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，美國位居第1，中國第2。2007年美國玉米平均單產(chǎn)為10051.95kghm2，而中國僅為5154.00kghm2，美國平均單產(chǎn)約為中國的兩倍。河北張家口試點玉米單產(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(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，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)地塊試驗的結(jié)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(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。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(dāng)減小株距，確保玉米整個生長過程的通風(fēng)透光，實現(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。針對玉米種子的生物學(xué)特性，設(shè)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(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(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(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。胚乳是種子貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的倉庫。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，垂直向下生長成初生根，又稱主胚根。2～3d后，在胚軸的下端又陸續(xù)長出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)育的好壞對玉米幼苗生長的強(qiáng)弱影響很大。在胚根突破種皮以后，胚芽向上生長。當(dāng)胚根與種子等長，胚芽長達(dá)種子長度一半時，稱為發(fā)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(fā)是先長胚根，再出胚芽;但當(dāng)土壤水分過多時，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，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，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，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(yǎng)生長階段，此期根系發(fā)展比較快，地上部莖葉生長緩慢。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(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葉時產(chǎn)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(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(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。以備播溝方向為種子在土中的方向，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，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(nèi)側(cè)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(xiàn)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(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。為了簡便易行，采用第2種方位，設(shè)計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)計的重點都在排量與穴距上，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)玉米生長期葉片自出土后一直呈“一”字形生長，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徑生長的特性，進(jìn)行了多點人工擺子播種試驗，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(原國家八機(jī)部播種機(jī)定點生產(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。“玉米精量播種機(jī)定向、定位排種器”已于2011年向中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局申請了專利?；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”字形生長的規(guī)律，利用玉米種子的質(zhì)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(diào)向，使玉米種子馬蹄型的大頭自動向下滑入備播溝內(nèi)，對于滑落到溝底后個別異向種子，再通過輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向使其自動排隊，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個導(dǎo)向板和調(diào)節(jié)螺栓組成。2個導(dǎo)向板固定在滑板的末端，調(diào)節(jié)螺栓穿入位于2個導(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個導(dǎo)向板6和調(diào)節(jié)螺栓7組成;兩個導(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)心偏移原理自動排隊滑入備播溝內(nèi)，對個別不規(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試驗，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)新點在于將玉米種子定向定位排列于備播溝內(nèi)，以實現(xiàn)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(xiàn)合理密植奠定理論基礎(chǔ)。該技術(shù)玉米自動排種已通過臺架試驗，合格率達(dá)到80%以上。目前該發(fā)明在全國剛剛起步，其適應(yīng)性和增產(chǎn)效果尚缺乏多點試驗數(shù)椐，還需要多點、多方案較大規(guī)模的隨機(jī)對比生產(chǎn)試驗來進(jìn)一步研究與驗證。