一種新的水稻種植技術(shù)及其裝備設(shè)計(jì)

朱錚濤　張彬　劉德桃　陳益民　黎勉

摘要 針對(duì)傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)中存在的問題，提出了一種新的水稻種植方法，在工廠將優(yōu)選的水稻種子按照實(shí)際種植間距播種到專用的紙膜上，形成水稻種子膜，水稻種植窗口期利用專用的鋪膜機(jī)將水稻種子膜鋪設(shè)到田間。該技術(shù)具有防草、有效利用秸稈、設(shè)備利用率高、改善田間通風(fēng)環(huán)境、節(jié)省種子、用高精度機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種等特點(diǎn)。圍繞這一新方法，對(duì)生產(chǎn)種子膜的設(shè)備進(jìn)行了研究，完成了送膜機(jī)構(gòu)、供土機(jī)構(gòu)、點(diǎn)種機(jī)構(gòu)、噴膠機(jī)構(gòu)和覆膜機(jī)構(gòu)的原理性設(shè)計(jì)。原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)室研究和種子膜的田間試種，證實(shí)了水稻種子膜技術(shù)的可行性。

關(guān)鍵詞 水稻種植;水稻種子膜;點(diǎn)種;噴膠;覆膜

中圖分類號(hào) S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2020）22-0206-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.22.055

A New Rice Planting Technology and Its Equipment Design

ZHU? Zheng-tao1， ZHANG? Bin2，LIU? De-tao3 et al

（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006; 2.Rice Institute， Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou， Guangdong 510640; 3.South China University of Technology，Guangzhou， Guangdong 510640）

Abstract In view of the problems existing in traditional rice production， a new rice planting method was proposed， in which the optimized rice seeds were sown on a special paper according to the actual planting spacing in the factory to form a rice seed membrane. During the rice planting window period， the rice seed membrane was laid in the field by a special membrane-laying machine. The technology had the characteristics of grass control， effective use of straw，high equipment utilization rate， improving field ventilation environment， saving seeds， realizing accurate sowing with high-precision mechanical equipment and so on.Centering on this new method， this paper made a related research on the equipment for producing seed membrane， and completed the principle design of membrane feeding mechanism，soil supply mechanism，dibbling mechanism， glue spraying mechanism and membrane mulching mechanism. The laboratory study of the principle prototype and the field trial of seed membrane proved the feasibility of rice seed membrane technology.

Key words Rice planting;Rice seed membrane;Dibbling;Glue spraying;Membrane mulching

作者簡介 朱錚濤（1967—），男，江蘇啟東人，副教授，博士，從事視覺檢測技術(shù)和水稻種植機(jī)械研究。

收稿日期 2020-01-04

目前，傳統(tǒng)水稻種植方式仍然以直播、插秧以及拋秧為主。水稻直播中的旱直播與水直播都可以采用機(jī)械化方式。插秧和拋秧可以采用手工及機(jī)械兩種技術(shù)[1]。我國水稻種植區(qū)域廣，但種植面積小且相對(duì)分散，水稻種植窗口期短，我國水稻用機(jī)械設(shè)備利用率低且使用面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)國家。水稻機(jī)械化種植水平較高的國家有美國、澳大利亞、日本、意大利和韓國等[2]。美國是最早實(shí)現(xiàn)水稻機(jī)械化種植的國家之一，目前已實(shí)現(xiàn)100%的水稻機(jī)械化直播。20世紀(jì)90年代，日本開發(fā)了很多種水、旱直播機(jī)，近些年又開發(fā)了環(huán)保型直播機(jī)，利用廢報(bào)紙、舊報(bào)紙（或再生紙膜）作為覆蓋膜[3]，幫助遮擋直射陽光，防止水分蒸發(fā)，保水保墑，減緩雜草生長，之后紙膜逐漸分解融入土壤。韓國農(nóng)業(yè)機(jī)械化是在20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來的，旱直播大多采用小麥播種機(jī)，將原先的條播改為開溝壟條播加鎮(zhèn)壓（或覆土），并在原來耕播機(jī)器上連接一個(gè)鎮(zhèn)壓器和一個(gè)開溝器（或覆土器）。韓國LG公司研制的水稻直播機(jī)采用四輪驅(qū)動(dòng)的插秧機(jī)底盤[4]，排種器為可調(diào)的對(duì)插齒形槽輪式。我國水稻的種植區(qū)域非常廣泛，但機(jī)械化種植水平較低，與其他作物的種植機(jī)械化程度有明顯差距。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士開展了水稻精量穴播技術(shù)與機(jī)具、水田精準(zhǔn)平整技術(shù)與機(jī)具、 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)與裝備、農(nóng)業(yè)航空關(guān)鍵技術(shù)、農(nóng)情信息獲取關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究，首創(chuàng)同步開溝起壟施肥水稻精量穴直播技術(shù)體系[5-6]，成功研制了具有國際領(lǐng)先水平的水稻精量穴直播機(jī)和水田激光平地機(jī)，在國內(nèi)首次成功研制無人駕駛水稻拖拉機(jī)、插秧機(jī)和直播機(jī)。筆者在總結(jié)現(xiàn)有水稻種植方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了水稻種子膜的思想，在工廠車間對(duì)特殊紙膜實(shí)施水稻直播。在水稻種植窗口期，將種子膜鋪設(shè)到田間，實(shí)現(xiàn)水稻種植。

1 水稻種子膜種植技術(shù)

水稻種子膜是一種按照實(shí)際種植間距排列水稻種子的專用紙膜，水稻種子膜種植技術(shù)包括基于水稻種子膜的新型水稻種植工藝及加工制造種子膜的農(nóng)機(jī)裝備。與傳統(tǒng)水稻種植技術(shù)相比，基于水稻種子膜技術(shù)的水稻種植具有如下優(yōu)勢(shì)。

1.1 專用紙膜解決了秸稈再利用問題

隨著人民生活水平和生活方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)村柴火灶越來越少，科學(xué)、有效地實(shí)現(xiàn)秸稈還田，能夠提高土壤肥力、改善土壤物理性質(zhì)和提高微生物活性[7]，避免田間焚燒帶來的環(huán)境污染。以秸稈為原料、利用特殊工藝制成的底膜和面紙，起著承載種子的作用，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，可以控制溶解的時(shí)間。底膜位置特殊的工藝孔不影響出苗，溶解的紙膜對(duì)土質(zhì)也不造成影響。

1.2 專用紙膜有效解決了水稻田間除草問題

長期依靠除草劑進(jìn)行水稻田間除草，對(duì)稻田土壤質(zhì)量的影響不好。4～7 d 腐爛的面紙可防止鳥類、蝸牛等種子的天敵，40～60 d腐爛的底膜可使草種早期見不到陽光，后期沒有辦法與稻秧爭陽光和肥料，使草種不能快速生長，從而解決了水稻田間除草問題。

1.3 種子膜的車間化生產(chǎn)提高了農(nóng)機(jī)的利用率

傳統(tǒng)水稻種植窗口期短，水稻作業(yè)機(jī)械僅在水稻播種和收割階段使用，成本高，利用率低，限制了企業(yè)研制水稻農(nóng)機(jī)的積極性[8]。車間化的種子膜生產(chǎn)加工機(jī)器作業(yè)環(huán)境好，改良后的種子膜可以保存3個(gè)月以上，提高了水稻農(nóng)機(jī)的使用率，降低了使用成本。

1.4 種子膜技術(shù)使播種率大大提高

在種子膜生產(chǎn)線上，通過增加漏種檢測和補(bǔ)種裝置，保證了實(shí)際行列位置都有指定數(shù)量的種子顆粒。整齊劃一的行列保證了田間的通風(fēng)，有利于后續(xù)水稻的生長。同時(shí)，精準(zhǔn)點(diǎn)種減少了每公頃需要的種子數(shù)，加上后續(xù)的緩釋肥技術(shù)，節(jié)省了水稻的種植成本。

2 種子膜生產(chǎn)線原理

加工水稻種子膜的設(shè)備原理框圖見圖1。具體工作過程包括由送膜機(jī)構(gòu)輸送底膜，在紙膜傳送過程中復(fù)合肥料（膨潤土混合農(nóng)家肥、有機(jī)礦物質(zhì)等）經(jīng)攪拌、打散、篩選后，均勻地鋪在運(yùn)動(dòng)的底膜上，然后通過2個(gè)滾輪壓制成2 mm左右厚的復(fù)合肥料層。利用壓印滾輪，在復(fù)合肥料層上壓印出等間隔、等行距的圓形印痕作為容種槽。印痕中心通過噴膠機(jī)構(gòu)噴上適量膠水，固定種子和后續(xù)覆膜。紙膜前行通過點(diǎn)種機(jī)構(gòu)完成精準(zhǔn)的定量下種。點(diǎn)種機(jī)構(gòu)每次選取1～2粒種子，在印痕中心位置準(zhǔn)確下種。沿著下種的位置，由覆膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行覆膜，烘干后由收卷機(jī)構(gòu)卷成卷，以便運(yùn)輸和存放。

3 種子膜加工機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水稻覆膜栽培技術(shù)

目前水稻覆膜栽培用的薄膜主要用來防止雜草的生長。在水稻種植過程中，無論是旱作還是水栽，在稻田內(nèi)均有雜草與水稻伴生。這些雜草的根莖和球莖的繁殖再生能力極強(qiáng)，常與水稻爭奪水分及養(yǎng)分，并影響其通風(fēng)透光、寄生病菌和害蟲等。田間清理雜草是水稻正常生長發(fā)育的基本保障?；瘜W(xué)除草不僅影響水稻生長，而且污染環(huán)境，不符合綠色食品生產(chǎn)要求。采用覆膜技術(shù)栽培水稻，可在不使用除草劑的情況下，有效抑制田間雜草，解決水稻除草問題，同時(shí)具有提高田間管理水平、改善土壤耕作環(huán)境等作用，滿足綠色水稻的種植要求[9]。

3.2 復(fù)合肥料水稻栽培技術(shù)

水稻種植過程中，土壤對(duì)植株的生長有著至關(guān)重要的影響，其中土壤的肥力決定了水稻的產(chǎn)量。傳統(tǒng)的種植方式由于直接在稻田中施肥，很容易造成肥料流失。肥料的利用率不高，增加了種植成本。

緩釋復(fù)合肥料為水稻提供了養(yǎng)分。緩釋肥具有鎖住肥力的能力。種植前期還可以在復(fù)合肥料中加入種子生長需要的抗生素，以提高種子發(fā)芽率及成活率[10]。緩釋肥顆粒按照種子根系的生長規(guī)律布置在種子不同的半徑范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)按需釋放，精準(zhǔn)施肥。

3.3 氣吸式點(diǎn)種機(jī)構(gòu)

播種精度影響播種的均勻性、空穴率、穴粒數(shù)、可調(diào)節(jié)的粒距及行距等。氣吸式點(diǎn)種機(jī)構(gòu)可以控制氣壓、吸嘴直徑、吸頭數(shù)目，結(jié)合后續(xù)的漏種檢測機(jī)構(gòu)，控制有效的穴粒數(shù)。

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括送膜機(jī)構(gòu)、供土機(jī)構(gòu)、點(diǎn)種機(jī)構(gòu)、噴膠機(jī)構(gòu)、覆膜機(jī)構(gòu)等。

3.4 送膜機(jī)構(gòu)的原理

考慮到水稻栽培用底膜不能承受較大的外加張力，因而選用帶式傳送的方式。張緊裝置采用三輥式，可以根據(jù)傳送的速度來調(diào)節(jié)輥的位置，控制傳送時(shí)的張力。底膜傳送機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.5 供土機(jī)構(gòu)的原理

供土機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3如示。底膜土料經(jīng)料斗進(jìn)入工作倉，工作倉中的工作螺桿旋轉(zhuǎn)將倉內(nèi)的土料定量排出。排出的土料落入到下方的傳送帶，凸輪往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的刮板在傳送帶一定高度上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，土料經(jīng)刮板作用，覆蓋寬度接近底膜寬幅。在傳動(dòng)帶盡頭下方設(shè)置振動(dòng)篩，帶有一定黏度的土料經(jīng)振動(dòng)打散，均勻地落在底膜上。

3.6 點(diǎn)種機(jī)構(gòu)的原理

點(diǎn)種機(jī)構(gòu)選用氣力滾筒式方案[11]，工作原理如圖4所示。容種輪作為動(dòng)輪滾動(dòng)，容種齒的底部小孔分別與正、負(fù)壓氣室相連通。工作時(shí)，動(dòng)輪圍繞空心軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過料斗時(shí)，在負(fù)壓吸力的作用下，種子進(jìn)入容種腔，轉(zhuǎn)至出料口，依靠自重及正壓的作用，將容種槽內(nèi)的種子排入下方的底膜空穴中，完成水稻種子的定量精準(zhǔn)播種。

3.7 噴膠機(jī)構(gòu)的原理

噴膠裝置中的液體由混有農(nóng)藥的膠水組成，其中膠水起到定位水稻種子及后續(xù)覆膜粘貼的作用，農(nóng)藥可以防止病蟲害。噴膠機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。利用膠水的自重，打開單向氣閥，將膠水不斷補(bǔ)充進(jìn)儲(chǔ)料缸;減壓后的壓縮空氣在電磁氣閥接通時(shí)作用在儲(chǔ)料缸的上部，便于將膠水壓入噴膠口。左右兩種噴頭在柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)和定量噴膠的功能。

3.8 覆膜機(jī)構(gòu)工作原理

在點(diǎn)種后的底膜上進(jìn)行覆膜，不僅能對(duì)儲(chǔ)存及運(yùn)輸過程中的種子起到保護(hù)作用，而且當(dāng)種子膜鋪在地上，種子發(fā)芽前可以防止種子因被鳥類、老鼠等吃掉而影響每公頃種苗數(shù)。覆膜機(jī)構(gòu)原理如圖6所示，鋪有復(fù)合土層的底膜，沿著種子的列方向噴涂了膠水，與張緊了的上膜實(shí)現(xiàn)貼合、壓實(shí)。

覆膜后的種子膜最后經(jīng)過烘干、收卷，在一定的條件下儲(chǔ)存，播種時(shí)利用專用的鋪膜機(jī)實(shí)施田間播種。

4 結(jié)論

筆者提出了一種新型水稻種植技術(shù)，并設(shè)計(jì)了種子膜加工設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。利用人工制膜并種植的方法，試驗(yàn)田試種結(jié)果表明種子出苗率不低于田間直播，防草效果非常好，且水稻排布行列整齊，作業(yè)環(huán)境的改善可以提高機(jī)械的加工精度，每穴按需點(diǎn)種，減少人工，節(jié)約種子，由此可見水稻種子膜技術(shù)具有廣闊的市場前景。

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