玉米精密播种机械的研究现状与发展趋势*

张海晴 ，陈逸飞 ，乔 平

（苏州科技大学，江苏 苏州 215009）

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物，也是全球重要的粮食作物之一，玉米增产提质对我国农业的发展起着至关重要的作用。近60 年，我国玉米种植面积增长了4～5 倍，总产量增加了10 倍以上[1]。但在我国的许多农业地区，想要在高产期高质量地完成大面积玉米种植作业并不容易。玉米精密播种技术及机械的推广，可以有效提高玉米播种效率[2]。同时，玉米精播机械具有省种、省时、高产等优点，能够提高农民的经济效益。因此，越来越多的农民开始使用玉米精密播种机械[3]。

虽然我国玉米种植面积飞速增长，但是在单位面积产量方面，与美国相比仍有很大差距[4]，2020 年数据显示，我国玉米单位面积产量仅为美国的60%。造成这一情况，除了土地条件等自然因素、玉米品质参差等差别外，种子漏播所导致的先天性减产也是一个重要原因。解决玉米种子漏播问题的一种可行方法是应用玉米精密播种机械[5]。玉米精密播种机械可以同步进行挖穴与落种，并适应各种播种环境，能够提高播种的效率，提高种子发芽率，从而实现玉米高效率播种[6]。本文简要概述了关于玉米精密播种机械的国内外研究现状、尚存的问题以及解决策略。同时，对玉米精密播种机械未来的发展方向进行了展望。

1 玉米精密播种机械研究现状

1.1 国内玉米精密播种机械研究现状

国内关于玉米精密播种的相关研究从20 世纪70年代开始，陆续研制了基于不同原理、不同结构形式的玉米精密播种机械[7]。

精密播种机械的载体是排种器，最先实现玉米精密播种的是机械式精密排种器。机械式精密排种器主要依靠容腔实现取种和携种[8]。目前我国常用的机械式精密排种器有三种，分别是勺轮式排种器、指夹式排种器和气力式精量排种器。

1）勺轮式排种器：通过导种叶轮与排种勺的等速转动，在充种区完成取种的过程，从而随着排种盘的旋转在清种毛刷和重力的同步作用下进行清种过程，种子通过导种叶轮完成排种，实现单粒精密播种[9]。勺轮式排种器是玉米精密播种机的核心部件，其结构参数直接影响着玉米精密播种的质量[10]。

2）指夹式排种器：通过轮机控制指夹在调定位置的开启与关闭，进行携种、清种、排种的工作过程，由于指夹与固定盘之间存在互相作用力，这种工作方式可以有效降低排种器在排种过程中受到振动等外界因素的影响，提高播种精度[11]。王金武等[12]通过建立因素与指标之间的数学模型，进行排种适应性试验，发现指夹式精量玉米排种器具有良好的适应性，能满足精密播种的农艺需求。苑严伟等[13]围绕玉米播种的排种、投种、着床3 个过程展开研究，设计了一种自身结构和工作参数最优组合的指夹式排种器。

3）气力式精量排种器：主要通过空气压力或真空负压进行充种过程，使用机械式清种结构或清种毛刷完成清种，实现玉米单粒精密排种。气力式排种器适应性强，伤种率低，在高速作业时仍能够实现精密播种，因此在我国得到广泛应用[14]。

1.2 国外玉米精密播种机械研究现状

玉米精密播种主要通过玉米播种机来实现。为了提高播种机的性能，国外学者进行了大量研究，对排种器的结构进行优化设计，如排种盘型孔数、型孔结构、型孔直径等[15-17]；优选播种机的作业参数，例如排种盘的气压、转速、播种机作业速度等；优化导种管的结构[18]，优选开沟器[19]等。欧美发达国家早期就开始采用机械化与规模化的方法来高效管理玉米种植工作，他们在玉米精密播种机械与精确排种器的研究方面一直走在前列。这些国家已经研发出多种系列的精确排种器和播种装置，并不断朝着提高精确度、加快种植速度以及实现智能化的方向发展[20]。目前，欧美发达国家主要采用气力式排种器，许多农业先进国家在20 世纪50 年代就开始推广使用气力播种技术。气力播种按排种原理不同可分为气吸式、气压式和气吹式播种[21]，并增加辅助导种装备，具有通用性较好、排种精度较高等优点，但其复杂性也逐步增加，成本较高。在研制气力式玉米播种机的同时，国外也研制了一些机械式玉米精密播种排种器，具有代表性的主要有：Great Plains Manufacturing 公司开发的通过改变排种轮以播种多种作物的单粒排种器、以Nibex 为代表的勺匙式精密排种器[22]。与欧美发达国家相比，我国因受各种因素限制，气吸式播种机具仍在普及过程中。对此方面的研究是未来一段时间内我国玉米精密播种的发展方向[23]。

2 存在的问题

2.1 技术推广与应用的瓶颈

虽然玉米精密播种机械在理论研究和实践应用方面取得了显著成果，但在技术推广和应用过程中仍面临一定的瓶颈。如果扩大勺轮的尺寸，可以在勺轮圆周上增加均匀分布的种子槽数量，从而提高播种的效率。然而，由于技术水平和成本的制约，无法无限制地增加勺轮的尺寸。为了提高播种效率，必须对勺轮的旋转速度适当进行控制，以确保其保持在合适的范围内。对于勺轮式播种器，控制播种速度显得尤为重要。在进行精准播种作业时，需要实现种子的均匀分布和保持穴距的一致性。这通常需要通过控制勺轮式播种器的旋转速度与播种机前进速度的协调来实现，而这一过程的难度相对较高。与勺轮式排种器相比，指夹式排种器的成本较高，因此，指夹式排种器的适用范围相对较小。该类型排种器的关键在于指夹器在排种盘上的分布方式以及配套弹簧弹性系数的确定等方面。如果设计方法不合理，排种过程中可能会导致种子受损、需要重新播种或者出现漏播等情况，从而对精密播种效果造成不利影响。

与机械式排种器相比，气力式排种器的成本较高，因此，气力式排种器的适用范围较窄。气力式排种器的核心组件是真空气室，其真空度与吸孔直径、吸孔数量、吸种圆盘尺寸、播种作业速度、播种高度等多种因素紧密相关，这些因素对最终的播种效果产生显著影响[24]。

2.2 缺乏可靠性试验

目前，运用各种新技术、新原理研制的精密排种器在理论上都是可行的。然而，能用试验证明高性能指标的玉米精密排种器不多。

现阶段，试验检测排种器性能，多为光电检测和人工检测[25]。可使用光电检测来检测是否存在漏播情况，但检测准确性不高，并且试验种子缺少严格分级处理，因此试验结果误差较大。人工检测排种器性能时，比较直观，能较好地反映种子的着落情况。但是人工检测过程中，某些缺陷会让人产生视觉疲劳，导致很多误判；人工检测还容易受到外界干扰，检测效率难以得到保证。因此，精密排种器的试验需要更加科学、可靠的检测装置。

排种器在不同土壤中的适应性不同，高性能的玉米精密排种器还需要通过对不同的土壤类型进行适应性研究，以保证其在不同的土壤都能实现精准排种。

3 应对措施

精密播种机是实现玉米精密播种机械化的主要手段，对播种质量具有关键性影响。在此背景下，排种器作为精密播种机的核心组件，扮演着重要角色，其优化和设计对播种质量具有决定性的作用[26]。

通过对排种器的排种盘结构形状进行改良，在现有结构的基础上进行优化，在新设计中，排种器的外壳采用铸铁材料浇铸而成，排种器的真空室采用了马蹄形设计。此外，在排种盘上加装了搅种轮，使播种过程更加均匀。排种器的盖子采用透明材料制作，方便观察内部情况。值得注意的是，这项研究对传统的圆形排种盘结构进行了创新，保留了取种口底部的吸孔，并在排种盘上增加了取种结构和搅种结构。这一新型排种器在低压和高速的工况下都具有出色的排种性能[27]。

4 结论与展望

课题组综述了玉米精密播种机械的研究现状与进展，分析了目前面临的挑战。未来研究应着力解决以下几个方面的问题：一是提高玉米精密播种机械的经济性与可操作性，加大技术推广力度；二是针对不同区域的特点开展适应性研究，提高精密播种机械在各地的应用效果；三是进一步拓展智能化精密播种机械的研究领域，加强与其他现代农业机械的融合与发展。

目前我国正在玉米精密播种机械方面积极研究，尽管如此，与发达国家相比仍存在差距。随着农机企业和科研机构对现代化农业、精准农业等创新理念的理解逐步深入，我国玉米精密播种机械也必将朝着更高效率、高性能、智能化的方向深入发展。