黨參機(jī)械化播種技術(shù)及裝備概述

柏永祥，楊小平，石林榕，田劍峰，臧 金

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黨參，別名“條黨”，桔?？泣h參屬多年生草本植物，質(zhì)較軟而結(jié)實(shí)，斷面稍有裂隙，皮部黃百色，木部淡黃色，具有增強(qiáng)機(jī)體應(yīng)激能力、免疫功能、延緩衰老、抗?jié)?、抗腫瘤、升血糖和抑菌等作用。黨參多生長(zhǎng)于西藏東部、四川西部和甘肅東部等地區(qū)，其種子為橢圓形，其長(zhǎng)軸約為1.22 mm，短軸約為0.68 mm。黨參的種植可以采取育苗移栽法與種子直播法，育苗移栽法生長(zhǎng)周期較短，但會(huì)損傷根系，導(dǎo)致根芽腐爛，進(jìn)而引起缺苗現(xiàn)象。種子直播法生產(chǎn)周期長(zhǎng)(3～5年)，但其缺苗率低、作業(yè)效果好。

黨參在甘肅省渭源地區(qū)為主要經(jīng)濟(jì)作物，為了提高農(nóng)戶的收入，黨參機(jī)械化生產(chǎn)勢(shì)在必行，現(xiàn)在市場(chǎng)上針對(duì)黨參播種的機(jī)械設(shè)備較少，且基本是半機(jī)械化的移栽機(jī)械，存在效率不高、價(jià)格昂貴和作業(yè)穩(wěn)定性差等問題，黨參直播機(jī)械的研制問題亟待解決[1-3]。

1 播種機(jī)械的種類

播種機(jī)械根據(jù)其工作對(duì)象可分為移栽機(jī)械和直播機(jī)械。

1.1 移栽機(jī)

移栽機(jī)械[4-5]常用于水稻、棉花等小籽粒作物，主要由喂入器、導(dǎo)苗管、扶苗器、開溝器和覆土鎮(zhèn)壓輪等工作部件組成。當(dāng)前，比較成熟的栽植機(jī)構(gòu)包括鏈夾式、撓性圓盤式、行星齒輪式和多連桿式等，這些移栽機(jī)構(gòu)的栽植軌跡均為有環(huán)扣的余擺線，在平整地面上可以保證缽苗的栽植效果，但甘肅省黨參多種植在丘陵山區(qū)，地塊小、不平整，移栽機(jī)難以保證移栽的質(zhì)量。

移栽機(jī)工作時(shí)，經(jīng)人工分苗，將秧苗整齊放入到喂入器的喂入筒中，當(dāng)喂入筒轉(zhuǎn)到導(dǎo)苗管的上方時(shí)，喂入筒下面的閥門打開，秧苗靠自身重力下落到導(dǎo)苗管內(nèi)，通過傾斜的導(dǎo)苗管將秧苗引入到開溝器開出的苗溝里，秧苗在扶苗器的扶持下呈直立狀態(tài)，然后在開溝器和覆土鎮(zhèn)壓輪共同作用下完成覆土、鎮(zhèn)壓的栽植過程[6-8]。

1.2 直播機(jī)

直播機(jī)由排種器、種箱、開溝器、鎮(zhèn)壓輪、機(jī)架等機(jī)械部件組成，其中排種器是直播機(jī)的核心部件。排種器設(shè)計(jì)的合理性直接決定直播機(jī)的工作效果，根據(jù)排種器的工作方式，播種機(jī)分為機(jī)械式直播機(jī)、氣吸式直播機(jī)以及其他形式[9-10]。

表1 移栽機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1 機(jī)械式直播機(jī)

世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)直播機(jī)械是1636年在希臘被研制出來的機(jī)械式直播機(jī)，直到今天，機(jī)械式播種機(jī)使用量依然是最多的。根據(jù)排種器的特點(diǎn)，可以將機(jī)械式直播機(jī)分為指夾式、外槽輪式、窩眼輪式、圓盤式和勺式等播種形式，直播機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過動(dòng)力源帶動(dòng)其在田間行走，行走輪做勻速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)排種輪做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，種子經(jīng)排種輪進(jìn)入開溝器內(nèi)部，在重力的作用下均勻落在開溝器事先開好的溝槽內(nèi)，完成排種過程[11]。窩眼輪式排種器原理簡(jiǎn)單、播種精度高，改變窩眼輪形狀可以準(zhǔn)確控制排種量，適用于黨參的播種。

1.2.2 氣吸式直播機(jī)

氣吸式直播機(jī)是研究者在總結(jié)機(jī)械式直播機(jī)的不足后，經(jīng)過不斷改進(jìn)研制而成的，其工作原理是通過風(fēng)機(jī)不斷向排種器內(nèi)輸入風(fēng)力，在密閉的排種室內(nèi)形成負(fù)壓或者正壓空間，種子在排種室內(nèi)通過壓力的作用，被固定在排種盤上的窩眼內(nèi)隨排種盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)種子隨排種盤離開氣室后不再受氣壓的影響，依靠自身的重力作用落入由開溝器事先開好的溝槽內(nèi)完成排種作業(yè)，多余的種子則在刮種盤的作用下落回排種室內(nèi)[12-13]。氣吸式直播機(jī)的作業(yè)精度高，能適應(yīng)不規(guī)則形狀的種子，對(duì)種子的傷害較小，可以完成高速作業(yè)，但相比機(jī)械式來說，其適用于黨參種子的吸嘴制造工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，在成本增加的同時(shí)且不能保證播種作業(yè)效果。

1.2.3 其他形式

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者將多學(xué)科理論綜合運(yùn)用到直播機(jī)械的研究中去，對(duì)直播機(jī)進(jìn)行了新的探索，在傳統(tǒng)直播機(jī)的基礎(chǔ)上提出了許多新興的理論。

靜電播種是由日本學(xué)者提出的一種新型播種技術(shù)[14]。其工作原理是播種前對(duì)種子進(jìn)行處理，使其具有磁性，利用電磁鐵與磁性物質(zhì)間的吸附作用，將種子固定在排種盤上，工作時(shí)利用開關(guān)控制電源間接控制磁力的產(chǎn)生，完成排種工作。

流體播種技術(shù)是由英國學(xué)者最早提出的，其原理是將水、保水劑、農(nóng)藥、肥料、激素等按照預(yù)先設(shè)置好的比例配置成凝膠懸浮劑，將種子與懸浮劑混合，使種子可以均勻地分散在懸浮劑中[15]。播種時(shí)，通過懸浮液的均勻噴灑來達(dá)到精量播種的目的。該技術(shù)克服了小顆粒種子形狀小且不規(guī)則的難題，同時(shí)可以為種子的萌發(fā)提供必要的水分和肥料，該技術(shù)已經(jīng)開始在蔬菜和花卉的播種領(lǐng)域內(nèi)試用。

種子帶播種最先由日本學(xué)者提出，其工作原理是將種子預(yù)先按一定種距編入編織袋內(nèi)，再由專門開發(fā)的播種機(jī)械將編織袋平鋪在田間，覆蓋土壤[16-17]。這種播種技術(shù)可以保證播種的出苗率和均勻性，但種子入帶工序復(fù)雜，增加了成本，不適合于在甘肅小面積黨參種植地區(qū)使用。

2 黨參播種機(jī)械國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

相較于國內(nèi)的播種機(jī)械研究，歐美國家則起步較早，從20世紀(jì)40年代便開始研究播種機(jī)械，目前已經(jīng)研究出多款適應(yīng)不同地形以及播種需要的機(jī)型，并擁有多項(xiàng)自主專利，在播種機(jī)械的研究中處于國際領(lǐng)先水平。

2.1 國外移栽機(jī)

20世紀(jì)30年代，國外一些學(xué)者開始研究移栽機(jī)，20世紀(jì)50年代，第一臺(tái)半自動(dòng)移栽機(jī)問世，20世紀(jì)80年代，移栽機(jī)在歐美國家廣泛使用。經(jīng)過科研工作者的不斷努力、優(yōu)化，如今國外移栽機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常完善。

日本井關(guān)研制的PVHR2蔬菜移栽機(jī)如圖1所示，采用乘坐式作業(yè)，單程可以完成多行作業(yè)，避免了同一壟上反復(fù)插秧對(duì)田塊造成的損傷。其前輪裝有左右平衡裝置，通過左手調(diào)節(jié)手柄可以控制機(jī)體傾斜，增加機(jī)體的平穩(wěn)性，搭配升降傳感器，確保移栽的深度一致，以及移栽軌跡整齊。

圖1 日本關(guān)天的PVHR2

意大利Ferrari的FPA系列移栽機(jī)[20]如圖2所示，采用人工投苗的方式，最高移栽速度可以達(dá)到2 000 株/h，通用性好。隨著育苗技術(shù)的提高，工廠化育苗技術(shù)為自動(dòng)取苗的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，國外的移栽機(jī)邁向了全自動(dòng)、多功能的方向。

圖2 意大利Ferrari的FPA

洋馬YR60DZF高速乘坐式插秧機(jī)[21]如圖3所示，其動(dòng)力穩(wěn)定，控制臺(tái)設(shè)有水平控制裝置(UFO)，在作業(yè)時(shí)始終保持移栽臺(tái)水平，配有V型整地滾輪可以平整田地，穩(wěn)定插秧與施肥深度，同時(shí)減少水浪費(fèi)以及土塊對(duì)已插秧苗的影響。

圖3 洋馬YR60DZF

2.2 國外直播機(jī)

20世紀(jì)60年代歐洲以Gianni為代表的學(xué)者采用真空式原理研發(fā)出種子穴播排種器，開辟了一個(gè)針對(duì)小籽粒的精量穴播時(shí)代。Hudspeth和Wanjura共同設(shè)計(jì)的X行播種裝置的真空穴播排種器、Parish設(shè)計(jì)的垂直排種盤式排種器，均在不同程度上提高了播種效率[22-23]。美國大平園(Great Plains)公司自主研發(fā)的PS1572型懸掛式牧草播種機(jī)能夠完成牧草的精量播種[24]，其公司的精密排種器裝置可以精確地控制排種量，最小播種量可以控制在0.6 kg/hm3，作業(yè)寬度為1.8 m，每次作業(yè)行數(shù)最大為10行，行距為20 cm。工作過程中其可以精準(zhǔn)控制播種深度，同時(shí)其自帶的前后輪鎮(zhèn)壓設(shè)計(jì)，可細(xì)碎苗床，為種子創(chuàng)造良好的萌發(fā)環(huán)境。PS1572型懸掛式牧草播種機(jī)如圖4所示。

圖4 PS1572型懸掛式牧草播種機(jī)

美國滿勝(MONOSEM)公司研制的6行免耕播種機(jī)利用氣吸式排種盤，擁有獨(dú)特的調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)種子的大小、形狀調(diào)節(jié)風(fēng)量吸力和刮種器位置，平衡彈簧的設(shè)計(jì)可以有效減少機(jī)器行進(jìn)過程中的振動(dòng)沖擊，能適應(yīng)土質(zhì)較硬的田地，在可調(diào)節(jié)V型鎮(zhèn)壓輪的作用下使種子被土壤完全覆蓋，將機(jī)械與電子技術(shù)結(jié)合，在作業(yè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)視排種效果[25-26]。美國滿勝(MONOSEM)公司研制的6行免耕播種機(jī)如圖5所示。

圖5 6行免耕播種機(jī)

2.3 國內(nèi)移栽機(jī)

國內(nèi)移栽機(jī)械的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，主要以引進(jìn)國外先進(jìn)機(jī)型加以改進(jìn)為主，經(jīng)過研究者多年的努力，國內(nèi)已經(jīng)自主研制出一批適應(yīng)于我國國情的機(jī)型，20世紀(jì)80年代我國在蘇聯(lián)CP-6和CPH-4型移栽機(jī)的基礎(chǔ)上成功研制出半自動(dòng)移栽機(jī)。久保田農(nóng)業(yè)機(jī)械(蘇州)有限公司生產(chǎn)的久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧機(jī)如圖6所示，其通過配有的節(jié)能啟停手柄可以停止或者啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，減少能耗，防陷變速桿可以在泥腳較深的田塊保持穩(wěn)定的作業(yè)。

圖6 久保田2ZGQ-6H(NSPV-6CMD)高速插秧機(jī)

韋利波[27]等研制的甘草移栽機(jī)，結(jié)合了甘草移栽的農(nóng)藝要求，采用自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一次完成開溝、自動(dòng)分苗、送苗、栽苗、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，效率高，大大減少了甘草移栽過程中的人力消耗。甘草移栽機(jī)如圖7所示。

圖7 甘草移栽機(jī)1.開溝器；2.輸苗帶搜器；3.輸苗帶；4.滑道；5.移植器；6.機(jī)架；7.傳動(dòng)系統(tǒng)；8.地輪；9.覆土器；10.鎮(zhèn)壓輪

安徽博萊澤農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司研制出的博萊澤2ZB-4秧苗移栽機(jī)如圖8所示，該機(jī)型集覆膜、鋪滴灌管、鎮(zhèn)壓以及覆土等能力為一體，多種模式可以滿足不同地區(qū)的作業(yè)要求，采用行星齒輪回轉(zhuǎn)栽苗方式，傳動(dòng)可靠，維護(hù)方便。

圖8 博萊澤2ZB-4秧苗移栽機(jī)

2.4 國內(nèi)直播機(jī)

勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司自主設(shè)計(jì)的2BHS-2 型黃芪壟上撒播機(jī)[28]，在外槽輪型小麥排種器的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，能一次完成黃芪的播種開溝、施肥、排種和覆土作業(yè)。經(jīng)過田間試驗(yàn)證明：該機(jī)型能滿足黃芪壟上撒播作業(yè)的農(nóng)藝要求，作業(yè)效果好。已經(jīng)得到種植戶的認(rèn)可。2BHS-2 型黃芪壟上撒播機(jī)如圖9所示。

圖9 2BHS-2 型黃芪壟上撒播機(jī)1.排種器組合；2.調(diào)節(jié)手柄；3.輸種管；4.播種開溝器；5.連接桿組合；6.黃芪散種器組合；7.起壟鏵組合；8.拉板型覆土器組合；9.鎮(zhèn)壓器；10.施肥開溝器；11.驅(qū)動(dòng)輪；12.機(jī)架；13.排肥器；14.種肥箱組合

侯華銘[29]團(tuán)隊(duì)根據(jù)精量播種的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種傾斜圓盤式小籽粒精少量排種裝置，如圖10所示。該排種裝置可維持穩(wěn)定充種，依靠自身重力完成柔性清種，彈性推種器的設(shè)置可以清除少數(shù)卡在間隙內(nèi)的種子，確保種距。由于是柔性設(shè)計(jì)，可以有效避免種子損傷。

圖10 傾斜圓盤式小籽粒精少量排種裝置1.種箱；2.卸種孔；3.充種室；4.排種器殼體；5.充種孔；6.落雜孔；7.排種孔；8.排種槽；9.充種盤孔處凸臺(tái)；10.排種盤槽孔處凸臺(tái)；11.充種盤；12.殼體隔板；13.排種盤；14.排種盤上凸臺(tái)；15.排種器軸；16.滾動(dòng)軸承；17.落種孔；18.殼體內(nèi)凸緣；19.彈性推種器；20插板；21.充種盤下凸臺(tái)；22.進(jìn)種孔

劉曉東等[30]針對(duì)機(jī)械式排種器播種精度不足的問題設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了沉孔輪式排種器，如圖11所示。

圖11 沉孔輪式排種器1.開溝器；2.串孔；3.鏈條；4.主動(dòng)鏈輪；5.從動(dòng)鏈輪；6.種箱；7.毛刷；8.沉孔輪；9.定位卡；10.底座；11.串孔；12.覆土板

錢國鋒等[31]為了更好地提高機(jī)械式排種器的效率與精度，在傳統(tǒng)機(jī)械播種器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款偏心內(nèi)嵌式精量扎穴播種器，如圖12所示，有效改善了傳統(tǒng)播種方式阻力大、能耗高的問題。

圖12 偏心內(nèi)嵌式精量扎穴播種器1.主軸；2.型孔凹輪；3.存種腔；4.擺桿；5.扎穴臂外殼；6.防卡片；7.活塞腔；8.扎穴活塞；9.排種腔；10.清種毛刷；11.安裝架固定軸；12.回位彈簧

邢鶴琛團(tuán)隊(duì)[32]為滿足長(zhǎng)江地區(qū)小籽粒作物的播種要求，提高播種機(jī)械的作業(yè)效率、優(yōu)化播種機(jī)零件結(jié)構(gòu)并有效減少機(jī)械式播種機(jī)械易損傷種子和堵塞窩眼等問題，設(shè)計(jì)了一款斜錐型孔輪式集排器，如圖13所示，該排種器無需清種裝置與護(hù)種裝置，田間試驗(yàn)證明該排種器能滿足播種要求。

圖13 斜錐型孔輪式集排器

3 存在的問題

國內(nèi)的農(nóng)機(jī)研究起步較晚，大部分播種機(jī)械都是由國外引進(jìn)然后經(jīng)過二次改進(jìn)，缺乏針對(duì)我國國情的自主研發(fā)和創(chuàng)新的機(jī)械。當(dāng)前由國內(nèi)自主研發(fā)的小籽粒直播機(jī)型較少，在引進(jìn)國外技術(shù)和自主研發(fā)的過程中，存在以下問題亟待解決。

3.1 播種量難以控制

黨參種子的千粒重約為0.31 g，多呈不規(guī)則形狀，由于種子在運(yùn)輸過程中相互摩擦，產(chǎn)生靜電，相互粘結(jié)，一般排種盤上的型孔無法確保每穴播種量。

3.2 株距難以控制

由于黨參種子體積小、質(zhì)量輕，在下落過程中易受氣流干擾，使得種子在脫離排種器后無法落入預(yù)定區(qū)域，特別是高距離投種時(shí)，無法保證良好的株距。

3.3 規(guī)?；N植難以實(shí)現(xiàn)

國內(nèi)黨參的種植大多以小規(guī)模種植為主，尚未形成大規(guī)模、批量化種植的模式。然而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)現(xiàn)，規(guī)?；N植是首要條件，因此農(nóng)業(yè)種植規(guī)?；叫柽M(jìn)一步發(fā)展，與全程機(jī)械化作業(yè)相配合。

3.4 研發(fā)投入不足

近些年國內(nèi)科研工作者研究方向以大型農(nóng)機(jī)為主，對(duì)于小面積種植作物的播種機(jī)械研發(fā)投入不足，機(jī)械化程度低，使得現(xiàn)有個(gè)體農(nóng)戶仍然依靠傳統(tǒng)人工種植，造成了生產(chǎn)效率低下，人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此急需加大小面積、小籽粒播種機(jī)械的研發(fā)投入以適應(yīng)不同地區(qū)的種植模式。

4 展望

(1)隨著智能化技術(shù)不斷地發(fā)展，智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來越成熟，將其運(yùn)用到黨參直播機(jī)械上，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)播種過程中因黨參種子體積小、質(zhì)量輕而發(fā)生的重播和漏播問題，提高播種機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量。

(2)3D打印技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，在黨參直播機(jī)的窩眼設(shè)計(jì)時(shí)，采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)異型窩眼，可以制造出理想的窩眼輪，以便精確地控制黨參的播種量，提高黨參播種機(jī)械的性能。

(3)將播種作業(yè)與開溝、覆土、施肥、鋪膜等作業(yè)整合，實(shí)現(xiàn)多功能聯(lián)合作業(yè)。聯(lián)合作業(yè)可以減少機(jī)械下地對(duì)土壤的破壞，降低費(fèi)用，提高效率。

(4)我國黨參小規(guī)模種植是制約黨參產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，在未形成大規(guī)模種植之前，適當(dāng)加大對(duì)小規(guī)模種植機(jī)械投入，是提高甘肅省黨參生產(chǎn)效率的重要舉措。

5 結(jié)束語

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的研究起步較晚，機(jī)械化水平低，對(duì)黨參等小籽粒作物排種裝置的研究有明顯的差距，主要體現(xiàn)在排種器的技術(shù)含量、工作穩(wěn)定性等方面。國外農(nóng)業(yè)機(jī)械主要適用于大規(guī)模化種植，不符合我國種植的基本國情，不適合大批引進(jìn)。近年來，我國科研人員在國外成熟的技術(shù)上進(jìn)行二次優(yōu)化創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一批適合于我國國情的種植機(jī)械，提高了我國農(nóng)機(jī)機(jī)械化水平，但是在工作中仍然存在一些問題。因此，未來對(duì)種植機(jī)械的優(yōu)化，解決工作時(shí)暴露出的問題，縮短與發(fā)達(dá)國家農(nóng)機(jī)的差距，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化蓬勃發(fā)展，是我們每一個(gè)科研人員的使命。

近年來甘肅省的藥材產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但黨參種植面積依然占比不高，黨參生產(chǎn)機(jī)械化水平過低，作為生產(chǎn)過程中重要環(huán)節(jié)之一的播種作業(yè)，其機(jī)械化程度與其他農(nóng)作物相比更是存在明顯差距。在整理國內(nèi)外黨參類小籽粒播種機(jī)械的基礎(chǔ)上，本文分析指出了甘肅省黨參直播機(jī)械當(dāng)前面臨的問題，主要是播種量和株距難以控制、規(guī)模化種植難以實(shí)現(xiàn)、研發(fā)投入不足等。對(duì)此，本文提出了未來黨參機(jī)械化播種發(fā)展的趨勢(shì)，以期更快研制出適應(yīng)甘肅省的黨參直播機(jī)械，逐步推動(dòng)黨參生產(chǎn)全程機(jī)械化。