水稻机械化育秧播种机排种器研究现状及展望

秦 锋，刘大为,2，杨 靖，李 旭,2，符志勇，龚 明

（1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.智能农机装备湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；3.农业农村部南方智能育秧（苗）重点实验室，湖南 益阳 413055 ）

0 引言

水稻是我国主要的粮食作物之一，每年种植面积在3 000 万hm2以上，产量约2 亿t，全国每年直接消耗大米约1.3～1.4 亿t，所以保障水稻持续稳增高产对粮食安全具有重大意义[1-3]。根据农业农村部在2021 年统计的数据显示，当前我国主要三大粮食作物小麦、玉米、水稻综合机械化率均达到较高水平，小麦和玉米超过90%，水稻耕种综合机械化率为85%。然而，水稻种植机械化率仍为短板，其中育秧环节是水稻种植的关键。在2021 年我国的水稻种植机械化率仅为58.5%。国家在“十四五”规划战略中明确指出，到2025年，水稻种植机械化率要提高至65%，由此可见水稻种植机械化是实现水稻全程机械化的重中之重，需要发挥好育秧移栽在水稻种植领域的主体地位[4-5]。

现阶段水稻机械化育秧方式主要有田间育秧和工厂化育秧2 种，其中以工厂化育秧流水线为主。播种流水线主要由供盘、铺床土、压穴、淋水、播种、覆土等流程组成，其播种排种器是整套设备上的核心部件之一，因此开发低损、高效、精量的水稻排种器对促进水稻机械化发展具有重要作用[6]。

1 国外研究现状

在水稻种植领域，主要有育秧移栽和水稻直播2种形式。美国、德国等发达国家因其人均耕作面积大，地广人稀，其水稻种植普遍采用直播，秧盘育秧播种设备较少，主要以飞机撒播和条播机条播为主[7]。相比于欧美国家大面积采用直播的方式种植水稻，亚洲地区则以育秧移栽为主[8]。在水稻育秧领域，亚洲的日、韩两国形成了一套标准化的育秧流程和操作模式，其相关农机企业所生产的育秧播种设备在全球农机市场占有较高水平。例如，日本矢崎、久保田等株式会社所生产制造的自动化秧盘育秧播种机适用于常规稻和杂交稻的育秧，可以一次性完成秧盘铺土、洒水、播种、覆土等工序，播种效果好，自动化程度高[9-11]。国外主要育秧播种装备类型及特点如表1 所示。

表1 国外主要育秧播种装备类型及特点

综合来看，日本和韩国在亚洲水稻育秧装备的发展上处于领先地位，播种机排种器的类型大多以机械槽轮式或窝眼型孔轮式为主[12]，其特点是结构紧凑、播种稳定性好，但是整机引进价格较高，在国内推广速度较为缓慢。

2 国内研究现状

水稻秧盘育苗的主要成秧形式有毯状苗、钵体毯状苗及钵体苗3 类，育秧播种量影响着不同的成秧形式。从相关研究文献中了解到，常规稻的育秧播种，按相关农艺要求钵体穴盘育秧每穴3～6 粒稻种，毯状盘播量控制在120～160 g 左右；杂交稻需实现低用种量、精量播种，理论上要求钵体盘每穴1～4 粒，毯状盘每盘需要70～100 g。育秧播种排种器是整个播种机的核心部件，通过优选排种器形式以满足不同水稻播种的技术要求。当前，排种器从结构和原理上主要分为机械式排种器、振动式排种器、气力式排种器等类型[13-14]，3 类育秧播种排种器类型及特点如表2 所示。

表2 育秧播种排种器类型及特点

2.1 机械式排种器

在上个世纪八十年代初期，我国开始研制各种类型的水稻育秧播种设备，水稻育秧播种排种器的主要结构有槽轮式、窝眼型孔轮式、凸棒式等机械式排种器[15]，其结构分别如图1～ 4 所示。

图1 直槽轮式排种器

图2 斜槽轮式排种器

图3 窝眼型孔轮式排种器

图4 凸棒式排种器

槽轮式排种器主要分为直槽轮式排种器和斜槽轮式排种器。直槽轮式排种器在排种滚芯上布置的直线型线槽，播种时种子受重力作用从种箱落入型槽充种，随排种轮转动强制排种；斜槽轮式和直槽轮排种器整体结构类似，区别在于斜槽式型槽成倾斜排布。槽轮式排种轮在育秧播种机上应用广泛，中国农业大学研制的一种水稻穴盘育秧播种机和苏恒昌农机科技有限公司开发的2BL-280A 型全自动育秧播种流水线，其上的播种部件均采用了外槽轮式排种器，结构紧凑，播种时设备稳定性好，但槽轮式排种器因其线型槽之间存在间距，播种后种子存在脉动性会造成播量不均的现象[16-17]。

窝眼型孔轮式排种器通常在排种轮的外圆周表面加工不同形状型孔，根据不同的型孔深度或直径尺寸适用于不同水稻品种播种要求，种子充满型孔空腔，随排种滚芯转动播种，可以实现育秧盘穴播和条播的精量播种。

杭州塞得林有限公司[18]为实现水稻秧盘播种，研制了一款矩形窝眼型孔式播种装置，如图5 所示，该装置主要由排种滚芯、毛刷、振动器、护种板、驱动电机等组成，排种滚芯沿着外圆周径向均匀分布矩形型孔，充种后在柔性护种板的夹持作用下携带种子至投种区域，整个过程减少了种子磨损，提高了播种质量，实现了常规稻无损条播的育秧要求。

图5 矩形窝眼型孔式播种排种器

华中农业大学姜锍[19]针对机械槽轮式排种器伤种率较高的情况，设计了一种型孔深度可调水稻排种器，如图6（a）所示，通过调节排种器内部的活塞改变滚筒轮上型孔的深度，在型孔底部开有气孔，依靠每个型孔底部的气孔吸附稻种，充种时活塞下移增加型孔深度；当转动到投种位置时活塞上移型孔深度减小，型腔内的种子被推出完成投种。图6（b）为排种器型孔内部截面结构，其形状为径向圆柱型通孔，在研究中发现型孔倾斜角度对排种器的充种性能起着至关重要的作用，过大的倾角易使稻种卡种，过小则导致稻种充种不及时，影响充种效率。此排种器在运作时因可以改变其型孔深度，减缓了水稻芽种机械受力程度，降低了稻种碰撞损伤率。但整体结构复杂，排种稳定性需要进一步提高。

图6 型孔深度渐变式水稻排种器

南京农业大学何丽楠[20]针对传统槽轮排种轮播种后种子不均匀的问题，提出了一种适应水稻和小麦2 种作物播种的螺旋槽轮式排种器，如图7 所示，利用一种旋转手柄镶嵌入螺旋凹槽内，调节手柄可以改变排种轮的作业长度，实现对稻麦不同播种量的调节。但该螺旋槽轮式排种器在试验时发现播种的调节范围较小，使用的稻麦谷种是脱水后的干种，需要进一步验证种子在出芽时的播种效果。

张明华、王在满等[21-22]针对常规水稻排种器存在漏播空穴的问题，研制了一种大小型孔组合式排种器，如图8 所示。此排种器在排种轮的圆周上均匀分布瓢型形状的大小2 种型孔，工作时水稻稻种在第一充种区域填充型孔，完成此过程后排种轮逆时针旋转带动种子至第二充种区域，当第一充种区域存在空穴的型孔时，在第二充种区域进行重复补种。这种组合型孔式水稻排种器可以满足常规稻及杂交稻的播种要求，播种量可根据要求快速调节，二次补种的结构设计使播种漏播率低，播种合格率高，很大程度上减少了空穴的情况。

图8 组合型孔式排种器

2.2 振动式排种器

振动式排种器结构简单、易于操作、对种子的外形尺寸适应性强、伤种率低、播种效果好。华南农业大学鹿芳媛等[23]为提高在低播量下的水稻播种精度，设计了一种两级双振动式水稻精密排种器，如图9 所示，即在种箱底部安装电磁振动器实现定量供种，在排种V 型槽板接上一个气动振动器进行振动匀种，从而保证在排种槽盘上形成均匀连续的种子流，可以准确地落入到下方运输线的育秧盘种中。该类型排种器在其研制的2SJB-500 水稻播种流水线上得以应用，对于毯状钵体秧盘播种适应效果好、均匀性高，但播种效率较低、速度较慢[24]。

图9 两级双振动式水稻精密排种器

为精量调节水稻育秧播种时种子的用量需求，李志伟等[25]研制出一种电磁振动式水稻穴盘播种排种器，如图10 所示，该播种装置主要由供种箱、调速电动机、排种轮、电磁振动器、振动排种盘等组成，作业时，电机控制外槽轮排种轮定量供种，可根据生产需要调节种量，落种精度高。

图10 电磁振动式水稻穴盘播种排种器

中国农业大学研究员袁昊等[26]为提高育秧播种排种器对超级杂交稻的播种性能，开发了一种压电振动式播种设备，如图11 所示，该排种器主要由种箱、排种轮电机、供种轮电机、振动板等部件组成，通过分析压电振动式模型以及稻种在振动板上的运动机理，优化并确定了振幅、种箱内稻种深度等主要参数，在不同播量的条件下实现种子振动板上的单行有序均匀供种，为超级杂交稻精量穴盘育秧播种排种器的研究提供了理论基础。整机的性能试验表明对杂交稻精量播种适应性良好，但未对其他品种水稻做播种性能试验。

图11 压电振动式播种排种设备

2.3 气力式排种器

气力式排种器主要是通过正负气流压力差完成取种与投种，相比于机械式和振动式播种方式，气力式更能满足精量播种的要求，对种子的外形形状适应性好，大幅减少种子损伤的情况。气吸式排种器主要分为吸针式、吸板式以及气吸滚筒等类型。吸针式排种器在蔬菜、花卉等种子播种时运用较多，水稻育秧播种以吸盘式和气吸滚筒式排种器为主要结构[27]。王胜等[28]发明了一种气吸板式水稻育秧排种器，如图12 所示。通过设置在吸种板上的吸嘴内气压变化产生吸力吸种，种箱推杆的上下移动以及吸种板的反复来回翻转完成稻种的充种和排种动作。这种气吸板式排种器可以实现精量播种，解决了杂交稻播种时用种量大的问题，播种效益好，但排种器的气路设计复杂，且需要来回往复取种，播种效率较低。

图12 气吸板式水稻育秧排种器

为解决吸种盘气孔易堵造成种子吸附不稳的问题，龚智强等[29]设计了一种皮带传送气吸振动式水稻排种器，如图13 所示，通过安装在筛分网孔板上的振动器有规律的振动作用实现种子和杂质的分离，落入排种盘的稻种在振动作用下呈现“沸腾”状态，此时吸种盘上分布的吸孔均匀吸附种子，配合投种装置实现定量播种。此水稻排种器结合气吸振动原理减少播种时种子用量，可同时剔除稻种中其他杂质，播种时的作业效率达到309 盘/h 以上。

图13 皮带传送气吸振动式水稻排种器

南京农业机械化研究所[30]为改善水稻育秧环节中种子落种时精度低、随机性高等情况，设计研发了一款气吸滚筒式育秧播种装置，如图14 所示，其播种原理是通过吸种滚筒内部连通负压气体空心轴，滚筒表面轴向排列吸种气孔，工作时在负压气室的作用下，吸种孔将振动种箱内跳动的种子吸附，然后吸种滚筒绕空心轴旋转至播种区域，断开气压，种子受重力作用下落至秧盘播种。此气吸滚筒排种器可以实现对穴精确播种，可以满足60 g 左右每盘的毯状秧盘杂交稻播种和1～2 穴钵体苗精量播种。

图14 气吸滚筒式育秧播种装置

3 水稻播种排种器典型研究方法

水稻稻种因其外形呈现“中间粗大，两端尖细”的纺锤型结构，通常在优化设计不同排种器结构时需要系统分析种子在充种、囊种、携种和投种各个阶段的运动受力情况，而每次搭建试验台架试验播种效果则要消耗较高的人力、物力及时间成本，现阶段主要通过计算机软件仿真分析排种器的工作情况，简化试验设计流程。考虑到水稻的外形特征，相关理论研究主要通过离散元和气固耦合仿真模拟排种器的作业过程。

3.1 EDEM离散元仿真分析

EDEM 离散元软件在工业矿石、粉末、农业物料等离散颗粒体研究领域广泛应用，对于模拟分析谷物排种器中颗粒的运动状态和谷物与机械部件作用过程的研究发挥了重要作用[31]。采用离散元仿真可以对整个播种过程进行虚拟研究分析，得到不同排种结构、参数、运动轨迹等多种因素对排种器播种性能的关系。

李晓冉等[32]针对水稻、小麦和油菜3 种籽粒外形差异大且稻麦种子种群流动性差的问题，运用EDEM离散元仿真建模分析不同型孔、转速下种群的流动状态，得到了型孔型腔的最优取值及稳定播种的转速范围。鹿芳媛等[33]采用离散元分析对水稻育秧播种机的振动供种装置进行模拟，标定了水稻芽种在仿真模型中接触参数，后续又基于离散元研究了稻种在种箱的运动规律，确定了振动频率和振幅的最优参数范围，在频率为57～59 Hz 时排种效果较好。

3.2 CFD-DEM气固两相耦合流仿真

对于气力式排种器，常规的仿真方法较难模拟出复杂的气流动态效果，为明确气吸式排种器气流场的分布规律，现可利用流体力学软件Fluent 和EDEM离散元耦合仿真技术分析排种器工作过程[34-36]。

张敏等[37]为优化吸盘式水稻育秧排种器吸孔结构和参数，对3 种形状的型孔在不同气流场下进行仿真分析，Fluent 数值模拟预测结果与实际物理实验结果较吻合，为结构参数选择提供了有效参考。赵湛等[38]为精准控制吸种位置，采用气固两相流（CFDDEM）耦合完成了吸种过程的动力学仿真，分析计算了水稻籽粒空间分布情况和离散系数，确定了吸种位置和调节距离，提高了整体育秧播种性能。

4 存在的问题

我国对育秧播种机械设备的研究起步较晚，早期研制的设备大多是从国外引进，在吸收借鉴其技术成果后逐步开发出了适用于本国的育秧播种机型，使得育秧播种技术发展迅速[39]，但当前水稻排种器的结构对稻种的适应性上还有进一步提升的空间，存在的主要问题如下：

1）育秧播种机排种器的结构形式较为单一。当前的水稻育秧排种方式主要是机械槽轮（窝眼轮）式为主，受槽型和窝眼型孔结构的限制，存在播种不均匀，播种量不能精确控制等缺陷，难以满足精量播种要求[40]；气吸式结构播种效率较低，且使用成本较高。

2）育秧播种排种器性能的检测监控功能不完善。当前水稻排种器的总体性能较过去已经有了很大提升，但仍存在水稻播种后秧盘内种子分布不均，漏播、空穴等情况，而目前市面上的水稻育秧播种设备中对播种质量和排种性能检测的功能较少，对后期秧苗成苗率无法做到及时预测[41]。

3）排种器难以满足对不同水稻品种播种要求，对种子的适应性差。目前在使用的育秧播种机对常规稻的播种效果较好，但对长粒型籼稻品种及杂交稻品种播种效果较差。

5 展望

随着经济社会的快速发展，我国农业机械化水平已经迈上新的台阶，随着育秧播种领域不断取得突破，也为未来播种排种器的研究发展提供了新的思路。

1）研制精密度高、播种损失率低的排种器。未来需要持续优化排种器的结构特征，提高播种后水稻稻种分布的均匀性，同时播种机能适应不同水稻品种的播种要求，提高育秧播种设备综合性能。

2）增加排种器的性能检测功能。水稻稻种因其特殊的外形结构，在播种的作业中极易发生重播或者漏播、空穴等情况，在高速播种的过程中为降低重播率和空穴率，在播种段需要增加种子智能在线检测装置。通过智能监控可以及时有效的发现重播、漏播的情况，从而能及时调整播种参数实时补种，实现播种量的精细控制，提高后期秧苗成活率。

3）发展通用性好的复合型播种机具。目前水稻播种机只适用于水稻这一种作物，未来可以设计适用于多种作物的播种排种器，关注播种辅助设备的研发，如在整个秧盘育秧播种过程中，可以设计增加自动供种和回收装置以及秧盘基质土的筛分除杂设备，提高播种过程的生产效率[42]。