水稻智能化育秧與雜交稻精準(zhǔn)播種機(jī)插技術(shù)進(jìn)展

王亞梁 朱德峰 張玉屏 陳惠哲

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310006；第一作者：wangyaliang@caas.cn；*通訊作者：cnrice@qq.com）

水稻是我國主要的糧食作物，水稻產(chǎn)量安全對保障國家糧食安全具有十分重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，從事水稻生產(chǎn)的勞動力數(shù)量大幅下降，水稻生產(chǎn)從小規(guī)模散戶生產(chǎn)向大面積規(guī)?；a(chǎn)轉(zhuǎn)變，水稻生產(chǎn)社會服務(wù)化水平不斷提升[1]。水稻生產(chǎn)機(jī)械化是規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)，其中水稻機(jī)插種植是保障水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要技術(shù)措施。我國水稻機(jī)插種植技術(shù)引自日本，2000 年以來開始大面積推廣，其中北方稻區(qū)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)插，而南方稻區(qū)由于育供秧規(guī)?；潭鹊?，加上地理環(huán)境等因素，機(jī)插比例不高[2]。由于農(nóng)村勞動力的減少，對水稻機(jī)插生產(chǎn)過程提出了機(jī)器換人的要求，結(jié)合目前數(shù)字化人工智能的發(fā)展，稻作發(fā)展逐步走向智能化[3-4]。水稻機(jī)插關(guān)鍵環(huán)節(jié)是育秧，隨著農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體水稻生產(chǎn)合作社的興起，水稻生產(chǎn)規(guī)模化程度逐步提高，育供秧技術(shù)模式的變化加快了水稻機(jī)插種植的步伐[5]。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的水稻機(jī)插種植，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套。在我國，目前機(jī)插技術(shù)的瓶頸在雜交稻的機(jī)插，雜交稻播種量高、生產(chǎn)成本高、秧苗素質(zhì)較差、機(jī)插苗數(shù)不均、返青慢，抑制了雜交稻的產(chǎn)量優(yōu)勢[6]。播種量低，則成毯較難，漏秧率高。中國水稻研究所首創(chuàng)雜交稻精準(zhǔn)播種機(jī)插技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低播量下高質(zhì)量均勻機(jī)插[7]。育秧工廠的推廣應(yīng)用，精準(zhǔn)播種技術(shù)的突破，無人插秧機(jī)的出現(xiàn)，初步實(shí)現(xiàn)了水稻育插秧智能化作業(yè)。同時，水稻生長診斷技術(shù)不斷提升，實(shí)時評估產(chǎn)量及稻米品質(zhì)[8-9]，逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥和灌排水自動化監(jiān)測[10-11]，水稻機(jī)插種植逐步實(shí)現(xiàn)智能化。文章綜述了水稻智能化育插秧生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展，以為水稻機(jī)插種植數(shù)字化、智能化發(fā)展提供參考。

1 水稻育秧工廠的回顧

水稻機(jī)插育秧模式經(jīng)歷泥漿小棚育秧、旱地大棚育秧、溫室育秧、疊盤出苗育秧。育秧播種也經(jīng)歷人工播種、自動播種、播種流水線播種。育秧土經(jīng)歷大田泥漿、旱地土及專用基質(zhì)。早期應(yīng)用的泥漿育秧、人工播種逐步退出產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。水稻機(jī)插基質(zhì)育秧和播種流水線播種逐步成為主流在生產(chǎn)上應(yīng)用。目前水稻育秧方式還是以撒播為主，按照育秧空間可以分為拱棚育秧、大棚育秧、多層育秧、旋轉(zhuǎn)育秧，但是其空間利用率并不是很高。在南方為了降低育秧風(fēng)險及提高育秧的靈活性，創(chuàng)新了工廠化疊盤出苗的育秧方式，實(shí)現(xiàn)了工廠化出苗、農(nóng)戶育秧的靈活育秧方式。北方由于氣候環(huán)境的限制以及作業(yè)方式的不同，育秧還是以大棚軟盤育秧為主，主要以自動軌道播種機(jī)播種大面積應(yīng)用。由于北方利用軟盤育秧，便于運(yùn)輸，秧苗買賣方便，萌發(fā)了育秧工廠，之后進(jìn)一步發(fā)展到南方。然而由于空間較大，育秧成本高，播種、秧盤搬運(yùn)等環(huán)節(jié)都需要人工進(jìn)行，在疊盤出苗方式出現(xiàn)以前，規(guī)?；淼男时容^低。

疊盤出苗技術(shù)的出現(xiàn)解決了水稻機(jī)插秧苗質(zhì)量差、育秧風(fēng)險大、育秧能力低的問題，研發(fā)了水稻機(jī)插疊盤出苗的育秧模式[12]，進(jìn)而進(jìn)入工廠化育秧模式。該模式的特點(diǎn)是將水稻機(jī)插育秧過程分為二段，第一段從播種到出苗，第二段從出苗到成秧。播種到出苗是育秧中技術(shù)和裝備要求高、控制難度和風(fēng)險較大的環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)可以在工廠中完成，智能檢測和控制的重點(diǎn)是秧盤、基質(zhì)和水分自動供給，出苗室溫濕度的自動檢查和控制。秧盤運(yùn)送到出苗室后，出苗室的溫濕度可以自動檢測、控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。已在主要稻區(qū)建立多個自動化、智能化水稻疊盤出苗育秧中心，大幅提升了育秧能力、秧苗質(zhì)量，降低了育秧成本和風(fēng)險，提高了水稻產(chǎn)業(yè)智能化水平，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。與疊盤出苗育秧模式配套，研發(fā)了第二段出苗到成秧的多種育秧模式，形成水稻“1+N”的兩段式育供秧模式（圖1）。經(jīng)過多年的發(fā)展，疊盤育秧工廠由原先只有出苗室，服務(wù)面積只有333.3 ～666.7 hm2發(fā)展到目前的服務(wù)面積達(dá)到3 333.3 hm2以上，配套了智能化的作業(yè)方式，形成了新型的智能化育秧工廠。

圖1 疊盤出苗“1+N”兩段式育供秧模式

2 水稻智能化育秧工廠的設(shè)計

水稻機(jī)插質(zhì)量的關(guān)鍵是秧苗的質(zhì)量，育秧效率及秧苗質(zhì)量決定了機(jī)插秧的發(fā)展。機(jī)插育秧技術(shù)要求高、用工多、風(fēng)險大。自從水稻機(jī)插技術(shù)研發(fā)以來，各國一直致力于育秧模式、裝備和技術(shù)的機(jī)械化、自動化和智能化研究與應(yīng)用。

水稻智能化育秧工廠的核心是疊盤出苗室，由此出發(fā)，智能化育秧工廠從第一代出苗暗室工廠發(fā)展到現(xiàn)在自動化、智能化水稻疊盤出苗育秧中心，從浸種、自動供盤、播種、澆水、基質(zhì)供給、疊盤及機(jī)械手秧盤碼垛，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)秧盤運(yùn)送的機(jī)械化、自動化和智能化。按照育秧流程，智能化的育秧工廠由浸種池、離心機(jī)、播種流水線、基質(zhì)提升機(jī)、供盤機(jī)、疊盤機(jī)、垛碼機(jī)器人、出苗室、鍋爐房、溫濕度控制器、叉車等部分組成。目前，各環(huán)節(jié)都已經(jīng)有了較大的改變，浸種池由原先的水泥池發(fā)展到現(xiàn)在的可折疊噸袋浸種，節(jié)省了空間；離心機(jī)減少了大批量種子浸種催芽的時間；基質(zhì)、供盤機(jī)、疊盤機(jī)以及垛碼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了播種完全的無人化；出苗室的溫濕度控制是利用鍋爐房和溫濕度控制器進(jìn)行的，鍋爐房的作用是進(jìn)行增溫增濕，溫濕度控制器已經(jīng)遠(yuǎn)程監(jiān)測，保證出苗室的溫度維持在出苗溫度31℃～32℃。在育秧工廠，目前還需要人的地方在于出苗室的育秧出苗后的叉車搬運(yùn)，以及基質(zhì)的叉車搬運(yùn)，還沒有實(shí)現(xiàn)完全的無人化作用。

在水稻專用基質(zhì)生產(chǎn)中，采用智能化基質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)，從配料、混合、包裝、碼垛實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動化和智能化作業(yè)，提高了基質(zhì)生產(chǎn)過程的作業(yè)效率、精準(zhǔn)配料、遠(yuǎn)程監(jiān)控，為包裝育秧基質(zhì)的質(zhì)量控制提供了保障。在水稻機(jī)插育秧中一直制約秧苗質(zhì)量的是傳統(tǒng)的播種育秧模式，水稻機(jī)插育秧過程中常出現(xiàn)出苗差、不整齊、發(fā)病嚴(yán)重、爛種爛秧、秧苗不壯等問題。

水稻秧盤基質(zhì)育秧需要采用旱育秧方式，確保培育健壯的秧苗，提高機(jī)插質(zhì)量。傳統(tǒng)采用人工澆水、噴灌，很難控制秧盤基質(zhì)含水量及水分的均勻性。采用大盤低壓雙側(cè)或中間多角度微噴帶，確保每個秧盤基質(zhì)水分均勻。微噴帶的噴灌噴水時間、噴水量由基質(zhì)濕度監(jiān)測自動控制，確保秧盤水分處于適宜秧苗及其根系生長的環(huán)境。大棚溫度根據(jù)秧苗生長期間的要求及大氣環(huán)境溫度，自動溫度檢控。育秧期間大棚溫度及秧盤水分的自動監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水稻育秧管理智能化。

3 雜交稻精準(zhǔn)播種機(jī)插

雜交稻產(chǎn)量高，面積占我國水稻種植面積的50%以上，對保障國家糧食安全發(fā)揮著重要作用。然而，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，水稻種植方式從手工插秧向機(jī)械化種植發(fā)展，要求雜交稻機(jī)械化種植?，F(xiàn)有的水稻機(jī)插秧技術(shù)采用秧盤撒播，播種量大、秧苗質(zhì)量差、機(jī)插漏秧率高、機(jī)插苗數(shù)不均勻、插后返青較慢，在雜交稻上應(yīng)用用種量大，產(chǎn)量效益不高，很難發(fā)揮雜交稻的增產(chǎn)潛力。如果降低雜交稻播種量，則會造成成毯性差無法機(jī)插，且漏秧率高，人工補(bǔ)苗成本高。雜交稻種植要求稀播少本，現(xiàn)有日本研發(fā)的機(jī)插技術(shù)無法解決雜交稻機(jī)插的核心問題。雜交稻種子價格高，機(jī)插高播種量，用種量大，種子成本高，且秧苗質(zhì)量差，制約了雜交稻的生長優(yōu)勢。長期以來，沒有解決雜交稻機(jī)插問題成為雜交稻進(jìn)一步推廣的技術(shù)瓶頸。中國水稻研究所首創(chuàng)雜交稻精準(zhǔn)播種機(jī)插技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)雜交稻稀播少本種植。雜交稻精準(zhǔn)播種改傳統(tǒng)機(jī)插秧盤撒播為精準(zhǔn)穴播或條播，利用氣吸式的播種方式（圖2），改傳統(tǒng)機(jī)插播種按秧盤的種子克數(shù)播種為按機(jī)插叢的種子粒數(shù)播種，改傳統(tǒng)機(jī)插播種種子隨機(jī)撒播為種子定位定量精準(zhǔn)播種（圖3）。雜交稻精準(zhǔn)播種流水線包括秧盤自動供盤、基質(zhì)自動上料、秧盤底土鋪放、秧盤定位壓穴或條、秧盤定位定量氣吸播種、定量覆土澆水。雜交稻精準(zhǔn)播種后，采用疊盤出苗技術(shù)，確保出苗整齊，成秧率達(dá)到80%以上，秧苗健壯。

雜交稻精準(zhǔn)播種與定量取秧機(jī)插配套，根據(jù)雜交稻種植品種類型和種植季節(jié)，確定每叢機(jī)插苗數(shù)和播種粒數(shù)，以及秧齡和每盤取秧次數(shù)。實(shí)現(xiàn)雜交稻播種機(jī)插精準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化。

與傳統(tǒng)秧盤撒播機(jī)插比較，雜交稻精準(zhǔn)播種機(jī)插技術(shù)播種量由70～80 g/盤下降到40～45 g/盤，每667 m2節(jié)省用種量35%左右，秧苗質(zhì)量大幅提高（表1）；機(jī)插漏秧率下降60%左右，機(jī)插秧苗均勻度提高80%，返青提早3～7 d，產(chǎn)量提高5%～10%。雜交稻播種量有效降低，精準(zhǔn)播種與機(jī)插配套，機(jī)插植傷小、漏秧率低、插苗均勻、插后返青快、增產(chǎn)增效顯著。

圖2 播種流水線及氣吸式播種器

圖3 雜交稻播種方式的轉(zhuǎn)變

圖4 漏秧率無人機(jī)監(jiān)測

表1 精準(zhǔn)播種與傳統(tǒng)播種用種量比較

4 水稻智能化機(jī)插

水稻機(jī)插存在機(jī)插漏秧、出苗不均勻、機(jī)插后部分插苗會出現(xiàn)死亡等問題。采用傳統(tǒng)人工方法調(diào)查，調(diào)查工作量大、效率低、精準(zhǔn)度不高，影響苗期管理。隨著無人機(jī)及大田苗數(shù)智能檢測技術(shù)的進(jìn)步，采用無人機(jī)苗數(shù)智能檢測技術(shù)可以動態(tài)檢測機(jī)插漏秧率（圖4）、機(jī)插苗數(shù)及插后成苗數(shù)，為苗期肥水管理提供基礎(chǔ)。水稻插秧機(jī)在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的支持下，可實(shí)現(xiàn)無人駕駛機(jī)插，提高了機(jī)插作業(yè)效率。但是水稻無人駕駛插秧機(jī)還是采用現(xiàn)有的秧苗，需要頻繁裝秧換秧，制約了無人插秧機(jī)的機(jī)插作業(yè)效率，需要改進(jìn)育秧方法和秧苗類型，進(jìn)一步發(fā)揮智能無人插秧機(jī)的效率和作用。

長期以來，水稻生產(chǎn)施肥采用人工撒施，肥料分布均勻度不高、利用率低、勞動強(qiáng)度大。近年來，發(fā)展推廣了水稻機(jī)插側(cè)深施肥技術(shù)，在機(jī)插的同時將肥料根據(jù)需求一次性定量、定位、均勻、深施在機(jī)插水稻側(cè)下方的泥土中。試驗(yàn)研究表明，水稻機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)具有顯著提高肥料利用率、促進(jìn)水稻前期營養(yǎng)生長、降低作業(yè)成本、提高水稻產(chǎn)量的特點(diǎn)。隨著土壤肥力及其與水稻生長和產(chǎn)量關(guān)系的研究進(jìn)展，傳統(tǒng)的機(jī)插側(cè)深施肥技術(shù)與水稻高效綠色發(fā)展的要求存在距離，近年在水稻機(jī)插側(cè)深施肥技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展水稻機(jī)插差異化施肥技術(shù)，在水稻插秧機(jī)上安裝土壤肥力監(jiān)測系統(tǒng)，在機(jī)插側(cè)深施肥的同時，根據(jù)插秧機(jī)感知土壤肥力的差異控制施肥量的多少。土壤肥力高的區(qū)域少施肥料，肥力低的區(qū)域多施肥料，肥料調(diào)整幅度達(dá)到30%左右。水稻機(jī)插差異化施肥降低了肥料用量，提高了肥料利用率，可以防止施肥過度引起的倒伏，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

5 展望

育秧工廠的智能化主要解決數(shù)據(jù)收集、處理和應(yīng)用三大問題，實(shí)現(xiàn)智能化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，目前在環(huán)節(jié)上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)育插秧過程完全機(jī)器換人。為了進(jìn)一步提升社會化服務(wù)的水平，今后智能化育秧工廠的發(fā)展要實(shí)現(xiàn)育秧、烘干、稻米加工的一體化作業(yè)，并對生產(chǎn)進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。水稻機(jī)插栽培技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟，根據(jù)產(chǎn)量及品質(zhì)的要求，育秧工廠要根據(jù)產(chǎn)量及品質(zhì)目標(biāo)，計算不同品種機(jī)插播種量、育秧時間、機(jī)插模式，以期更好的服務(wù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)育插秧的一體化作業(yè)。在數(shù)據(jù)處理問題的同時，提高目前裝備的智能化水平，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的終端控制，形成區(qū)塊鏈的作業(yè)模式，提升產(chǎn)品附加值，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈智慧化轉(zhuǎn)型。