張妮 張國忠

摘要：綜述了國內外水稻機械化直播和機械化移栽技術及其裝備的研究現狀及發(fā)展動態(tài)。針對中國的水稻種植條件和種植制度，指出了現有水稻種植裝備的不足之處。提出水稻移栽是水稻種植機械化的重要發(fā)展方向，重點闡述了水稻缽苗移栽的研究現狀。最后對水稻種植機械化技術的研究方向與趨勢進行了展望。

關鍵詞：水稻;種植機械化;缽苗移栽;移栽機;發(fā)展

中圖分類號： S233.71 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）17-0005-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.17.001 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The research status and development trend of rice mechanized direct seeding and mechanized transplanting technology and equipment at home and abroad were summarized. According to China's rice planting conditions and planting system， the shortcomings of existing rice planting equipment were pointed out; rice transplanting was an important development direction of rice planting mechanization， and the research status of rice pot seedling transplanting was emphatically elaborated. Finally， the research direction and trend of rice planting mechanization technology were prospected.

Key words： rice; planting mechanization; potted seedling transplanting; transplanting machine; development

中國是水稻種植和生產大國，2018年水稻種植面積3 019萬 hm2，產量21 213萬 t，約占糧食總產量的32.2%。水稻生產全程機械化包括從耕整地到收獲多個環(huán)節(jié)，其中水稻種植機械化由于基礎薄弱、農藝復雜等原因用工較多，是水稻生產全程機械化的短板。因此，提高水稻種植機械化水平至關重要[1-5]。

水稻機械種植方式分為機械直播和機械移栽，本研究基于對國內外大量相關文獻的綜合分析，從機械直播和機械移栽2個方面綜述國內外水稻種植機械化現狀、技術及裝備研究進展，探討中國水稻種植機械化存在的不足，提出水稻移栽機械化是水稻種植機械化的主要發(fā)展方向，以期為進一步提高中國水稻種植機械化水平提供理論參考。

1 國外水稻種植現狀

世界水稻種植區(qū)絕大部分集中在亞洲，亞洲水稻種植面積占全球水稻種植總面積的90.0%，美洲和歐洲的水稻種植面積分別占全球水稻種植總面積的4.3%和0.4%，以澳大利亞為主要種植地的大洋洲水稻種植面積最小。全球水稻種植面積15 000萬 hm2，總產量約60 000萬 t，其中種植面積較大的印度和中國分別占全球水稻種植總面積的28.1%和20.1%。

2016年印度水稻種植面積4 300萬 hm2，是中國的1.3倍，但總產量（1.6億t）大約是中國的3/4，居世界第二位 [6]。日本和韓國均以水稻為主要糧食作物，2018年日本水稻種植面積138.6萬 hm2，每公頃產量5.3 t，其種植面積占糧食作物總種植面積的80%以上[5，7]。韓國近年來水稻種植面積有所減少，2016年減少到77.9萬 hm2，但總產量一直穩(wěn)定在560萬 t。

美國是歐洲和美洲最大的水稻種植區(qū)，2016年水稻種植面積125.3萬 hm2，每公頃產量8.0 t。在歐洲意大利水稻種植面積最大，為23.4萬 hm2，每公頃產量6.7 t。近年來澳大利亞水稻種植面積明顯減少，從2013年的11.3萬 hm2減少到2016年的2.7萬 hm2，但澳大利亞水稻每公頃產量達10.0 t，為世界之最。

因世界各國水稻品種、氣候條件、地形土壤、經濟發(fā)展等不同，水稻種植模式也不相同，已實現種植機械化的國家有美國、意大利、澳大利亞、日本和韓國等 [8]。

1.1 國外水稻機械化直播現狀

以美國為代表的歐美發(fā)達國家的水稻種植以機械直播為主。其中，空中播種（飛機撒播）占20%，機械穴播占80%，目前已實現全機械化直播。意大利自1960年開始水稻種植方式逐步從移栽轉為機械直播。澳大利亞地廣人疏，水稻種植區(qū)主要位于新南威爾士州的平原，主要采用飛機撒播種植。這些國家的水稻品種較單一，土壤氣候適合直播，所以以機械直播方式為主要種植方式[9]。

日本于20世紀60～70年代曾集中研究直播技術，直播面積達5.5萬 hm2，但隨著水稻移栽技術的不斷成熟，直播面積銳減。日本和韓國以機械移栽為主，也有直播種植[10]。

高精度的水稻直播技術是發(fā)達國家水稻高產的原因之一，大部分亞洲國家的水稻種植機械化水平遠落后于發(fā)達國家。

1.2 國外水稻機械化移栽現狀

歐洲和美洲國家對水稻移栽鮮有研究。意大利于100年前研究過插秧機并開發(fā)出插秧機具，但由于機器結構復雜、需人工輔助等原因而未能推廣。亞洲國家對機械化移栽技術研究較深入，其中日本和韓國水稻移栽技術趨于成熟，成為亞洲較早實現水稻全面機械化種植的2個國家;中國水稻移栽技術受日本影響深遠。日本于20世紀60年代末出現了毯狀苗育秧技術，促使插秧機技術飛速發(fā)展;20世紀70年代末，90%以上的水稻種植區(qū)域采用機械化插秧作業(yè);20世紀80年代，水稻機械化插秧面積提高到98%。1975年推出施液狀肥料的插秧機，1978年試制施粒狀肥料的插秧機，目前日本插秧機普遍裝有側行施肥裝置。缽苗移栽適用于寒冷和復種地區(qū)，缽苗移栽機在北海道占有率為50%。目前日本99%的稻田采用機械移栽，以乘坐式和高速插秧機為主。韓國于20世紀70年代引進日本的機械移栽技術且發(fā)展較為成功，目前其移栽技術僅次于日本[11-13]。

位于亞洲西南部的伊朗以及馬來西亞、印度等東南亞國家，水稻種植一直以移栽為主，兼有直播。近年來都有研制移栽機，均采用的是連桿機構[14，15]。作為水稻種植大國的印度70%采用移栽技術，但機械化程度不高，其余亞洲國家如菲律賓、泰國和越南等水稻移栽機械化程度較為落后。

2 中國水稻種植現狀

中國水稻播種面積居世界第二，各省均有水稻種植，機械化水平差距較大。近20年，中國水稻種植機械化發(fā)展較快，2005年水稻機械化種植率為7.14%，2012年提高至31.77%，2016年為44.5%，2018年為50.86%，2005—2018年水稻機械化種植率增長了43.72個百分點，但中國水稻種植機械化水平仍有很大提升空間。

近幾十年來中國一直采用移栽為主、直播為輔的水稻種植模式。2017年中國水稻機械化種植面積1 456萬 hm2，其中機械插秧面積1 275萬 hm2，占水稻種植面積的87.6%。缽苗移栽為主的機淺栽44.7萬 hm2，占3%;直播占7.6%。

2.1 中國水稻機械化直播技術及裝備現狀

中國水稻種植最初采用的是直播方式，距今已有幾千年歷史。水稻直播按耕整地不同可分為旱直播和水（濕）直播。中國水稻機械直播研究從20世紀60年代開始，河北省農業(yè)機械化研究所和吉林省農業(yè)科學院分別研制出BDH-14旱直播機和2BS-13旱直播機，但由于工作效率低未被應用。1998年楊堅等[16]研制了電磁振動播種機，結構簡單且播種量可調節(jié)。2003年夏萍等[17]研制的振動式包衣排種器可一次完成稻種的包衣和直播作業(yè)。2008年羅錫文等[18]研制的水稻精量穴播機可同時開溝、起壟和播種，通過改變型孔調節(jié)播量可減少種子用量，提高產量。張國忠[19]、程建平等[20]試驗證明，相比人工撒播和人工手插種植方式，精量穴播技術更有利于加快水稻的生長發(fā)育進程，提高其分蘗和產量。2011年張國忠等[21]針對雜交稻芽種進行了精量穴播技術機理研究。

近年來有關水稻機械直播較熱門的技術主要有以下幾種。

1）穴直播監(jiān)測技術。該技術可以實時精準監(jiān)測水稻播種狀態(tài)，提高作業(yè)質量。王金武等[22]基于壓電沖擊法設計了水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，得到重播、漏播及有效的監(jiān)測精度分別為81.79%、80.42%和97.67%，基本可滿足監(jiān)測要求。

2）自動導航技術。水稻直播機作業(yè)環(huán)境復雜，地面不平整且泥濘易滑，實現作業(yè)精度是關鍵。張雁等[23，24]以洋馬VP6型水稻直播機為平臺提出的自動駕駛控制方法，路徑跟蹤平均橫向絕對偏差為0.027 m。

3）深施肥技術。為了提高肥料利用率、減輕肥料對環(huán)境污染的影響，基于直播機開發(fā)的同步深施肥技術相比手工施肥可以節(jié)省尿素、N、P和K等肥料30%以上，提高產量約10%[25，26]。

中國近年來農村勞動力短缺，水稻機械直播是一種經濟有效的種植方法，其中精量穴直播有利于提高水稻產量，是未來機械直播發(fā)展的重要方向。

2.2 中國水稻機械化移栽技術及裝備現狀

中國水稻機械種植主要采用移栽方式，移栽面積約占機械化種植面積的90%。機械移栽要提前育秧，育秧方式分缽體秧苗和毯狀苗，后者的根系連接緊密，移栽時要撕開毯狀根系，移栽后有7 d左右的緩苗期，目前插秧機普遍使用毯狀苗[27，28]。從育秧、機械栽插（毯狀苗）、機械移栽（缽苗）3個方面對中國水稻移栽技術進展情況進行綜述。

2.2.1 水稻機械化育秧技術及其裝備 育秧是移栽的前期環(huán)節(jié)，既要培育高質量秧苗，又要考慮與移栽機對接配套，國內很多學者在育秧農藝和育秧機械2個方面進行了研究與創(chuàng)新。

1）育秧農藝技術。水稻育秧環(huán)節(jié)對水稻種植質量的影響較大，育秧農藝中育秧盤以及秧盤基質成分對秧苗移栽影響較大。有研究者開發(fā)出以水稻秸稈為原料的植質缽苗盤，較普通毯苗機插增速5%～10%[29-32]。史鴻志等[33]研究了上毯下缽的稀播育秧盤，該秧盤可生物降解，機插時帶盤。易子豪等[34]研究了缽形毯狀苗盤的缽深對秧苗質量和取秧的影響，結果表明缽深為8 mm或12 mm時取秧順利且成毯質量高。宋云生等[35]進行了缽苗播種量試驗，結果表明隨播量增加育秧質量降低，但播量過低則不利于移栽機工作。

沈建輝等[36]對比了水育秧、旱育秧和淤泥育秧3種方式，發(fā)現旱育秧的秧苗質量高且更有利于機插，淤泥育秧可行但成秧率較低。黃程寬等[37]、張勝[38]對育秧基質、播種量與播種密度、插秧秧齡作了統(tǒng)計與分析。近年來，智能化育秧工廠在中國成為熱點，用替代基質取代土壤基質育秧可能是未來育秧的發(fā)展方向[39]。

2）育秧機械技術。育秧模式分為工廠化和田間式，育秧機械可以細分為很多種，其中播種機是育秧中較值得深入研究的機械之一[40，41]。工廠化育秧主要為播種流水線作業(yè)，莆田市富昌農機有限公司與南京農業(yè)機械化研究所合作研發(fā)了2BLY-280B型高速螺旋播種育秧流水線，實現了自動化播種和育秧。華南農業(yè)大學研制的2SJB-500型育秧精密播種流水線適用性強，通過更換振盤可實現多種播種方式[3]。

田間育秧播種早期的裝備有南京農業(yè)機械化研究所研制的2BTP-56型、2BTP-84型和2BTP-120型系列化田間育秧播種機，均采用窩眼輪滾播方式播種。近期有華南農業(yè)大學研制的田間育秧播種機，根據不同育秧工藝要求可采用凸棒式、槽式勺輪和螺旋勺輪3種排種方式播種[3]。

工廠化育秧是未來發(fā)展方向[42，43]。育秧播種最大特點是播種、鋪土排土和秧盤移動要同步，通過現代化的監(jiān)測反饋裝置可實時自動調整，提高同步性和智能化。在秧盤和基質上可進行農藝創(chuàng)新，例如在可降解秧盤中可以添加肥料和微量元素，培育高質量的秧苗。此外，中國雜交稻占水稻品種的60%，根據其種植要求降低播種量，可充分發(fā)揮雜交稻機移栽增產優(yōu)勢[44]。精量育秧播種技術是關鍵，應用機、電、氣等技術融合實現種子的精量提取和在秧盤上有序分布將成為今后的研究熱點。

2.2.2 水稻機械化栽插技術及其裝備（插秧機） 1967年中國首次研制出自走式插秧機，1982年延吉廠開發(fā)出2ZT-9356型和2ZT7358型乘坐式插秧機，參考日本井關技術，采用的是獨輪驅動和分置式曲柄連桿裝置。1996年中國第一次研制出水稻全自動移栽機，采用氣吸方式，由單片機控制，步進電機驅動，精度較高[45]。近年來，插秧機的研究方向主要有以下幾個方面。

1）插秧機性能改進研究。2012年張娜娜等[46]對高速水稻插秧機車架進行了優(yōu)化及結構改進，使其車架質量降幅達16.77%。劉爽等[47]對手扶插秧機手傳振動評價及振動傳遞特性進行了研究。

2）自動導航技術。王宇等[48]對井關插秧機（PZ60）進行改裝，開發(fā)了導航控制算法，編寫了導航控制軟件。有研究將自動導航應用于水稻移栽開發(fā)出無人駕駛插秧機，并設計出秧苗自動計數裝置[49-51]。唐小濤等[52] 基于北斗/GNSS對洋馬VP6E型插秧機進行自動導航系統(tǒng)研究。

3）側深施肥技術。插秧時在秧苗一側土壤中施入肥料稱為側深施肥[53]，其用肥量相比傳統(tǒng)施肥可減少約20%。水稻的水田環(huán)境與種植施肥技術應相融合，張國忠等[54，55]發(fā)明的水田船型深施肥開溝器可應用于水稻移栽和播種機。近年來，一些學者創(chuàng)新性地設計出側深施肥裝置植入插秧機，有螺旋絞龍結構和風送式，并進行了氣固兩相流仿真分析[56-58]。

目前國產插秧機存在的主要問題有插秧不均勻、漂秧、漏插、勾傷秧苗等，還需進行改進。在插秧機上增加施肥、鋪紙和施藥裝置，實現邊插秧邊精確可靠側深施肥、邊鋪再生紙或者覆膜以及邊施藥等復合功能。

2.2.3 水稻缽苗移栽技術及其裝備 缽苗移栽的概念最早于20世紀80年代由日本提出，目的是為了水稻秧苗期能抗寒。此后日本率先將單片機、機械手、電磁閥等機電一體化技術整合在一起，完成取秧、輸送和栽植工作，發(fā)明了缽苗移栽機并推廣。缽苗移栽技術比毯狀苗平均增產增效6.0%～12.6%，且特別適用于單株成缽的超級稻以及北方種植地區(qū)[59-62]。

缽苗移栽對象的秧苗特性和力學分析是移栽機設計的理論基礎，宋建農等[63]對不同的秧苗高度、秧齡及苗缽體濕度進行了力學試驗分析，證明拔取方式可行，水稻單穴內秧苗拉拔力小于抗拉斷力但播量必須控制。

目前國內主要有幾個科研機構從事水稻缽苗移栽機開發(fā)。①東北農業(yè)大學與吉林鑫華裕農業(yè)裝備有限公司共同研制出第一代樣機[64]，該樣機采用雙曲柄五桿機構，用1個機構完成3個動作，結構簡單且成本低，但振動大、效率不高，是國內少有的進入市場的機型。基于第一代樣機，第二代樣機由桿機構升級到回轉式機構，采用頂出式貝塞爾齒輪行星輪系雙臂移栽機構;第三代樣機是水稻寬窄行缽苗移栽機構，采用行星架斜置式雙臂取秧方式;第四代樣機為水稻寬窄行缽苗拐子苗移栽機構。為提高效率該團隊設計了三移栽臂非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機并針對移栽臂存在甩泥現象進行了改進[65-70]。②以汪春為主導的團隊在20世紀90年代研制出2SP-6型缽苗有序拋秧機和齒板式缽秧擺栽機，選取秸稈植質為缽苗的基質，配套的栽植機械通過改裝插秧機2ZT-9356型完成，效果較好。③中國農業(yè)大學有20多年缽苗移栽科研基礎，1994年研制出2ZPY系列水稻拋秧機，采用旋轉錐盤式，為無序移栽，而后研制出采用對輥式拔秧的2ZPY-H530型缽苗移栽機[71，72]。④南京農業(yè)機械化研究所1997年研制出2ZU-6和2ZB-79型播秧機，為頂桿推出式結構有序化取秧，靠秧苗自重入土而淺栽。⑤華南農業(yè)大學研制的缽苗有序拋秧機為氣力式，2003年又研制出夾子式機械手式缽苗移栽機，此后又設計出非圓齒輪行星輪系分插機構，采用3個移栽臂提高移栽效率[73]。

中國缽苗移栽技術水平與發(fā)達國家仍存在較大差距，缽苗移栽技術的難點在于移栽機縱向的移送精度很難達到要求，移栽機缺乏創(chuàng)新，機構可靠性不夠，市場化尚未形成。

3 中國水稻種植機械化問題探討及展望

3.1 水稻機械移栽與機械直播對比與選擇

水稻機直播、機插秧和缽苗移栽各有特點，學者們對這3種種植方式做了大量對比試驗 [74-78]，結果表明應因地制宜地選擇機械移栽與機械直播，實現水稻增產。機直播、機插秧和缽苗移栽3種種植方式并存發(fā)展的同時，水稻缽苗移栽為未來發(fā)展重點[79]。

3.2 加快作業(yè)可靠、性能優(yōu)化的新型機具的自主研制

在水稻直播方面，應優(yōu)化種子加工環(huán)節(jié)，節(jié)省稻種用量，根據不同品種的種子選取不同直播方式，精確播種。配套的整地機具應朝著大型高質量方向發(fā)展，進一步發(fā)展精量直播技術，實現種子的株距和行距有序精確分布。

在水稻移栽方面，既要解決國產插秧機插秧不均等問題，又要加快國產新型缽苗移栽機的研發(fā)。目前市場上使用的性能較穩(wěn)定的插秧機和缽苗移栽機均引進了日本核心技術，應加快自主研發(fā)尤其是缽苗移栽技術需要創(chuàng)新與優(yōu)化，從而解決水稻秧苗移栽結構上的難題。

3.3 農藝知識和先進技術應與種植機械技術融合創(chuàng)新

在提高水稻移栽機可靠性的基礎上，需發(fā)展配套育秧播種技術，從而實現精準育秧。育秧技術與移栽技術配套同步發(fā)展，如毯狀苗的播種量、適栽期、苗盤深度、一缽幾株等綜合試驗分析尚欠缺，要加快育秧技術研究，為水稻種植農藝與農機配合提供參考。

水稻移栽對象的力學物理特性研究可為移栽機研究提供理論依據，例如分析不同夾取秧苗方式的拔取力、最佳拔取角度和移栽軌跡等，還應對不同育秧工藝下的秧苗力學特性做對比分析試驗。

3.4 加快水田環(huán)境下自走底盤研發(fā)，側深施肥施藥等復合作業(yè)

目前水稻種植機具的自走底盤主要由外資企業(yè)生產，其大多采用液壓傳動和無級變速，但是水稻種植機具一般為勻速且低速前進，這些多余的功能導致成本提高，所以中國應加快研發(fā)適合本國國情且符合水稻種植機具動力需求的底盤。推進水田自走底盤研發(fā)對促進多種水田操作機具的發(fā)展具有重大意義。

水稻種植機具技術趨勢有復合作業(yè)技術、特殊形式種植機和無人駕駛種植機等，其中側深施肥和施藥等復合作業(yè)技術應與種植機械同步發(fā)展，以實現精準按需供給。

3.5 提高水稻種植機械智能化水平是未來發(fā)展趨勢

自動移栽機器人是未來的發(fā)展方向，一些發(fā)達國家已開始應用，旱地移栽機器人技術可以借鑒并應用于水田。精準農業(yè)、自動導航技術在直播機以及移栽機上均可應用，無人操縱高精度水稻種植機是水稻種植機械化技術的發(fā)展方向之一。針對移栽機高效、可靠和智能化發(fā)展趨勢，充分利用機器視覺等信息化控制技術，精準采集機具的作業(yè)信息（移栽間距、秧苗移植深度等）與移栽質量指標（栽直率、漏栽率等），實時反饋給移栽機進行調整，以提高作業(yè)的總體質量。

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