小区育种播种装备与技术研究现状与展望

尚书旗 吴秀丰 杨然兵 李国莹 杨晓龙 陈栋泉

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

0 引言

我国是农业大国，是世界上最大的种子市场之一，每年种子需求量巨大[1]。在培育新品种、繁殖良种、对比品种过程中，需要对不同品系种子进行大量试验[2]，以对种子的品质及生长环境等作出科学的结论。小区育种田间试验是进行各品系种子各种试验的重要形式，是根据农艺要求直接、直观地从各种土壤环境中得出不同品系种子的品质状况，以及选择优良种子[3-6]最有效的方法，小区育种试验基本贯穿于各种优良品系种子研发整个过程。目前，我国小区育种田间试验机械化水平较低，通过人力进行小区播种作业的情况普遍存在[7-8]，大多数小区育种田间试验在试验人员多、试验条件难以控制、播种形式和方法多样易错的繁杂环境下完成，大大降低了小区育种田间试验的精度与效率，影响了小区育种试验结果的真实性、科学性。多年来，从事与小区育种相关的科研机构、农业院校、育种机械企业的专家一致认为，实现小区田间育种试验机械化是解决小区田间试验存在问题的根本途径[9]。相关专家学者致力于推动小区育种技术及机械方面的研究，并取得了很多研究成果，为我国小区育种播种机械化发展奠定了基础。

随着我国育种产业的迅速发展，小区育种田间试验要求也不断提高。只有加快小区育种播种机械技术创新、推动我国小区育种播种装备与技术研究向更高水平发展[10]，才能更充分、全面地发挥小区育种田间试验机械化播种优势，更好地促进我国小区育种业的快速健康发展。IAMFE(国际田间试验机械化协会)在小区育种装备与技术研究等诸多方面为世界各国提供了互相交流的平台，也为促进我国小区育种田间试验机械化发展提供了有利条件。

本文综述小区育种播种装备和技术的研发历程，从小区育种播种的特点出发，结合不同作物品种、不同播种农艺要求，详解现有条播、精播模式下的小区育种播种核心技术和装备工作原理，归纳小区育种条播排种和精密排种装备的主要结构形式和作业模式，总结目前国内外实际应用及研发的技术与关键结构，分析目前国内外小区育种播种机械的研发进展，并对我国小区育种播种机械化发展进行展望。

1 小区育种播种装备与技术研发历程

国外小区育种播种装备与技术研发起步较早[11]。1935年加拿大研制出一台用于小区育种的播种机，可以进行稻麦等谷物的小区播种[12-13]。随后，欧美亚等一些农业发达、农业机械化基础好、育种方面研究早的国家，如奥地利、美国、挪威、法国、西德、日本和苏联等也相继开始了研制[14]，1954年奥地利Wintersteiger公司为一种业公司生产了该公司的第1台简单的小区播种机[15-16]。

自1957年开始，挪威农业大学EGIL开始研发适用于小区育种播种特点的播种机，经过4年的研发及试验，成功地发明了小区育种条播机，其核心结构——锥体-格盘式排种装置实现了分量播种，满足小区育种田间试验要求[17-18]，被命名为奥约德排种装置，该技术一直沿用至今。1964年6月，依格尔·奥约德在挪威成立了IAMFE，在此次会议上，奥约德小区育种条播机得到了广泛的认可。1966—1976年，奥约德为了适应小区条播机的发展需要，建立了小区育种播种技术研发实验室，继续进行悬挂式和自走式小区条播技术研发。1960—1976年，奥约德小区条播机从挪威出口到57个国家。后来，奥约德将该小区育种播种技术转让给奥地利Wintersteiger公司。之后，德国Haldrup公司、美国Almaco公司等开始研发小区育种播种机，中国、法国、意大利、匈牙利、巴西等国家也陆续开始研制。在奥约德排种装置的基础上出现了锥体带式排种装置，这两种排种结构成为小区育种条播技术的核心。

20世纪80年代，Wintersteiger公司以气吸式排种原理为基础，研发了气吸式组合型小区精密排种技术，并应用于该公司的自走式小区育种精密播种机，该技术采用了当时先进的液压传动和气动等装置，设有用电磁阀控制的吸入空气通路转换功能，以及可使排种器反正旋转的液压马达装置，可以达到清种、不混种的要求，同时实现了精密排种。1983年该公司的小区精密播种机获得了世界专利，该气吸式小区精密排种技术一直沿用至今。之后，德国Haldrup公司、美国Almaco公司等也研发了具有清种功能的气吸式小区精密排种技术，实现了清种、不混种要求[19-20]。

国内小区育种播种机的研发起步较晚，从引进到借鉴再到自主研发经过了较长一段时间。1978年，我国从国外先后引进了小区株行条播机、自走式小区育种条播机等一批小区育种播种机械[21-22]。20世纪80年代，我国自主研制了小型小区谷物育种条播机，主要包括北京农业大学的NKXB-1.4型小区育种播种机，黑龙江五九七农场三修理所的2XB-10型小区播种机，河北肃宁农机研究所的2BJ-2型小区精播机和2BXQ-4型人力小区试验用播种机[23-25]。1984年，黑龙江省农垦红兴隆科研究所研制了XBJ-150型小区条播机系列，包括悬挂式和自走式，并在全国推广了80台[26-29]；新疆农垦科学院农机所何彦等设计了2XBX-2.0型悬挂式小区育种条播机[30-33]。目前我国气吸式小区育种精密播种机大多直接引进国外机型，有自主研发生产能力的企业很少。

2 小区育种播种装备与技术研究进展

小区育种播种机是培育新品种、繁殖良种和对比品种等田间试验时所用的专用播种机[34-35]，与大田播种机相比，小区育种播种机必须实现份量播种，根据试验要求在规定小区长度内的各行同时均匀播一种或者一种以上品系的定量种子，并且一个小区播种结束，播种机内该小区的种子实现自净[36-38]，播种过程不同品系种子不掺混，更换下一品系种子不停机[39]，大田播种机达不到份量播种要求。

2.1 供种装置

供种是向小区育种条播机排种结构或小区育种精密播种机排种器输送种子的过程，目前小区育种播种机供种方式主要有两种：人工供种，小区作业前，由人工手动将待播种子装入纸袋中，并将纸袋编号按小区试验顺序排好，小区作业时，按顺序取出纸袋，将种子倒入盛接传输结构内，如图1所示，该供种方式一般应用于同一小区同时播种同一品系种子的情况；自动供种，小区作业前，由人工手动将待播种子装入弹夹式自动供种装置配套的供种盒内，并按顺序插入护种板，作业时，人工将装种的供种盒倒置在弹夹式自动供种装置的供种台上，每一小区运动一次，每次运动供种台平面上的供种盒同时向排种口移动一排，护种板不移动，排种口与供种盒每排的每个容种空间一一对应，当供种盒到达排种口上方时，每个容种空间内的种子由各自对应的排种口下落，不同品系种子之间不掺混，结构如图2所示。该供种结构一般配套在小区株行条播机或者小区株行精密播种机上，有效减少了田间试验时同时向每一行对应的种子盛接传输结构添加不同品系种子的操作人员数量。

针对小区供种问题，刘曙光等[40]设计了与油菜小区育种播种机相配套的共轴双盘格自动供种系统，单片机控制，电磁力驱动；刘龙等[41]设计了转盘式大豆小区育种播种机自动供种装置，PLC控制步进电机驱动。

美国Almaco公司研制一种大型弹夹式自动供种装置，配套在PowerPlant小区育种播种机上，结构如图3所示，每个供种装置内容纳8列，每列30个供种盒，每列供种盒通过不锈钢钢板条连接，保持供种盒整齐。每个弹夹内共容纳240个供种盒，每次播种可以安装8个供种弹夹，另外可以携带16个供种弹夹，播种完毕可以停机更换2次，满载弹夹可以播种5 760个小区。

2.2 排种装置

2.2.1小区条播排种

小区条播排种按条播要求将规定量的种子均匀连续从排种结构中排出，使其均匀分布在规定长度的小区种沟内，目前小区条播排种技术排种过程即为清种过程，不需要单独的清种结构，每一品系的种子播种时不能掺混，能够不停机更换种子进行不同品种不同小区的连续排种，主要应用于小麦、谷类等适合条播的小区育种田间试验中，田间小麦试验播种小区如图4所示。

小区条播排种器核心结构为锥体-格盘式排种结构或锥体带式排种结构[42]，是实现小区分量播种的关键。

锥体-格盘式排种结构由存种提升桶、锥体、格盘、底座等组成，结构如图5所示。存种提升桶在临时存种状态时，其桶体竖直套放在锥体锥顶部分，其轴线与锥体轴线重合，其下边缘与锥体锥顶部分接触，形成临时存种空间，待播种子在该空间中放置接近一个小区的作业时间，为存种过程，其间种子受小区条播机行进的振动，均匀调整种子位置和平整度，减少由初始倒入状态造成的充种前各个方向种量的不均匀；在提升状态，存种提升桶竖直提升，与锥体锥顶产生间隙，种子在重力作用下从间隙流出，为泄种过程；种子全部流出后，存种提升桶重新复位回归临时存种状态位置。锥体为铜或铅质材料制成，锥体表面有标准圆锥状、凸面圆锥状、表面带沟槽状(如图6所示)，其底边缘与格盘内沿接触，使种子无遗漏完全滑落至格盘的每个盘格内；从临时存种空间流出的种子沿锥体表面滑落至格盘的盘格内，为充种过程，该过程是影响排种均匀性的关键环节。格盘与底座接触，形成相同大小、形状的若干盘格空间，底座固定在机架上，格盘相对于底座转动，转动时，格盘隔断将格盘每个盘格内的种子均匀推送至排种口上方，种子下落，这一过程为运排种过程。锥体-格盘转动一周后，格盘内的种子全部排净，一个小区播种完毕。

锥体带式排种装置由存种提升桶、锥体结构、帆布带(胶带)、滚动销轮、底座等组成，结构如图7所示。该结构中存种提升桶结构、原理与锥体-格盘排种装置相同。锥体结构上部为圆锥体，下部为圆柱体，圆锥体部分功能与锥体-格盘排种结构相同，下部圆柱体与帆布带(胶带)紧密接触，相对无滑动，上部圆锥体底部与帆布带(胶带)形成环状楔形空间[43]，种子到达该空间，通过锥体与帆布带(胶带)旋转带动至排种口上方，种子下落，完成运排种过程。帆布带(胶带)通过滚动销轮调节张紧程度。锥体皮带结构转动一周，种子全部排净，一个小区播种完毕。

种子在锥体-格盘式排种装置或锥体带式排种装置中均经历了存种、泄种、充种、运排种过程，排种效果影响因素较多，由于锥体-格盘式排种结构种子流动带来的排种质量不确定性较锥体带式排种结构更大，对作业条件的要求更高，一般情况下，两行以上的小区育种条播机上配置锥体带式排种结构的较多。

锥体-格盘式排种装置与锥体带式排种装置的驱动形式有两种：机械式传动驱动，结构原理如图8所示；电动驱动，结构原理如图9所示。机械式传动驱动由地轮通过链传动、锥齿轮传动驱动排种结构旋转[44-46]，只要传动比确定，小区长度就确定，因此改变传动比是该驱动形式改变小区长度的唯一方法，一般配置多种形式的链轮组合，通过调整传动比来改变小区长度，每次调整需要人工安装调换，结构如图10所示，为目前大多机型采用的形式。电动驱动由步进电机或者伺服电机驱动，电机转速由控制系统实时监测地轮转速来控制[47-49]，保证同一小区每一时刻电机转速与地轮转速比值一定，该技术目前还在研发阶段，没有普遍应用。

锥体-格盘式排种装置或锥体带式排种装置一次完成小区一行的播种，小区单行育种条播机适用于小面积的小区播种作业，主要配备一个锥体-格盘式排种机构或锥体带式排种机构，一般人力驱动或者电动，如图11所示。

目前，根据试验要求，小区内的同时多行播种是规模化小区育种田间试验采用的主要形式，实现小区多行播种对应的排种结构形式主要有4种：

(1)配置等行数的排种结构

该形式下，一般采用锥体带式排种装置，如图12所示，每个排种装置内的种子只均匀播到小区的一行内，这些排种装置为小区育种条播机中配套型号最小的排种装置。目前该装置基本以地轮行走带动，通过链传动及同一传动轴上安装的对应排种装置数量的锥齿轮传动驱动，保证排种装置转速一致。

(2)配置等分式锥体-格盘式排种结构

该结构在锥体-格盘式排种结构的基础上，将其内等角度设置隔板，把格盘分成若干等份，每个等份格盘的底座上都有排种口，其位置沿圆周均分，例如格盘均匀三等分，图13为三分锥体-格盘式排种装置，可同时播种3行，格盘转动1/3转，播完一个小区长度，该情况下播种相同长度小区，转速为锥体-格盘式排种装置的1/3。该装置的驱动形式与锥体-格盘式排种装置相同。

(3)在排种口下方配置旋转分种头

旋转分种头工作时高速旋转，从排种装置排种口下落的种子经旋转分种头迅速均匀甩分至圆周分布的各接种分配头内，经与接种分配头连接的导种管均匀排送至种沟，实现多行的旋转分种。旋转分种头一般有两种结构形式：双面对称式，如图14所示，分种面以竖直平面为主，具有分种旋转稳定、工作转速要求相对较低、分种效果较好等优点，为目前机型主要配置形式，在旋转分种头接种平面上固定柔性材料，分种效果更好；非对称式，结构如图15所示，分种面为斜平面或者斜平面与斜平面中间位置的一个竖直平面组合形式，该结构加工时重心容易偏移，需要通过减重形式精准校正重心位置以较小高速旋转造成的振动，而且分种效果的不确定性相对较大，为较早机型配置结构。旋转分种头驱动有两种形式：由地轮通过链传动、锥齿轮传动驱动；由直流电机驱动。后一种为目前常用结构驱动形式。

(4)在排种结构上方配置分种器

该结构(图16)将一份种子均分成多份，一般以同时分成2～6份为宜，为了分种更精准，一些结构再等份合并输出，该分种过程与种子播种过程不重合。在条播或者精播过程中小区多行同时播种同一品系种子时，均可以采用该结构，以减少同时多行人工供种的操作人员数量。

目前应用于实际小区田间育种试验的比较成熟的小区育种播种装备与技术，按试验要求的工作模式主要有两种：

(1)同一小区播同一品系种子

此类工作模式一般采用锥体-格盘式排种装置或者锥体带式排种装置排种口下方配置旋转分种头实现，结构如图17所示，该结构一般适用于6行以内的小区播种，随着播种行数的增多，需要增加排种装置及旋转分种头配置，如图18所示，当排种装置数量超过2个，可以在排种器上方配置分种器，以减少同时多行人工供种的操作人员数量。

(2)同一小区不同行播不同品系种子(株(穗)行条播)

此工作模式由两种结构实现：配置与小区行数相同的锥体-格盘式排种装置或者锥体带式排种装置，配置弹夹式自动供种装置供种，如图19所示；配置与小区行数相同总等份数的等分锥体-格盘式排种装置，可以配弹夹式自动供种装置供种。两种结构均可以使小区每行播种通道相对独立，满足不同品系种子分别输入对应种沟的排种结构要求。目前大多小区育种株(穗)行条播机上配备的供种、排种、开沟、覆土、镇压等机构直接固定在主机架上，为了精化小区育种田间试验对比范围，减小行进过程对播种的影响，使品系对比更明显，出现了小区育种横向株行条播机，该机排种结构与其它小区育种株行条播机相同，不同点为排种装置、开沟覆土镇压装置固定在一个独立于主体机架的支撑架上，支撑架由主体机架支撑，并相对主体机架可以在垂直于播种机行走方向上的横向往复运动，工作时，整机停止前进，一般采用液压马达动力链传动驱动。尚书旗团队采用2个三分式锥体-格盘式排种装置，设计了2BHZY型小区育种横向株行条播机，结构如图20所示；德国Haldrup公司采用6个锥体带式排种装置设计了ST-30型小区育种横向株行条播机，结构如图21所示。

为了提高排种装置适应性，可以在小区育种株(穗)行条播机上加配分种器(图22)，两种试验要求的作业模式均可满足，同一小区既可以播同一品系种子，也可以不同行分别播不同品系种子，实现两种作业模式的通用。

近年来，我国在小区育种条播技术上的研究成果较多。张婷婷等[50]研制六行同步小区条播机，利用直线电机实现6行同步播种。刘曙光等[51]研究小区育种条播机前进速度、充种装置转动速度、充种装置锥体母线长度和充种装置锥体底角对油菜和小麦种子充种均匀性变异系数的影响。杨诚等[52]研究小麦种子流在排种装置中的运动状态，分析种子在锥体分种及离心分配装置中的受力和运动规律。杨诚等[53]对自主研发的小区电控播种机落种部件的相关运动进行理论分析，优化播种机落种部件的结构及参数。刘曙光等[54]研究与存种提升桶相关参数对5种种子分散均匀性变异系数的影响。杨松等[55]研究牧草种子在分种锥体上的运动轨迹，及4种不同导流槽数目的分种锥体对牧草种子分散均匀性变异系数的影响。程修沛等[56]分析离心分种器转速、分种面夹角和分种距离对小麦籽粒运动的影响，通过离散元法分析离心分种器转速、分种面夹角和分种距离对分种均匀性的影响规律。

2.2.2小区精播排种

小区精播排种按精播要求将种子以一定株距从排种器排出[57-62]，使其均匀分布在规定长度的小区种沟内。目前小区精播排种技术的排种过程与清种过程相对独立完成，每个小区播种完毕，均需快速清种。该技术主要应用于玉米、豆类等适于精密播种的小区育种田间试验中，田间玉米试验播种小区如图23所示。

小区精播排种一般应用种腔可以自净的气吸式小区精播排种技术，该技术包括了气吸排种和气吸清种两部分。国内外气吸式小区排种技术原理相同，但排种装置形式不尽相同，根据吸种圆盘数量、形式，一般分为两类：

(1)单吸种圆盘

小区精密排种器内竖直设置一吸种圆盘，将排种器分成两个空间[63]，一侧为真空室，与风机吸气管相连，一侧为利于清种的可旋转整体式种腔(结构如图24所示)或组合式种腔(结构如图25所示)及连接的清种管路，种腔内的种子与吸种圆盘接触，种子进入种腔，输种管被隔开，一个小区开始播种。一些机型设置存种隔板，将排种器进种通道分隔出两个独立的存种空间，利用小区播种的时间将下一小区种子提前输送至存种隔板待播，节省了下一小区种子在输种管下落至排种器时间，提高了效率，而且排种器内两个小区种子不掺混，结构如图26所示。排种过程中，种腔内的种子在风机负压作用下被吸到排种圆盘孔隙上[64-66]，排种圆盘在地轮传动或电机、液压马达驱动下转动，将吸附在排种圆盘上的种子从种腔移出，并转到排种器下方待播区域，与真空室隔开，种子不再受负压作用，在重力作用下落入种沟。一个小区播种完毕后进行清种过程，整体式种腔或者组合式种腔活动结构向下旋转，种腔内剩余的种子流出种腔，进入集种腔，同时常开状态的排种通道与常闭状态的清种通道在电磁阀通电情况下，分别关闭与打开，将集种腔内的种子吸出至集种盒内，然后断电，电磁阀复位，排种通道重新打开，清种通道重新关闭回复到排种过程，实现了气吸排种与气吸清种过程的转换，每个小区均循环该过程，其原理图如图27所示。大多小区育种精密播种机均配套与该结构形式相似的排种器。

(2)组合式吸种圆盘

该小区育种精密排种技术由Wintersteiger公司研发，配套该公司小区育种精密播种机上，适用于玉米、豆类等中大粒种子的小区精密播种，结构如图26所示。小区精密排种器内竖直设置一个由2个槽盘重叠在一起的组合式吸种圆盘结构，将排种器分成真空室与种腔[67]。组合式吸种圆盘由一个螺旋槽盘和一个径向槽盘组成，螺旋槽盘一侧为真空室，径向槽盘一侧为组合式种腔及连接的清种管路，螺旋槽盘固定不动，径向槽盘转动，两个槽盘重叠形成的气孔不断吸附种子向排种口移动，到达排种位置，气孔消失，种子在重力作用下下落至种沟内。该结构的清种过程与单吸种圆盘结构清种过程原理相同。

一个气吸式精密排种器一次完成一行的播种，目前小区精密播种以多行为主，应用于实际小区育种田间试验的比较成熟的小区育种精播技术，按试验要求的工作模式分为两类：

(1)同一小区播同一品系种子

该工作模式一般通过配置种子分配器与气吸式小区精密排种器组合系统实现，如图28所示，种子通过分配器时分成与配套排种器数量相等的份数进入对应排种器，以减少同时多行人工供种的操作人员数量。

(2)同一小区不同行播不同品系种子(株(穗)行条播)

该工作模式一般通过配置弹夹式自动供种装置与气吸式小区精密排种器组合系统实现，如图29所示，自动供种装置每个供种盒容种空间内的种子通过排种口下落至导种管并输送至对应的气吸式小区精密排种器。自动供种装置的分种工作提前在播种前完成，以不同步提前装种工作代替播种过程中同步多人操作，以减少该工作过程中的实际操作人员数量。

一些机型每个排种器配备一个存种提升桶，同时配备种子分配器，可以同时适用于同一小区播同一品系种子或者不同品系种子的试验要求，提高了结构的通用性，结构如图30所示。

我国关于气吸式小区育种排种技术研究成果较少。杨薇等[68]设计了一种种腔自净型气吸式精量排种器，其充种腔与清种腔相互独立，排种与清种过程互不干扰，自净率达100%，同时设计了配套的自动供种装置。周家鹏等[69]全面分析了目前小区育种播种机机械式清种与气吸式清种结构。

2.3 开沟、覆土与镇压装置

小区育种开沟、覆土、镇压装置与大田播种机配套的开沟、覆土、镇压装置基本一致[70-72]，其功能相同，尺寸一般较大田播种机小。小区育种播种试验以作物品种真实生长环境要求为基础，以便获得真实的试验结论，开沟、覆土、镇压装置一般按照耕后小区播种与免耕小区播种(图31)的要求进行结构形式配套。

小区育种播种机开沟装置一般可配套双圆盘式、靴式、滑刀式开沟器等[73-74]。双圆盘式开沟器开沟较窄，开沟质量较高，拥有较强破土能力，同时还不易缠草和壅土，土壤回填能力强，总体开沟性能较好[75-80]，可以实现最小行距15 cm的小区开沟作业，该结构在耕后小区及免耕小区的开沟作业中普遍使用。靴式开沟器钝角入土，土层保持良好，开沟质量较好，开沟器起落容易，相关机型小巧轻便，最小行距可达8 cm，但破土能力较差，适用于耕后的小区播深要求不高的作物播种开沟。滑刀式开沟器钝角入土，依靠自身重力和弹簧压力碎土开沟，播深均匀，出苗齐整，可通过改变弹簧压力调节入土深度，开沟器宽度较大，开沟形状整齐[81-84]，最小行距40 cm，但其土壤回填能力较差，一般适用于耕后小区作物播种开沟作业，目前应用较少。

小区育种播种机覆土装置一般以配套弹齿式覆土器为主[85]，其结构简单，覆土效果稳定，一般配套在小麦等播种深度较小的小区育种条播机上，在玉米等作物的小区育种精密播种机中，一般不配套覆土装置。

小区育种播种机镇压装置可配套各种形式的镇压轮，如整体平面、凸面、凹面镇压轮或分开式凹面镇压轮及双轮分开式V形橡胶镇压轮等，一般根据土壤与作物生长环境综合考虑配套。该装置一般配套玉米等小区育种精密播种机，在小麦等小区育种条播机上一般不配置镇压装置。

开沟、覆土、镇压装置一般都通过可拆卸结构连接固定在小区育种播种机机架上，一种小区育种播种机一般可配套多种开沟、覆土、镇压装置，通用性、适应性较好，可以根据土壤环境及种子生长条件灵活配置与之相适应的开沟、覆土、镇压装置。小区育种播种机常配套的开沟、覆土、镇压装置如图32所示。

2.4 小区定长模式

小区定长是自动控制系统获取小区育种播种机在每个小区内开始播种位置的标记形式，作业中自动控制结构的动作均依据小区定长信号。目前小区定长一般有4种模式：

(1)钢索模式

该模式下，钢索一般整体缠绕在播种机缠绕辊上，钢索总长度大于小区育种播种机作业前进一次的长度，钢索上每隔一个小区长度与一个区间道宽度固定1颗钢球，播种作业前钢索一端穿过播种机上的钢索探测装置并固定在地头上，工作时，当探测装置触碰到钢索上的钢球后，控制系统即可获取小区定长信号，如图33所示。该模式的优点为小区长度控制精确，区间道对齐效果较好，缺点为一套钢索只能对应一种小区长度配置，无法自由调节小区长度与区间道的宽度。

(2)测程轮模式

该模式在小区育种播种机后面设置一个被动行走轮，控制系统通过测量被动行走轮的行走距离来确定播种机相对于小区的位置。工作中，每当测量的行走距离到达预设的行走距离时，控制系统即可获取小区定长信号，如图34所示。该模式的优点是小区长度和区间道宽度可以通过自动控制程序操作界面灵活设定，操作简便，缺点是测程轮可能打滑造成小区长度测量有一定误差，导致横向的区间道对齐效果较差。

(3)测程轮+钢索矫正模式

该模式将测程轮模式与钢索模式结合在一起，如图35所示，测程轮测量行走距离与钢索矫正过程同时进行。工作中，播种机控制系统通过测量测程轮行走距离获取小区定长信号，测程轮行走距离的测量数据通过钢索模式每2 m固定1颗钢球进行一次矫正，通过这个固定距离可以修正测程轮行走距离的测量误差，矫正过程使测程轮测量距离更准确。该模式的优点是兼顾了测程轮模式与钢索模式的优点，既可以灵活设定行长，又能保证小区长度与区间道宽度的精度，缺点是播种机结构与控制程序更复杂。

(4)卫星定位导航模式

该模式是通过卫星定位导航系统(如GPS导航或北斗导航)定位播种机的位置[86-94]，将位置信号反馈给控制系统的控制程序，从而在播种机到达预设位置时，控制系统可以获取定位信号[95-102]，如图36所示。该模式操作简便，精度高，缺点是成本很高。

Wintersteiger公司研发基于GPS的播种定位控制器(GSC)应用于Plotseeder TC自走式小区条播机、Plotseeder等系列悬挂式小区条播机上，不需要使用划印器自动精准定位[103]。王浩等[104]利用北斗卫星定位小麦小区育种播种位置，解决人工地面划线问题，并提出了一种算术平均值滤波与卡尔曼滤波相融合算法[105]，进行定位信息修正，提高小区路径规划定位精度。王浩等[106]将北斗卫星与编码器相结合，设计了一种基于行程自校准的高精度小区播种系统，能够将小区长度误差控制在1%以内。

目前国内外带自动控制结构的小区育种播种机一般具备小区定长功能，该功能可以应用于小区育种条播机及小区育种精密播种机上，目前大多配套于小区育种精密播种机上，小区条播一般人工提前在待播地块上划线，人工控制。

2.5 自动控制系统

目前弹夹式自动供种、条播中的排种装置底座自动调平、排种装置存种提升桶自动提升、排种装置旋转速度自动调节，精播中的排种器种子自动更换、排种圆盘速度自动调节等方面均可以实现自动控制。一些自动化程度比较高的机型将自动控制各功能模块集成，由各研发单位开发的播种软件统一控制，可以人机交互进行参数化设置。尚书旗团队研发了小区育种精密播种自动控制及监测系统，开发了专用控制监测软件，使得对供种、落种、预落种及排种过程的所有电动控制装置的控制由程序控制自动完成。程修沛等[107]研发了一种基于 STM32 的小麦小区播种机排种控制系统，先对小区播种路径、种量、速度等参数进行规划，通过单片机及Android 终端[108]控制小区播种工作时的各项参数。

2.5.1自动供种

在小区育种株(穗)行条播机、小区育种株(穗)行精密播种机中均可配置弹夹式自动供种装置，实现同一小区不同品系种子的供种。自动供种过程中，控制系统控制步进电机或者伺服电机间隔转动一定角度，带动供种台上所有供种盒共同向排种口平移一定距离，实现供种盒精准平移定位。

2.5.2条播排种装置底座自动调平

锥体-格盘式排种装置与锥体带式排种装置要求底盘时刻处于水平状态，保证种子均匀分布于圆周，如果底盘不水平，种子向倾斜方向流动将会严重影响播种均匀度。Wintersteiger公司通过两种形式实现底盘自动调平，通过水平仪，手动调节底盘下的两个伺服电机使排种装置达到水平状态；通过带有传感器的电子控制器进行排种装置的自动调平，在控制过程中，两种模式可以选配，也可以同时配套，如图37所示。

2.5.3条播排种装置存种提升桶自动提升

通过条播排种装置存种提升桶实现自动提升技术，已经应用于小区育种条播技术的各种形式结构中，由控制系统控制条播排种装置存种提升桶在电磁力作用下，迅速提起，种子完全从存种提升桶与锥体缝隙流出后断电，存种提升桶复位。

2.5.4条播排种装置旋转速度自动调节

电动控制过程中，通过传感器实时监测地轮转速，由控制系统根据设定的小区长度，自动实时调节伺服电机或者步进电机的转速，实现自动份量播种控制。小区长度可以灵活调整，地轮阻力减小有效避免了打滑现象。

2009年尚书旗科研团队引进国外先进播种技术，开发了一种小区播种电控系统，并研发了悬挂式小区电控播种机(图38)，利用步进电机控制锥体-格盘排种装置的旋转，利用直流电机控制旋转分种头高速旋转，一方面通过工作前输入小区长度等信息，由系统计算步进电机转速；另一方面通过传感器获取地轮转动速度，利用双传感器检测结果确保锥体-格盘在不同转速下旋转一周角度误差小于0.24%[109]。张健等[110]对该电控系统进行改进，设计了速度伺服控制系统。Wintersteiger公司也研发了一种电控式小区育种条播机。该技术在方便灵活调整小区长度、提高播种质量方面具有明显的优势，目前还未普及推广应用。

2.5.5精播排种器种子更换控制技术

气吸式小区育种精密排种器内的种腔在排种与清种状态之间转换，是及时准确更换种子而不混种的主要过程。在小区播种过程中，种腔一直处于排种状态，当一个小区播种结束，控制系统控制气动驱动机构使种腔活动部分旋转运动，如图39所示，种腔由排种状态快速转换至清种状态，种子从种腔流至集种腔，然后种腔再回归排种状态。控制系统控制气动机构实现间隔式快速来回往复运动，实现种腔排种状态与清种状态的转换。

2.5.6精播排种圆盘旋转速度自动调节技术

当气动式小区精密排种器的吸种圆盘转动由步进电机或者伺服电机驱动时[111-113]，在同一小区播种过程中，控制系统根据地轮转动速度自动调节吸种圆盘转速使作物株距保持一致[114]，在不同小区播种时，根据不同作物株距要求通过控制系统灵活调整电机转速，以增大或者缩小播种株距。

2.6 实时监测与记录系统

在精播或在单位长度小区行内排种量较小的条播过程中，一些机型配置各研发单位开发的实时监测与记录系统。监测系统利用传感器感应监测每一小区内每粒从排种落入开沟装置的种子来获取每个小区行播入种子的种粒数及播种机作业参数信息[115-120]，如行进速度、播种株距、行走路径长度等[121]，并通过记录系统连同预先设定的对应小区参数、作业时间等形成小区播种数据记录，储存到计算机内。例如，Wintersteiger公司研发的GSC 控制器可以通过落下一粒种子LED灯会短暂闪烁一下的形式，记录每粒种子落下的时间及每小区排种总粒数，与在控制器上设定的参数存入PCMCIA 卡上，利用计算机读取卡上的信息，并可通过Excel 编辑数据。

3 小区育种播种机械研究现状

3.1 国外小区育种播种机械

目前国外小区育种条播机、精密播种机生产公司很少，但技术相对比较成熟，目前研发类型比较齐全，如奥地利Wintersteiger公司、德国Haldrup公司、法国Baural公司、美国Almaco公司、美国SRES公司以及巴西Maquinarium公司等均有技术成熟产品，可以适用于小麦、谷类、玉米、豆类等作物小区育种试验。不同类型的典型小区育种播种机如表1、2所示。

表1 国外小区育种条播机Tab.1 Overseas drill for plot breeding

表2 国外小区育种精密播种机Tab.2 Overseas precision seeder for plot breeding

3.2 国内小区育种播种机械

我国从事小区育种播种机研发生产的单位很少，目前机型涵盖小区育种条播机、小区育种精播机，典型机型如表3所示。适用于小麦、玉米小区育种试验，针对其他作物的小区育种播种机械基本还处于空白。

表3 我国小区育种播种机Tab.3 Research and development of plot breeding seeder in China

4 展望

目前，我国小区育种播种机械化正处于快速、健康发展时期。随着科技的进步与育种业的发展，小区育种播种机械化将迎来新的发展机遇，在今后一段时期内，在小区育种播种技术创新优化、机械加工质量提升、销售模式改变、高新技术融合等方面，都会有很大的提高。

(1)播种技术体系进一步优化、创新和完善

作物品种多种多样，目前小区育种播种机械研发主要针对小麦、玉米、大豆、谷类等作物，很多作物品种的排种技术尚待验证完善，通用机型或者专用机型研发将会进一步扩大适用作物范围。小区育种播种过程比较复杂，播种效果影响因素较多，在特定环境下，选择个别试验参数进行尝试性试验效果研究已经不能满足小区育种播种技术发展的需要，随着模拟仿真分析技术的发展，基于动力学、运动学、力学的模拟仿真理论分析研究将全面扩展需同时考虑的因素，直观最大限度地获得不同状态下各影响因素的影响机理及影响效果，为小区育种播种技术创新优化提供理论基础，弥补试验研究的局限性，理论分析与有针对性的试验验证将成为小区育种播种技术创新完善的主要途径，为全面分析各参数对播种质量的影响提供更准确更全面技术参考。排种器及种子经过零部件将是重点优化创新的对象，优化结构构成与结构参数，提高种子运动的一致性、均匀性是提高播种质量的核心内容。随着液压传动、电动控制、传感器等技术的不断应用，小区育种播种的供种、排种等控制过程及小区定长的监测过程将得到不断的改进，促进结构的优化，测量、控制精度的提升，功能的完善，推动产品的更新升级。随着试验要求的不同，新技术下的新型小区育种播种机将不断涌现。播种技术体系进一步优化、创新和完善为小区育种机械化发展的基础，继续探索新的可行技术原理与技术形式，以提高作业质量与适应性、降低成本成为下一步的主要任务。

(2)机械加工质量进一步提升

小区育种播种机的作用及应用领域，要求其作业更精准、稳定、可靠。播种作为田间育种试验的第一步，高质量的播种是保证获得真实科学试验数据的基础。排种器作为核心，将是播种性能提升的主要对象，采用先进的加工工艺，性能优良的材料，通过精准的装配、检测校正，充分的试验验证以进一步提高关键结构的作业质量与效率。根据机械设计更加注重机械通用性、适应性的要求，组装部件在播种机加工过程中占比明显提高，继续优化各组装零部件之间连接结构，保证整机结构可靠性、稳定性。目前我国小区育种播种机以中小型为主，大型小区育种播种机将是未来研发的重要内容，进一步提升机械加工质量满足其各结构的承载要求与播种结构的作业要求，将是保证小区育种播种机高水平作业的根本保证。

(3)应用服务模式进一步丰富

应用环节是小区育种播种机械化发展不可缺少的部分。面对目前小区育种播种机械化水平较低的情况，IAMFE将继续进一步提供技术支持，发挥其桥梁纽带作用，利用互联网建立机械生产企业与用户的详细信息交流互动平台，提供各地区小区田间试验田规模及小区播种详细资料。条件允许的情况下，可以在小区田间育种规模大的企业、高校及科研院所设立流动服务站，提供除销售外的技术人员培训及田间试验承包等新模式的应用服务，进一步发掘潜在的小区育种播种机应用服务市场，建立更新颖、更和谐的供求合作关系，克服小区育种播种机应用领域窄，每年利用时间短的缺陷，推动小区育种播种机械化健康发展。

(4)高新技术进一步融合

随着科技的发展，自动化、智能化技术的深度融合成为小区育种播种机械发展的趋势，实现人工无法替代完成的实质技术性的变革，改变工作环境的无人驾驶，人机交互远程控制自动精准播种的物联网操作平台，高效播种状态控制及自动实时监测平台，自动实时传输记录试验数据的云端服务平台等高新技术融合的新一代小区育种播种机将给未来小区育种田间试验机械化带来重大技术变革。