适宜南方丘陵双季杂交稻的精量育秧播种装备的研制与试验

吴罗发，张文毅，舒时富，李艳大，纪 要，陈立才，祁 兵

(1.江西省农业科学院 农业工程研究所/江西省智能农机装备工程研究中心/江西省农业信息化工程技术研究中心，江西 南昌 330200；2.农业农村部 南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)

南方双季稻种植面积约占全国水稻种植面积的1/2，保障双季稻生产是我国粮食安全与社会稳定的战略要求[1-3]。经过几十年的发展，水稻机械化生产水平取得了显著的进步，但水稻育插秧仍然是水稻机械化生产最突出、最薄弱的环节[4-5]。水稻机械化插秧的关键，在于育秧，育出符合适应插秧机作业的标准化秧苗，直接关系到机插质量和水稻产量[6-8]。水稻机插主要作业指标符合农业生产要求，具有生产率高、作业质量较好、操作简单方便的优点，体现了现代农业的发展方向。然而，插秧机的秧苗是在特定尺寸的容器(秧盘)中培育的，秧苗密度大(2～5株/cm2)，土层薄(1～2.5 cm)。在这样特殊的条件下培育适应机械栽插的秧苗(标准秧苗：苗高12～25 cm，叶龄2.5～4.5，秧根盘结成块)难度较大，既要促进根系生长，又要控制秧苗徒长。机械化生产是保障双季稻的必要手段，而育插秧一直是双季稻全程机械化的难点和薄弱环节[9-11]。目前，南方丘陵双季稻区机械化种植模式以毯状苗育插秧为主，育秧播种设备和插秧机等大多从日本、韩国进口，主要适应于常规稻大播量成毯的中小苗栽插，无法适应双季杂交稻特别是超级稻的稀播匀播壮秧培育的农艺要求[12-15]。针对南方丘陵双季稻区现有技术存在的问题，本研究重点研发适应双季杂交稻稀播壮秧育秧装备，减少用种量，增加播种均匀度合格率，为南方丘陵双季稻丰产、高效、高质量育秧移栽提供技术装备支撑。

1 装置方案与工作原理

1.1 设计依据

育秧盘尺寸580 mm×280 mm×30 mm。 插秧机取秧面积：按横向移动16次，17.5 mm/次；纵向可调节的取秧量范围为8～17 mm，取最大值17 mm；插秧机每次取秧切块的面积，根据横纵向组合，面积为17 mm×17.5 mm=297.5 mm2。

1.2 排种装置方案

设计的南方双季杂交稻精量播种装置由气吸双层滚筒、正压吹种、气动振动器、播种箱体等部件组成，其总体结构如图1所示。

1.3 工作原理

精量播种机主要采用双层气吸式滚筒结构。滚筒分为内层和外层，内外层封闭，保持负压。将滚筒与链轮固连，由动力装置驱动滚筒转动。在滚筒内部的空心轴上均匀开孔，两端分别安装负压装置，在真空装置的作用下，封闭的滚筒内部保持负压吸种的工作状态。在活塞震动装置的作用下，水稻种子在箱内表现为“沸腾”的状态，有效减少了水稻种子间的摩擦，提升了吸种的效果。水稻种子被吸附在滚筒上，并跟随滚筒装置一起转动，转动到最低位置点时，封闭气孔、切断负压，水稻种子在清种装置的作用下被播种于秧盘中。适用于双季杂交稻的双层气吸滚筒装置三维模型如图2所示。

2 关键部件设计

2.1 滚筒参数的设计

精量育秧是双季杂交稻机插所必需的配套支撑条件。因此，精量播种的滚筒装置设计需要与插秧机的取秧面积相互匹配。现有插秧机的秧箱横、纵向运动轨迹分别为横向移动16次、纵向移动17 mm，现有育秧盘尺寸规格标准为580 mm×280 mm×30 mm。播种滚筒需按照插秧机的取秧切块面积17 mm×17.5 mm=297.5 mm2设置，按照取秧面积在其斜对角线上布置吸孔，吸孔数量为2，播种滚筒上的吸孔距离与插秧机秧箱横向移动距离17.5 mm相匹配，纵向间距根据滚筒按照如下公式计算：

S=2πRn/L

(1)

式(1)中，R为播种滚筒的外圆半径；L为育秧盘长度，L=580 mm；π为配套插秧机纵向移动距离，π=17 mm；n为播种滚筒完成一次播种所需要转动的圈数。n一般取整数值，这样可以提高控制系统检测到秧盘即开始进行播种的工作效率，本装置中n为2，滚筒完成一次播种后立即复位。纵向间距S与浮动压辊能否及时关闭气孔负压的精准度显著相关，浮动压辊的变形量要保持适宜，太大对播种的位置准确度影响较大，变形量达到刚好堵塞气孔即可，不宜过大或过小。因此，本装置的设计参数确定为播种滚筒外圆半径为83 mm，播种滚筒的总长度为315 mm，滚动转动圈数n为2。

2.2 排种部件设计

在滚筒播种过程中，滚筒的清种效果对水稻精量播种的种子吸附效果具有显著的影响。针对设计的机械式清种装置样机实际清种效果不理想的状况，优化改进采用气力式设计为正压吹种。排钟部件设计具体如图3所示。采用正压可有效清除气孔上多余的水稻种子，同时吹除播种滚筒转动所跟随的水稻种子。

2.3 双层滚筒结构设计

播种的稳定性和精确性是水稻精量播种装置的关键指标，良好的播种质量才能为后续的机插环节提供优质的秧苗。针对设计的单层滚筒播种空穴率大于5%、吸种合格率小于90%等关键指标不理想的状况，优化单层滚筒改进成双层气力式滚筒。双层气力式滚筒结构具体如图4所示。播种滚筒分为内外两层，内筒和外筒的材料均为铝合金材质，外层沿圆周方向均匀分布有34排吸孔，内层亦沿圆周方向均匀分布有34条对应的沟槽。制作时先将滚筒内层放置于液氮中进行冷冻，然后将滚筒外层套入从液氮中取出的内层，安装时注意保持外层上34排吸孔与内层上34排沟槽相互匹配；安装完成后的滚筒放置于常温下，即成为紧密集合的双层播种滚筒。采用此种设计能够保证双层滚筒内部的密封效果，同时能保证每一排吸种气孔之间的密闭性能，从而提高播种性能。

3 样机试验

3.1 试验装备

试验装备为设计出的双层气吸式滚筒精量播种装置样机(图5)。吸种和吹种采用漩涡气泵，漩涡气泵采用的规格为240 m3/h，最大风量值2.2 kW额定功率。采用无极变频器调节气泵电机的转速从而实现工作负压值大小的变化。

3.2 播种均匀度合格率试验

开启育秧机正常工作状态，连续育秧10盘，分别对每盘的合格率进行统计，并作最后平均值。再统计每盘的空穴率，取平均值。播种装置均匀度合格率=盘合格率穴数/盘总穴数×100%，空穴率=盘空穴数/盘总穴数×100%。测试结果表明(表1)，通过对随机的10个样本进行检测，最终测得均匀度合格率为95.56%(图6)。

表1 播种均匀度合格率检测结果

3.3 工作效率测试试验

调试精量播种机为最佳日常工作状态，连续完成育秧100盘为1组，并进行10组，共1000盘，记录每一组的完成时间。计算平均生产效率(盘/h)。生产效率=盘数/用时(s)×3600。检测试验结果表明(表2)，通过1000个样本的检测，最终测得平均生产效率为570盘/h。

表2 播种工作效率测试结果

3.4 秧苗素质试验

对研制的水稻精量播种机进行了早、晚稻的大田育秧试验，并与普通水稻育秧播种机进行对比，分析育秧的实际效果(表3)。试验采用的早稻品种为潭两优83和株两优1号，晚稻品种为泰优398和五优华占。T为研制的精量播种机，CK对照为普通水稻育秧播种机。从表3中可以看出，精量播种机处理(T)的出苗率早稻与对照(CK)差异不显著，晚稻两个品种T处理的出苗率均优于CK。秧苗均匀度合格率T处理较CK显著提升，早稻和晚稻4个品种的结果均相同。早晚稻4个品种的T处理，其株高均显著高于CK。而根长、根数和茎基宽等指标均表现出T处理显著优于对照(CK)。上述结果表明，采用研制的水稻精量播种机，其出苗率、均匀度合格率、株高、根长、根数和茎基宽等秧苗素质指标均大于对照机型，差异达显著水平。说明水稻精量播种机能够有效提升双季杂交稻的秧苗素质，达到精量播种的目标，有利于双季稻的机械化插秧。

表3 水稻精量播种机的秧苗素质

4 结论与讨论

针对双季杂交稻精量播种的农艺要求，本研究设计了一种双层气吸滚筒式精量播种部件、气吸式吸种、清种结构，研发了气力式精量播种装置，解决超级稻育秧小播量播种均匀性差及落种位置准确性不高的难题，以适应南方双季杂交稻精量播种的要求。试验结果表明，采用气力式水稻均匀育秧播种流水线育秧，常规稻可省种10%～20%，杂交稻省种20%～30%，播种均匀性明显提高，盘根效果、秧苗素质好，实现了南方双季杂交稻毯状苗育秧极小播量的要求，有效保证机插取秧对应面积内1～2粒水稻种子的精量育秧指标，试验结果表明播种均匀度达95.56%，空穴率不足3%，作业效率达570盘/h以上，有效解决了已有水稻育秧播种流水线不能适应双季杂交稻精量播种要求的问题，填补了我国超级稻和杂交稻毯状苗低播量均匀播种及通用型育苗播种技术装备的空白。

育插秧技术一直是发展南方丘陵双季稻全程机械化的重点和难点，特别是南方丘陵山区特殊的地理环境和气候特征，需要更加适宜的育插秧技术和装备来支撑双季稻产业的发展[16-17]。国内学者针对水稻机械化种植开展了广泛研究，这些研究主要侧重于适应于常规稻大播量成毯的中小苗育插秧技术与装备研发，而对适应于南方丘陵双季杂交稻稀播匀播壮秧培育技术与装备研发相对较少[18-19]。目前国内外生产上普遍应用的育苗播种装置主要采用机械槽轮式排种轮，能满足大播量育苗播种需要，但对南方杂交稻和超级稻的小播量精量播种的适应性不足[20-21]。随着我国城镇化进程加快和超级稻、杂交稻的推广应用，南方丘陵区用工难、用工贵的问题日益突出，稻农对水稻精量播种流水线和水稻大苗移栽机械的需求将更加迫切[22-23]。本研究的成果将为南方丘陵双季稻机械化育秧提供适宜的装备支撑，成果的推广应用将有效提升南方双季稻生产的机械化水平。