小麦小区精密播种机械化装备研究历程及展望

王 勇，徐祝欣，李国莹，杨 诚，孙钦华，李国梁

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109； 2.青岛普兰泰克机械科技有限公司，山东 青岛 266109)

0 引言

小区精密播种是在小区内进行育种基础试验时，为甄选出高产优质新品种的技术手段[1]。通常根据试验规划在不同小区内按照一定的农艺参数精密点播不同品种的单粒种子，可有效提高种子出苗率及保证生长状态一致性，更好地凸显各品种性状的差异，降低客观因素对遴选优良性状的影响。

实践表明，机械化精密点播可有效提高育种试验播种环节的准确性。在调研国内外小麦小区精密播种技术装备的基础上，结合国内农艺要求，总结出亟需解决的关键问题，对我国小麦小区精密播种机的研发、推广和应用具有重要借鉴意义。

1 小麦小区精密播种现状与农艺要求

育种基础试验可细分为穗行比较、各代株系比较，以及品种资源保存研究利用等试验[2]。只有实现精密点播才能提高这些试验在单穗选择环节的准确性。因此，小区精密播种不仅对行距、粒距和播深等参数精确性要求最高，而且播种过程中不能出现品种混杂。

调研得知，国内大多数育种单位在进行小麦小区精密播种时依然采取人工播种(图1)，这种方式会降低试验品种的出苗率，从而影响试验的准确性。

图1 人工点播Fig.1 Precision seeding by human

为深入了解小麦小区精密播种技术，调研了山东及河北地区的部分小麦育种试验基地。基地内每个小区长约9 m、宽3.2 m，彼此间隔0.5 m，中间道路1 m，左右保护行2.5 m，上下保护行3 m，小区与地头留有5～6 m的距离方便农机具掉头，如图2所示。进行小麦精密点播时行距一般取20/25/30 cm，株距(4±1)cm，播深3～5 cm，但是株距和行距等参数会因品种、地区和播种方式的不同存在较小的差异。而且，育种小区参数会由于试验目的、作物品种、地区及选用农机具的不同存在较大差异。

图2 小区规划示意(局部)Fig.2 Partial planning diagram of plot

2 国外研究历程及现状

2.1 研究历程及技术现状

国外较早就开展了对小麦小区精密播种技术及相关装备的研发，20世纪60年代进入萌芽期，形成麦类作物精密播种理论。

20世纪70年代中至80年代是过渡期，出现了简易精播机并不断进行改良。德国Fahse公司于1976年研发出GS-23型气吸式小麦精播机，但不能实现单粒精播[3-4]。法国随后研发出Nodet PeumasemⅡ型单粒气吸式播种机，通过排种器周边均匀分布的、带有负压的吸嘴实现气吸式排种，更换不同吸嘴可播种不同作物[5]。20世纪80年代开始进入发展期，奥地利Wintersteiger公司生产出一种较成熟的气吸组合式小区精密播种机，可用于小麦作物的单粒点播并且精准度较高，非常适用于小区田间育种试验，在许多国家和地区得到推广使用[6]。

历经数十年的发展，国外的小麦小区精播机逐步进入成熟期，原理日趋成熟，功能更加完备，已实现系列化和标准化并达到较高水准，具有以下特征。

(1)机具通用性强，选配不同排种器等关键部件可以进行单粒和多粒精密播种切换，以及播种向日葵、玉米等其他作物，可满足不同试验需求[6-7]。

(2)播种质量好，播种定位控制器及监控器等电子元件的安装可对播量粒距等参数进行实时监控和调整以保证作业质量[8]。

(3)自动化水平高，可自动完成清种、供种等操作，目前正趋于全程自动化。

(4)智能化水平高，计算机技术及电子技术的运用，在保证农艺参数的同时，提高了小区播种机作业的精准性[7]。

2.2 典型代表及产品

奥地利Wintersteiger公司、德国Haldrup公司在小麦小区精密播种机研发方面处于领先地位，其中最具代表性的是Wintersteiger公司的Monoseed TC型自走式单粒播种机(图3)。该机专为小区精密播种而设计，搭配播种定位控制器、自动供种及GPS定位等先进装置，可实现高效精准点播[9]。

图3 Monoseed TC型自走式单粒播种机Fig.3 Monoseed TC self-propelled seed drill

尽管处于行业先进水平，但是Wintersteiger公司研发的小麦小区精播机存在共性缺点——更换品种时需要停机清种，因此降低了作业效率，而且由于停机时间短对风压要求特别高。因为其产品采用的是由一个固定的螺旋槽圆盘和一个带有径向槽的圆盘相叠加的组合吸孔式排种器(图4)。播种时依靠负压将种子吸附到由径向槽孔与螺旋槽孔重叠处形成的孔口上；一个小区播种结束后为避免品种混杂，排种器倒转，负压消失，种子从孔口处跌落到种子室，操作换气阀使种子室与真空管相连才能把种子室内的种子吸到集料桶中完成清种操作。

图4 Wintersteiger公司的排种器Fig.4 Seeding device of Wintersteiger

德国Haldrup公司研发的SD-50型自走式播种机(图5)也是一款非常出色的育种机械。该款精播机基于模块化设计，使得机具宽度等参数灵活可调，提高了机具的适用性；采用四轮驱动，可靠性较强且能适应不同的播种条件；可配备锥体格盘式分种系统和弹匣式自动供种装置，自动化水平较高；采用气吸式精密排种器，可精密点播小麦等作物。缺点是该款精播机采用的是玉米气吸式排种器(图6)，只简单地更换了吸盘，导致播种小麦时清种不干净，常会发生夹种的情况。

图5 Haldrup SD-50型自走式播种机Fig.5 Haldrup SD-50 self-propelled planter

图6 Haldrup公司的玉米气吸式排种器Fig.6 Seeding device used for corn of Haldrup

由于国内外育种试验方法及小区参数存在较大差异，而且国外机具价格昂贵，远超国内诸多育种单位的购买力，再加上售后服务不及时等诸多因素，导致国外的小麦小区精播机无法精准满足国内育种市场的需要。

3 国内研究历程及现状

3.1 研究历程及技术现状

改革开放前，国内无小区精密播种机，改革开放后，从国外引进了Plotspider自走式小区精播机，但由于国内外小区农艺参数差异较大无法推广应用[10]。那一时期，国内对小区精播机的研制处于停滞阶段[11]。

1983年，挪威农业大学教授奥约德应邀来到国内讲学、国际田间试验机械化协会中国分会的建立，以及国内种子繁育事业的需要促进了我国小区播种机的研发，出现了ZXJB-4型小区精密播种机和XBJ-150型系列小区播种机，解决了小麦小区定量条播问题，但并未彻底解决小麦小区精播难题[9，12-13]。

2009年，华南农业大学基于电磁振动原理设计出自动控制系统，实现小麦小区播种机自动供种。2011年，沈阳农业大学利用机电一体化技术研发出连续供种装置，并在小麦小区播种机上得到应用[14]。上述装置的研发成功，提升了国内机具自动化水平，促进了小麦小区精播机的研发。

2015年，青岛农业大学与中机美诺科技股份有限公司融合机械控制与电控的优势，研发出自动上种及倒种装置，在2BY-6型育种试验播种机上进行了运用，可自动进行上种与倒种工序，为后续研究奠基了有力基础[15]。

截至目前，国内有13家单位从事小麦小区精密播种机的研发工作并解决了小麦小区精密播种难题。其中，青岛农业大学、青岛普兰泰克机械科技有限公司和河南力垦农业机械有限公司为小麦小区精播机的研制做出了不小的贡献，技术处于国内先进水平。

3.2 典型代表及产品介绍

2020年，青岛农业大学与青岛普兰泰克机械科技有限公司联合研发出YC1306A型自走式小麦小区精播机(图7)。该机采用独立研发的双种腔式精量排种器，利用气吸原理可精密点播不同种类麦类作物和油菜等小籽粒作物，解决了不停机清种的难题；具有自动供种装置，配备北斗辅助控制系统及辅助走直驾驶系统，自动化及智能化水平较高，操作简单；采用液压无级变速驾驶时灵活度高，作业参数可调。该机在国内处于较高水平，适用于国内大多数育种单位，先后在河北、山东等地的育种单位进行了小麦小区精密播种试验。试验结果表明，其作业效率高、播种质量好，受到相关科研院所的一致好评。

图7 YC1306A型自走式小麦小区精播机Fig.7 YC1306A self-propelled plot precision seeder

河南力垦农业机械有限公司借鉴Wintersteiger公司Monoseed TC型自走式单粒播种机，研制出2BZL1250型自走式数控单粒播种机(图8)，解决了小麦小区精密播种难题，但是清种时需要停机，播种效率略低。

图8 2BZL1250型自走式数控单粒播种机Fig.8 2BZL1250 self-propelled CNC single seeder

4 需解决的关键问题及研究建议

小麦小区精播机普遍存在播种作业速度低、作业效率低的问题，需要重点研究高速作业过程中不停机清种的排种器工作原理和结构型式。

国内的气吸式精播机智能化水平较低，如播种过程可视化程度较差、预设路径和实时调控等方面研究成果较少等，应进行技术攻关，加强相关软硬件的开发。

进一步完善各作业部件工作机理，进行参数优化或方案改进，保证株距行距等参数的精确性，提高整机作业性能，进一步减少重播漏播等现象的发生。将其工作机理拓展到其他农作物的播种、清种环节。

5 国内小区精播机发展展望

近年来，国家相关部门多次强调种子繁育事业的重要性，号召大力推进育繁推一体化进程，加快宜机化生产，并出台相关扶持政策，这些都对育种机械行业的发展提供了有力的保障。另一方面，随着种业发展对育种机械需求量的不断扩大，各地育种单位都在积极探寻适合该地区的育种机械，这种内驱力会吸引更多科研单位及农机生产企业投入到小区精密播种机研发的工作中，从而带来行业的快速发展和育种机械的推陈出新。

在研发小区精密播种机械时，还应注意以下问题。

(1)合理控制研发成本，在研发高智能化、高自动化和播种质量佳的大型精密播种机时要顾及大多数育种单位的消费能力。

(2)加强农机农艺融合力度，广泛调研、充分考虑国内大多数育种单位的作业参数，提高机具的适用性。

(3)提高小麦小区精密播种作业全程自动化和智能化水平，降低劳动力成本。

(4)加速科研成果转化，加强新型农机具宣传推广力度。