农作物精播技术探索

引言

农业部1970年曾提出玉米高产栽培技术要实现“三度”，即增加密度、提高整齐度和保证成熟度，第1位的就是要增加密度。据资料介绍，世界玉米产量，美国位居第1，中国第2。2007年美国玉米平均单产为10051.95kghm2，而中国仅为5154.00kghm2，美国平均单产约为中国的两倍。河北张家口试点玉米单产21826.50kghm2，山东登海集团最高单产21043.50kghm2，河南夏玉米最高单产为17820kghm2，据说山东近期春玉米单产已突破25500kghm2。它们的共同特点是种植面积小，大都采用人工摆子，定向播种，种植密度大，国内高产玉米种植密度多在9.45万～10.20万株hm2。据资料介绍，玉米最高产量的美国，玉米单产曾达到27750kghm2，其种植密度为108720株hm2。玉米单季吨粮田高产地块试验的结果表明，玉米定向摆子点种，既可保证种植密度，又可充分利用太阳的光和热，确保玉米稳产高产。玉米生长过程中，其叶片总是呈“一”字形生长的，为此，要充分利用玉米生长过程中的光合作用，合理密植。只要保证玉米生长过程中，其“一”字形叶片垂直于播种行，就可适当减小株距，确保玉米整个生长过程的通风透光，实现合理密植。以人们习惯种植60cm等行距为例，只要株距保持在15.0～18.5cm，就可确保株数达到9.00万～11.25万株hm2。针对玉米种子的生物学特性，设计了玉米定向定位精播排种器，以提高播种过程中的定向、定位率，最终达到密植增产的效果。

1玉米种子生物学特性

1.1构造

从玉米种子的外观看，无论马齿型、半马齿型，还是硬粒型、粉质型或爆裂型等大都是马蹄状扁平型，主要包括上面、下面、大端和小端。它的下面是平面，上面有一条与长轴线平行的深沟称胚沟，是种子胚芽和胚根的生长通道。种子的内部主要由果皮、种皮、糊粉层、胚乳和胚组成。胚是种子生种发芽的基础，胚的尖部发芽(胚芽)长叶，尾部生长胚根，胚芽和胚根拱出种皮后沿胚沟向种子大端垂直地面出土长叶，胚根向下入土发展为第1条根。种子皮层指果皮和种皮，占种子质量的6%～8%，多为无色，少为红色、紫色。皮层下为糊粉层。胚乳占种子质量的80%～85%，有粉质胚乳和角质胚乳两种。粉质胚乳结构疏松不透明，含淀粉多，蛋白质少;角质胚乳组织紧密;呈半透明状，含蛋白质较多。胚乳是种子贮藏营养物质的仓库。玉米的胚很大，占种子质量的10%～14%，位于种子小端一侧，由胚芽、胚轴、胚根和盾片组成。胚的上端是胚芽，外由胚芽鞘包着。胚根在胚的下端，是种子内的原始根，发展为第1条根。胚茎在胚根和胚芽之间。在胚和胚乳之间有盾片(子叶)，内含糖、油、蛋白质及多种酶，有吸收、输送胚乳养分，供种子发芽和幼苗生长的作用［1-4］。在种子下端有一尖形果柄，将其剥除，即露出黑色层。

1.2发芽

1.2.1种子发芽与出苗

玉米种子播种后，在适宜的条件下，便开始发芽。胚根突破种皮，垂直向下生长成初生根，又称主胚根。2～3d后，在胚轴的下端又陆续长出3～7条幼根，称为次生胚根。初生胚根和次生胚根构成了玉米的初生根系。初生根系供应幼苗2～3周内生长所必须的水分和养分。以后则为次生根所代替。所以，初生根系发育的好坏对玉米幼苗生长的强弱影响很大。在胚根突破种皮以后，胚芽向上生长。当胚根与种子等长，胚芽长达种子长度一半时，称为发芽。随后胚芽不断向上生长出土、出苗。正常情况下，种子的萌发是先长胚根，再出胚芽;但当土壤水分过多时，往往先露芽，再生胚根。玉米幼苗结构如图1所示。

1.2.2影响种子萌发出苗的因素

玉米种子在6～7℃时，虽然发芽但比较缓慢，常被土壤微生物寄生而造成烂种。当5～10cm土层的地温稳定在10～12℃时，发芽正常。故农业生产上把10～12℃作为玉米播种的温度指标。种子发芽的适宜土壤含水率为田间持水率的60%～70%，以土壤含水率来说，壤土、砂壤土和黏壤土分别不应低于16%、18%和19%。此外，种子发芽还需要充足的氧气。因此，温度、水分和氧气是玉米发芽出苗不可缺少的因素。在土壤水、气状况良好时，温度是决定出苗快慢的因素。春播地温12℃时，播后10d左右出苗;麦田套种时，地温18～20℃，6～7d出苗;夏播时，温度22～25℃，5～6d即出苗。

1.3出苗

苗期是以长根为中心连同茎叶分化的营养生长阶段，此期根系发展比较快，地上部茎叶生长缓慢。其茎节和叶片数在苗期已决定了。

1.3.1根系的形成过程

玉米为须根系作物，由支持根、次生根和初生根组成。玉米根系入土深度可达2m以上，水平分布达1m。但绝大部分集中在深度30cm，距植株半径20cm范围内的土层中。玉米根系结构如图2所示。

(1)初生根

种子在适宜的土壤环境中，一般先长根，称为初生根。初生根包括初生胚根和次生胚根。垂直向下生长，分布较少，是玉米幼苗期吸收肥水的主要根系。

(2)次生根

随茎节的形成而形成，自下而上从地下密生出次生根，所以次生根又称节根。通常于3叶期，在胚芽鞘基部产生第1层次生根，5叶时产生第2层，大约每长出2片叶，即生成1层次生根。依品种不同，可形成7～9层次生根。次生根每层的条数由下而上逐层加多，而入土深度则是由下而上逐层变浅。次生根生长先水平伸展到一定范围后垂直下扎。次生根的生长以抽雄前后最为旺盛，是玉米根系的主体，数量多达100条以上，是决定玉米产量的主要根系。

(3)支持根

玉米地上茎节上轮生的根称支持根。支持根的层数因品种和栽培条件而异，一般为1～3层，多者可达5～6层。一般从抽雄前后开始出现，支持根发根迅速，生长粗壮，且有色素，表皮角质化，厚膜组织特别发达，先端分泌黏液，入土后产生侧根，能够支持植株，增强抗倒伏能力。支持根还有吸收水肥、合成氨基酸，进一步形成蛋白质的作用。据测定，玉米支持根内氨基酸的含量比茎叶高10～15倍，种类有10余种。2种子在土壤中的方位与叶片生长的关系由于过去玉米种植不管种子在土中的方位，因此种子播到土壤中自然形成多方向、多角度分布。无论哪种型号的种子都适应了在土壤中多角度、多方向的发芽出土习惯(图3)。

不管种子在土壤中任何方位，其胚芽都沿胚沟向种子大端垂直地面出土。以备播沟方向为种子在土中的方向，种子上面或下面为目标分为上面或下面平行地面方位、垂直地面方位;以胚沟长轴位置分为垂直地面方位、平行地面方位等;以种子大端为基准分为大端向上方位、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种。其他多种角度的分布则数不胜数。按其3～4叶龄时挖掘出的玉米种子在土壤中的主要方位特征可以分为以下几种方式。

(1)种子上面或下面垂直播种行，大头向上垂直地面方位，胚芽沿胚沟内侧向上拱破大端种皮出土生长，叶片垂直播种行生长。胚根拱出种子小端直接入土。叶片垂直播种行生长。

(2)种子上面或下面垂直播种行，大头向下垂直地面种植，胚芽沿胚沟内侧向下拱出大端种皮层后，拐弯180°长出地面，而胚根拱出小端种皮后，拐弯180°入土生长。叶片垂直播种行生长。

(3)种子上面或下面垂直播种行，大头向左(或向右)种植，胚芽和胚根以胚沟中心偏小端拱破沟底;胚芽向大端拐弯90°长出地面，胚根向小端长出胚沟拐弯90°向下入土生长。叶片垂直播种行生长。

(4)种子上面向上平行地面，大端向左(或向右)种植，胚芽和胚根以胚沟中心偏小端拱破沟底;胚芽向大端方向生长，然后拐弯90°长出地面，胚根向小端长出胚沟拐弯90°向下入土生长。叶片平行备播沟生长。

(5)种子下面向上平行地面，大端向左(或向右)种植，胚芽和胚根以胚沟中心偏小端拱破沟底;胚芽向大端方向长出胚沟，然后拐弯90°长出地面，胚根向小端长出胚沟后，拐弯90°向下入土生长。叶片平行备播沟生长。

(6)种子上面向上平行地面，大端向前或向后种植，叶片与播种行垂直生长。其特点是胚芽和胚根拐点早，出土速度快。

(7)种子下面向上平行地面，大端向前或向后播种，叶片与播种行垂直生长。由于胚芽和胚根均须超过胚沟顶端后，方可拐弯90°生长。为此，出苗较晚。

(8)种子上面向上平行地面，大端向左或向右种植，叶片与播种行垂直生长。其特点是胚芽和胚根拐点早，出土速度快。

(9)种子下面向上平行地面，大端向左或向右种植，叶片与播种行垂直生长。由于胚芽和胚根均须超过胚沟顶端后，方可拐弯90°生长，为此，出苗较晚。

从上述情况看，要实现玉米“一”字形垂直备播沟生长，在保证玉米光合作用的前提下，适当减小株距，提高种植密度。要达此目的:一是采用玉米种子上面或下面垂直备播沟，大头朝上或朝下播种;二是采用种子上面或下面平行备播沟，大端朝前或朝后定向精播。为了简便易行，采用第2种方位，设计了玉米定向定位精播排种器。

3玉米机械精量定向定位排种技术

以往玉米播种机设计的重点都在排量与穴距上，早期的玉米播种机是条播机，解决了玉米播种机械化问题。之后设计出的玉米穴播机，解决了定株距播种问题，但是有关播种后种子的定向、定位问题的研究目前还少有报道。最近几年，特别近两年，为解决玉米密植高产问题，不少农业专家根据玉米生长期叶片自出土后一直呈“一”字形生长，且发芽总是平行于种子上面或下面、平行于种子的大端长径生长的特性，进行了多点人工摆子播种试验，取得了可喜的增产效果。但是人工摆子播种需要大量的劳动力，播种效率太低，速度太慢。此前也有专家研制出类似机构［5］，但其在使用过程中工序较繁琐，因此也限制了其推广。为此，河北省农机修造服务总站和石家庄农业机械股份有限公司(原国家八机部播种机定点生产厂)合作，在其生产的2BQ-4型气吸式精播机基础上研发了定向定位排种器。“玉米精量播种机定向、定位排种器”已于2011年向中华人民共和国知识产权局申请了专利。基于玉米种子采用上面或下面平行于备播沟底平面，且大端向前或向后播种，发芽出土后，其各株叶片均呈垂直于玉米行向，呈横“一”字形生长的规律，利用玉米种子的质心位距大端面13的特点，在种子从滑道上向备播沟滑动过程中自动调向，使玉米种子马蹄型的大头自动向下滑入备播沟内，对于滑落到沟底后个别异向种子，再通过辅助导向机构的导向使其自动排队，以提高定向、定位率。该机构结构示意图如图4所示，由输种斗1、种子滑道2、侧挡板3、上盖4、限位挡板5、辅助导向机构6和调整螺拴7组成。种子滑道由滑板和位于其两侧的一对侧挡板组成，滑板的宽度d1为玉米种子的最大宽度，滑板与机械水平面的夹角α为19°～23°，玉米种子的最大宽度指马蹄形大端的最大宽度;辅助导向机构6由间距为d2(11～15mm)的2个导向板和调节螺栓组成。2个导向板固定在滑板的末端，调节螺栓穿入位于2个导向板上的孔中。限位挡板的两端分别与所述输料斗和辅助导向机构相连接，限位挡板与滑板之间的距离h为玉米种子的最大宽度。上盖4与滑板2平行，并且固定在一对侧挡板3的顶端;辅助导向机构由间距为d2的2个导向板6和调节螺栓7组成;两个导向板6固定在滑板2的末端;调节螺栓7穿入位于两个导向板6上的孔中。限位挡板5的两端分别与输料斗1和辅助导向机构相连接，限位挡板5与滑板2之间的距离h为玉米种子的最大宽度。种子通过原玉米精量播种机输种口进入输种斗1后，由输种斗1的排种口自由调向落在滑道2上，然后利用种子质心偏移原理自动排队滑入备播沟内，对个别不规则滑入备播沟的种子，由辅助导向机构进行二次调向。辅助导向机构的两个导向板6之间的距离d2，可根据种子的宽度由调整螺拴7进行调整。

4结束语

玉米定向排种精播技术是一项玉米播种技术革命，是在人工摆子播种及玉米种块人工定向播种等多点试验，取得显著增产效果的基础上，研发的一种机械化定向机播新技术。该技术的创新点在于将玉米种子定向定位排列于备播沟内，以实现玉米叶片出土后的定向生长。为同等行距条件下，降低株距、实现合理密植奠定理论基础。该技术玉米自动排种已通过台架试验，合格率达到80%以上。目前该发明在全国刚刚起步，其适应性和增产效果尚缺乏多点试验数椐，还需要多点、多方案较大规模的随机对比生产试验来进一步研究与验证。