旱地玉米播種施肥機械低碳化發展及有效路徑

單海勇，劉旭杰，張 晉，沈 悅，嚴旖旎，劉 建

（江蘇沿江地區農業科學研究所/南通市循環農業重點實驗室，江蘇 南通 226012）

0 引言

隨著《“十四五”全國農業機械發展規劃》提出加快農業機械智能化、綠色化，圍繞農田精準播種、精準施肥等要求，創制現代化機具裝備，推進農機節能減排，發展對農作物種肥利用率和生產清潔化研究，降低污染、打造綠色農業生產鏈循環發展模式迫在眉睫[1-2]。改革開放以來，隨著我國農業機械種類和數量的提升，玉米播種施肥機械化程度越來越高。然而由于玉米播種機械產品存在質量不高、農藝與農機不配套等問題，其播種施肥機械全生命周期產生大量溫室氣體，對“溫室效應”也有很大的影響[3]。隨著我國進一步對農業碳排放高度重視及農田集約化水平提高，玉米播種機械的發展方向由原來的高數量轉向低碳化和高質量發展，因此提高玉米機械化播種質量是節本增效、發展低碳農業的關鍵途徑。

1 玉米播種施肥機械化碳排放發展

玉米播種施肥作為大田作業生產重要環節之一，實現玉米播種施肥機械低碳化能有效促進綠色農業的發展[4]。相較國外，我國低碳播種施肥機械化發展較晚，近年來隨著低碳綠色現代化農業發展需求，我國玉米低碳播種施肥機械化水平也隨之不斷提高[5]。

1.1 國外低碳玉米播種機械發展

國外的玉米機械化播種技術發展較早[6]。20世紀40 年代，國外已經開始研究玉米機械化播種，至今已形成了較為完善的玉米機械播種體系。玉米播種機械按其作業方式主要分為機械式和氣吸式2 種，國外使用較多的是氣力式玉米精量播種技術[7]。氣力式玉米精量播種按其排種原理主要分為氣吸式、氣吹式、氣壓式3 種。氣吸式排種器主要有吸種盤、攪拌輪、吸氣管和刮種板。吸種盤一側通過吸氣管產生真空形成相對壓差條件，吸種盤旋轉在種箱吸附種子并通過刮種板去除多余的種子，轉出真空室達到投位最低點，通過自重落入種溝。國外這種播種機使用較多，例如法國KUHN 和德國AMAZONE 型等[8-9]，如圖1、表1 所示。

表1 國外玉米機械化播種機具參數規格

圖1 國外玉米播種機具構型

該類播種機對種子的損傷比較低，種子的破碎率比較低，作業速度、作業質量都較好，能較好滿足綠色低碳農業的要求。由于國外都是大規模的農場耕作生產模式，因此國外的玉米播種機械朝著大幅寬、折疊式、智能化發展，可以適應不同土壤、不同品種玉米進行自決策播種，達到綠色低碳、減損增產的效果[10]。

1.2 我國低碳玉米播種機械化進展

我國作為世界第二大玉米種植國，相比于西方發達國家，玉米機械播種技術發展較晚[11]。20 世紀50 年代起，我國的玉米播種主要依靠人力和畜力，基本沒有實現機械化，這一階段碳排放水平不高[12]。隨著改革開放和國外技術的引進，我國玉米機械化水平有了質的提升，玉米播種機械化發展逐漸提上日程[13]。起初我國農業機械底子薄弱，玉米播種機械多采用同稻麥通用性撒播與條播農機種植機械技術，然而由于其設計出發點并不適用于玉米栽培農藝，此時的機械存在較大的局限性，機械播種玉米作業時存在明顯缺陷與不足，例如農機與農藝不配套，種肥大量浪費和播種質量較差，導致碳排放量急劇升高。90 年代開始，隨著農民“進城打工潮”，農村作業人口的不足和勞動力成本的增加，極大地刺激玉米播種施肥機械化需求與發展，各地區科研機構設立玉米播種課題攻關小組，學習并引進國外技術，先后研制了一批玉米機械播種機具，由于機械式結構較為簡單，且無需增加額外的動力源，成本大大降低[14]，如圖2 所示。

圖2 國內玉米播種機具總體構型

例如甘肅農業大學研制的2BMFS-5/10 型免耕覆蓋施肥播種機，其作業特點是播種施肥都采用外槽輪式機械條播，不滿足精量玉米穴播的農藝條件，造成種肥浪費，產生大量碳排放[15]。吉林大學研制的2BS-2 型玉米精密播種機，該機具采用全懸掛整體浮動仿形與拖拉機連接，內窩孔式機械排種器，外槽輪式條播側深施肥，通過半株距加密播種農藝方式進行作業，可以完成單粒種子從種子流中分離，保證單粒播種，但產生許多空穴與雙株，播種不穩定，不能完成單行播深控制，造成種肥浪費，碳排放較多[16]。石河子大學研制的2BCM-6半精密玉米免耕播種機，單圓盤刀通過四連桿機構實現在前茬地整體仿形開溝，直接完成定距播種，但為防止漏播或播種深度的問題，通過“單穴多?！狈绞讲シN2～3粒種子，以此提高出苗率[17]。另外國內還少量引進國外氣力式播種機械，例如中機北方機械公司研制的2BYM-2免耕播種機，同樣采用整體式仿形碎茬彎刀播前局部碎茬松土，采用氣吸式精量排種器，實現種子標準株距的精準播種，但由于對播種機加工精度和封閉性的要求較高，且需要完善的使用后維護保養標準，因此國內氣力式播種機易出現播種不穩定，氣路元件損壞的問題[18]，國內的玉米機械化播種機具，如表2所示。

表2 國內的玉米機械化播種機具

續表

2 現有玉米低碳播種機械存在問題

2.1 玉米單粒精密穴播配套機具研制不夠

玉米單粒精密播種技術是指運用機具對玉米種子數量、種子間距的精準控制，從而達到田塊規整，節約種子，使得單穴種粒充分吸收養分，提高出苗成活率。由于目前農機企業加工技術參差不齊，機具技術含量無法達到單粒精量播種的要求，大量玉米播種采用條帶播種、半株距、單穴多粒配套機具的方式提高密植度和出苗率，但這種方式不僅種子消耗量大，易出現擠苗現象，后期還需要間苗等多余作業，成本較高。此外，國內大量的玉米精量播種施肥機械均采用地輪作為排種排肥的驅動裝置，存在較多的打滑現象，導致溝內空種空苗，株距長短不一，在田頭轉彎時，由于地輪存在轉動慣性，播種施肥機具在抬起狀態時仍在作業，大量種肥撒于田塊表面，導致種肥浪費，難以實現玉米低碳機械化生產。

2.2 玉米機械化種肥單體仿形開溝深淺不一

近10 年我國玉米機械播種技術發展迅速，但多數農戶的播種出苗率不足85%，播種后“保苗率低、出苗整齊度差”的問題依然突出。播種深度的一致性是播種機最重要的指標之一，播種深度不一致不僅會影響種子的發芽率，還會造成株高不一致，影響后續植保和后續收獲機械化作業質量[19]。機械化施肥深淺的一致性同樣需要關注，施肥過深導致化肥難以化開，作物無法得到養分，施肥過淺則導致肥料暴露于地表，揮發產生大量碳排放，且隨著水土流動污染河道，形成“藍藻”，對水產養殖業和生活用水影響較大。

此類問題的原因主要是各播種施肥單體機械不能局部仿形開溝，現有的仿形開溝主要是平行四連桿配合地輪結構、拉伸彈簧、限深輪整體式機構完成機具整體式仿形，雖可實現整體機架與地面相對平行，但在應對每條播種施肥行局部田塊凹凸不平的情況時，每行播種施肥作業就無自適應仿形地面[20-21]。此外每行玉米施肥播種2 個開溝器相對開溝高度差，開溝器與土質松軟特性的關系都影響施肥播種行深度。因此現有的施肥播種質量有待進一步提高，距高效優質精量播種需求和“節本、增效、高產”目標還有一定差距。

3 玉米種肥機械低碳化有效路徑

3.1 輕簡模塊化多功能玉米種肥機械

隨著我國科學技術的發展，很多先進的傳感控制技術與最新材料應用到玉米播種配套農機上。由于玉米播種周期需要松土、開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓多作業銜接，現有的很多玉米配套作業機具僅能完成單一或幾道工序，導致前后機具作業過于獨立，前工序未考慮后工序的機械作業難度，導致整體作業效果較差。農民需要購置多套機具才能完成作業，增加了材料生產成本，造成浪費，機具生產過程中也會有大量碳排放。此外，農機需要多次進入農田，油料消耗很大，產量大量碳排放。針對以上問題，首先可以多采用新型復合材料，例如復合碳纖維和金屬陶瓷等，使得玉米機具防銹防腐，減小機具質量和振動，增加機具作業強度和壽命，繼而減少玉米播種機具作業負載，提高玉米機械化播種的低碳作業效果。其次在玉米種肥機械設計與制造方面，應秉承“綠色設計、輕簡制造”的原則，從玉米機械全生命周期考慮物料流、能源流及環境流碳排放影響，改進玉米種肥機械生產工藝流程，通過報廢機械二次回收利用的方式，實現玉米種肥機械清潔生產。最后采用模塊化機具設計，制造標準化可拆卸式機架，依據旱地玉米田塊作業要求增減不同作業模塊，調整安裝位置，依據田塊大小和地形增減同一功能模塊數量，減少機具重復購買與維修難度，繼而降低成本與碳排放。此外遵循“因地配機”原則，配置相應的玉米播種機具，根據機具作業負載估算施用相應功率的拖拉機，實現效率最大化，降低玉米機械化作業單位能源碳排放。

3.2 發展農機與先進農藝相結合配套精密機械化技術

農業生產中，農藝是技術，農機是工具，農機與農藝是相輔相成的。發展旱地玉米低碳農業首先要降低人工成本，以達到節本增效的目的，關鍵要依靠現代化農機科技，充分發揮先進農機與農藝一體化優勢。首先傳統旱田玉米作業需要經過耕、旋、松、耙等種肥播前農藝栽培過程，常年作業不僅破壞水土，減少土壤團粒結構，還降低田塊碳匯能力。多次機械耕整地產生的廢液、廢氣和田塊破壞都會產生大量的碳排放。因此結合低碳化玉米大田農業生產特點，因地制宜，使用免耕、少耕播種施肥農藝技術，對現有傳統播種施肥機具改進并完善配套，繼而減少土壤翻動，減輕機具作業負載，降低油耗。不僅如此，采用與大豆、花生、馬鈴薯等其他作物間套作配套農機技術，通過作物空間上高度差的空間互補性，發揮邊行優勢，提高光能利用，通過豆類作物的根瘤菌固氮功能利用養分，節肥增效，達到低碳減排作業效果。傳統的機械式被動仿形開溝結構簡單，但田塊局部地形適應性較差，存在一定仿形滯后與超前。隨著計算機仿真和現代控制理論的廣泛應用，開溝深度仿形技術也應進行革新，把電液仿形技術、壓電傳感仿形、超聲波傳感仿形和濕度傳感仿形等技術應用于新型主動式玉米種肥開溝深度控制中，生產作業中可實時測土控制開溝深度。其次，在仿形閉環控制方法上應用PID 調控法、模糊算法和神經網絡等算法，使得玉米種肥開溝深度更加精確，保證玉米種粒的生長環境，提高發芽率，減少肥料的揮發與浪費，繼而減少碳排放，是減排增產的重要路徑。相比于傳統密植玉米農藝，發展農機與農藝結合寬窄行間作播種技術可以增強田塊的通風和光合作用，保證單位玉米區域土壤肥力，提高旱田玉米產量，達到固碳減排效果。此外進一步配套“潔區側深種肥精量施用技術”先進機具，達到播前秸稈寬行還田覆蓋，保肥保墑效果，選育優質的抗病、抗蟲玉米種子，根據農藝要求，開發窄行內機械化精量單粒播種機具，特別是玉米精密排種、平穩投種、籽粒著床配套機具，實現定行距、株距的農機作業，結合側深施肥農藝技術，開發配套的玉米定量側位深施肥機具，通過機具前進速度自適應調整種肥排出速度，實現種肥協同精量化作業。

3.3 開發清潔可再生能源與無人農機智能作業技術

燃油能源作為機械化農業生產碳排放第二大來源，對低碳農業生產有著重大影響。根據綠色低碳玉米種肥施用要求，分階段制定玉米種肥機具能源減排政策，逐漸淘汰低效率、高污染的玉米種肥牽引機具，加快高熱值、低污染生物燃油機改裝升級。在排氣口安裝監測裝置和碳微粒濾清器，搭建廢氣再循環系統，減少碳氧化物產生。借鑒現有汽車低碳技術領域，在保證旱田玉米種肥施用作業動力充足的條件下，研發油電混合、太陽能、氫能等清潔能源的機具，繼而達到節能減排可持續發展。農機作業中往往依靠農民操作經驗來保證機具正常運行，農民在操作機具時需要多個步驟，且隨時保持謹慎，往往由于操作不當帶來種肥浪費、多油耗、漏播等問題，為解放農民雙手，降低操作經驗帶來大量碳排放風險，無人智能化玉米機械種肥施用技術迫在眉睫，例如玉米變量播種施肥技術，種肥機具作業實時監測土壤特性，基于局部土壤質地、肥力等因素開出種肥處方圖，從而實時響應，調節精密播種轉速與肥料排量，達到節省種肥、因地制宜作業效果，實現玉米機械化作業產量與低碳共存。不僅如此，衛星機具定位、無人駕駛導航技術、播種機具障礙物自動規避技術、視覺監測自動補種等技術，也應深入研究與落地，實現玉米施肥環節全程智能無人化，繼而實現節本增效、綠色低碳的玉米機械化種植。

4 結論與展望

玉米播種施肥機械低碳化發展對我國節能減排、農業可持續發展有著重要影響。綜上可知，我國在玉米低碳施肥播種技術研制方面與國外還有一定的差距，因此，根據我國玉米栽培的農藝要求，樹立綠色科學技術觀念，在現有玉米播種施肥機具的基礎上，應從玉米機具作業模塊化、排種施肥機具精密化、作業模塊控制集成化、驅動作業節能化出發，不斷改進機具，突破各項關鍵技術。同時，加快研制玉米施肥播種現代化低碳機具，早日實現玉米施肥播種機械的低碳化發展。