大蒜机械化播种技术研究现状与问题分析

吴小伟武文娟钟志堂*李 骅崔 军唐莉莉张 飞陆海莉刘 萍

（1 江苏省农业机械技术推广站，江苏南京 210017；2 南京交通职业技术学院汽车工程学院，江苏南京 211188；3 南京农业大学工学院，江苏南京 210031；4 江苏省农业农村厅，江苏南京 210036）

从大蒜机械化播种技术研究、大蒜播种机具产权现状和大蒜播种机具推广应用3 个方面着手，分析大蒜机械化播种技术与装备发展现状；从大蒜播种机发展、大蒜机播农艺、大蒜产业发展3 个方面讨论了大蒜生产机械化存在的问题，并提出大蒜机械化播种发展建议。

我国大蒜主产区包括山东、河南、江苏等省，种植面积约80 万hm2，全国具备一定规模的大蒜产区70 个左右，以江苏徐州为中心半径500 km 的区域是我国大蒜种植最为集中的区域，占全国大蒜种植总面积的80%以上。“2019 中国大蒜产业博览会”开幕式上，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所公布了全国大蒜主产区（连片种植面积超过666.67 hm2）种植遥感监测面积39.91 万hm2，其中山东省主产县有32 个，面积15.64 万hm2；河南省主产县有21 个，面积9.63 万hm2；江苏省主产县有10 个，面积7.63 万hm2。长期以来，大蒜机械化水平低已成为制约我国大蒜产业发展的重要问题，而播种是大蒜生产的关键环节，目前主要靠人工完成，劳动强度大、生产效率低、作业成本高。机械化作业具有生产效率高、成本低、用工少等优点，从近几年“根块类作物生产关键环节机械化技术集成应用、大蒜生产关键环节机械化技术应用”项目实施效果看，示范区应用大蒜机械化播种技术可省工节本6 000 元·hm-2左右，经济效益显著。通过项目推进，示范区大蒜平均机械化播种水平达到65%左右，较项目实施前有大幅提升。

大蒜机械化播种是大蒜生产的必然发展趋势。本文从大蒜机械化播种技术研究、大蒜播种机具产权现状和大蒜播种机具推广应用情况3 个方面探讨大蒜生产机械化存在的问题，并提出相应发展建议，以期为进一步推进大蒜机械化生产提供参考。

1 大蒜机械化播种技术及装备研究现状

1.1 大蒜机械化播种技术研究现状

大蒜播种质量与播种机具性能有关，我国在引进国外大蒜播种机的同时，陆续研制了漏斗式、螺旋管式、水浮式等多种类型大蒜播种机（刘甲振等，2018），机具类型多，性能不一。市场上以摆播机较多，结构设计有很多不同，质量差别较大，价格差异也很大。

大蒜机械化播种技术研究主要集中在栽培农艺、正芽播种、机播取种等方面。大蒜栽培农艺是推进机械化播种的基础，播种机具的设计制造，既要考虑大蒜生长对环境条件的需求，还要方便制造、工艺条件简单，最终达到机具价格实惠、作业质量优良，能够适应不同种植规模和模式的目的。大蒜种植模式主要有平畦、高畦和起垄种植（吴小伟 等，2018），如图1 所示。国内学者在大蒜栽培农艺技术方面开展了大量研究，刘泽洲等（2018）研究结果表明，大蒜品种对出苗率、根系活性、生育期、鳞茎膨大率和单头质量影响最大，宽垄栽培（垄宽0.75 m）的根系活性最强，播种日期对根数影响最大。辽宁省发布的大蒜露地生产技术规程要求蒜种单瓣质量要达到3 g，种植密度为37.5 万～52.5 万株·hm-2，10 月初播 种，蒜 种用量1 500～1 875 kg·hm-2（王颖 等，2016）。与习惯施肥相比，全程营养解决方案施肥可实现蒜薹抽薹率提高25%左右，倒伏率降低30%左右，蒜头产量1 537 kg·（667 m2）-1，较习惯施肥增产15%左右，增收500 元·（667 m2）-1左右（侯文通等，2019）。上述研究结果为大蒜机械化播种提供了必要的农艺基础，也为大蒜播种、收获装备制造提供了参考。从目前推广农艺看，主推的栽培密度为40 万株·hm-2，根据大蒜产品用途不同种植密度不同，一般采收蒜头的种植密度小，采收蒜薹的种植密度大；在株行距方面，以20 cm 等行距播种较多，调整株距以满足不同播种密度需要；用种量根据栽培密度及蒜瓣个体特征而定，基本在1 875 kg·hm-2左右。

在正芽播种方面，由于大蒜播种时鳞芽朝上产出的蒜头外形规则、个头较大，商品性好，因此正芽播种技术研究是大蒜机播技术的核心内容。赵丽清等（2014）开展了机器视觉技术在大蒜播种机上的应用研究，机械臂将提前装入种盘内的大蒜种子夹起，然后移动到播种区域，再把种子插播入土壤中，鳞芽朝上，深度一致，株行距均匀。金诚谦等（2008）研究表明，鳞芽朝下和随机时，发芽叶出土缓慢且细弱，出苗期长且不整齐，幼叶生长缓慢，植株较矮，叶面积小，蒜头质量小、横径小，地下部分生长姿态与播种时鳞芽的姿态相同，由此可见正芽播种的重要性。韩秋燕等（2016）和耿爱军等（2018）设计研究了插穴式和鸭嘴式大蒜正芽播种机，以拖拉机为动力，利用三级锥形料斗进行鳞芽定向播种，正芽率达89%～96%，重播率小于5%，漏播率小于3%，播种效率0.05～0.06 hm2·h-1。席东河等（2015）和张丽芬（2017）研究了基于PLC 控制的蒜瓣方向自动识别系统，结果表明该系统对形状不规则和蒜尾被遮住的蒜瓣图像也能进行自动化调整，改进后种植机作业产生的蒜瓣倒立率较低。侯加林等（2018）设计了一种双鸭嘴式大蒜正芽播种装置，包括A、B、C 3 种类型（图2），田间试验结果表明，选用C 型鸭嘴，作业速度在0.72～1.80 km·h-1之间时，大蒜鳞芽正芽率为89.33%～95.67%，正芽率高且稳定。上述研究结果表明，各种大蒜播种机的正芽率基本能控制在90%左右；正芽装置的结构形式有螺旋型、鸭嘴式、斗形等多种类型，其中螺旋型、鸭嘴式得到了商业化应用，为大面积推广应用大蒜正芽播种机械提供了可能性。目前，正芽播种机推广应用率不足10%，大蒜机械播种仍主要以机械摆播式为主，且总体机械化水平不高。

机播取种和补种是制约大蒜机械化播种的另一大因素，尤其是漏种，将会对基本苗产生影响，从而影响产量。在机播取种和补种技术研究方面，主要通过提高取种率、降低补种率来保障基本苗。国内机播取种方式包括锥盘式、旋转式、转筒式、气力式、勺链式等5 种（图3），补种主要停留在人工阶段（谢学虎 等，2015；刘甲振 等，2019），导致大蒜机械化播种空穴率问题很难解决。崔荣江等（2016，2017）设计了鸭嘴式大蒜播种器及勺链式取种器，栽种鸭嘴垂直入土投种，在栽种速度0.2m·s-1、圆盘栽种半径16.5 cm、栽种株距13 cm条件下，直立度可以达到98%以上，当勺体长×宽×高为2.3 cm × 4 cm × 1 cm、倾角5°时，单粒率95%，漏播率1.2%，重播率3.8%。在规模化机播作业中，一般只需驾驶员操作机具，不需补种人员，同时也要求播种机取种精准，能够达到重播率、漏播率指标控制要求。

1.2 大蒜播种机具知识产权现状

通过国家知识产权局专利检索系统，采用发明名称检索式为“大蒜+播种+机”，截止到2020年4 月20 日，共检索出233 件专利，含整机及部件。通过佰腾专利数据网，采用相同检索式和检索日期，共检索出国内大蒜播种机知识产权方面专利251 件，两者数据库差别不大且佰腾数据库检索数量比国家知识产权局检索数量多，基本不存在漏检可能，因此利用佰腾数据库统计功能开展专利统计分析。检索结果中，实用新型专利143 件，其中有权专利为76 件；发明专利101 件，有权专利为22件，审查中的有51 件。从数据看，发明专利大部分处于审查状态；外观专利7 件，有权专利为5 件。从申请人看，主要集中在山东农业大学、济南庆华农业机械有限公司、山东省农业机械研究院等单位。从申请日期看，2010 年后申请授权专利为233件，占全部授权专利的92.8%。说明2010—2020年是我国大蒜机械化技术快速发展的黄金十年。在众多的专利中，比较有代表性的是播种机排种器、播种施肥复式作业机、漏种补种装置，下面选取这三类有代表性的专利进行介绍。

一种是用于大蒜播种机的落料调整装置（崇峻 等，2019）。采用初级调整装置、中级调整装置和三级调整固定装置实现大蒜正芽控制，弧形壳体利用蒜种的形状及重心位置偏向根部的特点，使其在自由掉落的过程中实现方向的调整及固定，保证100%的蒜种根部向下，竖直挡板可以防止蒜种飞溅出初级调整装置，避免漏种（图4）。但多级正芽控制装置会导致机具结构变大，复杂性提高。

一种是自施肥式大蒜播种机（贾昌群 等，2018）。包括机架、蒜种箱、驱动地轮和播种单元，通过驱动地轮带动播种单元和施肥装置工作，在播种单元下方设置有播种开沟器，在施肥装置下方设置有施肥开沟器，一次作业可以完成播种、施肥两种功能（图5）。但此种机具驱动地轮与地面接触面积小，易产生打滑现象，导致播种、施肥不均。现有推广机具在此基础上优化了传动地轮，减少打滑兼具镇压功能。

一种是大蒜勺式播种装置（李天华 等，2018）。包括播种机构和补种机构，可以检测是否漏播并及时补种，以降低大蒜漏播率，取种链带动取种勺从下箱体内取出蒜种，并送到引导通道Ⅱ内往地面播种。该播种装置还可检测漏种，检测传感器对取种勺内的蒜种进行检测，将检测信号发送至控制装置，若有蒜种，控制装置控制驱动装置Ⅰ不动作；若无蒜种，则驱动装置Ⅰ通过补种链上的取种勺从上箱体内取出待播蒜种，并送入引导通道Ⅰ内沿引导通道Ⅱ经引导通道Ⅲ落入地面完成补种。开沟片进行开沟播种，播后在覆土片的作用下完成覆土（图6）。此种结构为智能化播种装置，提供了一种自动播种、补种的工作方法，但当前主要停留在设计阶段，还未推广应用，工作时机具震动等因素对播种效果影响较大；同时，该机具需设计多级料仓，不利于机具精简化、轻量化。

从产权记载的内容看，主要有简易手推式播种机、轻便汽油机作为动力的播种机、拖拉机悬挂播种机及正芽播种机；从控制方式看有机械式和电气控制2 种，很大一部分产权涉及播种正芽机构。随着大蒜机械化播种技术的不断积累，未来几年大蒜机械化播种技术将会得到快速应用，逐步解决人工播种劳动强度大、费用投入多的问题，实现真正意义上的“机器换人”。

1.3 大蒜播种机械推广应用现状

在推广应用的大蒜播种装备中，按配套动力可分为手扶配套大蒜播种机和大中拖配套大蒜播种机；按功能结构可分为播种机和播种施肥复式作业机；主流的划分是按正芽情况，分为大蒜摆播机和大蒜正芽播种机。大蒜摆播机，播种时蒜芽朝向随机，主要采用勺链式取种结构，机具价格适中，播种质量较低。大蒜正芽播种复式作业机，播种时可一次性完成正芽播种、施肥、覆膜等工序，鳞芽朝上，正芽率大幅提高，播种质量较高，机具价格也较高。目前生产上大蒜摆播机应用较正芽播种机多，但总体机械化水平不高。下面从国内大蒜播种机生产厂家中选取典型的手扶式非正芽播种机、悬挂式非正芽播种机、悬挂式正芽播种机及自走式正芽播种机等几种典型播种机进行介绍。

图7 为手扶配套非正芽大蒜播种机，该机结构紧凑，机具价格实惠，每个行程可播5 行，仅具有播种单一功能，主要用于农户家庭种植大蒜。图8为大中拖配套大蒜播种机，该机可实现每个行程播种7 行，在播种的同时对土壤进行碎土处理，可大幅提高播种质量，相比手扶配套大蒜播种机，该机播种效率大幅提高，可用于面积较大的地块，也可为大蒜种植大户、合作社开展服务。

图9 为悬挂式非正芽大蒜播种机，该机可实现每个行程播种10 行，播种时机具前方有碎土刀进行碎土，碎土后进行镇压，然后播种，播种后再进行覆土镇压，提高了蒜种与土壤的贴合度，保证了大蒜出苗率。图10 为2BUX-8 型悬挂式大蒜正芽播种机，一次行程可完成旋耕碎土、镇压、播种复式作业，旋耕机可消除轮胎压痕，保障土地平整，通过镇压使蒜种与土壤充分接触，便于浇水、覆膜，促进蒜种快速生根发芽，播种效率为0.17 hm2·h-1，正芽率高于90%，株距、种植深度均可调整，但该机具价格较高，小田块和小农户一般不适用。

图11 为履带自走式大蒜正芽播种机（吴小伟等，2020），该机一次行程可播11 行和连续3 穴，采用勺链式取种，利用三级锥形料斗实现蒜种鳞芽定向，通过鸭嘴式插播器实现直立栽种。图12 为履带自走式大蒜正芽播种覆膜复式作业机，是在大中拖配套大蒜播种机（图8）基础上，增加了覆膜功能，实现播种、覆膜复式作业，但该机机型很大，地头转弯非常不便，地头非工作区较长。

上述大蒜播种机普遍存在工作效率低的问题。此外，就正芽播种机而言，机型大，价格高，小规模种植经济性不佳；而非正芽播种机结构简单，机具价格实惠，但播种时正芽率低，影响大蒜播种质量。2017—2019 年，江苏省农业机械技术推广站牵头开展了大蒜机械化生产技术试验应用项目，从实施效果来看，目前大蒜播种机主要以非正芽普通播种机为主，但大蒜正芽播种对提高大蒜商品性具有重要意义，加上机械装置制造技术的更新完善，大蒜正芽机播将会是一种趋势。因此，生产上急需价格实惠、机具结构简单的大蒜正芽播种机，同时可根据用户需求调节行数、行距、播种深度，满足不同大蒜种植规模的高质量播种要求。

2 存在问题与发展建议

2.1 存在问题

2.1.1 大蒜播种装备落后 近年来我国引进不少国外成熟机型，但价格较高，加之我国大蒜种植模式多样，这些生产装备在国内并未得到很好的推广应用。实现大蒜机械化播种要解决两方面的问题：一是提高正芽率，二是提高蒜瓣入土后的直立度。

目前市场上推广应用的大蒜播种机主要有摆播机和正芽播种机两大类，其中摆播机是主要推广应用装备。首先从机具作业效果看，摆播机存在播种质量不高、正芽率低等问题，而正芽播种机的正芽率在80%以上；大蒜正芽播种机比摆播机播种可增产1.7%左右，蒜头大小均匀，5 cm 以上级蒜头的占比提高14.5 百分点。其次从机具作业经济性看，正芽播种机的价格远高于摆播机，以12 行正芽播种机和8 行摆播机为例，价格相差约8 倍，考虑机具折旧、人员工资、维修等使用成本，正芽播种机和摆播机折算到单位面积成本分别为973 元·hm-2和566 元·hm-2，由此导致正芽播种机的使用率不高。第三，从播种机结构复杂性看，一般正芽播种机可一次性完成播种、施肥、镇压等工序，也有部分机具可同时实现覆膜功能，机型较大、功能多，而摆播机一般仅具有播种功能，结构紧凑；操作正芽播种机需2 人，而操作摆播机仅需1 人；机具作业过程中损坏时，正芽播种机维修较摆播机难，维修费用高。因此，急需开展与农艺相适应的大蒜播种机具研究，提高播种质量和机械化水平。

2.1.2 大蒜机播农艺不配套 大蒜播种过程对农艺要求比较复杂，一直是限制大蒜播种环节机械化的瓶颈。大蒜种植要求蒜种根部向下、直立栽种，同时要求单穴单粒，保证对行播种及一定的播种量。目前大蒜机播配套农艺方面主要有以下几个问题：一是秸秆还田和耕整地质量不达标，导致播种质量差。秸秆粉碎长度、耕翻深度、碎土率等指标是影响机播质量的重要因素，也是解决架种、晾种、正芽率低等问题的重要途径；耕整地质量不达标将导致机具适应性差，作业质量不高。二是蒜种规格不统一，不同规格蒜种对种勺要求不同，从而导致漏播率或重播率高。三是大蒜栽培模式、种植规范不统一，缺乏全程机械化技术方案，导致播种机通用性差。

2.1.3 大蒜产业发展规模小 从2019 年国家统计数据看，全国粮食作物播种面积为11 606 万hm2，大蒜种植面积约为粮食作物播种面积的0.69%，导致企业投入积极性不高；而大蒜生产主要靠人力完成，农民对采用机械作业的愿望非常迫切。据测算，大蒜机械播种效率是人工的50 倍以上，节本效益达到5 980 元·hm-2，占大蒜产出的近20%。目前大蒜播种主要靠人工作业，平均每人每天仅能播种0.02 hm2，而大蒜适宜播种期为10～15 天，播种过早或过晚都会影响到蒜头的商品价值。使用机械播种，大蒜播种可以提早3～5 天完成。另一方面，由于大蒜生产农艺要求的特殊性，播种机具研制、推广难度较大，生产厂家较少，产品质量参差不齐，同时大蒜种植模式不统一，缺乏统一的种植标准，严重影响了机具的适用性及推广使用有效度。

2.2 发展建议

2.2.1 开展适应农艺要求的播种装备研究 一是针对大蒜机播“单粒取种、正芽播种和直立下栽”技术要求，开展单粒低损取种、正芽技术、高效导种技术、行距及播种量控制技术研究，形成大蒜机械化播种关键技术体系。二是开展导种机构、种植机构和机具整体耦合技术研究，实现机具整体轻量化、结构简单化，并提升作业质量。三是针对不同主栽品种、土壤类型、耕作方式、前茬秸秆处理方式等，开展适应不同条件下最优机具结构设计，播种效率、漏播率、正芽率、破损率等关键指标符合相关标准及农艺要求，最终形成适应农艺要求的大蒜机械化播种装备。四是探索智能化技术在大蒜播种机上的应用，开展大蒜鳞芽方向识别、正芽机播、智能取种等智能化、信息化技术研究，提高大蒜机播正芽率，准确控制大蒜播种的行距、株距、播深、漏播率等重要农艺参数，为大蒜高产打下基础，对机播作业参数、播种面积等进行统计监测和分析，为农艺栽培提供更准确、高效的基础数据。开展农机导航自动驾驶技术在大蒜机械化播种上的应用试验，降低播种环节的人工成本。五是开展机具作业效率、作业质量、经济效益指标评估，形成适宜不同规模的大蒜播种装备配套方案。

2.2.2 开展农机农艺融合的大蒜机播种植模式及标准化研究 一是开展适宜大蒜机械化播种的耕作土壤条件研究，针对前茬作物收获后秸秆处理方式，选择适宜的耕作机具及方式，高效开展秸秆还田耕整地处理，形成适宜大蒜机播的最佳土壤条件。二是开展不同规格蒜种对大蒜机播质量影响分析，通过对蒜种进行分级播种及混栽播种试验，观察不同规格蒜种对大蒜机播的适应性及播种质量变化情况，明确一致性条件下机播大蒜规格范围。三是探索大蒜不同种植行距、株距等种植模式参数变化对机械化收获质量、产量、蒜头商品性的影响，开展不同种植模式对作业质量、大蒜产量和商品性的影响分析，筛选出适宜机械化联合收获的行距、株距，研究集成适宜大蒜机械化播种和收获的“宜机化”种植技术体系。四是开展相关技术试验示范，进一步明确不同种植方式对大蒜产品商品性的影响，寻找种植规模、技术方案、产品商品性之间的平衡点，形成大蒜播前对蒜种、田块的处理要求，播种机具及技术要求，探索建立大蒜机械化播种技术规范和机具操作规范，指导不同种植规模条件下的机具及技术配置，实现大蒜标准化种植，使大蒜播种逐步从依靠人工到机械化，再到高质量机械化转变，真正实现作业环节的“机器换人”，实现种植机械标准化、规范化，促进大蒜机械化装备及技术成熟和推广应用。

2.2.3 开展大蒜机械化生产宣传培训 通过开展大蒜机械化生产技术培训，普及种植技术，开拓大蒜种植户眼界，让更多的种植者了解、选用适合自己的大蒜机械化种植方式，进一步明确大蒜摆播、正芽机播、机播覆膜一体化作业等不同种植方式的经济效益。大蒜机械化播种速度快、均匀度好，能够保证株距、行距均匀性，为大蒜机械化收获带来很大方便。通过机械化装备的应用，切实减轻劳动强度，提高大蒜种植效益，尤其在大蒜价格低迷时，应用机械化装备带来的节本效益有利于保护大蒜种植户的基本收益，提高种植户抗风险能力，社会生态效益显著。

3 结论

通过对大蒜机械化播种技术、知识产权及推广应用情况分析发现，主推栽培密度为40 万株·hm-2，以20 cm 等行距播种较多，株距可调，以满足不同播种密度需要，用种量基本在1 875 kg·hm-2左右。生产中机械播种主要以摆播机为主，正芽播种机推广应用率不足10%。大蒜播种机专利申请主要集中在2010 年之后，占全部授权专利的92.8%，主要涉及播种机排种器、漏种补种装置及播种施肥复式作业机。

通过对大蒜播种机、机播配套农艺及大蒜产业发展情况3 个方面存在的问题进行分析发现，大蒜摆播机较正芽播种机存在播种质量不高、正芽率低等问题，大蒜正芽播种机可以实现机播正芽率在80%以上，收获的蒜头商品性好，但存在机具购置价格高等不足。在栽培模式、耕整地质量、机播配套农艺等方面存在不协调、不适应；加上大蒜种植面积占全国粮食种植面积比重小，企业研发投入积极性不高，导致了机具研发、升级换代进程加长，从而影响大蒜播种机械的推广应用。通过对大蒜机播现状及存在问题分析，建议从适宜机播的农艺要求研究出发，开展播种装备及配套模式研究，建立适宜机械作业的种植规范，形成从品种选择、耕整地、机械播种等方面的全程机械化技术方案，解决机具通用性差的问题，提高大蒜生产机械化水平，实现大蒜生产“机器换人”的目标。