验表明株距对于排种性能的影响最显著。袁文胜等［12］设计出一种采用异形孔窝眼轮式排种器的蔬菜播种机，通过正交试验分析了型孔分布方式、直径以及转速对排种质量的影响，并对最优参数组合下的播种情况进行检测，播种合格率、重播率和漏播率都较理想。胡靖明等［13］设计了一种地膜油菜穴播机，采用异形窝孔轮排种器来降低窝孔的堵塞，并通过田间试验证明了该机符合相关标准。

2.2 气力式播种机

气力式播种机通常由动力输出轴或者液压系统带动风机工作，风机产生的真空吸力或者压力可对种子进行控制，使种子完成预期运动。按照气力式播种机排种器的工作原理可分为气吸式、气压式和气吹式。由于依靠气流对种子进行控制，该种播种机具有对种子损伤较小，且具有通用性强、播种精度高、对种子外形尺寸要求不严格及适合高速作业等优点，在农作物播种中得到了广泛使用。

自20世纪50年代以来国外学者就致力于气力式播种机的研究，并且取得了大量成果。Kim等研制出一种可对水果、蔬菜及根茎类大粒径作物种子的自动真空吸嘴播种机，研究得出吸嘴直径及气压值对高速播种具有较大影响。Karayel D等［14］为确定气力式播种机在播种不同作物时的最佳真空压力，根据黄瓜、甜菜、洋葱等作物种子的千粒重、球型度、投影面积以及密度建立精密播种机负气压最优数学模型，得出了不同作物的最佳气压值，并且以合格率、重播率和漏播率为指标进行了排种质量检测。Singh R C等［15］研究了排种盘转速、真空度及型孔形状对播种机排种间距、种子变异系数、重播率、漏播率及合格率的影响，对排种盘转速和真空度构成的回归方程进一步迭代优化，并通过试验验证了与迭代结果的相似性。Yazgi A等［16］运用响应面法对播种机的排种一致性进行优化并确定了气室真空度和型孔直径的最优值，但并没有最终确定排种盘转速的最优值，并发现型孔直径对排种一致性影响最大。Gaikwad B B等［17］设计了一种低成本的气力式穴盘播种机，该机由当地材料和现有的标准件构成，介绍了播种机的基本组成，通过试验验证了其可行性，并且通过改变吸嘴尺寸和气压值可以实现不同作物的播种。Yazgi A等［18］研究了真空盘上吸孔数量对排种一致性的影响，以合格率、重播率和漏播率为指标，通过种子带和计算机测量系统来检测种子间距及排种器性能，最后通过试验得出了最优运行参数及最合理的吸孔数。Abdolahzare Z等［19］为确定影响播种机性能的最重要运行参数和种子物理性质之间的关系，采用GP算法建立了回归模型，通过GP算法得到的回归模型与常规回归模型相比有更高的决定系数。

我国对气力式播种机的研究始于20世纪70年代末，大量的学者对气力式播种机的发展做出了较大贡献。1979年李林推导出垂直圆盘气吸式排种器的气室真空度计算式，并通过试验分析了气室真空度的影响因素。廖庆喜等［20］以排种器的合格指数、重播指数、漏播指数及种子破碎率为指标，对排种盘转速、种子带速度、气压值进行了单因素和正交试验，最后得出了实现播种机最佳性能的最优参数组合。Zhan Z等［21］采用mean shift算法和高速摄像系统来分析种子的运动，经过分析种子的下落轨迹，得知正压差和排种角对种子的均匀性影响最大。通过改变气力滚筒式排种器的工作参数来优化排种均匀性，利用CFD软件对油菜种子的运动轨迹进行仿真，并且通过试验验证了数值分析的可靠性。陈学庚等［22］通过对带式导种装置的结构设计和理论研究，确定了带式导种装置的结构参数。以株距合格率、重播率和漏播率为指标对投种高度、取种盘转速和负压室压力进行研究，通过试验得出影响排种质量的主次因素排列顺序为投种点高度、取种盘转速、负压室压力，并得出最优组合参数。丛锦玲等［23］设计了一种油菜小麦兼用型气力式播种机，通过更换排种盘可以实现两种作物的精量播种，大大提高了机具的利用率。通过在小麦排种盘中增加导种条，增加了种子的流动性，使得排种精度得到提高。通过试验研究了排种盘转速、吸种区负压及投种区正压对排种性能的影响，并且得到排种的最佳组合。王晓东等［24］分析了垂直圆盘气吸式播种机的结构组成及其工作原理，对种子在运动中的情况进行受力分析及运动学分析，得出种子在气流中的作用力与吸孔面积及种子和吸种孔距离之间的关系。

国内外蔬菜播种机正从早期结构单一的机械式朝着高速、通用化、集成化方向不断发展。国外的播种机已经日益成熟，并不断追求高速大型化，但国外的大型播种机并不适合我国国情，不能直接应用。我国现阶段的研究大都着重于理论的探讨，整体还处于播种机发展的初步阶段。播种机性能的优劣对播种有巨大的影响，因此对其性能检测在播种机的研制中占有重要地位。

2.3 播种机排种性能检测技术的应用研究

播种机的排种质量主要取决于排种器的性能，而排种性能指标和种子破碎率是决定排种器性能的重要指标［25］。国内外学者在排种器性能检测方面做了大量研究，主要形成了帆布带检测法、光电检测、高速摄像及机器视觉检测法等。

帆布带检测法虽然可以直观地反映种子分布情况，但由于受到带长的限制，无法收集大量的数据，而且需要花费人工进行测量、存在种子容易滑落及弹跳对检测造成误差的弊端，逐渐被其它方法取代。Panning J W等［26］用光电检测法对排种器的排种均匀性进行了室内与田间试验，根据所得到的结果，该系统的种子间距测量值比理论值大15 mm左右。另外对于直径小于3 mm的种子检测效果较差。Alchanatis V等［27］为检测播种机性能，研发了一种高分辨率的光学系统，种子的着落点和间距可通过影像采集卡和线性扫描摄影机在线传输到电脑，种子的分布参数可在线进行计算和显示。将光学系统与帆布带检测结果进行对比，两者检测结果相近。Karayel D等［28］用高速摄像系统在室内对排种均匀性及种子下落的速度进行检测，并且和帆布带检测法检测的结果进行对比，在试验中高速摄像系统取得了良好的效果，捕捉到了所有种子的图像。但是检测过程中的图像处理仍然需要投入大量的劳动力，在进一步的研究中，图像处理必须自动化以发挥高速摄像法的优势。

国内相关学者对播种机性能的检测也做了研究，廖庆喜等［29］将高速摄影技术运用到播种机排种性能的检测中，并将高速摄影和光电技术检测的结果进行综合分析，弥补了光电传感器对于种子破碎而引起的检测误差。刘洪强等［30］设计了一种以89C51型单片机为核心控制部件的硬件系统和软件系统，采用的传感器可实现无盲区检测，通过对传感器检测和人工检测结果的对比显示，该无盲区传感器可准确地进行排种性能检测。陈进等［31］运用高速摄像技术进行排种性能检测，通过对获得图像的处理提出根据种子质心位置和面积进行检测，与人工检测结果较接近。黄东岩等［32］研发了以单片机STC89C52为核心的检测系统，采用聚偏二氟乙烯压电薄膜传感器直接将物理信号转换为电信号，进而直接计算出排种性能指标进行实时监测。

2.4 仿真技术在播种机中的应用研究

随着计算机技术的快速发展，仿真软件逐渐成熟并具有低成本、速度快及操作方便等众多优点，被广泛运用到众多领域。国内众多学者使用仿真软件对播种机进行了研究，夏俊芳等［33］基于ADAMS对种子的运动轨迹进行仿真和优化，建立了补种机构的虚拟样机模型。廖庆喜等［34］基于ANSYS／CFX对排种器气室进行仿真，对3种不同气室进行仿真并通过台架试验验证了仿真的可靠性。Zhan Z等［21］通过改变气力滚筒式排种器的工作参数来优化排种的均匀性，利用CFD软件对油菜种子的运动轨迹进行仿真，并且通过试验验证了数值分析的可靠性。王福林等［35］使用EDEM对种子的充种、护种、清种及排种运动过程进行了仿真，所得的结果与试验结果高度相似。石林榕等［36］使用EDEM对水平圆盘式精量排种器进行仿真分析，得到了最佳排种性能参数，通过与田间试验结果的对比，两者排种性能指标的误差小于5%，充分说明了仿真结果的可行性。史嵩等［37］使用EDEM软件对4种不同型孔结构排种盘的种子运动进行仿真，并分析了不同排种盘在不同转速情况下的种子运动状态，通过对比分析得出性能最优的排种盘。刘月琴等［38］用离散元软件对不同工作参数下种子运动情况进行分析，得出吸种效果最好的工作参数范围，并通过试验验证了仿真分析的合理性。雷小龙等［39］用EDEM－CFD耦合对气送式集排器输种管结构对种子运动及气流场产生的影响进行仿真分析，并结合台架试验得出了输种管的最优结构参数。

3 总结与展望

由以上的分析可以看出，我国在蔬菜播种机的研究中已取得一定进展，对大粒径种子的播种机研究已经日益成熟，但对小粒径种子的播种机研究还处于起步阶段，与发达国家相比仍存在较大发展空间。未来的研究中以下几点将成为蔬菜播种机的发展趋势：

（1）随着科技的发展，新型材料逐渐备受喜爱。将新型材料应用到播种机的研制中，将使播种机的使用寿命得到极大程度的提高，同时会降低整机质量和结构尺寸，提高作业速度及播种精度。

（2）加强对蔬菜种子物理特性的研究。不同蔬菜种子的千粒重、球形度、密度、恢复系数及摩擦系数可能存在较大差异，对种子物理特性的研究可为播种机的研发及关键部件的设计提供理论参考。

（3）发展通用型、智能化及信息化的高速播种机。国内使用的多为单一型且没有统一标准的播种机，由于播种季节的限制极大地降低了播种机的使用效率，发展通用型播种机可以解决播种机的闲置问题。国外研究人员已将智能化和信息化技术应用到播种机的研发中，为实现更加高效、精密的播种提供了可靠的技术，同时便于播种机的管理、维护及信息共享。

（4）提高自主创新能力，降低生产成本。目前从国外引进的精量播种机播种效果良好，但是价格过于昂贵，而且机具尺寸不适合我国特殊地形的播种。提高自主创新能力，发展适合我国国情的蔬菜播种机将成为一种必然趋势。

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