党参机械化播种技术及装备概述

柏永祥，杨小平，石林榕，田剑峰，臧 金

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

党参，别名“条党”，桔梗科党参属多年生草本植物，质较软而结实，断面稍有裂隙，皮部黄百色，木部淡黄色，具有增强机体应激能力、免疫功能、延缓衰老、抗溃疡、抗肿瘤、升血糖和抑菌等作用。党参多生长于西藏东部、四川西部和甘肃东部等地区，其种子为椭圆形，其长轴约为1.22 mm，短轴约为0.68 mm。党参的种植可以采取育苗移栽法与种子直播法，育苗移栽法生长周期较短，但会损伤根系，导致根芽腐烂，进而引起缺苗现象。种子直播法生产周期长(3～5年)，但其缺苗率低、作业效果好。

党参在甘肃省渭源地区为主要经济作物，为了提高农户的收入，党参机械化生产势在必行，现在市场上针对党参播种的机械设备较少，且基本是半机械化的移栽机械，存在效率不高、价格昂贵和作业稳定性差等问题，党参直播机械的研制问题亟待解决[1-3]。

1 播种机械的种类

播种机械根据其工作对象可分为移栽机械和直播机械。

1.1 移栽机

移栽机械[4-5]常用于水稻、棉花等小籽粒作物，主要由喂入器、导苗管、扶苗器、开沟器和覆土镇压轮等工作部件组成。当前，比较成熟的栽植机构包括链夹式、挠性圆盘式、行星齿轮式和多连杆式等，这些移栽机构的栽植轨迹均为有环扣的余摆线，在平整地面上可以保证钵苗的栽植效果，但甘肃省党参多种植在丘陵山区，地块小、不平整，移栽机难以保证移栽的质量。

移栽机工作时，经人工分苗，将秧苗整齐放入到喂入器的喂入筒中，当喂入筒转到导苗管的上方时，喂入筒下面的阀门打开，秧苗靠自身重力下落到导苗管内，通过倾斜的导苗管将秧苗引入到开沟器开出的苗沟里，秧苗在扶苗器的扶持下呈直立状态，然后在开沟器和覆土镇压轮共同作用下完成覆土、镇压的栽植过程[6-8]。

1.2 直播机

直播机由排种器、种箱、开沟器、镇压轮、机架等机械部件组成，其中排种器是直播机的核心部件。排种器设计的合理性直接决定直播机的工作效果，根据排种器的工作方式，播种机分为机械式直播机、气吸式直播机以及其他形式[9-10]。

表1 移栽机的优缺点

1.2.1 机械式直播机

世界上出现的第一台直播机械是1636年在希腊被研制出来的机械式直播机，直到今天，机械式播种机使用量依然是最多的。根据排种器的特点，可以将机械式直播机分为指夹式、外槽轮式、窝眼轮式、圆盘式和勺式等播种形式，直播机运转过程中，通过动力源带动其在田间行走，行走轮做匀速运动，带动排种轮做自转运动，种子经排种轮进入开沟器内部，在重力的作用下均匀落在开沟器事先开好的沟槽内，完成排种过程[11]。窝眼轮式排种器原理简单、播种精度高，改变窝眼轮形状可以准确控制排种量，适用于党参的播种。

1.2.2 气吸式直播机

气吸式直播机是研究者在总结机械式直播机的不足后，经过不断改进研制而成的，其工作原理是通过风机不断向排种器内输入风力，在密闭的排种室内形成负压或者正压空间，种子在排种室内通过压力的作用，被固定在排种盘上的窝眼内随排种盘旋转，当种子随排种盘离开气室后不再受气压的影响，依靠自身的重力作用落入由开沟器事先开好的沟槽内完成排种作业，多余的种子则在刮种盘的作用下落回排种室内[12-13]。气吸式直播机的作业精度高，能适应不规则形状的种子，对种子的伤害较小，可以完成高速作业，但相比机械式来说，其适用于党参种子的吸嘴制造工艺复杂，稳定性较差，在成本增加的同时且不能保证播种作业效果。

1.2.3 其他形式

近年来随着科学技术的不断发展，研究者将多学科理论综合运用到直播机械的研究中去，对直播机进行了新的探索，在传统直播机的基础上提出了许多新兴的理论。

静电播种是由日本学者提出的一种新型播种技术[14]。其工作原理是播种前对种子进行处理，使其具有磁性，利用电磁铁与磁性物质间的吸附作用，将种子固定在排种盘上，工作时利用开关控制电源间接控制磁力的产生，完成排种工作。

流体播种技术是由英国学者最早提出的，其原理是将水、保水剂、农药、肥料、激素等按照预先设置好的比例配置成凝胶悬浮剂，将种子与悬浮剂混合，使种子可以均匀地分散在悬浮剂中[15]。播种时，通过悬浮液的均匀喷洒来达到精量播种的目的。该技术克服了小颗粒种子形状小且不规则的难题，同时可以为种子的萌发提供必要的水分和肥料，该技术已经开始在蔬菜和花卉的播种领域内试用。

种子带播种最先由日本学者提出，其工作原理是将种子预先按一定种距编入编织袋内，再由专门开发的播种机械将编织袋平铺在田间，覆盖土壤[16-17]。这种播种技术可以保证播种的出苗率和均匀性，但种子入带工序复杂，增加了成本，不适合于在甘肃小面积党参种植地区使用。

2 党参播种机械国内外研究现状

相较于国内的播种机械研究，欧美国家则起步较早，从20世纪40年代便开始研究播种机械，目前已经研究出多款适应不同地形以及播种需要的机型，并拥有多项自主专利，在播种机械的研究中处于国际领先水平。

2.1 国外移栽机

20世纪30年代，国外一些学者开始研究移栽机，20世纪50年代，第一台半自动移栽机问世，20世纪80年代，移栽机在欧美国家广泛使用。经过科研工作者的不断努力、优化，如今国外移栽机技术已经非常完善。

日本井关研制的PVHR2蔬菜移栽机如图1所示，采用乘坐式作业，单程可以完成多行作业，避免了同一垄上反复插秧对田块造成的损伤。其前轮装有左右平衡装置，通过左手调节手柄可以控制机体倾斜，增加机体的平稳性，搭配升降传感器，确保移栽的深度一致，以及移栽轨迹整齐。

图1 日本关天的PVHR2

意大利Ferrari的FPA系列移栽机[20]如图2所示，采用人工投苗的方式，最高移栽速度可以达到2 000 株/h，通用性好。随着育苗技术的提高，工厂化育苗技术为自动取苗的实现打下了基础，进入20世纪90年代，国外的移栽机迈向了全自动、多功能的方向。

图2 意大利Ferrari的FPA

洋马YR60DZF高速乘坐式插秧机[21]如图3所示，其动力稳定，控制台设有水平控制装置(UFO)，在作业时始终保持移栽台水平，配有V型整地滚轮可以平整田地，稳定插秧与施肥深度，同时减少水浪费以及土块对已插秧苗的影响。

图3 洋马YR60DZF

2.2 国外直播机

20世纪60年代欧洲以Gianni为代表的学者采用真空式原理研发出种子穴播排种器，开辟了一个针对小籽粒的精量穴播时代。Hudspeth和Wanjura共同设计的X行播种装置的真空穴播排种器、Parish设计的垂直排种盘式排种器，均在不同程度上提高了播种效率[22-23]。美国大平园(Great Plains)公司自主研发的PS1572型悬挂式牧草播种机能够完成牧草的精量播种[24]，其公司的精密排种器装置可以精确地控制排种量，最小播种量可以控制在0.6 kg/hm3，作业宽度为1.8 m，每次作业行数最大为10行，行距为20 cm。工作过程中其可以精准控制播种深度，同时其自带的前后轮镇压设计，可细碎苗床，为种子创造良好的萌发环境。PS1572型悬挂式牧草播种机如图4所示。

图4 PS1572型悬挂式牧草播种机

美国满胜(MONOSEM)公司研制的6行免耕播种机利用气吸式排种盘，拥有独特的调节装置，可以根据种子的大小、形状调节风量吸力和刮种器位置，平衡弹簧的设计可以有效减少机器行进过程中的振动冲击，能适应土质较硬的田地，在可调节V型镇压轮的作用下使种子被土壤完全覆盖，将机械与电子技术结合，在作业过程中实时监视排种效果[25-26]。美国满胜(MONOSEM)公司研制的6行免耕播种机如图5所示。

图5 6行免耕播种机

2.3 国内移栽机

国内移栽机械的研究是从20世纪70年代开始的，主要以引进国外先进机型加以改进为主，经过研究者多年的努力，国内已经自主研制出一批适应于我国国情的机型，20世纪80年代我国在苏联CP-6和CPH-4型移栽机的基础上成功研制出半自动移栽机。久保田农业机械(苏州)有限公司生产的久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧机如图6所示，其通过配有的节能启停手柄可以停止或者启动发动机，减少能耗，防陷变速杆可以在泥脚较深的田块保持稳定的作业。

图6 久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧机

韦利波[27]等研制的甘草移栽机，结合了甘草移栽的农艺要求，采用自动分苗机构和自动移栽机构，实现了一次完成开沟、自动分苗、送苗、栽苗、覆土及镇压等作业，操作简单，效率高，大大减少了甘草移栽过程中的人力消耗。甘草移栽机如图7所示。

图7 甘草移栽机1.开沟器；2.输苗带搜器；3.输苗带；4.滑道；5.移植器；6.机架；7.传动系统；8.地轮；9.覆土器；10.镇压轮

安徽博莱泽农业机械科技有限公司研制出的博莱泽2ZB-4秧苗移栽机如图8所示，该机型集覆膜、铺滴灌管、镇压以及覆土等能力为一体，多种模式可以满足不同地区的作业要求，采用行星齿轮回转栽苗方式，传动可靠，维护方便。

图8 博莱泽2ZB-4秧苗移栽机

2.4 国内直播机

勃农兴达机械有限公司自主设计的2BHS-2 型黄芪垄上撒播机[28]，在外槽轮型小麦排种器的基础上加以改进，能一次完成黄芪的播种开沟、施肥、排种和覆土作业。经过田间试验证明：该机型能满足黄芪垄上撒播作业的农艺要求，作业效果好。已经得到种植户的认可。2BHS-2 型黄芪垄上撒播机如图9所示。

图9 2BHS-2 型黄芪垄上撒播机1.排种器组合；2.调节手柄；3.输种管；4.播种开沟器；5.连接杆组合；6.黄芪散种器组合；7.起垄铧组合；8.拉板型覆土器组合；9.镇压器；10.施肥开沟器；11.驱动轮；12.机架；13.排肥器；14.种肥箱组合

侯华铭[29]团队根据精量播种的农艺要求，设计了一种倾斜圆盘式小籽粒精少量排种装置，如图10所示。该排种装置可维持稳定充种，依靠自身重力完成柔性清种，弹性推种器的设置可以清除少数卡在间隙内的种子，确保种距。由于是柔性设计，可以有效避免种子损伤。

图10 倾斜圆盘式小籽粒精少量排种装置1.种箱；2.卸种孔；3.充种室；4.排种器壳体；5.充种孔；6.落杂孔；7.排种孔；8.排种槽；9.充种盘孔处凸台；10.排种盘槽孔处凸台；11.充种盘；12.壳体隔板；13.排种盘；14.排种盘上凸台；15.排种器轴；16.滚动轴承；17.落种孔；18.壳体内凸缘；19.弹性推种器；20插板；21.充种盘下凸台；22.进种孔

刘晓东等[30]针对机械式排种器播种精度不足的问题设计和试验了沉孔轮式排种器，如图11所示。

图11 沉孔轮式排种器1.开沟器；2.串孔；3.链条；4.主动链轮；5.从动链轮；6.种箱；7.毛刷；8.沉孔轮；9.定位卡；10.底座；11.串孔；12.覆土板

钱国锋等[31]为了更好地提高机械式排种器的效率与精度，在传统机械播种器的基础上设计了一款偏心内嵌式精量扎穴播种器，如图12所示，有效改善了传统播种方式阻力大、能耗高的问题。

图12 偏心内嵌式精量扎穴播种器1.主轴；2.型孔凹轮；3.存种腔；4.摆杆；5.扎穴臂外壳；6.防卡片；7.活塞腔；8.扎穴活塞；9.排种腔；10.清种毛刷；11.安装架固定轴；12.回位弹簧

邢鹤琛团队[32]为满足长江地区小籽粒作物的播种要求，提高播种机械的作业效率、优化播种机零件结构并有效减少机械式播种机械易损伤种子和堵塞窝眼等问题，设计了一款斜锥型孔轮式集排器，如图13所示，该排种器无需清种装置与护种装置，田间试验证明该排种器能满足播种要求。

图13 斜锥型孔轮式集排器

3 存在的问题

国内的农机研究起步较晚，大部分播种机械都是由国外引进然后经过二次改进，缺乏针对我国国情的自主研发和创新的机械。当前由国内自主研发的小籽粒直播机型较少，在引进国外技术和自主研发的过程中，存在以下问题亟待解决。

3.1 播种量难以控制

党参种子的千粒重约为0.31 g，多呈不规则形状，由于种子在运输过程中相互摩擦，产生静电，相互粘结，一般排种盘上的型孔无法确保每穴播种量。

3.2 株距难以控制

由于党参种子体积小、质量轻，在下落过程中易受气流干扰，使得种子在脱离排种器后无法落入预定区域，特别是高距离投种时，无法保证良好的株距。

3.3 规模化种植难以实现

国内党参的种植大多以小规模种植为主，尚未形成大规模、批量化种植的模式。然而现代化农业机械的实现，规模化种植是首要条件，因此农业种植规模化亟需进一步发展，与全程机械化作业相配合。

3.4 研发投入不足

近些年国内科研工作者研究方向以大型农机为主，对于小面积种植作物的播种机械研发投入不足，机械化程度低，使得现有个体农户仍然依靠传统人工种植，造成了生产效率低下，人力资源浪费严重的现象，因此急需加大小面积、小籽粒播种机械的研发投入以适应不同地区的种植模式。

4 展望

(1)随着智能化技术不断地发展，智能化监测系统越来越成熟，将其运用到党参直播机械上，可以及时发现播种过程中因党参种子体积小、质量轻而发生的重播和漏播问题，提高播种机械的作业质量。

(2)3D打印技术已经相当完善，在党参直播机的窝眼设计时，采用3D打印技术设计异型窝眼，可以制造出理想的窝眼轮，以便精确地控制党参的播种量，提高党参播种机械的性能。

(3)将播种作业与开沟、覆土、施肥、铺膜等作业整合，实现多功能联合作业。联合作业可以减少机械下地对土壤的破坏，降低费用，提高效率。

(4)我国党参小规模种植是制约党参产业发展的主要因素，在未形成大规模种植之前，适当加大对小规模种植机械投入，是提高甘肃省党参生产效率的重要举措。

5 结束语

与西方发达国家相比，我国农业机械化的研究起步较晚，机械化水平低，对党参等小籽粒作物排种装置的研究有明显的差距，主要体现在排种器的技术含量、工作稳定性等方面。国外农业机械主要适用于大规模化种植，不符合我国种植的基本国情，不适合大批引进。近年来，我国科研人员在国外成熟的技术上进行二次优化创新，设计出一批适合于我国国情的种植机械，提高了我国农机机械化水平，但是在工作中仍然存在一些问题。因此，未来对种植机械的优化，解决工作时暴露出的问题，缩短与发达国家农机的差距，促进我国农业机械化蓬勃发展，是我们每一个科研人员的使命。

近年来甘肃省的药材产业稳步发展，但党参种植面积依然占比不高，党参生产机械化水平过低，作为生产过程中重要环节之一的播种作业，其机械化程度与其他农作物相比更是存在明显差距。在整理国内外党参类小籽粒播种机械的基础上，本文分析指出了甘肃省党参直播机械当前面临的问题，主要是播种量和株距难以控制、规模化种植难以实现、研发投入不足等。对此，本文提出了未来党参机械化播种发展的趋势，以期更快研制出适应甘肃省的党参直播机械，逐步推动党参生产全程机械化。