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　　玉米育種播種機(jī)械化國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

玉米是世界上3大主要糧食作物之一，其栽種總面積僅次于水稻和小麥，居于第3位。中國玉米種植面積和總產(chǎn)量居世界第2位，僅次于美國。種子的品質(zhì)是糧食產(chǎn)量的基本保證，研究表明，種植優(yōu)良品種的產(chǎn)量可增加5%～10%，可貢獻(xiàn)高達(dá)50%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

近年來，中國玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)的增加很大程度上依賴于玉米育種水平的不斷提高。在諸多增產(chǎn)因素中，玉米新品種的貢獻(xiàn)率達(dá)到35%左右。

現(xiàn)階段，許多育種工作者認(rèn)識(shí)到選育新品種是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，玉米育種試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度成為了成功選育新品種的關(guān)鍵性因素，尤其是國外知名種子公司如先鋒公司和孟山都公司等，都已將玉米育種手段現(xiàn)代化作為公司投資在育種上的優(yōu)先項(xiàng)目，玉米育種的每個(gè)關(guān)鍵步驟都貫通著機(jī)械化和電子化以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確度與精確度。

目前，玉米在我國糧食生產(chǎn)中的地位越來越重要，對(duì)于玉米育種機(jī)械化技術(shù)的相關(guān)研究越來越被重視。但我國農(nóng)業(yè)小區(qū)育種試驗(yàn)工作基本上采用人工或部分利用大田播種機(jī)械進(jìn)行半機(jī)械化作業(yè)，測(cè)試方法落后，直接影響著新技術(shù)和新品種的研究，因此對(duì)玉米育種專用機(jī)械的需求越來越迫切。由于育種目標(biāo)是多個(gè)優(yōu)良農(nóng)藝性狀的集合體，要想得到滿足育種目標(biāo)的自交系，必須要有足夠大的選系群體。

在條件允許的情況下，最好每個(gè)群體達(dá)到5 000~10 000株，通過田間直接鑒定篩選育種試材，要滿足育種需要，育種單位每年都需要進(jìn)行成千上萬個(gè)小區(qū)試驗(yàn)，并且所有小區(qū)的試驗(yàn)要在同1天完成，以減少時(shí)間與氣候變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

采用專用的小區(qū)播種機(jī)自動(dòng)完成清種和換種，小區(qū)之間不必停機(jī)，使1個(gè)育種學(xué)家能規(guī)劃和管理上千個(gè)小區(qū)，比采用人工或大田機(jī)械作業(yè)的方式，可使效率提高數(shù)十倍，播深一致性好等特點(diǎn)可使試驗(yàn)精度大大提高，縮小試驗(yàn)誤差，可以擴(kuò)大育種范圍，加快試驗(yàn)進(jìn)程，提高育種試驗(yàn)的工作效率。

1  國外研究現(xiàn)狀

在選育作物品種的過程中，根據(jù)不同品種的不同要求需要將試驗(yàn)小區(qū)劃分成不同規(guī)格的地塊。根據(jù)不同試驗(yàn)的內(nèi)容，試驗(yàn)小區(qū)的長(zhǎng)度也不同，播種過程中要將一定量的種子均勻地播種到試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，并且必須保證小區(qū)間不能發(fā)生混種，而普通的大田播種采用播種機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理根本無法滿足小區(qū)育種試驗(yàn)的要求，因此促使了小區(qū)播種機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展。

特別是發(fā)達(dá)國家，自20世紀(jì)30年代開始對(duì)種子繁育機(jī)械化技術(shù)裝備進(jìn)行研究，已建立了完善的機(jī)械化和信息化種業(yè)技術(shù)體系，并將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于種子繁育過程。在農(nóng)作物田間性能試驗(yàn)和重要性狀檢測(cè)的理論、方法和技術(shù)方面有了較大突破，開發(fā)出了一系列田間作物機(jī)械化生產(chǎn)及檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用小區(qū)專用精量播種機(jī)。在育種試驗(yàn)中已得到大面積的推廣應(yīng)用，自動(dòng)供種，自動(dòng)清種，小區(qū)之間不需要停機(jī)，比簡(jiǎn)單的依靠人工作業(yè)和部分大田機(jī)械替代作業(yè)，效率可提高數(shù)十倍，并且能夠保證小區(qū)育種試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。目前，國外生產(chǎn)玉米育種播種機(jī)的企業(yè)主要包括奧地利的Wintersteiger公司、美國的Almaco和SRES公司、德國的Huldrup公司、法國的Baural公司以及巴西的Maquinarium公司等。各公司生產(chǎn)的典型播種機(jī)如圖1~6所示。

小區(qū)播種機(jī)最核心的部分是排種器，排種器的性能決定了整機(jī)的作業(yè)效果。根據(jù)不同育種試驗(yàn)的作業(yè)要求，應(yīng)用的排種器類型主要有2大類：一類為條播式排種器，包含錐體格盤式和錐體皮帶式，如圖7和圖8所示；另一類為精播式排種器，以氣吸圓盤式為主。

圖1  Almaco氣吸式小區(qū)精播機(jī)

圖2  Wintersteiger氣吸式小區(qū)精播機(jī)

圖3  Maquinarium氣吸式小區(qū)精播機(jī)

圖4  Huldrup氣吸式小區(qū)精播機(jī)

圖5  SRES氣吸式小區(qū)精播機(jī)

圖6  Baural氣吸式自走小區(qū)精播機(jī)

圖7  錐體格盤式

圖8  錐體皮帶式

玉米育種試驗(yàn)中，不同品種的種植密度差異較大，發(fā)芽率的高低也不盡相同。對(duì)于發(fā)芽率較低的種子，為保證試驗(yàn)小區(qū)的苗數(shù)達(dá)到試驗(yàn)精度的要求，通常需要采用條播播種再后期間苗的方式，此時(shí)育種單位會(huì)使用帶有錐體格盤式或錐體皮帶式排種器的小區(qū)播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，這種播種機(jī)能將份量的種子均勻的播種在小區(qū)行長(zhǎng)內(nèi)，無殘留余種，與下個(gè)小區(qū)的種子不發(fā)生混種，保證苗數(shù)，但無法保證精確的株距，且后期間苗工作量較大。

目前應(yīng)用最廣泛的是帶有具有自凈功能的氣吸圓盤式精量排種器的小區(qū)精播機(jī)。以Almaco公司的氣吸圓盤式排種器為例，該排種器在種腔一側(cè)設(shè)有清種裝置，當(dāng)1個(gè)小區(qū)的播種完成后，通過負(fù)壓將殘留的種子吸出，以保證不與下1個(gè)小區(qū)的種子發(fā)生混雜，其余工作方式與大田用氣吸排種器無異，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9  Almaco氣吸圓盤式精量排種器

奧地利Wintersteiger公司設(shè)計(jì)了1種氣吸螺旋槽盤式精量排種器，由徑向槽盤和螺旋盤組合形成吸孔，種子被負(fù)壓吸附在吸孔上隨著盤轉(zhuǎn)動(dòng)至落種口排出，種腔被1個(gè)可旋轉(zhuǎn)的模塊分割成排種腔和清種腔，排種與清種過程互不影響，可以保證小區(qū)間的種子不發(fā)生混雜，同時(shí)排種器工作效率也大大提高，具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10  Wintersteiger氣吸螺旋槽盤式精量排種器

除了排種器，小區(qū)播種機(jī)與大田播種機(jī)不同之處還包括供種方式及小區(qū)行長(zhǎng)控制方式。由于小區(qū)育種試驗(yàn)需要份量供種，每個(gè)小區(qū)的品種都不一樣，需要通過供種裝置將種子輸送到排種器中，與大田播種機(jī)存在差異（大田播種機(jī)通過種箱供種）。

常用的供種方式有2種：錐體均格式分種器和彈匣式分種器。錐體均格式分種器需要事先將試驗(yàn)種子分份并裝袋，播種時(shí)按照排好的小區(qū)作業(yè)圖，按小區(qū)順序，由人工將種子依次倒入分種器的漏斗中，再由錐體均格均分后落入各行播種單體的排種器內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

彈匣式分種器需要事先將試驗(yàn)種子分份并裝入到種盒中，種盒按照小區(qū)順序排列在種盒托板上，在播種過程中，由程序控制，需要落種的時(shí)候就將種盒往前推進(jìn)1格，種子由落種口落下進(jìn)入各行排種單體的排種器中，優(yōu)點(diǎn)在于不需要人工參與投種，操作簡(jiǎn)便，只需要將種盒排放置在分種器上即可，缺點(diǎn)是備種期間裝盒工作量大，一旦順序排錯(cuò)不易糾正，典型代表結(jié)構(gòu)如圖12所示。

美國Almaco公司最新開發(fā)了1套新型的彈匣式供種機(jī)構(gòu)，從備種、分種、裝盒和排列全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化，播種全程不需要人工參與，代表了目前最先進(jìn)的分種技術(shù)，具體實(shí)物如圖13所示。

圖11  錐體均格式分種器

圖12  彈匣式分種器

圖13  Almaco新型彈匣式分種器

玉米小區(qū)播種機(jī)的另1個(gè)獨(dú)特之處在于需要具備小區(qū)行長(zhǎng)控制功能，目前常用的行長(zhǎng)控制模式有以下4種。

①鋼索模式是在播種作業(yè)時(shí)需要在地頭將鋼索一端固定，另一端自由，鋼索總長(zhǎng)度要大于地頭長(zhǎng)度，鋼索上每隔1個(gè)行長(zhǎng)加1個(gè)區(qū)間道的長(zhǎng)度固定1顆鋼球，鋼索穿過播種機(jī)上的鋼索探測(cè)裝置，當(dāng)探測(cè)裝置觸碰到鋼索上的鋼球后，觸發(fā)清種及落種的控制程序，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖14所示。

該模式的優(yōu)點(diǎn)在于小區(qū)行長(zhǎng)控制精確，區(qū)間道對(duì)齊效果較好，缺點(diǎn)是1套鋼索只能對(duì)應(yīng)1種行長(zhǎng)配置，無法自由調(diào)節(jié)行長(zhǎng)與區(qū)間道的長(zhǎng)度。

②測(cè)程輪模式是在播種機(jī)后面設(shè)置1個(gè)被動(dòng)行走輪，電控程序通過測(cè)量被動(dòng)行走輪的行走距離來判斷播種機(jī)的位置，從而在小區(qū)開始與結(jié)束的位置開啟清種和落種裝置，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖15所示。

該模式的優(yōu)點(diǎn)是小區(qū)行長(zhǎng)和區(qū)間道長(zhǎng)度可以通過程序自由設(shè)定，操作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是由于測(cè)程輪存在打滑，小區(qū)行長(zhǎng)有一定誤差，導(dǎo)致橫向的區(qū)間道對(duì)齊效果較差。

③測(cè)程輪+鋼索矯正模式將測(cè)程輪與鋼索相結(jié)合，鋼索上的鋼球每隔2 m固定1顆，播種機(jī)的行走距離仍由測(cè)程輪測(cè)定，每2個(gè)鋼球之間的距離是固定的，不存在誤差，因此通過這個(gè)固定距離可以修正測(cè)程輪的測(cè)量誤差，既可以自由設(shè)定行長(zhǎng)，又能保證行長(zhǎng)與區(qū)間道長(zhǎng)度的精度，如圖16所示。

④GPS導(dǎo)航模式是通過GPS測(cè)定播種機(jī)的位置，將位置信號(hào)反饋給電控程序，從而在機(jī)器到達(dá)小區(qū)終點(diǎn)和下一個(gè)小區(qū)起點(diǎn)的時(shí)候啟動(dòng)清種和落種裝置，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖17所示。

該模式操作簡(jiǎn)便，精度高，已被各個(gè)小區(qū)播種機(jī)生產(chǎn)商廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是成本較高，配備GPS的機(jī)型通常售價(jià)都在100萬元以上。饋給電控程序，從而在機(jī)器到達(dá)小區(qū)終點(diǎn)和下一個(gè)小區(qū)起點(diǎn)的時(shí)候啟動(dòng)清種和落種裝置，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖17所示。該模式操作簡(jiǎn)便，精度高，已被各個(gè)小區(qū)播種機(jī)生產(chǎn)商廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是成本較高，配備GPS的機(jī)型通常售價(jià)都在100萬元以上。

圖14  鋼索模式

圖15  測(cè)程輪模式

圖16  測(cè)程輪+鋼索矯正模式

圖17  GPS模式

2  國內(nèi)研究現(xiàn)狀

小區(qū)育種試驗(yàn)使用的種子品種較多，試驗(yàn)地塊小，有時(shí)還會(huì)分散不規(guī)則，在國內(nèi)還沒有實(shí)現(xiàn)播種機(jī)械化，通常采用人工和半機(jī)械化播種，如圖18和圖19所示。少數(shù)大型種子公司或國家級(jí)、省級(jí)的農(nóng)科院有能力采購進(jìn)口的小區(qū)播種機(jī)，但大部分的育種單位由于高額的成本，沒有能力配備小區(qū)播種機(jī)，育種研究人員多年來都采用人工或半機(jī)械化播種，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗費(fèi)工時(shí)，播種的時(shí)長(zhǎng)被延長(zhǎng)，出苗均勻性差，受外界因素影響較大，直接影響育種試驗(yàn)的精度。

國內(nèi)玉米育種播種機(jī)械的研制僅處于起步階段。早在20世紀(jì)80年代，我國就引進(jìn)了國外的小區(qū)播種機(jī)，并開展了一系列的研究工作，但由于各種原因并沒有一直延續(xù)下來，長(zhǎng)期處于停滯階段，同時(shí)由于小區(qū)播種機(jī)的研制周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高，市場(chǎng)小，投入產(chǎn)出比較低等因素，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)該領(lǐng)域不感興趣，大企業(yè)不愿意投入，小企業(yè)沒能力投入，造成我國品種試驗(yàn)田間試驗(yàn)機(jī)械化水平低下，小區(qū)播種機(jī)的研發(fā)長(zhǎng)期處于空白。

圖18  人工播種

圖19  半人工播種

近年來，隨著國家對(duì)種業(yè)發(fā)展的重視，也意識(shí)到種業(yè)機(jī)械化的迫切性，逐漸加大了對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注與投入。2012年國家成立了公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)《作物品種小區(qū)精確種植與收獲裝備研發(fā)》，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)尚書旗團(tuán)隊(duì)依托此課題組織相關(guān)單位研制了玉米小區(qū)精密點(diǎn)播機(jī)和玉米小區(qū)條播機(jī)等小區(qū)播種機(jī)械，積極探索智能電控和北斗導(dǎo)航等新技術(shù)在小區(qū)播種機(jī)械上的應(yīng)用，突破了份量供種、自動(dòng)供種、排種自凈和行長(zhǎng)精確控制等關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)了具有自凈功能的精量排種器等關(guān)鍵部件，自主開發(fā)了適應(yīng)我國品種試驗(yàn)作業(yè)要求的智能電控系統(tǒng)，并由中機(jī)美諾科技股份有限公司形成了成熟定型產(chǎn)品，如圖20和圖21所示。

該類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)與銷售，獲得了育種單位的認(rèn)可，成功填補(bǔ)了國產(chǎn)小區(qū)播種機(jī)的空白，完全可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，使得購機(jī)成本大大降低。

圖20  玉米小區(qū)精量播種機(jī)

圖21  玉米小區(qū)條播機(jī)

3  發(fā)展趨勢(shì)及展望

目前國外的育種機(jī)械已發(fā)展得非常成熟，新技術(shù)更新都集中在智能化和信息化方面。如何使得播種效率更高、如何將環(huán)境因素及人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響降到最低是各大育種機(jī)械廠商努力的研究方向。而我國由于育種機(jī)械的發(fā)展處于剛剛起步的階段，雖然取得了一定的成果，但是在應(yīng)用推廣、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合和新技術(shù)開發(fā)等方面仍面臨不少困難。

通過對(duì)玉米小區(qū)精密播種機(jī)械化技術(shù)的研究，可以提高小區(qū)育種試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，更好地發(fā)揮農(nóng)作物優(yōu)良品種對(duì)糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收的作用，對(duì)加快中國種子的繁育進(jìn)程、縮短優(yōu)良玉米品種選育周期、推動(dòng)中國良種工程和整個(gè)種業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本文來源于2018年6期《農(nóng)業(yè)工程》雜志（中國科技核心期刊），作者：楊薇，李建東，方憲法，尚書旗，杜旺旺

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