新疆膜下滴灌精量播种机的发展历程*

温浩军，陈学庚，潘佛雏

(1. 石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子，832000；2. 农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆石河子，832000)

0 引言

新疆地处冷凉地区，全年积温偏低，在20世纪80年代前新疆棉花生产总体水平很低，棉花种植面积仅占全国4.9%，总产量占全国4%，平均单产34.1 kg，低于全国平均单产18%。地膜植棉是克服积温不足、改变新疆棉花生产总体水平落后的关键措施，但是新疆地广人稀，劳力紧缺，人工作业效率低，地膜植棉难以大面积推广，并且国内外没有先进适用的技术和机具，迫切需要研发先进适用的地膜植棉机械。

新疆与美国、澳大利亚等国的农艺栽培技术相差很大，国外棉花生产装备不能完全适应新疆农艺要求[1]；将地膜覆盖、滴灌管铺设、精密播种等工序集成一体、联合作业是我国首创。

1 铺膜播种机的发展

新疆特有的膜下滴灌播种技术经历了三个阶段：

第一阶段：首次实现了铺膜播种机械化联合作业。1980年新疆石河子引进地膜覆盖技术[2]，通过种植试验，比对照增产35%，但是人工作业效率低，难以大面积推广。1981年，新疆兵团掀起研制铺膜播种机的热潮，到1983年5月，有13种机具试制成功。这些机具应用的是膜下条播技术，主要优点：(1)适应性强，对整地要求不高；(2)这种播种方式受天气影响小，容易实现一播全苗。这一创新改变了传统的植棉模式，扭转了新疆棉花种植经济效益差的局面，使得棉花地膜覆盖栽培技术在新疆迅速大面积推广。

2BMS-6型棉花铺膜播种机一天的作业效率相当于400个人工，如图1所示。1983年被评为国家优秀新产品，1984年农牧渔业部颁发农业机械推广许可证。

图1 2BMS-6型棉花铺膜播种机Fig. 1 2BMS-6 type cotton film laying seeder

第二阶段：半精量铺膜播种技术的拓展。随着农业生产的发展，新疆棉花栽培提出了“矮、密、早、膜”的农艺技术要求[3]，由此带来了与之相适应的作业机具的更新，对播种机的技术和经济性能进行改进和提高，如零部件的多功能性、整机模块化设计、铺膜部件的改型等。

针对地膜植棉农艺要求，提出了机具联合作业新理念，构建了以“种床整理、机械铺膜、膜上打孔穴播、种孔覆土”为主要内容的铺膜播种机械化技术体系，1982年研制成功2BMS型棉花铺膜播种机，实现了3项重大技术创新：膜上打孔穴播技术、种孔覆土技术、铺膜播种动态仿形技术。1983—1994年期间，根据不同区域的土壤气候条件，相继研制推广了多种新机具，形成了系列新产品，整体技术水平达到国际先进，在新疆地膜植棉中大面积推广，引领了新疆铺膜播种机械化技术的发展。

1985—1994年新疆地膜植棉机械化推广面积达4 593.33 khm2。兵团人均管理定额由1 hm2提高到2 hm2[4]。技术与装备推广到全国16省区100多个单位。地膜植棉机械化推动了新疆棉花生产第一次提升[5]。

第三阶段：膜下滴灌精量铺膜播种技术的研究。20世纪90年代后期，为实现新疆棉花生产的第二次提升，在地膜植棉技术的基础上，兵团提出了基于机采棉条件下，植棉全程水肥调控的膜下滴灌精量播种栽培新农艺：膜下滴灌节水技术、膜上精量播种技术及高密度的栽培技术对地膜植棉机械提出了更高要求，与新农艺相配套的联合作业新机具应运而生。

针对新农艺对机具的要求，提出了适合棉花机采的“种床整形、高密度精量播种、膜下滴灌、宽膜覆盖、种孔覆土”为主要内容的机械化技术体系，研发成功了棉花膜下滴灌精量播种机，整体水平达到国际先进水平。实现了3项技术创新，分别为气吸滚筒式精量穴播技术、滴灌带浅埋铺设技术、膜下滴灌精量播种技术集成。2012年兵团机械化植棉面积558 khm2，其中膜下滴灌精量播种面积502.4 khm2，兵团棉农人均管理定额超过6.67 hm2。

2008—2012年新疆兵团棉花单产平均159 kg，高出澳大利亚：29.3 kg，是美国的2.6倍。膜下滴灌精量播种机械化推动了新疆棉花生产第二次提升。

2 铺膜播种机主要结构

膜下滴灌精量铺膜播种机侧视结构示意图如图2所示。

图2 膜下滴灌精量铺膜播种机侧视结构示意图Fig. 2 Side view structure of precision film laying seeder for drip irrigation under mulch1.镇压轮 2.覆土花篮框架 3.覆土花篮 4.点种器 5.种箱6.吸气管二 7.地膜架 8.滴灌管架 9.风机 10.传动轴 11.平土框12.镇压辊 13.铺膜框架 14.开沟圆片 15.铺滴灌管装置16.四杆机构 17.吸气管一 18.涨膜杆 19.展膜辊 20.压膜轮21.膜边覆土圆片 22.点种器牵引梁 23.膜上覆土圆片

1) 滴灌带铺设机构。工作中滴灌带在拖拉机牵引力作用下从滴灌带管卷拉出，经过导向轮铺设到开沟浅埋装置(如图3所示)开出的小沟中，并在滴灌带上覆盖1～2 cm厚的土层，完成铺设全过程[6]，如图4所示。

图3 组合靴式铺管装置Fig. 3 Pipe-laying device of combination boots type1.滴灌带导轮 2.滴灌带导环 3.开沟器

图4 滴灌带铺设机构Fig. 4 Drip belt laying mechanism1.滴灌带导环2 2.滴灌带导环1 3.滴灌带卷

图5 铺膜机构结构示意Fig. 5 Structure of film laying mechanism1.框架焊合 2.膜卷架 3.导膜杆 4.开沟圆片 5.展膜辊 6.挡土板 7.压膜轮 8.膜边覆土圆片

2) 铺膜机构。地膜卷安装在地膜支架上，地膜通过地膜涨紧轴、展膜辊等部件拉向后方。工作时，随着机组的行走，开沟圆片在膜床的两边开出压膜沟，地膜经过涨紧轴，由在地面滚动的展膜辊平铺在经镇压辊整形后的畦面上，然后由压膜轮将膜边压入前面开沟圆片开出的沟内，带圆弧面的压膜轮紧贴膜沟内壁滚动，对地膜产生横向拉伸力，将地膜展平，覆土圆盘取土覆盖膜边。

3) 膜上覆土机构。膜上覆土装置由覆土滚筒和滚筒框架组成，覆土滚筒内设计有送土螺旋叶片，导土均匀，不易拥堵。整体式覆土滚筒两端带限深圈和轮爪，通过轮爪驱动，筒壁与膜面不接触，消除了地膜移位；种行覆土量调整装置可以确保对不同结构土壤的适应性。

4) 铺膜播种动态仿形作业机构。为了保证单组对地面的仿形，单组机架与大梁的连接方式采用平行四连杆机构，各工作部件通过不同的连接件安装在单组机架上。从悬挂运输及安装方便性考虑，单组框架采用整体框架。

5) 种孔覆土机构。种子投入孔穴内，由二级覆土圆片及时将土翻入覆土滚筒内，覆土滚筒在膜上滚动时，覆土滚筒内的导流板将土送到膜面上覆盖种孔，镇压轮对种行进行镇压。

3 代表技术

3.1 超窄行精量播种技术

棉花机械采收可以减轻职工劳动强度，降低棉花生产成本，解决棉花收获劳动力紧张的难题，所以多年来新疆采用了(66+10)cm的机采棉行距配置主要模式，但存在两点问题：一是喷施脱叶催熟剂时，两窄行中间中下部叶片脱叶效果差，采收棉花含杂高；二是由于两窄行间距10 cm，机械采收时棉株下部采净率受影响[8-10]。

针对传统种植模式存在问题，农业技术措施提出了超窄行、均株距的栽培模式。其主要内容是：窄行行距4 cm，两行株距成三角形配置，行距配置如图6所示。这种新的种植模式相当于棉花单行种植，可有效解决传统种植模式存在的问题。

(a) 传统模式

(b) 新模式

针对(72+4)cm棉花高产种植新模式，发明了三角留苗、独立仿形的超窄行穴播器组，如图7所示，破解了行距超窄、播量精密、播深和株距精确的技术难题。

图7 超窄行播种机打孔效果Fig. 7 Drilling effect of ultra narrow row seeder

3.2 双膜覆盖精量播种技术

新疆棉花播种采用的大多是膜上点播，也有少部分是膜下点播。这两种播种方式各有优缺点。膜上点播的优点是可以免去放苗、封土两大作业工序，可大幅度减少田管劳力，节约生产成本。主要缺点：(1)防冻害能力差；(2)出苗前如遇降雨，一方面使种穴内形成高湿低温，极易造成烂种、烂芽，另一方面因为表面土壤板结，影响出苗。膜下点播这种播种方式具有保墒、增温的好处，不怕天灾。但要进行放苗、封土、定苗等项工作，劳动消耗大。

双膜覆盖精量播种，如图8所示，是在膜上点播后的种行上再覆盖一层地膜，播种后如遇降雨，由于雨水不会流进种行，避免了土壤板结，同时增温保墒效果更好。双膜覆盖提高了棉花出苗期对不良气候环境(低温、霜冻、降雨)的抵御能力，较常规膜上穴播出苗早2～3 d，提高了出苗率，缩短了出苗时间。因此，双膜覆盖栽培模式既克服了膜上穴播和膜下穴播的缺点，又保持了膜上穴播和膜下穴播的优点。

图8 双膜覆盖播种机Fig. 8 Double film cover seeder

3.3 高精量单行精量播种技术

采用同步装置使得前后排布的两个穴播器可以进行间隔播种，株距最小可达5 cm，利用双四连杆机构确保两个穴播器可以独立随地仿形。该技术使得单行高密度种植模式得以实现，能够有效提高棉花生长后期脱叶催熟剂喷施效果。

4 铺膜播种排种器的演变

4.1 半精量排种器

针对高速作业中膜上打孔穴播的难题，提出“二次投种”新思路，研制成功鸭嘴滚筒式穴播器，如图9所示，工作中滚动一圈即完成取种、清种、一次投种导入鸭嘴、二次投种入土全套播种程序。实现了穴播器内圈2～4粒的半精量取种、外圈膜上打孔成穴和定距投种的功能。

(a) 结构图

(b) 运动示意图

4.2 气吸式滚筒式精量排种器

在国内首次将气力精量取种技术与鸭嘴滚筒式穴播技术相结合；攻克了负压取种、齿片清种、闭压投种、强制分种、携种导入鸭嘴、破膜打孔成穴、投种入土等精量穴播技术难题，投种过程如图10所示。

(a) 负压取种

(b) 刷种

(c) 闭气投种

(d) 一次投种

(e) 进入鸭嘴

(f) 二次投种

将播种精度由半精量提高到精量阶段，实现了1粒或2粒按需精量播种的要求。

4.3 夹持式精量排种器

排种器随铺膜播种机在膜上滚动时，种子室的种子主要集中在下部集种区，取种器经过集种区时，取种器的滚轮沿导轨进入推程运动，通过弹簧拉开动夹，使得取种器张开一定角度，进入取种区，种子喂入到夹持取种器；当离开取种区后，滚轮沿导轨进入回程运动，种子被夹住，取种结束。当取种器夹持种子运行到上方清种区时，周围没有被夹住的多余种子在重力作用下从夹持取种器上落下，完成清种过程。取种器的滚轮运行到导轨的凸起处，取种器张开，种子在重力的作用下落入接种盒内，通过下种口，随鸭嘴张开，完成投种。

4.4 小粒种子精量排种器(番茄、辣椒)

取种装置采用复式取种方法，提高了取种精度和取种可靠性。中径盘采用骨架油封结构进行密封，固定鸭嘴采用封闭式的矩形结构，较好地克服了小粒种子漏种的情况。穴播器单侧透明，工作时可观察到穴播器腔内种面高低和种子运动规律，如图11所示。

(a) 排种器图

(b) 内部图

4.5 窝眼轮式排种器

机械式取种，适用于棉花，豆类，丸粒化甜菜、番茄等均匀、规则、外型基本一致的作物播种作业，空穴率等技术指标达到气吸式水平，无须负压吸种，较气吸式排种器更节省能源，结构如图12所示。

(a) 侧视图

(b) 三维图

5 成果应用

针对不同区域的土壤气候条件、作物类型及种植模式，先后研制成功了11类膜下滴灌精量播种机，拓展了膜下滴灌精量播种技术的应用范围，满足新疆作物机械播种生产需要，在新疆、内蒙、吉林等6省区大量推广。膜下滴灌精量播种的棉花、玉米、水稻的苗情及株距均匀性好,如图13所示。

(a) 棉花超窄行精量播种出苗效果

(b) 铺膜铺管及出苗效果

(c) 玉米精量播种出苗效果

(d) 水稻定量穴播出苗效果

6 播种机智能化发展

精量铺膜播种机电子检测装置，包括主机和分机两部分，主机放置驾驶室内，便于操作和观察；分机放置于播种机，完成检测，相互间通过接口装置进行通信。主机由中央处理器、人机输入接口、显示装置、报警装置等组成；分机由中央处理器和检测电路组成。播种电子监测原理如图14所示。

图14 播种电子检测原理Fig. 14 Principle of electronic monitoring of seeding

主机由键盘设置播种的行数和穴数，并进行数字显示，同时将信息传送给各分机，命令分机开始或停止工作，并由软件和硬件完成抗干扰的功能。当分机有报警信号报告，则根据报警的性质和位置进行相应状态的数字显示和声音报警。

分机检测的信号包括漏种和堵塞两种。漏种信号的检测，由安装在排种盘上面的光电检测装置完成；堵塞信号由安装在排种盘下面的光电检测装置完成。检测功能由漏种和堵塞两种信号在中央处理器中进行判断完成。如有漏种和堵塞情况发生，则通知主机进行报警。分机检测结构图如图15。

图15 分机检测结构图Fig. 15 Structure diagram of extension detection1.种子室挡板 2.刷种器 3.吸种孔 4.排种盘 5.负压吸管 6.轴7.负压腔 8.刮种板 9.断气块 10.毛刷 11.种子 12.发射二极管