马铃薯播种机具研究进展

刘文政，何　进，李学强，魏忠彩，章志强，郑　侃，赵宏波，张宇帆

(1.中国农业大学 工学院，北京　100083；2.山东省马铃薯生产装备智能化工程技术研究中心，山东 德州　253600；3.山东希成农业机械科技有限公司，山东 德州　253600)

0　引言

马铃薯是一种产量高、营养丰富、加工用途广且生长期短的粮食作物，在世界范围内种植广泛，是世界四大主要粮食作物之一，对保障世界粮食安全具有重要意义[1]。我国马铃薯种植已有300年多的历史，具有种植面积大、分布范围广等特点，目前已成为世界第一大马铃薯生产国。据联合国粮农组织统计，2014年我国马铃薯总产量和种植面积分别占世界的19%和29%[2]。2015年初，国家提出马铃薯主粮化发展战略，将其列为继小麦、水稻、玉米之后的第四大主粮作物[3]。2016年2月，农业部正式发布《关于推进马铃薯产业开发的指导意见》，意味着我国马铃薯产业发展进入快车道[4]，而发展马铃薯种植机械化对于促进马铃薯产业的发展起着至关重要的作用。

播种是马铃薯生产过程中关键环节之一，播种质量直接影响马铃薯收获、产量和品质[5-6]。我国虽然是马铃薯生产大国，但迄今为止国内很多地区依然采用人工或半机械化播种作业，劳动强度大、生产效率低、作业质量差、生产成本高，严重制约着国内马铃薯产业的发展。20世纪初，欧美一些国家开始对马铃薯播种技术与机具展开相关研究；20世纪40-60年代，美国、加拿大等发达国家已基本实现马铃薯播种机械化；20世纪50年代末至60年代初，国内开始对马铃薯播种机械开始研究[7-8]，但同国外先进机具相比，在机具性能稳定性、作业质量和播种精度等方面与发达国家尚存在一定差距[9]。因此，了解和掌握马铃薯播种机及其关键部件主要类型和特点，探讨存在的主要问题，对于我国马铃薯机械化播种机具的研究和推广具有重要意义。

1　马铃薯机械化种植面积分析

图1为2008-2014年我国马铃薯种植面积变化图[10]。由图1可以看出：2008-2014年全国马铃薯播种面积、马铃薯机耕面积及机播面积均呈逐年增加的趋势，2014年马铃薯播种面积为5 573.30khm2，比2008年增长了19.51%，年平均增长率在3%以上。其中，2008-2009年播种面积增长率达到8.95%，增长幅度较大。马铃薯机耕面积方面：2014年为3 039.55khm2，比2008年增长了77.39%，年平均增长率10.02%，增长速度较快。其中，2008-2011年年均增长速度接近15%。马铃薯机播方面：2014年为1 320.09khm2，较2008年增长了17.66%，增长速度很快。其中，2008-2009年及2010-2011年机械播种面积增长率均在32%以上。整体来看，随着马铃薯耕作及播种机械化水平的提升，马铃薯播种面积呈逐年增长的趋势，但国内马铃薯种植机械化水平依然很低。其中，机械化耕作面积不足马铃薯播种面积的1/2，机械化播种面积不足马铃薯播种面积的1/5。马铃薯种植大部分靠人工进行作业，对我国马铃薯产业的发展起到制约作用，推进马铃薯播种机械化势在必行。

图1　2008～2014年全国马铃薯种植面积变化图

2　马铃薯播种机主要结构类型

马铃薯播种机的核心部件是排种器，由工作原理可分为勺式、气力式、带式、转盘式和刺针式等类型。

2.1勺式马铃薯播种机

勺式马铃薯播种机是目前使用最为普遍的一类播种机具，根据播种机自动化程度的高低将其分为全自动化和半自动化。勺式排种装置是此类播种机的核心部件，根据驱动方式的不同，可分为带勺式和链勺式两种。其工作原理为：种薯受重力作用流动到种箱底部充种区，破拱装置贴着种箱壁小幅振动，搅动种薯以免结拱；主动轮从播种机地轮获得动力带动排种器运转，充种区一侧的排种链(带)向上运动，链(带)上的种勺依次舀取种薯；待种勺运动至清种区，由振动式清种装置清除种勺内多余种薯，被清除的多余种薯回落至种箱；种勺到达最高点后，种薯下落至前一种勺的勺背上，种勺勺背与导种管配合拖住种薯，防止种薯自由下落；种勺携带种薯运动至投种点，种薯由于失去支持力，下落至开沟器开好的种沟内，完成排种[5,11]。带勺式排种装置结构简单，造价较低，易于增设振动装置，并且能够更好地协调排种器与拖拉机之间的速度关系；但其容易打滑，致使传动可靠性降低，难以保证株距均匀性；链勺式排种装置具有较好的传动性能，但往往会出现破坏薯种幼芽、影响发芽率的现象，进而影响马铃薯的产量[12]。

2.1.1全自动勺式马铃薯播种机

全自动勺式马铃薯播种机主要由勺式排种装置、施肥装置、机架、开沟器、地轮也及起垄覆土装置等几部分组成，一次进地可完成开沟、施肥、播种、起垄覆土等多项作业[13]。根据与拖拉机配套形式的不同，全自动勺式马铃薯播种机又可分为悬挂式和牵引式两种。拖拉机牵引或悬挂播种机进行田间作业时，开沟器开沟，地轮随拖拉机前进并通过链轮和链条为播种和施肥装置提供动力，肥料通过施肥器进入施肥管，经开沟器施入土壤；勺式排种装置将种薯播至沟床，其后的起垄覆土装置进行起垄覆土，完成马铃薯播种全过程。

现有典型机具如中机美诺科技股份有限公司生产的1240A型4行马铃薯播种机，如图2所示[14]。

图2　1240A型马铃薯播种机

该机与拖拉机配套形式为牵引式，采用带勺式排种装置，通过异形种杯皮带产生的振动进行清种；开沟器采用双圆盘机构，施肥单元运用双侧深施肥技术，所需配套动力74.5kW以上。由乐陵市天成工程机械有限公司与山东理工大学、山东省农业机械科学院共同研制的2CMX-4B型4行马铃薯播种机[15]，采用三点悬挂式结构，机具前端的开沟器为双面犁尖式，排种器为链勺式且外设护罩，地轮为主动传动机构，可根据不同的速比调整株距；机具后端的起垄覆土装置为弧形圆盘式扶土盘，加有喷药系统。该机播种行距90cm，适应株距14.5～47cm，需配套动力92kW以上。德国Grimme公司生产的GL32F型双行马铃薯播种机[16-17]如图3所示。该机采用三点式悬挂结构，机具前端为螺旋推进式施肥系统，设置倾斜圆盘覆土装置，可实现在种薯两侧进行颗粒施肥，施肥量200～1 500kg/hm2；播种单元采用带勺式排种装置，适应行距75～90cm，配有平行四边形结构的犁铧开沟器，以保证种薯深度的精确性；机具后端除标准配置的圆盘式覆土器，还配置有后悬挂支架系统，为用户提供丰富的选装部件，如做垄型、镇压等，同时配有机器监控视频系统，需动力50kW以上。英国Standen公司生产的SP400型4行马铃薯播种机[18]，与拖拉机配套形式为三点悬挂式，排种器采用链勺式排种装置，开沟器为不锈钢材料，机身配备重型底盘，起垄覆土装置采用起垄犁体机构，同时可配备有自动限深装置及液压转向装置等。该机播种株距13～45cm，需配套动力95.6kW以上。

图3　Grimme 32F型马铃薯播种机

2.1.2半自动勺式马铃薯播种机

半自动勺式马铃薯播种机主要由勺式排种装置、施肥装置、机架、开沟器、地轮、补种座及起垄覆土装置等几部分组成，一次进地可完成开沟、施肥、播种、起垄覆土等多项作业。有些机型根据农艺需要，设有铺膜系统。该类播种机为小机型，一般采用链勺式排种机构，为保证较高单种取种率、降低漏播率，增设人工补种这一环节，从而增加了人工劳动强度。

现有较典型机具，如青岛洪珠农业机械有限公司生产的2CM-1/2型大垄双行覆膜马铃薯播种机[19]。该机采用三点悬挂机构，采用链勺式排种装置，中部设有补种座供工作人员补种时使用，后部除标准配置的起垄覆土装置外，还设有铺膜、铺设滴灌管等装置。

该机工作深度8～15cm，播种行距24～28cm，株距20～35cm，施肥量0～6000kg/hm2，且这些参数均可调，提升了机具的作业适应性，需配套动力22kW以上。青岛璞盛机械有限公司生产的2CM-2A型单垄双行马铃薯播种机[20]，排种器采用链勺式排种装置，种箱加装电子振动播种装置，肥箱加装特制的双向绞龙叶片等自动搅拌装置，开沟器为双面犁尖式，地轮为外跨式承载轮，且机具后端采用起垄刀式扶垄器。该机播种株距28/31/34cm可调，行距22～28cm，与拖拉机配套型式为三点悬挂式，需动力29.4～36.8kW。

勺式马铃薯播种机性能对比如表1所示。由表1可知：全自动马铃薯播种机配套动力均在50kW以上，所需功率较大，播种行数多，作业效率高，一般为中大型机型；而半自动马铃薯播种机一般为国产小型机，机动灵活，适应性较强，适用于小地块作业，但需要人工补种，增加了人工劳动强度。在全自动马铃薯播种机中，1240A型与2CMX-4B型为国产机，GL32F型与SP400型为国外机型。从其自动化程度进行对比，国外机型采用液压传动系统并配备有电子或视频监控系统，自动化程度要高于国内同类机型；同时1240A型与GL32F型马铃薯播种机的排种器均为带勺式，排肥方式均采用双侧施肥技术，可有效避免烧种、烧苗。勺式马铃薯播种机具有结构简单、操作方便、适应性强等特点，是目前使用最为普遍一类机型。

表1　勺式马铃薯播种机性能对比

续表1

2.2气力式马铃薯播种机

气力式马铃薯播种机主要由气力式排种装置、施肥装置、机架、开沟器、地轮和覆土装置等几部分组成。气力式排种装置是气力式马铃薯播种机的核心部件，其借助气流作用进行充种、清种或携种，主要分为气吸式、气吹式、气压式和中央集排式等几种类型。相比于机械式排种器，气力式排种器具有以下优点：①对种子的外形尺寸要求不高，不需要对种薯进行分级处理；②株距调节方便，只需改变排种器的工作转速；③具有更好的通用性及更高的作业速度；④重播率、漏播率、种子破损率低；⑤更利于实现单粒精量播种[21-23]。

美国Crary公司生产的Lockwood600系列气吸式马铃薯播种机[24-25]，包括Lockwood604、606、608等3种型号，如图4所示。该机采用负压吸种方式，可对整薯或切块薯进行播种，与拖拉机配套形式为牵引式，其播种行数为4/6/8行；种薯箱采用大料斗设计，配有靴式开沟器。该系列播种机采用雷达控制的液压传动系统，并在机具轮轴上配备GPS导航系统，气吸式排种单元中配气阀配置有不锈钢材料的吸种臂且吸种臂端口安装有柔性聚氨酯材料的种薯杯，能够在较高的播种速度下保证投种位置的准确性，同时利用电子监控系统控制种子播量；除此之外，还配备有清洗及喷药系统。该机播种行距81.3～101.6cm，株距15.2～45.7cm，最大作业速度可达10.5km/h，所需动力103.0/132.4/165.5kW以上。目前，气力式马铃薯播种机在我国还未进行大面积推广使用，但对于气力式马铃薯排种技术与装备已开展相关研究。东北农业大学吕金庆等研制开发了2CMQ2型气吸式马铃薯排种器[26]，该排种器主要由吸种箱、种箱、配气阀、吸管接口、吹管接口和调节螺杆等部分组成。其工作原理为：当吸种臂与负压气室连通时，吸种臂在负压作用下从种箱中吸取种薯，并携带种薯随排种器同步转动；当吸种臂旋转至与正压气室连通位置时，吸种负压消失，种薯在正压及自身重力作用下落至开沟器开好的种沟内，实现排种作业。

2.3带式马铃薯播种机

带式马铃薯播种机主要由带式排种装置、施肥装置、机架、开沟器、地轮和起垄覆土装置等几部分组成。工作原理：种薯输送带和种植带以不同速度相向运动，以保证种薯不会从侧面漏出，种薯则从种植带上落入种沟[27]，该装置具有对薯种外形体积要求不高的优点。带式马铃薯播种机是近年来国外研制的一种新型播种机，目前我国还没有大面积推广使用。

图5为德国Grimme公司制造的GB330型3行带式马铃薯播种机[17,28]。该机采用牵引式挂接机构，取种方式采用水平差速传送带可实现高速取种，3个播种单元采用分段控制并通过液压进行单行驱动，且带有坡地调平装置；机具配备的施肥系统在种薯两侧进行颗粒施肥，犁铧式开沟器和垄成形装置均采用液压控制。该机型全部操作采用VC50操作终端进行控制，播种行距42cm，倾斜料斗容量3 000kg，作业速度最高可达12km/h，需配套动力60kW以上。荷兰Miedema公司生产的2000L型2行带式马铃薯播种机[29]，与拖拉机配套形式为三点悬挂式，整机采用液压驱动，且通过拖拉机上的电磁控制系统和人机操作界面系统进行控制，该机播种行距75～91cm，株距3.8～50cm，整机质量2 000kg，需动力73.5kW以上。

2.4转盘式马铃薯播种机

转盘式马铃薯播种机主要由转盘式排种装置、施肥装置、机架、开沟器、地轮及起垄覆土装置等部分组成，其排种器采用圆形状转盘，转盘上设有隔板，且隔板呈放射状分布，将转盘分成若干小格。工作时，地轮通过链条带动取种转盘下方的横轴而驱使排种器运行，取种转盘由锥齿轮连接的横轴带动旋转，取种转盘位于立轴上端；种薯由薯箱下端的开口处滑出，由人工将种薯从托盘处取出并放到转盘小格中，取种转盘下方的机架设有挡板和透过挡板的排种管；当带有种薯的转盘小格转到排种管口位置时，薯种由取种转盘拨入排种管，然后播种至开沟器开出的沟槽中。取种转盘式马铃薯播种机具有对种薯大小和形状没有要求，排种过程不伤薯、不卡种以及重漏播率低等优点；但由于需要人工放种，人工劳动强度大[23,30]。

东北农业大学研制的2CMB2型2行转盘式马铃薯播种机，主要针对地块较小、坡度较大的西南一、二季混作区和南方冬作区，一次作业可完成马铃薯(种薯、切块薯、微型薯)开沟、施肥、播种、起垄覆土及镇压等多项作业，抢农时，效率高，且农机农艺相结合适应性强，保证了马铃薯先进栽培技术的实施和播种质量[17]。意大利F.LLISPEDO公司生产的TPA-PP2型转盘式马铃薯播种机[31]，具有体积小、质量轻、作业灵活等特点，采用三点悬挂机构，机具前端左右两侧设有限深轮，后端两对覆土圆盘带有刮土板，一次进地作业行数为2行，整机质量192kg，需配套动力22kW以上。

2.5针刺式马铃薯播种机

针刺式马铃薯播种机主要用于美国，在20世纪80年代得到广泛应用，由针刺式排种装置、开沟器和覆土器等组成。其主要特点是对种薯大小和形状没有特定要求。工作时，开沟器开沟，针刺式排种装置则从种箱中通过针刺扎取种薯并随旋转圆盘旋转，至投种区在导种管和幅挡的共同作用下将种薯从针刺上拔出并落入种沟内，覆土器覆土，完成播种作业。试验及田间生产实践表明：薯块大小和形状对排种器的种植株距均匀度没有显著性影响，投种均匀度远比勺式播种机高；但针刺式排种装置对种薯有损伤，薯种间容易交叉感染病菌，且刺针易变形损坏，同时工作过程中刺针容易缠绕杂草和污泥，目前该类型播种机已很少采用[30,32]。

3　各类型马铃薯播种机的比较分析

通过各类型马铃薯播种机比较(见表2)表明：勺式马铃薯播种机在我国占据重要位置，但其存在重漏播率高、播种质量差及作业速度低等问题。随着对播种精度及作业效率要求日益提高，勺式马铃薯播种机需进一步完善其机具性能，提升自动化智能化程度。气力式马铃薯播种机对种子外形尺寸要求不高，作业速度快，种子破损率低且可实现精量播种，是未来发展趋势方向。转盘式马铃薯播种机因其自身作业灵活等特点，可加大在我国山地丘陵等地带进行推广。

表2　各类型马铃薯播种机比较

4　展望

4.1加大机具作业机理研究

当前，我国马铃薯播种机一般采用勺式马铃薯播种机，普遍存在重播和漏播率高、伤薯严重、播种质量差及故障率高等问题，对机具作业机理研究显得尤为重要[30]：①加强马铃薯播种机开沟、取种、投种、施肥、覆土等关键技术的研究，实现装备的高效低耗精量播种，并积极探索新工艺，使用新材料，完善产品性能，不断提升马铃薯播种机可靠性；②根据马铃薯机械化播种作业特点，对勺式马铃薯播种机进行优化改进，并借鉴现有小麦、玉米播种机及国外成熟经验，着力研究和开发气力式马铃薯播种机，实现精量高速播种。

4.2走自动化、智能化发展道路

自动化、智能化马铃薯播种机是未来发展的一个重要方向，具有以下优点[23,34-35]：①实现高速、精确及无损播种，同时可实时监测、控制自动补偿，降低种薯播种过程中的重播和漏播率，提升播种质量和作业效率；②降低马铃薯播种劳动强度，减少机械播种作业过程中的能源消耗，同时通过自动化、智能化施肥播种系统对肥料、种薯的施用量进行精准控制，降低生产成本；③可以有效降低马铃薯播种机的操作难度，进而降低对操作人员的文化程度及劳动能力的要求。

4.3农机农艺结合

我国马铃薯种植区域分布广，区域差异较大，种植模式与种植制度多样，严重阻碍了马铃薯播种机械化的发展。农机农艺相结合是解决这一问题的关键，应从以下几个方面入手[24,36]：①研究不同地区、不同种植模式下的机械化适应性，并研究借鉴国外的机械化作业模式和作业路线，整合不同种植模式，大力推广高产、优质、高效的适合机械化作业的马铃薯种植模式；②针对不同的地形、地块的差异研究不同类型的马铃薯播种机，既要生产出适应小地块的机动灵活的小型机，又有针对大面积作业的大型机，从而提高作业效率，降低功率消耗；③加大马铃薯微型薯原种播种机的研发力度，为推广品质好的脱毒马铃薯种植提供基础条件，从而提高马铃薯增产幅度，增加粮食产量。

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