育苗精量播种机研究现状及发展分析*

杨昌敏，易文裕， 2，邱云桥，赵帮泰，程方平，陈昶

(1. 四川省农业机械研究设计院，成都市，610066； 2. 农业农村部丘陵山地农业装备技术 重点实验室，成都市，610066)

0 引言

育苗播种与传统直播方式相比，可提高土地利用率，缓解季节茬口矛盾，改善种苗条件，增加产量和收入[1]。蔬菜、花卉等小粒种子种类繁多，种植广泛，少部分采用直播，多数采用育苗移栽[2]。育苗精量播种机是机械化育苗的关键设备，可以减轻人工点播劳动强度、提高播种效率、降低人力成本，近年来被广泛应用。

育苗精量播种机按排种器的特性有多种分类方式[3]，按排种器携种方式不同，可以分为机械式、气力式、磁吸式；按排种器设计样式不同，可分为板(盘)式、针(管)式、滚筒式；按自动化程度不同，可分为手持式、半自动、全自动播种机[4]。气力式精量播种，对种子的结构尺寸要求不严格，不损伤种子，可进行较高速度作业，是小粒种子育苗精量播种的首选和趋势。

通过对当前气力板式、针式、滚筒式育苗精量播种机技术研究现状及产品特性介绍，分析我国育苗精量播种机技术发展存在的问题，并提出相应建议措施，以期为我国进一步研制、优化、推广育苗精量播种机提供参考。

1 育苗精量播种机排种器特点

排种器是育苗精量播种机的核心部件，其工作性能直接影响播种精度、均匀性和种子的出苗率。机械式排种器结构相对简单，成本低，但对种子几何尺寸要求较严格，在充种、清种过程中，种子容易遭受挤压而损伤，且单粒播种效果差，不适合高速作业[5]；气力式排种器有气吸和气吹两种方式，采用真空吸附原理，可以根据种子的大小、形状等规格设计不同的风孔，对不同类型的种子具有更好的适应性，生产效率高，是排种器研究的主要方向[6-7]。气力板式播种机能实现单次整盘播种，效率较高，但对种子一致性要求高，否则易因穴孔气压不均匀出现漏播；气力针式播种机在国内外最早出现，操作简单，适用面广；气力滚筒式播种机打破板式、针式间歇作业方式，通过滚筒圆周吸附种子，实现种子的连续播种，效率较高。气力手动、半自动播种机作业效率不高，但成本较低，适用于小规模用户；气力全自动播种机多应用于生产线，适合规模较大的用户使用，价格较高。育苗精量播种机不同分类方式，见表1。

表1 育苗精量播种机不同分类方式Tab. 1 Different classification of seed metering device

2 国内外研究现状

2.1 国外对育苗播种机的研究

欧美等国家对播种机排种器的研究开始较早，20世纪50年代后期欧美等国家开始对气力式精量排种器进行研究，采用理论研究、特殊结构设计加上新型材料、新加工工艺的应用，使排种器通用性、播种精度和效率不断提高。理论研究方面，如欧洲的P. Guarella教授团队认为空气是不可压缩的，将其作为理想气体，设定特殊环境，对吸盘式排种器进行试验研究，建立相关模型，为排种器研究奠定理论基础；Dylan St等对气力式精量排种器的转动速度与负压值间的关系进行研究，得到了试验种子相对应的排种器转速、排种孔参数、气压值，为研制高质量排种器提供支持。结构设计和材料应用方面，法国公司生产的气吸式排种器壳体和种盘均采用铝合金压铸，排种盘采用不锈钢板，耐磨、抗腐蚀，同时配备高强塑料密封环防止气室漏气，配备黄铜搅种装置增加种子流动性，提高排种器播种性能，延长使用寿命[8-9]；意大利公司设计的气吸式排种器，装置结构紧凑，以种盘圆心为中心周向分布搅种片，提高种群的流动性，有利于吸种，同时采用双侧清种装置提高清种性能，单粒率较好[10-11]；韩国的Hwang S J等[12]对播种洋葱种子的滚筒形状进行了优化，尽量减少重量，同时满足所需的强度，形状优化后的滚筒重量，比传统滚筒减轻17.7%，并且满足2.0以上的安全系数。

随着气动技术发展以及元器件制造水平的提高，在气力式排种器研究的基础上，发达国家研制出了多种气力式精量播种机，并很快应用到育苗生产中[13]。国外研制的机型较多，功能较完善，自动化程度较高，并且配套设备齐全，这其中包括英国、美国、澳大利亚、荷兰、韩国等国家众多公司的知名产品[14-15]。荷兰公司生产的气力板式精量播种机，适用于单粒播种，对种子外形有一定要求，生产效率较高。荷兰生产的Nozzle系列针式精量播种机如图1所示，采用真空吸附原理，具有自动清洁吸嘴的功能，并且能够一次完成两排穴孔的播种，播种精度高。

图1 针式精量播种机Fig. 1 Nozzle precision seeder

图2为英国公司生产的滚筒式穴盘育苗精量播种机。该播种机实现了一个滚筒播种多种蔬菜种子和播种大小不同的穴盘，正常播种效率700盘/h，对研究播种机滚筒的多适用性迈出了一大步。

图2 滚筒式精量播种机Fig. 2 Roller precision seeder

随着技术发展，荷兰、美国、日本、韩国都有工厂化育苗自动生产线，工厂化育苗自动生产线成套技术在发达国家已基本形成，并向高科技、高度自动化发展。澳大利亚公司生产的ST1500型育苗播种生产线，适用于多种类型穴盘，播种精确可靠，广泛应用于蔬菜等种植领域，最大播种速度可达1 500盘/h；荷兰公司生产的Granette 2000Tex型双排针式流水线，能使用可编程TEX电脑进行多种播种模式的设置和储存，播种精度非常高，喷嘴具有独特的自清洁机构，有效减少吸嘴堵塞，如果发生堵塞，且无法通过自清洁解决时，监控系统还会发出报警[16]。意大利公司生产的Line1400型播种生产线，如图3所示，有强大的工作能力，可以通过电子系统控制全部的工作部件[17]。

图3 Line1400播种生产线Fig. 3 Line1400 type seeder

2.2 国内对育苗播种机的研究

我国在20世纪80年代中期正式引进育苗技术，通过对排种器进行理论分析、仿真模拟、结构改进设计等，精量播种机工作性能得到较大提高，播种精度、效率得到大幅提升。理论研究方面，李耀明等[18]以油菜等作物种子为研究对象，对振动种盘内种子的运动过程进行理论分析，通过性能试验，确定了振动气吸式排种器核心部件的结构和参数；陈进等[19-20]通过ANSYS对滚筒吸孔结构流场进行了模拟仿真分析，得出吸孔结构对取种性能的影响规律，并对仿真结果进行了性能试验验证。结构设计方面，杨叶[21]提出紧凑型冲穴播种一体式的设计方案，采用鸭嘴型播种头机构和吸盘吸种机构巧妙配合，实现冲穴播种一步到位，减少播种工序，提高育苗质量和效率；张欢等针对现有气吸滚筒式排种器部件多、装配难、密封性差的问题，提出了利用3D快速成型技术打印部分负压吸种滚筒的新思路，并创新设计了双腔排种滚筒，以番茄种子为试验对象，确定了影响排种性能指标较优的结构和工作参数；刘云强等[22]为解决播种非球形蔬菜种子重播率较高的问题，设计了一种清种装置，并通过对清种装置内流场仿真模拟，优化了清种装置结构参数。

经过多年探索，我国多种育苗播种机产品问世。2BXP-500型压穴翻转式精量播种机，可配32孔至288孔的多种规格育苗播种板，播种速度300～400盘/h，但高速作业时，气压不够稳定，播种板穴孔存在漏播现象。RSZN-600型针吸式穴盘播种机如图4所示，采用气电二合一的传动控制技术，节能、环保，要求种子饱满，可实现一穴一粒精准播种。

图4 RSZN-600型针吸式播种机Fig. 4 RSZN-600 Needle suction seeder

2YB-G30A-2型滚筒式精量播种机如图5所示，采用高精度电子滚筒系统，适用于0.3～4 mm之间的种子，形状不限，适应性好，适用于小型育苗工厂，但播种机不带气源系统，需外配气源装置才能投入使用，成本较高。

图5 2YB-G30A-2滚筒式精量播种机Fig. 5 2YB-G30A-2 Drum precision planter

全自动水稻育秧流水线如图6所示，播种机排种器采用螺旋排种，改变传统直线排种方式，实现螺旋交替充、排种，大大提高了播种均匀性，配备全自动上盘机、上土机以及垒盘机，可实现自动化生产，大大节约劳动力，提高了生产效率。

图6 全自动育秧流水线Fig. 6 Automatic seedling production line

2BS-6型气力式蔬菜穴盘高速播种生产线，采用气力滚筒播种，正负气压端面换气技术，带有自动清洗装置，实现了播种生产的机械化和自动化，适用于蔬菜、烟草、花卉等种子播种，600～900盘/h，播种效率较国外精播流水线还存在一定差距。

2.3 国内外对新型播种技术的研究

近年来，国外专家学者在利用不同原理实现精量播种方面进行着不断探索，为了解决形状不规则、重量轻的蔬菜种子的播种问题，研究利用一些新的播种方式。如日本提出的蔬菜静电播种[23]，是一种将静电吸附现象应用于播种作业的技术，播种前用磁性材料对种子进行包衣处理，利用电磁铁与磁性物质间的吸附力实现对种子的吸附，通过控制电源开关间接控制磁力产生，达到吸种和落种目的；日本提出的种子带播种，将种子按照一定距离放入编织带中，由专门的播种机械将打包成捆的种子带铺在田间，覆盖土壤，保证播种的均匀性和出苗率，此技术在发达国家广泛应用；英国提出的液体播种[24]，将种子与由水、农药、肥料等按照一定比例配置成的悬浮剂混合，使种子均匀的分布于悬浮剂之中，通过喷洒悬浮剂来达到精量播种的目的，克服了小颗粒种子因质量轻，播种过程中漂浮、不易控制的难题，目前已经用于蔬菜和花卉的播种；英国还提出了适合牧草的超音速播种[25]。

我国王家胜等[26]研制了一种基于种子带模式的播种装置，种子带采用易于土壤分解的材料制成，通过更换配套吸种辊轮可适应多种作物播种；张燕青[33]等以谷物种子为研究对象，按一定比例配置了谷子种粒混合悬浮液，将谷种与液体混合均匀后利用流体排种装置完成排种。国内也有学者研究磁力式排种的精量播种机，此类播种机吸种部件主要由磁吸头、电磁线圈和反磁性套管组成[27]，调节电磁线圈通电电流的大小，可改变磁吸力大小，从而实现各类种子的精量播种。此种播种方法简便，对种子外形和体积没有过高要求，单粒精播率高，播种速度快[28]，但该类播种方式需提前将种子进行磁粉包衣处理。

通过上述论述可以看到我国育苗精量播种机的携种方式、排种器样式、产品种类以及对新型播种技术的研究上都紧跟国外，但在种子适应性、播种效率、作业性能等方面与国外还存在一定差距。国内外育苗精量播种机比较，见表2。

表2 国内外育苗精量播种机比较Tab. 2 Comparison of seedling planters

3 存在问题

1) 育苗精量播种机播种性能还不够稳定。我国气力式育苗播种机，一般需要借助空气压缩机作为气源，由于气源压力的不断变化，许多机型在高速作业下易因气压不稳，造成漏播、重播等问题。播种盘中的种子常含有灰尘和杂质，清理不及时，播种过程中也极易造成导管、吸种口的堵塞，出现漏播现象。

2) 育苗精量播种机关键结构设计、参数精准控制技术有待突破。气力式排种器因种子适应性好，而被广泛应用，但我国排种器在多功能结构设计、气压精准控制技术方面还存在不足，育苗过程中所需的播种关键部件相当大程度上还依赖进口。

3) 农机农艺融合有待加强。种子的物理特性与播种装置结构和性能参数相关性较大，影响播种质量。育苗播种机械一般只注重了播种的能力，而忽略了播种时农艺方面的要求，机艺融合不够，影响出苗的整齐度，导致幼苗后期生长不好，并且机具互换性较差，播种机利用率不高。

4) 设备成本高，推广应用难。当前我国种植模式是分散种植多、规模种植少，育苗精量播种机成本较高，与我国农产品价格水平不相适应，个体经营、小规模生产户机具购买率低，设备推广应用难。

4 发展建议

1) 重视技术创新，提高育苗精量播种机作业稳定性。学习国外先进的设计、制造方法，引进与自主创新相结合，通过技术创新为育苗精量播种机提供强有力的技术支撑和基本保障。对播种机关键部件建立标准化的设计方法，统一制造规范，改善播种机播种性能，提高设备稳定性。

2) 突破关键参数控制难的问题，提升育苗播种机作业精准度。应用精密电器控制元件，采用先进电气控制技术，对排种器气密性进行精准控制，提高播种作业精度。同时，利用计算机视觉技术等，加装播种智能监控系统和补漏装置，对漏播位置及时补种，提高出苗整齐性。

3) 加强机艺融合，研发多功能播种机，实现一机多用。播种机设计充分考虑种子物理特性的差异性和播种农艺要求，为播种机排种器关键部件的设计提供支撑。机艺融合，研发参数可调、能适应不同类型种子播种的通用性播种机，提高机具互换性，扩大适用范围，实现一机多用。

4) 降低生产成本，大力推广应用，持续提升播种机技术水平。育苗精量播种机的研制应在保证工作性能的条件下尽可能降低成本，同时将研发的新型育苗播种机纳入国家农机购机补贴，提高用户购买力，推动机具推广应用，在推广应用中不断进行优化改进，持续提升其技术水平。

5 结语

精量播种技术是当前播种机械中的最新技术，随着科学技术的日新月异，世界各国出现了许多新型的育苗播种机，工作质量和效率不断提升。目前，我国育苗精量播种机取得了较大进步，但相比国外发达国家在技术和装备水平上仍有一定的差距。引进吸收国外先进技术结合我国实际，通过技术创新提升育苗精量播种机作业效率、播种精度和自动化水平是我国今后育苗科技的重要研究和发展方向。