膜上精量播种装备研究现状及发展趋势

闫建伟，魏 松，张富贵

（贵州大学机械工程学院/现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025）

0 引言

我国西北、西南部分地区常年干旱，水资源缺乏。西北地区深居内陆，干旱少雨，属于半干旱地区，西南地区虽然气候湿润且多雨，但是雨量分配不均衡，降雨时空分布常与农作物需水期严重错位[1-3]，且地形复杂，地貌类型多样，易发生干旱。常年干旱严重制约西北、西南的粮食安全和社会经济发展。如何最大限度地利用天然降水，实现水肥高效耦合对提高旱地作物产量具有重要意义[4-5]。地膜覆盖能减少土壤水分蒸发，改善土壤水分情况，提高土壤的水分供应能力，并且可以把天然降水转化为有效降水并提高土壤贮水量[6-11]。近年来，随着国家对粮食安全高度重视以及在西部大开发政策影响下，覆膜播种技术得到推广。本文在介绍国内外膜上精量播种机概况基础上，分析了当前膜上播种机具的现状特点及存在问题，并提出相关解决措施，为膜上精量播种机的进一步研制和结构优化提供参考。

1 国外膜上精量播种技术与机具

在国外，近年来由于免耕技术和保护性耕作技术的大力推广以及精密播种技术的成熟，美国、巴西、意大利等国家主要以免耕播种机为主。对于膜上精量播种机的研究较少。其中较为典型的是由意大利比安奇公司研制的SEMINATRICE MODULA 系列覆膜打孔穴播机（图1）。该机采用电驱式打孔穴播设计，可互换不同种类播种分配器，能够灵活调节播种深度、播种量和种间距离，该播种机采用拖拉机牵引，适用于大田作业，对土地的平整度要求高，在西南丘陵地区小块地以及地势不平地区播种作业较为困难。

2 国内膜上精量播种技术与机具

我国对于膜上播种机的研究起步于20 世纪80 年代，起步较晚，再加之我国农作物种类繁多，大多数作物种子外形不规则、质量较轻等因素导致我国大部分旱地播种仍采用人工点播或者人力式播种机，如图2。近年来，随着随着国家对种植业的大力扶持，农作物、经济作物及蔬菜种植业发展迅速，国内学者开始对膜上穴播机进行研究，主要有铲式、舵轮式、直插式和滚轮式穴播机以及手持式点播机，其中对铲式和舵轮式研究较少，更侧重于直插式和滚轮式穴播机。

图2 贵州省毕节市威宁县双龙镇白萝卜播种现场

2.1 铲式、舵轮式穴播机研究现状

王鹏[12]运用离散单元法对铲式玉米播种机在土壤凹凸不平的工作环境下排种、成穴以及投种过程进行分析，得出在土壤不平情况下播种机作业速度对排种影响较大，作业速度不宜过快，土壤不平对成穴器成穴影响非常小但是会导致种子变异系数上升，该研究对铲式穴播机结构设计具有一定的意义；邓莹等[13]设计了一种手扶式铲式玉米精量播种机，对成穴铲转速和播种机的前进速度进行了速度匹配设计，使该播种机可适用于不同的株距作业，满足不同的种植密度要求，但是该播种机为小型机械，仅适用于小块地作业，其株距变异系数有待降低。

郭志宏[14]设计了一舵轮式勺盘穴播器，将勺盘式排种器内置于舵轮盘内部，缩短了种子行程、降低了种子在输送管道的滑移率，进一步提高了播种精度。李忠久[15]设计了一种舵轮式杠杆开启穴播机，能实现水稻种子精量播种并且不伤种，提高了水稻育秧播种质量。

2.2 滚轮式穴播机研究现状

随着农业科学技术与手段的不断创新，国内学者更多侧重于滚轮式穴播机相关精密播种技术的研究。穴播轮盘上的鸭嘴在地膜上运动时，鸭嘴在入土和出土过程中，会有撕膜和挑膜现象的发生，对覆膜质量造成了极大影响，因此降低滚轮式穴播机对地膜的损坏成为滚轮式穴播机的研究难点。

刘晓东[16]等针对花生膜上播种设计了一种集起垄、施肥、喷药、铺膜及播种等于一体的2BD-3/6 型花生膜上穴播机（图3），并且在整机后端机架加载多垄仿形机构，大大提高了机器在不同土壤环境下作业的适应性，该机采用拖拉机牵引膜上播种作业，行距180～220 mm，播种深度30～50 mm,作业速度0.6～0.99 hm2/h，但是该机在实际播种过程种存在撕膜、挑膜现象。

图3 2BD-3/6 型花生膜上穴播机

图4 旱地胡麻施肥覆膜穴播联合作业机

周刚[17]针对西北旱区胡麻覆膜播种设计了一种施肥覆膜精量播种一体机（图4），并对滚轮式穴播机进行运动分析，能够实现胡麻膜上精量播种，该机采用拖拉机三点悬挂牵引、膜上播种、施肥一体，行距200 mm，株距200 mm，1 垄6 行，播种效率0.12～0.8hm2/h。

冯岩等[18]运用EDEM 仿真技术对窝眼轮式排种器排种轮转速、窝眼轮型孔圆角直径和窝眼轮型排列升角进行了仿真分析并得到最佳组合，再结合田间试验验证仿真试验的可靠性，提高了油菜精量播种质量。孙步功等[19]针对传统全膜覆盖双垄沟玉米播种机播种效率低、易损坏膜和挂膜等问题对播种机的动力传动装置采用结合非圆齿轮连接曲柄连杆机构和圆柱齿轮曲柄连杆机构来共同控制成穴器运动，大大提高了播种机播种精度并且减少了成穴器对地膜的破坏。刘小龙等[20]针对覆膜玉米穴播机的平行成穴机构作业垂直入土扰动等问题设计了三刚易柔成穴机构，该机构可大幅降低成穴时对土壤的扰动以及对地膜的破坏。余斌等[21]针对甘肃等西北丘陵地区设计了一种手推式穴播机（图5），该机轻巧方便、操作灵活并且采用齿轮传动，可实现鸭嘴和排种器排种同步开启，可满足农作物精量膜上播种，该机采用人工推动进行膜上播种作业，株距可分别调整为280 mm、230 mm 和200 mm，播种深度50 mm 或者60 mm，播种效率0.43～0.67 hm2/d，但该机需人力推动、播种效率较低，存在劳动强度高等缺点。

图5 手推式穴播机

图6 2BZ-4 玉米精量穴播机

甘肃省定西市三牛农机制造有限公司生产的2BZ-4 玉米精量穴播机（图6）采用微耕机牵引式膜上播种，作业速度能够达到1～3 km/h。该机采用微耕机牵引式膜上播种，行距300～700 mm，播种深度30～45 mm，作业效率0.22～0.50 hm2/h。

马明义[22]设计了一种2BT-2 型玉米全膜双垄沟电动自走式穴播机（图7），采用手扶式，以蓄电池为动力源，由直流电动机驱动地轮，可以满足玉米全膜覆盖双垄沟播的农艺技术要求，该机行距400 mm，1 垄2 行，播种深度20～60 mm，播种速度≤1.8 km/h。

图7 2BT-2 型玉米全膜双垄沟电动自走式穴播机

石林榕等[23]对气吸式鸭嘴滚轮排种器进行结构优化，采用弹性垫片做为吸孔材料，能够减少播种时对种子的刮伤，同时能够实现精量播种。

2.3 直插式穴播机研究现状

为避免轮式穴播机作业过程中成穴器回转余摆线引起的撕膜挑膜现象和传统的人工膜上点播人工劳动强度大、效率低的缺陷以及为适应少耕、免耕及地膜覆盖播种作业要求[24]，我国于20 世纪90 年代初对直插式播种机开展研究。王平等[25]设计了一种由曲柄滑块机构驱动的平行四杆机构直插式播种装置，能够实现膜上播种时成穴器“零速”播种，可以有效减少膜上播种作业时成穴器挑膜、撕膜现象。

石林榕等[26]设计了一电驱式小区玉米直插式穴播机（图8），并设计了前进速度补偿机构、限深机构和后轮高度调节机构，对相关结构设计进行了优化分析，在兼顾玉米精密播种的农艺要求的同时还可以大幅度提高整机作业平稳度，降低对地膜的损伤。该机采用手扶式，以蓄电池为动力源，由直流电动机驱动地轮，结合前进速度补偿机构，穴播杆入土到出土时前进速度接近零，行距400 mm，株距330 mm，播种深度40～50 mm，播种速度≤0.62 km/h。

戴飞等[27]结合凸轮—曲柄滑块机构设计了玉米全膜双垄沟直插式精量穴播机（图9），应用转动导杆机构与正弦机构进行串联，研发了直插式近等速补偿机构，采用手扶式以蓄电池为动力源，由直流电动机驱动地轮，成穴器近似垂直破膜入土及出土完成膜上播种作业。该机行距400 mm，播种深度40～50 mm，株距360 mm，播种速度≤1.8 km/h。

图9 基于近等速机构的玉米全膜双垄沟直插式穴播机

图10 玉米直插穴播机

石林榕等[28]在玉米直插穴播机的基础上针对被动鸭嘴开启过程播种性能受地面高低起伏影响较大的问题开发了由转动导杆机构驱动平行四杆机构的直插式前进速度补偿机构，研制了由共轭凸轮、强排—强启排种器为核心工作部件的玉米直插穴播机（图10）。相关田间试验表明该机能有效减少覆膜种床扰动，缓解采光面机械破损，降低穴孔错位率。

马军民等[29]研制了组合槽轮驱动机构，实现了间隙运动，以曲柄滑块机构做直线往复运动进行直插播种，解决了传统滚轮穴播器膜上播种时存在的撕膜、挑膜、穴位错孔等问题。

3 现存问题分析

目前，国内外针对主要粮食作物的膜上精量播种机的研究已经取得了很多成果，技术基本成熟，田间作业的大型播种机具作业性能良好，而现有的膜上精量播种机能用在山地丘陵地区和小粒径蔬菜播种的成果较少，以及与农艺要求的融合还需进一步加强。

与农艺要求不匹配。我国农作物物种繁多，大部分种子体积小、质量轻、形状不规则，不同作物对农艺有不同的要求。目前国内大部分膜上播种机械只针对小麦、玉米等颗粒较大作物，对蔬菜等小粒作物膜上穴播机研究较少，大小粒种子播种机械由谷物类播种机改装而来，与农艺不匹配导致播种质量差。

4 发展建议及展望

（1）加大自主研发力度。国外播种机械大多数为大型机器，成本高，不适合大量引进。应加大对核心技术的研发和引进，进行二次创新，生产出适合本国机械化生产的机械。由于膜上播种机的排种盘、触土部件鸭嘴等关键部分加工精度和制造要求高，应采用新型材料和先进的工业加工工艺，提高播种质量、延长穴播机的使用寿命。

（2）提高膜上播种机通用性。一台播种机可以满足不同种粒尺寸大小，能够根据农艺要求灵活调节行距、株距、播种深度和播种量，提高其通用性，实现一机多用。

（3）加大对播种机触土部件等关键部分研究优化。应重点加大对直插式穴播机的研究力度，提高其作业效率和耐久性。对于轮式穴播机应重点研究如何减少成穴器撕膜、挑膜等问题，同时要充分考率机具的结构和农艺要求，还要考虑土壤条件等因素。

（4）结合蔬菜种子农艺要求。应加强对蔬菜种子的基础理论研究，要掌握蔬菜种子的物理特性，建立多种完善的种子数据库，针对农作物种子的特性研制出专门的膜上精量播种机。

5 总结

我国现阶段覆膜播种机研制虽然已取得一定发展，但是依然处于探索阶段，针对蔬菜等小粒种子的播种机械很少。国外主要采用免耕机械播种，对覆膜播种机几乎没有研究，可借鉴的经验很少，因此需要加大自主研发力度。