旱地玉米播种施肥机械低碳化发展及有效路径

单海勇，刘旭杰，张 晋，沈 悦，严旖旎，刘 建

（江苏沿江地区农业科学研究所/南通市循环农业重点实验室，江苏 南通 226012）

0 引言

随着《“十四五”全国农业机械发展规划》提出加快农业机械智能化、绿色化，围绕农田精准播种、精准施肥等要求，创制现代化机具装备，推进农机节能减排，发展对农作物种肥利用率和生产清洁化研究，降低污染、打造绿色农业生产链循环发展模式迫在眉睫[1-2]。改革开放以来，随着我国农业机械种类和数量的提升，玉米播种施肥机械化程度越来越高。然而由于玉米播种机械产品存在质量不高、农艺与农机不配套等问题，其播种施肥机械全生命周期产生大量温室气体，对“温室效应”也有很大的影响[3]。随着我国进一步对农业碳排放高度重视及农田集约化水平提高，玉米播种机械的发展方向由原来的高数量转向低碳化和高质量发展，因此提高玉米机械化播种质量是节本增效、发展低碳农业的关键途径。

1 玉米播种施肥机械化碳排放发展

玉米播种施肥作为大田作业生产重要环节之一，实现玉米播种施肥机械低碳化能有效促进绿色农业的发展[4]。相较国外，我国低碳播种施肥机械化发展较晚，近年来随着低碳绿色现代化农业发展需求，我国玉米低碳播种施肥机械化水平也随之不断提高[5]。

1.1 国外低碳玉米播种机械发展

国外的玉米机械化播种技术发展较早[6]。20世纪40 年代，国外已经开始研究玉米机械化播种，至今已形成了较为完善的玉米机械播种体系。玉米播种机械按其作业方式主要分为机械式和气吸式2 种，国外使用较多的是气力式玉米精量播种技术[7]。气力式玉米精量播种按其排种原理主要分为气吸式、气吹式、气压式3 种。气吸式排种器主要有吸种盘、搅拌轮、吸气管和刮种板。吸种盘一侧通过吸气管产生真空形成相对压差条件，吸种盘旋转在种箱吸附种子并通过刮种板去除多余的种子，转出真空室达到投位最低点，通过自重落入种沟。国外这种播种机使用较多，例如法国KUHN 和德国AMAZONE 型等[8-9]，如图1、表1 所示。

表1 国外玉米机械化播种机具参数规格

图1 国外玉米播种机具构型

该类播种机对种子的损伤比较低，种子的破碎率比较低，作业速度、作业质量都较好，能较好满足绿色低碳农业的要求。由于国外都是大规模的农场耕作生产模式，因此国外的玉米播种机械朝着大幅宽、折叠式、智能化发展，可以适应不同土壤、不同品种玉米进行自决策播种，达到绿色低碳、减损增产的效果[10]。

1.2 我国低碳玉米播种机械化进展

我国作为世界第二大玉米种植国，相比于西方发达国家，玉米机械播种技术发展较晚[11]。20 世纪50 年代起，我国的玉米播种主要依靠人力和畜力，基本没有实现机械化，这一阶段碳排放水平不高[12]。随着改革开放和国外技术的引进，我国玉米机械化水平有了质的提升，玉米播种机械化发展逐渐提上日程[13]。起初我国农业机械底子薄弱，玉米播种机械多采用同稻麦通用性撒播与条播农机种植机械技术，然而由于其设计出发点并不适用于玉米栽培农艺，此时的机械存在较大的局限性，机械播种玉米作业时存在明显缺陷与不足，例如农机与农艺不配套，种肥大量浪费和播种质量较差，导致碳排放量急剧升高。90 年代开始，随着农民“进城打工潮”，农村作业人口的不足和劳动力成本的增加，极大地刺激玉米播种施肥机械化需求与发展，各地区科研机构设立玉米播种课题攻关小组，学习并引进国外技术，先后研制了一批玉米机械播种机具，由于机械式结构较为简单，且无需增加额外的动力源，成本大大降低[14]，如图2 所示。

图2 国内玉米播种机具总体构型

例如甘肃农业大学研制的2BMFS-5/10 型免耕覆盖施肥播种机，其作业特点是播种施肥都采用外槽轮式机械条播，不满足精量玉米穴播的农艺条件，造成种肥浪费，产生大量碳排放[15]。吉林大学研制的2BS-2 型玉米精密播种机，该机具采用全悬挂整体浮动仿形与拖拉机连接，内窝孔式机械排种器，外槽轮式条播侧深施肥，通过半株距加密播种农艺方式进行作业，可以完成单粒种子从种子流中分离，保证单粒播种，但产生许多空穴与双株，播种不稳定，不能完成单行播深控制，造成种肥浪费，碳排放较多[16]。石河子大学研制的2BCM-6半精密玉米免耕播种机，单圆盘刀通过四连杆机构实现在前茬地整体仿形开沟，直接完成定距播种，但为防止漏播或播种深度的问题，通过“单穴多粒”方式播种2～3粒种子，以此提高出苗率[17]。另外国内还少量引进国外气力式播种机械，例如中机北方机械公司研制的2BYM-2免耕播种机，同样采用整体式仿形碎茬弯刀播前局部碎茬松土，采用气吸式精量排种器，实现种子标准株距的精准播种，但由于对播种机加工精度和封闭性的要求较高，且需要完善的使用后维护保养标准，因此国内气力式播种机易出现播种不稳定，气路元件损坏的问题[18]，国内的玉米机械化播种机具，如表2所示。

表2 国内的玉米机械化播种机具

续表

2 现有玉米低碳播种机械存在问题

2.1 玉米单粒精密穴播配套机具研制不够

玉米单粒精密播种技术是指运用机具对玉米种子数量、种子间距的精准控制，从而达到田块规整，节约种子，使得单穴种粒充分吸收养分，提高出苗成活率。由于目前农机企业加工技术参差不齐，机具技术含量无法达到单粒精量播种的要求，大量玉米播种采用条带播种、半株距、单穴多粒配套机具的方式提高密植度和出苗率，但这种方式不仅种子消耗量大，易出现挤苗现象，后期还需要间苗等多余作业，成本较高。此外，国内大量的玉米精量播种施肥机械均采用地轮作为排种排肥的驱动装置，存在较多的打滑现象，导致沟内空种空苗，株距长短不一，在田头转弯时，由于地轮存在转动惯性，播种施肥机具在抬起状态时仍在作业，大量种肥撒于田块表面，导致种肥浪费，难以实现玉米低碳机械化生产。

2.2 玉米机械化种肥单体仿形开沟深浅不一

近10 年我国玉米机械播种技术发展迅速，但多数农户的播种出苗率不足85%，播种后“保苗率低、出苗整齐度差”的问题依然突出。播种深度的一致性是播种机最重要的指标之一，播种深度不一致不仅会影响种子的发芽率，还会造成株高不一致，影响后续植保和后续收获机械化作业质量[19]。机械化施肥深浅的一致性同样需要关注，施肥过深导致化肥难以化开，作物无法得到养分，施肥过浅则导致肥料暴露于地表，挥发产生大量碳排放，且随着水土流动污染河道，形成“蓝藻”，对水产养殖业和生活用水影响较大。

此类问题的原因主要是各播种施肥单体机械不能局部仿形开沟，现有的仿形开沟主要是平行四连杆配合地轮结构、拉伸弹簧、限深轮整体式机构完成机具整体式仿形，虽可实现整体机架与地面相对平行，但在应对每条播种施肥行局部田块凹凸不平的情况时，每行播种施肥作业就无自适应仿形地面[20-21]。此外每行玉米施肥播种2 个开沟器相对开沟高度差，开沟器与土质松软特性的关系都影响施肥播种行深度。因此现有的施肥播种质量有待进一步提高，距高效优质精量播种需求和“节本、增效、高产”目标还有一定差距。

3 玉米种肥机械低碳化有效路径

3.1 轻简模块化多功能玉米种肥机械

随着我国科学技术的发展，很多先进的传感控制技术与最新材料应用到玉米播种配套农机上。由于玉米播种周期需要松土、开沟、施肥、播种、覆土、镇压多作业衔接，现有的很多玉米配套作业机具仅能完成单一或几道工序，导致前后机具作业过于独立，前工序未考虑后工序的机械作业难度，导致整体作业效果较差。农民需要购置多套机具才能完成作业，增加了材料生产成本，造成浪费，机具生产过程中也会有大量碳排放。此外，农机需要多次进入农田，油料消耗很大，产量大量碳排放。针对以上问题，首先可以多采用新型复合材料，例如复合碳纤维和金属陶瓷等，使得玉米机具防锈防腐，减小机具质量和振动，增加机具作业强度和寿命，继而减少玉米播种机具作业负载，提高玉米机械化播种的低碳作业效果。其次在玉米种肥机械设计与制造方面，应秉承“绿色设计、轻简制造”的原则，从玉米机械全生命周期考虑物料流、能源流及环境流碳排放影响，改进玉米种肥机械生产工艺流程，通过报废机械二次回收利用的方式，实现玉米种肥机械清洁生产。最后采用模块化机具设计，制造标准化可拆卸式机架，依据旱地玉米田块作业要求增减不同作业模块，调整安装位置，依据田块大小和地形增减同一功能模块数量，减少机具重复购买与维修难度，继而降低成本与碳排放。此外遵循“因地配机”原则，配置相应的玉米播种机具，根据机具作业负载估算施用相应功率的拖拉机，实现效率最大化，降低玉米机械化作业单位能源碳排放。

3.2 发展农机与先进农艺相结合配套精密机械化技术

农业生产中，农艺是技术，农机是工具，农机与农艺是相辅相成的。发展旱地玉米低碳农业首先要降低人工成本，以达到节本增效的目的，关键要依靠现代化农机科技，充分发挥先进农机与农艺一体化优势。首先传统旱田玉米作业需要经过耕、旋、松、耙等种肥播前农艺栽培过程，常年作业不仅破坏水土，减少土壤团粒结构，还降低田块碳汇能力。多次机械耕整地产生的废液、废气和田块破坏都会产生大量的碳排放。因此结合低碳化玉米大田农业生产特点，因地制宜，使用免耕、少耕播种施肥农艺技术，对现有传统播种施肥机具改进并完善配套，继而减少土壤翻动，减轻机具作业负载，降低油耗。不仅如此，采用与大豆、花生、马铃薯等其他作物间套作配套农机技术，通过作物空间上高度差的空间互补性，发挥边行优势，提高光能利用，通过豆类作物的根瘤菌固氮功能利用养分，节肥增效，达到低碳减排作业效果。传统的机械式被动仿形开沟结构简单，但田块局部地形适应性较差，存在一定仿形滞后与超前。随着计算机仿真和现代控制理论的广泛应用，开沟深度仿形技术也应进行革新，把电液仿形技术、压电传感仿形、超声波传感仿形和湿度传感仿形等技术应用于新型主动式玉米种肥开沟深度控制中，生产作业中可实时测土控制开沟深度。其次，在仿形闭环控制方法上应用PID 调控法、模糊算法和神经网络等算法，使得玉米种肥开沟深度更加精确，保证玉米种粒的生长环境，提高发芽率，减少肥料的挥发与浪费，继而减少碳排放，是减排增产的重要路径。相比于传统密植玉米农艺，发展农机与农艺结合宽窄行间作播种技术可以增强田块的通风和光合作用，保证单位玉米区域土壤肥力，提高旱田玉米产量，达到固碳减排效果。此外进一步配套“洁区侧深种肥精量施用技术”先进机具，达到播前秸秆宽行还田覆盖，保肥保墒效果，选育优质的抗病、抗虫玉米种子，根据农艺要求，开发窄行内机械化精量单粒播种机具，特别是玉米精密排种、平稳投种、籽粒着床配套机具，实现定行距、株距的农机作业，结合侧深施肥农艺技术，开发配套的玉米定量侧位深施肥机具，通过机具前进速度自适应调整种肥排出速度，实现种肥协同精量化作业。

3.3 开发清洁可再生能源与无人农机智能作业技术

燃油能源作为机械化农业生产碳排放第二大来源，对低碳农业生产有着重大影响。根据绿色低碳玉米种肥施用要求，分阶段制定玉米种肥机具能源减排政策，逐渐淘汰低效率、高污染的玉米种肥牵引机具，加快高热值、低污染生物燃油机改装升级。在排气口安装监测装置和碳微粒滤清器，搭建废气再循环系统，减少碳氧化物产生。借鉴现有汽车低碳技术领域，在保证旱田玉米种肥施用作业动力充足的条件下，研发油电混合、太阳能、氢能等清洁能源的机具，继而达到节能减排可持续发展。农机作业中往往依靠农民操作经验来保证机具正常运行，农民在操作机具时需要多个步骤，且随时保持谨慎，往往由于操作不当带来种肥浪费、多油耗、漏播等问题，为解放农民双手，降低操作经验带来大量碳排放风险，无人智能化玉米机械种肥施用技术迫在眉睫，例如玉米变量播种施肥技术，种肥机具作业实时监测土壤特性，基于局部土壤质地、肥力等因素开出种肥处方图，从而实时响应，调节精密播种转速与肥料排量，达到节省种肥、因地制宜作业效果，实现玉米机械化作业产量与低碳共存。不仅如此，卫星机具定位、无人驾驶导航技术、播种机具障碍物自动规避技术、视觉监测自动补种等技术，也应深入研究与落地，实现玉米施肥环节全程智能无人化，继而实现节本增效、绿色低碳的玉米机械化种植。

4 结论与展望

玉米播种施肥机械低碳化发展对我国节能减排、农业可持续发展有着重要影响。综上可知，我国在玉米低碳施肥播种技术研制方面与国外还有一定的差距，因此，根据我国玉米栽培的农艺要求，树立绿色科学技术观念，在现有玉米播种施肥机具的基础上，应从玉米机具作业模块化、排种施肥机具精密化、作业模块控制集成化、驱动作业节能化出发，不断改进机具，突破各项关键技术。同时，加快研制玉米施肥播种现代化低碳机具，早日实现玉米施肥播种机械的低碳化发展。