玉米和水稻是中国最主要的粮食作物，其生产对保障国家粮食安全产能、构建和完善粮食安全体系具有重要意义。随着国家对主粮作物产量及品质要求的不断提高，在种植面积无法大幅增加的背景下，主粮作物高质高效生产已逐渐转变为以“种植为主、管理为辅”的模式。种植机械化作为现代农业生产最核心环节之一，是提高作物单产水平的重要保证。当前中国农业现代化加速发展，农村土地规模经营、农业劳动力大量转移、农业结构调整，技术供给与需求的矛盾更加凸显，农机产品技术创新促进产业升级、转变农业发展方式的任务更加迫切。因此，亟须开展基础理论与关键技术研究，建立集约化、标准化、专业化的模式规程，完善系统的技术模式、机器系统与技术体系，提升产业可持续支撑能力与市场竞争力。

精量播种是提高种植机械化水平的主推技术，是将定量种子以所需穴行距有序播入种床土壤预定位置的先进技术，从而保证植株获得合理生长空间、相近根系尺寸和充足阳光及水分营养。此项技术可有效节约播量且一次完成多项工序，同时有利于后续田间管理及收获等作业。近些年，随着国家深入推进农业供给侧结构性改革，提升产业可持续发展能力，为现代农业产业的提质增效和转型升级奠定了良好基础。国家重点研发计划“化肥农业减施增效综合技术研发”“粮食生产增效科技创新”“智能农机装备”等专项的实施及现代农业产业技术体系工作的开展，大幅度提升了主粮作物种植机械化水平。

东北地区是中国最主要的粮食生产基地，其机械化程度代表着中国现代农业智能化的最高水平，亦标志着绿色优质现代农业发展水平。“中国人要把饭碗端在自己手里，而且要装自己的粮食”，这是2018 年9 月习近平总书记在黑龙江考察时对东北大粮仓的期许，亦肯定了“黑土粮仓压舱石”的战略地位。目前，东北主粮作物各生产环节特别是种植环节已完全实现了机械化作业，但仍无法满足现代农业精量播种智能高速的新需求，所有关键部件及配套机具以类比设计为主，关键科学问题严重弱化，如玉米单粒均序指夹式排种方案优化、水稻穴直播高精度排种机理探索等技术问题仍未突破，严重制约了主粮作物全程机械化发展进程。

快速突破机械化种植“卡脖子”技术瓶颈在于突破高性能精量排种系统基础理论和高效设计方法，建立多功能协同增效技术体系，研发系列先进适用的机械化、智能化精量播种装备及关键部件，实现关键核心技术自主化重大突破是提高其整体发展水平重要而迫切的内容。

具有代表性及普适性的高性能精量播种关键技术难点在哪？综合分析后，发现其难点在于：

作物品种多样，种子物料特性差异性大，急需筛选适于精量播种的作物品种结构；

种植区域广泛，水旱环境下配套栽培模式复杂多样且差异性大，如玉米单粒播种与水稻成穴直播；

标准化程度低，耕种管收机械化作业环节相对脱节，如玉米旱播管理与水稻直播管理流程存在差异；

传统机具改进选型盲目性大，配套机具以类比设计为主，严重弱化关键核心问题，多地区作业质量及适应性无法保证；

高性能且精准可控的精量排种系统研究不足，急需突破精量排种基础理论与关键技术，如玉米单粒均序排种与水稻高精度穴直播排种；

精量播种智能监测系统研究较少，传统系统监测质量及效率有待进一步提高；

真正有效适推的主粮作物精量播种协同增效体系尚未完全构建完成，影响其综合生产效益快速提升。

所综合分析的主粮作物精量播种协同增效技术急需突破实际应用问题与基础科学难题如下图所示。在此背景下，立足于国家粮食综合生产能力提升重大战略需求，急需突破主粮作物机械化种植“卡脖子”技术瓶颈背后的科学问题，促进基础研究走向应用，加速典型农艺模式及配套装备示范推广，推进机械化种植技术因地制宜发展，助力粮食作物持续稳产增产。

▲ 主粮作物精量播种协同增效技术急需突破实际应用问题与基础科学难题

国内外对以播种环节为核心的多种作物精量播种技术的研究极不平衡，仅研发了多种类型机具及核心部件排种系统，并探索配套机械化作业模式，未对复杂的播种作业环境进行考虑研究。例如，旱作种植作物：玉米机械化精量播种技术已较为成熟，配套多种高效播种装备实现应用推广，但目前仍需突破单粒均序定向排种科学技术难题；其他旱作种植作物精量播种研究较少，各类排种系统多以类比设计为主、定性理论分析为辅，对其关键核心科学难题弱化或避重就轻。水作种植作物：水稻机械化精量穴直播模式多样，其所配套的高产高效栽培模式并未梳理总结及进一步优化，所应用的各类机具主要基于常规条播排种系统或较为成熟的玉米和大豆等排种系统改进试制，但其穴距、穴径及播量调节较为单一，无法保证复杂环境下稻种精准播至种床，田间适应性及作业质量有待提高。

深入挖掘主粮作物精量播种实际应用所存在的问题、需求及目标等导向特征，分析其内在关键问题：主粮作物种子机械物理属性差异大，种子-排种部件互作机理不明晰，精量排种串联环节复杂且控制稳定性差，高速作业行穴距精度要求高且易受干扰，核心排种系统基础设计理论和优化方法匮乏，直接导致精量播种与栽培模式配套性差，作业机具创新设计盲目性大，精量播种协同增效技术体系构建不完整。因此，探索主粮作物高性能精量排种基础理论，形成具有代表性、普适性的精量播种方式及其控制策略，是完善智能农机装备设计方法、提高机械化种植水平、缩短机具研发周期和保证系统兼用性和适应性的核心，亦为提升精量播种机具高效化、精准化及智能化提供重要理论支撑和技术保障。

综合分析，以玉米为代表的旱作粮食作物和以水稻为代表的水作粮食作物，急需突破大中型籽粒高速单粒均序排种与小籽粒高精度精量穴播排种等关键共性技术难题。

1. 玉米高速精量播种技术

重点突破高速单粒均序排种技术，系统分析多粒型种子机械物理属性测定方法，探究单粒种子-排种部件互作控制机理，解析多相耦合场种子有效分离及均序控制机理，提出机械夹持/舀取与气吸/气吹组合同步分种、主动柔性导种与气吹弹射投种等结合的模块化设计方案，集成研发系列高速精量排种部件及机具，最终形成科学有效的高速精量排种基础理论与设计优化方法。

▲ 玉米精量排种系列装备

2. 水稻高精度精量穴直播技术

重点突破适于不同稻种的高精度精量穴直播技术，阐明复杂稻种时空演化精准控制机理及运移特征表征关系，提出水稻精量穴直播排种系统设计分析理论，创建精量穴直播排种系统多目标优化策略，研究精量穴直播排种系统高质着床投送方法，集成播量调节范围大且适应性好的精量高效水稻穴直播排种部件及机具，建立绿色优质水稻高产高效栽培模式及作业标准。

3. 精量播种智能监测技术

重点突破精量播种智能化测控技术，研究各类传感器技术、控制技术及高效融合技术，开发种肥连续落料等传统系统，开展复杂环境精量播种关键部件和传感器材料、结构和耐用性应用研究，提高多种作物精量播种监测适应性及效率，减少复杂环境监测系统故障率。

针对上述发展趋势，立足于国家粮食综合生产能力提升重大战略需求，东北农业大学智能农机装备与技术“双一流”A 类学科团队自2005年将主粮作物精量排种关键共性技术作为农业工程学科重点攻关和研究内容，以突破主粮作物（玉米和水稻）精量排种精准控制机理探析、排种系统创新设计、智能监测系统开发等农艺农机相融合的技术瓶颈为目标，围绕其基础理论与优化设计方法开展了农艺模式探索、理论方法研究、关键机理解析、核心部件创新、数值模拟分析、结构特征优化、系统平台开发、台架试验检测、整机集成创制、田间试验示范、技术模式验证及体系构建推广的科学探索研究。团队所提出的基础理论及所研发的配套精量播种机具，实现了农艺农机高度融合，可为智能农机装备理论方法突破及高产高效农艺模式探索提供重要参考，亦有助于中国绿色优质主粮作物全程机械化薄弱环节技术水平提升及高端农机新技术新产品应用推广。

▲ 水稻精量穴直播排种系列装备

团队先后承担了国家水稻产业技术体系建设专项资金资助项目（CARS-01-48）、国家自然科学基金项目（31901414）、国家科技支撑计划项目（2014BAD06B04）、黑龙江省优秀青年科学基金项目（YQ2021E003）、黑龙江省重点研发计划重大项目（2022ZX05B02）等工作，并主持建设国家及省水稻产业技术体系机械化研究室、农业农村部高效播种收获重点实验室、农业农村部北方一季稻全程机械化科研基地等创新平台。《高性能精量排种理论与技术》（王金武等著. 北京：科学出版社, 2023.6）一书既是上述项目的研究成果，又是近年来著者团队研究成果的总结与凝练。

本书凝结了著者团队集体智慧的结晶，内容综合了玉米和水稻等主粮作物高速精量排种基础理论与关键技术，体现了农机与农艺的深度融合，完善了现代农业装备机械设计理论方法，为突破粮食作物全程机械化智能化技术难题提供借鉴。本书由王金武、唐汉拟出写作提纲、主写、统稿，由王金武最终定稿。团队王金峰、周文琪、王奇、孙小博等老师及多名研究生对本书各章节内容撰写及修改做出积极贡献。

本文摘编自《高性能精量排种理论与技术》（王金武等著. 北京：科学出版社, 2023.6）一书“第1 章 绪 论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-074079-3