水稻秧盤育秧播種技術(shù)與裝備的研究

水稻秧盤育秧播種技術(shù)與裝備的研究

0水稻秧盤育秧的主要種植設(shè)備目前，水稻栽培技術(shù)主要有兩種水稻栽培技術(shù)：水稻栽培和苗移植技術(shù)。美國(guó)、澳大利亞、意大利和其他歐美國(guó)家主要采用栽培，而亞洲主要采用水稻和苗木移植技術(shù)。在水稻育秧移栽種植技術(shù)中,秧盤育秧是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,為實(shí)現(xiàn)水稻拋、插秧栽植機(jī)械化,需研制用于缽體苗和毯狀苗兩種類型的秧盤育秧播種流水線,這是實(shí)現(xiàn)水稻種植機(jī)械化的重要保障。隨著工廠化秧盤育苗技術(shù)的推廣,以及在蔬菜、花卉秧盤育苗方面研制出較成熟的設(shè)備基礎(chǔ)上,亞洲的日本、韓國(guó)等從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研發(fā)適用于水稻秧盤育秧的播種設(shè)備。國(guó)內(nèi)也在消化吸收國(guó)外育秧播種設(shè)備基礎(chǔ)上,從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始研制水稻育秧流水線,隨著水稻新品種的出現(xiàn),水稻育秧工藝不斷改進(jìn)與完善,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水稻秧盤育秧播種流水線的機(jī)械化及自動(dòng)化水平也在逐步提高。1水稻育秧播種體制及設(shè)備水稻秧盤育秧流水線作為水稻育秧機(jī)械化的主要研究裝備,經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展歷程,在滿足不同地區(qū)水稻種植農(nóng)藝要求的條件下,已有了較大發(fā)展,較完備的播種育秧流水線主要包括秧盤供送、鋪底土、壓實(shí)、播種(撒播、條播、精播)、覆表土、淋灑水、取秧盤等關(guān)鍵工序,其發(fā)展的現(xiàn)狀如下:國(guó)外,以直播機(jī)械化為主的歐美國(guó)家研制出來(lái)的水稻秧盤育秧播種的設(shè)備比較少,目前用于蔬菜、花卉等植物的溫室秧盤育秧播種流水線已有多種,如B1ackmoreSystem、Marksman、Speed1ingSysterm、Hamilton等機(jī)型,設(shè)備普遍采用吸針式,每穴1~5粒不等,作業(yè)質(zhì)量較好,功能全,自動(dòng)化程度較高,如圖1所示為美國(guó)Marksman公司的蔬菜育秧流水線。亞洲的水稻秧盤育秧流水線比較多,像日本的井關(guān)、久保田、日清、三菱等株式會(huì)社都有自己的育秧播種設(shè)備,其工藝精湛、自動(dòng)化程度高,但價(jià)格昂貴,且這些流水線多數(shù)是針對(duì)常規(guī)稻3~6粒/穴和雜交稻2±1粒/穴的盤育秧,采用的播種部件主要有機(jī)械式(槽輪、窩眼和型孔)和氣力式(吸針、吸盤和滾筒)。韓國(guó)的育秧技術(shù)水平與日本接近,但用于蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的育秧技術(shù)較好。國(guó)內(nèi)水稻育秧播種技術(shù)進(jìn)展迅速,簡(jiǎn)單實(shí)用的育秧設(shè)備相繼涌現(xiàn)。20世紀(jì)80年代初國(guó)內(nèi)主要采用機(jī)械式播種方式,研制單位有中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院工程所、嵊州市農(nóng)機(jī)管理總站、黑龍江省二九一機(jī)械廠和靈川縣農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站等多家,比如2ZBZ-600型水稻穴(平)盤育秧流水線,采用的播種部件為外槽輪式播種器;90年代起研制振動(dòng)式原理的播種流水線(圖2),對(duì)播種質(zhì)量有較大的提高;90年代后期,隨著缽體苗移栽技術(shù)的發(fā)展,水稻缽體育秧技術(shù)有了較大的發(fā)展,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、廣西北海市農(nóng)機(jī)化研究所、吉林大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)、山東理工大學(xué)、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機(jī)化研究所、解放軍軍需大學(xué)、八一農(nóng)墾大學(xué)等都開(kāi)始進(jìn)行缽體育秧技術(shù)研究,并以氣吸式播種方式為主,可以實(shí)現(xiàn)精少量播種,如2QB-330型氣吸振動(dòng)式秧盤精量播種機(jī),是國(guó)內(nèi)播種部件采用吸盤式的代表;為解決氣力式吸孔堵塞問(wèn)題,1999年研制的2ZBQ-300型雙層滾筒氣吸式水稻播種機(jī)。2土、壓實(shí)、播種、淋淋水等對(duì)育秧盤的影響水稻秧盤育秧播種流水線主要由供/接送秧盤、鋪/覆土、壓實(shí)、播種、淋灑水等裝置和秧盤組成,以前的核心技術(shù)僅是播種,而今除涉及播種器的精量取種外,能否保證準(zhǔn)確投種、排土均勻也是秧盤育秧流水線的關(guān)鍵技術(shù)。2.1中盛發(fā)育機(jī)械按播種裝置的結(jié)構(gòu)形式和工作原理分類,水稻育秧播種器主要有機(jī)械式、振動(dòng)式、氣力式等。2.1.1雙兩個(gè)孔式播種器水稻秧盤育秧機(jī)械式播種器主要以槽輪式、窩眼輪式或型孔式為核心工作部件,槽輪式屬于撒播或條播(見(jiàn)圖3),窩眼輪式(見(jiàn)圖4)或型孔式(日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社的雙工位型孔式播種器)屬于穴播,從結(jié)構(gòu)形式可以看出,機(jī)械式播種器具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,生產(chǎn)率高等特點(diǎn),但為保證充分充種,種槽的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)都比較大,播種量可達(dá)2~7粒/穴(或取秧面積),對(duì)播種量控制不算嚴(yán)格,而且傷種現(xiàn)象也比較嚴(yán)重,針對(duì)常規(guī)水稻的大排量育秧播種效果較為理想,也是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的一類播種器。2.1.2影響排種速度的因素圖5所示為2BZ-300型電磁振動(dòng)式水稻育秧穴盤播種機(jī)的播種器示意圖,具有機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、不傷種、槽輪定量供種可保證播種量可調(diào)等特點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,影響排種速度的因素不僅有水稻種子千粒重及形狀,還包括振幅、頻率、振動(dòng)傾角、排種盤幅寬及彈簧鋼度等,都會(huì)直接影響到排種盤里各V形槽中種子流的連續(xù)性和統(tǒng)一性,有斷流和落種竄穴現(xiàn)象,造成上述的播種誤差;為了進(jìn)一步保證播種的精量程度,西南農(nóng)業(yè)大學(xué)還研制出了光電控制穴盤精密播種裝置,采用光電控制和電磁振動(dòng)結(jié)合不僅實(shí)現(xiàn)所需粒數(shù)的精量播種,而且為定量供種且不傷種提供了新思路,精度得到了提高,但生產(chǎn)效率低。2.1.3吸盤式播種器目前用于水稻育秧的氣力式播種裝置主要采用氣吸方式,氣吸式播種器主要有吸針式、吸盤式和滾筒式。水稻吸針式播種器一般采用往復(fù)擺動(dòng)式機(jī)構(gòu)帶動(dòng)吸嘴,主要用于單粒播種(吸種部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6),精度比較高,文獻(xiàn)從理論上詳細(xì)分析了影響吸種性能的主要因素有吸嘴直徑、吸嘴端部結(jié)構(gòu)形式、氣室真空度,試驗(yàn)采取A型結(jié)構(gòu)吸嘴,孔徑為1.0mm,真空度為0.012MPa,工作頻率為30r/min,播種精度可達(dá)單粒率>96%,重播率<3%,空穴率<1%,為保證充種,目前的工作頻率提高范圍不大,單排吸針生產(chǎn)效率僅能達(dá)到100盤/h左右,另外對(duì)于吸孔堵塞也是吸針式播種器不容忽視的問(wèn)題,對(duì)于水稻種子,所需的吸嘴孔徑一般在1~2mm左右,又因?yàn)榘l(fā)芽后的水稻細(xì)小雜質(zhì)較多,極易堵塞吸嘴,目前除風(fēng)力外,因吸針細(xì)長(zhǎng),還沒(méi)有強(qiáng)制通孔措施;而蔬菜、花卉等圓形小粒種子,外型比較規(guī)則,雜質(zhì)也很少,一般不需要芽播,因此吸針式播種器主要用于蔬菜、花卉等經(jīng)濟(jì)作物的育秧精量播種。文獻(xiàn)還發(fā)現(xiàn)了以吸嘴為中心的球形流場(chǎng)(圖7),不同形狀種子所需吸針距種盤的拾起距離模型,壓力繼續(xù)升高時(shí),拾起距離不再發(fā)生明顯變化,為氣源的選擇和種盤的安裝提供依據(jù)。水稻吸盤式播種器國(guó)內(nèi)外研究的學(xué)者比較多,對(duì)吸盤式播種器的結(jié)構(gòu)形式及其上的穴孔形狀、大小、小孔數(shù)量和孔徑的研究也多樣。像2QB-330型氣吸振動(dòng)式秧盤精量播種機(jī)屬于單工位吸盤式播種器、意大利巴里大學(xué)的帶吸嘴的吸盤式播種器(圖8)等,從工作過(guò)程看,氣力吸種盤工作行程長(zhǎng),往返運(yùn)動(dòng)及定位排種使速度不平穩(wěn),易使吸附不牢的種子中途掉下,造成空穴,而且由于長(zhǎng)期吸種,吸孔容易出現(xiàn)堵塞,這些缺陷對(duì)吸種效果均有很大影響。后來(lái)針對(duì)吸盤式的不足之處,西南農(nóng)業(yè)大學(xué)將機(jī)械式振動(dòng)改為電磁式激振機(jī)構(gòu),吸種效果有所提升;江蘇理工大學(xué)還針對(duì)播種裝置的振動(dòng)臺(tái)面的振動(dòng)頻率和氣力吸種部件進(jìn)行了深入研究,試驗(yàn)給出了播種裝置的工作參數(shù),但通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,吸種盤式播種器內(nèi)部的壓力分布不均,流場(chǎng)變化不穩(wěn)定,吸種效果受風(fēng)量和不穩(wěn)定流場(chǎng)壓力變化等因素影響嚴(yán)重;為保證箱體內(nèi)流場(chǎng)壓力均等,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)在吸盤內(nèi)部還設(shè)計(jì)了帶有窗型孔的內(nèi)隔板,來(lái)進(jìn)一步控制流場(chǎng)的穩(wěn)定性;在解決吸孔防堵方面,西南農(nóng)業(yè)大學(xué)還提出了設(shè)計(jì)有對(duì)位通針裝置的吸盤?？傊?吸盤式的主流水線還是間歇作業(yè),在保證充分吸種和吸盤穩(wěn)定攜種過(guò)程中,通常雙工位生產(chǎn)效率僅為300盤/h,生產(chǎn)效率不算高。氣吸滾筒式播種器在水稻、玉米、大豆、蔬菜和花卉秧盤育秧精密播種設(shè)備中均有應(yīng)用,像美國(guó)Marksman公司的蔬菜育秧流水線采用的小滾筒播種器,日本和國(guó)內(nèi)等都有此類播種器,圖9為2ZBQ-300型水稻育秧播種流水線所使用的雙層滾筒氣吸式播種器,其內(nèi)層吸孔孔徑為4.0mm,外層孔徑為1.2mm,壁厚為0.02mm,試驗(yàn)表明,氣吸式雙層滾筒播種器能夠有效的解決吸孔堵塞的問(wèn)題,其性能指標(biāo)可達(dá)到:在真空度為0.003MPa情況下,空穴率<5%,入穴率94%(1~4粒標(biāo)準(zhǔn)),生產(chǎn)率550盤/h,該播種器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸/排種,并且保證播種育秧流水線連續(xù)運(yùn)行,生產(chǎn)率高。2.2雜交稻精插裝式育秧裝置的組合秧盤育秧播種不僅需要播種器能精量取種,而且還要使播種器投出的種子能準(zhǔn)確地落入到秧盤對(duì)應(yīng)穴坑中,通過(guò)這樣的同步控制才能更好地保證缽體盤每穴或每盤對(duì)應(yīng)單位面積有準(zhǔn)確數(shù)量的種子,進(jìn)而滿足精密播種的育秧要求。采用大排量機(jī)械式播種裝置的常規(guī)稻秧盤育秧設(shè)備,因播種器是將種子漫撒在秧盤上,落種隨機(jī)性比較大,且竄穴,一般不要求穴坑與所播出的種子完全同步對(duì)中。對(duì)于雜交稻精少量育秧播種流水線,其位置控制方法一般依靠鏈條節(jié)距與穴距相匹配,實(shí)現(xiàn)秧盤穴坑與播出的種子一一對(duì)應(yīng),但由于受鏈條節(jié)距限制,采用的秧盤每排穴距尺寸并不是最理想的,盡管這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但適應(yīng)的秧盤尺寸單一。在投種位置控制方法上,還有采取電磁離合器與曲柄搖桿相結(jié)合或者利用伸縮擋塊與氣缸馬達(dá)擺動(dòng)相結(jié)合來(lái)定位秧盤實(shí)現(xiàn)同步播種,但由于采用往復(fù)播種方式,工作效率偏低,控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,通常用于花卉、蔬菜等產(chǎn)出高的經(jīng)濟(jì)作物育秧。另外美國(guó)Marksman公司采用光電傳感器和多個(gè)步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)蔬菜、花卉的同步控制,技術(shù)先進(jìn),但電機(jī)數(shù)量偏多,且價(jià)格較昂貴。2.3水稻育秧播種機(jī)裝置現(xiàn)狀為了全面提高水稻育秧技術(shù)水平,對(duì)鋪底土和覆表土的技術(shù)要求也越來(lái)越高,保證鋪/覆土厚度及其均勻度已成為保證育秧質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。鋪/覆土裝置一般由土箱、排土機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、土量控制機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流板等部分構(gòu)成,其中排土機(jī)構(gòu)是鋪/覆土裝置的核心部分。按排土機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式的不同,目前主要有平皮帶式、槽輪式、大直徑波紋滾筒、V形推土片大直徑滾筒、刮板式等鋪/覆土裝置以及泥漿鋪土裝置。日本和韓國(guó)大部分育秧播種設(shè)備均采用平皮帶式,如日本久保田株式會(huì)社的SR500A型育秧播種機(jī)、韓國(guó)國(guó)際育秧播種機(jī)等。國(guó)內(nèi)應(yīng)用的形式比較多,2BPS-300型和2BDY-500型水稻育秧播種機(jī),以及廣東省科利亞公司的育秧系統(tǒng)等采用的都是平皮帶式鋪/覆土裝置;2BZ-300型電磁振動(dòng)式水稻育秧穴盤聯(lián)合播種機(jī)采用了左右雙頭四螺旋槽輪式鋪/覆土裝置;2ZBZ-600型水稻播種機(jī)還采用了大直徑波紋滾筒的鋪/覆土裝置等。各種形式鋪/覆土裝置的實(shí)際應(yīng)用效果如下:平皮帶式鋪/覆土裝置是應(yīng)用比較多的一類,但是當(dāng)皮帶速度過(guò)快時(shí),土壤與皮帶之間會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,如果在外表面增設(shè)防滑橫條,會(huì)增大排土量;槽輪式鋪/覆土裝置除受土壤濕度影響易發(fā)生粘附現(xiàn)象外,當(dāng)轉(zhuǎn)速加快時(shí),也容易出現(xiàn)土壤架空等現(xiàn)象,主要適用于土壤濕度小和生產(chǎn)速度較低的場(chǎng)合。針對(duì)排土量不足,又有學(xué)者試制出刮板式和V形推土片大直徑滾筒的鋪/覆土裝置,為了減少塵土飛揚(yáng),不污染環(huán)境,2ZBQ-300型雙層滾筒氣吸式水稻播種機(jī)采用了泥漿鋪土裝置,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,種子易漂浮于泥漿之上,填滿泥漿的秧盤重量大,搬運(yùn)不便,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備衛(wèi)生較差。2.4學(xué)生使用藥物配套的秧盤從材料和規(guī)格方面也不盡相同,塑料秧盤按照經(jīng)濟(jì)性和使用情況看,硬塑秧盤一般價(jià)格為15.0~18.0元/個(gè),費(fèi)用高,較少使用;硬化軟塑秧盤價(jià)格雖然是硬塑秧盤的五分之一左右,但費(fèi)用仍較高,使用越來(lái)越少;PVC軟塑秧盤價(jià)格最低(僅0.3~0.8元/個(gè)),但因其薄軟易變形,一般需要托盤支撐,是現(xiàn)今使用較多的一類,如浙江理工大學(xué)的16×26穴和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的15×25穴秧盤及300mm×600mm平秧盤等。還有采用以稻草為原料研制的一次性秧盤,為增產(chǎn)和環(huán)保提供了新思路。3超高產(chǎn)集成技術(shù)隨著水稻新品種的研發(fā)和種植技術(shù)的不斷發(fā)展,原有的常規(guī)水稻、雜交稻即將被單產(chǎn)10.5~12.0t/hm2的超級(jí)水稻品種所替代,種植要求以精量播種、培育壯苗、寬行稀植、定量控苗、好氣灌溉、精確施肥、綜合防治等技術(shù)為核心的超高產(chǎn)集成技術(shù)相配套。這就標(biāo)志著水稻秧盤育秧播種技術(shù)與裝備也需進(jìn)一步提高,技術(shù)要求由原來(lái)雜交稻2±1粒/穴(或取秧面積)的精少量播種提升為精準(zhǔn)(播種數(shù)量精量和投種位置準(zhǔn)確)播種,并且要求超級(jí)雜交稻秧盤育秧精密播種設(shè)備應(yīng)具有適應(yīng)高速、投種位置準(zhǔn)確、排土均勻及帶芽播種的性能,即1~2株/穴(或取秧面積),合格率達(dá)到80%~90%以上,芽長(zhǎng)小于3mm,達(dá)到設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單、降低農(nóng)戶成本的目的。3.1水稻育秧播種及種植技術(shù)以傳統(tǒng)機(jī)械式播種器為核心技術(shù)的水稻育秧流水線,雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低,能連續(xù)生產(chǎn),效率高的特點(diǎn),但由于其用種量大和落種隨機(jī)性大,播種均勻性差,機(jī)械磨擦和擠壓作用易傷種等特點(diǎn)都是不可避免的缺陷,不易滿足超級(jí)雜交稻機(jī)播作業(yè)的精播、不傷種的農(nóng)藝要求,只能適用于常規(guī)稻和雜交稻的播種育秧作業(yè)。對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)和適宜普通水稻種植作業(yè)區(qū),機(jī)械式育秧播種流水線仍然是較理想的選擇機(jī)型。采用振動(dòng)方式播種時(shí),定量供種、保持排種盤里各V形槽中種子流的連續(xù)性和統(tǒng)一性、對(duì)穴同步播種等方面都是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)所在,如果借鑒水稻直播的電磁定量供種技術(shù),可防止供種損傷,進(jìn)一步提高種子流控制策略,避免斷流和竄穴,穩(wěn)定保持高速生產(chǎn)的同步播種,則對(duì)于水稻秧盤育秧播種是一種極有前途的生產(chǎn)方式。氣吸式原理的水稻育秧播種器具有吸種數(shù)量可控、對(duì)種子外形尺寸要求不嚴(yán)、不傷種、播種均勻度好、整機(jī)通用性好和便于控制等優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)芽長(zhǎng)1~3mm的水稻種具有更好的保護(hù)作用,己成為秧盤育秧精密播種設(shè)備的主要研究方向,研制出來(lái)的機(jī)型從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)角度看各有優(yōu)缺點(diǎn),總體趨勢(shì)是由復(fù)雜向簡(jiǎn)單、實(shí)用的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)采用吸針和吸盤式播種裝置的育秧播種流水線雖然投種定位精度比較高,但一般都是經(jīng)過(guò)吸種到投種再到吸種的單工位往復(fù)播種,若改進(jìn)為雙工位交替播種,效率會(huì)有所提升,成本和能耗也會(huì)增加,因此比較適合用于播種和投種精度要求都比較高、生產(chǎn)率不高的作業(yè)場(chǎng)合。而能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)播種、保證主流水線連續(xù)運(yùn)行、同傳統(tǒng)的機(jī)械槽輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相類似的氣吸滾筒式播種裝置,實(shí)現(xiàn)原理是在吸針式基礎(chǔ)上的周向集成,既具有吸針的精量吸種、定位投種的特點(diǎn),同時(shí)穴坑的形狀、孔徑和數(shù)量的變化,不僅能保證精量播種(如1~4粒/穴(或取秧面積)的數(shù)量可控),又具有同主流水線保持同步、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、筒內(nèi)氣體流場(chǎng)穩(wěn)定、真空度低、耗氣量小、便于提速等優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)較新并與國(guó)外領(lǐng)先技術(shù)相靠近的一種機(jī)型,如果能進(jìn)一步改進(jìn)供種措施(如借鑒水稻振動(dòng)定量供種技術(shù)),設(shè)計(jì)篩分除雜和強(qiáng)制通孔裝置,并采取簡(jiǎn)單實(shí)用的高速同步播種控制技術(shù),則氣吸滾筒式秧盤育秧播種流水線將是今后適應(yīng)超級(jí)雜交稻低成本高速精準(zhǔn)育秧播種設(shè)備的主要研制機(jī)型。3.2種子形態(tài)的提取目前還需應(yīng)用機(jī)、電、氣等技術(shù),利用氣缸限位等方法研究并配備簡(jiǎn)單實(shí)用的低成本秧盤育秧同步播種控制系統(tǒng),以滿足高速育秧精準(zhǔn)播種的要求。另外采用振動(dòng)或機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù),用來(lái)識(shí)別種子的形