尚書(shū)旗 吳秀豐 楊然兵 李國(guó)瑩 楊曉龍 陳棟泉

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109； 2.青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司， 青島 266109)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，是世界上最大的種子市場(chǎng)之一，每年種子需求量巨大[1]。在培育新品種、繁殖良種、對(duì)比品種過(guò)程中，需要對(duì)不同品系種子進(jìn)行大量試驗(yàn)[2]，以對(duì)種子的品質(zhì)及生長(zhǎng)環(huán)境等作出科學(xué)的結(jié)論。小區(qū)育種田間試驗(yàn)是進(jìn)行各品系種子各種試驗(yàn)的重要形式，是根據(jù)農(nóng)藝要求直接、直觀地從各種土壤環(huán)境中得出不同品系種子的品質(zhì)狀況，以及選擇優(yōu)良種子[3-6]最有效的方法，小區(qū)育種試驗(yàn)基本貫穿于各種優(yōu)良品系種子研發(fā)整個(gè)過(guò)程。目前，我國(guó)小區(qū)育種田間試驗(yàn)機(jī)械化水平較低，通過(guò)人力進(jìn)行小區(qū)播種作業(yè)的情況普遍存在[7-8]，大多數(shù)小區(qū)育種田間試驗(yàn)在試驗(yàn)人員多、試驗(yàn)條件難以控制、播種形式和方法多樣易錯(cuò)的繁雜環(huán)境下完成，大大降低了小區(qū)育種田間試驗(yàn)的精度與效率，影響了小區(qū)育種試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、科學(xué)性。多年來(lái)，從事與小區(qū)育種相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)院校、育種機(jī)械企業(yè)的專(zhuān)家一致認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)小區(qū)田間育種試驗(yàn)機(jī)械化是解決小區(qū)田間試驗(yàn)存在問(wèn)題的根本途徑[9]。相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者致力于推動(dòng)小區(qū)育種技術(shù)及機(jī)械方面的研究，并取得了很多研究成果，為我國(guó)小區(qū)育種播種機(jī)械化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

隨著我國(guó)育種產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，小區(qū)育種田間試驗(yàn)要求也不斷提高。只有加快小區(qū)育種播種機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新、推動(dòng)我國(guó)小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)研究向更高水平發(fā)展[10]，才能更充分、全面地發(fā)揮小區(qū)育種田間試驗(yàn)機(jī)械化播種優(yōu)勢(shì)，更好地促進(jìn)我國(guó)小區(qū)育種業(yè)的快速健康發(fā)展。IAMFE(國(guó)際田間試驗(yàn)機(jī)械化協(xié)會(huì))在小區(qū)育種裝備與技術(shù)研究等諸多方面為世界各國(guó)提供了互相交流的平臺(tái)，也為促進(jìn)我國(guó)小區(qū)育種田間試驗(yàn)機(jī)械化發(fā)展提供了有利條件。

本文綜述小區(qū)育種播種裝備和技術(shù)的研發(fā)歷程，從小區(qū)育種播種的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合不同作物品種、不同播種農(nóng)藝要求，詳解現(xiàn)有條播、精播模式下的小區(qū)育種播種核心技術(shù)和裝備工作原理，歸納小區(qū)育種條播排種和精密排種裝備的主要結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)模式，總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用及研發(fā)的技術(shù)與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，分析目前國(guó)內(nèi)外小區(qū)育種播種機(jī)械的研發(fā)進(jìn)展，并對(duì)我國(guó)小區(qū)育種播種機(jī)械化發(fā)展進(jìn)行展望。

1 小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)研發(fā)歷程

國(guó)外小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)研發(fā)起步較早[11]。1935年加拿大研制出一臺(tái)用于小區(qū)育種的播種機(jī)，可以進(jìn)行稻麥等谷物的小區(qū)播種[12-13]。隨后，歐美亞等一些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化基礎(chǔ)好、育種方面研究早的國(guó)家，如奧地利、美國(guó)、挪威、法國(guó)、西德、日本和蘇聯(lián)等也相繼開(kāi)始了研制[14]，1954年奧地利Wintersteiger公司為一種業(yè)公司生產(chǎn)了該公司的第1臺(tái)簡(jiǎn)單的小區(qū)播種機(jī)[15-16]。

自1957年開(kāi)始，挪威農(nóng)業(yè)大學(xué)EGIL開(kāi)始研發(fā)適用于小區(qū)育種播種特點(diǎn)的播種機(jī)，經(jīng)過(guò)4年的研發(fā)及試驗(yàn)，成功地發(fā)明了小區(qū)育種條播機(jī)，其核心結(jié)構(gòu)——錐體-格盤(pán)式排種裝置實(shí)現(xiàn)了分量播種，滿(mǎn)足小區(qū)育種田間試驗(yàn)要求[17-18]，被命名為奧約德排種裝置，該技術(shù)一直沿用至今。1964年6月，依格爾·奧約德在挪威成立了IAMFE，在此次會(huì)議上，奧約德小區(qū)育種條播機(jī)得到了廣泛的認(rèn)可。1966—1976年，奧約德為了適應(yīng)小區(qū)條播機(jī)的發(fā)展需要，建立了小區(qū)育種播種技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)進(jìn)行懸掛式和自走式小區(qū)條播技術(shù)研發(fā)。1960—1976年，奧約德小區(qū)條播機(jī)從挪威出口到57個(gè)國(guó)家。后來(lái)，奧約德將該小區(qū)育種播種技術(shù)轉(zhuǎn)讓給奧地利Wintersteiger公司。之后，德國(guó)Haldrup公司、美國(guó)Almaco公司等開(kāi)始研發(fā)小區(qū)育種播種機(jī)，中國(guó)、法國(guó)、意大利、匈牙利、巴西等國(guó)家也陸續(xù)開(kāi)始研制。在奧約德排種裝置的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了錐體帶式排種裝置，這兩種排種結(jié)構(gòu)成為小區(qū)育種條播技術(shù)的核心。

20世紀(jì)80年代，Wintersteiger公司以氣吸式排種原理為基礎(chǔ)，研發(fā)了氣吸式組合型小區(qū)精密排種技術(shù)，并應(yīng)用于該公司的自走式小區(qū)育種精密播種機(jī)，該技術(shù)采用了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的液壓傳動(dòng)和氣動(dòng)等裝置，設(shè)有用電磁閥控制的吸入空氣通路轉(zhuǎn)換功能，以及可使排種器反正旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)裝置，可以達(dá)到清種、不混種的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精密排種。1983年該公司的小區(qū)精密播種機(jī)獲得了世界專(zhuān)利，該氣吸式小區(qū)精密排種技術(shù)一直沿用至今。之后，德國(guó)Haldrup公司、美國(guó)Almaco公司等也研發(fā)了具有清種功能的氣吸式小區(qū)精密排種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了清種、不混種要求[19-20]。

國(guó)內(nèi)小區(qū)育種播種機(jī)的研發(fā)起步較晚，從引進(jìn)到借鑒再到自主研發(fā)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)一段時(shí)間。1978年，我國(guó)從國(guó)外先后引進(jìn)了小區(qū)株行條播機(jī)、自走式小區(qū)育種條播機(jī)等一批小區(qū)育種播種機(jī)械[21-22]。20世紀(jì)80年代，我國(guó)自主研制了小型小區(qū)谷物育種條播機(jī)，主要包括北京農(nóng)業(yè)大學(xué)的NKXB-1.4型小區(qū)育種播種機(jī)，黑龍江五九七農(nóng)場(chǎng)三修理所的2XB-10型小區(qū)播種機(jī)，河北肅寧農(nóng)機(jī)研究所的2BJ-2型小區(qū)精播機(jī)和2BXQ-4型人力小區(qū)試驗(yàn)用播種機(jī)[23-25]。1984年，黑龍江省農(nóng)墾紅興隆科研究所研制了XBJ-150型小區(qū)條播機(jī)系列，包括懸掛式和自走式，并在全國(guó)推廣了80臺(tái)[26-29]；新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)所何彥等設(shè)計(jì)了2XBX-2.0型懸掛式小區(qū)育種條播機(jī)[30-33]。目前我國(guó)氣吸式小區(qū)育種精密播種機(jī)大多直接引進(jìn)國(guó)外機(jī)型，有自主研發(fā)生產(chǎn)能力的企業(yè)很少。

2 小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)研究進(jìn)展

小區(qū)育種播種機(jī)是培育新品種、繁殖良種和對(duì)比品種等田間試驗(yàn)時(shí)所用的專(zhuān)用播種機(jī)[34-35]，與大田播種機(jī)相比，小區(qū)育種播種機(jī)必須實(shí)現(xiàn)份量播種，根據(jù)試驗(yàn)要求在規(guī)定小區(qū)長(zhǎng)度內(nèi)的各行同時(shí)均勻播一種或者一種以上品系的定量種子，并且一個(gè)小區(qū)播種結(jié)束，播種機(jī)內(nèi)該小區(qū)的種子實(shí)現(xiàn)自?xún)鬧36-38]，播種過(guò)程不同品系種子不摻混，更換下一品系種子不停機(jī)[39]，大田播種機(jī)達(dá)不到份量播種要求。

2.1 供種裝置

供種是向小區(qū)育種條播機(jī)排種結(jié)構(gòu)或小區(qū)育種精密播種機(jī)排種器輸送種子的過(guò)程，目前小區(qū)育種播種機(jī)供種方式主要有兩種：人工供種，小區(qū)作業(yè)前，由人工手動(dòng)將待播種子裝入紙袋中，并將紙袋編號(hào)按小區(qū)試驗(yàn)順序排好，小區(qū)作業(yè)時(shí)，按順序取出紙袋，將種子倒入盛接傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)，如圖1所示，該供種方式一般應(yīng)用于同一小區(qū)同時(shí)播種同一品系種子的情況；自動(dòng)供種，小區(qū)作業(yè)前，由人工手動(dòng)將待播種子裝入彈夾式自動(dòng)供種裝置配套的供種盒內(nèi)，并按順序插入護(hù)種板，作業(yè)時(shí)，人工將裝種的供種盒倒置在彈夾式自動(dòng)供種裝置的供種臺(tái)上，每一小區(qū)運(yùn)動(dòng)一次，每次運(yùn)動(dòng)供種臺(tái)平面上的供種盒同時(shí)向排種口移動(dòng)一排，護(hù)種板不移動(dòng)，排種口與供種盒每排的每個(gè)容種空間一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)供種盒到達(dá)排種口上方時(shí)，每個(gè)容種空間內(nèi)的種子由各自對(duì)應(yīng)的排種口下落，不同品系種子之間不摻混，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該供種結(jié)構(gòu)一般配套在小區(qū)株行條播機(jī)或者小區(qū)株行精密播種機(jī)上，有效減少了田間試驗(yàn)時(shí)同時(shí)向每一行對(duì)應(yīng)的種子盛接傳輸結(jié)構(gòu)添加不同品系種子的操作人員數(shù)量。

針對(duì)小區(qū)供種問(wèn)題，劉曙光等[40]設(shè)計(jì)了與油菜小區(qū)育種播種機(jī)相配套的共軸雙盤(pán)格自動(dòng)供種系統(tǒng)，單片機(jī)控制，電磁力驅(qū)動(dòng)；劉龍等[41]設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤(pán)式大豆小區(qū)育種播種機(jī)自動(dòng)供種裝置，PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

美國(guó)Almaco公司研制一種大型彈夾式自動(dòng)供種裝置，配套在PowerPlant小區(qū)育種播種機(jī)上，結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)供種裝置內(nèi)容納8列，每列30個(gè)供種盒，每列供種盒通過(guò)不銹鋼鋼板條連接，保持供種盒整齊。每個(gè)彈夾內(nèi)共容納240個(gè)供種盒，每次播種可以安裝8個(gè)供種彈夾，另外可以攜帶16個(gè)供種彈夾，播種完畢可以停機(jī)更換2次，滿(mǎn)載彈夾可以播種5 760個(gè)小區(qū)。

2.2 排種裝置

2.2.1小區(qū)條播排種

小區(qū)條播排種按條播要求將規(guī)定量的種子均勻連續(xù)從排種結(jié)構(gòu)中排出，使其均勻分布在規(guī)定長(zhǎng)度的小區(qū)種溝內(nèi)，目前小區(qū)條播排種技術(shù)排種過(guò)程即為清種過(guò)程，不需要單獨(dú)的清種結(jié)構(gòu)，每一品系的種子播種時(shí)不能摻混，能夠不停機(jī)更換種子進(jìn)行不同品種不同小區(qū)的連續(xù)排種，主要應(yīng)用于小麥、谷類(lèi)等適合條播的小區(qū)育種田間試驗(yàn)中，田間小麥試驗(yàn)播種小區(qū)如圖4所示。

小區(qū)條播排種器核心結(jié)構(gòu)為錐體-格盤(pán)式排種結(jié)構(gòu)或錐體帶式排種結(jié)構(gòu)[42]，是實(shí)現(xiàn)小區(qū)分量播種的關(guān)鍵。

錐體-格盤(pán)式排種結(jié)構(gòu)由存種提升桶、錐體、格盤(pán)、底座等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。存種提升桶在臨時(shí)存種狀態(tài)時(shí)，其桶體豎直套放在錐體錐頂部分，其軸線與錐體軸線重合，其下邊緣與錐體錐頂部分接觸，形成臨時(shí)存種空間，待播種子在該空間中放置接近一個(gè)小區(qū)的作業(yè)時(shí)間，為存種過(guò)程，其間種子受小區(qū)條播機(jī)行進(jìn)的振動(dòng)，均勻調(diào)整種子位置和平整度，減少由初始倒入狀態(tài)造成的充種前各個(gè)方向種量的不均勻；在提升狀態(tài)，存種提升桶豎直提升，與錐體錐頂產(chǎn)生間隙，種子在重力作用下從間隙流出，為泄種過(guò)程；種子全部流出后，存種提升桶重新復(fù)位回歸臨時(shí)存種狀態(tài)位置。錐體為銅或鉛質(zhì)材料制成，錐體表面有標(biāo)準(zhǔn)圓錐狀、凸面圓錐狀、表面帶溝槽狀(如圖6所示)，其底邊緣與格盤(pán)內(nèi)沿接觸，使種子無(wú)遺漏完全滑落至格盤(pán)的每個(gè)盤(pán)格內(nèi)；從臨時(shí)存種空間流出的種子沿錐體表面滑落至格盤(pán)的盤(pán)格內(nèi)，為充種過(guò)程，該過(guò)程是影響排種均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。格盤(pán)與底座接觸，形成相同大小、形狀的若干盤(pán)格空間，底座固定在機(jī)架上，格盤(pán)相對(duì)于底座轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，格盤(pán)隔斷將格盤(pán)每個(gè)盤(pán)格內(nèi)的種子均勻推送至排種口上方，種子下落，這一過(guò)程為運(yùn)排種過(guò)程。錐體-格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，格盤(pán)內(nèi)的種子全部排凈，一個(gè)小區(qū)播種完畢。

錐體帶式排種裝置由存種提升桶、錐體結(jié)構(gòu)、帆布帶(膠帶)、滾動(dòng)銷(xiāo)輪、底座等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。該結(jié)構(gòu)中存種提升桶結(jié)構(gòu)、原理與錐體-格盤(pán)排種裝置相同。錐體結(jié)構(gòu)上部為圓錐體，下部為圓柱體，圓錐體部分功能與錐體-格盤(pán)排種結(jié)構(gòu)相同，下部圓柱體與帆布帶(膠帶)緊密接觸，相對(duì)無(wú)滑動(dòng)，上部圓錐體底部與帆布帶(膠帶)形成環(huán)狀楔形空間[43]，種子到達(dá)該空間，通過(guò)錐體與帆布帶(膠帶)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)至排種口上方，種子下落，完成運(yùn)排種過(guò)程。帆布帶(膠帶)通過(guò)滾動(dòng)銷(xiāo)輪調(diào)節(jié)張緊程度。錐體皮帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，種子全部排凈，一個(gè)小區(qū)播種完畢。

種子在錐體-格盤(pán)式排種裝置或錐體帶式排種裝置中均經(jīng)歷了存種、泄種、充種、運(yùn)排種過(guò)程，排種效果影響因素較多，由于錐體-格盤(pán)式排種結(jié)構(gòu)種子流動(dòng)帶來(lái)的排種質(zhì)量不確定性較錐體帶式排種結(jié)構(gòu)更大，對(duì)作業(yè)條件的要求更高，一般情況下，兩行以上的小區(qū)育種條播機(jī)上配置錐體帶式排種結(jié)構(gòu)的較多。

錐體-格盤(pán)式排種裝置與錐體帶式排種裝置的驅(qū)動(dòng)形式有兩種：機(jī)械式傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)原理如圖8所示；電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)原理如圖9所示。機(jī)械式傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)由地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)[44-46]，只要傳動(dòng)比確定，小區(qū)長(zhǎng)度就確定，因此改變傳動(dòng)比是該驅(qū)動(dòng)形式改變小區(qū)長(zhǎng)度的唯一方法，一般配置多種形式的鏈輪組合，通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)比來(lái)改變小區(qū)長(zhǎng)度，每次調(diào)整需要人工安裝調(diào)換，結(jié)構(gòu)如圖10所示，為目前大多機(jī)型采用的形式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地輪轉(zhuǎn)速來(lái)控制[47-49]，保證同一小區(qū)每一時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速與地輪轉(zhuǎn)速比值一定，該技術(shù)目前還在研發(fā)階段，沒(méi)有普遍應(yīng)用。

錐體-格盤(pán)式排種裝置或錐體帶式排種裝置一次完成小區(qū)一行的播種，小區(qū)單行育種條播機(jī)適用于小面積的小區(qū)播種作業(yè)，主要配備一個(gè)錐體-格盤(pán)式排種機(jī)構(gòu)或錐體帶式排種機(jī)構(gòu)，一般人力驅(qū)動(dòng)或者電動(dòng)，如圖11所示。

目前，根據(jù)試驗(yàn)要求，小區(qū)內(nèi)的同時(shí)多行播種是規(guī)?；^(qū)育種田間試驗(yàn)采用的主要形式，實(shí)現(xiàn)小區(qū)多行播種對(duì)應(yīng)的排種結(jié)構(gòu)形式主要有4種：

(1)配置等行數(shù)的排種結(jié)構(gòu)

該形式下，一般采用錐體帶式排種裝置，如圖12所示，每個(gè)排種裝置內(nèi)的種子只均勻播到小區(qū)的一行內(nèi)，這些排種裝置為小區(qū)育種條播機(jī)中配套型號(hào)最小的排種裝置。目前該裝置基本以地輪行走帶動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)及同一傳動(dòng)軸上安裝的對(duì)應(yīng)排種裝置數(shù)量的錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，保證排種裝置轉(zhuǎn)速一致。

(2)配置等分式錐體-格盤(pán)式排種結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)在錐體-格盤(pán)式排種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其內(nèi)等角度設(shè)置隔板，把格盤(pán)分成若干等份，每個(gè)等份格盤(pán)的底座上都有排種口，其位置沿圓周均分，例如格盤(pán)均勻三等分，圖13為三分錐體-格盤(pán)式排種裝置，可同時(shí)播種3行，格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)1/3轉(zhuǎn)，播完一個(gè)小區(qū)長(zhǎng)度，該情況下播種相同長(zhǎng)度小區(qū)，轉(zhuǎn)速為錐體-格盤(pán)式排種裝置的1/3。該裝置的驅(qū)動(dòng)形式與錐體-格盤(pán)式排種裝置相同。

(3)在排種口下方配置旋轉(zhuǎn)分種頭

旋轉(zhuǎn)分種頭工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，從排種裝置排種口下落的種子經(jīng)旋轉(zhuǎn)分種頭迅速均勻甩分至圓周分布的各接種分配頭內(nèi)，經(jīng)與接種分配頭連接的導(dǎo)種管均勻排送至種溝，實(shí)現(xiàn)多行的旋轉(zhuǎn)分種。旋轉(zhuǎn)分種頭一般有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙面對(duì)稱(chēng)式，如圖14所示，分種面以豎直平面為主，具有分種旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、工作轉(zhuǎn)速要求相對(duì)較低、分種效果較好等優(yōu)點(diǎn)，為目前機(jī)型主要配置形式，在旋轉(zhuǎn)分種頭接種平面上固定柔性材料，分種效果更好；非對(duì)稱(chēng)式，結(jié)構(gòu)如圖15所示，分種面為斜平面或者斜平面與斜平面中間位置的一個(gè)豎直平面組合形式，該結(jié)構(gòu)加工時(shí)重心容易偏移，需要通過(guò)減重形式精準(zhǔn)校正重心位置以較小高速旋轉(zhuǎn)造成的振動(dòng)，而且分種效果的不確定性相對(duì)較大，為較早機(jī)型配置結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)分種頭驅(qū)動(dòng)有兩種形式：由地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)；由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后一種為目前常用結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式。

(4)在排種結(jié)構(gòu)上方配置分種器

該結(jié)構(gòu)(圖16)將一份種子均分成多份，一般以同時(shí)分成2～6份為宜，為了分種更精準(zhǔn)，一些結(jié)構(gòu)再等份合并輸出，該分種過(guò)程與種子播種過(guò)程不重合。在條播或者精播過(guò)程中小區(qū)多行同時(shí)播種同一品系種子時(shí)，均可以采用該結(jié)構(gòu)，以減少同時(shí)多行人工供種的操作人員數(shù)量。

目前應(yīng)用于實(shí)際小區(qū)田間育種試驗(yàn)的比較成熟的小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)，按試驗(yàn)要求的工作模式主要有兩種：

(1)同一小區(qū)播同一品系種子

此類(lèi)工作模式一般采用錐體-格盤(pán)式排種裝置或者錐體帶式排種裝置排種口下方配置旋轉(zhuǎn)分種頭實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖17所示，該結(jié)構(gòu)一般適用于6行以?xún)?nèi)的小區(qū)播種，隨著播種行數(shù)的增多，需要增加排種裝置及旋轉(zhuǎn)分種頭配置，如圖18所示，當(dāng)排種裝置數(shù)量超過(guò)2個(gè)，可以在排種器上方配置分種器，以減少同時(shí)多行人工供種的操作人員數(shù)量。

(2)同一小區(qū)不同行播不同品系種子(株(穗)行條播)

此工作模式由兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：配置與小區(qū)行數(shù)相同的錐體-格盤(pán)式排種裝置或者錐體帶式排種裝置，配置彈夾式自動(dòng)供種裝置供種，如圖19所示；配置與小區(qū)行數(shù)相同總等份數(shù)的等分錐體-格盤(pán)式排種裝置，可以配彈夾式自動(dòng)供種裝置供種。兩種結(jié)構(gòu)均可以使小區(qū)每行播種通道相對(duì)獨(dú)立，滿(mǎn)足不同品系種子分別輸入對(duì)應(yīng)種溝的排種結(jié)構(gòu)要求。目前大多小區(qū)育種株(穗)行條播機(jī)上配備的供種、排種、開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓等機(jī)構(gòu)直接固定在主機(jī)架上，為了精化小區(qū)育種田間試驗(yàn)對(duì)比范圍，減小行進(jìn)過(guò)程對(duì)播種的影響，使品系對(duì)比更明顯，出現(xiàn)了小區(qū)育種橫向株行條播機(jī)，該機(jī)排種結(jié)構(gòu)與其它小區(qū)育種株行條播機(jī)相同，不同點(diǎn)為排種裝置、開(kāi)溝覆土鎮(zhèn)壓裝置固定在一個(gè)獨(dú)立于主體機(jī)架的支撐架上，支撐架由主體機(jī)架支撐，并相對(duì)主體機(jī)架可以在垂直于播種機(jī)行走方向上的橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)，整機(jī)停止前進(jìn)，一般采用液壓馬達(dá)動(dòng)力鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。尚書(shū)旗團(tuán)隊(duì)采用2個(gè)三分式錐體-格盤(pán)式排種裝置，設(shè)計(jì)了2BHZY型小區(qū)育種橫向株行條播機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖20所示；德國(guó)Haldrup公司采用6個(gè)錐體帶式排種裝置設(shè)計(jì)了ST-30型小區(qū)育種橫向株行條播機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖21所示。

為了提高排種裝置適應(yīng)性，可以在小區(qū)育種株(穗)行條播機(jī)上加配分種器(圖22)，兩種試驗(yàn)要求的作業(yè)模式均可滿(mǎn)足，同一小區(qū)既可以播同一品系種子，也可以不同行分別播不同品系種子，實(shí)現(xiàn)兩種作業(yè)模式的通用。

近年來(lái)，我國(guó)在小區(qū)育種條播技術(shù)上的研究成果較多。張婷婷等[50]研制六行同步小區(qū)條播機(jī)，利用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)6行同步播種。劉曙光等[51]研究小區(qū)育種條播機(jī)前進(jìn)速度、充種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)速度、充種裝置錐體母線長(zhǎng)度和充種裝置錐體底角對(duì)油菜和小麥種子充種均勻性變異系數(shù)的影響。楊誠(chéng)等[52]研究小麥種子流在排種裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析種子在錐體分種及離心分配裝置中的受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。楊誠(chéng)等[53]對(duì)自主研發(fā)的小區(qū)電控播種機(jī)落種部件的相關(guān)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析，優(yōu)化播種機(jī)落種部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。劉曙光等[54]研究與存種提升桶相關(guān)參數(shù)對(duì)5種種子分散均勻性變異系數(shù)的影響。楊松等[55]研究牧草種子在分種錐體上的運(yùn)動(dòng)軌跡，及4種不同導(dǎo)流槽數(shù)目的分種錐體對(duì)牧草種子分散均勻性變異系數(shù)的影響。程修沛等[56]分析離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角和分種距離對(duì)小麥籽粒運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)離散元法分析離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角和分種距離對(duì)分種均勻性的影響規(guī)律。

2.2.2小區(qū)精播排種

小區(qū)精播排種按精播要求將種子以一定株距從排種器排出[57-62]，使其均勻分布在規(guī)定長(zhǎng)度的小區(qū)種溝內(nèi)。目前小區(qū)精播排種技術(shù)的排種過(guò)程與清種過(guò)程相對(duì)獨(dú)立完成，每個(gè)小區(qū)播種完畢，均需快速清種。該技術(shù)主要應(yīng)用于玉米、豆類(lèi)等適于精密播種的小區(qū)育種田間試驗(yàn)中，田間玉米試驗(yàn)播種小區(qū)如圖23所示。

小區(qū)精播排種一般應(yīng)用種腔可以自?xún)舻臍馕叫^(qū)精播排種技術(shù)，該技術(shù)包括了氣吸排種和氣吸清種兩部分。國(guó)內(nèi)外氣吸式小區(qū)排種技術(shù)原理相同，但排種裝置形式不盡相同，根據(jù)吸種圓盤(pán)數(shù)量、形式，一般分為兩類(lèi)：

(1)單吸種圓盤(pán)

小區(qū)精密排種器內(nèi)豎直設(shè)置一吸種圓盤(pán)，將排種器分成兩個(gè)空間[63]，一側(cè)為真空室，與風(fēng)機(jī)吸氣管相連，一側(cè)為利于清種的可旋轉(zhuǎn)整體式種腔(結(jié)構(gòu)如圖24所示)或組合式種腔(結(jié)構(gòu)如圖25所示)及連接的清種管路，種腔內(nèi)的種子與吸種圓盤(pán)接觸，種子進(jìn)入種腔，輸種管被隔開(kāi)，一個(gè)小區(qū)開(kāi)始播種。一些機(jī)型設(shè)置存種隔板，將排種器進(jìn)種通道分隔出兩個(gè)獨(dú)立的存種空間，利用小區(qū)播種的時(shí)間將下一小區(qū)種子提前輸送至存種隔板待播，節(jié)省了下一小區(qū)種子在輸種管下落至排種器時(shí)間，提高了效率，而且排種器內(nèi)兩個(gè)小區(qū)種子不摻混，結(jié)構(gòu)如圖26所示。排種過(guò)程中，種腔內(nèi)的種子在風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下被吸到排種圓盤(pán)孔隙上[64-66]，排種圓盤(pán)在地輪傳動(dòng)或電機(jī)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，將吸附在排種圓盤(pán)上的種子從種腔移出，并轉(zhuǎn)到排種器下方待播區(qū)域，與真空室隔開(kāi)，種子不再受負(fù)壓作用，在重力作用下落入種溝。一個(gè)小區(qū)播種完畢后進(jìn)行清種過(guò)程，整體式種腔或者組合式種腔活動(dòng)結(jié)構(gòu)向下旋轉(zhuǎn)，種腔內(nèi)剩余的種子流出種腔，進(jìn)入集種腔，同時(shí)常開(kāi)狀態(tài)的排種通道與常閉狀態(tài)的清種通道在電磁閥通電情況下，分別關(guān)閉與打開(kāi)，將集種腔內(nèi)的種子吸出至集種盒內(nèi)，然后斷電，電磁閥復(fù)位，排種通道重新打開(kāi)，清種通道重新關(guān)閉回復(fù)到排種過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了氣吸排種與氣吸清種過(guò)程的轉(zhuǎn)換，每個(gè)小區(qū)均循環(huán)該過(guò)程，其原理圖如圖27所示。大多小區(qū)育種精密播種機(jī)均配套與該結(jié)構(gòu)形式相似的排種器。

(2)組合式吸種圓盤(pán)

該小區(qū)育種精密排種技術(shù)由Wintersteiger公司研發(fā)，配套該公司小區(qū)育種精密播種機(jī)上，適用于玉米、豆類(lèi)等中大粒種子的小區(qū)精密播種，結(jié)構(gòu)如圖26所示。小區(qū)精密排種器內(nèi)豎直設(shè)置一個(gè)由2個(gè)槽盤(pán)重疊在一起的組合式吸種圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，將排種器分成真空室與種腔[67]。組合式吸種圓盤(pán)由一個(gè)螺旋槽盤(pán)和一個(gè)徑向槽盤(pán)組成，螺旋槽盤(pán)一側(cè)為真空室，徑向槽盤(pán)一側(cè)為組合式種腔及連接的清種管路，螺旋槽盤(pán)固定不動(dòng)，徑向槽盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)槽盤(pán)重疊形成的氣孔不斷吸附種子向排種口移動(dòng)，到達(dá)排種位置，氣孔消失，種子在重力作用下下落至種溝內(nèi)。該結(jié)構(gòu)的清種過(guò)程與單吸種圓盤(pán)結(jié)構(gòu)清種過(guò)程原理相同。

一個(gè)氣吸式精密排種器一次完成一行的播種，目前小區(qū)精密播種以多行為主，應(yīng)用于實(shí)際小區(qū)育種田間試驗(yàn)的比較成熟的小區(qū)育種精播技術(shù)，按試驗(yàn)要求的工作模式分為兩類(lèi)：

(1)同一小區(qū)播同一品系種子

該工作模式一般通過(guò)配置種子分配器與氣吸式小區(qū)精密排種器組合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖28所示，種子通過(guò)分配器時(shí)分成與配套排種器數(shù)量相等的份數(shù)進(jìn)入對(duì)應(yīng)排種器，以減少同時(shí)多行人工供種的操作人員數(shù)量。

(2)同一小區(qū)不同行播不同品系種子(株(穗)行條播)

該工作模式一般通過(guò)配置彈夾式自動(dòng)供種裝置與氣吸式小區(qū)精密排種器組合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖29所示，自動(dòng)供種裝置每個(gè)供種盒容種空間內(nèi)的種子通過(guò)排種口下落至導(dǎo)種管并輸送至對(duì)應(yīng)的氣吸式小區(qū)精密排種器。自動(dòng)供種裝置的分種工作提前在播種前完成，以不同步提前裝種工作代替播種過(guò)程中同步多人操作，以減少該工作過(guò)程中的實(shí)際操作人員數(shù)量。

一些機(jī)型每個(gè)排種器配備一個(gè)存種提升桶，同時(shí)配備種子分配器，可以同時(shí)適用于同一小區(qū)播同一品系種子或者不同品系種子的試驗(yàn)要求，提高了結(jié)構(gòu)的通用性，結(jié)構(gòu)如圖30所示。

我國(guó)關(guān)于氣吸式小區(qū)育種排種技術(shù)研究成果較少。楊薇等[68]設(shè)計(jì)了一種種腔自?xún)粜蜌馕骄颗欧N器，其充種腔與清種腔相互獨(dú)立，排種與清種過(guò)程互不干擾，自?xún)袈蔬_(dá)100%，同時(shí)設(shè)計(jì)了配套的自動(dòng)供種裝置。周家鵬等[69]全面分析了目前小區(qū)育種播種機(jī)機(jī)械式清種與氣吸式清種結(jié)構(gòu)。

2.3 開(kāi)溝、覆土與鎮(zhèn)壓裝置

小區(qū)育種開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置與大田播種機(jī)配套的開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置基本一致[70-72]，其功能相同，尺寸一般較大田播種機(jī)小。小區(qū)育種播種試驗(yàn)以作物品種真實(shí)生長(zhǎng)環(huán)境要求為基礎(chǔ)，以便獲得真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)論，開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置一般按照耕后小區(qū)播種與免耕小區(qū)播種(圖31)的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式配套。

小區(qū)育種播種機(jī)開(kāi)溝裝置一般可配套雙圓盤(pán)式、靴式、滑刀式開(kāi)溝器等[73-74]。雙圓盤(pán)式開(kāi)溝器開(kāi)溝較窄，開(kāi)溝質(zhì)量較高，擁有較強(qiáng)破土能力，同時(shí)還不易纏草和壅土，土壤回填能力強(qiáng)，總體開(kāi)溝性能較好[75-80]，可以實(shí)現(xiàn)最小行距15 cm的小區(qū)開(kāi)溝作業(yè)，該結(jié)構(gòu)在耕后小區(qū)及免耕小區(qū)的開(kāi)溝作業(yè)中普遍使用。靴式開(kāi)溝器鈍角入土，土層保持良好，開(kāi)溝質(zhì)量較好，開(kāi)溝器起落容易，相關(guān)機(jī)型小巧輕便，最小行距可達(dá)8 cm，但破土能力較差，適用于耕后的小區(qū)播深要求不高的作物播種開(kāi)溝?；妒介_(kāi)溝器鈍角入土，依靠自身重力和彈簧壓力碎土開(kāi)溝，播深均勻，出苗齊整，可通過(guò)改變彈簧壓力調(diào)節(jié)入土深度，開(kāi)溝器寬度較大，開(kāi)溝形狀整齊[81-84]，最小行距40 cm，但其土壤回填能力較差，一般適用于耕后小區(qū)作物播種開(kāi)溝作業(yè)，目前應(yīng)用較少。

小區(qū)育種播種機(jī)覆土裝置一般以配套彈齒式覆土器為主[85]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，覆土效果穩(wěn)定，一般配套在小麥等播種深度較小的小區(qū)育種條播機(jī)上，在玉米等作物的小區(qū)育種精密播種機(jī)中，一般不配套覆土裝置。

小區(qū)育種播種機(jī)鎮(zhèn)壓裝置可配套各種形式的鎮(zhèn)壓輪，如整體平面、凸面、凹面鎮(zhèn)壓輪或分開(kāi)式凹面鎮(zhèn)壓輪及雙輪分開(kāi)式V形橡膠鎮(zhèn)壓輪等，一般根據(jù)土壤與作物生長(zhǎng)環(huán)境綜合考慮配套。該裝置一般配套玉米等小區(qū)育種精密播種機(jī)，在小麥等小區(qū)育種條播機(jī)上一般不配置鎮(zhèn)壓裝置。

開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置一般都通過(guò)可拆卸結(jié)構(gòu)連接固定在小區(qū)育種播種機(jī)機(jī)架上，一種小區(qū)育種播種機(jī)一般可配套多種開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置，通用性、適應(yīng)性較好，可以根據(jù)土壤環(huán)境及種子生長(zhǎng)條件靈活配置與之相適應(yīng)的開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置。小區(qū)育種播種機(jī)常配套的開(kāi)溝、覆土、鎮(zhèn)壓裝置如圖32所示。

2.4 小區(qū)定長(zhǎng)模式

小區(qū)定長(zhǎng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)獲取小區(qū)育種播種機(jī)在每個(gè)小區(qū)內(nèi)開(kāi)始播種位置的標(biāo)記形式，作業(yè)中自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)作均依據(jù)小區(qū)定長(zhǎng)信號(hào)。目前小區(qū)定長(zhǎng)一般有4種模式：

(1)鋼索模式

該模式下，鋼索一般整體纏繞在播種機(jī)纏繞輥上，鋼索總長(zhǎng)度大于小區(qū)育種播種機(jī)作業(yè)前進(jìn)一次的長(zhǎng)度，鋼索上每隔一個(gè)小區(qū)長(zhǎng)度與一個(gè)區(qū)間道寬度固定1顆鋼球，播種作業(yè)前鋼索一端穿過(guò)播種機(jī)上的鋼索探測(cè)裝置并固定在地頭上，工作時(shí)，當(dāng)探測(cè)裝置觸碰到鋼索上的鋼球后，控制系統(tǒng)即可獲取小區(qū)定長(zhǎng)信號(hào)，如圖33所示。該模式的優(yōu)點(diǎn)為小區(qū)長(zhǎng)度控制精確，區(qū)間道對(duì)齊效果較好，缺點(diǎn)為一套鋼索只能對(duì)應(yīng)一種小區(qū)長(zhǎng)度配置，無(wú)法自由調(diào)節(jié)小區(qū)長(zhǎng)度與區(qū)間道的寬度。

(2)測(cè)程輪模式

該模式在小區(qū)育種播種機(jī)后面設(shè)置一個(gè)被動(dòng)行走輪，控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量被動(dòng)行走輪的行走距離來(lái)確定播種機(jī)相對(duì)于小區(qū)的位置。工作中，每當(dāng)測(cè)量的行走距離到達(dá)預(yù)設(shè)的行走距離時(shí)，控制系統(tǒng)即可獲取小區(qū)定長(zhǎng)信號(hào)，如圖34所示。該模式的優(yōu)點(diǎn)是小區(qū)長(zhǎng)度和區(qū)間道寬度可以通過(guò)自動(dòng)控制程序操作界面靈活設(shè)定，操作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是測(cè)程輪可能打滑造成小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量有一定誤差，導(dǎo)致橫向的區(qū)間道對(duì)齊效果較差。

(3)測(cè)程輪+鋼索矯正模式

該模式將測(cè)程輪模式與鋼索模式結(jié)合在一起，如圖35所示，測(cè)程輪測(cè)量行走距離與鋼索矯正過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。工作中，播種機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量測(cè)程輪行走距離獲取小區(qū)定長(zhǎng)信號(hào)，測(cè)程輪行走距離的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)鋼索模式每2 m固定1顆鋼球進(jìn)行一次矯正，通過(guò)這個(gè)固定距離可以修正測(cè)程輪行走距離的測(cè)量誤差，矯正過(guò)程使測(cè)程輪測(cè)量距離更準(zhǔn)確。該模式的優(yōu)點(diǎn)是兼顧了測(cè)程輪模式與鋼索模式的優(yōu)點(diǎn)，既可以靈活設(shè)定行長(zhǎng)，又能保證小區(qū)長(zhǎng)度與區(qū)間道寬度的精度，缺點(diǎn)是播種機(jī)結(jié)構(gòu)與控制程序更復(fù)雜。

(4)衛(wèi)星定位導(dǎo)航模式

該模式是通過(guò)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)(如GPS導(dǎo)航或北斗導(dǎo)航)定位播種機(jī)的位置[86-94]，將位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)的控制程序，從而在播種機(jī)到達(dá)預(yù)設(shè)位置時(shí)，控制系統(tǒng)可以獲取定位信號(hào)[95-102]，如圖36所示。該模式操作簡(jiǎn)便，精度高，缺點(diǎn)是成本很高。

Wintersteiger公司研發(fā)基于GPS的播種定位控制器(GSC)應(yīng)用于Plotseeder TC自走式小區(qū)條播機(jī)、Plotseeder等系列懸掛式小區(qū)條播機(jī)上，不需要使用劃印器自動(dòng)精準(zhǔn)定位[103]。王浩等[104]利用北斗衛(wèi)星定位小麥小區(qū)育種播種位置，解決人工地面劃線問(wèn)題，并提出了一種算術(shù)平均值濾波與卡爾曼濾波相融合算法[105]，進(jìn)行定位信息修正，提高小區(qū)路徑規(guī)劃定位精度。王浩等[106]將北斗衛(wèi)星與編碼器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于行程自校準(zhǔn)的高精度小區(qū)播種系統(tǒng)，能夠?qū)⑿^(qū)長(zhǎng)度誤差控制在1%以?xún)?nèi)。

目前國(guó)內(nèi)外帶自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的小區(qū)育種播種機(jī)一般具備小區(qū)定長(zhǎng)功能，該功能可以應(yīng)用于小區(qū)育種條播機(jī)及小區(qū)育種精密播種機(jī)上，目前大多配套于小區(qū)育種精密播種機(jī)上，小區(qū)條播一般人工提前在待播地塊上劃線，人工控制。

2.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)

目前彈夾式自動(dòng)供種、條播中的排種裝置底座自動(dòng)調(diào)平、排種裝置存種提升桶自動(dòng)提升、排種裝置旋轉(zhuǎn)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)，精播中的排種器種子自動(dòng)更換、排種圓盤(pán)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)等方面均可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。一些自動(dòng)化程度比較高的機(jī)型將自動(dòng)控制各功能模塊集成，由各研發(fā)單位開(kāi)發(fā)的播種軟件統(tǒng)一控制，可以人機(jī)交互進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。尚書(shū)旗團(tuán)隊(duì)研發(fā)了小區(qū)育種精密播種自動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用控制監(jiān)測(cè)軟件，使得對(duì)供種、落種、預(yù)落種及排種過(guò)程的所有電動(dòng)控制裝置的控制由程序控制自動(dòng)完成。程修沛等[107]研發(fā)了一種基于 STM32 的小麥小區(qū)播種機(jī)排種控制系統(tǒng)，先對(duì)小區(qū)播種路徑、種量、速度等參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)單片機(jī)及Android 終端[108]控制小區(qū)播種工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。

2.5.1自動(dòng)供種

在小區(qū)育種株(穗)行條播機(jī)、小區(qū)育種株(穗)行精密播種機(jī)中均可配置彈夾式自動(dòng)供種裝置，實(shí)現(xiàn)同一小區(qū)不同品系種子的供種。自動(dòng)供種過(guò)程中，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)間隔轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)供種臺(tái)上所有供種盒共同向排種口平移一定距離，實(shí)現(xiàn)供種盒精準(zhǔn)平移定位。

2.5.2條播排種裝置底座自動(dòng)調(diào)平

錐體-格盤(pán)式排種裝置與錐體帶式排種裝置要求底盤(pán)時(shí)刻處于水平狀態(tài)，保證種子均勻分布于圓周，如果底盤(pán)不水平，種子向傾斜方向流動(dòng)將會(huì)嚴(yán)重影響播種均勻度。Wintersteiger公司通過(guò)兩種形式實(shí)現(xiàn)底盤(pán)自動(dòng)調(diào)平，通過(guò)水平儀，手動(dòng)調(diào)節(jié)底盤(pán)下的兩個(gè)伺服電機(jī)使排種裝置達(dá)到水平狀態(tài)；通過(guò)帶有傳感器的電子控制器進(jìn)行排種裝置的自動(dòng)調(diào)平，在控制過(guò)程中，兩種模式可以選配，也可以同時(shí)配套，如圖37所示。

2.5.3條播排種裝置存種提升桶自動(dòng)提升

通過(guò)條播排種裝置存種提升桶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提升技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于小區(qū)育種條播技術(shù)的各種形式結(jié)構(gòu)中，由控制系統(tǒng)控制條播排種裝置存種提升桶在電磁力作用下，迅速提起，種子完全從存種提升桶與錐體縫隙流出后斷電，存種提升桶復(fù)位。

2.5.4條播排種裝置旋轉(zhuǎn)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)

電動(dòng)控制過(guò)程中，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地輪轉(zhuǎn)速，由控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的小區(qū)長(zhǎng)度，自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)份量播種控制。小區(qū)長(zhǎng)度可以靈活調(diào)整，地輪阻力減小有效避免了打滑現(xiàn)象。

2009年尚書(shū)旗科研團(tuán)隊(duì)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)播種技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種小區(qū)播種電控系統(tǒng)，并研發(fā)了懸掛式小區(qū)電控播種機(jī)(圖38)，利用步進(jìn)電機(jī)控制錐體-格盤(pán)排種裝置的旋轉(zhuǎn)，利用直流電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)分種頭高速旋轉(zhuǎn)，一方面通過(guò)工作前輸入小區(qū)長(zhǎng)度等信息，由系統(tǒng)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；另一方面通過(guò)傳感器獲取地輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，利用雙傳感器檢測(cè)結(jié)果確保錐體-格盤(pán)在不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一周角度誤差小于0.24%[109]。張健等[110]對(duì)該電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了速度伺服控制系統(tǒng)。Wintersteiger公司也研發(fā)了一種電控式小區(qū)育種條播機(jī)。該技術(shù)在方便靈活調(diào)整小區(qū)長(zhǎng)度、提高播種質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前還未普及推廣應(yīng)用。

2.5.5精播排種器種子更換控制技術(shù)

氣吸式小區(qū)育種精密排種器內(nèi)的種腔在排種與清種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，是及時(shí)準(zhǔn)確更換種子而不混種的主要過(guò)程。在小區(qū)播種過(guò)程中，種腔一直處于排種狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)小區(qū)播種結(jié)束，控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使種腔活動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖39所示，種腔由排種狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換至清種狀態(tài)，種子從種腔流至集種腔，然后種腔再回歸排種狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)控制氣動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間隔式快速來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)種腔排種狀態(tài)與清種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2.5.6精播排種圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

當(dāng)氣動(dòng)式小區(qū)精密排種器的吸種圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)[111-113]，在同一小區(qū)播種過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)吸種圓盤(pán)轉(zhuǎn)速使作物株距保持一致[114]，在不同小區(qū)播種時(shí)，根據(jù)不同作物株距要求通過(guò)控制系統(tǒng)靈活調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，以增大或者縮小播種株距。

2.6 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄系統(tǒng)

在精播或在單位長(zhǎng)度小區(qū)行內(nèi)排種量較小的條播過(guò)程中，一些機(jī)型配置各研發(fā)單位開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)監(jiān)測(cè)每一小區(qū)內(nèi)每粒從排種落入開(kāi)溝裝置的種子來(lái)獲取每個(gè)小區(qū)行播入種子的種粒數(shù)及播種機(jī)作業(yè)參數(shù)信息[115-120]，如行進(jìn)速度、播種株距、行走路徑長(zhǎng)度等[121]，并通過(guò)記錄系統(tǒng)連同預(yù)先設(shè)定的對(duì)應(yīng)小區(qū)參數(shù)、作業(yè)時(shí)間等形成小區(qū)播種數(shù)據(jù)記錄，儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)內(nèi)。例如，Wintersteiger公司研發(fā)的GSC 控制器可以通過(guò)落下一粒種子LED燈會(huì)短暫閃爍一下的形式，記錄每粒種子落下的時(shí)間及每小區(qū)排種總粒數(shù)，與在控制器上設(shè)定的參數(shù)存入PCMCIA 卡上，利用計(jì)算機(jī)讀取卡上的信息，并可通過(guò)Excel 編輯數(shù)據(jù)。

3 小區(qū)育種播種機(jī)械研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外小區(qū)育種播種機(jī)械

目前國(guó)外小區(qū)育種條播機(jī)、精密播種機(jī)生產(chǎn)公司很少，但技術(shù)相對(duì)比較成熟，目前研發(fā)類(lèi)型比較齊全，如奧地利Wintersteiger公司、德國(guó)Haldrup公司、法國(guó)Baural公司、美國(guó)Almaco公司、美國(guó)SRES公司以及巴西Maquinarium公司等均有技術(shù)成熟產(chǎn)品，可以適用于小麥、谷類(lèi)、玉米、豆類(lèi)等作物小區(qū)育種試驗(yàn)。不同類(lèi)型的典型小區(qū)育種播種機(jī)如表1、2所示。

表1 國(guó)外小區(qū)育種條播機(jī)Tab.1 Overseas drill for plot breeding

表2 國(guó)外小區(qū)育種精密播種機(jī)Tab.2 Overseas precision seeder for plot breeding

3.2 國(guó)內(nèi)小區(qū)育種播種機(jī)械

我國(guó)從事小區(qū)育種播種機(jī)研發(fā)生產(chǎn)的單位很少，目前機(jī)型涵蓋小區(qū)育種條播機(jī)、小區(qū)育種精播機(jī)，典型機(jī)型如表3所示。適用于小麥、玉米小區(qū)育種試驗(yàn)，針對(duì)其他作物的小區(qū)育種播種機(jī)械基本還處于空白。

表3 我國(guó)小區(qū)育種播種機(jī)Tab.3 Research and development of plot breeding seeder in China

4 展望

目前，我國(guó)小區(qū)育種播種機(jī)械化正處于快速、健康發(fā)展時(shí)期。隨著科技的進(jìn)步與育種業(yè)的發(fā)展，小區(qū)育種播種機(jī)械化將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，在今后一段時(shí)期內(nèi)，在小區(qū)育種播種技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化、機(jī)械加工質(zhì)量提升、銷(xiāo)售模式改變、高新技術(shù)融合等方面，都會(huì)有很大的提高。

(1)播種技術(shù)體系進(jìn)一步優(yōu)化、創(chuàng)新和完善

作物品種多種多樣，目前小區(qū)育種播種機(jī)械研發(fā)主要針對(duì)小麥、玉米、大豆、谷類(lèi)等作物，很多作物品種的排種技術(shù)尚待驗(yàn)證完善，通用機(jī)型或者專(zhuān)用機(jī)型研發(fā)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大適用作物范圍。小區(qū)育種播種過(guò)程比較復(fù)雜，播種效果影響因素較多，在特定環(huán)境下，選擇個(gè)別試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行嘗試性試驗(yàn)效果研究已經(jīng)不能滿(mǎn)足小區(qū)育種播種技術(shù)發(fā)展的需要，隨著模擬仿真分析技術(shù)的發(fā)展，基于動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)的模擬仿真理論分析研究將全面擴(kuò)展需同時(shí)考慮的因素，直觀最大限度地獲得不同狀態(tài)下各影響因素的影響機(jī)理及影響效果，為小區(qū)育種播種技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性，理論分析與有針對(duì)性的試驗(yàn)驗(yàn)證將成為小區(qū)育種播種技術(shù)創(chuàng)新完善的主要途徑，為全面分析各參數(shù)對(duì)播種質(zhì)量的影響提供更準(zhǔn)確更全面技術(shù)參考。排種器及種子經(jīng)過(guò)零部件將是重點(diǎn)優(yōu)化創(chuàng)新的對(duì)象，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)成與結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高種子運(yùn)動(dòng)的一致性、均勻性是提高播種質(zhì)量的核心內(nèi)容。隨著液壓傳動(dòng)、電動(dòng)控制、傳感器等技術(shù)的不斷應(yīng)用，小區(qū)育種播種的供種、排種等控制過(guò)程及小區(qū)定長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)過(guò)程將得到不斷的改進(jìn)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，測(cè)量、控制精度的提升，功能的完善，推動(dòng)產(chǎn)品的更新升級(jí)。隨著試驗(yàn)要求的不同，新技術(shù)下的新型小區(qū)育種播種機(jī)將不斷涌現(xiàn)。播種技術(shù)體系進(jìn)一步優(yōu)化、創(chuàng)新和完善為小區(qū)育種機(jī)械化發(fā)展的基礎(chǔ)，繼續(xù)探索新的可行技術(shù)原理與技術(shù)形式，以提高作業(yè)質(zhì)量與適應(yīng)性、降低成本成為下一步的主要任務(wù)。

(2)機(jī)械加工質(zhì)量進(jìn)一步提升

小區(qū)育種播種機(jī)的作用及應(yīng)用領(lǐng)域，要求其作業(yè)更精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠。播種作為田間育種試驗(yàn)的第一步，高質(zhì)量的播種是保證獲得真實(shí)科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。排種器作為核心，將是播種性能提升的主要對(duì)象，采用先進(jìn)的加工工藝，性能優(yōu)良的材料，通過(guò)精準(zhǔn)的裝配、檢測(cè)校正，充分的試驗(yàn)驗(yàn)證以進(jìn)一步提高關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的作業(yè)質(zhì)量與效率。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)更加注重機(jī)械通用性、適應(yīng)性的要求，組裝部件在播種機(jī)加工過(guò)程中占比明顯提高，繼續(xù)優(yōu)化各組裝零部件之間連接結(jié)構(gòu)，保證整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性、穩(wěn)定性。目前我國(guó)小區(qū)育種播種機(jī)以中小型為主，大型小區(qū)育種播種機(jī)將是未來(lái)研發(fā)的重要內(nèi)容，進(jìn)一步提升機(jī)械加工質(zhì)量滿(mǎn)足其各結(jié)構(gòu)的承載要求與播種結(jié)構(gòu)的作業(yè)要求，將是保證小區(qū)育種播種機(jī)高水平作業(yè)的根本保證。

(3)應(yīng)用服務(wù)模式進(jìn)一步豐富

應(yīng)用環(huán)節(jié)是小區(qū)育種播種機(jī)械化發(fā)展不可缺少的部分。面對(duì)目前小區(qū)育種播種機(jī)械化水平較低的情況，IAMFE將繼續(xù)進(jìn)一步提供技術(shù)支持，發(fā)揮其橋梁紐帶作用，利用互聯(lián)網(wǎng)建立機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)與用戶(hù)的詳細(xì)信息交流互動(dòng)平臺(tái)，提供各地區(qū)小區(qū)田間試驗(yàn)田規(guī)模及小區(qū)播種詳細(xì)資料。條件允許的情況下，可以在小區(qū)田間育種規(guī)模大的企業(yè)、高校及科研院所設(shè)立流動(dòng)服務(wù)站，提供除銷(xiāo)售外的技術(shù)人員培訓(xùn)及田間試驗(yàn)承包等新模式的應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)一步發(fā)掘潛在的小區(qū)育種播種機(jī)應(yīng)用服務(wù)市場(chǎng)，建立更新穎、更和諧的供求合作關(guān)系，克服小區(qū)育種播種機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域窄，每年利用時(shí)間短的缺陷，推動(dòng)小區(qū)育種播種機(jī)械化健康發(fā)展。

(4)高新技術(shù)進(jìn)一步融合

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化技術(shù)的深度融合成為小區(qū)育種播種機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人工無(wú)法替代完成的實(shí)質(zhì)技術(shù)性的變革，改變工作環(huán)境的無(wú)人駕駛，人機(jī)交互遠(yuǎn)程控制自動(dòng)精準(zhǔn)播種的物聯(lián)網(wǎng)操作平臺(tái)，高效播種狀態(tài)控制及自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，自動(dòng)實(shí)時(shí)傳輸記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)的云端服務(wù)平臺(tái)等高新技術(shù)融合的新一代小區(qū)育種播種機(jī)將給未來(lái)小區(qū)育種田間試驗(yàn)機(jī)械化帶來(lái)重大技術(shù)變革。