我国旱作地区坐水播种机械的研究

青苡任，车　刚，万　霖，张燕梁，青月光

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319;2.浙江柳林农业机械股份有限公司，浙江 台州　318000)



我国旱作地区坐水播种机械的研究

青苡任1，车刚1，万霖1，张燕梁1，青月光2

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319;2.浙江柳林农业机械股份有限公司，浙江 台州318000)

摘要：坐水播种机械是我国典型的行走式节水灌溉机具，适用于我国北方干旱、半干旱地区抗旱播种，抗旱增产效果明显。为此，介绍了机械化坐水播种技术的原理、产生及发展，分析了我国坐水播种机械的研究与应用现状，探讨了我国穴灌坐水播种的主要机型及技术特点。同时，针对目前穴灌坐水播种机存在的问题，提出了我国坐水播种机械的发展研究方向。

关键词：播种机；坐水播种；旱作区

0引言

我国水资源短缺，北方干旱、半干旱地区春旱严重，耕层土壤含水率低，土壤水分蒸发严重，种子难以发芽出苗，严重制约着我国粮食生产与发展。据统计，近年来全国每年平均受旱面积达0.2 亿hm2以上，粮食减产数百亿千克。我国农田灌溉水利用率却很低,仅为30%～40%，而先进的灌水技术投入资金庞大，不适用于我国现有国情[1-3]。坐水播种技术是我国农民长期实践中探索出的一种有效抵御春旱的措施，其补灌增墒的方法有效解决了春旱播种的问题，节水效益十分明显，提高了农业灌水的利用率。坐水播种机械在我国干旱、半干旱地区的广泛应用，有效缓解了我国水资源短缺的危机，对我国发展节水农业意义重大。

1机械化坐水播种技术

1.1机械化坐水播种技术的产生

坐水播种是一种局部有限灌溉方法，指在播种的同时, 将适量水灌入种沟或种穴里, 使种子周围形成湿土团，为种子提供充足的水分和养料，以确保种子的正常发芽与出苗，达到抗旱保苗的效果[4]。

坐水播种技术是一项具有中国特色的抗旱保苗技术，目前国外尚未有研究。我国人工坐水种技术产生于20世纪50年代，60年代应用于旱作地区玉米种植，80年代应用于小麦、高粱生产中[5]，2000年后开始应用于黑龙江省西部向日葵的种植。人工坐水播种劳动强度大、工作效率低，常常出现延误农时的状况，无法满足生产要求。为提高工作效率，20世纪60年代后在国家对农业生产的扶持下，开始了对机械化坐水播种技术的研究。机械化坐水播种技术是指利用机具一次性完成开沟、注水、播种、施肥、覆土等多道工序，省时省力，操作简单，工作效率高，节水增产效果明显，适用于应用推广。

1.2机械化坐水播种技术的适用地区

我国旱作地区遍布全国，主要包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、陕北和甘肃等北方地区。其中，黑龙江省旱耕地面积333.3万hm2余，多分布在齐齐哈尔市所属各县、绥化地区中南部、原松花江地区部分县以及大庆市等地区[6]。这些地区年降水量平均250～450mm，且春旱严重，播种时正值干旱少雨，影响农作物的适时播种，若延迟播种或干旱播种易造成农作物减产甚至绝产。统计数据显示:2008年我国北方地区发生了近年来最严重的春旱，全年累计受旱面积达0.24亿hm2，农作物受灾面积 0.12亿hm2；2009年5月，黑龙江大部分地区和内蒙古东部降水量比以往同期降水减少了8成，两省区耕地受旱面积达0.1亿hm2，且气温比往年显著偏高，旱情加重[7-8]，严重影响了作物播种。

以上干旱地区，若采用坐水灌的办法，可保证适时春播，保苗25～30天至6月份出现的接墒雨，可保证作物产量。吉林省西部、内蒙古赤峰地区为抗旱增产，已长年推广机械化抗旱坐水播种技术。吉林省西部1960-1990年间使用坐水播种技术已累计玉米总增产总量达80亿kg[9]；黑龙江省从1995年至今已累计生产各种型号的坐水点播机5 000台套多[10],节水点灌面积已达133.3万hm2余。机械化坐水播种技术在以上干旱半干旱地区的广泛应用可为我国粮食生产实现稳产丰产打下基础。

1.3相关理论的发展

1995年前，坐水播种机械相关的灌溉参数及结构设计仍停留在经验估计之上。1995年，李岚清副总理在对西北地区实地考察后，提出了研制行走式节水灌溉机具的创意。此后，在国家科研资金的引导下，包括南京农业机械化研究所、中国农业大学、西北农林科技大学、沈阳农业大学等在内的科研院所对机械化坐水播种技术开始了较为深入的理论研究。其中,主要包括对坐水播种土壤水分入渗过程与规律的研究、对影响土壤水分入渗的因素的分析、对灌溉水入渗的数学模型的建立[11-12]，及对条灌坐水播种施水量的估算公式的总结[13]。至此阶段，坐水播种技术开始进入了理论研究状态。“十五”期间，在国家“863”农业节水重大专项的支持下，各科研院校开始了对穴灌坐水播种技术更为深入的研究。为实现每穴精量施水，达到最优的节水效果，沈阳农业大学对坐水播种土壤临界含水量与穴灌水量的大小/西北农林科技大学对灌水入渗与土壤松耕方法进行了进一步的试验与研究。以上理论技术的研究为我国坐水播种机械的研究与设计提供了有力的技术支持与指导作用。

2我国坐水播种机械的研究概况

坐水播种机械是我国典型的行走式节水灌溉机具。1995年以后，我国全国范围内先后出现多种坐水播种机型，其按灌水方式的不同主要分为条灌坐水播种机与穴灌坐水播种机。

2.1条灌坐水播种机

自1995年以来全国范围内已研制出了数十种条灌坐水播种机,主要机型包括适用于不同作物/不同区域及种植模式下的条播条灌播种机、穴(点)播条灌播种机、条灌覆膜播种机及播种灌水机[14]等。具有代表性且在北方部分地区已推广应用的主要机型包括：①中国农业大学研制的2BSL-1型垄作施水播种机[15]，适用于垄作玉米，单行播种，采用鼠道式开沟施水器暗沟坐水，施水量15～60t/ hm2，作业效率0.27～0.4 hm2/h。②辽宁省农业机械化研究所研制的2BQMS-2型坐水免耕气吸播种机[16]，适用于旱作地区玉米、花生、大豆等作物的抗旱播种，采用暗沟坐水，可在残茬覆盖地表较好地进行播种作业。③中国农业大学研制的2BGM-2覆膜施水播种机[17],配套动力为8.8～1kW小四轮拖拉机,用于玉米、高粱、豆类、棉花、向日葵等穴播作物的坐水播种,一次作业可完成开沟、施水、施肥、播种、覆土及覆膜作业。④黑龙江省水利科学研究院研制的2BFS-1和-2型暗式注水精量点播机[18]等。以上坐水播种机械在我国干旱地区已实现了一定程度的推广应用。

2.2穴灌坐水播种机

穴灌坐水播种机可实现间歇穴施水，相比条灌坐水播种节水最高可达20倍左右，且减少机组运水与补水次数，减轻了机组对土壤的压实，有效提高了作业效率与节水效果。实现机械化穴灌坐水播种技术能真正意义上发挥坐水播种节水、高效的优点，近年来在我国已得到一定程度的研究。

2.2.1技术要点

1)按需穴灌水。穴灌水量受土壤底墒、土壤土质、蒸发强度、气候等因素的影响而不同，需根据实际情况综合分析来确定，是一个不确定值。施水量过多时不仅造成水资源浪费，而且增加作业成本、降低作业速度；施水过少，难以达到抗旱保苗的目的，还易造成种子飘移或种子缺氧，影响作物产量。因此，灌水量应大于等于保证种子发芽、生长的最低施水量，穴灌水量不易过多也不能太少。

黑龙江省气象科学研究所[19]对黑龙江省代表地区不同质地土壤适宜玉米出苗及生长的土壤相对含水量进行试验，得出适宜玉米出苗及形成壮苗的土壤相对湿度为：粘土土壤75%、壤土土壤70%、砂土土壤65%。

土壤相对含水量公式为

其中，R为土壤相对湿度(%)；ω为土壤重量含水量(%)；λ为土壤田间持水量(%)。

进行穴灌施水作业时，水分集中在种穴内，施水公式可由条灌施水公式修订而来[20]，穴施水量的计算公式为

QX=106Δwρabc

(1)

式中QX—计划穴施水量(mL/穴)；

Δw—施水前后土壤含水量增量(%)；

ρ—土壤的容重(g/cm3)；

d—土壤湿润区(湿土块)横向尺寸均值(m)；

b—土壤湿润区(湿土块)高(m)。

通过以上计算公式，根据适宜玉米发芽的土壤相对含水量及穴灌施水范围，可计算出穴灌施水时的每穴施水量。合理穴灌水量的确定对穴灌坐水播种机的施水部件的结构设计具有重要的指导意义。

2)种水同位。穴灌施水时土壤湿润范围应为长轴与机组前进方向一致的椭圆区域，穴施半径大小为40～50mm最为适宜。种水同位要求穴灌坐水播种时补灌水应尽量集中在种子周围，水平面上种子距理论湿润中心2cm以内，垂直方向水分聚集在种子下方，以便充分利用水资源，提高抗旱保苗的效果。

2.2.2技术现状

穴灌坐水播种机可最大程度节水，目前机型较少，仍处于发展与试验阶段，还未推广开来，按间歇施水控制系统原理的不同分为机械控制式和智能控制式。

1)机械控制式机型。主要机型有南京农业机械化研究所研制的地轮泵水路型坐水播种机[19]，如图1所示。该机作业过程为打穴-种、水同时同穴播施-测深施肥-覆土、镇压。采用地轮打穴，地轮泵在强制作用下将定额水挤出泵腔，与排种轮配合运转的凸轮挺杆机构控制喷水—排种口活门开闭系统的开闭，可实现种水同时播施。其穴灌水量100mL/穴，作业行数4行，作业速度2.4～3.6km/h，配套动力25kW。

图1　地轮泵式样机示意图

中国农业大学研制的水种同穴同施坐水播种机[20]，如图2所示。其主要特点为采用鸭嘴式成穴钉齿打穴，正负气压式排种器，成穴钉齿与位于轮芯内侧的取种器数量相等、位置相对应；通过螺杆泵将压力水导入输水管，种水同施同穴，可实现每穴定量坐水与精量播种；且螺杆泵的出水量和螺杆泵的转速成正比，使得穴灌水量稳定，机器行走可无级变速。

西北农林科技大学研制的2BSSF-3型浅松间歇施水播种机[21]，采用与排种轮配合、靠地轮驱动的棘轮控制施水阀开关与种水同施，以实现间歇施水与种水同位；通过控制施水时间来改变穴施水量，机组前进速度快时施水时间变短，棘轮轮齿曲率半径增大时施水时间则变长，反之相反；荆棘轮可根据实际情况更换大小。

1.播种系统　2.坐水系统　3.悬挂机构　4.穴播地轮

2)智能控制式机型。为了解决现有机械式穴播穴灌播种机存在着结构复杂、种液难同穴及施水量难控制等问题，各院对智能式穴灌坐水播种机进行了研究。

同步信号式种水同位施肥坐水播种机[22](见图3)，由南京农业机械化研究所研制。其采用由接近开关和装在排种器转轴的时间分度轮组成的同步信号发生器产生同步脉冲信号，控制电磁铁线圈的电流的通断，时间分度轮与排种轮相位上相配合；种子下落时时间分度轮凸台靠近接近开关，电路发出电流信号，打开水阀开始灌水；随着时间分度轮的旋转凹台接近开关时超出感应范围时切断电路，停止灌水，由此实现间歇穴灌水；1次行程完成4行作业，平均穴灌水量137.75g/穴，施水量会随水箱水位降低与机组行进速度变快而相应减小，配套动力25kW。

图3　同步信号型样机

为精确实现种水同位，西北农林科技大学对坐水播种智能控制系统进行了深入研究。其采用单片机为核心控制系统，光电二极管检测种子的下落，控制施水开关电磁阀，实现种水同施[23]，定时器不同的定时时间可调节施水量；研制了变量穴施水穴播机[24]，先对农田地理信息与水分信息进行采集与GPS定位，获取不同位置的施水量，通过读取施水决策文件完成变量施水。但上述方法前期位置信息与土壤信息采集工作量较大。为实现实时采集土壤湿度信息，宁夏大学[25]研制设计了水分测试系统，利用六连杆机构驱动水分传感器对土壤水分信息实时采集，为实现实时按需变量施水及种水同时播施打下了基础。

3坐水播种机械存在的问题与不足

3.1条灌坐水播种机型

条灌坐水播种机虽结构简单，并得到一定的推广应用，但仍存在一些问题。试验研究表明：玉米坐水播种适宜条灌坐水量为45～75m3/hm2[26],而拖拉机载水过重会增加对土壤的压实及拖拉机的行驶稳定性，所以一般载水量为0.5m3左右,每公顷进行坐水播种补水次数需达百余次；若面积较大的土地，机组载水一次单沟灌溉距离约300m，补水次数多，且易出现未到地头而水量不足的现象，增加了补水的复杂性。目前黑龙江省部分干旱地区春播时，一般采用深播种的方式抵抗春旱以保证种子发芽，玉米播种通常播至7cm以下，并反复镇压将土壤压实进而保墒。土壤坚实度高虽有效减少土壤水分蒸发，但影响土壤通气条件及土壤积温，从而造成出苗较弱，影响作物产量。广泛应用于条灌坐水播种机的鼠道式(暗式)施水开沟器虽在施水时能有效防止灌水的飞溅，但易出现堵土、拥种、拥水的现象。因此，在避免现有机型诸多问题的基础上，条灌坐水播种机械并未最大程度实现节水。

3.2定量施水机型

沈阳农业大学研制的地轮泵式坐水播种机与中国农业大学研制的水种同穴同施坐水播种机，穴灌水由地轮泵或螺杆泵排出，储存于定容积的泵腔或地轮轮芯凹槽内，靠轮泵压力或水流重力排出。其虽有效解决了穴灌坐水量随机组行走速度而变化的问题，但穴灌水量为固定值，无法因实际情况而调节；且作业流程均为打穴—种水同施—覆土、镇压。虽打穴式相比开沟式对土壤扰动小，更有利于保墒；但机组结构较为庞大，间歇施水及种水同位控制装置结构相对复杂，种距不易调节，适用范围较小。

3.3变量施水机型

目前，我国穴灌坐水播种机的穴施水量调节均由改变每穴施水时间来控制。随着施水时间的增加，若机组行进速度不变，土壤湿润长径长度也随之增加，水分无法集中于种子周围，增加的灌水量便无法得到充分高效利用；且随着水箱水位的下降，水压减小，出水速率随之减小，相同施水时间出水量减少，为满足施水量又需增加施水时间，导致穴施径变异率也随之增大。施水时间、施水量与穴湿间存在着相互影响、相互制约的矛盾关系需研究解决。

智能式变量施水机型集多种先进传感器和控制器于一体，电子监测器内设有多个检测路线对排种与给水过程进行检测，可实现种水同施、变量施水；设备结构相对复杂、制造成本昂贵，超出了普通农民的购买能力；并且对农民素质要求较高，一旦有出现电路故障等，机具操作者很难实现自己维修，在实际农业生产中实现推广应用比较困难。

3.4小结

无论是可实现定量穴灌水还是变量穴灌水的坐水播种机，其作业速度都不易超过3.8km/h。若作业速度过快，易出现冲种、漂种及穴灌水量不足的问题。我国目前开沟式播种机仍占主导地位，设计结构简单、装置独立的间歇施水装置，便于在现有开播种机上改进安装为坐水播种机，可降低机具成本，便于推广应用。

4我国坐水播种机械的发展研究方向

为提高水资源的高效利用，最大程度实现省水节水，穴灌坐水播种机的设计与研究仍是我国坐水播种机械仍需继续研究的方向。我国穴灌坐水播种机械也正朝向高效率、高质量、精施水的趋势发展。

4.1保护性耕作与坐水播种集成研究

保护性耕作是一种新型耕作技术，近年来已得到快速发展。免耕、少耕及作物秸秆、残茬覆盖地表是保护性耕作的主要内容，主要作用是蓄水保墒，这与坐水播种的补灌增熵目的一致。但春旱严重时，土壤含水率太低，种子无法发芽，保护性耕作优势难以发挥作用；而仅使用坐水播种技术，由于土壤底墒差、水分蒸发快、补灌次数及灌水量需增加，也难以达到抗旱节水的目的。

试验证明：秸秆覆盖条件下的玉米播种临界土壤含水率比裸地播种要低，且土壤水分蒸发速率慢[27],近年来我国免耕坐水技术也得到了一定的发展[28]。若将保护性耕作技术与坐水播种技术结合起来，在免耕覆盖地表实现坐水播种，使増熵与保墒同时进行，既能发挥保护性耕作技术的优势，又能实现抗旱保苗，可以为作旱区农业生产提供了更有力的技术保障。坐水播种作业时，补灌水需要足够的动态无土空间以便水分集中于入渗，所以增强坐水播种机械开沟部件的破茬入土与防堵、防缠能力仍是需要研究的方向。

4.2合理松耕，增强穴灌水的入渗能力

穴灌坐水播种技术要求种水瞬间播施，每穴施水时间不足0.1s。传统的施水播种技术，灌溉水难以瞬间扩散入渗，容易造成冲种及漂种问题。水分扩散水平方向宽度远远大于垂直方向下渗深度[29]，致使灌溉水大量储存于上层土壤，水分容易蒸发散失，还易出现土壤板结的问题，从而引起种子缺水或氧气不足，使出苗时间延长、消耗养分增多、幼苗瘦弱。

因此，提高穴灌水的下渗速度与深度，增强土壤吸收水分的能力，减少灌溉水分蒸发是提高坐水播种机械抗旱节水效果的新方式。增加土壤孔隙率是提高灌溉水下渗速率与深度的主要途径，在保护性耕作的基础上，设计合理的浅松装置，尽量减少土壤扰动，采用适当的松耕方法，使种床下土壤孔隙率增加、减小土壤容重是坐水播种技术新的研究方向。

4.3调节施水速率，减小水流冲击力

目前，穴灌坐水播种机存在着施水速率无法调节的问题，重力自流式施水方式随着水箱水位下降及拖拉机行走速度变化对施水量的准确性均有影响。通过增大施水时间来增加施水量的方法，存在着穴灌水无法集中种子周围而被充分利用的问题，影响施水准确性。因此，在相同的施水时间内增大施水速率是增加穴施水量的根本方法，调节施水阀门开度、调节施水压力进而改变施水速率仍是需继续研究的问题。而坐水播种过程中灌水水流对种沟的冲击是不可避免的，改进出水口结构从而减小水流冲击力也是坐水播种机需要解决的问题。

4.4技术方案设想

设计活塞推杆注水式坐水方案，采用固定滑道式推杆驱动装置，固定凸轮与连杆机构相组合，结构简单紧凑，可精确实现推杆的运动规律从而实现间歇注水的要求。推杆驱动机构与排种链轮相配合，实现每播1次种相应施1次水，一个机构实现间歇施水的同时进行种水同穴同施，免去了另外设计排种—喷水配合机构的复杂性，施水系统更加简单可靠。采用推杆加压注水，使施水量不随机具作业速度变化，解决了施水速率受机组运动速度与水箱水位变化的影响问题，确保灌溉水集中在种子周围而充分利用；调整活塞高度，可调节穴施水量，有效实现节水省水；出水口结构可采用变径管口，使压力水流出时冲击到管壁上，减小了水流冲击力，减轻了水流对种子与种沟的冲击。采用开沟—坐水作业方式，在播种开沟器正前方可配置浅松铲，利于灌溉水的下渗，可有效防止冲种漂种问题。此种施水装置简单独立，可在原开沟式播种机上嫁接安装，改装为穴灌坐水播种机。气候状况良好时，免去安装施水装置驱动链轮，即可做普通播种机正常使用，适用范围广，推广应用相对容易。

5结语

坐水播种机械的应用为我国的粮食生产做出了巨大贡献，目前我国的穴灌间歇坐水播种机械仍处于发展阶段。随着全国气候变暖，旱作地区干旱程度也随之不断增加，若对穴灌坐水播种机械予以改进完善并实现推广应用，对我国农业水资源的高效利用，推进我国农业的可持续发展意义重大。

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Research of Irrigating-sowing Machinery in China

Qing Yiren1, Che Gang1, Wan Lin1, Zhang Yanliang1, Qing Yueguang2

(1.College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2.Zhejiang Agricultural Machinery Holdings Limited,Taizhou 318000，China)

Abstract：Irrigating-sowing is a drought-defying sowing suitable for arid and semi-arid areas in North China. Its effects of yield increase and water saving are obviously,and it is suitable for China conditions.In this paper, the theory and related technology development of irrigating-sowing is introduced, the research and application status of irrigating-sowing machine were discussed.Analyzed the main types and technical characteristics of China’s irrigating-sowing machine in detail, and the problems and reasons with current irrigating-hole-sowing machines need to be solve were put forward.At the same time,the development direction of irrigating- sowing machinery in the future is indicated.

Key words：seeder machine； irrigating-sowing; dry area

文章编号：1003-188X(2016)07-0009-06

中图分类号：S223.2;S275.8

文献标识码：A

作者简介：青苡任(1990-)，女，四川南充人，硕士研究生，(E-mail)1241266091@qq.com。通讯作者：车刚(1972-)，男，山东平度人，教授，博士，(E-mail)chegang180i@126.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B00)；黑龙江农垦总局攻关项目(HNK11A-09-08)：黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目(YJSCX2015-Y12)

收稿日期：2015-06-16