玉米育种播种机械化国内外现状及发展趋势

玉米是世界上3大主要粮食作物之一，其栽种总面积仅次于水稻和小麦，居于第3位。中国玉米种植面积和总产量居世界第2位，仅次于美国。种子的品质是粮食产量的基本保证，研究表明，种植优良品种的产量可增加5%～10%，可贡献高达50%的农业产值。

近年来，中国玉米单产和总产的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多增产因素中，玉米新品种的贡献率达到35%左右。

现阶段，许多育种工作者认识到选育新品种是一个系统化的工程，玉米育种试验系统的现代化程度成为了成功选育新品种的关键性因素，尤其是国外知名种子公司如先锋公司和孟山都公司等，都已将玉米育种手段现代化作为公司投资在育种上的优先项目，玉米育种的每个关键步骤都贯通着机械化和电子化以保证试验的准确度与精确度。

目前，玉米在我国粮食生产中的地位越来越重要，对于玉米育种机械化技术的相关研究越来越被重视。但我国农业小区育种试验工作基本上采用人工或部分利用大田播种机械进行半机械化作业，测试方法落后，直接影响着新技术和新品种的研究，因此对玉米育种专用机械的需求越来越迫切。由于育种目标是多个优良农艺性状的集合体，要想得到满足育种目标的自交系，必须要有足够大的选系群体。

在条件允许的情况下，最好每个群体达到5 000~10 000株，通过田间直接鉴定筛选育种试材，要满足育种需要，育种单位每年都需要进行成千上万个小区试验，并且所有小区的试验要在同1天完成，以减少时间与气候变化对试验结果的影响。

采用专用的小区播种机自动完成清种和换种，小区之间不必停机，使1个育种学家能规划和管理上千个小区，比采用人工或大田机械作业的方式，可使效率提高数十倍，播深一致性好等特点可使试验精度大大提高，缩小试验误差，可以扩大育种范围，加快试验进程，提高育种试验的工作效率。

1  国外研究现状

在选育作物品种的过程中，根据不同品种的不同要求需要将试验小区划分成不同规格的地块。根据不同试验的内容，试验小区的长度也不同，播种过程中要将一定量的种子均匀地播种到试验小区内，并且必须保证小区间不能发生混种，而普通的大田播种采用播种机，其结构原理根本无法满足小区育种试验的要求，因此促使了小区播种机的出现和发展。

特别是发达国家，自20世纪30年代开始对种子繁育机械化技术装备进行研究，已建立了完善的机械化和信息化种业技术体系，并将现代信息技术应用于种子繁育过程。在农作物田间性能试验和重要性状检测的理论、方法和技术方面有了较大突破，开发出了一系列田间作物机械化生产及检测设备应用小区专用精量播种机。在育种试验中已得到大面积的推广应用，自动供种，自动清种，小区之间不需要停机，比简单的依靠人工作业和部分大田机械替代作业，效率可提高数十倍，并且能够保证小区育种试验的准确性。目前，国外生产玉米育种播种机的企业主要包括奥地利的Wintersteiger公司、美国的Almaco和SRES公司、德国的Huldrup公司、法国的Baural公司以及巴西的Maquinarium公司等。各公司生产的典型播种机如图1~6所示。

小区播种机最核心的部分是排种器，排种器的性能决定了整机的作业效果。根据不同育种试验的作业要求，应用的排种器类型主要有2大类：一类为条播式排种器，包含锥体格盘式和锥体皮带式，如图7和图8所示；另一类为精播式排种器，以气吸圆盘式为主。

图1  Almaco气吸式小区精播机

图2  Wintersteiger气吸式小区精播机

图3  Maquinarium气吸式小区精播机

图4  Huldrup气吸式小区精播机

图5  SRES气吸式小区精播机

图6  Baural气吸式自走小区精播机

图7  锥体格盘式

图8  锥体皮带式

玉米育种试验中，不同品种的种植密度差异较大，发芽率的高低也不尽相同。对于发芽率较低的种子，为保证试验小区的苗数达到试验精度的要求，通常需要采用条播播种再后期间苗的方式，此时育种单位会使用带有锥体格盘式或锥体皮带式排种器的小区播种机进行播种作业，这种播种机能将份量的种子均匀的播种在小区行长内，无残留余种，与下个小区的种子不发生混种，保证苗数，但无法保证精确的株距，且后期间苗工作量较大。

目前应用最广泛的是带有具有自净功能的气吸圆盘式精量排种器的小区精播机。以Almaco公司的气吸圆盘式排种器为例，该排种器在种腔一侧设有清种装置，当1个小区的播种完成后，通过负压将残留的种子吸出，以保证不与下1个小区的种子发生混杂，其余工作方式与大田用气吸排种器无异，具体结构如图9所示。

图9  Almaco气吸圆盘式精量排种器

奥地利Wintersteiger公司设计了1种气吸螺旋槽盘式精量排种器，由径向槽盘和螺旋盘组合形成吸孔，种子被负压吸附在吸孔上随着盘转动至落种口排出，种腔被1个可旋转的模块分割成排种腔和清种腔，排种与清种过程互不影响，可以保证小区间的种子不发生混杂，同时排种器工作效率也大大提高，具体结构如图10所示。

图10  Wintersteiger气吸螺旋槽盘式精量排种器

除了排种器，小区播种机与大田播种机不同之处还包括供种方式及小区行长控制方式。由于小区育种试验需要份量供种，每个小区的品种都不一样，需要通过供种装置将种子输送到排种器中，与大田播种机存在差异（大田播种机通过种箱供种）。

常用的供种方式有2种：锥体均格式分种器和弹匣式分种器。锥体均格式分种器需要事先将试验种子分份并装袋，播种时按照排好的小区作业图，按小区顺序，由人工将种子依次倒入分种器的漏斗中，再由锥体均格均分后落入各行播种单体的排种器内，具体结构如图11所示。

弹匣式分种器需要事先将试验种子分份并装入到种盒中，种盒按照小区顺序排列在种盒托板上，在播种过程中，由程序控制，需要落种的时候就将种盒往前推进1格，种子由落种口落下进入各行排种单体的排种器中，优点在于不需要人工参与投种，操作简便，只需要将种盒排放置在分种器上即可，缺点是备种期间装盒工作量大，一旦顺序排错不易纠正，典型代表结构如图12所示。

美国Almaco公司最新开发了1套新型的弹匣式供种机构，从备种、分种、装盒和排列全部实现了机械自动化，播种全程不需要人工参与，代表了目前最先进的分种技术，具体实物如图13所示。

图11  锥体均格式分种器

图12  弹匣式分种器

图13  Almaco新型弹匣式分种器

玉米小区播种机的另1个独特之处在于需要具备小区行长控制功能，目前常用的行长控制模式有以下4种。

①钢索模式是在播种作业时需要在地头将钢索一端固定，另一端自由，钢索总长度要大于地头长度，钢索上每隔1个行长加1个区间道的长度固定1颗钢球，钢索穿过播种机上的钢索探测装置，当探测装置触碰到钢索上的钢球后，触发清种及落种的控制程序，完成小区间不同品种种子的更换，如图14所示。

该模式的优点在于小区行长控制精确，区间道对齐效果较好，缺点是1套钢索只能对应1种行长配置，无法自由调节行长与区间道的长度。

②测程轮模式是在播种机后面设置1个被动行走轮，电控程序通过测量被动行走轮的行走距离来判断播种机的位置，从而在小区开始与结束的位置开启清种和落种装置，完成小区间不同品种种子的更换，如图15所示。

该模式的优点是小区行长和区间道长度可以通过程序自由设定，操作简便，缺点是由于测程轮存在打滑，小区行长有一定误差，导致横向的区间道对齐效果较差。

③测程轮+钢索矫正模式将测程轮与钢索相结合，钢索上的钢球每隔2 m固定1颗，播种机的行走距离仍由测程轮测定，每2个钢球之间的距离是固定的，不存在误差，因此通过这个固定距离可以修正测程轮的测量误差，既可以自由设定行长，又能保证行长与区间道长度的精度，如图16所示。

④GPS导航模式是通过GPS测定播种机的位置，将位置信号反馈给电控程序，从而在机器到达小区终点和下一个小区起点的时候启动清种和落种装置，完成小区间不同品种种子的更换，如图17所示。

该模式操作简便，精度高，已被各个小区播种机生产商广泛应用，缺点是成本较高，配备GPS的机型通常售价都在100万元以上。馈给电控程序，从而在机器到达小区终点和下一个小区起点的时候启动清种和落种装置，完成小区间不同品种种子的更换，如图17所示。该模式操作简便，精度高，已被各个小区播种机生产商广泛应用，缺点是成本较高，配备GPS的机型通常售价都在100万元以上。

图14  钢索模式

图15  测程轮模式

图16  测程轮+钢索矫正模式

图17  GPS模式

2  国内研究现状

小区育种试验使用的种子品种较多，试验地块小，有时还会分散不规则，在国内还没有实现播种机械化，通常采用人工和半机械化播种，如图18和图19所示。少数大型种子公司或国家级、省级的农科院有能力采购进口的小区播种机，但大部分的育种单位由于高额的成本，没有能力配备小区播种机，育种研究人员多年来都采用人工或半机械化播种，不仅劳动强度大，耗费工时，播种的时长被延长，出苗均匀性差，受外界因素影响较大，直接影响育种试验的精度。

国内玉米育种播种机械的研制仅处于起步阶段。早在20世纪80年代，我国就引进了国外的小区播种机，并开展了一系列的研究工作，但由于各种原因并没有一直延续下来，长期处于停滞阶段，同时由于小区播种机的研制周期长，研发成本高，市场小，投入产出比较低等因素，导致农机制造企业对该领域不感兴趣，大企业不愿意投入，小企业没能力投入，造成我国品种试验田间试验机械化水平低下，小区播种机的研发长期处于空白。

图18  人工播种

图19  半人工播种

近年来，随着国家对种业发展的重视，也意识到种业机械化的迫切性，逐渐加大了对该领域的关注与投入。2012年国家成立了公益性行业（农业）科研专项《作物品种小区精确种植与收获装备研发》，青岛农业大学尚书旗团队依托此课题组织相关单位研制了玉米小区精密点播机和玉米小区条播机等小区播种机械，积极探索智能电控和北斗导航等新技术在小区播种机械上的应用，突破了份量供种、自动供种、排种自净和行长精确控制等关键技术，自主研发了具有自净功能的精量排种器等关键部件，自主开发了适应我国品种试验作业要求的智能电控系统，并由中机美诺科技股份有限公司形成了成熟定型产品，如图20和图21所示。

该类产品实现了批量生产与销售，获得了育种单位的认可，成功填补了国产小区播种机的空白，完全可以替代同类进口产品，使得购机成本大大降低。

图20  玉米小区精量播种机

图21  玉米小区条播机

3  发展趋势及展望

目前国外的育种机械已发展得非常成熟，新技术更新都集中在智能化和信息化方面。如何使得播种效率更高、如何将环境因素及人为因素对试验结果的影响降到最低是各大育种机械厂商努力的研究方向。而我国由于育种机械的发展处于刚刚起步的阶段，虽然取得了一定的成果，但是在应用推广、农机农艺融合和新技术开发等方面仍面临不少困难。

通过对玉米小区精密播种机械化技术的研究，可以提高小区育种试验的准确度，更好地发挥农作物优良品种对粮食增产、农业增效和农民增收的作用，对加快中国种子的繁育进程、缩短优良玉米品种选育周期、推动中国良种工程和整个种业的发展具有重要意义。

本文来源于2018年6期《农业工程》杂志（中国科技核心期刊），作者：杨薇，李建东，方宪法，尚书旗，杜旺旺

杂志订阅：进入农业机械微店

论文投稿：www.d1ae.com（在线投稿）

nygc_2011@163.com（邮箱投稿）