油菜精量播種技術(shù)研究進(jìn)展

廖慶喜 雷小龍 廖宜濤 丁幼春 張青松 王 磊

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 雅安 625014)

油菜精量播種技術(shù)研究進(jìn)展

廖慶喜1,2雷小龍1,3廖宜濤1,2丁幼春1,2張青松1,2王 磊1,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 雅安 625014)

油菜精量播種技術(shù)是機(jī)械化、規(guī)?；N植實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效的重要途徑之一，也是油菜全程機(jī)械化的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文分析了國(guó)內(nèi)外油菜生產(chǎn)概況和主要播種裝備，重點(diǎn)闡述了油菜播種環(huán)節(jié)的精量排種、種床整理和播種智能化等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)。油菜精量排種技術(shù)作為精量播種的基礎(chǔ)和核心，依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和原理分為單體式排種技術(shù)和集中式排種技術(shù)；闡明了油菜種植的播種深度和畦溝深度穩(wěn)定性影響要素及其保證播種和畦溝深度及廂面平整度的實(shí)現(xiàn)方式；分析了油菜精量排種器漏播檢測(cè)補(bǔ)種、自動(dòng)導(dǎo)航和變量播種技術(shù)等3項(xiàng)油菜播種智能化技術(shù)的研究進(jìn)展。在系統(tǒng)總結(jié)和分析我國(guó)油菜種植特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)階段油菜精量播種技術(shù)難點(diǎn)，并提出高速、寬幅、高效和精量的氣力式排種技術(shù)、播深穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)、降附減阻防堵的耕整地技術(shù)和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝農(nóng)信深度融合技術(shù)是油菜精量播種技術(shù)的研究重點(diǎn)。自動(dòng)導(dǎo)航、排種器漏播檢測(cè)和變量播種等技術(shù)是提升油菜播種智能化水平的關(guān)鍵技術(shù)。

油菜； 精量播種； 氣力式排種技術(shù)； 播深穩(wěn)定性

引言

油菜是重要的油料作物，兼具飼料、綠肥、蔬菜、能源、旅游、蜜源等多方面的價(jià)值。根據(jù)農(nóng)業(yè)區(qū)劃和種植特點(diǎn)，中國(guó)油菜種植區(qū)域可分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)。

冬油菜產(chǎn)區(qū)集中分布于長(zhǎng)江流域，占總產(chǎn)90%以上，以稻-油或稻-稻-油水旱輪作為主。長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)域播種受前茬作物收獲農(nóng)時(shí)、土壤黏重板結(jié)和分散田塊等影響，油菜機(jī)械化水平低下，2015年機(jī)械化播種水平僅為22.01%[1]，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高、效益低，制約了油菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

提高我國(guó)油菜機(jī)械化播種水平是油菜種植節(jié)本增效的重要途徑。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程快速推進(jìn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)向以機(jī)械化為支撐的適度規(guī)模方式轉(zhuǎn)型[2]，“良種+良法+良田+良態(tài)+良機(jī)”配套技術(shù)可有效提高油菜生產(chǎn)效益，其中良種主要為雜交油菜種子，采用精量播種可節(jié)省種子成本；多樣化的種植制度對(duì)油菜直播機(jī)(良機(jī))播種質(zhì)量提出了更高要求。油菜精量播種技術(shù)具有節(jié)種、省工和增效等優(yōu)點(diǎn)，成為油菜機(jī)械化種植的發(fā)展趨勢(shì)。

油菜精量播種技術(shù)是根據(jù)農(nóng)藝要求的種植密度，以一定播種量將油菜種子均勻地播在種床適宜位置，為種子發(fā)芽、光水肥氣充分利用、個(gè)體與群體均衡發(fā)育提供良好條件。油菜精量聯(lián)合直播機(jī)采用耕播集成理念，一次性完成旋耕、滅茬、精量播種、施肥、開(kāi)溝、覆土和開(kāi)畦溝等油菜種植所有工序，實(shí)現(xiàn)一次性均勻出苗，省去間苗、補(bǔ)苗等環(huán)節(jié)，達(dá)到苗勻、苗齊、苗壯的出苗效果。油菜精量播種技術(shù)核心是種子均勻分布和播深穩(wěn)定，提高種子成苗率。油菜機(jī)械化播種受地域種植制度、土壤質(zhì)地、土壤墑情和播期等生產(chǎn)條件限制，冬油菜區(qū)的開(kāi)畦溝技術(shù)和精量播種智能技術(shù)等已成為影響油菜播種成苗率的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。

本文在分析國(guó)內(nèi)外油菜生產(chǎn)概況和播種裝備基礎(chǔ)上，根據(jù)影響油菜播種均勻性和成苗率的主要因素，從油菜精量排種技術(shù)、種床整理技術(shù)和精量播種智能化技術(shù)3方面研究進(jìn)行闡述，并分析現(xiàn)階段油菜播種技術(shù)難點(diǎn)和存在問(wèn)題，展望我國(guó)油菜精量播種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 油菜生產(chǎn)概況與播種裝備分析

1.1 油菜生產(chǎn)概況

1.1.1國(guó)內(nèi)外油菜生產(chǎn)概況

油菜屬十字花科蕓薹屬，是一年生草本植物，包括白菜型、芥菜型和甘藍(lán)型3種類型，在全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)作為主要油料作物種植，油菜種植面積分布如圖1所示。加拿大、中國(guó)、歐盟、印度和澳大利亞是油菜籽生產(chǎn)大國(guó)，近年來(lái)中國(guó)、歐盟和印度的油菜種植規(guī)模保持穩(wěn)定；加拿大采用休耕地復(fù)墾增加了種植面積，成為油菜最大生產(chǎn)國(guó)。

圖1 國(guó)內(nèi)外油菜種植面積(2014年)Fig.1 Planting area of rapeseed in the world (2014)

由于各國(guó)的地理位置和種植制度不同，決定油菜種植模式和種植機(jī)械化水平差異大(表1)。加拿大、澳大利亞主要以春油菜為主，采用一年一熟種植制度；而中國(guó)、歐盟和印度主要種植冬油菜。加拿大、歐盟和澳大利亞的油菜種植區(qū)面積廣闊、土壤粘性小，油菜機(jī)械化播種水平均很高，已實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。中國(guó)的油菜機(jī)械化播種水平相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家仍然低下，這受限于多元化的種植制度、土壤黏重板結(jié)和地塊分散狹小等條件。

表1 主要國(guó)家和組織的油菜種植概況[3]Tab.1 Planting’s overview for rapeseed in the world

1.1.2中國(guó)油菜生產(chǎn)概況分析

油菜抗逆性強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣，按生態(tài)可將中國(guó)油菜主產(chǎn)區(qū)劃分為冬油菜區(qū)和春油菜區(qū)。我國(guó)的油菜生產(chǎn)以冬油菜為主，其種植面積和產(chǎn)量均占全國(guó)的90%左右。冬油菜種植區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江流域各省份，具體包括長(zhǎng)江上游優(yōu)勢(shì)區(qū)(四川、貴州、云南、重慶、陜西五省(市))，長(zhǎng)江中游優(yōu)勢(shì)區(qū)(湖北、湖南、江西、安徽等四省及河南信陽(yáng)地區(qū))，長(zhǎng)江下游優(yōu)勢(shì)區(qū)(江蘇、浙江兩省)。春油菜種植區(qū)主要包括青海、內(nèi)蒙、甘肅3省(區(qū))。湖北、湖南、四川占全國(guó)油菜播種面積的比重均超過(guò)10%，安徽、江西、貴州和江蘇均在5%以上。春油菜主產(chǎn)區(qū)種植面積約為8.2%。

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年油菜機(jī)械化播種水平僅為22.01%，北方春油菜區(qū)機(jī)械化水平相對(duì)較高，其中內(nèi)蒙古的機(jī)械化播種水平超過(guò)70%，基本實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。南方冬油菜產(chǎn)區(qū)機(jī)械化播種水平普遍較低，僅有湖北省和河南省油菜機(jī)械化播種水平達(dá)到30%以上，如表2所示。油菜機(jī)械化播種水平程度低、技術(shù)層次低已成為制約我國(guó)油菜生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。

表2 2015年油菜主產(chǎn)區(qū)機(jī)械化播種水平Tab.2 Seeding mechanization level of rapeseed producing area in 2015

圖2 國(guó)外油菜播種機(jī)Fig.2 Foreign planter for rapeseed

1.2 油菜播種裝備分析

1.2.1國(guó)外油菜播種裝備

國(guó)外播種裝備主要為大中型播種機(jī)，且播種機(jī)通用性高，可播種油菜、小麥、蔬菜等中小粒徑種子。播種機(jī)主要分為機(jī)械式條播機(jī)、氣吸式精量播種機(jī)和氣力輸送集排式播種機(jī)等，均具有較高的作業(yè)效率。常用的國(guó)外油菜機(jī)械式條播機(jī)包括美國(guó)約翰迪爾公司(圖2a)、法國(guó)庫(kù)恩公司、德國(guó)雷肯公司和阿瑪松公司等生產(chǎn)的條播機(jī)。

氣吸式精量播種機(jī)主要采用氣吸式精密排種器，播種機(jī)的通用性、播種精度和作業(yè)效率不斷提高。法國(guó)摩諾賽(Monosem)公司開(kāi)發(fā)的NG Plus系列氣吸式精量播種機(jī)(圖2b)、德國(guó)阿瑪松公司研制的ED系列播種機(jī)、美國(guó)約翰迪爾公司生產(chǎn)的MaxEmerge 5氣吸式精密播種機(jī)和凱斯紐荷蘭公司生產(chǎn)的DV系列精量播種機(jī)等均具有精量播種、高速、寬幅和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于免耕播種。

氣力輸送集排式播種機(jī)通過(guò)氣流輸送種子及肥料，簡(jiǎn)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，較機(jī)械式條播機(jī)具有更大的作業(yè)幅寬和更高的作業(yè)效率。氣力輸送集排式播種機(jī)可分為氣力輸送式免耕播種機(jī)和氣力輸送式復(fù)式作業(yè)播種機(jī)。氣力輸送式免耕播種機(jī)主要包括美國(guó)向日葵公司、約翰迪爾公司、凱斯公司，德國(guó)雷肯公司、阿瑪松公司(圖2c)和意大利馬斯奇奧公司等生產(chǎn)的播種機(jī)；氣力輸送式復(fù)式作業(yè)播種機(jī)包括奧地利博田公司和德國(guó)豪獅公司等生產(chǎn)的播種機(jī)。國(guó)外大型寬幅播種機(jī)適應(yīng)我國(guó)北方春油菜大面積播種，我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)，秸稈量大，地塊分散且狹小，主要為水旱輪作模式，國(guó)外大型播種機(jī)不適合我國(guó)冬油菜主產(chǎn)區(qū)油菜播種。

1.2.2國(guó)內(nèi)油菜播種裝備

目前國(guó)內(nèi)油菜播種方式可分為撒播、條播和精量播種。油菜撒播多以人工方式，曹秀英[4]設(shè)計(jì)了以離心旋轉(zhuǎn)盤(pán)式排種器為核心的撒播播種機(jī)。撒播播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因不成行、對(duì)田面平整度要求較高和油菜播種需開(kāi)畦溝等問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

油菜條播機(jī)一般采用外槽輪式排種器，主要由傳統(tǒng)的小麥或谷物條播機(jī)改裝、演變而成。吳明亮等[5]設(shè)計(jì)了2BYF-6型油菜免耕直播聯(lián)合播種機(jī)，可一次完成開(kāi)排水溝、播種、施肥和覆土作業(yè)(圖3a)[6]。并進(jìn)一步研發(fā)了2BYD-6型油菜淺耕直播施肥聯(lián)合播種機(jī)，補(bǔ)充了淺耕、滅茬等功能，可通過(guò)變速機(jī)構(gòu)改變排種轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)和控制播種量，實(shí)現(xiàn)油菜播種變量可調(diào)。

為進(jìn)一步提高油菜小粒徑播種精度、節(jié)省種子，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)廖慶喜等[7-9]研制了2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)，其中2BFQ-4型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)，以手扶拖拉機(jī)為配套動(dòng)力，可一次完成耕整地、播種、施肥、開(kāi)溝、覆土等工序，并可通過(guò)改變旋耕刀排列實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝播種，能滿足小田塊、丘陵等地區(qū)的小規(guī)模種植要求。以正負(fù)氣壓組合式精量排種技術(shù)為核心研發(fā)的2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)(圖3b)，以大中型拖拉機(jī)為配套動(dòng)力，集成旋耕、滅茬、開(kāi)畦溝、精量播種、施肥、仿形驅(qū)動(dòng)、覆土等多種功能，適應(yīng)春油菜、冬油菜、少免耕等多種種植模式和農(nóng)藝要求。近年來(lái)，以耕播集成技術(shù)為核心的2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)在湖北、湖南、江西、安徽、浙江、江蘇、陜西、四川、重慶、新疆等19省市自治區(qū)進(jìn)行了示范與推廣應(yīng)用。

為提高播種機(jī)效率、節(jié)省加工成本和增加適應(yīng)性，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)一步研制了2BFL-6型中央集排離心式油菜精量聯(lián)合直播機(jī)(圖3c)和2BYMQ-10型油麥兼用氣送式聯(lián)合直播機(jī)，均采用集排器為核心部件，實(shí)現(xiàn)了油菜的精少量播種，豐富了油菜精量播種機(jī)類型。

油菜精量播種機(jī)集成精量播種、耕整地、開(kāi)畦溝和變量播種等功能，成為油菜機(jī)械化播種的發(fā)展方向。針對(duì)南方冬油菜產(chǎn)區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率高、前茬秸稈量大和地塊偏小等問(wèn)題，從排種技術(shù)、種床整理技術(shù)和智能化播種技術(shù)等方面提高油菜精量播種機(jī)播種質(zhì)量和適應(yīng)性是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖3 國(guó)內(nèi)油菜播種機(jī)Fig.3 Rapeseed planter in China

2 油菜精量排種技術(shù)

2.1 油菜排種技術(shù)發(fā)展歷程

油菜種子粒徑小，球形度高，流動(dòng)性較好，但表皮薄且含油量高，易發(fā)生破損和堵塞現(xiàn)象，是精量排種的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。油菜排種技術(shù)經(jīng)歷了機(jī)械排種技術(shù)、氣力式單體排種技術(shù)和集中排種技術(shù)的發(fā)展歷程(表3)。

從油菜排種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，油菜排種初始階段使用改進(jìn)小麥等外槽輪式和窩眼輪式的機(jī)械排種器。為降低種子破損率和精量播種，氣吸式和正負(fù)氣壓組合式排種器實(shí)現(xiàn)油菜單粒精量播種。隨著農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)深度融合，傅廷棟院士提出因地、因時(shí)增加種植密度，可達(dá)到“以密增產(chǎn)、以密補(bǔ)遲、以密省肥、以密控草、以密適機(jī)”的效果。為滿足規(guī)?；N植和適度增密的需要，進(jìn)一步提高播種效率和簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)械離心式、氣力滾筒式和氣送式等集排技術(shù)得以快速發(fā)展。綜合來(lái)看，油菜排種技術(shù)經(jīng)歷撒播—條播—精量播種—單粒精密播種的過(guò)程。由于區(qū)域性多樣化種植制度及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平差異，目前油菜機(jī)械化播種處于單體式和集中式排種等多種方式并存的狀態(tài)。

表3 油菜排種技術(shù)發(fā)展歷程Tab.3 Development path of seeding technology for rapeseed

2.2 單體式油菜精量排種技術(shù)

單體式排種器即“一器一行”排種器，早期應(yīng)用于油菜播種的單體式排種器及相關(guān)研究以機(jī)械式為主，現(xiàn)階段的研究和應(yīng)用主要為氣力式排種器。

張宇文等[10-11]采用排種孔內(nèi)設(shè)置推種齒原理設(shè)計(jì)了多功能精密排種器，實(shí)現(xiàn)油菜種子精密播種；并優(yōu)化設(shè)計(jì)推種輪齒形曲線，明顯降低了油菜種子破損率。袁文勝等[12]設(shè)計(jì)了一種異形孔窩眼輪式油菜排種器，型孔采用螺旋線布置，提高了播種合格率和降低了種子破損率。湯楚宙等[13]在偏心輪型孔輪式排種器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由型孔輪和調(diào)節(jié)環(huán)組成的變量型孔輪式排種器，實(shí)現(xiàn)了油菜等小粒徑種子的變量條播。吳明亮等[14]設(shè)計(jì)了2BF-6型稻茬田油菜免耕聯(lián)合直播機(jī)，采用外槽輪式排種器，調(diào)節(jié)囊種的型孔數(shù)量和外槽輪堵頭長(zhǎng)度調(diào)節(jié)播種量。油菜機(jī)械式精量排種器主要通過(guò)改變型孔形狀和容積實(shí)現(xiàn)精量排種，受油菜種子含油率高，機(jī)械作用導(dǎo)致種子破損易堵塞型孔，影響種子充種和排種性能，且靠重力充種，不利于播種量的精確控制。

氣力式排種器具有對(duì)種子形狀適應(yīng)性好、破損率低、作業(yè)質(zhì)量高、排種均勻性好，適用于高速作業(yè)和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用氣流壓力，對(duì)種子進(jìn)行吹送或吸附，使種子按一定軌跡完成排種，主要分為氣吸式和正負(fù)氣壓組合式等類型排種器(圖4)[4]。

圖4 單行氣力式排種器Fig.4 Pneumatic metering device for one row

氣吸式精密排種器應(yīng)用氣流負(fù)壓吸附種子至投種區(qū)完成吸種、攜種過(guò)程，在投種區(qū)依靠種子重力完成投種過(guò)程，通過(guò)改變排種盤(pán)型孔尺寸可實(shí)現(xiàn)不同類型作物單粒精密排種。垂直圓盤(pán)式氣吸式精密排種器不易損傷種子，對(duì)種子尺寸要求不嚴(yán)，可適用于較高速播種，通用性較好，廣泛應(yīng)用于精密播種[15]。影響氣吸式排種器排種性能的主要因素為吸室真空度和排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，劉文忠等[16]發(fā)現(xiàn)影響氣吸式排種裝置排種性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括吸種孔直徑、結(jié)構(gòu)形式、吸種孔數(shù)量和分布形式等，優(yōu)化得出排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度的最佳組合。李耀明等[17-18]對(duì)氣吸式排種器氣流場(chǎng)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)建立氣吸振動(dòng)式排種器吸種過(guò)程三維力學(xué)模型和運(yùn)用Fluent軟件計(jì)算了油菜種子在吸種口附近的受力，采用錐孔、增大型孔直徑和壓差可提高吸種能力。龔志強(qiáng)等[19]研究了吸盤(pán)式精密排種裝置吸種區(qū)域氣流場(chǎng)中的種子顆粒受力情況，得出影響種子受力的主要因素為：種子與吸孔的距離、種子姿態(tài)、相對(duì)壓力和吸孔孔徑。

國(guó)外典型精密播種機(jī)主要選用氣吸式排種器(圖4a)，具有精量播種、高速、智能和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在加拿大和歐洲等國(guó)家和地區(qū)大型農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用于油菜精量播種。國(guó)外相關(guān)學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)一步提高種子粒距均勻性，KARAYEL等[20]構(gòu)建了種子物料特性參數(shù)與氣流壓強(qiáng)之間的數(shù)學(xué)模型，用于指導(dǎo)不同作物播種時(shí)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)。ARZU等[21-22]采用響應(yīng)面法來(lái)優(yōu)化氣吸式精密排種器的孔徑和氣流壓強(qiáng)以提高粒距均勻性；氣吸式排種盤(pán)型孔數(shù)和前進(jìn)速度對(duì)粒徑均勻性均有顯著影響，前進(jìn)速度達(dá)2 m/s時(shí)排種性能顯著下降。綜合來(lái)看，氣吸式精密排種器廣泛應(yīng)用于多種作物尤其是中、大粒徑種子作物精密播種，油菜種子粒徑范圍約為1.5～2.5 mm，粒徑小、質(zhì)量輕、吸種型孔小、易堵塞，不外加載荷作用僅靠重力難以及時(shí)投種，而添加刮種裝置易發(fā)生種子破損。

基于油菜種子物料特性和精量播種要求，廖慶喜等提出了負(fù)壓吸種、正壓吹種的正負(fù)氣壓組合式排種技術(shù)(圖4b)，設(shè)計(jì)的正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器的氣室分為負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)呈馬蹄形，可實(shí)現(xiàn)油菜種子單粒精密播種，解決了型孔堵塞與種子破損等難題[23]，以正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器為核心設(shè)計(jì)了2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)[24]。進(jìn)一步分析了氣力系統(tǒng)和排種機(jī)理，通過(guò)分析排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和正壓泄氣孔直徑對(duì)排種性能的影響，表明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及其與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的交互作用是影響各行排種量及其一致性的首要因素[25]，并進(jìn)一步根據(jù)排種器數(shù)量預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)選型[26]。余佳佳等[27-28]對(duì)該排種器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析和排種過(guò)程仿真分析，分析了正負(fù)氣壓與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，優(yōu)化了排種器正負(fù)壓氣孔和氣室容積等結(jié)構(gòu)參數(shù)。叢錦玲等[29-30]在正負(fù)氣壓組合式排種器的排種盤(pán)嵌入導(dǎo)種條，通過(guò)導(dǎo)種條擾動(dòng)種群提高充種性能，可實(shí)現(xiàn)油麥兼用排種。

2.3 油菜集中式排種技術(shù)

集中排種器(簡(jiǎn)稱集排器)為1個(gè)排種部件、1個(gè)種箱或者1個(gè)統(tǒng)一的輸種系統(tǒng)同時(shí)排種，實(shí)現(xiàn)“一器多行”的精量排種裝置。集排器能實(shí)現(xiàn)高速、寬幅播種，顯著提高工作效率，方便裝種卸種，簡(jiǎn)化整機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，成為排種技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)排種原理可分為3類：機(jī)械離心式集排器、氣力滾筒式排種器和氣送式集排器(圖5)。

圖5 油菜精量集排器Fig.5 Precision centralized metering device for rapeseed

廖慶喜等[31]設(shè)計(jì)了一器多行機(jī)械離心式油菜排種器(圖5a)，其核心部件為倒置內(nèi)錐筒，依靠種子離心力實(shí)現(xiàn)一器多行排種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。應(yīng)用EDEM軟件對(duì)離心式排種過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明內(nèi)錐筒中的種子量增加降低了臨界轉(zhuǎn)速[32]；優(yōu)化型孔直徑可保證型孔不堵塞[33]，并設(shè)計(jì)枝狀閥式分流裝置將單個(gè)型孔的排出種子分成2行，提高了田間作業(yè)適應(yīng)性[34]。機(jī)械離心式集排器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但排種量受排種器轉(zhuǎn)速影響，其靈敏度高，與播種機(jī)前進(jìn)速度同步性不夠。

氣力滾筒式集排器(圖5b)應(yīng)用氣流正壓或負(fù)壓使種子吸附或壓在型孔上，一次播種6～8行。李明等[35-36]設(shè)計(jì)了一種氣力滾筒式油菜精量集排器，該排種器采用正負(fù)氣壓組合式排種原理，播種行數(shù)為6行；并建立了負(fù)壓值、正壓值與結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系模型。李兆東等[37-38]為解決清種、護(hù)種環(huán)節(jié)易剪切破壞種子的問(wèn)題，采用氣流清種與氣壓護(hù)種組合技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有“倒方錐”型孔的“一器六行”油菜精量氣壓式集排器。德國(guó)阿瑪松公司研制了EDX氣壓式精密排種器[39]，可適應(yīng)前進(jìn)速度15 km/h的高速精量播種。氣力滾筒式集排器多為6～8行，能達(dá)到精量播種要求。

隨著土地經(jīng)營(yíng)方式轉(zhuǎn)變，以農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社、農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社和家庭農(nóng)場(chǎng)為主體的適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)成為發(fā)展趨勢(shì)，田塊面積相對(duì)較大，對(duì)作業(yè)效率提出了更高要求。氣送式集排器采用機(jī)械定量、氣流一階分配或二階分配的方式排種，能適應(yīng)多種作物高速、寬幅、高效播種，已成為國(guó)內(nèi)外排種器發(fā)展的主要方向。國(guó)外氣送式播種機(jī)主要包括：美國(guó)Sunflower公司生產(chǎn)的氣流式條播機(jī)、John Deere公司生產(chǎn)的1890型免耕播種機(jī)[40]、加拿大Flexi-coil公司生產(chǎn)的5000HD型氣力式條播機(jī)[41]、德國(guó)Amazone公司生產(chǎn)的Primera DMC牽引式播種機(jī)[42]、美國(guó)凱斯公司生產(chǎn)的Flex Hoe系列氣流播種機(jī)和德國(guó)雷肯(LEMKEN)公司生產(chǎn)的Solitair系列氣力式精量播種機(jī)[43]等。國(guó)外的氣送式播種機(jī)主要針對(duì)大豆、麥類等中、大粒徑作物種子精量條播，適用于傳統(tǒng)型耕作及保護(hù)性耕作，也可應(yīng)用于油菜寬幅播種。DOWNS等[44]應(yīng)用2種氣送式集排器Gandy 5812和Flex-King 160研究播種大豆、綠豆、高粱和小麥等種子的性能，排種部件作為一個(gè)獨(dú)立部分為其定量供種，氣流將種子平均分配至開(kāi)溝器中。KUMAR等[45]比較了平行盤(pán)、封閉漏斗型和流線型分配器3種氣送式集排器分配器結(jié)構(gòu)形狀對(duì)排種性能的影響，流線型分配器的分配均勻性最好，供種速率和入口氣壓對(duì)分配均勻影響較大。李中華等[46-47]研究了外槽輪供種機(jī)構(gòu)對(duì)正壓式氣流排種器供種苜蓿、披堿草和玉米的排種性能；同時(shí)采用CFD方法對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)分配器中的渦流現(xiàn)象影響排種均勻性。常金麗等[48]設(shè)計(jì)了2BQ-10型氣流一階集排式排種系統(tǒng)。

根據(jù)長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻-油(麥)水旱輪作種植制度和油菜、小麥為該區(qū)域主要冬季種植作物，為提高機(jī)具利用率和節(jié)省成本，雷小龍等[49-51]設(shè)計(jì)了油麥兼用型氣送式集排器(圖5c)，提出了一種傾斜錐柱狀型孔和錐孔輪交錯(cuò)排布的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)油菜、小麥兼用和變量與定量供種；優(yōu)化設(shè)計(jì)了文丘里管式供料裝置[52]和碗式枝狀分配器，并采用DEM-CFD氣固耦合方法分析集排系統(tǒng)氣流場(chǎng)分布和種子運(yùn)動(dòng)特性[53]，優(yōu)化集排器結(jié)構(gòu)，以該集排器為核心的2BYMQ-10型油麥兼用氣送式聯(lián)合直播機(jī)和2BFQ-18型油菜免耕精量聯(lián)合直播機(jī)已在湖北、新疆多地開(kāi)展生產(chǎn)性考核。

氣送式集排器具有優(yōu)越的排種性能，適應(yīng)高速、寬幅、多種作物精量播種，能滿足現(xiàn)階段油菜、小麥等小、中粒徑的播種要求，有效提高機(jī)具利用率和生產(chǎn)效率，是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中規(guī)模化經(jīng)營(yíng)機(jī)械化播種的發(fā)展趨勢(shì)。

3 種床整理技術(shù)

精量播種技術(shù)要求是農(nóng)作物種子按一定粒距均勻地播在一定深度的種溝內(nèi)，覆蓋適量的細(xì)濕土，為種子發(fā)芽提供良好條件。田間播種作業(yè)過(guò)程中，地面起伏不平造成開(kāi)溝深度難以一致和種子發(fā)生彈跳現(xiàn)象，影響粒徑均勻性和播種深度。同時(shí)，油菜屬直根系忌水作物，在冬油菜產(chǎn)區(qū)生長(zhǎng)期間強(qiáng)降雨月份較多，排、灌水通暢是保證油菜成苗率的關(guān)鍵因素。

3.1 播深穩(wěn)定性控制技術(shù)

種子位于土壤的位置對(duì)作物出苗和直立至關(guān)重要，合適的播種深度可為種子發(fā)芽提供良好的水分、氣流通透性和溫度等生長(zhǎng)條件，保證一致的播種深度可為一次性全苗、壯苗、齊苗提供保障[54]。播種深度太小，幼苗直立性差，易發(fā)生倒伏；播種深度太大，種子出苗率下降；保護(hù)性耕作應(yīng)增加播種深度，傳統(tǒng)耕作則需適當(dāng)降低播種深度[55]。播種深度也與土壤類型密切相關(guān)[56]，長(zhǎng)江流域?yàn)槎筒酥鳟a(chǎn)區(qū)，前茬主要為水稻，土壤黏重板結(jié)，田塊因含水率高易發(fā)生地面凹陷，造成地面平整度降低，從而對(duì)播深穩(wěn)定性影響較大，使油菜幼苗長(zhǎng)勢(shì)不一致(圖6a)。根據(jù)地面起伏實(shí)現(xiàn)播種深度一致，可使油菜種子集中均勻出苗(圖6b)。

圖6 播種深度一致性對(duì)油菜出苗影響示意圖Fig.6 Effects of seeding depth uniformity on emergence for rapeseed

播種深度是由開(kāi)溝器、覆土裝置和仿形裝置等因素共同決定，種子定位(即播種深度)過(guò)程如圖7所示。開(kāi)溝器是影響開(kāi)溝和播種深度的關(guān)鍵部件，常用的開(kāi)溝器有圓盤(pán)式、鋤鏟式和滑刀式等類型，圓盤(pán)式開(kāi)溝器不擾動(dòng)土層，能使種子落于濕土并完成土壤回流覆土；鋤鏟式開(kāi)溝器會(huì)擾動(dòng)土層，主要用于輕質(zhì)土壤；滑刀式開(kāi)溝器溝型整齊、溝底平整、深度穩(wěn)定，不攪亂土層，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 種子定位過(guò)程Fig.7 Seed positioning processes

圖8 開(kāi)溝器類型Fig.8 Openers’ types1.圓盤(pán)開(kāi)溝器 2.平行四連桿仿形機(jī)構(gòu) 3.鎮(zhèn)壓輪 4.大圓盤(pán)5.小圓盤(pán) 6.液壓仿形機(jī)構(gòu) 7.鋤鏟式開(kāi)溝器 8.滑刀式開(kāi)溝器

相關(guān)學(xué)者對(duì)開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并與仿形機(jī)構(gòu)配合保證播深穩(wěn)定性。圓盤(pán)式開(kāi)溝器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切割殘茬能力強(qiáng)和動(dòng)力消耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外播種機(jī)[57-58]。通過(guò)仿生技術(shù)對(duì)圓盤(pán)開(kāi)溝器表面處理、大小圓盤(pán)錯(cuò)位排布等方法減粘降阻和保證播種深度。John Deere和Amazone等公司應(yīng)用圓盤(pán)式開(kāi)溝器與平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)配合(圖9a)，保證圓盤(pán)開(kāi)溝器隨地表上下浮動(dòng)，從而保持播深一致。趙淑紅等[59]進(jìn)一步根據(jù)作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)上下、左右仿形。

為更好地適應(yīng)不同作業(yè)工況，馬云海等[60]利用土壤動(dòng)物的減黏脫土特性和超高分子量聚乙烯材料，設(shè)計(jì)了仿生波紋形開(kāi)溝器，其減黏降阻的效果高于普通開(kāi)溝器。趙淑紅等[61-62]設(shè)計(jì)了仿旗魚(yú)頭部曲線型開(kāi)溝器和滑推式開(kāi)溝器，可明顯降低工作阻力和對(duì)土壤的擾動(dòng)，且具有良好的回土性能。顧耀權(quán)等[63]發(fā)現(xiàn)滑切角是影響滑刀式開(kāi)溝器作業(yè)性能的主要因素；為適應(yīng)全秸稈覆蓋后的播種條件，結(jié)合缺口圓盤(pán)開(kāi)溝器和滑刀式開(kāi)溝器的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有滑刀式缺口的圓盤(pán)開(kāi)溝器，可提高開(kāi)溝和破茬能力[64]。JAMES等[65]設(shè)計(jì)了彎腿式開(kāi)溝器，在高速免耕作業(yè)條件下降低阻力和土壤擾動(dòng)，播種速度可達(dá)16 km/h。通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓仿形機(jī)構(gòu)位置(圖8b)，可保證播種深度一致[66]，使種子與土壤緊密接觸。

仿形機(jī)構(gòu)根據(jù)地表起伏開(kāi)出一致的種溝，綜合應(yīng)用播深控制系統(tǒng)、液壓技術(shù)和仿生技術(shù)等更好地使種子到達(dá)預(yù)定位置，同步降阻減黏，適應(yīng)黏重板結(jié)土壤是油菜精量播種技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

3.2 廂面平整度控制技術(shù)

廂面平整度影響油菜種子發(fā)芽率及幼苗長(zhǎng)勢(shì)，尤其在長(zhǎng)江流域土壤水分不能及時(shí)散發(fā)，易發(fā)生漬害。廂面不平整對(duì)播種深度影響也較大，通過(guò)仿形平整拖板、耕深調(diào)節(jié)系統(tǒng)或激光平地機(jī)等技術(shù)提高廂面平整度，能更好地保證播種深度。

旋耕深度是影響廂面平整度的重要因素，主要通過(guò)拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。魯植雄等[67]提出了基于模糊控制的電控液壓懸掛系統(tǒng)耕深自動(dòng)控制方法，減緩了力調(diào)節(jié)帶來(lái)的耕深變化和位調(diào)節(jié)帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷波動(dòng)。提高耕深穩(wěn)定性同時(shí)采用仿形平整拖板可保證廂面平整度，現(xiàn)有的仿形平整拖板主要通過(guò)彈力強(qiáng)制使地表保持一致。激光平地技術(shù)應(yīng)用于提高田面平整度，可防止拖拉機(jī)側(cè)傾降低廂面平整度。

由于拖拉機(jī)打滑或深陷等原因，廂面平整度與土壤含水率、細(xì)碎度等密切聯(lián)系，采用激光平地和耕深自動(dòng)調(diào)節(jié)等技術(shù)來(lái)提高田面平整度和耕深穩(wěn)定性是保證廂面平整的發(fā)展方向。

3.3 畦溝穩(wěn)定性控制技術(shù)

為適應(yīng)長(zhǎng)江中下游油菜種植區(qū)水旱輪作、土壤黏重的種植條件和排灌水方便的要求，開(kāi)好“三溝”(廂溝、腰溝、畦溝)是油菜避免漬害的保證。張青松等[68-69]設(shè)計(jì)了開(kāi)畦溝前犁裝置，保證畦溝溝深和初步溝型，類鏵式后犁收土，從而保證最終畦溝溝型(圖9a)。為適應(yīng)較高含水率條件開(kāi)畦溝作業(yè)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了船型開(kāi)溝器(圖9b)[70]，在土壤黏重板結(jié)、高含水率工況下可開(kāi)出穩(wěn)定畦溝。

圖9 畦溝開(kāi)溝器作業(yè)效果Fig.9 Ditching performance of different opener

2BF-6型稻茬田油菜免耕聯(lián)合直播機(jī)采用旋耕開(kāi)溝機(jī)中間開(kāi)畦溝[14]。圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)也應(yīng)用于開(kāi)畦溝，康建明等[71]優(yōu)化了正弦指數(shù)曲線型開(kāi)溝刀片，確定影響溝深穩(wěn)定性系數(shù)的最優(yōu)參數(shù)。現(xiàn)有開(kāi)畦溝技術(shù)主要包含主動(dòng)和被動(dòng)開(kāi)溝2種方式，主動(dòng)開(kāi)溝(如圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī))能開(kāi)出適應(yīng)油菜種植要求的畦溝，但功耗較高。被動(dòng)式畦溝開(kāi)溝器適應(yīng)不同含水率和秸稈量的作業(yè)要求，采用仿生技術(shù)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)新型畦溝開(kāi)溝器，畦溝溝型穩(wěn)定、降阻減黏和降低功耗成為開(kāi)畦溝裝置的研究重點(diǎn)。

4 精量播種智能化技術(shù)

隨著3S、傳感與檢測(cè)、自動(dòng)控制和信息處理等技術(shù)的發(fā)展，智能農(nóng)機(jī)裝備成為發(fā)展趨勢(shì)，智能化的播種機(jī)也是發(fā)展方向之一。智能化精量播種機(jī)主要包括漏播檢測(cè)與實(shí)時(shí)補(bǔ)種技術(shù)、自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)和變量播種技術(shù)(圖10)，采用漏播檢測(cè)與實(shí)時(shí)補(bǔ)種技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排種狀態(tài)和反饋排種性能，及時(shí)在漏播時(shí)補(bǔ)種，避免漏播造成減產(chǎn)；自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)利用GPS或北斗導(dǎo)航等完成對(duì)行，可提高行駛直線度和降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，有效利用耕地和進(jìn)行路徑規(guī)劃；變量播種技術(shù)則是基于產(chǎn)量分布圖，根據(jù)土壤肥力、播期、品種、種植要求等變量播種。智能化精量播種機(jī)集成自動(dòng)導(dǎo)航、漏播檢測(cè)和變量播種等技術(shù)，成為實(shí)時(shí)、實(shí)地播種的發(fā)展方向。

圖10 精量播種智能集成技術(shù)Fig.10 Integration technology of intelligent precision seeding

4.1 精量排種器漏播檢測(cè)與實(shí)時(shí)補(bǔ)種技術(shù)

圖11 實(shí)時(shí)漏播檢測(cè)技術(shù)Fig.11 Technology of real-time loss sowing detection1.導(dǎo)種管 2.光電檢測(cè)裝置 3.排種器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 4.油菜精量直播機(jī) 5.拖拉機(jī) 6.監(jiān)測(cè)顯示終端 7.導(dǎo)種管 8.種子流傳感裝置 9.種子袋

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種質(zhì)量參數(shù)，尤其是漏播狀態(tài)及時(shí)反饋，可避免后期補(bǔ)苗或補(bǔ)種。Precision Planting和John Deere等公司通過(guò)在導(dǎo)種管內(nèi)安裝光電檢測(cè)裝置監(jiān)測(cè)排種過(guò)程，可實(shí)時(shí)探測(cè)排種和反饋排種量及排種時(shí)間間隔(圖11a)，通過(guò)精量排種器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全程監(jiān)控排種過(guò)程。光電檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)較高排種速度的油菜等小粒徑種子的檢測(cè)，李明等[72]提出了一種基于排種頻率的檢測(cè)方法，可有效檢測(cè)漏播程度。丁幼春等[73]提出了一種采用排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與排種脈沖同步檢測(cè)、排種頻率與時(shí)間間隔雙重閾值約束的檢測(cè)方法，有效解決了小粒徑精量排種器重播條件下漏播的檢測(cè)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多路精量排種器性能檢測(cè)[74]。為進(jìn)一步提高油菜小粒徑種子監(jiān)測(cè)播種量的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了油菜精量排種器種子流傳感裝置(圖11b)，實(shí)現(xiàn)油菜種子流排種頻率與排種總量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[75]，并設(shè)計(jì)了螺管式補(bǔ)種器對(duì)漏播進(jìn)行補(bǔ)種[76]。通過(guò)采用排種頻率法、排種脈沖同步和碰撞信號(hào)等方法可檢測(cè)油菜漏播狀態(tài)，由于油菜籽粒徑小、流動(dòng)性好，提高實(shí)時(shí)檢測(cè)漏播狀態(tài)準(zhǔn)確度和降低補(bǔ)種響應(yīng)時(shí)間需進(jìn)一步研究。

4.2 油菜播種作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)

油菜機(jī)械化播種作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航可最大限度利用田塊資源，保證對(duì)行準(zhǔn)確度和行駛直線度為中期智能化油菜管理監(jiān)控和后期機(jī)械化收獲提供標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)環(huán)境。該技術(shù)主要包括農(nóng)機(jī)位置定位、導(dǎo)航路徑跟蹤控制和定位數(shù)據(jù)整合等關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)采用厘米級(jí)定位系統(tǒng)RTK-GPS(Real time kinematic)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global navigation satellite system)獲取設(shè)備的當(dāng)前位置，實(shí)時(shí)對(duì)種植機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)駕駛控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定位置播種操作，同時(shí)采集作業(yè)信息與定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合形成油菜種植數(shù)據(jù)庫(kù)。

KAIVOSOJA等[77]開(kāi)發(fā)了GNSS錯(cuò)誤模擬器提高拖拉機(jī)導(dǎo)航和定位精度，羅錫文等[78]在東方紅X-804拖拉機(jī)上開(kāi)發(fā)了基于RTK-DGPS 的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，提出了跨行地頭轉(zhuǎn)向控制方法。黎永鍵等[79]設(shè)計(jì)的基于RTK-DGPS定位和雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制相結(jié)合的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)提高了拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能。導(dǎo)航路徑規(guī)劃及路徑跟蹤控制方法是導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，通常以農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，采用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)控制等方法設(shè)計(jì)控制模型。XIONG等[80]建立了拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)模型，提高了較高含水率條件下的追蹤功能。ZHANG等[81]設(shè)計(jì)了最優(yōu)分?jǐn)?shù)階比例微分控制器用于控制拖拉機(jī)路徑跟蹤，可使得閉環(huán)系統(tǒng)降低絕對(duì)誤差和降低作物破壞。ERKAN等[82]使用分布式非線性預(yù)測(cè)控制方法解決拖拉機(jī)軌跡追蹤問(wèn)題，可提高控制精度和對(duì)環(huán)境干擾的魯棒性。張智剛等[83]提出了基于協(xié)方差函數(shù)的加窗估計(jì)算法，用于在線估計(jì)電子羅盤(pán)和微機(jī)械陀螺的測(cè)量方差，可有效估測(cè)農(nóng)機(jī)的航向角度。王鶴等[84]建立自動(dòng)導(dǎo)航車輪轉(zhuǎn)角測(cè)量誤差補(bǔ)償模型。

在油菜精量聯(lián)合直播機(jī)導(dǎo)航問(wèn)題中，播種環(huán)境多受土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率以及植被覆蓋率等因素影響，張聞?dòng)畹萚85-86]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)變論域模糊控制器實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)液壓轉(zhuǎn)向，并提出了SVR逆向模型的拖拉機(jī)導(dǎo)航純追蹤控制方法，能夠有效修正油菜播種作業(yè)時(shí)對(duì)復(fù)雜的地表特征行駛的影響，適用于油菜精量聯(lián)合直播機(jī)自動(dòng)對(duì)行作業(yè)(圖12)。針對(duì)播種機(jī)導(dǎo)航作業(yè)過(guò)程中的對(duì)行播種起始位姿調(diào)整和套行作業(yè)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙切圓尋線模型控制方法，該方法可有效降低播種機(jī)人工操作配合自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)的操作難度[87]。同時(shí)設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)航摩擦輪式轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能有效控制拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向，拆裝便捷，提高了播種機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)用性[88]。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)已逐步應(yīng)用于規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但針對(duì)油菜播種過(guò)程智能化作業(yè)的實(shí)用性、適應(yīng)性、可靠性仍需要進(jìn)一步研究。

圖12 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.12 Automatic navigation system1.角度傳感器 2.電控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3.導(dǎo)航控制終端 4.拖拉機(jī)

4.3 變量播種技術(shù)

變量播種是按需播種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可最大限度利用資源和節(jié)省種子。變量播種技術(shù)以決策分析系統(tǒng)為核心，通過(guò)液壓、電動(dòng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。前進(jìn)速度、產(chǎn)量分布圖、播期和品種等參數(shù)反饋給智能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制液壓、電動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)精量排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種量實(shí)現(xiàn)變量播種。

圖13 液壓驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)Fig.13 Hydraulic drive seed-metering system1.液壓驅(qū)動(dòng)器 2.控制終端

Amazone公司研制的氣送式集排系統(tǒng)供種裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)變量播種(圖13)，可通過(guò)控制終端實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速。MICHIHISA[89]設(shè)計(jì)了變量播種與施肥控制系統(tǒng)，它基于處方圖利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制排種、排肥轉(zhuǎn)速，并與TTK-GPS導(dǎo)航技術(shù)配合實(shí)現(xiàn)變量播種、施肥。變量播種技術(shù)依賴于自動(dòng)控制、導(dǎo)航技術(shù)、決策分析、液壓和電控等多種技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)裝備在我國(guó)尚處于發(fā)展階段，應(yīng)加快研究進(jìn)程以適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展需要。

5 油菜精量播種技術(shù)難點(diǎn)分析與發(fā)展趨勢(shì)

加拿大和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的油菜機(jī)械化水平較高，該區(qū)域主要采用旱作一年一熟種植制度，土地幅員遼闊，多采用免耕精量播種或條播方式。中國(guó)油菜種植區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江流域，具有一年多熟種植制度、土地分散、地塊狹小和土壤黏重板結(jié)等典型特征[90]，國(guó)外的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械難以推廣應(yīng)用。因此，研制適合中國(guó)油菜種植區(qū)國(guó)情的精量聯(lián)合直播機(jī)，突破油菜播種過(guò)程中排種、開(kāi)畦溝和廂面平整等關(guān)鍵環(huán)節(jié)尤為重要，同時(shí)與農(nóng)業(yè)信息、導(dǎo)航等技術(shù)配合成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。

5.1 油菜精量播種技術(shù)難點(diǎn)與問(wèn)題

(1)中國(guó)冬油菜種植區(qū)域多樣、作業(yè)工況復(fù)雜。長(zhǎng)江流域油菜種植區(qū)除江漢平原、黃淮海平原地區(qū)規(guī)?；N植外，絕大多數(shù)為分散種植，經(jīng)營(yíng)規(guī)模小[91]，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)。前茬大多為水稻，聯(lián)合收獲機(jī)收獲后留茬高度和秸稈量較高，土壤黏重板結(jié)，同時(shí)油菜最佳播期9月中旬—10月中旬降雨較多，土壤含水率較高，增加了油菜機(jī)械化播種的難度。

(2)多熟制區(qū)域油菜精量播種的種床播深穩(wěn)定性和通過(guò)性要求高。目前油菜精量播種的土壤工作部件作業(yè)性能的穩(wěn)定性和適應(yīng)性較差。油菜為忌水作物，保證廂面平整和畦溝溝型的穩(wěn)定以提供良好的種床，其播種深度控制技術(shù)是保證成苗率高的關(guān)鍵；同時(shí)，由于水旱輪作造成土壤黏重、含水率差異大(15%～45%)，土壤工作部件直接與土壤接觸，需要適應(yīng)不同含水率尤其是高含水率并具備防纏草防黏附性能。目前，開(kāi)畦溝、種溝和廂面平整裝置亟需深化研究，以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。

(3)油菜精量播種標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)?；a(chǎn)的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)融合需要進(jìn)一步強(qiáng)化。我國(guó)各地油菜種植自然條件差異大，油菜播種期和收獲期差異大，尤其在氣候類型、油菜品種、栽培制度和栽培技術(shù)等方面呈現(xiàn)多樣化，這給油菜機(jī)械化播種帶來(lái)很大難度。目前研究涉及種植密度和播期等方面[92-95]，與機(jī)械化播種結(jié)合的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

5.2 油菜精量播種發(fā)展趨勢(shì)

(1)發(fā)展油菜種植環(huán)節(jié)的規(guī)?；?jīng)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)高效率精量播種。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力缺失及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程需要，我國(guó)土地經(jīng)營(yíng)方式已經(jīng)向適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變。通過(guò)試點(diǎn)示范，為規(guī)?；?jīng)營(yíng)農(nóng)戶或合作社提供高速、寬幅、高效精量播種機(jī)，引導(dǎo)農(nóng)戶開(kāi)展規(guī)?；N植油菜，通過(guò)節(jié)本增效創(chuàng)收。因此，以正負(fù)氣壓組合式排種器、氣力滾筒式集排器和氣送式集排器等為核心的油菜精量排種器將成為精量播種技術(shù)的重要支撐。

(2)研發(fā)油菜播種作業(yè)的新型降附減阻技術(shù)，提高播種作業(yè)的通過(guò)性和適應(yīng)性。鑒于長(zhǎng)江流域油菜種植區(qū)種植模式和作業(yè)工況，發(fā)展降阻減黏防堵技術(shù)有利于降低功耗和提高土壤工作部件適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)土壤工作部件表面改性和表面改形等方法[96]，減小土壤工作部件與土壤間的接觸應(yīng)力，有效解決土壤工作部件粘附問(wèn)題[97]，降低作業(yè)功耗[98]。

(3)油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的多學(xué)科結(jié)合，解決農(nóng)機(jī)農(nóng)藝與農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)融合。優(yōu)選適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的油菜良種，油菜機(jī)械化收獲對(duì)油菜植株株型、分枝和成熟均勻度等有一定要求[99]，機(jī)械化播種種植密度應(yīng)與之相適應(yīng)。同時(shí)，應(yīng)規(guī)范各區(qū)域油菜栽培模式及輪作模式種植要求，如標(biāo)準(zhǔn)化播種行距[100]、前茬留茬高度[101]和秸稈還田方式[102-103]等內(nèi)容，有利于標(biāo)準(zhǔn)化油菜精量直播機(jī)械裝備參數(shù)和提高播種質(zhì)量，進(jìn)而提高成苗率。隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”等的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、精細(xì)作業(yè)技術(shù)與智能裝備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等綜合應(yīng)用于作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和播種機(jī)械裝備控制方式、播量檢測(cè)、系統(tǒng)決策和變量播種執(zhí)行等環(huán)節(jié)[104]，有效提高資源利用率和工作效率。實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的深度融合，能有效提高播種機(jī)械的智能化水平，提高出苗的均勻性和成苗率，獲得理想的作物群體結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

油菜精量播種技術(shù)包含精量排種技術(shù)、種床整理技術(shù)和智能化技術(shù)等方面，精量排種技術(shù)提供均勻一致的種子流，是實(shí)現(xiàn)精量播種的基礎(chǔ)和核心；種床整理技術(shù)保證種溝和畦溝溝深一致，并提高廂面平整度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)播種深度一致和排灌水便捷，提高成苗率和免受漬害；自動(dòng)導(dǎo)航、漏播檢測(cè)和變量播種等智能技術(shù)將播種機(jī)械化向智能化方向推進(jìn)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高資源利用率，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著規(guī)模化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式轉(zhuǎn)變，油菜精量播種機(jī)械將成為主流發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段我國(guó)油菜精量播種技術(shù)根據(jù)農(nóng)戶實(shí)際需求，根據(jù)種植區(qū)域、種植制度和經(jīng)營(yíng)規(guī)模研發(fā)配套的精量播種機(jī)械。適應(yīng)高速、寬幅、高效和精量的氣力式精量排種技術(shù)、播深一致性調(diào)控技術(shù)和降阻減黏防堵的耕整地技術(shù)是我國(guó)油菜精量播種技術(shù)的研究重點(diǎn)。加強(qiáng)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝和信息技術(shù)的深度融合，提高油菜播種機(jī)械裝備的智能化水平是提高播種質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度的必然選擇。

1 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所. 2016年中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化年鑒[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

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ResearchProgressofPrecisionSeedingforRapeseed

LIAO Qingxi1,2LEI Xiaolong1,3LIAO Yitao1,2DING Youchun1,2ZHANG Qingsong1,2WANG Lei1,2

(1.CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China2.KeyLaboratoryofAgriculturalEquipmentinMid-lowerYangtzeRiver,MinistryofAgriculture,Wuhan430070,China3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China)

Rapeseed is an important oil plant in China. Precision seeding technology is an important method to decrease the costs and increase the efficiency of mechanical and scale operation for rapeseed and is also the important and difficult research point for rapeseed full mechanization. The planting status and main seeding equipments of rapeseed at home and abroad were concluded. The research status and development tendency for the key seeding technologies including precision seeding, seedbed preparation and intelligent seeding, were analyzed. Precision seeding technology, as the basic and key aspect for precision seeding, included one-row and centralized seeding technologies, according to different structure and principle of seeding device. The factor to affect the stability of seeding depth and furrow depth for rapeseed planting and the method to ensure the seeding depth, furrow depth and seedbed surface flatness were studied. The intelligent technologies for rapeseed sowing were consisted of technology of loss sowing detection and variable reseeding, automatic navigation and variable sowing. Moreover, the conclusion and prospection for the planting characteristics and development trend were provided from following three aspects: firstly, the precision seeding technology had the performance with high speed, wide work breadth, high efficiency and precision seeding; secondly, the technology to control the seeding depth, the tillage technology to reduce resistance and adherence were the research focus for improving rapeseed seedling rate and protecting seedlings from waterlogging; thirdly, combined agricultural machinery, agronomy and information technology is benefit to population structure and yield. Technologies of loss sowing detection and variable reseeding, automatic navigation and variable sowing promote the intelligent level of rapeseed planter and improve the intelligent development for rapeseed sowing.

rapeseed； precision seeding； pneumatic seeding technology； sowing depth’s consistency

S223.2+3

A

1000-1298(2017)09-0001-16

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.001

2017-08-02

2017-08-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575218)、國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)體系專項(xiàng)(CARS-13)、農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2016ABA094)

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備等研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn