農(nóng)作物精播技術(shù)探索

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引言

農(nóng)業(yè)部1970年曾提出玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)要實(shí)現(xiàn)“三度”，即增加密度、提高整齊度和保證成熟度，第1位的就是要增加密度。據(jù)資料介紹，世界玉米產(chǎn)量，美國(guó)位居第1，中國(guó)第2。2007年美國(guó)玉米平均單產(chǎn)為10051.95kghm2，而中國(guó)僅為5154.00kghm2，美國(guó)平均單產(chǎn)約為中國(guó)的兩倍。河北張家口試點(diǎn)玉米單產(chǎn)21826.50kghm2，山東登海集團(tuán)最高單產(chǎn)21043.50kghm2，河南夏玉米最高單產(chǎn)為17820kghm2，據(jù)說山東近期春玉米單產(chǎn)已突破25500kghm2。它們的共同特點(diǎn)是種植面積小，大都采用人工擺子，定向播種，種植密度大，國(guó)內(nèi)高產(chǎn)玉米種植密度多在9.45萬～10.20萬株hm2。據(jù)資料介紹，玉米最高產(chǎn)量的美國(guó)，玉米單產(chǎn)曾達(dá)到27750kghm2，其種植密度為108720株hm2。玉米單季噸糧田高產(chǎn)地塊試驗(yàn)的結(jié)果表明，玉米定向擺子點(diǎn)種，既可保證種植密度，又可充分利用太陽的光和熱，確保玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。玉米生長(zhǎng)過程中，其葉片總是呈“一”字形生長(zhǎng)的，為此，要充分利用玉米生長(zhǎng)過程中的光合作用，合理密植。只要保證玉米生長(zhǎng)過程中，其“一”字形葉片垂直于播種行，就可適當(dāng)減小株距，確保玉米整個(gè)生長(zhǎng)過程的通風(fēng)透光，實(shí)現(xiàn)合理密植。以人們習(xí)慣種植60cm等行距為例，只要株距保持在15.0～18.5cm，就可確保株數(shù)達(dá)到9.00萬～11.25萬株hm2。針對(duì)玉米種子的生物學(xué)特性，設(shè)計(jì)了玉米定向定位精播排種器，以提高播種過程中的定向、定位率，最終達(dá)到密植增產(chǎn)的效果。

1玉米種子生物學(xué)特性

1.1構(gòu)造

從玉米種子的外觀看，無論馬齒型、半馬齒型，還是硬粒型、粉質(zhì)型或爆裂型等大都是馬蹄狀扁平型，主要包括上面、下面、大端和小端。它的下面是平面，上面有一條與長(zhǎng)軸線平行的深溝稱胚溝，是種子胚芽和胚根的生長(zhǎng)通道。種子的內(nèi)部主要由果皮、種皮、糊粉層、胚乳和胚組成。胚是種子生種發(fā)芽的基礎(chǔ)，胚的尖部發(fā)芽(胚芽)長(zhǎng)葉，尾部生長(zhǎng)胚根，胚芽和胚根拱出種皮后沿胚溝向種子大端垂直地面出土長(zhǎng)葉，胚根向下入土發(fā)展為第1條根。種子皮層指果皮和種皮，占種子質(zhì)量的6%～8%，多為無色，少為紅色、紫色。皮層下為糊粉層。胚乳占種子質(zhì)量的80%～85%，有粉質(zhì)胚乳和角質(zhì)胚乳兩種。粉質(zhì)胚乳結(jié)構(gòu)疏松不透明，含淀粉多，蛋白質(zhì)少;角質(zhì)胚乳組織緊密;呈半透明狀，含蛋白質(zhì)較多。胚乳是種子貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的倉(cāng)庫(kù)。玉米的胚很大，占種子質(zhì)量的10%～14%，位于種子小端一側(cè)，由胚芽、胚軸、胚根和盾片組成。胚的上端是胚芽，外由胚芽鞘包著。胚根在胚的下端，是種子內(nèi)的原始根，發(fā)展為第1條根。胚莖在胚根和胚芽之間。在胚和胚乳之間有盾片(子葉)，內(nèi)含糖、油、蛋白質(zhì)及多種酶，有吸收、輸送胚乳養(yǎng)分，供種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的作用［1-4］。在種子下端有一尖形果柄，將其剝除，即露出黑色層。

1.2發(fā)芽

1.2.1種子發(fā)芽與出苗

玉米種子播種后，在適宜的條件下，便開始發(fā)芽。胚根突破種皮，垂直向下生長(zhǎng)成初生根，又稱主胚根。2～3d后，在胚軸的下端又陸續(xù)長(zhǎng)出3～7條幼根，稱為次生胚根。初生胚根和次生胚根構(gòu)成了玉米的初生根系。初生根系供應(yīng)幼苗2～3周內(nèi)生長(zhǎng)所必須的水分和養(yǎng)分。以后則為次生根所代替。所以，初生根系發(fā)育的好壞對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的強(qiáng)弱影響很大。在胚根突破種皮以后，胚芽向上生長(zhǎng)。當(dāng)胚根與種子等長(zhǎng)，胚芽長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)度一半時(shí)，稱為發(fā)芽。隨后胚芽不斷向上生長(zhǎng)出土、出苗。正常情況下，種子的萌發(fā)是先長(zhǎng)胚根，再出胚芽;但當(dāng)土壤水分過多時(shí)，往往先露芽，再生胚根。玉米幼苗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.2影響種子萌發(fā)出苗的因素

玉米種子在6～7℃時(shí)，雖然發(fā)芽但比較緩慢，常被土壤微生物寄生而造成爛種。當(dāng)5～10cm土層的地溫穩(wěn)定在10～12℃時(shí)，發(fā)芽正常。故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上把10～12℃作為玉米播種的溫度指標(biāo)。種子發(fā)芽的適宜土壤含水率為田間持水率的60%～70%，以土壤含水率來說，壤土、砂壤土和黏壤土分別不應(yīng)低于16%、18%和19%。此外，種子發(fā)芽還需要充足的氧氣。因此，溫度、水分和氧氣是玉米發(fā)芽出苗不可缺少的因素。在土壤水、氣狀況良好時(shí)，溫度是決定出苗快慢的因素。春播地溫12℃時(shí)，播后10d左右出苗;麥田套種時(shí)，地溫18～20℃，6～7d出苗;夏播時(shí)，溫度22～25℃，5～6d即出苗。

1.3出苗

苗期是以長(zhǎng)根為中心連同莖葉分化的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，此期根系發(fā)展比較快，地上部莖葉生長(zhǎng)緩慢。其莖節(jié)和葉片數(shù)在苗期已決定了。

1.3.1根系的形成過程

玉米為須根系作物，由支持根、次生根和初生根組成。玉米根系入土深度可達(dá)2m以上，水平分布達(dá)1m。但絕大部分集中在深度30cm，距植株半徑20cm范圍內(nèi)的土層中。玉米根系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)初生根

種子在適宜的土壤環(huán)境中，一般先長(zhǎng)根，稱為初生根。初生根包括初生胚根和次生胚根。垂直向下生長(zhǎng)，分布較少，是玉米幼苗期吸收肥水的主要根系。

(2)次生根

隨莖節(jié)的形成而形成，自下而上從地下密生出次生根，所以次生根又稱節(jié)根。通常于3葉期，在胚芽鞘基部產(chǎn)生第1層次生根，5葉時(shí)產(chǎn)生第2層，大約每長(zhǎng)出2片葉，即生成1層次生根。依品種不同，可形成7～9層次生根。次生根每層的條數(shù)由下而上逐層加多，而入土深度則是由下而上逐層變淺。次生根生長(zhǎng)先水平伸展到一定范圍后垂直下扎。次生根的生長(zhǎng)以抽雄前后最為旺盛，是玉米根系的主體，數(shù)量多達(dá)100條以上，是決定玉米產(chǎn)量的主要根系。

(3)支持根

玉米地上莖節(jié)上輪生的根稱支持根。支持根的層數(shù)因品種和栽培條件而異，一般為1～3層，多者可達(dá)5～6層。一般從抽雄前后開始出現(xiàn)，支持根發(fā)根迅速，生長(zhǎng)粗壯，且有色素，表皮角質(zhì)化，厚膜組織特別發(fā)達(dá)，先端分泌黏液，入土后產(chǎn)生側(cè)根，能夠支持植株，增強(qiáng)抗倒伏能力。支持根還有吸收水肥、合成氨基酸，進(jìn)一步形成蛋白質(zhì)的作用。據(jù)測(cè)定，玉米支持根內(nèi)氨基酸的含量比莖葉高10～15倍，種類有10余種。2種子在土壤中的方位與葉片生長(zhǎng)的關(guān)系由于過去玉米種植不管種子在土中的方位，因此種子播到土壤中自然形成多方向、多角度分布。無論哪種型號(hào)的種子都適應(yīng)了在土壤中多角度、多方向的發(fā)芽出土習(xí)慣(圖3)。

不管種子在土壤中任何方位，其胚芽都沿胚溝向種子大端垂直地面出土。以備播溝方向?yàn)榉N子在土中的方向，種子上面或下面為目標(biāo)分為上面或下面平行地面方位、垂直地面方位;以胚溝長(zhǎng)軸位置分為垂直地面方位、平行地面方位等;以種子大端為基準(zhǔn)分為大端向上方位、大端向下方位、大端向前方位、大端向后方位、大端向左方位和大端向右方位等多種。其他多種角度的分布則數(shù)不勝數(shù)。按其3～4葉齡時(shí)挖掘出的玉米種子在土壤中的主要方位特征可以分為以下幾種方式。

(1)種子上面或下面垂直播種行，大頭向上垂直地面方位，胚芽沿胚溝內(nèi)側(cè)向上拱破大端種皮出土生長(zhǎng)，葉片垂直播種行生長(zhǎng)。胚根拱出種子小端直接入土。葉片垂直播種行生長(zhǎng)。

(2)種子上面或下面垂直播種行，大頭向下垂直地面種植，胚芽沿胚溝內(nèi)側(cè)向下拱出大端種皮層后，拐彎180°長(zhǎng)出地面，而胚根拱出小端種皮后，拐彎180°入土生長(zhǎng)。葉片垂直播種行生長(zhǎng)。

(3)種子上面或下面垂直播種行，大頭向左(或向右)種植，胚芽和胚根以胚溝中心偏小端拱破溝底;胚芽向大端拐彎90°長(zhǎng)出地面，胚根向小端長(zhǎng)出胚溝拐彎90°向下入土生長(zhǎng)。葉片垂直播種行生長(zhǎng)。

(4)種子上面向上平行地面，大端向左(或向右)種植，胚芽和胚根以胚溝中心偏小端拱破溝底;胚芽向大端方向生長(zhǎng)，然后拐彎90°長(zhǎng)出地面，胚根向小端長(zhǎng)出胚溝拐彎90°向下入土生長(zhǎng)。葉片平行備播溝生長(zhǎng)。

(5)種子下面向上平行地面，大端向左(或向右)種植，胚芽和胚根以胚溝中心偏小端拱破溝底;胚芽向大端方向長(zhǎng)出胚溝，然后拐彎90°長(zhǎng)出地面，胚根向小端長(zhǎng)出胚溝后，拐彎90°向下入土生長(zhǎng)。葉片平行備播溝生長(zhǎng)。

(6)種子上面向上平行地面，大端向前或向后種植，葉片與播種行垂直生長(zhǎng)。其特點(diǎn)是胚芽和胚根拐點(diǎn)早，出土速度快。

(7)種子下面向上平行地面，大端向前或向后播種，葉片與播種行垂直生長(zhǎng)。由于胚芽和胚根均須超過胚溝頂端后，方可拐彎90°生長(zhǎng)。為此，出苗較晚。

(8)種子上面向上平行地面，大端向左或向右種植，葉片與播種行垂直生長(zhǎng)。其特點(diǎn)是胚芽和胚根拐點(diǎn)早，出土速度快。

(9)種子下面向上平行地面，大端向左或向右種植，葉片與播種行垂直生長(zhǎng)。由于胚芽和胚根均須超過胚溝頂端后，方可拐彎90°生長(zhǎng)，為此，出苗較晚。

從上述情況看，要實(shí)現(xiàn)玉米“一”字形垂直備播溝生長(zhǎng)，在保證玉米光合作用的前提下，適當(dāng)減小株距，提高種植密度。要達(dá)此目的:一是采用玉米種子上面或下面垂直備播溝，大頭朝上或朝下播種;二是采用種子上面或下面平行備播溝，大端朝前或朝后定向精播。為了簡(jiǎn)便易行，采用第2種方位，設(shè)計(jì)了玉米定向定位精播排種器。

3玉米機(jī)械精量定向定位排種技術(shù)

以往玉米播種機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)都在排量與穴距上，早期的玉米播種機(jī)是條播機(jī)，解決了玉米播種機(jī)械化問題。之后設(shè)計(jì)出的玉米穴播機(jī)，解決了定株距播種問題，但是有關(guān)播種后種子的定向、定位問題的研究目前還少有報(bào)道。最近幾年，特別近兩年，為解決玉米密植高產(chǎn)問題，不少農(nóng)業(yè)專家根據(jù)玉米生長(zhǎng)期葉片自出土后一直呈“一”字形生長(zhǎng)，且發(fā)芽總是平行于種子上面或下面、平行于種子的大端長(zhǎng)徑生長(zhǎng)的特性，進(jìn)行了多點(diǎn)人工擺子播種試驗(yàn)，取得了可喜的增產(chǎn)效果。但是人工擺子播種需要大量的勞動(dòng)力，播種效率太低，速度太慢。此前也有專家研制出類似機(jī)構(gòu)［5］，但其在使用過程中工序較繁瑣，因此也限制了其推廣。為此，河北省農(nóng)機(jī)修造服務(wù)總站和石家莊農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司(原國(guó)家八機(jī)部播種機(jī)定點(diǎn)生產(chǎn)廠)合作，在其生產(chǎn)的2BQ-4型氣吸式精播機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)了定向定位排種器?！坝衩拙坎シN機(jī)定向、定位排種器”已于2011年向中華人民共和國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了專利?；谟衩追N子采用上面或下面平行于備播溝底平面，且大端向前或向后播種，發(fā)芽出土后，其各株葉片均呈垂直于玉米行向，呈橫“一”字形生長(zhǎng)的規(guī)律，利用玉米種子的質(zhì)心位距大端面13的特點(diǎn)，在種子從滑道上向備播溝滑動(dòng)過程中自動(dòng)調(diào)向，使玉米種子馬蹄型的大頭自動(dòng)向下滑入備播溝內(nèi)，對(duì)于滑落到溝底后個(gè)別異向種子，再通過輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向使其自動(dòng)排隊(duì)，以提高定向、定位率。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，由輸種斗1、種子滑道2、側(cè)擋板3、上蓋4、限位擋板5、輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)6和調(diào)整螺拴7組成。種子滑道由滑板和位于其兩側(cè)的一對(duì)側(cè)擋板組成，滑板的寬度d1為玉米種子的最大寬度，滑板與機(jī)械水平面的夾角α為19°～23°，玉米種子的最大寬度指馬蹄形大端的最大寬度;輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)6由間距為d2(11～15mm)的2個(gè)導(dǎo)向板和調(diào)節(jié)螺栓組成。2個(gè)導(dǎo)向板固定在滑板的末端，調(diào)節(jié)螺栓穿入位于2個(gè)導(dǎo)向板上的孔中。限位擋板的兩端分別與所述輸料斗和輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連接，限位擋板與滑板之間的距離h為玉米種子的最大寬度。上蓋4與滑板2平行，并且固定在一對(duì)側(cè)擋板3的頂端;輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由間距為d2的2個(gè)導(dǎo)向板6和調(diào)節(jié)螺栓7組成;兩個(gè)導(dǎo)向板6固定在滑板2的末端;調(diào)節(jié)螺栓7穿入位于兩個(gè)導(dǎo)向板6上的孔中。限位擋板5的兩端分別與輸料斗1和輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連接，限位擋板5與滑板2之間的距離h為玉米種子的最大寬度。種子通過原玉米精量播種機(jī)輸種口進(jìn)入輸種斗1后，由輸種斗1的排種口自由調(diào)向落在滑道2上，然后利用種子質(zhì)心偏移原理自動(dòng)排隊(duì)滑入備播溝內(nèi)，對(duì)個(gè)別不規(guī)則滑入備播溝的種子，由輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次調(diào)向。輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩個(gè)導(dǎo)向板6之間的距離d2，可根據(jù)種子的寬度由調(diào)整螺拴7進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié)束語

玉米定向排種精播技術(shù)是一項(xiàng)玉米播種技術(shù)革命，是在人工擺子播種及玉米種塊人工定向播種等多點(diǎn)試驗(yàn)，取得顯著增產(chǎn)效果的基礎(chǔ)上，研發(fā)的一種機(jī)械化定向機(jī)播新技術(shù)。該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將玉米種子定向定位排列于備播溝內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)玉米葉片出土后的定向生長(zhǎng)。為同等行距條件下，降低株距、實(shí)現(xiàn)合理密植奠定理論基礎(chǔ)。該技術(shù)玉米自動(dòng)排種已通過臺(tái)架試驗(yàn)，合格率達(dá)到80%以上。目前該發(fā)明在全國(guó)剛剛起步，其適應(yīng)性和增產(chǎn)效果尚缺乏多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)椐，還需要多點(diǎn)、多方案較大規(guī)模的隨機(jī)對(duì)比生產(chǎn)試驗(yàn)來進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。