旱地蔬菜缽苗自動移栽機栽植性能試驗

王永維，何焯亮，王 俊※，武傳宇，俞高紅，唐燕海

0 引 言

采用育苗移栽的方式進行作物種植具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、對氣候補償和提高土地利用率等綜合效益[1-6]。蔬菜移栽主要有溫室（設(shè)施）內(nèi)移栽和大田旱地移栽，溫室（設(shè)施）內(nèi)移栽主要是將高密度缽苗移植至低密度穴盤或較大的盆體中，實現(xiàn)定植，滿足幼苗生長對光照和養(yǎng)分等的要求。

目前國外溫室自動移栽設(shè)備已成熟，國內(nèi)學(xué)者也開發(fā)了相應(yīng)的裝備[7-8]。蔬菜大田旱地移栽是將溫室內(nèi)培育的成苗移栽至大田實現(xiàn)定植。國外旱地移栽機研發(fā)較早，已成功開發(fā)了多款穴盤苗全自動移栽機，如意大利的Ferrari旱田全自動移栽機、法國Pearson公司的旱田全自動移栽機等[2]，但這些機型均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題，多用于經(jīng)濟作物。目前，國內(nèi)用于旱地移栽的機具主要是半自動移栽機[9]，按植苗部件類型主要有鉗夾式[10-11]、撓性圓盤式[12-13]、導(dǎo)苗管式[14-15]、吊杯式[16-18]、連桿式[19-20]等型式的半自動移栽機，栽植性能良好，能夠移植多種缽苗，但需要人工喂苗，作業(yè)效率低，勞動強度和作業(yè)成本均較高。

為了實現(xiàn)缽體苗移栽作業(yè)自動化，國內(nèi)學(xué)者在半自動移栽機的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種自動取苗部件，如頂出式[21]、頂出夾取式[22]、旋轉(zhuǎn)式行星系夾取式[23-24]、指針鉗夾式等型式的自動取苗機構(gòu)[25-28]，為方便實現(xiàn)穴盤進給、取苗與植苗動作協(xié)調(diào)控制，研發(fā)了電控取苗系統(tǒng)[29]，這些自動取苗機構(gòu)在實驗室條件下實現(xiàn)了穴盤苗的自動送取，但也存在機構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性低等問題，特別是缺乏將自動取送苗機構(gòu)與植苗機構(gòu)優(yōu)化組合形成滿足生產(chǎn)要求的自動移栽機。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，蔬菜規(guī)?；N植的發(fā)展采用傳統(tǒng)的手工作業(yè)以及半自動移栽機已不能滿足當前生產(chǎn)要求，研發(fā)具有送苗、取苗、打穴、植苗、覆土等作業(yè)功能的全自動移栽機十分必要。為了實現(xiàn)蔬菜缽體苗移栽自動化作業(yè)，浙江大學(xué)與浙江理工大學(xué)聯(lián)合研制了旱地蔬菜缽苗自動移栽機，本文以旱地蔬菜缽苗自動移栽機為作業(yè)對象，對其不同植苗頻率時的栽植性能進行試驗研究。

1 旱地蔬菜缽苗自動移栽機

1.1 整機結(jié)構(gòu)

旱地蔬菜缽苗自動移栽機主要由機架、栽植器、送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)、動力傳動系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。該機為2行自動栽植機，行距：400 mm，株距：250～400 mm，可調(diào)；栽植頻率：40～96株/min，漏栽率：≤5%，栽植合格率：≥92%。

圖1 旱地蔬菜缽苗自動移栽機總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of automatic vegetable pot seedling transplanter in dry field

送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)安裝在機架上部，取苗機構(gòu)為橢圓-不完全非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)，其組成與工作過程見文獻[24-25]。送苗機構(gòu)由傳動機構(gòu)、縱向送苗機構(gòu)、橫向送苗機構(gòu)組成，縱向送苗機構(gòu)通過棘爪對棘輪的控制實現(xiàn)縱向間歇送苗；橫向送苗機構(gòu)由凸輪式分割器和雙螺旋軸組成，通過控制雙螺旋軸做間歇轉(zhuǎn)動并在雙向螺旋軌導(dǎo)向作用下作橫向和往復(fù)間歇運動[30]；送苗機構(gòu)載苗臺可載128穴（標準穴盤，16穴×8排）軟盤穴盤苗2盤，橫向進給1次分別是將每盤穴盤苗的1株苗送至取苗機構(gòu)的取苗點，橫向間歇進給 8次完成 1排苗送苗，然后縱向進給1次將每盤穴盤苗的下1排穴盤苗（8株）移至取苗水平線，然后橫向間歇進給送苗至取苗點，實現(xiàn) 128穴軟盤穴盤苗橫向、縱向間歇進給。送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)前后位置關(guān)系如圖2所示。

栽植器為偏心圓盤吊杯式栽植器，由主軸、連桿、吊杯、偏心盤、軌道、轉(zhuǎn)動盤和凸輪等組成，安裝在取苗機構(gòu)的下方，工作過程見文獻[18]。調(diào)節(jié)取苗機構(gòu)位置使其投苗位置D點與栽植器吊杯旋轉(zhuǎn)上升過程相匹配，保證缽苗準確、適時地落入栽植器吊杯中，取苗機構(gòu)與偏心圓盤吊杯式栽植器相對位置如圖3所示。

2個取苗機構(gòu)、2個偏心圓盤吊杯式栽植器沿整機縱向中心面左右對稱布置，構(gòu)成 2套取苗植苗系統(tǒng)，由 1套送苗機構(gòu)供苗。整機前進與送苗、取苗和植苗的動力傳動系統(tǒng)如圖4所示，發(fā)動機動力5 kW，發(fā)動機動力經(jīng)行走離合器傳遞至行走變速箱，再經(jīng)行走變速箱傳遞至行走驅(qū)動軸及驅(qū)動輪；行走驅(qū)動軸上設(shè)有栽植離合器，栽植離合器接合時通過鏈傳動將動力由行走驅(qū)動軸傳遞至栽植器主軸驅(qū)動栽植器工作，同時將栽植器主軸的動力通過鏈傳動分別傳遞至取苗機構(gòu)、送苗機構(gòu)，驅(qū)動取苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)取苗，驅(qū)動送苗機構(gòu)橫向、縱向送苗。

圖2 送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of seedling sending and seedling picking-up mechanism

圖3 吊杯式栽植器結(jié)構(gòu)與取苗機構(gòu)運動配合示意圖Fig.3 Schematic diagram of exercise coordination of dibble-type apparatus and seedling picking-up mechanism

圖4 動力傳動系統(tǒng)簡圖Fig.4 Diagram of power transmission system

1.2 工作過程

啟動發(fā)動機并將整機移動至作業(yè)壟上，將 2盤適齡的軟盤蔬菜缽苗置于送苗機構(gòu)的載苗臺上，然后整機行走并使栽植作業(yè)離合器結(jié)合，動力由驅(qū)動軸傳遞至栽植器、送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)，取苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)并向穴盤取下1株缽體苗，送苗機構(gòu)橫向移動一個位置使下最前排的下1株苗對準取苗機構(gòu)，栽植器旋轉(zhuǎn)使吊杯上升。當取苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)至投苗位置時，栽植器吊杯轉(zhuǎn)至投苗點下方，取苗機構(gòu)將缽體苗投入吊杯，隨著吊杯進一步旋轉(zhuǎn)至栽植器下方時，吊杯在凸輪作用下自動打開并將缽體苗移入大田土壤，并由覆土輪進行覆土。取苗機構(gòu)具有 2個取苗爪，旋轉(zhuǎn)1周完成2次取苗、投苗，每次取苗、投苗1株，栽植器具有4個吊杯，旋轉(zhuǎn)1次完成4株缽體苗移植；送苗機構(gòu)每橫向進給8次縱向進給1次，然后反向橫向進給；依次往復(fù)實現(xiàn)自動移栽。

2 田間移栽試驗方案

2.1 試驗條件

試驗在綠城現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司（浙江省嵊州市甘霖鎮(zhèn)）的蔬菜種植溫室內(nèi)進行，試驗田地勢平坦，無雜草殘茬覆蓋、無石塊硬土，人工起壟，壟寬70 cm，壟高（9±2）cm，地塊長度80 m。土壤為砂土，表層（深0～5 cm）含水率為11.7%，下層（深5～10 cm）含水率為 13.2%，符合機械行業(yè)標準《旱地栽植機械》JB/T 10291-2013對試驗土壤的要求。試驗用番茄品種為浙雜809，采用標準128穴缽苗盤培養(yǎng)，苗齡為35 d，缽體體積為25.2 cm3，平均苗高150 mm；因育苗時采用統(tǒng)一發(fā)芽然后將子葉期苗移入穴格的方式進行培育，故所有穴格均育有健壯的幼苗，空穴率為0。

2.2 試驗方法

為了獲得旱地蔬菜缽苗自動移栽機不同栽植頻率時的作業(yè)性能，依據(jù)行走變速箱Ⅰ檔與Ⅱ檔的傳動比、驅(qū)動軸上主動鏈輪與栽植器主軸上從動鏈輪的傳動比、設(shè)定植苗頻率計算行走變速箱輸入皮帶輪所需要的轉(zhuǎn)速；然后整機空載沿試驗壟行走，利用光電數(shù)字轉(zhuǎn)速計HDT8003（量程：10～1 000 0 r/min，精度：±0.04%，分辨率為 0.01）測定行走變速箱輸入皮帶輪的轉(zhuǎn)速，同時調(diào)節(jié)發(fā)動機油門使皮帶輪轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值，然后使用數(shù)碼相機拍攝此時栽植器工作，通過視頻時間與栽植器植苗次數(shù)驗證設(shè)定的栽苗頻率并進行調(diào)節(jié)；最后在設(shè)定的皮帶輪轉(zhuǎn)速條件下進行該栽植頻率時的移栽性能試驗。

在進行每一栽植頻率試驗時，同時采用秒表測定移栽整盤秧苗（128株）所用的時間，使用數(shù)碼相機記錄并再次驗證。試驗設(shè)45、60、75、84和96株/min共5個栽植頻率，每個栽植頻率下試驗3次，每次單行移植128株，除去初栽植的 8株，按照機械行業(yè)標準 JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》連續(xù)檢測后面120株，統(tǒng)計漏栽、重栽、倒伏、露苗、埋苗、傷苗的株數(shù)，測定株距、栽植深度，并計算株距變異系數(shù)、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率等主要性能指標。因番茄種植農(nóng)藝要求缽苗定植株距為200～400 mm，故試驗時株距均設(shè)定為300 mm[18]。參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 1924-2010《油菜移栽機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》測定直立度合格率。

1）栽植頻率

栽植頻率為單位時間內(nèi)在一個栽植行內(nèi)栽植到地里的全部秧苗株數(shù)z與時間t（s）之比，試驗測定移栽整盤共128株秧苗時間，并按式（1）計算栽植頻率[31]。

式中f為株距變異系數(shù)。

2）株距變異系數(shù)

測量栽植行內(nèi)相鄰 2株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離X1，比較實測株距X1與設(shè)計株距Xr（調(diào)整株距）之間的差異，判斷實測株距X1是否合格，規(guī)定：相鄰2株的實測株距X1在0.5Xr＜X1≤1.5Xr范圍內(nèi)，為合格株距。株距變異系數(shù)CVX按式（2）計算[31]。

式中SX為株距標準差，cm；X為株距平均值，cm。

3）漏栽率

理論上應(yīng)當栽植秧苗的地方而實際上沒有稱為漏栽。設(shè)行內(nèi)相鄰 2株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離 X1，實際測量時，X1在 1.5Xr＜X1≤2.5Xr范圍內(nèi)，漏栽1株；X1在2.5Xr＜X1≤3.5Xr范圍內(nèi)，漏栽2株，以此類推。評價漏栽程度的指標為漏栽率M[31]。

式中NLZ為漏栽株數(shù)；N'為測定段內(nèi)的設(shè)計株數(shù)。

4）栽植深度合格率

測量從秧苗與覆土表面交點到秧苗根部的垂直距，此距離稱為栽植深度。定義栽植深度大于幼苗缽體高度1.5倍或小于缽體高度80%為不合格，栽植深度大于1.5倍幼苗缽體高度定義為埋苗，小于缽體高度 80%定義為露苗。栽植深度合格率H1按式（4）計算[31]。

式中Nh為栽植深度合格的總株數(shù)；N為測定段內(nèi)的栽植株數(shù)。

5）直立度合格率

秧苗主莖與地面夾角大于30°即為合格，否則判定為倒伏[31]，并在不考慮漏苗、埋苗、傷苗的情況，計算直立度合格的植株數(shù)占總栽植株數(shù)的比例。根據(jù)番茄缽苗移栽農(nóng)藝要求，規(guī)定缽苗主莖與地面的夾角大于 55°為合格[18]，試驗采用萬能角度尺測量移栽后番茄缽苗主莖與地面的夾角，并用式（5）計算直立度合格率H2，NDF為倒伏株數(shù)。

6）栽植合格率

栽植合格率Q為移栽后合格株數(shù)占測定段的設(shè)計株數(shù)的百分比，按式（6）計算[31]。

式中NCZ為重栽株數(shù)；NMM為埋苗株數(shù)；NLM為露苗株數(shù)；NSM為傷苗株數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

田間移栽性能試驗于2016年7月22-23日在綠城現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司進行，試驗現(xiàn)場與移栽效果如圖 5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場與移栽效果Fig.5 Field test and transplanting performance

3.1 不同栽植頻率時株距變化試驗結(jié)果

株距變異系數(shù)是栽植均勻度的評價指標。如表 1所示，在低速移栽（栽植頻率45、60、75、84株/min）時，隨栽植頻率增加，株距變異系數(shù)增加，其平均值范圍為6.6%～7.1%，均遠小于行業(yè)標準規(guī)定的 15%，栽植穩(wěn)定性均較好；當栽植頻率為96株/min，達到高速移栽的植苗頻率時，株距變異系數(shù)的平均值迅速增加至8.9%，但仍小于機械行業(yè)標準JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》的規(guī)定值。可見，該機栽植后入土缽苗植株的株距離散程度較小，栽植株距穩(wěn)定。

表1 不同栽植頻率下的株距變異系數(shù)Table 1 Coefficient of variation of planting spacing in different planting frequency %

3.2 不同栽植頻率時的漏栽率

漏栽率是移栽機械自動取苗性能、植苗性能以及二者動作協(xié)調(diào)性的綜合性評價指標之一。由表 2知，旱地蔬菜缽苗自動缽苗移栽機漏栽率隨栽植頻率的變化沒有明顯規(guī)律，在低速（45、60、75、84株/min）進行自動移栽時，漏栽率均值范圍為1.7%～2.2%，此時送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)、栽植器的配合協(xié)調(diào)，投苗、栽苗成功率最高，穩(wěn)定性好；當高速移栽（96株/min）時，漏栽率迅速上升至2.8%左右，觀察試驗過程知，這主要是由于高速移栽條件下送苗裝置橫向、縱向移苗速度較快，高速取苗成功率略下降，從而導(dǎo)致漏苗率增加。試驗表明，栽植頻率在45～96株/min時，旱地蔬菜缽苗自動缽苗移栽機的漏栽率均符合機械行業(yè)標準JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》所規(guī)定的漏栽率低于5%的要求。

3.3 不同栽植頻率時栽植深度合格率

栽植深度合格率是影響秧苗移栽后緩苗和根系再生、長勢整齊的主要指標。試驗確定番茄苗的栽植深度為45 mm即番茄苗缽體高度，并按上述標準判定是否合格。由表3可知，在栽植頻率為45～96株/min的區(qū)間內(nèi)，栽植深度合格率隨著栽植頻率的增加略有下降，但栽植深度合格率均高于 97%，符合機械行業(yè)標準 JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》要求。栽植深度合格率較高主要是由于移栽床土高度一致，移植田地條件良好?？梢?，栽植器、覆土輪的工作性能良好，栽苗深度一致，能夠為定植后生長創(chuàng)造良好的條件。

表2 不同栽植頻率下的漏栽率Table 2 Missed hill rate in different planting frequency %

表3 不同栽植頻率下的栽植深度合格率Table 3 Qualified rate of planting depth in different planting frequency %

3.4 不同栽植頻率時直立度合格率

直立度指秧苗栽植后直立狀態(tài)的評價指標，參考農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 1924-2010《油菜移栽機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，要求直立度合格率達到85%。由表4可知，在栽植頻率為45～96株/min范圍內(nèi)，隨著栽植頻率的增加，直立度合格率先略增加，栽植頻率75株/min時直立度合格率最高，達到97.8%，然后隨著栽植頻率的增加略有下降，但均大于96%，符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 1924-2010的要求?？梢?，番茄缽體苗移栽后整齊、直立，可為其生長、發(fā)育奠定基礎(chǔ)。

3.5 不同栽植頻率時栽植合格率

栽植合格率是旱地蔬菜缽苗自動移栽機取苗、送苗和植苗協(xié)調(diào)配合的綜合性指標之一，能夠較全面地反映秧苗移栽后的成功率、作業(yè)質(zhì)量。由表 5可知，隨著栽植頻率的增加，栽植合格率略有下降，移栽頻率由45增加至 96株/min時，栽植合格率由 94.7%遞減下降至91.1%，下降的主要原因是高速移栽時取苗成功率略有下降。可見，旱地蔬菜缽苗自動移栽機中在低速移栽、高速移栽時，栽植合格率均達到行業(yè)標準《旱地栽植機械》（JB/T 10291-2013）中栽植合格率大于90%的要求。

表4 不同栽植頻率下的直立度合格率Table 4 Seedling-standing ratio in different planting frequency%

表5 不同栽植頻率下的栽植合格率Table 5 Qualified rate of planting in different planting frequency%

4 結(jié) 論

1）以橢圓-不完全非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)、橫向縱向間歇送苗機構(gòu)、偏心圓盤吊杯式栽植器、動力傳遞系統(tǒng)為關(guān)鍵部件的旱地蔬菜缽苗自動移栽機，各機構(gòu)工作配合協(xié)調(diào)，能夠一次完成送苗、取苗、植苗、覆土等蔬菜缽體苗移栽工序，實現(xiàn)了缽體苗移栽自動作業(yè)。

2）旱地蔬菜缽苗自動移栽機在栽植頻率為45、60、75、84株/min的低速移栽和栽植頻率為96株/min的高速移栽時，作業(yè)性能指標株距變異系數(shù)、漏栽率隨栽植頻率增加而增大，其平均值分別為 6.6%～8.9%、1.7%～2.8%，栽植深度合格率、栽植合格率隨栽植頻率增加略有下降，其值分別為97.5%～98.9%、91.1%～94.7%；在栽植頻率為45～96株/min范圍內(nèi)，株距變異系數(shù)、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率均達到機械行業(yè)標準《旱地栽植機械》（JB/T 10291-2013）中的相應(yīng)要求；直立度合格率隨栽植頻率先增加，栽植頻率75株/min時達到最大，然后略有下降，在栽植頻率為45～96株/min范圍內(nèi)其平均值為96.7%～97.8%，不同栽植頻率時直立度合格率均達到農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《油菜移栽機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》（NY/T 1924-2010）中直立度合格率的規(guī)定值。旱地蔬菜缽苗自動移栽機低速、高速移栽作業(yè)時，自動送苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)、栽植器的工作配合協(xié)調(diào)，移栽性能良好。

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