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　　玉米育種播種機械化國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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%，可貢獻高達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，玉米新品種的貢獻率達到35%左右。

現(xiàn)階段，許多育種工作者認(rèn)識到選育新品種是一個系統(tǒng)化的工程，玉米育種試驗系統(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)先項目，玉米育種的每個關(guān)鍵步驟都貫通著機械化和電子化以保證試驗的準(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，對于玉米育種機械化技術(shù)的相關(guān)研究越來越被重視。但我國農(nóng)業(yè)小區(qū)育種試驗工作基本上采用人工或部分利用大田播種機械進行半機械化作業(yè)，測試方法落后，直接影響著新技術(shù)和新品種的研究，因此對玉米育種專用機械的需求越來越迫切。由于育種目標(biāo)是多個優(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，最好每個群體達到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行成千上萬個小區(qū)試驗，并且所有小區(qū)的試驗要在同1天完成，以減少時間與氣候變化對試驗結(jié)果的影響。

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

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小區(qū)劃分成不同規(guī)格的地塊。根據(jù)不同試驗的內(nèi)容，試驗小區(qū)的長度也不同，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，其結(jié)構(gòu)原理根本無法滿足小區(qū)育種試驗的要求，因此促使了小區(qū)播種機的出現(xiàn)和發(fā)展。

特別是發(fā)達國家，自20世紀(jì)30年代開始對種子繁育機械化技術(shù)裝備進行研究，已建立了完善的機械化和信息化種業(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)作物田間性能試驗和重要性狀檢測的理論、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械化生產(chǎn)及檢測設(shè)備應(yīng)用小區(qū)專用精量播種機。在育種試驗中已得到大面積的推廣應(yīng)用，自動供種，自動清種，小區(qū)之間不需要停機，比簡單的依靠人工作業(yè)和部分大田機械替代作業(yè)，效率可提高數(shù)十倍，并且能夠保證小區(qū)育種試驗的準(zhǔn)確性。目前，國外生產(chǎn)玉米育種播種機的企業(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)的典型播種機如圖1~6所示。

小區(qū)播種機最核心的部分是排種器，排種器的性能決定了整機的作業(yè)效果。根據(jù)不同育種試驗的作業(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

圖2  Wintersteiger氣吸式小區(qū)精播機

圖3  Maquinarium氣吸式小區(qū)精播機

圖4  Huldrup氣吸式小區(qū)精播機

圖5  SRES氣吸式小區(qū)精播機

圖6  Baural氣吸式自走小區(qū)精播機

圖7  錐體格盤式

圖8  錐體皮帶式

玉米育種試驗中，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。對于發(fā)芽率較低的種子，為保證試驗小區(qū)的苗數(shù)達到試驗精度的要求，通常需要采用條播播種再后期間苗的方式，此時育種單位會使用帶有錐體格盤式或錐體皮帶式排種器的小區(qū)播種機進行播種作業(yè)，這種播種機能將份量的種子均勻的播種在小區(qū)行長內(nèi)，無殘留余種，與下個小區(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。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)動至落種口排出，種腔被1個可旋轉(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)播種機與大田播種機不同之處還包括供種方式及小區(qū)行長控制方式。由于小區(qū)育種試驗需要份量供種，每個小區(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，與大田播種機存在差異（大田播種機通過種箱供種）。

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種子分份并裝袋，播種時按照排好的小區(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，需要落種的時候就將種盒往前推進1格，種子由落種口落下進入各行排種單體的排種器中，優(yōu)點在于不需要人工參與投種，操作簡便，只需要將種盒排放置在分種器上即可，缺點是備種期間裝盒工作量大，一旦順序排錯不易糾正，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構(gòu)，從備種、分種、裝盒和排列全部實現(xiàn)了機械自動化，播種全程不需要人工參與，代表了目前最先進的分種技術(shù)，具體實物如圖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)播種機的另1個獨特之處在于需要具備小區(qū)行長控制功能，目前常用的行長控制模式有以下4種。

①鋼索模式是在播種作業(yè)時需要在地頭將鋼索一端固定，另一端自由，鋼索總長度要大于地頭長度，鋼索上每隔1個行長加1個區(qū)間道的長度固定1顆鋼球，鋼索穿過播種機上的鋼索探測裝置，當(dāng)探測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)點在于小區(qū)行長控制精確，區(qū)間道對齊效果較好，缺點是1套鋼索只能對應(yīng)1種行長配置，無法自由調(diào)節(jié)行長與區(qū)間道的長度。

②測程輪模式是在播種機后面設(shè)置1個被動行走輪，電控程序通過測量被動行走輪的行走距離來判斷播種機的位置，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)點是小區(qū)行長和區(qū)間道長度可以通過程序自由設(shè)定，操作簡便，缺點是由于測程輪存在打滑，小區(qū)行長有一定誤差，導(dǎo)致橫向的區(qū)間道對齊效果較差。

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

④GPS導(dǎo)航模式是通過GPS測定播種機的位置，將位置信號反饋給電控程序，從而在機器到達小區(qū)終點和下一個小區(qū)起點的時候啟動清種和落種裝置，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖17所示。

該模式操作簡便，精度高，已被各個小區(qū)播種機生產(chǎn)商廣泛應(yīng)用，缺點是成本較高，配備GPS的機型通常售價都在100萬元以上。饋給電控程序，從而在機器到達小區(qū)終點和下一個小區(qū)起點的時候啟動清種和落種裝置，完成小區(qū)間不同品種種子的更換，如圖17所示。該模式操作簡便，精度高，已被各個小區(qū)播種機生產(chǎn)商廣泛應(yīng)用，缺點是成本較高，配備GPS的機型通常售價都在100萬元以上。

圖14  鋼索模式

圖15  測程輪模式

圖16  測程輪+鋼索矯正模式

圖17  GPS模式

2  國內(nèi)研究現(xiàn)狀

小區(qū)育種試驗使用的種子品種較多，試驗地塊小，有時還會分散不規(guī)則，在國內(nèi)還沒有實現(xiàn)播種機械化，通常采用人工和半機械化播種，如圖18和圖19所示。少數(shù)大型種子公司或國家級、省級的農(nóng)科院有能力采購進口的小區(qū)播種機，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，育種研究人員多年來都采用人工或半機械化播種，不僅勞動強度大，耗費工時，播種的時長被延長，出苗均勻性差，受外界因素影響較大，直接影響育種試驗的精度。

國內(nèi)玉米育種播種機械的研制僅處于起步階段。早在20世紀(jì)80年代，我國就引進了國外的小區(qū)播種機，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，長期處于停滯階段，同時由于小區(qū)播種機的研制周期長，研發(fā)成本高，市場小，投入產(chǎn)出比較低等因素，導(dǎo)致農(nóng)機制造企業(yè)對該領(lǐng)域不感興趣，大企業(yè)不愿意投入，小企業(yè)沒能力投入，造成我國品種試驗田間試驗機械化水平低下，小區(qū)播種機的研發(fā)長期處于空白。

圖18  人工播種

圖19  半人工播種

近年來，隨著國家對種業(yè)發(fā)展的重視，也意識到種業(yè)機械化的迫切性，逐漸加大了對該領(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《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)尚書旗團隊依托此課題組織相關(guān)單位研制了玉米小區(qū)精密點播機和玉米小區(qū)條播機等小區(qū)播種機械，積極探索智能電控和北斗導(dǎo)航等新技術(shù)在小區(qū)播種機械上的應(yīng)用，突破了份量供種、自動供種、排種自凈和行長精確控制等關(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)我國品種試驗作業(yè)要求的智能電控系統(tǒng)，并由中機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，成功填補了國產(chǎn)小區(qū)播種機的空白，完全可以替代同類進口產(chǎn)品，使得購機成本大大降低。

圖20  玉米小區(qū)精量播種機

圖21  玉米小區(qū)條播機

3  發(fā)展趨勢及展望

目前國外的育種機械已發(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試驗結(jié)果的影響降到最低是各大育種機械廠商努力的研究方向。而我國由于育種機械的發(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。

通過對玉米小區(qū)精密播種機械化技術(shù)的研究，可以提高小區(qū)育種試驗的準(zhǔn)確度，更好地發(fā)揮農(nóng)作物優(yōu)良品種對糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收的作用，對加快中國種子的繁育進程、縮短優(yōu)良玉米品種選育周期、推動中國良種工程和整個種業(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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