气力式水稻穴播机播种精度与田间成苗率关系的试验研究

邢 赫，王在满※，罗锡文，臧 英，张明华，杨文武

（1. 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；2. 华南农业大学工程学院，广州 510642）

0 引 言

水稻是世界上主要的粮食作物之一，全球有超过一半的人口以水稻为主食[1]。水稻种植技术对水稻产量与经济效益影响重大。目前中国的水稻机械化种植水平较低，据统计中国水稻种植机械化水平仅为 44.45%[2]，主要种植方法仍以插秧与撒播为主。近年来，由于劳动力成本的提高，水稻种植的成本也随之增加，发展机械化种植水稻技术势在必行[3-5]。

水稻直播技术省去了前期育秧等工序，直接将稻种播入田中，提高了作业效率，降低了生产成本，日益受到农民欢迎。相比于常规稻，超级杂交稻具有更强的分蘖能力，采用移栽技术时，每穴仅需要 1棵秧苗即可满足种植要求[6]。采用直播技术时，需要精确控制播种量，播量过多会导致稻种的浪费，增加成本；播量过少则难以保证田间成苗率，影响产量[7-11]。

气力式播种技术采用气流播种，其特点是播种精度较高，伤种率较低，适应性较强，可满足多类种子的播种需求，Yasir[12]针对小麦气力式排种器进行了研究，对排种器的运动过程进行了理论分析，并进行了试验验证，得到了孔径、倒角、气压等参数的相互关系。Singh等[13]对气力式排种器气孔的形状与尺寸进行了研究，利用棉花籽粒进行了试验，得到了最佳结构参数。Karayel等[14]对气力式排种器对不同作物的适应性进行了系列研究，建立了真空度与物料特性之间的关系方程，优化了排种器结构参数。Yazgi等[15]研究了气力式排种器播种的均匀性，采用响应曲面方法（RSM）对气力式排种器的真空度、吸孔直径与排种盘转速等参数进行了试验研究，为播种的均匀性提供了参考依据。廖庆喜等[16]研制了一种气力式油菜排种器，对其性能进行试验，分析了排种盘转速与正负压强对排种器性能呢的影响。

以上对气力式排种器的研究均针对圆球度较高、种子表面光滑作物种子，如大豆、玉米、小麦、油菜等作物种子。超级杂交稻种外形特征多为细长状，圆球度较低，有芒，流动性较差。目前针对超级杂交稻的精量直播仍处于研发阶段。张顺等[17]设计了一种气力滚筒式水稻排种器，对排种器的结构参数进行了优化试验，得到了最佳结构参数与工作参数。张国忠等[18-21]对气力式排种器在超级杂交稻中的应用进行了研究，但仅针对排种器进行了实验室内的试验研究，并未将其应用于田间生产当中。目前，由罗锡文等[22-23]研制的水稻精量穴播机已广泛应用于中国各地水稻生产中，但由于排种器播量较大，不适于超级杂交稻。

为了进一步研究气力式排种器在超级杂交稻直播中的适用性，本文采用华南农业大学研制的10行气力式水稻精量穴播机对 3种超级杂交稻进行了田间试验，建立了田间成苗率与稻种发芽率和播种精度的关系。为气力式水稻精量穴播机的改进与优化提供参考依据。

1 气力式水稻穴播机工作原理与田间成苗模型

1.1 工作原理

10行气力式水稻精量穴播机[24]总体结构如图 1所示。主要由井关2Z-6A（PG6D）乘坐式高速插秧机动力底盘1、风机2、正压管路3、开沟底板4、排种器5、三点悬挂装置6、动力输出轴PTO 7、减速箱8、负压管路9和汽油机10组成。排种器之间的间距为250 mm，即行距为250 mm固定不变，穴距为100～220 mm可调。该机底盘动力为8 kW，采用的汽油机为5.5 kW，作业效率大于0.33 hm2/h。

图1 气力式水稻精量穴播机Fig.1 Pneumatic rice precision hill-drop drilling planter

如图 1所示，将气力式水稻穴播机的播种部分采用三点悬挂结构挂接在井关乘坐式高速插秧动力底盘上，由高速插秧机的动力输出轴输出动力，经由减速箱减速后通过链传动传递给排种器的排种轴，为气力式水稻排种器转动提供动力输出。各个排种轴之间采用联轴器连接，以保证同步转动。采用汽油机为风机提供动力，采用正负气压管路将气力式水稻排种器与风机正负压接口相连接，提供排种器所需的气源。采用开沟底板为田间播种开出种沟与蓄水沟。排种器工作时稻种落入种沟内，蓄水沟内储存一定量的水，以确保田面湿润。

1.2 田间理论成苗模型

为了研究播种精度与稻种发芽率对田间成苗率的影响，根据田间用种量关系[25]，将整体播量细化到每一穴

式中Z为田间成苗概率，%；y为稻种理论发芽率，%；ak为播种精度所对应的概率，（即 a1为 1粒/穴概率，a2为2粒/穴概率），k为每穴播种粒数，x为每穴中成苗稻种的数量(x≤k)。

由式（1）可知，当1穴仅播1粒种子时，该种子是否发芽，将直接影响该穴是否成苗，若该粒种子没有发芽，则这一穴将为空苗；当1穴播2粒种子时，只有当2粒种子同时不发芽，则该穴才为空苗，即 2粒种子每穴为空苗的概率与稻种不发芽率的平方有关，且同时不发芽的概率较低。同理当1穴播3粒种子时，需要3粒同时不发芽，才能使该穴为空苗，其概率更低。

该公式可同时为播种前稻种发芽率提出最低要求，即当播种精度一定时，可提前预测满足田间成苗要求的最低稻种发芽率指标。

2 材料与方法

2.1 试验材料

选取3种超级杂交稻“五丰优615”、“Y-2优”和“超优1000”为研究对象。

2.2 试验方法

2.2.1 室内发芽试验

为了研究直播机播种精度与发芽率对田间成苗率的影响，以室内发芽率作为田间成苗率理想条件，建立播种精度与田间成苗率的预测公式。

将种子经清水清洗、滤除杂质与秕谷后，采用人工选种的方法，选取大小均匀、籽粒饱满的稻种进行试验研究，每个品种挑选100粒稻种为1组，每组试验重复5次（共 500粒）。将选取好的稻种浸泡在室温 25 ℃的水中，浸泡 24 h。将试纸放置在培养皿的底部，采用清水浸湿试纸，形成纸床，贴附在培养皿的底部。将浸泡后的稻种取出，分组放置在培养皿的纸床上，为了减小稻种在发芽过程中，稻种之间的相互影响，在摆放稻种时尽可能均匀分散放置，减小稻种之间的相互影响。

将其放至30 ℃恒温培养箱中进行发芽测试，每隔一段时间向培养皿中加入一定量的水，保持纸床湿润，防止稻种干燥。1周后记录稻种的发芽率。其发芽照片如图2所示。

将发芽后的稻种摊开，采用人工观察统计稻种的发芽率。

2.2.2 田间试验

试验地点选在华南农业大学岑村农场进行，试验前3天采用旋耕机对田块进行带水旋耕处理，将泥块打碎至起浆，再用水田激光平地机对田块进行平整，沉淀3 d后再进行田间试验，土壤为黏性土壤。农场采用防鸟网全面覆盖，避免鸟类对播后稻种的危害。中，并结合排种器的播种精度，即每一穴的播种粒数，建立田间成苗率预测公式（1）：

图2 稻种发芽图Fig.2 Rice seed germination

为了研究气力式水稻精量穴播机的播种精度与田间成苗率之间的关系，采用10行气力式水稻精量穴播机对上述 3种超级杂交稻品种进行田间试验。所选的稻种与实验室内发芽试验稻种为同一批次稻种。采用清水浸泡法对种子进行筛选，除去秕谷与杂质，将筛选后的稻种浸泡于清水中24 h后取出，放置室内待其至破胸露白发芽，控制芽长不超过3 mm，此时芽短而硬，在排种器充种过程中，不易断裂，不会造成稻芽的损伤与排种器的堵塞现象。试验前测定稻种的平均含水率为21.5%（湿基）。

采用上述处理后的种子进行田间试验，由前期田间试验[25]可知当吸种负压为2.0 kPa时，田间播种效果较好，故在负压2.0 kPa的条件下进行播种。

2.2.3 数据采集与处理

为了分析播种精度对田间成苗率的影响，对播种后的精度进行统计。将排种器按照从左至右依次编号 1～10，记录每1行的播种精度。每行各取250穴，且重复3次（即每行各取750穴）。分别对上述3种稻种进行播种精度统计。

为了分析田间成苗率的影响因素，对每个品种另选取2 m2区域进行标记，统计播种穴粒数，并在10 d后对该区域成苗情况进行统计，求出每个品种的田间成苗率，采用SPSS软件[26]对统计后的数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 室内发芽试验结果

试验结果如表1所示。3种稻种的发芽率作为田间成苗率的理想条件，进而对田间实际成苗率做进一步分析。由表1可知，发芽率均高于90%，平均发芽率分别为94%、91%、92%。

表1 室内稻种发芽率Table1 Rice seeds germination rate in laboratory

本文采用华南农业大学研制的气力式水稻精量穴播机对上述稻种进行田间播种，由文献[27-28]可知，该排种器的播种空穴率小于 2%，大于等于 4粒/穴的概率为3%左右，1粒/穴种子的概率为18%左右，2粒/穴种子的概率为58%左右，3粒/穴种子的概率为19%左右。根据表 1中的试验结果，并结合式（1），可计算出田间成苗率的理论值，由于超级杂交稻每穴仅 1颗苗即可满足种植要求，故求出3种稻种的田间成苗率分别为：96.71%、95.9%、96.18%。可满足大田直播成苗率大于95%的要求。

3.2 田间试验结果与分析

3.2.1 田间播种精度结果分析

各行排种器播种精度试验结果如图 3所示；各行排种器平均每穴播种粒数试验结果如表2所示。由图3可知，各行排种器的1～3粒/穴合格概率基本稳定在95%左右，其中2粒/穴概率在50%～60%之间，两端排种器（即1号或10号排种器）的1粒/穴率偏高，且排种器越趋向于中间位置，1粒/穴概率越小；中间排种器（即5号或6号排种器）3粒/穴概率偏高，且排种器越趋向于两端位置，3粒/穴概率越小。由表 2可知，水稻气力式穴播机排种器的平均播种精度为1.8～2.2粒/穴，其中中间排种器的平均播种粒数要大于两端排种器的平均播种粒数，且基本成对称分布。产生这种现象的主要原因为：水稻气力式穴播机主要采用旋涡式风机为排种器提供气压，采用管路将排种器与风机相连接，本文主要采用分流式管路，主管路位于中间位置，故气流是由中间向两端进行分配，由于空气属于流体，根据流体力学可知[29]，流体在管路内流动时将与管路内壁发生摩擦，产生阻力。在管路与排种器连接处，存在转角与局部管径尺寸变化，这些因素均会影响气流的流动，并会产生局部压强损失与沿程压强损失。其中沿程压强损失会随着气流流动的距离增加而增加，局部压强损失会随着局部的变化而变化。由于两端排种器距离主管路较远，其沿程损失与局部损失均高于中间位置的排种器，导致两端位置的排种器的气压小于中间位置的排种器，由文献[30]可知在相同条件下水稻气力式排种器总体播种量会随着吸种负压的提升而提升。故排种器的3粒/穴概率会随着排种器距离中心位置的增加而减小，1粒/穴概率会随着排种器距离中心位置的增加而增大。因所提供的气压可以满足气力式排种器正常工作，故2粒/穴概率基本稳定，且无明显的规律变化。故平均播种粒数也出现中间大于两端的现象，符合气压分布的规律所带来的影响。平均播种粒数的变异系数分别为5.91%，7.11%，6.82%，略大于5%，表明各行排种器之间的播种量存在差异，但由于播种精度1～3粒/穴合格率均大于95%，满足田间播种要求，故不会对田间成苗率以及最终田间产量产生影响。

3.2.2 田间成苗率结果分析

对总体播种精度与田间成苗试验结果进行统计，同时利用田间总体播种精度与式（1）计算理论成苗率，结果如表3所示。

由表3可知，理论成苗率分别为96.85%、95.79%、96.07%。田间实际成苗率分别为 94.22%、93.94%、93.76%，均低于理论成苗率。主要原因为：田间环境比实验室中的更为复杂，田间播种会有较多的自然条件对稻种产生影响，比如温度、湿度、虫害等因素，导致稻种在田间的发芽率低于实验室的发芽率。

图3 各行排种器排种精度Fig.3 Each row seeding precision of seed metering device

表2 平均穴粒数试验结果Table 2 Experiment results of average seeds number in per hill

表3 田间成苗试验结果Table 3 Experiment results of seeding survival rate in field

播种精度对成苗率的影响主要为空穴概率与1粒/穴概率，当出现空穴时必为空苗；当一穴中仅有 1粒种子时，如果该稻种不发芽，该穴即成为了空穴。由式（1）可知，当一穴中存在 2粒稻种时，其成苗率由不发芽率的平方所决定，故 2粒稻种同时不发芽的概率较低，不易出现空穴；3粒以上稻种同时不发芽的概率更低。故减少田间的空苗率需要进一步提升稻种的发芽率，以及优化排种器，减小空穴概率与1粒/穴概率的发生。所以，从农艺的角度应尽可能提高稻种的发芽率，以及增加稻种的前期处理过程，以保证稻种在田间的实际成苗率。农机的角度应尽可能的提高播种精度，减小空穴与1粒/穴概率。

4 讨 论

根据超级杂交稻的生长特性，至少要保证每穴有一棵苗，即每穴中至少要有 1粒以上稻种发芽成苗。根据水稻田间种植成苗率大于 95%的基本要求。采用本文公式计算，其稻种发芽率需要大于86.5%，才能满足最低要求。本次试验中稻种在实验室内的发芽率均大于86.5%，但由于田间种植情况复杂，故其田间成苗率低于理论计算成苗率。通过田间试验结果可知，当实验室发芽率高于90%时，田间实际成苗率仍略小于95%，故需要进一步提高稻种的发芽率。同时也需要进一步改进与优化排种器，减小空穴概率与1粒/穴概率。不宜采用过大的播量，主要原因为：超级杂交稻比普通杂交稻的分蘖能力更高，如果加大对超级杂交稻的直播播量，会导致田间总体基本苗过多，会产生苗之间的内部竞争，不利于水稻生长，种植密度过大，不利于水稻之间通风与采光，容易产生病虫害等危害，影响最终的产量。

本文主要针对超级杂交稻进行研究分析，在采用直播方式进行播种时，必须对其精量播种，播量过少，精度较低，当稻种发芽率不高时，将会出现较高的空苗率；播量过大，会造成稻种的浪费，超级杂交稻稻种成本较高，将会提高总体播种成本。故必须对其精量播种。

采用水稻直播技术对超级杂交稻进行播种时，发芽率与播种精度是主要影响田间成苗率的因素。为了提高稻种的发芽率，可在播种前进行选种，采用选种机对稻种进行清选。浸种时可加入合适的药剂进行泡种，以提高稻种的发芽率。同时也应进一步的提升排种器的播种精度，在不增加播量的基础上，进一步增大2粒/穴概率，减小1粒/穴概率与3粒/穴概率。其中减小1粒/穴概率的目的是为了减小田间空苗率，减小3粒/穴概率的目的是为了减小稻种成本。

由试验结果可知，田间成苗率最低为93.76%，对水稻生产不会产生较大影响，主要原因为：水稻有较强的自适应能力，如出现空穴，空穴周围稻种的分蘖与结实效果会好于其他区域稻种，故较小的空苗率出现不会对最终的产量产生较大的影响。图 4为田间效果图，由图4a可知，田间播种分布较为均匀，前期成苗正常。图4b为气力式水稻精量穴播机田间工作图。

图4 田间效果图Fig.4 Field effect diagram

气力式水稻穴播机工作时需要足够的气压维持排种器的正常工作，但由于排种器成直线分布，风机至各个排种器之间的管路长度不同，会导致气压分配不均匀，导致播种精度不同，中间位置的排种器平均播种量要高于两端，需要进一步对管路结构进行优化，使其能够均匀分配气压，减小工作压强不同造成的对排种器播量的影响。

5 结 论

1）本文以3种超级杂交稻“Y-2优”、“超优1000”、“五丰优615”为研究对象，对稻种的发芽率进行了室内试验，发芽率分别为：94%、91%、92%。并建立了稻种发芽率与播种精度对田间成苗率的关系公式。

2）利用气力式精量水稻穴直播技术对这3种水稻品种进行田间播种精度试验，播种合格率（1～3粒/穴概率）分别为94.98%、95.07%、95.21%，空穴概率分别为1.78%、2.03%、1.95%，

3）分析了田间成苗率低于理论成苗率的影响因素为：播种空穴概率和1粒/穴概率所致，提出了提高田间成苗率的主要措施，一是进一步提高播种精度，提高 2粒/穴概率，减小空穴率和1粒/穴概率，二是进一步提高稻种发芽率。

本文研究结果可为气力式排种技术在超级杂交稻精量直播中的应用提供依据。

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