邢 赫，王在滿※，羅錫文，臧 英，張明華，楊文武

（1. 華南農業(yè)大學南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 華南農業(yè)大學工程學院，廣州 510642）

0 引 言

水稻是世界上主要的糧食作物之一，全球有超過一半的人口以水稻為主食[1]。水稻種植技術對水稻產量與經濟效益影響重大。目前中國的水稻機械化種植水平較低，據統(tǒng)計中國水稻種植機械化水平僅為 44.45%[2]，主要種植方法仍以插秧與撒播為主。近年來，由于勞動力成本的提高，水稻種植的成本也隨之增加，發(fā)展機械化種植水稻技術勢在必行[3-5]。

水稻直播技術省去了前期育秧等工序，直接將稻種播入田中，提高了作業(yè)效率，降低了生產成本，日益受到農民歡迎。相比于常規(guī)稻，超級雜交稻具有更強的分蘗能力，采用移栽技術時，每穴僅需要 1棵秧苗即可滿足種植要求[6]。采用直播技術時，需要精確控制播種量，播量過多會導致稻種的浪費，增加成本；播量過少則難以保證田間成苗率，影響產量[7-11]。

氣力式播種技術采用氣流播種，其特點是播種精度較高，傷種率較低，適應性較強，可滿足多類種子的播種需求，Yasir[12]針對小麥氣力式排種器進行了研究，對排種器的運動過程進行了理論分析，并進行了試驗驗證，得到了孔徑、倒角、氣壓等參數的相互關系。Singh等[13]對氣力式排種器氣孔的形狀與尺寸進行了研究，利用棉花籽粒進行了試驗，得到了最佳結構參數。Karayel等[14]對氣力式排種器對不同作物的適應性進行了系列研究，建立了真空度與物料特性之間的關系方程，優(yōu)化了排種器結構參數。Yazgi等[15]研究了氣力式排種器播種的均勻性，采用響應曲面方法（RSM）對氣力式排種器的真空度、吸孔直徑與排種盤轉速等參數進行了試驗研究，為播種的均勻性提供了參考依據。廖慶喜等[16]研制了一種氣力式油菜排種器，對其性能進行試驗，分析了排種盤轉速與正負壓強對排種器性能呢的影響。

以上對氣力式排種器的研究均針對圓球度較高、種子表面光滑作物種子，如大豆、玉米、小麥、油菜等作物種子。超級雜交稻種外形特征多為細長狀，圓球度較低，有芒，流動性較差。目前針對超級雜交稻的精量直播仍處于研發(fā)階段。張順等[17]設計了一種氣力滾筒式水稻排種器，對排種器的結構參數進行了優(yōu)化試驗，得到了最佳結構參數與工作參數。張國忠等[18-21]對氣力式排種器在超級雜交稻中的應用進行了研究，但僅針對排種器進行了實驗室內的試驗研究，并未將其應用于田間生產當中。目前，由羅錫文等[22-23]研制的水稻精量穴播機已廣泛應用于中國各地水稻生產中，但由于排種器播量較大，不適于超級雜交稻。

為了進一步研究氣力式排種器在超級雜交稻直播中的適用性，本文采用華南農業(yè)大學研制的10行氣力式水稻精量穴播機對 3種超級雜交稻進行了田間試驗，建立了田間成苗率與稻種發(fā)芽率和播種精度的關系。為氣力式水稻精量穴播機的改進與優(yōu)化提供參考依據。

1 氣力式水稻穴播機工作原理與田間成苗模型

1.1 工作原理

10行氣力式水稻精量穴播機[24]總體結構如圖 1所示。主要由井關2Z-6A（PG6D）乘坐式高速插秧機動力底盤1、風機2、正壓管路3、開溝底板4、排種器5、三點懸掛裝置6、動力輸出軸PTO 7、減速箱8、負壓管路9和汽油機10組成。排種器之間的間距為250 mm，即行距為250 mm固定不變，穴距為100～220 mm可調。該機底盤動力為8 kW，采用的汽油機為5.5 kW，作業(yè)效率大于0.33 hm2/h。

圖1 氣力式水稻精量穴播機Fig.1 Pneumatic rice precision hill-drop drilling planter

如圖 1所示，將氣力式水稻穴播機的播種部分采用三點懸掛結構掛接在井關乘坐式高速插秧動力底盤上，由高速插秧機的動力輸出軸輸出動力，經由減速箱減速后通過鏈傳動傳遞給排種器的排種軸，為氣力式水稻排種器轉動提供動力輸出。各個排種軸之間采用聯(lián)軸器連接，以保證同步轉動。采用汽油機為風機提供動力，采用正負氣壓管路將氣力式水稻排種器與風機正負壓接口相連接，提供排種器所需的氣源。采用開溝底板為田間播種開出種溝與蓄水溝。排種器工作時稻種落入種溝內，蓄水溝內儲存一定量的水，以確保田面濕潤。

1.2 田間理論成苗模型

為了研究播種精度與稻種發(fā)芽率對田間成苗率的影響，根據田間用種量關系[25]，將整體播量細化到每一穴

式中Z為田間成苗概率，%；y為稻種理論發(fā)芽率，%；ak為播種精度所對應的概率，（即 a1為 1粒/穴概率，a2為2粒/穴概率），k為每穴播種粒數，x為每穴中成苗稻種的數量(x≤k)。

由式（1）可知，當1穴僅播1粒種子時，該種子是否發(fā)芽，將直接影響該穴是否成苗，若該粒種子沒有發(fā)芽，則這一穴將為空苗；當1穴播2粒種子時，只有當2粒種子同時不發(fā)芽，則該穴才為空苗，即 2粒種子每穴為空苗的概率與稻種不發(fā)芽率的平方有關，且同時不發(fā)芽的概率較低。同理當1穴播3粒種子時，需要3粒同時不發(fā)芽，才能使該穴為空苗，其概率更低。

該公式可同時為播種前稻種發(fā)芽率提出最低要求，即當播種精度一定時，可提前預測滿足田間成苗要求的最低稻種發(fā)芽率指標。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

選取3種超級雜交稻“五豐優(yōu)615”、“Y-2優(yōu)”和“超優(yōu)1000”為研究對象。

2.2 試驗方法

2.2.1 室內發(fā)芽試驗

為了研究直播機播種精度與發(fā)芽率對田間成苗率的影響，以室內發(fā)芽率作為田間成苗率理想條件，建立播種精度與田間成苗率的預測公式。

將種子經清水清洗、濾除雜質與秕谷后，采用人工選種的方法，選取大小均勻、籽粒飽滿的稻種進行試驗研究，每個品種挑選100粒稻種為1組，每組試驗重復5次（共 500粒）。將選取好的稻種浸泡在室溫 25 ℃的水中，浸泡 24 h。將試紙放置在培養(yǎng)皿的底部，采用清水浸濕試紙，形成紙床，貼附在培養(yǎng)皿的底部。將浸泡后的稻種取出，分組放置在培養(yǎng)皿的紙床上，為了減小稻種在發(fā)芽過程中，稻種之間的相互影響，在擺放稻種時盡可能均勻分散放置，減小稻種之間的相互影響。

將其放至30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)芽測試，每隔一段時間向培養(yǎng)皿中加入一定量的水，保持紙床濕潤，防止稻種干燥。1周后記錄稻種的發(fā)芽率。其發(fā)芽照片如圖2所示。

將發(fā)芽后的稻種攤開，采用人工觀察統(tǒng)計稻種的發(fā)芽率。

2.2.2 田間試驗

試驗地點選在華南農業(yè)大學岑村農場進行，試驗前3天采用旋耕機對田塊進行帶水旋耕處理，將泥塊打碎至起漿，再用水田激光平地機對田塊進行平整，沉淀3 d后再進行田間試驗，土壤為黏性土壤。農場采用防鳥網全面覆蓋，避免鳥類對播后稻種的危害。中，并結合排種器的播種精度，即每一穴的播種粒數，建立田間成苗率預測公式（1）：

圖2 稻種發(fā)芽圖Fig.2 Rice seed germination

為了研究氣力式水稻精量穴播機的播種精度與田間成苗率之間的關系，采用10行氣力式水稻精量穴播機對上述 3種超級雜交稻品種進行田間試驗。所選的稻種與實驗室內發(fā)芽試驗稻種為同一批次稻種。采用清水浸泡法對種子進行篩選，除去秕谷與雜質，將篩選后的稻種浸泡于清水中24 h后取出，放置室內待其至破胸露白發(fā)芽，控制芽長不超過3 mm，此時芽短而硬，在排種器充種過程中，不易斷裂，不會造成稻芽的損傷與排種器的堵塞現(xiàn)象。試驗前測定稻種的平均含水率為21.5%（濕基）。

采用上述處理后的種子進行田間試驗，由前期田間試驗[25]可知當吸種負壓為2.0 kPa時，田間播種效果較好，故在負壓2.0 kPa的條件下進行播種。

2.2.3 數據采集與處理

為了分析播種精度對田間成苗率的影響，對播種后的精度進行統(tǒng)計。將排種器按照從左至右依次編號 1～10，記錄每1行的播種精度。每行各取250穴，且重復3次（即每行各取750穴）。分別對上述3種稻種進行播種精度統(tǒng)計。

為了分析田間成苗率的影響因素，對每個品種另選取2 m2區(qū)域進行標記，統(tǒng)計播種穴粒數，并在10 d后對該區(qū)域成苗情況進行統(tǒng)計，求出每個品種的田間成苗率，采用SPSS軟件[26]對統(tǒng)計后的數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 室內發(fā)芽試驗結果

試驗結果如表1所示。3種稻種的發(fā)芽率作為田間成苗率的理想條件，進而對田間實際成苗率做進一步分析。由表1可知，發(fā)芽率均高于90%，平均發(fā)芽率分別為94%、91%、92%。

表1 室內稻種發(fā)芽率Table1 Rice seeds germination rate in laboratory

本文采用華南農業(yè)大學研制的氣力式水稻精量穴播機對上述稻種進行田間播種，由文獻[27-28]可知，該排種器的播種空穴率小于 2%，大于等于 4粒/穴的概率為3%左右，1粒/穴種子的概率為18%左右，2粒/穴種子的概率為58%左右，3粒/穴種子的概率為19%左右。根據表 1中的試驗結果，并結合式（1），可計算出田間成苗率的理論值，由于超級雜交稻每穴僅 1顆苗即可滿足種植要求，故求出3種稻種的田間成苗率分別為：96.71%、95.9%、96.18%?？蓾M足大田直播成苗率大于95%的要求。

3.2 田間試驗結果與分析

3.2.1 田間播種精度結果分析

各行排種器播種精度試驗結果如圖 3所示；各行排種器平均每穴播種粒數試驗結果如表2所示。由圖3可知，各行排種器的1～3粒/穴合格概率基本穩(wěn)定在95%左右，其中2粒/穴概率在50%～60%之間，兩端排種器（即1號或10號排種器）的1粒/穴率偏高，且排種器越趨向于中間位置，1粒/穴概率越??；中間排種器（即5號或6號排種器）3粒/穴概率偏高，且排種器越趨向于兩端位置，3粒/穴概率越小。由表 2可知，水稻氣力式穴播機排種器的平均播種精度為1.8～2.2粒/穴，其中中間排種器的平均播種粒數要大于兩端排種器的平均播種粒數，且基本成對稱分布。產生這種現(xiàn)象的主要原因為：水稻氣力式穴播機主要采用旋渦式風機為排種器提供氣壓，采用管路將排種器與風機相連接，本文主要采用分流式管路，主管路位于中間位置，故氣流是由中間向兩端進行分配，由于空氣屬于流體，根據流體力學可知[29]，流體在管路內流動時將與管路內壁發(fā)生摩擦，產生阻力。在管路與排種器連接處，存在轉角與局部管徑尺寸變化，這些因素均會影響氣流的流動，并會產生局部壓強損失與沿程壓強損失。其中沿程壓強損失會隨著氣流流動的距離增加而增加，局部壓強損失會隨著局部的變化而變化。由于兩端排種器距離主管路較遠，其沿程損失與局部損失均高于中間位置的排種器，導致兩端位置的排種器的氣壓小于中間位置的排種器，由文獻[30]可知在相同條件下水稻氣力式排種器總體播種量會隨著吸種負壓的提升而提升。故排種器的3粒/穴概率會隨著排種器距離中心位置的增加而減小，1粒/穴概率會隨著排種器距離中心位置的增加而增大。因所提供的氣壓可以滿足氣力式排種器正常工作，故2粒/穴概率基本穩(wěn)定，且無明顯的規(guī)律變化。故平均播種粒數也出現(xiàn)中間大于兩端的現(xiàn)象，符合氣壓分布的規(guī)律所帶來的影響。平均播種粒數的變異系數分別為5.91%，7.11%，6.82%，略大于5%，表明各行排種器之間的播種量存在差異，但由于播種精度1～3粒/穴合格率均大于95%，滿足田間播種要求，故不會對田間成苗率以及最終田間產量產生影響。

3.2.2 田間成苗率結果分析

對總體播種精度與田間成苗試驗結果進行統(tǒng)計，同時利用田間總體播種精度與式（1）計算理論成苗率，結果如表3所示。

由表3可知，理論成苗率分別為96.85%、95.79%、96.07%。田間實際成苗率分別為 94.22%、93.94%、93.76%，均低于理論成苗率。主要原因為：田間環(huán)境比實驗室中的更為復雜，田間播種會有較多的自然條件對稻種產生影響，比如溫度、濕度、蟲害等因素，導致稻種在田間的發(fā)芽率低于實驗室的發(fā)芽率。

圖3 各行排種器排種精度Fig.3 Each row seeding precision of seed metering device

表2 平均穴粒數試驗結果Table 2 Experiment results of average seeds number in per hill

表3 田間成苗試驗結果Table 3 Experiment results of seeding survival rate in field

播種精度對成苗率的影響主要為空穴概率與1粒/穴概率，當出現(xiàn)空穴時必為空苗；當一穴中僅有 1粒種子時，如果該稻種不發(fā)芽，該穴即成為了空穴。由式（1）可知，當一穴中存在 2粒稻種時，其成苗率由不發(fā)芽率的平方所決定，故 2粒稻種同時不發(fā)芽的概率較低，不易出現(xiàn)空穴；3粒以上稻種同時不發(fā)芽的概率更低。故減少田間的空苗率需要進一步提升稻種的發(fā)芽率，以及優(yōu)化排種器，減小空穴概率與1粒/穴概率的發(fā)生。所以，從農藝的角度應盡可能提高稻種的發(fā)芽率，以及增加稻種的前期處理過程，以保證稻種在田間的實際成苗率。農機的角度應盡可能的提高播種精度，減小空穴與1粒/穴概率。

4 討 論

根據超級雜交稻的生長特性，至少要保證每穴有一棵苗，即每穴中至少要有 1粒以上稻種發(fā)芽成苗。根據水稻田間種植成苗率大于 95%的基本要求。采用本文公式計算，其稻種發(fā)芽率需要大于86.5%，才能滿足最低要求。本次試驗中稻種在實驗室內的發(fā)芽率均大于86.5%，但由于田間種植情況復雜，故其田間成苗率低于理論計算成苗率。通過田間試驗結果可知，當實驗室發(fā)芽率高于90%時，田間實際成苗率仍略小于95%，故需要進一步提高稻種的發(fā)芽率。同時也需要進一步改進與優(yōu)化排種器，減小空穴概率與1粒/穴概率。不宜采用過大的播量，主要原因為：超級雜交稻比普通雜交稻的分蘗能力更高，如果加大對超級雜交稻的直播播量，會導致田間總體基本苗過多，會產生苗之間的內部競爭，不利于水稻生長，種植密度過大，不利于水稻之間通風與采光，容易產生病蟲害等危害，影響最終的產量。

本文主要針對超級雜交稻進行研究分析，在采用直播方式進行播種時，必須對其精量播種，播量過少，精度較低，當稻種發(fā)芽率不高時，將會出現(xiàn)較高的空苗率；播量過大，會造成稻種的浪費，超級雜交稻稻種成本較高，將會提高總體播種成本。故必須對其精量播種。

采用水稻直播技術對超級雜交稻進行播種時，發(fā)芽率與播種精度是主要影響田間成苗率的因素。為了提高稻種的發(fā)芽率，可在播種前進行選種，采用選種機對稻種進行清選。浸種時可加入合適的藥劑進行泡種，以提高稻種的發(fā)芽率。同時也應進一步的提升排種器的播種精度，在不增加播量的基礎上，進一步增大2粒/穴概率，減小1粒/穴概率與3粒/穴概率。其中減小1粒/穴概率的目的是為了減小田間空苗率，減小3粒/穴概率的目的是為了減小稻種成本。

由試驗結果可知，田間成苗率最低為93.76%，對水稻生產不會產生較大影響，主要原因為：水稻有較強的自適應能力，如出現(xiàn)空穴，空穴周圍稻種的分蘗與結實效果會好于其他區(qū)域稻種，故較小的空苗率出現(xiàn)不會對最終的產量產生較大的影響。圖 4為田間效果圖，由圖4a可知，田間播種分布較為均勻，前期成苗正常。圖4b為氣力式水稻精量穴播機田間工作圖。

圖4 田間效果圖Fig.4 Field effect diagram

氣力式水稻穴播機工作時需要足夠的氣壓維持排種器的正常工作，但由于排種器成直線分布，風機至各個排種器之間的管路長度不同，會導致氣壓分配不均勻，導致播種精度不同，中間位置的排種器平均播種量要高于兩端，需要進一步對管路結構進行優(yōu)化，使其能夠均勻分配氣壓，減小工作壓強不同造成的對排種器播量的影響。

5 結 論

1）本文以3種超級雜交稻“Y-2優(yōu)”、“超優(yōu)1000”、“五豐優(yōu)615”為研究對象，對稻種的發(fā)芽率進行了室內試驗，發(fā)芽率分別為：94%、91%、92%。并建立了稻種發(fā)芽率與播種精度對田間成苗率的關系公式。

2）利用氣力式精量水稻穴直播技術對這3種水稻品種進行田間播種精度試驗，播種合格率（1～3粒/穴概率）分別為94.98%、95.07%、95.21%，空穴概率分別為1.78%、2.03%、1.95%，

3）分析了田間成苗率低于理論成苗率的影響因素為：播種空穴概率和1粒/穴概率所致，提出了提高田間成苗率的主要措施，一是進一步提高播種精度，提高 2粒/穴概率，減小空穴率和1粒/穴概率，二是進一步提高稻種發(fā)芽率。

本文研究結果可為氣力式排種技術在超級雜交稻精量直播中的應用提供依據。

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