玉米機(jī)械化播種關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

收稿日期：2024-03-16

基金項(xiàng)目：江蘇省亞夫科技服務(wù)專項(xiàng)[KF（23）1211]；鹽城市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（YCBE202414）；中央糧油生產(chǎn)保障專項(xiàng)——響水縣玉米單產(chǎn)提升項(xiàng)目（320921-2024-ZY-004）；江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所科研基金項(xiàng)目（YHS202209、YHS202203）

作者簡(jiǎn)介：花登峰（1982-），女，江蘇南通人，碩士，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。（E-mail）account06@163.com。姜鵬為共同第一作者。

通訊作者：王 為，（E-mail）ww462@126.com。楊 華，（E-mail）ycyanghuayh@163.com

摘要： 玉米機(jī)械化播種是玉米產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推進(jìn)新型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新型研發(fā)的重要途經(jīng)。根據(jù)玉米機(jī)械化播種技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用情況，本文從玉米種植模式、玉米機(jī)械化播種配套裝備、玉米機(jī)械化播種關(guān)鍵技術(shù)及智能化技術(shù)在玉米機(jī)械化播種中的應(yīng)用4個(gè)方面進(jìn)行綜述，闡述了當(dāng)前中國(guó)玉米的種植概況及種植模式，重點(diǎn)介紹了玉米直播和移栽2種播種技術(shù)與裝備的研究動(dòng)態(tài)，結(jié)合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景，分析了智能化現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)在玉米播種機(jī)械上的應(yīng)用研究情況，涵蓋播量監(jiān)測(cè)、變量播種、自動(dòng)導(dǎo)航等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了當(dāng)前玉米播種機(jī)械化的發(fā)展難點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為玉米播種機(jī)械化技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 玉米；播種；直播；移栽；機(jī)械化；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)： S352.5"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A"" 文章編號(hào)： 1000-4440（2025）02-0393-11

Research progress on key technologies and equipment for mechanized maize sowing

HUA Dengfeng^1，2， JIANG Peng¹， GAO Jin¹， SHI Yang¹， SUN Jianxiong¹， LU Zhenwei¹， WANG Haiyang¹， CHENG Fangmei¹， YANG Hua¹， WANG Wei¹

（1.Institute of Agricultural Sciences in the Coastal District of Jiangsu Province/Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production Co-sponsored by Province and Ministry， Yancheng 224000， China;2.China Agricultural Mechanization Center， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100122， China）

Abstract： Mechanized sowing of maize is not only a key link to improve the quality and efficiency of maize industry， but also an important way to promote the transformation and upgrading of modern agriculture and promote the technological innovation and research and development of new agricultural machinery products. According to the implementation and application of maize mechanization sowing technology， this paper summarizes the maize planting mode， maize mechanization sowing equipment， maize mechanization sowing key technology and the application of intelligent technology in maize mechanization sowing. This paper expounds the current planting situation and planting mode of maize in China， and focuses on the research trends of two kinds of sowing technology and equipment of maize direct seeding and transplanting. Combined with the background of precision agriculture， this paper analyzes the application of intelligent modern measurement and control technology in maize sowing machinery， including sowing quantity monitoring， variable sowing， automatic navigation and so on. On this basis， this paper puts forward the difficulties in the development of maize sowing mechanization， and looks forward to its development trend， in order to provide reference for the research of maize sowing mechanization technology and the creation and application of equipment.

Key words： maize;sowing;direct seeding;transplanting;mechanization;precision agriculture

玉米是重要的糧食作物，也被廣泛應(yīng)用于食品、青貯飼料、工業(yè)原料中，對(duì)于保障糧食生產(chǎn)安全具有舉足輕重的作用^[1-4]。2024年，中央一號(hào)文件指出實(shí)施糧食單產(chǎn)提升工程，集成推廣良田良種良機(jī)良法，為玉米種植業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供了重要支撐。

使用優(yōu)良品種是提高玉米產(chǎn)量的根本，而栽培技術(shù)則是提升玉米生產(chǎn)效率的重要手段。當(dāng)前，在全國(guó)玉米總種植面積無法大規(guī)模持續(xù)增加的背景下，需要通過有效提高玉米單產(chǎn)的手段來推動(dòng)玉米產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展^[5]。在大面積連片種植規(guī)模下，提高玉米機(jī)械化種植質(zhì)量是影響玉米生產(chǎn)過程的重要因素之一^[6-8]。中國(guó)玉米種植區(qū)域分布廣泛，并結(jié)合不同地域衍生出了多種種植技術(shù)模式。因此，研發(fā)玉米機(jī)械化種植配套技術(shù)裝備，有助于促進(jìn)主糧作物高質(zhì)、高效生產(chǎn)。

玉米機(jī)械化播種包括直播和移栽。直播主要將種子群形成單粒有序的單?；癄顟B(tài)并播至土壤的預(yù)定位置，作業(yè)效率高，適合大田種植。玉米育苗移栽屬于典型的旱田作物移栽范疇，長(zhǎng)勢(shì)合格的幼苗可直接進(jìn)行裸苗移栽，具有較高的光熱資源利用率和存活率。隨著研究手段的不斷豐富，基于裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬仿真、性能試驗(yàn)等方法的播種裝備及關(guān)鍵部件得到了重大改進(jìn)^[9-11]?；诖耍疚慕Y(jié)合玉米種植概況與農(nóng)藝要求，概述國(guó)內(nèi)典型玉米機(jī)械化播種機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)玉米播種機(jī)械化技術(shù)成果，為行業(yè)發(fā)展提出相應(yīng)的建議，以期為玉米播種機(jī)械化技術(shù)研究與裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

1 玉米種植概況與機(jī)械化種植程度

按照區(qū)域氣候條件，中國(guó)玉米種植主要分為北方玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)、西南山地丘陵玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)^[12]。如圖1所示，截至2022年年底，中國(guó)當(dāng)年玉米種植面積達(dá)4.307 0×10⁷ hm²，年產(chǎn)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。

玉米直播模式分為直接播種、覆膜播種及免耕播種。直接播種工序簡(jiǎn)單，播前精細(xì)整地，施足基肥后可直接開溝播種，適合玉米等中耕作物，但是后續(xù)環(huán)境等因素會(huì)影響出苗情況；覆膜播種具有保濕保墑、抑制雜草的作用，被廣泛應(yīng)用于中國(guó)北方玉米種植區(qū)及西北灌溉玉米區(qū)；免耕播種模式在前茬作物收獲后將秸稈均勻覆蓋于地表，在次年春季對(duì)地表秸稈進(jìn)行預(yù)處理后采用免耕播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，具有改善土壤環(huán)境、節(jié)本增效等特點(diǎn)，有利于提高產(chǎn)量，被廣泛應(yīng)用于中國(guó)北方玉米區(qū)。

玉米移栽模式以夏季麥茬后免耕移栽為主，有利于搶抓農(nóng)時(shí)，緩解玉米與前茬作物的接茬矛盾，保障玉米生長(zhǎng)的有效生育期，適用于中國(guó)北方及黃淮海夏玉米區(qū)等^[13]。常見的玉米直接播種方法包括等距播種、大壟雙行播種和寬窄行播種。大壟雙行、寬窄行播種（圖2）改變了常規(guī)壟距、行距，具有滿足密植、提高通風(fēng)透光效果的特點(diǎn)。此外，寬窄行播種也可套作其他農(nóng)作物，從而提高綜合效益^[14-17]。

資料顯示，目前中國(guó)玉米生產(chǎn)機(jī)械化程度逐年上升，其中平均機(jī)耕率達(dá)97.7%，機(jī)播率超過80.0%，機(jī)收率為79.0%左右。中國(guó)玉米機(jī)械化播種已經(jīng)達(dá)到一定水平，但仍以小型機(jī)械播種機(jī)具為主，精量播種水平仍低于部分發(fā)達(dá)國(guó)家。

2 玉米機(jī)械化播種技術(shù)與裝備

2.1 玉米播種裝備

2.1.1 點(diǎn)（穴）播種裝備 點(diǎn)（穴）播種裝備的應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝備為國(guó)內(nèi)較早的典型玉米點(diǎn)播式播種機(jī)，作業(yè)時(shí)可一次完成松土、碎土、播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，播種單元上的排種器由地輪驅(qū)動(dòng)，種子經(jīng)由導(dǎo)種管及其末端開溝器播至特定位置后由鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)。

2.1.2 覆膜播種裝備 覆膜播種裝備（圖4）由覆膜裝置、播種裝置組成，且以膜上打孔播種為主^[18]。作業(yè)時(shí)，覆膜裝置將地膜張緊鋪至種床后由覆土圓盤在膜邊覆土壓膜，隨后種子落入排種器鴨嘴端部，當(dāng)鴨嘴完成膜上打孔動(dòng)作時(shí)，鴨嘴打開并使種子落入種溝，最后覆土，推送器將碎土覆蓋在種溝上，實(shí)現(xiàn)覆膜播種作業(yè)。

2.1.3 免耕播種裝備 免耕播種裝備（圖5）由破茬裝置、播種裝置組成。工作時(shí)，先由破茬開溝裝置破碎殘茬、疏松種溝土壤，隨后播種裝置將種子播至由開溝器開出的種溝內(nèi)，最后由鎮(zhèn)壓輪完成覆土鎮(zhèn)壓，實(shí)現(xiàn)在未耕整的土地上進(jìn)行直播作業(yè)。

2.2 玉米移栽裝備

2.2.1 半自動(dòng)移栽裝備 目前，玉米移栽裝備以半自動(dòng)裝備為主，包括2Z-2型、2Z-4型、2ZY-2型及2Z-Y型等^[19]，其結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。張茫茫等^[20-22]為提高玉米移栽質(zhì)量、移栽效率，分別對(duì)玉米移栽機(jī)的送苗裝置、分苗裝置和取苗栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并達(dá)到了預(yù)期要求。周福君等^[23]以玉米缽苗移栽機(jī)為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)研究獲取了移栽機(jī)構(gòu)的最優(yōu)工作參數(shù)。

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的玉米免耕移栽機(jī)（圖7）可在未耕整土地上一次性完成破茬、開溝、栽植等多項(xiàng)操作^[24]。江蘇富來威公司研制的2ZBX-2吊杯膜上移栽機(jī)（圖8）可在膜上完成玉米移栽作業(yè)。

2.2.2 全自動(dòng)移栽裝備 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于全自動(dòng)旱地移栽機(jī)的研究還處于試驗(yàn)與推廣應(yīng)用階段，石鐵^[25]研制了1種全自動(dòng)玉米秧苗移栽機(jī)，結(jié)果表明，當(dāng)前進(jìn)速度為2.5～3.0 km/h時(shí)，其株距合格率為93.2%，立苗合格率為91.2%。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的2ZYS全自動(dòng)玉米移栽機(jī)（圖9）具備自動(dòng)上秧系統(tǒng)，適用于大壟種植，具有較高的移栽效率和質(zhì)量。

3 玉米機(jī)械化播種關(guān)鍵技術(shù)

3.1 開溝器與成穴器

玉米播種機(jī)械裝備根據(jù)種植模式的不同，需要分別采用開溝器、成穴器開出種溝或掘出種穴。鴨嘴式成穴器多用于覆膜播種裝備。如圖10所示，工作時(shí)，利用固定鴨嘴在地面上鑿出種穴，活動(dòng)鴨嘴因地面的壓力而旋轉(zhuǎn)一定角度，此時(shí)鴨嘴張開，種子隨即落入種溝。圖11為移栽機(jī)鴨嘴式栽植器移栽成穴裝置^[26]，其原理與圖10大致類似。

開溝器多用于直播、免耕播種裝備，開溝器結(jié)構(gòu)形式多樣，分別適應(yīng)不同的環(huán)境條件及種植模式（表1）。為了確保播種深度一致，開溝器多與仿形機(jī)構(gòu)連接以適應(yīng)地表的不平整。

3.2 播種技術(shù)與裝置

3.2.1 精量排種技術(shù) 排種器是播種機(jī)械的核心部件（表2），其工作性能直接影響播種機(jī)械的整體作業(yè)質(zhì)量^[27]。水平圓盤式排種器的主要工作部件是位于種子筒底部的圓盤，圓盤上方設(shè)有清種器、推種器，周邊設(shè)置型孔，借助種子自身重力和形狀尺寸，使種子充入型孔，隨后在投種區(qū)將種子推出排種口，播入種溝。劉艷芬等^[28]對(duì)水平圓盤排種器的型孔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)改變型孔后壁結(jié)構(gòu)形狀起到代替推種器的作用，在8.6 km/h的前進(jìn)速度下仍能滿足單粒精密播種的農(nóng)藝要求。

窩眼輪式排種器位于種子箱底部，窩眼輪外緣開有1排整齊的窩。充種時(shí)依靠種子自身重力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)后，種子再次在重力作用下落入種溝。伍皖閩等^[29]將窩眼輪式排種器應(yīng)用于玉米播種，結(jié)合階梯型型孔的適應(yīng)能力，分析型孔參數(shù)對(duì)玉米充種性能的影響。

勺式排種器的種勺均勻環(huán)繞安裝在種盤上，勺盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)種勺并從種箱中舀出1粒種子，當(dāng)其轉(zhuǎn)至上方后，勺翻轉(zhuǎn)并在重力作用下使種子進(jìn)入投種區(qū)，在鴨嘴張開后落入種溝。王金武等^[30]設(shè)計(jì)了1種動(dòng)定指勺夾持式玉米精量排種器，與農(nóng)機(jī)企業(yè)合作生產(chǎn)系列播種裝備，在黑龍江、吉林等地得到了推廣應(yīng)用。

指夾式排種器主要通過取種指夾主動(dòng)從種子群中攫取籽粒，其結(jié)構(gòu)形狀及尺寸參數(shù)會(huì)直接影響排種器的作業(yè)質(zhì)量。張學(xué)軍等^[31]設(shè)計(jì)了1種擺動(dòng)夾取式玉米精量排種器，結(jié)果表明，排種合格指數(shù)為94.11%，漏播指數(shù)為2.52%，重播指數(shù)為3.37%。王金武等^[32-33]分析了影響排種器作業(yè)性能的主要原因，分析了玉米精量排種器導(dǎo)種投送運(yùn)移機(jī)制。

氣吸式排種器主要利用空氣真空度產(chǎn)生吸力，在真空室產(chǎn)生負(fù)壓，并將種子吸附在排種盤上，再用刮種器刮去多余種子，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)至下方非真空區(qū)時(shí)，吸力中斷，種子靠自身重力落入種溝。石林榕等^[34]設(shè)計(jì)了彈性氣吸嘴式滾輪排種器。王韋韋等^[35]設(shè)計(jì)了1種氣吸雙行錯(cuò)置式玉米密植精量排種器，可以滿足高速精量密植播種作業(yè)。李玉環(huán)等^[36-37]對(duì)研制的氣吸式排種器取種、清種、投種等環(huán)節(jié)分別進(jìn)行了研究，同時(shí)為解決播種均勻性差的問題，對(duì)投種位置不一致、橫向飛種現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定了末端撥離阻氣件的關(guān)鍵參數(shù)，改善了高速作業(yè)條件下的排種性能^[38]。

氣吹式排種器的工作原理與窩眼輪式排種器基本相似，不同之處在于采用氣流清種，當(dāng)窩眼轉(zhuǎn)到氣流噴嘴下方時(shí)，會(huì)將多余種子從窩眼中吹出并落回至種子室，剩下的1粒種子由投種片投入種溝。崔濤等^[39]設(shè)計(jì)了1種清種-壓種組合氣嘴的內(nèi)充氣吹式排種器，結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)速度在10 km/h左右時(shí)，大扁粒、小扁粒種子均具有較好的適應(yīng)性。

機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，被廣泛應(yīng)用于中小型播種機(jī)中，需要擾動(dòng)種子群并使種子進(jìn)入取種裝置內(nèi)，對(duì)種子尺寸要求嚴(yán)格。在高速播種的過程中，會(huì)因夾持多粒種子而導(dǎo)致重播，或因部分種子堆積起拱，從而未能及時(shí)充填型孔造成漏播、降低播種精度。因此，一方面需要對(duì)種子進(jìn)行丸?；⒛ス獾燃庸ぬ幚?，另一方面也需要對(duì)型孔、指夾等精量取種機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。氣力式排種器對(duì)種子的適應(yīng)性較好，對(duì)種子尺寸的要求不高，且不易損傷種子，可在不擾動(dòng)種子群的情況下進(jìn)行充種，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備風(fēng)機(jī)等設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于大型播種機(jī)中。因此，在高速情況下，需要對(duì)其密閉結(jié)構(gòu)的氣場(chǎng)分布及氣壓平衡情況進(jìn)行分析。

3.2.2 種子軌跡控制技術(shù) 在種子從機(jī)具到土壤的這一過程中，由于受到機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，種子速度會(huì)發(fā)生多次不確定的變化。因此，均勻有序的單粒種子能否通過軌跡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著床也是影響精量播種的關(guān)鍵。

為了規(guī)范種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，常用導(dǎo)種管約束并規(guī)劃種子的運(yùn)動(dòng)路徑，通過優(yōu)化導(dǎo)種管基本參數(shù)可部分抵消種子的水平分速度。例如，趙淑紅等^[40]設(shè)計(jì)了“V”形凹槽導(dǎo)種管，導(dǎo)管材料為高壓聚乙烯樹脂，提高了導(dǎo)種的均勻性和穩(wěn)定性；董建鑫等^[41]設(shè)計(jì)了導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)，通過約束玉米種子的自由度來約束種子的運(yùn)移路徑；Liu等^[42]提出了主動(dòng)式種子運(yùn)動(dòng)軌跡控制方法，相較于傳統(tǒng)導(dǎo)種管具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，也有研究者采用氣流裹挾的形式對(duì)導(dǎo)種管中的種子自由度進(jìn)行輔助性約束。劉瑞等^[43]利用正壓氣流設(shè)計(jì)了輔助導(dǎo)種裝置，結(jié)果表明，在氣流場(chǎng)均勻穩(wěn)定的情況下，作業(yè)速度越高，該裝置的作業(yè)性能越好。

另外，在播種末端常采用壓種裝置，快速將種子壓入種溝，有利于減少種子的隨機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)，改善播種一致性。王云霞等^[44]通過研究種子落地點(diǎn)相對(duì)壓種輪的位置情況，分析了壓種輪能夠有效壓種的理論條件，設(shè)計(jì)了適合于氣流輔助投種的精量播種機(jī)壓種裝置，有效提高了株距一致性。吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院公開了1種空腔式壓種輪射種機(jī)構(gòu)，壓種輪為開口空腔式，材質(zhì)為中等硬度塑膠，有效防止了種粒彈跳散落現(xiàn)象。馬斯奇奧（青島）農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司公開了1種雙材質(zhì)壓種輪，其一方面具有較好的耐磨性，另一方面也具有一定的彈性。

綜上所述，創(chuàng)制種子軌跡控制裝置，實(shí)現(xiàn)了玉米種子軌跡的主動(dòng)干預(yù)，也是實(shí)現(xiàn)玉米精量播種的關(guān)鍵。

3.3 移栽技術(shù)與裝置

移栽機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)械的核心部件，其工作性能會(huì)直接影響移栽機(jī)械的整體作業(yè)質(zhì)量。玉米移栽分為裸苗移栽、缽苗移栽2種方式，但是目前相關(guān)基礎(chǔ)研究及配套的玉米移栽機(jī)具均較少。如表3所示，現(xiàn)有的移栽機(jī)聚焦于移栽機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，相關(guān)學(xué)者也同步開展了研究^[45-46]。

目前，適用于玉米的專用移栽裝置較少，與玉米種植模式的適配性較低。其原因在于，不同地區(qū)的整地要求、種植模式各不相同，配套育苗缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，限制了大田移栽機(jī)械的使用。

4 智能化技術(shù)在玉米機(jī)械化播種中的應(yīng)用

玉米機(jī)械化播種配套技術(shù)裝備成熟，滿足包括覆膜播種、免耕播種等模式的農(nóng)藝需要。為了滿足玉米機(jī)械化播種的高質(zhì)量發(fā)展，需要提高相關(guān)裝備的智能化水平。

4.1 播種質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

均勻種子流狀態(tài)檢測(cè)可對(duì)播種機(jī)各播種單元進(jìn)行故障診斷，同時(shí)也可對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。紀(jì)超等^[53]設(shè)計(jì)了基于反射式紅外光電感應(yīng)的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在黏附塵土的情況下，其監(jiān)測(cè)精度達(dá)98.1%。解春季等^[54-55]設(shè)計(jì)了1種基于激光傳感器的播種參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在抗灰塵模擬試驗(yàn)中對(duì)合格率、漏播率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在穿透透明殼體狀態(tài)下的檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到95.4%。投種前的充種狀態(tài)也是評(píng)價(jià)播種機(jī)出現(xiàn)漏播或重播狀況的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，賈洪雷等^[56]采用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合的方法，獲取了排種器內(nèi)各個(gè)型孔的充種量，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)漏播、重播檢測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差平均值分別為3.87%、8.42%。此外，電容監(jiān)測(cè)^[57]、壓電監(jiān)測(cè)^[58]、機(jī)器視覺^[59]等也可對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

播種深度也是評(píng)價(jià)播種質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，保持相對(duì)一定的播種深度是影響出苗、長(zhǎng)勢(shì)的重要因素^[60]。由于地表地貌環(huán)境、土壤堅(jiān)實(shí)度等差異較大，對(duì)播種深度一致性的控制主要分為以彈簧、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)為主的被動(dòng)式調(diào)節(jié)技術(shù)和以壓電傳感器、液壓控制為主的力反饋主動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)^[61-62]。白慧娟等^[63]通過控制下壓力、鎮(zhèn)壓力間接控制播種深度、壓實(shí)度的效果，結(jié)果表明，該系統(tǒng)播種深度合格率均值為91.33%，變異系數(shù)為8.98%。Zhou等^[64]在電液控制的基礎(chǔ)上結(jié)合PID（比例、積分、微分控制器）控制算法，實(shí)現(xiàn)下壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了播種深度和土壤壓實(shí)度的綜合控制。

4.2 變量播種技術(shù)

變量播種技術(shù)的實(shí)施需要滿足土壤肥力監(jiān)測(cè)、播量決策和播量精準(zhǔn)調(diào)控3個(gè)條件。首先，基于近地傳感、遙感等技術(shù)獲取土壤信息指標(biāo)，同時(shí)依據(jù)包括播量、土壤肥力、產(chǎn)量等在內(nèi)的大量農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)之間的影響機(jī)制，構(gòu)建播種處方圖；其次，在播種過程中，基于衛(wèi)星定位信息、播種處方圖確定當(dāng)前播種位置及對(duì)應(yīng)位置的播量；最后，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線將播量決策傳遞至播量調(diào)控控制器，從而完成變量播種。開展此類研究的例子如下：Du等^[65]結(jié)合土壤肥力、天氣、管理等農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，建立了基于梯度提升決策樹算法的玉米產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，制定了播量決策規(guī)則，為播量調(diào)控奠定了基礎(chǔ)；He等^[66-67]設(shè)計(jì)了1種基于CAN通信和Android處方圖的變量播種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、通信控制器、計(jì)算機(jī)、排種器單元控制器、播種驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，依據(jù)地理信息和當(dāng)前定位，對(duì)各個(gè)排種單元進(jìn)行獨(dú)立控制并完成變量播種作業(yè)；Munnaf等^[68]設(shè)計(jì)了1種基于傳感器的變量播種控制系統(tǒng)，在播種過程中利用拖拉機(jī)前部的傳感器對(duì)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過車載計(jì)算機(jī)結(jié)合肥力播量決策系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前位置的播種量，最后通過通信系統(tǒng)控制拖拉機(jī)后部的播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)變量播種。

4.3 自動(dòng)定位導(dǎo)航技術(shù)

近年來，研究者利用全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航等多傳感器融合的方法實(shí)時(shí)感知農(nóng)田的空間位置信息，同時(shí)將其與預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行比對(duì)，并補(bǔ)償隨機(jī)誤差，從而實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航。在定位導(dǎo)航技術(shù)的支持下，機(jī)械化播種的種植精度可達(dá)厘米級(jí)，土地利用率提高了0.5%～1.0%^[69-70]。

張振國(guó)等^[71]針對(duì)玉米免耕播種機(jī)播種過程易碰觸根茬的不足，采用定位導(dǎo)航技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制算法相結(jié)合的方法糾正播種機(jī)當(dāng)前位置與目標(biāo)路徑的偏差，從而實(shí)現(xiàn)避茬自動(dòng)調(diào)偏功能。Sun等^[72]基于全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了針對(duì)曲線播種的玉米精密播種補(bǔ)償定位算法，通過計(jì)算模型預(yù)測(cè)下一次播種位置，從而達(dá)到曲線區(qū)均勻播種的目的。Wang等^[73]設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航的高速精密玉米播種控制系統(tǒng)，提高了機(jī)組在8 km/h高速下播種的均勻性、準(zhǔn)確性。丁友強(qiáng)等^[74]采用全球定位系統(tǒng)建立相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型，并獲取了播種機(jī)的包括當(dāng)前速度、位置、作業(yè)參數(shù)、已作業(yè)面積等在內(nèi)的狀態(tài)信息，使用該模型測(cè)量已作業(yè)面積的相對(duì)誤差為0.81%。顏丙新等^[75]基于衛(wèi)星定位、播種機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建了播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置模型，通過位置滯后補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)著床種子的位置定位。地輪驅(qū)動(dòng)播種與智能化田間播種對(duì)比示意見圖12。智能化田間播種技術(shù)是未來大田玉米機(jī)械化播種的發(fā)展趨勢(shì)，在高密度、高速、高效的種植農(nóng)藝措施背景下，將傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)等應(yīng)用于播種裝備有助于提高玉米增收潛力^[76]。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

在推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的背景下，玉米機(jī)械化播種技術(shù)正得以快速發(fā)展。為了適應(yīng)優(yōu)質(zhì)高效的種植模式，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外開展了大量研究，其特點(diǎn)如下：

（1）中國(guó)玉米農(nóng)藝種植模式較為多樣化。根據(jù)區(qū)域劃分，農(nóng)藝模式可分為常規(guī)播種、免耕播種及覆膜播種，其目的皆在于保證植株能獲取充足的陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)和水分。在農(nóng)藝種植模式方面，東北地區(qū)主要推廣保護(hù)性耕作模式，可有效增強(qiáng)土壤蓄水、保墑能力；西北地區(qū)干旱少雨，多采用覆膜播種模式，具有保溫保墑、改善品質(zhì)效應(yīng)等特點(diǎn)。近年來，中國(guó)西南及黃淮海地區(qū)大面積推廣應(yīng)用玉米大豆帶狀復(fù)合種植模式。總體而言，玉米播種機(jī)械化仍存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不夠的問題，距離高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)仍有較大差距。

（2）玉米機(jī)械相關(guān)研究較多。例如，研究者采用理論分析、離散元仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法獲取了影響播種質(zhì)量的因素，探究了播種機(jī)理，為新型機(jī)具的研發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。但是目前仍存在高速作業(yè)下玉米種子以何種形式形成均勻單粒種子流、田間作業(yè)狀況復(fù)雜、種子從機(jī)具到土壤這一過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并未完全可控等諸多難題亟需解決。

（3）國(guó)內(nèi)旱地移栽裝備仍然以人工輔助喂苗的半自動(dòng)移栽方式為主。當(dāng)前存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、綜合效率較低等問題。雖然目前全自動(dòng)移栽機(jī)械得到了廣泛關(guān)注，但目前仍處于試驗(yàn)階段。另外，中國(guó)地域差異大，育苗標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，為了適應(yīng)不同區(qū)域的玉米種植模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型移栽機(jī)、自動(dòng)化程度高的大型移栽機(jī)均具有較大應(yīng)用需求。

（4）智能化田間播種技術(shù)應(yīng)用已成為玉米播種機(jī)械化研究的熱點(diǎn)。對(duì)于大田玉米直播而言，主要問題是如何推動(dòng)播種裝備的二次創(chuàng)新，以及研發(fā)工況參數(shù)、作業(yè)質(zhì)量等可快速信息化獲取的智能化播種裝備；對(duì)于玉米移栽而言，主要問題是如何加快多元化移栽裝備的創(chuàng)制，探索集自主導(dǎo)航、栽深控制、自動(dòng)補(bǔ)苗等智能感知與自主決策于一體的未來移栽機(jī)器人。

5.2 展望

今后應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化玉米產(chǎn)業(yè)布局，依靠各區(qū)位優(yōu)勢(shì)，探索適合當(dāng)前地區(qū)的農(nóng)藝種植模式，發(fā)展高效、高質(zhì)、高產(chǎn)的種植體系，研究配套精量播種機(jī)具設(shè)備，結(jié)合節(jié)水、化肥農(nóng)藥減量施用、促進(jìn)秸稈回收利用等措施，提高玉米生產(chǎn)管理水平，促進(jìn)玉米種植區(qū)的均衡發(fā)展。針對(duì)覆膜種植不僅需要開展耐候地膜、可降解地膜的研究，還要兼顧殘膜回收機(jī)具的研發(fā)。此外，還應(yīng)加強(qiáng)玉米大豆帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝農(nóng)機(jī)的相互結(jié)合，創(chuàng)制新型智能化玉米大豆一體化帶狀復(fù)合種植播種機(jī)械。

此外，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，探究適用于不同玉米種子形狀結(jié)構(gòu)且能夠滿足高速作業(yè)、不傷種子的播種機(jī)制，在基于現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上開展交叉學(xué)科領(lǐng)域的探索研究。依據(jù)玉米種植農(nóng)藝要求，集成研發(fā)相關(guān)播種機(jī)械，探索作物-土壤-機(jī)具的相互作用關(guān)系機(jī)制，形成集種子物理機(jī)械特性、新型結(jié)構(gòu)創(chuàng)制，同時(shí)兼顧成本與可靠性的一體化播種機(jī)械。

另外，在發(fā)展工廠化育苗設(shè)施的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)移栽機(jī)械各關(guān)鍵部件的理論分析，探究土壤-幼苗-機(jī)具的互作機(jī)制，采用包括拓?fù)鋵W(xué)、功能函數(shù)等在內(nèi)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，探索移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，采用先進(jìn)制造技術(shù)提高移栽機(jī)械的喂苗頻率，完善栽植性能和可靠性。此外，應(yīng)結(jié)合種植要求開發(fā)相關(guān)專用、通用類移栽裝備，同時(shí)應(yīng)用智能化技術(shù)不斷促進(jìn)移栽裝備向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

最后，應(yīng)促進(jìn)多傳感器信息融合，采用現(xiàn)代信息化技術(shù)手段對(duì)農(nóng)田土壤信息與環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和記錄，采用算法對(duì)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的價(jià)值進(jìn)行深度挖掘。優(yōu)化智能控制算法，開發(fā)基于信息傳感與測(cè)控的精準(zhǔn)播種體系，開展路徑規(guī)劃、路徑追蹤控制、自主避障與多機(jī)協(xié)同作業(yè)研究，探索基于全球定位導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航相互結(jié)合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提高播種機(jī)械的智能檢測(cè)與導(dǎo)航控制水平，使其向智能化、無人化方向發(fā)展，從而達(dá)到提高作業(yè)質(zhì)量和效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、推動(dòng)玉米產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的目的。

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（責(zé)任編輯：徐 艷）