農作物精播技術探索

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引言

農業部1970年曾提出玉米高產栽培技術要實現“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。據資料介紹，世界玉米產量，美國位居第1，中國第2。2007年美國玉米平均單產為10051.95kghm2，而中國僅為5154.00kghm2，美國平均單產約為中國的兩倍。河北張家口試點玉米單產21826.50kghm2，山東登海集團最高單產21043.50kghm2，河南夏玉米最高單產為17820kghm2，據說山東近期春玉米單產已突破25500kghm2。它們的共同特點是種植面積小，大都采用人工擺子，定向播種，種植密度大，國內高產玉米種植密度多在9.45萬～10.20萬株hm2。據資料介紹，玉米最高產量的美國，玉米單產曾達到27750kghm2，其種植密度為108720株hm2。玉米單季噸糧田高產地塊試驗的結果表明，玉米定向擺子點種，既可保證種植密度，又可充分利用太陽的光和熱，確保玉米穩產高產。玉米生長過程中，其葉片總是呈“一”字形生長的，為此，要充分利用玉米生長過程中的光合作用，合理密植。只要保證玉米生長過程中，其“一”字形葉片垂直于播種行，就可適當減小株距，確保玉米整個生長過程的通風透光，實現合理密植。以人們習慣種植60cm等行距為例，只要株距保持在15.0～18.5cm，就可確保株數達到9.00萬～11.25萬株hm2。針對玉米種子的生物學特性，設計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，最終達到密植增產的效果。

1玉米種子生物學特性

1.1構造

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，上面有一條與長軸線平行的深溝稱胚溝，是種子胚芽和胚根的生長通道。種子的內部主要由果皮、種皮、糊粉層、胚乳和胚組成。胚是種子生種發芽的基礎，胚的尖部發芽(胚芽)長葉，尾部生長胚根，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葉，胚根向下入土發展為第1條根。種子皮層指果皮和種皮，占種子質量的6%～8%，多為無色，少為紅色、紫色。皮層下為糊粉層。胚乳占種子質量的80%～85%，有粉質胚乳和角質胚乳兩種。粉質胚乳結構疏松不透明，含淀粉多，蛋白質少;角質胚乳組織緊密;呈半透明狀，含蛋白質較多。胚乳是種子貯藏營養物質的倉庫。玉米的胚很大，占種子質量的10%～14%，位于種子小端一側，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，是種子內的原始根，發展為第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)，內含糖、油、蛋白質及多種酶，有吸收、輸送胚乳養分，供種子發芽和幼苗生長的作用［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發芽

1.2.1種子發芽與出苗

玉米種子播種后，在適宜的條件下，便開始發芽。胚根突破種皮，垂直向下生長成初生根，又稱主胚根。2～3d后，在胚軸的下端又陸續長出3～7條幼根，稱為次生胚根。初生胚根和次生胚根構成了玉米的初生根系。初生根系供應幼苗2～3周內生長所必須的水分和養分。以后則為次生根所代替。所以，初生根系發育的好壞對玉米幼苗生長的強弱影響很大。在胚根突破種皮以后，胚芽向上生長。當胚根與種子等長，胚芽長達種子長度一半時，稱為發芽。隨后胚芽不斷向上生長出土、出苗。正常情況下，種子的萌發是先長胚根，再出胚芽;但當土壤水分過多時，往往先露芽，再生胚根。玉米幼苗結構如圖1所示。

1.2.2影響種子萌發出苗的因素

玉米種子在6～7℃時，雖然發芽但比較緩慢，常被土壤微生物寄生而造成爛種。當5～10cm土層的地溫穩定在10～12℃時，發芽正常。故農業生產上把10～12℃作為玉米播種的溫度指標。種子發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低于16%、18%和19%。此外，種子發芽還需要充足的氧氣。因此，溫度、水分和氧氣是玉米發芽出苗不可缺少的因素。在土壤水、氣狀況良好時，溫度是決定出苗快慢的因素。春播地溫12℃時，播后10d左右出苗;麥田套種時，地溫18～20℃，6～7d出苗;夏播時，溫度22～25℃，5～6d即出苗。

1.3出苗

苗期是以長根為中心連同莖葉分化的營養生長階段，此期根系發展比較快，地上部莖葉生長緩慢。其莖節和葉片數在苗期已決定了。

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2m以上，水平分布達1m。但絕大部分集中在深度30cm，距植株半徑20cm范圍內的土層中。玉米根系結構如圖2所示。

(1)初生根

種子在適宜的土壤環境中，一般先長根，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，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，所以次生根又稱節根。通常于3葉期，在胚芽鞘基部產生第1層次生根，5葉時產生第2層，大約每長出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。次生根生長先水平伸展到一定范圍后垂直下扎。次生根的生長以抽雄前后最為旺盛，是玉米根系的主體，數量多達100條以上，是決定玉米產量的主要根系。

(3)支持根

玉米地上莖節上輪生的根稱支持根。支持根的層數因品種和栽培條件而異，一般為1～3層，多者可達5～6層。一般從抽雄前后開始出現，支持根發根迅速，生長粗壯，且有色素，表皮角質化，厚膜組織特別發達，先端分泌黏液，入土后產生側根，能夠支持植株，增強抗倒伏能力。支持根還有吸收水肥、合成氨基酸，進一步形成蛋白質的作用。據測定，玉米支持根內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的關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。無論哪種型號的種子都適應了在土壤中多角度、多方向的發芽出土習慣(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。以備播溝方向為種子在土中的方向，種子上面或下面為目標分為上面或下面平行地面方位、垂直地面方位;以胚溝長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不勝數。按其3～4葉齡時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，胚芽沿胚溝內側向上拱破大端種皮出土生長，葉片垂直播種行生長。胚根拱出種子小端直接入土。葉片垂直播種行生長。

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

(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°長出地面，胚根向小端長出胚溝拐彎90°向下入土生長。葉片垂直播種行生長。

(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，然后拐彎90°長出地面，胚根向小端長出胚溝拐彎90°向下入土生長。葉片平行備播溝生長。

(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;胚芽向大端方向長出胚溝，然后拐彎90°長出地面，胚根向小端長出胚溝后，拐彎90°向下入土生長。葉片平行備播溝生長。

(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。其特點是胚芽和胚根拐點早，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。由于胚芽和胚根均須超過胚溝頂端后，方可拐彎90°生長。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。其特點是胚芽和胚根拐點早，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。由于胚芽和胚根均須超過胚溝頂端后，方可拐彎90°生長，為此，出苗較晚。

從上述情況看，要實現玉米“一”字形垂直備播溝生長，在保證玉米光合作用的前提下，適當減小株距，提高種植密度。要達此目的: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。為了簡便易行，采用第2種方位，設計了玉米定向定位精播排種器。

3玉米機械精量定向定位排種技術

以往玉米播種機設計的重點都在排量與穴距上，早期的玉米播種機是條播機，解決了玉米播種機械化問題。之后設計出的玉米穴播機，解決了定株距播種問題，但是有關播種后種子的定向、定位問題的研究目前還少有報道。最近幾年，特別近兩年，為解決玉米密植高產問題，不少農業專家根據玉米生長期葉片自出土后一直呈“一”字形生長，且發芽總是平行于種子上面或下面、平行于種子的大端長徑生長的特性，進行了多點人工擺子播種試驗，取得了可喜的增產效果。但是人工擺子播種需要大量的勞動力，播種效率太低，速度太慢。此前也有專家研制出類似機構［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，河北省農機修造服務總站和石家莊農業機械股份有限公司(原國家八機部播種機定點生產廠)合作，在其生產的2BQ-4型氣吸式精播機基礎上研發了定向定位排種器。“玉米精量播種機定向、定位排種器”已于2011年向中華人民共和國知識產權局申請了專利。基于玉米種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”字形生長的規律，利用玉米種子的質心位距大端面13的特點，在種子從滑道上向備播溝滑動過程中自動調向，使玉米種子馬蹄型的大頭自動向下滑入備播溝內，對于滑落到溝底后個別異向種子，再通過輔助導向機構的導向使其自動排隊，以提高定向、定位率。該機構結構示意圖如圖4所示，由輸種斗1、種子滑道2、側擋板3、上蓋4、限位擋板5、輔助導向機構6和調整螺拴7組成。種子滑道由滑板和位于其兩側的一對側擋板組成，滑板的寬度d1為玉米種子的最大寬度，滑板與機械水平面的夾角α為19°～23°，玉米種子的最大寬度指馬蹄形大端的最大寬度;輔助導向機構6由間距為d2(11～15mm)的2個導向板和調節螺栓組成。2個導向板固定在滑板的末端，調節螺栓穿入位于2個導向板上的孔中。限位擋板的兩端分別與所述輸料斗和輔助導向機構相連接，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，并且固定在一對側擋板3的頂端;輔助導向機構由間距為d2的2個導向板6和調節螺栓7組成;兩個導向板6固定在滑板2的末端;調節螺栓7穿入位于兩個導向板6上的孔中。限位擋板5的兩端分別與輸料斗1和輔助導向機構相連接，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輸種口進入輸種斗1后，由輸種斗1的排種口自由調向落在滑道2上，然后利用種子質心偏移原理自動排隊滑入備播溝內，對個別不規則滑入備播溝的種子，由輔助導向機構進行二次調向。輔助導向機構的兩個導向板6之間的距離d2，可根據種子的寬度由調整螺拴7進行調整。

4結束語

玉米定向排種精播技術是一項玉米播種技術革命，是在人工擺子播種及玉米種塊人工定向播種等多點試驗，取得顯著增產效果的基礎上，研發的一種機械化定向機播新技術。該技術的創新點在于將玉米種子定向定位排列于備播溝內，以實現玉米葉片出土后的定向生長。為同等行距條件下，降低株距、實現合理密植奠定理論基礎。該技術玉米自動排種已通過臺架試驗，合格率達到80%以上。目前該發明在全國剛剛起步，其適應性和增產效果尚缺乏多點試驗數椐，還需要多點、多方案較大規模的隨機對比生產試驗來進一步研究與驗證。