水稻种植机械化技术研究现状与展望

张妮 张国忠

摘要：综述了国内外水稻机械化直播和机械化移栽技术及其装备的研究现状及发展动态。针对中国的水稻种植条件和种植制度，指出了现有水稻种植装备的不足之处。提出水稻移栽是水稻种植机械化的重要发展方向，重点阐述了水稻钵苗移栽的研究现状。最后对水稻种植机械化技术的研究方向与趋势进行了展望。

关键词：水稻;种植机械化;钵苗移栽;移栽机;发展

中图分类号： S233.71         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）17-0005-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.17.001 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The research status and development trend of rice mechanized direct seeding and mechanized transplanting technology and equipment at home and abroad were summarized. According to China's rice planting conditions and planting system， the shortcomings of existing rice planting equipment were pointed out; rice transplanting was an important development direction of rice planting mechanization， and the research status of rice pot seedling transplanting was emphatically elaborated. Finally， the research direction and trend of rice planting mechanization technology were prospected.

Key words： rice; planting mechanization; potted seedling transplanting; transplanting machine; development

中国是水稻种植和生产大国，2018年水稻种植面积3 019万 hm2，产量21 213万 t，约占粮食总产量的32.2%。水稻生产全程机械化包括从耕整地到收获多个环节，其中水稻种植机械化由于基础薄弱、农艺复杂等原因用工较多，是水稻生产全程机械化的短板。因此，提高水稻种植机械化水平至关重要[1-5]。

水稻机械种植方式分为机械直播和机械移栽，本研究基于对国内外大量相关文献的综合分析，从机械直播和机械移栽2个方面综述国内外水稻种植机械化现状、技术及装备研究进展，探讨中国水稻种植机械化存在的不足，提出水稻移栽机械化是水稻种植机械化的主要发展方向，以期为进一步提高中国水稻种植机械化水平提供理论参考。

1 国外水稻种植现状

世界水稻种植区绝大部分集中在亚洲，亚洲水稻种植面积占全球水稻种植总面积的90.0%，美洲和欧洲的水稻种植面积分别占全球水稻种植总面积的4.3%和0.4%，以澳大利亚为主要种植地的大洋洲水稻种植面积最小。全球水稻种植面积15 000万 hm2，总产量约60 000万 t，其中种植面积较大的印度和中国分别占全球水稻种植总面积的28.1%和20.1%。

2016年印度水稻种植面积4 300万 hm2，是中国的1.3倍，但总产量（1.6亿t）大约是中国的3/4，居世界第二位 [6]。日本和韩国均以水稻为主要粮食作物，2018年日本水稻种植面积138.6万 hm2，每公顷产量5.3 t，其种植面积占粮食作物总种植面积的80%以上[5，7]。韩国近年来水稻种植面积有所减少，2016年减少到77.9万 hm2，但总产量一直稳定在560万 t。

美国是欧洲和美洲最大的水稻种植区，2016年水稻种植面积125.3万 hm2，每公顷产量8.0 t。在欧洲意大利水稻种植面积最大，为23.4万 hm2，每公顷产量6.7 t。近年来澳大利亚水稻种植面积明显减少，从2013年的11.3万 hm2减少到2016年的2.7万 hm2，但澳大利亚水稻每公顷产量达10.0 t，为世界之最。

因世界各国水稻品种、气候条件、地形土壤、经济发展等不同，水稻种植模式也不相同，已实现种植机械化的国家有美国、意大利、澳大利亚、日本和韩国等 [8]。

1.1 国外水稻机械化直播现状

以美国为代表的欧美发达国家的水稻种植以机械直播为主。其中，空中播种（飞机撒播）占20%，机械穴播占80%，目前已实现全机械化直播。意大利自1960年开始水稻种植方式逐步从移栽转为机械直播。澳大利亚地广人疏，水稻种植区主要位于新南威尔士州的平原，主要采用飞机撒播种植。这些国家的水稻品种较单一，土壤气候适合直播，所以以机械直播方式为主要种植方式[9]。

日本于20世纪60～70年代曾集中研究直播技术，直播面积达5.5万 hm2，但随着水稻移栽技术的不断成熟，直播面积锐减。日本和韩国以机械移栽为主，也有直播种植[10]。

高精度的水稻直播技术是发达国家水稻高产的原因之一，大部分亚洲国家的水稻种植机械化水平远落后于发达国家。

1.2 国外水稻机械化移栽现状

欧洲和美洲国家对水稻移栽鲜有研究。意大利于100年前研究过插秧机并开发出插秧机具，但由于机器结构复杂、需人工辅助等原因而未能推广。亚洲国家对机械化移栽技術研究较深入，其中日本和韩国水稻移栽技术趋于成熟，成为亚洲较早实现水稻全面机械化种植的2个国家;中国水稻移栽技术受日本影响深远。日本于20世纪60年代末出现了毯状苗育秧技术，促使插秧机技术飞速发展;20世纪70年代末，90%以上的水稻种植区域采用机械化插秧作业;20世纪80年代，水稻机械化插秧面积提高到98%。1975年推出施液状肥料的插秧机，1978年试制施粒状肥料的插秧机，目前日本插秧机普遍装有侧行施肥装置。钵苗移栽适用于寒冷和复种地区，钵苗移栽机在北海道占有率为50%。目前日本99%的稻田采用机械移栽，以乘坐式和高速插秧机为主。韩国于20世纪70年代引进日本的机械移栽技术且发展较为成功，目前其移栽技术仅次于日本[11-13]。

位于亚洲西南部的伊朗以及马来西亚、印度等东南亚国家，水稻种植一直以移栽为主，兼有直播。近年来都有研制移栽机，均采用的是连杆机构[14，15]。作为水稻种植大国的印度70%采用移栽技术，但机械化程度不高，其余亚洲国家如菲律宾、泰国和越南等水稻移栽机械化程度较为落后。

2 中国水稻种植现状

中国水稻播种面积居世界第二，各省均有水稻种植，机械化水平差距较大。近20年，中国水稻种植机械化发展较快，2005年水稻机械化种植率为7.14%，2012年提高至31.77%，2016年为44.5%，2018年为50.86%，2005—2018年水稻机械化种植率增长了43.72个百分点，但中国水稻种植机械化水平仍有很大提升空间。

近几十年来中国一直采用移栽为主、直播为辅的水稻种植模式。2017年中国水稻机械化种植面积1 456万 hm2，其中机械插秧面积1 275万 hm2，占水稻种植面积的87.6%。钵苗移栽为主的机浅栽44.7万 hm2，占3%;直播占7.6%。

2.1 中国水稻机械化直播技术及装备现状

中国水稻种植最初采用的是直播方式，距今已有几千年历史。水稻直播按耕整地不同可分为旱直播和水（湿）直播。中国水稻机械直播研究从20世纪60年代开始，河北省农业机械化研究所和吉林省农业科学院分别研制出BDH-14旱直播机和2BS-13旱直播机，但由于工作效率低未被应用。1998年杨坚等[16]研制了电磁振动播种机，结构简单且播种量可调节。2003年夏萍等[17]研制的振动式包衣排种器可一次完成稻种的包衣和直播作业。2008年罗锡文等[18]研制的水稻精量穴播机可同时开沟、起垄和播种，通过改变型孔调节播量可减少种子用量，提高产量。张国忠[19]、程建平等[20]试验证明，相比人工撒播和人工手插种植方式，精量穴播技术更有利于加快水稻的生长发育进程，提高其分蘖和产量。2011年张国忠等[21]针对杂交稻芽种进行了精量穴播技术机理研究。

近年来有关水稻机械直播较热门的技术主要有以下几种。

1）穴直播监测技术。该技术可以实时精准监测水稻播种状态，提高作业质量。王金武等[22]基于压电冲击法设计了水稻穴直播监测系统，得到重播、漏播及有效的监测精度分别为81.79%、80.42%和97.67%，基本可满足监测要求。

2）自动导航技术。水稻直播机作业环境复杂，地面不平整且泥泞易滑，实现作业精度是关键。张雁等[23，24]以洋马VP6型水稻直播机为平台提出的自动驾驶控制方法，路径跟踪平均横向绝对偏差为0.027 m。

3）深施肥技术。为了提高肥料利用率、减轻肥料对环境污染的影响，基于直播机开发的同步深施肥技术相比手工施肥可以节省尿素、N、P和K等肥料30%以上，提高产量约10%[25，26]。

中国近年来农村劳动力短缺，水稻机械直播是一种经济有效的种植方法，其中精量穴直播有利于提高水稻产量，是未来机械直播发展的重要方向。

2.2 中国水稻机械化移栽技术及装备现状

中国水稻机械种植主要采用移栽方式，移栽面积约占机械化种植面积的90%。机械移栽要提前育秧，育秧方式分钵体秧苗和毯状苗，后者的根系连接紧密，移栽时要撕开毯状根系，移栽后有7 d左右的缓苗期，目前插秧机普遍使用毯状苗[27，28]。从育秧、机械栽插（毯状苗）、机械移栽（钵苗）3个方面对中国水稻移栽技术进展情况进行综述。

2.2.1 水稻机械化育秧技术及其装备 育秧是移栽的前期环节，既要培育高质量秧苗，又要考虑与移栽机对接配套，国内很多学者在育秧农艺和育秧机械2个方面进行了研究与创新。

1）育秧农艺技术。水稻育秧环节对水稻种植质量的影响较大，育秧农艺中育秧盘以及秧盘基质成分对秧苗移栽影响较大。有研究者开发出以水稻秸秆为原料的植质钵苗盘，较普通毯苗机插增速5%～10%[29-32]。史鸿志等[33]研究了上毯下钵的稀播育秧盘，该秧盘可生物降解，机插时带盘。易子豪等[34]研究了钵形毯状苗盘的钵深对秧苗质量和取秧的影响，结果表明钵深为8 mm或12 mm时取秧顺利且成毯质量高。宋云生等[35]进行了钵苗播种量试验，结果表明随播量增加育秧质量降低，但播量过低则不利于移栽机工作。

沈建辉等[36]对比了水育秧、旱育秧和淤泥育秧3种方式，发现旱育秧的秧苗质量高且更有利于机插，淤泥育秧可行但成秧率较低。黄程宽等[37]、张胜[38]对育秧基质、播种量与播种密度、插秧秧龄作了统计与分析。近年来，智能化育秧工厂在中国成为热点，用替代基质取代土壤基质育秧可能是未来育秧的发展方向[39]。

2）育秧机械技术。育秧模式分为工厂化和田间式，育秧机械可以细分为很多种，其中播种机是育秧中较值得深入研究的机械之一[40，41]。工厂化育秧主要为播种流水线作业，莆田市富昌农机有限公司与南京农业机械化研究所合作研发了2BLY-280B型高速螺旋播种育秧流水线，实现了自动化播种和育秧。华南农业大学研制的2SJB-500型育秧精密播种流水线适用性强，通过更换振盘可实现多种播种方式[3]。

田间育秧播种早期的装备有南京农业机械化研究所研制的2BTP-56型、2BTP-84型和2BTP-120型系列化田间育秧播种机，均采用窝眼轮滚播方式播種。近期有华南农业大学研制的田间育秧播种机，根据不同育秧工艺要求可采用凸棒式、槽式勺轮和螺旋勺轮3种排种方式播种[3]。

工厂化育秧是未来发展方向[42，43]。育秧播种最大特点是播种、铺土排土和秧盘移动要同步，通过现代化的监测反馈装置可实时自动调整，提高同步性和智能化。在秧盘和基质上可进行农艺创新，例如在可降解秧盘中可以添加肥料和微量元素，培育高质量的秧苗。此外，中国杂交稻占水稻品种的60%，根据其种植要求降低播种量，可充分发挥杂交稻机移栽增产优势[44]。精量育秧播种技术是关键，应用机、电、气等技术融合实现种子的精量提取和在秧盘上有序分布将成为今后的研究热点。

2.2.2 水稻机械化栽插技术及其装备（插秧机） 1967年中国首次研制出自走式插秧机，1982年延吉厂开发出2ZT-9356型和2ZT7358型乘坐式插秧机，参考日本井关技术，采用的是独轮驱动和分置式曲柄连杆装置。1996年中国第一次研制出水稻全自动移栽机，采用气吸方式，由单片机控制，步进电机驱动，精度较高[45]。近年来，插秧机的研究方向主要有以下几个方面。

1）插秧机性能改进研究。2012年张娜娜等[46]对高速水稻插秧机车架进行了优化及结构改进，使其车架质量降幅达16.77%。刘爽等[47]对手扶插秧机手传振动评价及振动传递特性进行了研究。

2）自动导航技术。王宇等[48]对井关插秧机（PZ60）进行改装，开发了导航控制算法，编写了导航控制软件。有研究将自动导航应用于水稻移栽开发出无人驾驶插秧机，并设计出秧苗自动计数装置[49-51]。唐小涛等[52] 基于北斗/GNSS对洋马VP6E型插秧机进行自动导航系统研究。

3）侧深施肥技术。插秧时在秧苗一侧土壤中施入肥料称为侧深施肥[53]，其用肥量相比传统施肥可减少约20%。水稻的水田环境与种植施肥技术应相融合，张国忠等[54，55]发明的水田船型深施肥开沟器可应用于水稻移栽和播种机。近年来，一些学者创新性地设计出侧深施肥装置植入插秧机，有螺旋绞龙结构和风送式，并进行了气固两相流仿真分析[56-58]。

目前国產插秧机存在的主要问题有插秧不均匀、漂秧、漏插、勾伤秧苗等，还需进行改进。在插秧机上增加施肥、铺纸和施药装置，实现边插秧边精确可靠侧深施肥、边铺再生纸或者覆膜以及边施药等复合功能。

2.2.3 水稻钵苗移栽技术及其装备 钵苗移栽的概念最早于20世纪80年代由日本提出，目的是为了水稻秧苗期能抗寒。此后日本率先将单片机、机械手、电磁阀等机电一体化技术整合在一起，完成取秧、输送和栽植工作，发明了钵苗移栽机并推广。钵苗移栽技术比毯状苗平均增产增效6.0%～12.6%，且特别适用于单株成钵的超级稻以及北方种植地区[59-62]。

钵苗移栽对象的秧苗特性和力学分析是移栽机设计的理论基础，宋建农等[63]对不同的秧苗高度、秧龄及苗钵体湿度进行了力学试验分析，证明拔取方式可行，水稻单穴内秧苗拉拔力小于抗拉断力但播量必须控制。

目前国内主要有几个科研机构从事水稻钵苗移栽机开发。①东北农业大学与吉林鑫华裕农业装备有限公司共同研制出第一代样机[64]，该样机采用双曲柄五杆机构，用1个机构完成3个动作，结构简单且成本低，但振动大、效率不高，是国内少有的进入市场的机型。基于第一代样机，第二代样机由杆机构升级到回转式机构，采用顶出式贝塞尔齿轮行星轮系双臂移栽机构;第三代样机是水稻宽窄行钵苗移栽机构，采用行星架斜置式双臂取秧方式;第四代样机为水稻宽窄行钵苗拐子苗移栽机构。为提高效率该团队设计了三移栽臂非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机并针对移栽臂存在甩泥现象进行了改进[65-70]。②以汪春为主导的团队在20世纪90年代研制出2SP-6型钵苗有序抛秧机和齿板式钵秧摆栽机，选取秸秆植质为钵苗的基质，配套的栽植机械通过改装插秧机2ZT-9356型完成，效果较好。③中国农业大学有20多年钵苗移栽科研基础，1994年研制出2ZPY系列水稻抛秧机，采用旋转锥盘式，为无序移栽，而后研制出采用对辊式拔秧的2ZPY-H530型钵苗移栽机[71，72]。④南京农业机械化研究所1997年研制出2ZU-6和2ZB-79型播秧机，为顶杆推出式结构有序化取秧，靠秧苗自重入土而浅栽。⑤华南农业大学研制的钵苗有序抛秧机为气力式，2003年又研制出夹子式机械手式钵苗移栽机，此后又设计出非圆齿轮行星轮系分插机构，采用3个移栽臂提高移栽效率[73]。

中国钵苗移栽技术水平与发达国家仍存在较大差距，钵苗移栽技术的难点在于移栽机纵向的移送精度很难达到要求，移栽机缺乏创新，机构可靠性不够，市场化尚未形成。

3 中国水稻种植机械化问题探讨及展望

3.1 水稻机械移栽与机械直播对比与选择

水稻机直播、机插秧和钵苗移栽各有特点，学者们对这3种种植方式做了大量对比试验 [74-78]，结果表明应因地制宜地选择机械移栽与机械直播，实现水稻增产。机直播、机插秧和钵苗移栽3种种植方式并存发展的同时，水稻钵苗移栽为未来发展重点[79]。

3.2 加快作业可靠、性能优化的新型机具的自主研制

在水稻直播方面，应优化种子加工环节，节省稻种用量，根据不同品种的种子选取不同直播方式，精确播种。配套的整地机具应朝着大型高质量方向发展，进一步发展精量直播技术，实现种子的株距和行距有序精确分布。

在水稻移栽方面，既要解决国产插秧机插秧不均等问题，又要加快国产新型钵苗移栽机的研发。目前市场上使用的性能较稳定的插秧机和钵苗移栽机均引进了日本核心技术，应加快自主研发尤其是钵苗移栽技术需要创新与优化，从而解决水稻秧苗移栽结构上的难题。

3.3 农艺知识和先进技术应与种植机械技术融合创新

在提高水稻移栽机可靠性的基础上，需发展配套育秧播种技术，从而实现精准育秧。育秧技术与移栽技术配套同步发展，如毯状苗的播种量、适栽期、苗盘深度、一钵几株等综合试验分析尚欠缺，要加快育秧技术研究，为水稻种植农艺与农机配合提供参考。

水稻移栽对象的力学物理特性研究可为移栽机研究提供理论依据，例如分析不同夹取秧苗方式的拔取力、最佳拔取角度和移栽轨迹等，还应对不同育秧工艺下的秧苗力学特性做对比分析试验。

3.4 加快水田环境下自走底盘研发，侧深施肥施药等复合作业

目前水稻种植机具的自走底盘主要由外资企业生产，其大多采用液压传动和无级变速，但是水稻种植机具一般为匀速且低速前进，这些多余的功能导致成本提高，所以中国应加快研发适合本国国情且符合水稻种植机具动力需求的底盘。推进水田自走底盘研发对促进多种水田操作机具的发展具有重大意义。

水稻种植机具技术趋势有复合作业技术、特殊形式种植机和无人驾驶种植机等，其中侧深施肥和施药等复合作业技术应与种植机械同步发展，以实现精准按需供给。

3.5 提高水稻种植机械智能化水平是未来发展趋势

自动移栽机器人是未来的发展方向，一些发达国家已开始应用，旱地移栽机器人技术可以借鉴并应用于水田。精准农业、自动导航技术在直播机以及移栽机上均可应用，无人操纵高精度水稻种植机是水稻种植机械化技术的发展方向之一。针对移栽机高效、可靠和智能化发展趋势，充分利用机器视觉等信息化控制技术，精准采集机具的作业信息（移栽间距、秧苗移植深度等）与移栽质量指标（栽直率、漏栽率等），实时反馈给移栽机进行调整，以提高作业的总体质量。

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