蔬菜精量直播技术及装备的研究现状

管春松 崔志超 高庆生 杨雅婷 陈永生，2*

（1农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014；2江苏现代园艺工程技术中心，江苏镇江 212400）

对于叶菜类、葱蒜类等种植密度大、行距小的蔬菜作物，种子机械化直播既能减少繁杂的作业工序，又能提高作业效率，对降低蔬菜生产成本、实现蔬菜生产全程机械化具有现实意义。本文总结了蔬菜精量直播四大关键技术，并在此基础上分类分析了国内外蔬菜精量直播机发展现状、特点及推广应用状况，浅析现有直播装备及配套技术存在的问题并给予发展建议，为蔬菜精量直播机的进一步深入研究提供参考。

蔬菜是我国近几年发展速度较快的经济作物之一，现种植面积仅次于粮食作物，成为农业经济发展的重要支柱产业（陈永生 等，2014）。我国作为世界上最大的蔬菜生产国和消费国，种植面积和总产量分别占全球的43%和49%，截止到2017年我国蔬菜种植面积达0.22亿hm2（3.3亿亩），总产量达7.8亿t，人均年占有量600 kg左右（http：//www.moa.gov.cn/ztzl/scscxx/）。但与粮食作物相比，我国蔬菜机械化综合水平仅为20%左右（张晓青 等，2012；陈永生 等，2015；管春松 等，2017），落后的机械化水平严重制约了蔬菜产业的发展。

蔬菜种植一般分为育苗移栽和直播两种方式，因移栽需集中供苗、远距离运输且机械化移栽用工量仍较大等因素，同时针对叶菜类、葱蒜类等密植小行距的蔬菜作物机械化移栽实现难等现状，机械化直播既替代了育苗移栽的繁琐，又节省人工，提高作业效率，同时能够保证播深一致、出苗整齐，利于作物后期管理与收获。传统的人工撒播，不仅作业效率低，且因抛撒的不规范，造成了种子大量浪费，还存在覆土深度不一、分布不均和出苗不齐等现象，难以实现规模化种植。因而实施蔬菜机械化播种已成为蔬菜园区迫切需要解决的问题之一。

蔬菜机械直播是通过播种机直接在整理好的田块进行播种的作业方式，近几年国内已对蔬菜机械直播开展了大量研究工作，但面对繁多的蔬菜种类，通用化的播种装备越显得凤毛鳞角，成为蔬菜播种环节亟须攻克的难题。笔者调研了国内外蔬菜直播机的研究状况与特点，分析探讨我国现有机型存在的问题，旨在为国内蔬菜直播机的研究、设计与推广应用提供参考。

1 蔬菜精量直播关键技术

1.1 种子丸粒化技术

由于蔬菜种类千差万别，胡萝卜、茄子、大葱等蔬菜种子形状、体积、规则都不一；另外，微小粒蔬菜种子质量轻、体积小，使得蔬菜直播机对种子识别敏感度下降，精量播种难度增大，因而需对种子进行处理，将其包衣丸粒化，以更好地适应机械化播种。

目前发达国家蔬菜种子丸粒化加工处理率达90%以上，已逐渐形成规范的加工标准，而我国种子丸粒化加工处理率不足10%，与国外差距较大。种子丸粒化技术发展推广的关键在于丸粒化粉材料和将粉粘结固化于种子表面的丸粒化设备（胡志超 等，2008），首先由于国内针对多种类蔬菜种子丸粒化用的包衣粉剂大多采用通用型材料，杀虫剂也是品种单一，缺乏针对性，对不同区域、不同气候特点的适应性差，影响发芽率，缺乏系统研究；其次加工设备内壁做工粗糙，种子出口处结构设计不合理所引起的包衣后的种子易撞击出口，故而导致包衣成丸效果差，甚至出现伤种现象，另外通用性差，同时满足圆粒和扁粒种子加工的设备缺乏，目前仍以进口德国、美国、丹麦等国产品为主；再次加工工艺流程不规范，无统一的质量加工规范和检验标准，最终导致我国与国外丸粒化品质相差较大，造成我国蔬菜丸粒化种子大多直接从荷兰、美国、日本等国家引进。随着蔬菜精量播种技术的推广应用，我国种子丸粒化技术必将得到迅猛发展。

1.2 精量排种技术

蔬菜直播技术中，精量排种是关键，而排种器则是精量排种的核心部件，当前如何解决小粒径种子实现精量排种仍是技术瓶颈。排种器按工作原理可分为机械式和气力式两大类。

机械式排种器播小粒径种子时型孔过小易造成堵塞和破损，型孔过大又难以实现精量排种。为此国内一些学者在排种器方面进行了大量研究，如连银娟和罗玉莲（2002）研制了滚筒式油菜播种机，滚筒孔设计成喇叭状用以防堵塞；袁文胜等（2009）研发了一种异形孔窝眼轮式排种器，核心为异形孔的窝眼孔型和排布方式及清种部件；陈海英和刘建政（2010）设计了一种镶嵌组合式排种器，通过试验得出排种轮的型孔直径和深度、引种槽与退种槽的倾角和深度、刷种板与窝眼轮之间的间隙是影响播种质量的关键因素。上述几位代表学者都针对精量排种在排种器型孔、排布方式和设置清种器等方面进行了研究，但仅在圆粒油菜种子的精量排种方面有所改善，对于大多数异形蔬菜种子并不适用。

气力式排种器对于玉米、大豆等大粒径种子播种效果较好，但适于小粒径蔬菜种子直播的排种器则不多，原因是切断气流后小粒径种子难以靠自重快速落下，设置刮种装置则又容易造成伤种。由于气力式直播机要配备空压机或风机等，致使整机体积较大，配套拖拉机马力选型较大，适合欧美国家和中国的东北、西北等土地面积较大的地块作业。

1.3 播深可调技术

播深一致可使出苗整齐，利于后续田间管理，尤其叶菜类蔬菜收获时对植株整齐性要求极高。由于开沟器深度调节结构不同，开沟深度的调整方法也不一样，一般采用改变限深板的上下位置或调节限深轮、地轮、仿形轮或镇压轮相对开沟器的上下位置来调节开沟深度，从而达到控制播深的目的。

这种方法比较简单，在多数播种机上广泛应用，但在地表起伏较大的情况下播深控制精度误差较大。在智能控制方面有学者采用压力控制法和超声波测距控制法对播深控制进行过研究，如程修沛等（2017）运用压力控制原理结合压力传感器、PLC控制系统和电动推杆等研制了一种小麦等深播种机；游兆延等（2014）运用超声波测距控制原理设计了一种自动限深装置，试验效果较机械式有所改善，但播深智能化系统在市场上现有机型中应用程度不高，一方面与智能播深控制系统的稳定可靠性有关，另一方面与农民文化程度普遍不高，对智能化方面认识度不够，使用及故障处理困难较大等因素有关。

1.4 多功能集成技术

蔬菜种植要求精耕细作，现有蔬菜直播机大多只包含播种单项功能，整地、起垄、播种、施肥、施药等功能多为分段作业，增加机具作业次数的同时也延误了农时、增加了作业成本，将分段作业工序集中于一机，一次作业就能完成蔬菜种植的所有要求，节工节本增效明显。国内现有应用较多的功能组合为旋耕起垄播种一体机、施肥播种一体机、起垄覆膜播种一体机、松土施肥覆膜播种一体机等。

2 国外研究现状

发达国家于20世纪中期开始研究蔬菜直播机械化技术，蔬菜播种机趋向大型化和播种、开沟、施肥等联合作业的方向发展。到20世纪80年代，逐渐向精量和联合作业方向发展，对不规则种子进行丸粒化以适应直播机具，采用各种监测装置及自动控制技术来提高播种精度。目前，欧美等发达国家的莴苣、洋葱、甘蓝、芹菜、大白菜、萝卜等蔬菜品种均已实现机械化精量播种，其直播机类型按工作原理大体分为以下几类。

2.1 机械式

由于日本、韩国境内多山地丘陵，田块面积较小、分布零星不集中，因此直播机型偏向小型化，小巧轻便易携带、零部件易更换、播种行数易调节。根据种子的形态大小和农艺要求选择合适的排种轮，调整开沟器高度及排种单元之间的宽度以适应播种深度及行距的要求，选择合适的链轮直径以适应株距的要求。排种轮多采用槽轮或窝眼轮式排种器，根据动力组配方式可分为人力手推型、自走助力型和牵引悬挂型，优点是操作简单、装卸方便、可靠性好；缺点是不能实现单粒精量播种，且排种轮转动过程中易伤种，影响发芽率。

图1 人力手推型直播机

2.1.1 人力手推型 如图1所示，人力手推型直播机结构轻巧，操作简单，有单行、双行、三行和多行之分，通常播种行在1～7行之间，每两行之间行距可调，最小行距≥40 mm，排种器为槽轮或窝眼轮（可更换），由地轮通过链条驱动，可播种小粒径蔬菜种子（萝卜、普通白菜、菠菜、葱等）和包衣种子。低位排种设计使落种更稳定，提高播种精度。整机结构尺寸相对较小，易于掉头，适用于距离较短的田块。代表机型如日本矢崎SYV系列、韩国璟田2BS-JT系列、韩国播蓝特JP系列等。

2.1.2 自走助力型 自走助力型直播机根据动力形式分为电动和油动两种（图2）。播种行数一般在10行以上，行距、株距、播深可根据农艺要求进行调整。

电动直播机播种方式为槽轮交换式，点播间隔为链齿轮交换式，配套动力为约100 W的电机，续航时间约3.5 h，最大工作效率为0.27 hm2·h-1，代表机型如日本矢崎SYV-M系列（http：//www.shyazaki.cn/.）。

油动直播机播种方式为轮式，整机配备约3 kW的汽油机或柴油机，配有多个传动齿轮，调整齿轮传动比可使播种株距保持在20～50 mm之间（可选），行距在80～150 mm之间，作业效率可达0.33 hm2·h-1，代表机型如韩国璟田2BS-JT系列和韩国播蓝特 JP 系列等（http：//www.nongjx.com/.）。

图2 自走助力型直播机

2.1.3 牵引悬挂型 牵引悬挂型直播机一般直接挂接于机头或旋耕起垄或旋耕施肥机具后作业（图3），可与拖拉机或微耕机进行配套，动力形式不受限制，拖拉机配套动力在8.8～44.1 kW之间，作业行数2～8行，微耕机配套动力7.3 kW以内，作业行数2～4行，两种牵引动力配套的直播机行距均可调，排种器为窝眼轮式，由地轮驱动，株距在20～50 mm之间（可选），适合小粒径丸粒化或圆粒种子单粒精量点播，不规则蔬菜种子可达每穴2～3粒。代表机型如日本矢崎SYV-TU（拖拉机）/GU（微耕机）系列、韩国播蓝特JPH/JTS系列和意大利ORTOMEC公司MULTI-SEED系列等（http：//www.ortomec.com/）。

图3 牵引悬挂型直播机

2.2 气力式

欧美国家相对日本、韩国人口密度较低，土地面积广阔，且气力式易实现精量高速穴播，故欧美国家普遍推广应用大型化、高效化的气力式直播机，根据工作原理主要分为气吸式、气压式和气吹式3种类型，优点是对种子圆形丸粒化要求相对低些，适应性强，且高速精量；缺点是种子分选清洁度要求高。

气吸式直播机利用负压吸种，完成种子与种群的分离、输种，在投种区切断负压，依靠种子自身重量或刮种装置对种子的作用完成投种过程；气压式直播机利用正压将种子压在排种滚筒的窝眼上，滚筒转动到投种区，正压气流截断，种子在重力作用下离开窝眼；气吹式直播机与窝眼轮式直播机排种原理相似，不同点是利用气流把多余种子清理掉。相关机型有美国满胜公司生产的MONOSEM气吸式播种机（图4）和意大利马斯奇奥公司生产的ORIETTA型和OLIMPIA型气吸播种机，气压式则如美国奥利斯·查默斯公司生产的ALLISCHALMERS气压式充种播种机，气吹式则如德国贝克公司生产的AeromatⅡ气吹式播种机等（陈永生，2017）。

针对高密度气吸式播种，英国StanHay公司推出一款S-780蔬菜直播机，包括风机、播种单元、传动系统、地轮、机架等（图5），核心部件是播种单元的真空排种器，排种器内的排种盘有若干圈均匀密布的型孔，当机器运转时，排种盘上型孔在风机气压作用下均有种子吸附在上面，当排种盘转到泄压处，每一圈型孔上的种子会顺着各自的滑道成一定间隔并排落入同一开沟器开出的种沟内，从而达到密植的效果（陈永生和李莉，2017）。相关机型还有意大利AI公司的AI-840-SN型高密度蔬菜直播机等。

图4 MONOSEM气吸式播种机

图5 S-780气吸式高密度直播机及排种器

2.3 带式

20世纪70年代，为节省种子和间苗用工量，在美国已大量推广种子带式播种，确定合适的株距后将种子编织在纸带内，纸带随着种轮的转动埋入土中，纸带遇水降解后种子与土壤接触生长。此后，日本也研制出一款种子带式蔬菜直播机，播种前需将种子提前放入一种宽约12 mm、株距10 mm的可降解带状“纸”中，然后将其卷成种子带卷，播种机将其铺放到种沟内，再由覆土器进行掩埋，其作业效率可达1 hm2·h-1，作业速度最快达6.4 km·h-1（刘甲振 等，2018）。此法优点在于可实现简易定量播种，且效率高；缺点在于需配套相应的纸带编织设备，增加生产成本。

为此，近些年一些企业也采用纸带定量点播的原理，对上述带式播种方式进行改进，研制出皮带型孔式直播机，如日本井关公司研制了一种带式蔬菜直播机（图6-a），其排种器是一种带有种穴型孔的输送皮带（图6-b），该机械以微耕机作为动力源，集碎土、播种、镇压等功能于一体，相关机型还有英国StanHay公司的870型高精度带式蔬菜直播机（图7）。

图6 带式蔬菜直播机

图7 StanHay 870型带式高精度排种器

2.4 勺式

勺式排种器多适用于块茎类作物，与块茎类种子尺寸大、便于取种有关，通过安装在转筒或取种链或转盘上的小勺逐个连续舀取种子，运动到投种口投放，主要用于马铃薯、大蒜、生姜等作物的播种。如韩国HADA公司、法国Erme公司、西班牙J J Broch公司生产的大蒜播种机均采用转盘式取种勺排种（图8），马铃薯则采用勺链式排种居多（图 9）。

2.5 其他形式

除上述类型外，英国提出了液体播种，将种子悬浮在凝胶中进行播种，此法对种子损伤小、出苗率高，且成熟期一致；日本提出了静电播种，采用“同性相斥、异性相吸”的原理，利用静电发生器将土床上带有大量负电荷，蔬菜种子上带有正电荷，在电场的作用下，种子下落时被严格吸附在土地上，实现精准定位播种（侯召龙 等，2015）；意大利提出海绵摩擦式播种，通过电机带动海绵柔性体的旋转，在离心力的作用下将种子从种箱中分离出来，而后落入导种管内，随之落入种沟内，因导种管下部尾端空间位置调整方便，特别适合密植小株行距要求的蔬菜种子直播。

图8 转盘式取种勺

图9 勺链式排种原理图

3 国内研究现状

近几年随着蔬菜生产机械在国内得到重视，蔬菜直播的概念逐渐深入人心，对蔬菜直播机的研究逐渐增多。但我国土地面积广阔，南北方地形差异大，致使现有蔬菜直播机类型多样化严重，作业效果参差不齐，整体技术水平仍处于起步阶段。于是，国内相关企业借鉴国外经验并进行国产化再创新，在一定范围内推广使用。

基于技术和经济性、实用性等方面的考虑，同时兼顾设施与露地作业的通用性，国内目前推广比较好、农民易接受的仍以机械式蔬菜直播机为主，主要包含小型手推式和自走式（电动与油动）及拖拉机挂接的悬挂式机型为主，用户可根据作业株行距要求及作业效率等自由选配相应的单一或组合机型。代表机型如德易播公司的2BSJ机型（图10）、悦田公司的SYV系列机型（图11）、上海康博公司生产的2BS系列机型等。

图10 德易播电动气吸式蔬菜精密直播机

图11 悦田电动蔬菜直播机

为解决规模化种植、高速精量播种问题，一些科研院所及企业在气吸式播种方面也开展了大量研究，并取得一定成果。2000年左右，新疆天业集团为解决番茄播种问题，从美国引进了SN-1-130型气吸气吹式精量播种机，曹杰等（2002）发现该机器播种量为150 g·hm-2，空穴率仅为0.5%，在当时属世界最先进的精量直播机。中机美诺研制了2BJ-4/5型气吸式播种机，可播胡萝卜、洋葱、辣椒等小粒蔬菜种子（王晋，2012）。华中农业大学田波平（2008）运用负压吸种、正压吹种的原理，克服了小粒径种子因自重轻、自由落体难的难题，成功研制出2BFQ-6型油菜精量直播机。黑龙江省农业机械工程科学研究院开发出2HB-4型蔬菜精播机，研制一种负压吸种、正压吹杂高速精密排种器，实现负压吸种、自然泄压排种后进行播种，而且通过正压吹风除去排种孔处多余的小种子以及杂物等，解决了漏播现象，保证了出苗率。应用该排种器，黑龙江德沃科技开发公司研发了2BQS-8/8X型气力式蔬菜直播机（图12），可以一次完成浅层开沟、精密播种、圆轮压种、双侧覆土、整体镇压等作业工序（陈永生和李莉，2017）。

在其他播种方式上，青岛锐星机械公司采用种子带播种，种子粒数和间距由种子编织机中的电脑控制，可播种白萝卜、菠菜、洋葱及甜菜等；德易播公司和青岛大顺精锋公司采用转勺式排种器播种小粒径蔬菜种子（图13）；江苏大学胡建平和毛罕平（2003）通过改变线圈电流大小以得到不同大小的磁吸力，实现对不同大小、不同质量种子的精密排种。在大蒜、马铃薯等精特作物播种方面，山东玛丽亚公司采用勺链式取排种结构（陈斯，2017）；枣庄海纳科技有限公司为保证马铃薯正牙率，采用针式直播将马铃薯块茎嵌插于链式传动的钉齿上，而后立直旋转于地面上方落入开好的种沟内（雷志远和贾平，2016）。

图12 德沃2BQS-8型气力式蔬菜精密直播机

图13 转勺式排种器

4 存在问题与建议

4.1 种子品种多，缺乏规范的丸粒化标准

不同种类、同种类不同品种之间蔬菜种子的形状、大小、质量等差异性较大，有粒径大于5 mm的瓜类和豆类种子，也有粒径2～5 mm的菠菜、萝卜种子等，还有粒径2 mm以下的茼蒿、鸡毛菜种子等，对应的质量也不同；种子形状有圆形、扁平、椭圆形、扁球形等，这些因素显著增加了播种机的设计难度，对排种器的适应性要求显著增加。建议对形状较大且相对规则的种子播前先进行分级处理，以增加排种可靠性，对形状较小或不规则的异形种需进行丸粒化处理，使其规则化、标准化，有利于保证机具排种稳定性，提高作业质量。

4.2 蔬菜种类多，缺乏通用型的机具

我国蔬菜种类繁多，株行距等种植农艺要求各不相同，且同品种蔬菜种植区域分散，造成同品种不同地区之间种植模式各异，缺乏标准化、规范化引导，使得播种机研发和推广难度倍增。建议针对同一种蔬菜作物采用同区域相同蔬菜品种、不同区域相同品种、同区域不同蔬菜品种、不同区域不同品种分类逐步规范统一，强化农艺与农机融合，梳理确定相应的农艺要求规格，指导播种机的系列化开发，最终实现同机型、同品种、不同地区的通用化作业。

4.3 作业要求多，整机系统智能化程度低

因种植习惯和气候条件等原因，不同区域蔬菜种植要求不一，部分地区不仅需实现精量播种，甚至播种前需进行旋耕、起垄、施肥等，部分土壤干燥地区还需进行浇水或覆膜，另外在作业过程中机手需及时获知种量、播深等参数，对整机的多功能及智能控制要求提升。建议在农户成本接受的前提下尽量提高机具操作的多功能性，采用模块化配置，自由组合装卸，集成智能控制面板，以满足不同区域种植要求，方便社会化服务体系的建立。

4.4 耕作方式多，作业环节间的配套性差

因蔬菜种植分为平作、垄作、沟作，耕种方式有犁耕、旋耕、开沟、旋耕起垄、开沟起垄等多种，不同的耕作质量对机械化播种后的发芽率及成活率影响显著；其次对于类似鸡毛菜、苋菜等密植型作物播种密度需考虑后续机械化收获的方便性，故而对播种机的播量、开沟宽度、深度及相应的调节装置设计要求多样，建议从全程全面机械化、产业链整体布局出发，由易至难，逐步解决芹菜、鸡毛菜等叶菜类，胡萝卜、白萝卜等根菜类，辣椒、番茄等茄果类蔬菜的精量直播难题，配套集成精耕细管、轻简收获技术，实现特定作物全程机械化生产。