基于農(nóng)機農(nóng)藝融合的大蔥機械化移栽關(guān)鍵技術(shù)研究

王方艷，高洪偉

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

大蔥在我國栽培歷史悠久，常年種植面積約50萬hm2，是我國重要的蔬菜和調(diào)味品。目前，大蔥在山東、河南、河北等省大面積種植，種植面積約占全國總面積的40%，對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到重要的促進作用。其中，山東大蔥享譽海外，常年種植面積約8.9萬hm2，是山東省重要的經(jīng)濟作物和創(chuàng)匯產(chǎn)品。在濰坊、濟南、臨沂等地，大蔥種植已經(jīng)成為地區(qū)品牌產(chǎn)業(yè)，年出口量約占全國出口總量的70%，具有較好的發(fā)展空間和前景[1]。

當前，大蔥種植采用先育苗再栽植后培土管理的種植農(nóng)藝。大蔥栽植前的整地、開溝環(huán)節(jié)的機械化率達70%，灌溉環(huán)節(jié)的機械化率達100%，大蔥培土機械化率達30%～40%；但占大蔥全程生產(chǎn)用工70%的大蔥移栽及收獲作業(yè)還主要依靠人工完成，整體機械化水平較低，嚴重影響著大蔥全程機械化的進程[2]。尤其，種植環(huán)節(jié)正處于機械化種植起步階段后期的“瓶頸”時期，迫切需要解決機械化種植的關(guān)鍵技術(shù)。為此，從大蔥種植的現(xiàn)狀出發(fā)，針對大蔥種植的農(nóng)藝要求，結(jié)合農(nóng)機農(nóng)藝融合的狀況，分析了制約大蔥機械化種植的關(guān)鍵技術(shù)，并探索解決關(guān)鍵問題的對策，對實現(xiàn)大蔥機械化種植、推動大蔥種植的農(nóng)機農(nóng)藝融合、提高大蔥生產(chǎn)機械化水平具有重要的意義。

1 大蔥種植概述

大蔥是山東重要經(jīng)濟作物和區(qū)域品牌，種植面積大、適應性強，可春季或秋季栽植，產(chǎn)量較高、種植效益好。近年來，隨著北方農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及“天價大蔥”現(xiàn)象的出現(xiàn)，大蔥種植面積及產(chǎn)量逐年遞增，并逐漸形成了以章丘的“市場蔥”和安丘的“出口蔥”為代表的生產(chǎn)模式。僅2013年，章丘大蔥種植面積達0.8萬hm2，總產(chǎn)量6億kg多；安丘大蔥面積達到1萬hm2，銷往日韓等20多個國家和地區(qū)，并在山東起到較好的種植示范及推廣效應[3-5]。由于直播種植占地時間長，大蔥種植多采用苗床育苗(或穴盤育苗)與大田移栽配合的種植模式，借助后期的培土作業(yè)以獲得大蔥的軟化假莖。掌握以章丘“大梧桐蔥”和安丘“日本鋼蔥”為代表的大蔥特性及種植農(nóng)藝，合理安排大蔥種植輪作模式，對提高土地單產(chǎn)率及提升大蔥機械化種植水平具有重要的意義。

1.1 章丘蔥的種植狀況

章丘大蔥以“長、白、脆、甜”為特點，辣味輕、適合生吃，可分為一年一茬的春季蔥和跨年種植的秋季蔥。一般，春季蔥在3月中旬-4月上旬采用苗床育苗，6月下旬移栽定植，10月-11月份收獲；秋季蔥為9月下旬-10月上旬苗床育苗，來年的6月中下旬移栽定植，11月中旬后收獲。此外，章丘部分地域探索了10月份蔥溝內(nèi)套種小麥及6月份收麥后移栽蔥的大蔥與小麥套種的模式。栽植時，大蔥為選苗后的裸苗，鱗莖粗10mm左右，主要采用傳統(tǒng)的“水插”法，即溝內(nèi)澆透水后隨水將大蔥按標準株距手動直插，每天人工栽植效率為0.02～0.03hm2。其株距為50mm左右，種植行距為800～900mm，栽植深度為60～100mm，溝寬為200～300mm，溝深300mm，并將溝底寬150mm，深250～300mm的土層松動，以備插蔥[6]。章丘蔥種植農(nóng)藝如圖1所示。目前，章丘大蔥以秋播為主，收獲大蔥粗細勻稱、品相較好，株高約1 300～1 400mm，蔥白長為500～600mm，鱗莖粗30～50mm，單株重約0.5～0.75kg，每667m2(畝)產(chǎn)4 000～5 000kg，比春季種植豐產(chǎn)[7]。

圖1 章丘蔥的種植農(nóng)藝

1.2 安丘蔥的種植狀況

安丘大蔥的主要品種是日本鋼蔥(鐵桿蔥)，蔥白結(jié)實、纖維粗，吃起來辛辣味濃郁，多為依托蔬菜加工貿(mào)易公司的冷凍或加工出口蔥。人工栽植農(nóng)藝與章丘大蔥的栽植農(nóng)藝相仿，但行距為950～1 000mm，溝寬為200～300mm，溝深為300mm，溝底寬為150mm，株距為25～30mm，溝深為250～300mm。人工種植農(nóng)藝如圖2所示。隨著機械化種植機具的引進及缽體育苗技術(shù)的發(fā)展，安丘大蔥改變了傳統(tǒng)春播與秋播的方式，依托蔬菜加工企業(yè)采用二年三茬的輪茬種植農(nóng)藝，以充分利用地力獲得較多的經(jīng)濟產(chǎn)出，即通過缽體育苗技術(shù)縮短大蔥種植的占地時間。通常，在清明前后播種育苗，5、6月份移栽，10月份收獲；或7、8月份播種育苗，10、11月份移栽，次年3、4月份收獲的種植農(nóng)藝。種植時，大蔥苗高約30cm，鱗莖粗7～8mm，種植行距為800～850mm，株距為30mm左右，溝寬為280mm，溝底寬為150mm，溝深300mm。近年來，大蔥穴盤育苗發(fā)展較快，一般每穴3苗，栽植時采用日本進口機具完成[8]。機械種植農(nóng)藝如圖3所示。收獲時，大蔥株高約1 100mm，蔥白長為350mm-450mm，鱗莖粗20～35mm，每667m2(畝)產(chǎn)約5 000kg。當前，安丘的缽體育苗技術(shù)及種植方式正在逐漸推廣，并得到了農(nóng)戶和政府的認可。

圖2 安丘蔥的人工種植農(nóng)藝

圖3 安丘蔥的機械種植農(nóng)藝

綜上所述，與其他移栽作物相比，大蔥移栽環(huán)節(jié)的季節(jié)性強、用工多、效率低，且勞動強度大，移栽要求高。目前，山東大蔥的種植行距及開溝寬度等參數(shù)相差不大，種植模式便于規(guī)范化，利于移栽機具研發(fā)及技術(shù)推廣。因大蔥品種種植存在差異、蔥苗規(guī)格不一、莖部柔軟，且大蔥移栽具有株距小(一般小于50mm)、栽植深(60～100mm)、直立性強等特點，目前主要有裸苗移栽和缽體移栽兩種方式。其中，裸苗移栽一般經(jīng)過選苗工序，移栽大蔥大小均勻，收獲效益好；缽體移栽省工省力、效率高，發(fā)展前景較好，但一缽3苗，大蔥生長不一致，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。因此，根據(jù)大蔥的種植目的及供應需求，分別研制適于裸苗和缽苗的移栽機具，可提高大蔥的種植效益及生產(chǎn)規(guī)模。

2 大蔥機械化移栽的關(guān)鍵技術(shù)及裝備

歐美、日本等國外發(fā)達國家對移栽技術(shù)及裝備的研究較早，主要經(jīng)歷了20世紀30年代由手工喂苗的栽禾器移栽階段，20世紀40年代至50年代的土缽育苗和半自動移栽機具階段，直至20世紀80年代工廠化育苗技術(shù)及自動化移栽機具趨于成熟。目前，國外發(fā)達國家旱田移栽機的發(fā)展已比較成熟，主要集中在茄子、甜菜、油菜等蔬菜領(lǐng)域，并針對缽苗研制了氣力式、推出式、夾持式、平面四桿式、回轉(zhuǎn)式取苗投苗機構(gòu)及五桿取苗機構(gòu)，開發(fā)了鉗夾式、吊籃式、導苗管式、鏈夾式、撓盤式栽植器；但在研究與推廣過程中仍存在結(jié)構(gòu)繁雜、體積大、成本高等問題。取苗投苗機構(gòu)如表1所示[9-14]。栽植器結(jié)構(gòu)及特性如表2所示[15-22]。取苗機構(gòu)和栽植器是移栽機械的關(guān)鍵部件。我國大蔥栽植時，其直徑1～2cm，株高40～60cm，蔥白(假莖)長約20～30cm，且蔥頭須根極易纏繞，給大蔥的分苗和小株距栽植帶來困難。因此，全面、深入地研究機械化移栽技術(shù)與裝備仍是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點。

表1 取苗投苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)及特點

續(xù)表1

表2 栽植器結(jié)構(gòu)及特性

續(xù)表2

大蔥移栽機的研制主要集中在亞洲，以日本久保田公司生產(chǎn)的KN-P6半自動大蔥移栽機和豐收產(chǎn)業(yè)公司生產(chǎn)的OP290/2100全自動大蔥移栽機為代表。KN-P6大蔥移栽機自帶動力行走，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、栽植深度可調(diào)，可借助橫向輸送帶將人工送入的裸苗傳送到撓性圓盤式栽植器，通過撓性圓盤的轉(zhuǎn)送及覆土鎮(zhèn)壓輪的配合完成大蔥裸苗的單行移栽；但生產(chǎn)率為0.01～0.015hm2/h，不能滿足大蔥高效栽植的要求，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。OP290/2100 全自動大蔥移栽機適宜缽體蔥苗的栽植，采用推苗機構(gòu)及曲柄連桿機構(gòu)完成大蔥的自動推苗及放苗工序，借助金屬撓性圓盤式栽植器實現(xiàn)缽苗的柔性夾持，利用覆土鎮(zhèn)壓輪完成缽苗的扶正壓實，機具主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 KN-P6半自動大蔥移栽機

圖5 OP290/2100 全自動大蔥移栽機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

該機的栽植深度及蔥苗株距準確可調(diào)，一次完成2行或4行的缽苗移栽；推苗機構(gòu)可實現(xiàn)整排缽苗的推出，使得移栽效率達0.1hm2/h；但整機結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，價格昂貴(約40萬元)，需要改變傳統(tǒng)的大蔥苗床育苗的方法，難于在我國大面積應用和推廣[23-25]。

國內(nèi)旱田缽苗移栽機研究始于20世紀70年代后期，在借鑒國外先進機型的基礎(chǔ)上，研制了柔性圓盤式移栽機及回轉(zhuǎn)式缽苗移栽機構(gòu)，距離實現(xiàn)全自動化移栽還有較大的差距[26]。當前，針對大蔥移栽技術(shù)及裝備的研究較晚，整體技術(shù)及水平較差，還缺少成熟的移栽技術(shù)及機具?，F(xiàn)有的移栽裝備主要針對大蔥的裸苗移栽設(shè)計，且以人工送苗為主。中國農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的撓性圓盤式大蔥移栽機為半自動化機具，通過橫向及豎向帶輸送大蔥裸苗，借助撓性圓盤栽植機構(gòu)實現(xiàn)大蔥的小株距移栽，可實現(xiàn)株距為5～7cm，栽植深度為5～10cm，行距大于60cm的單行大蔥的移栽，如圖6所示。沈陽良雁農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的大蔥移栽機體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，采用人工送苗，實現(xiàn)了大蔥的低損夾持，栽植速度為100～160m/h，工作效率為0.01～0.015 hm2/h，且受人工送苗速度的影響較大，如圖7所示。

圖7 大蔥移栽機

山東農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的鏈夾式大蔥移栽機采用人工分苗，通過苗槽喂入機構(gòu)將蔥苗送到適當位置，借助夾苗機構(gòu)實現(xiàn)蔥苗的夾持及投苗。該機重點解決了大蔥的零速栽植問題，但受喂入及投苗方式的限制，移栽效率低、易傷苗，且仍需人工分苗，如圖8所示。針對大蔥裸苗人工分苗效率低的問題，山東農(nóng)業(yè)大學研制的大蔥裸根苗自動送苗裝置采用多個取苗機械手將裸苗抓取，并通過多軸滑臺模組完成蔥苗的輸送，裸苗抓取率可達90%以上；但受裸苗形狀影響易發(fā)生漏苗和連帶現(xiàn)象，僅處于試制階段，如圖9所示。其試制的大蔥移栽自動快速投苗裝置仍需人工預先將裸苗擺到帶柵格的苗箱中，且需要扶苗器，結(jié)構(gòu)及運動要求復雜[27-30]。

1.苗夾 2.投苗鏈條 3.喂苗鏈條 4.苗槽

1.機型 2.滑臺 3.取苗夾 4.苗箱

由此可見，大蔥傳統(tǒng)的裸苗栽植及國際上的缽體育苗種植技術(shù)，為我國大蔥的種植提供了兩種種植模式，適于不同的種植環(huán)境及種植品種。大蔥移栽機主要分為適于大蔥缽苗的全自動式栽植機和大蔥裸苗的半自動栽植機。全自動栽植機裝有供苗裝置，能自動分苗并經(jīng)栽植器栽入溝內(nèi)，覆土壓實；但結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，在我國推廣難度大。半自動栽植機是由人工或秧苗輸送機構(gòu)將蔥苗供給栽植器，通過栽植器抓取蔥苗后送入栽植溝內(nèi)，并隨即覆土壓實；但栽植速度低、人工勞動強度大，影響機具的研發(fā)及推廣。其中，栽植裝置及取苗送苗裝置是大蔥移栽的關(guān)鍵部件，決定著大蔥的種植效率及移栽質(zhì)量。

結(jié)合大蔥移栽株距小的特點，現(xiàn)有的鉗夾式、吊藍式栽植器結(jié)構(gòu)相對復雜，成本較高，作業(yè)速度慢(約30株/min)，無法滿足大蔥小株距栽植的要求；導苗管式移栽器不能保證蔥苗栽植的直力度，易受前進速度的影響，株距調(diào)整繁瑣；鏈夾式栽植器易傷苗、易漏栽，株距調(diào)節(jié)困難；只有撓盤式栽植器株距調(diào)整方便，傷苗輕，可以滿足蔥苗的株距移栽要求，但零速度栽植及直立度還需要進一步的提升和完善。同時，提升自動送苗技術(shù)及裝置是解決大蔥機械化移栽的關(guān)鍵問題，也是我國大蔥移栽裝備的重要發(fā)展方向。受大蔥裸苗外形不規(guī)則及蔥葉易纏繞的影響，實現(xiàn)裸苗自動分苗的難度較大，還沒有成熟的自動分苗機構(gòu)。國外主要針對大蔥缽苗采用推出式投苗裝置實現(xiàn)自動分苗，避免了常用的氣力式取苗機構(gòu)的間歇運動效率低的弊端，避開夾取式取苗機構(gòu)和對棍式取苗裝置的易損苗或缽體的缺陷。相比多桿取苗機構(gòu)，推出式投苗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、運動軌跡明了、制作成本低的特點，也是當前國外普遍使用的一種自動取苗方式；但在分苗質(zhì)量及機構(gòu)制作繁簡程度上還需進一步的完善和提高。

3 問題及建議

目前，我國對大蔥移栽技術(shù)及裝置的研究還主要處于模仿及借鑒的初級階段，核心技術(shù)及裝備遠遠落后于意、日等國外發(fā)達國家，許多關(guān)鍵技術(shù)及問題還亟待解決。主要表現(xiàn)為：大蔥種植要求高、區(qū)域性強、種植粗放，與移栽機具及配套機具脫節(jié)，使得大蔥種植的農(nóng)機農(nóng)藝融合不緊密；人工移栽及半自動機械化移栽勞動強度大，為大蔥種植的主要形式，在國內(nèi)市場占據(jù)較大份額，而全自動移栽機具還處于空白，整體機械化移栽水平及質(zhì)量有待提高；國家對大蔥種植投入研發(fā)經(jīng)費、精力及關(guān)注少，自主研發(fā)力量薄弱，沒有針對大蔥的規(guī)范化制度、生產(chǎn)標準及專業(yè)企業(yè)；大蔥移栽機自動化程度低、產(chǎn)品單一、生產(chǎn)效率低、適應性及可靠性差、生產(chǎn)成本高，種植的綜合效益不突出，難以滿足大蔥種植的不同需求。縱觀國外發(fā)達國家旱地移栽機具的發(fā)展歷程，結(jié)合我國大蔥種植區(qū)域性強、種植粗放、栽植質(zhì)量要求高的特點，提出了我國大蔥移栽機的研究重點及建議。

1)移栽機研發(fā)與種植農(nóng)藝、育苗技術(shù)相結(jié)合。育苗、栽植及農(nóng)藝是一個不可分割的系統(tǒng)工程。結(jié)合大蔥的物理特性、種植模式及農(nóng)藝特點，規(guī)范大蔥裸苗及缽苗種植方式、規(guī)格，設(shè)計和完善育苗技術(shù)及配套設(shè)備，并加快大蔥栽植方式與移栽機具的融合，實現(xiàn)育苗技術(shù)及移栽機具的協(xié)調(diào)配合。借鑒國外缽苗培育技術(shù)，采用農(nóng)藝及機械等相關(guān)專家的定期交流及協(xié)同研究，推進工廠化育苗技術(shù)發(fā)展及配套設(shè)備的完善，實現(xiàn)大蔥移栽機具與育苗設(shè)備的一體化及準確配合。

2)自主技術(shù)創(chuàng)新與引進吸收相結(jié)合。我國大蔥移栽處于人工喂苗的半自動化移栽階段，智能化及自動化水平低。在對國外現(xiàn)有技術(shù)和裝備消化吸收的基礎(chǔ)上，針對大蔥種植株距小、傳統(tǒng)裸苗移栽習慣及農(nóng)民購買力弱的條件，研制對環(huán)境適應性強的半自動化移栽機，逐步提高半自動化大蔥移栽機的人工喂苗速度、移栽的適應性和可靠性，將是今后大蔥種植機具研究的一個主要發(fā)展方向。同時，通過國際學術(shù)交流與合作，走出去引進來，趨利避害、發(fā)揮優(yōu)勢互補的作用，研究缽苗的全自動移栽技術(shù)及裝備。通過加強自動取苗技術(shù)及裝置的研究及機-電-液技術(shù)的融合，攻克缽苗移栽的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，為實現(xiàn)大蔥自動化、智能化移栽儲備技術(shù)。

3)專業(yè)研究與通用研究相結(jié)合。從實際需求出發(fā)，強化產(chǎn)學研的研發(fā)模式，避免重復及低水平移栽技術(shù)研究，培植專業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新團隊及專業(yè)生產(chǎn)制造企業(yè)，保證研究工作的延續(xù)性及嚴謹性。在借鑒國外研發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，制定符合我國國情的統(tǒng)一評價及技術(shù)標準，篩選及比較現(xiàn)有機具，規(guī)范共性技術(shù)及裝置，實現(xiàn)技術(shù)及裝置的通用化、模塊化、標準化的快速轉(zhuǎn)化，確保大蔥移栽機的可靠性、利用率及推廣性。

4)政府扶持與市場導向相結(jié)合。爭取大蔥移栽科研專項扶持，組織科研院所、大中院校及地方龍頭企業(yè)進行科技攻關(guān)及成果轉(zhuǎn)化，解決大蔥機械化移栽過程中的難點及瓶頸，提高大蔥種植的經(jīng)濟附加值及種植經(jīng)濟效益。加大大蔥移栽機具補貼力度，提高農(nóng)戶使用機械化移栽的熱情及企業(yè)參與研發(fā)及推廣的積極性。借助新型的農(nóng)村合作社等經(jīng)濟實體，采用訂單式種收管服務模式及社會化生產(chǎn)服務項目，補充政府扶持政策及資金投入的不足，發(fā)揮市場引導及經(jīng)濟協(xié)調(diào)作用，開拓適于市場需求的技術(shù)及機具。

4 結(jié)論

大蔥是山東廣泛種植的蔬菜，主要形成了以章丘裸苗栽植和安丘缽苗栽植的模式。其種植農(nóng)藝(行距、壟距、壟高等)相似，種植效益的逐漸突顯及耕整地裝備的發(fā)展，為大蔥移栽機械的規(guī)?；N植提供了可行性及基礎(chǔ)條件。由于大蔥小株距栽植、分苗效率低、栽植要求高等，給大蔥移栽技術(shù)及裝備提出了要求。我國大蔥移栽技術(shù)及裝備研究處于起步階段，智能化及自動化水平較低，主要為人工移栽及人工分苗的半自動化機械移栽。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)及勞動力的資源性短缺，針對大蔥的品種差異、種植銷售用途，進行針對性的技術(shù)革新及儲備具有重要的意義。因此，研究自動送苗技術(shù)、零速栽植技術(shù)等，實現(xiàn)大蔥育種栽培農(nóng)藝及農(nóng)機具的融合，提升半自動化機械移栽效率及性能，探索全自動化移栽關(guān)鍵機構(gòu)及技術(shù)，已成為我國大蔥移栽種植的主要發(fā)展方向。