蔬菜膜上播種裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

閆建偉，魏松，胡冬軍，張富貴

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2018 年我國蔬菜種植面積達(dá)到2 043.9 萬hm2，蔬菜種植結(jié)構(gòu)占比12.31%、蔬菜產(chǎn)量達(dá)到70 346.72 萬t，蔬菜已成為第一大農(nóng)產(chǎn)品[1-3]。并且我國直接從事蔬菜生產(chǎn)勞動力約占全國人口的7.7%，帶動了超過8 000 萬人口就業(yè)[4]，蔬菜產(chǎn)業(yè)逐漸成為農(nóng)民增收、帶動地區(qū)脫貧致富的重要產(chǎn)業(yè)之一。

我國蔬菜種植分為6 個區(qū)域，分別是長江流域蔬菜區(qū)、黃淮海與環(huán)渤海蔬菜區(qū)、華南與西南熱區(qū)蔬菜區(qū)、北部高緯度蔬菜區(qū)、云貴高原蔬菜區(qū)和黃土高原蔬菜區(qū)。其中，云貴高原蔬菜區(qū)為我國秋冬季節(jié)蔬菜主要產(chǎn)區(qū)[5]。云貴地區(qū)夏秋蔬菜可以大大緩解北方地區(qū)秋冬和早春蔬菜價格高和供應(yīng)不足等問題，因此貴州等地蔬菜產(chǎn)業(yè)對推動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)人口就地就業(yè)、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用，是一些地區(qū)精準(zhǔn)扶貧和實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要舉措。

但是，我國蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化目前還處于起步階段，水平低且發(fā)展不平衡，水肥管理粗放，中耕機(jī)械和收獲機(jī)械幾乎空白[6]，針對蔬菜等小粒作物的播種機(jī)械研究較少。目前，我國蔬菜設(shè)施主要分布在山東、河南、河北等華北地區(qū)，而西北地區(qū)和云貴川一帶蔬菜產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，特別在播種環(huán)節(jié)大都采用人工播種，工作效率低，費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重制約農(nóng)戶從事蔬菜種植的積極性。加之西南和西北部分地區(qū)常年缺水干旱，怎樣在農(nóng)作物種植環(huán)節(jié)減少水分損失尤為關(guān)鍵。覆膜能夠減少地表水分無效蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤蓄水和彌補(bǔ)增加種植密度時導(dǎo)致的產(chǎn)量減少風(fēng)險[7-9]，所以蔬菜膜上直播機(jī)的研制對于西北、西南等丘陵地區(qū)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為關(guān)鍵。本文在介紹當(dāng)前蔬菜小粒膜上精量播種機(jī)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，總結(jié)當(dāng)前的膜上蔬菜播種機(jī)械研究現(xiàn)狀及存在問題并提出解決措施，為蔬菜膜上精量播種機(jī)的進(jìn)一步研制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 膜上精量播機(jī)研究現(xiàn)狀

國外對于蔬菜播種機(jī)的研制開發(fā)研究較早。近年來由于免耕技術(shù)與保護(hù)性耕作技術(shù)的大力推廣,以及精密播種技術(shù)的發(fā)展，美國、澳大利亞、俄羅斯、巴西、贊比亞等國家主要以研究免耕播種機(jī)為主，對于鋪膜播種機(jī)械研究較少[10-12]。

目前大多數(shù)國內(nèi)蔬菜播種采用先播種后覆膜，后續(xù)在出苗前人工打孔或者機(jī)械打孔放苗，費(fèi)時費(fèi)力。我國對蔬菜膜上播種機(jī)的研究起步于20 世紀(jì)80 年代,隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與手段的不斷創(chuàng)新,國內(nèi)學(xué)者更多側(cè)重于輪式穴播機(jī)相關(guān)精密播種技術(shù)的研究，鋪膜播種機(jī)除滿足常規(guī)播種性能指標(biāo)參數(shù)外，還必須減少對鋪設(shè)地膜的損傷，且必須保證播種穴孔與膜孔無錯移現(xiàn)象，避免后續(xù)人工再次放苗，降低勞動作業(yè)強(qiáng)度[13]。

膜上精量播種是種子、播種機(jī)和種植農(nóng)藝等多項(xiàng)因素的有機(jī)結(jié)合。播種機(jī)實(shí)現(xiàn)膜上精量播種的關(guān)鍵在于排種器，分為機(jī)械式和氣力式[14-15]。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造，但機(jī)械式膜上精量排種器對種子的外形尺寸要求嚴(yán)格，適用范圍較窄，容易損傷種子，作業(yè)速度較低；氣力式排種器，其充種和排種依靠氣流來實(shí)現(xiàn)。氣力式精量排種器對種子外形要求較低，不易損傷種子，并且可以實(shí)現(xiàn)單粒精量播種[16]。

1.1 國內(nèi)機(jī)械式膜上精量播種機(jī)

我國對膜上機(jī)械式精量播種機(jī)的研究開展較晚，20 世紀(jì)90 年代開始，在精量排種器理論和整體結(jié)構(gòu)形式上取得突破性進(jìn)展，研究大多數(shù)是針對玉米、大豆、馬鈴薯等較大的顆粒種子。

趙成龍[17]等針對西部旱區(qū)鋪膜后播種設(shè)計(jì)了一種2BZ-4 全膜雙壟溝精密播種機(jī)。此機(jī)型可以滿足多種農(nóng)作物的精密播種，特別適用于西北、西南等干旱缺水地區(qū)播種。趙武云[18]等為了解決傳統(tǒng)膜上播種機(jī)容易破壞膜，設(shè)計(jì)了一種玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機(jī)，該播種機(jī)操能夠?qū)崿F(xiàn)滿足一定范圍內(nèi)的不同株距、播種深度農(nóng)作物播種，具有一定的通用性。為了解決西部等干旱地區(qū)玉米膜上播種，石林榕[19]等研制了一種電驅(qū)式小型玉米膜上穴式直播機(jī)，該直播機(jī)插膜空隙較小，播種合格率在90%以上，并且該播種機(jī)的一種后輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以滿足不同鋪膜方式，使整機(jī)保持平穩(wěn)運(yùn)行。該播種機(jī)采用電驅(qū)式，適用在小塊地，操作靈活，

綜上，直插式播種方式能夠克服傳統(tǒng)膜上播種機(jī)具作業(yè)所產(chǎn)生的地膜損傷、種穴與幼苗錯位等問題，可以為蔬菜機(jī)械式膜上播種機(jī)提供參考，但上述機(jī)器的可靠性、耐久性與作業(yè)效率的提升仍需持續(xù)開展研究。

針對水稻旱作直播機(jī)存在的問題，姚東偉[20]等設(shè)計(jì)了一種水稻旱作穴播施肥為一體的同步精量施肥水稻旱穴播機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)精量化均勻施肥和水稻旱作播種，適宜免耕施肥播種,播種行距和穴距可以調(diào)整，并克服了因?yàn)榈竟韧鈿げ还饣瑢?dǎo)致排種器堵塞及種子棚架等問題。針對膜上成穴機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)時易粘土、撕膜等問題，廖喜慶[21]等設(shè)計(jì)了一種法蘭式滾輪與螺紋式圓錐型錐釘組合式結(jié)構(gòu)的打孔裝置。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小粒種子膜上打孔播種。劉曉東[22]等在花生播種機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種兼具起壟、施肥、噴藥、鋪膜及播種機(jī)，并設(shè)計(jì)仿形機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同土壤環(huán)境下運(yùn)作。針對部分西部丘陵地區(qū)大型播種機(jī)無法正常工作，余斌[23]等設(shè)計(jì)了小型手推精量穴播機(jī)，可以膜上播種，操作簡單、靈活。戴飛[24]等設(shè)計(jì)了一種玉米膜上氣動直插穴播機(jī)，并對成穴運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，得出其穴播機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。胡云[25]等針對四川丘陵地區(qū)缺水、水資源利用不高等問題研制了穴灌智能控制、精量穴播、施肥和覆膜四位一體機(jī)，大大提高種植環(huán)節(jié)的效率。胡靖明[26]等設(shè)計(jì)一種人工手推式油菜精量膜上穴播機(jī)，通過采用不同尺寸的窩孔排種輪可以適用不同種粒大小和播種量要求。

1.2 國內(nèi)氣力式膜上精量播機(jī)研究現(xiàn)狀

排種器是氣力式播種機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，分為氣吸式、氣壓式、氣送式3 種類型。氣力式是精密播種應(yīng)用最廣泛的方式。氣力式排種器可以很大程度提高機(jī)器的工作速度，且對種子的形狀與大小要求不是很嚴(yán)格，非常適用于精密播種[27-28]。

針對大多數(shù)農(nóng)作物形狀不規(guī)則、質(zhì)量較輕和機(jī)械式容易損傷種子等特點(diǎn)，國內(nèi)部分學(xué)者開始研究氣力式膜上精量播種機(jī)。賈洪雷[29]等設(shè)計(jì)一種自吸式綠豆精密排種器，該排種器可以滿足丘陵等小塊山區(qū)精密播種并且其抗山地地勢不平干擾，可以在排種器傾斜條件下正常工作；邱兵[30]等設(shè)計(jì)了一種結(jié)合振動和氣吸式精密穴播機(jī)，并對吸嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足雜交水稻穴播農(nóng)藝要求。針對西南丘陵山區(qū)小塊地馬鈴薯機(jī)械化播種，王鳳花[31]等設(shè)計(jì)了一種單行氣吸式微型薯精密播種機(jī)，兼具開溝、播種和覆土作業(yè)。針對西北地區(qū)干旱缺水需鋪膜播種特點(diǎn)，石林榕[32]等研制了一種彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器，結(jié)合氣吸式滾輪播種器能夠?qū)崿F(xiàn)膜上精密播種，并對其吸種盤進(jìn)行優(yōu)化，找到播種機(jī)最佳工作參數(shù)。為了應(yīng)對蔬菜等小粒種子難以實(shí)現(xiàn)精密播種的困境，楊昌敏[33]等研制了一種氣力式滾筒式育苗排種器，并對其氣室壓力和滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析得到最佳組合。張開興[34]等研制一種變粒徑雙圓盤結(jié)構(gòu)的小粒蔬菜種子氣吸式精量排種器，能夠很方便實(shí)現(xiàn)不同粒徑種子的精量播種，提高了其通用性。

2 存在的問題

國內(nèi)對于鋪膜精量播種機(jī)的研究起步較晚，。目前，針對對蔬菜等小粒作物的膜上精量播種研究較少幾乎空白，雖然我國的播種機(jī)械已從被動仿制進(jìn)入基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)時期，但目前圍繞蔬菜播種機(jī)械的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究還未形成一整套技術(shù)體系，存在以下幾點(diǎn)不足：

（1）創(chuàng)新能力不足。由于國內(nèi)種設(shè)備是在研究國外同類型基礎(chǔ)上發(fā)展而來，性能還不夠完善，缺乏集成度、精度高的播種成套設(shè)備。

（2）氣力式播種機(jī)應(yīng)用小。雖然氣力式播種機(jī)相比機(jī)械式其精密播種效果更佳，對種子的破壞損傷小、播種效率高，但在蔬菜播種機(jī)機(jī)器上，大部分處于樣機(jī)階段，停留在實(shí)驗(yàn)室中。

（3）區(qū)域發(fā)展不平衡。東部地區(qū)地勢平坦，面積大，土壤松散，適合大型膜上蔬菜播種機(jī)械作業(yè)，而西部特別是西南貴州、四川和廣西等丘陵地塊小，土壤粘，不適用北方機(jī)械，導(dǎo)致其機(jī)械化程度低，其蔬菜播種種植環(huán)節(jié)機(jī)械化更為薄弱。

（4）種業(yè)裝備企業(yè)規(guī)模小。國內(nèi)蔬菜農(nóng)機(jī)企業(yè)主要集中在河南、山東、新疆和東北等地，其他地區(qū)種業(yè)裝備企業(yè)規(guī)模相對較小，制造加工粗糙，產(chǎn)品無法達(dá)到精量播種，加工標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

（5）科研投入少。國內(nèi)蔬菜膜上播種機(jī)械起步晚，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、系列化、規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化需要一定的時間和空間。

3 發(fā)展趨勢和建議

（1）加大自主研發(fā)力度。國外的蔬菜播種機(jī)大多數(shù)為大型機(jī)器，成本高，不適合大量引進(jìn)，應(yīng)加大對核心技術(shù)的研發(fā)，生產(chǎn)出有利于本地蔬菜種植機(jī)器。

（2）提高蔬菜膜上播種機(jī)通用性。大力研發(fā)能自動調(diào)節(jié)孔徑的排種器，這樣就可以滿足不同種粒尺寸大??；并且應(yīng)該加大對蔬菜膜上播種裝備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其能夠根據(jù)農(nóng)藝要求靈活調(diào)節(jié)行距、株距、播種深度和播種量等，提高機(jī)器通用性。

（3）應(yīng)用新型材料和工藝。蔬菜膜上播種機(jī)的排種盤、觸土部件鴨嘴等關(guān)鍵部件，其加工精度和制造要求高，可以采用新型材料和先進(jìn)的加工工藝，提高播種質(zhì)量，增加穴播機(jī)的使用壽命。

（4）因地制宜。東部地區(qū)利用其優(yōu)越的地理環(huán)境發(fā)展大型機(jī)器，西北旱區(qū)等丘陵地區(qū)，結(jié)合自身?xiàng)l件大力研制適合本地蔬菜膜上播種的機(jī)型。

（5）結(jié)合蔬菜種子農(nóng)藝要求。加大對蔬菜種子基礎(chǔ)理論研究，掌握蔬菜種子的物理特性，建立多種完善的種子數(shù)據(jù)庫,針對蔬菜種子的特性研制出專門的蔬菜膜上精量播種機(jī)。