機(jī)械化膜上種植技術(shù)發(fā)展概況

王亨泰，孫偉，張華，劉小龍，李輝，柳開元

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)有覆膜栽培按作業(yè)工序分為2 種：（1）先播種后覆膜，并在種行上覆蓋一層土壤，利用發(fā)芽時芽不見光子葉就不散開的特性，依靠膜上的土壤重力和幼芽自然向上作用使幼苗自動破膜，自然出苗。該方式的優(yōu)點是解決了人工放苗問題，缺點是膜面覆土后減弱了地膜的增溫效果，種行覆土板結(jié)會造成缺苗。目前，該模式已實現(xiàn)機(jī)械化種植。（2）先覆膜后破膜播種，該模式可以提前在上年秋季或當(dāng)年頂凌起壟覆膜，具有蓄秋墑、抗春旱、提地溫等優(yōu)點，能有效解決春旱嚴(yán)重而影響播種的問題。缺點是無成熟膜上打穴種植機(jī)具，需要人工打穴播種并封堵地膜破洞，若穴口封堵不嚴(yán)，會加劇土壤水分散失、引起春季大風(fēng)揭膜。為避免秋冬早春休閑期土壤水分的無效蒸發(fā)，以達(dá)到“秋雨春用，春旱秋抗”的目的，第2 種模式與甘肅省特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)馬鈴薯的覆膜栽培農(nóng)藝要求相適應(yīng)。目前，該模式采用機(jī)械化起壟覆膜、人工使用穴播槍播種的半機(jī)械化作業(yè)模式。

隨著農(nóng)民對勞作條件的要求逐步增高，以及通過擴(kuò)大規(guī)模和提高播種質(zhì)量來獲得更好經(jīng)濟(jì)效益的需求越來越迫切，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化膜上打穴作業(yè)的裝備已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要迫切解決的問題。本文從分析機(jī)械化膜上種植技術(shù)入手，對機(jī)械化膜上種植技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并指出相應(yīng)技術(shù)在現(xiàn)階段存在的問題以及提出未來發(fā)展的方向，以期為機(jī)械化膜上種植技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 膜上打穴播種技術(shù)

1.1 國外膜上穴播技術(shù)研究

20 世紀(jì)50 年代末期，國外開始采用覆膜栽培的方式，并發(fā)現(xiàn)覆膜對農(nóng)作物增產(chǎn)和早熟有著明顯效果。1961 年，美國學(xué)者Hunt 研發(fā)了一種滾筒式蔬菜精密膜上打穴播種機(jī)。該打穴播種機(jī)是由排種器、持種盤和柱塞式成穴器等組成。播種的深度和株距可通過改變成穴柱塞的結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)目調(diào)節(jié)，可播種南瓜、黃瓜和西瓜等種子。1967 年，Cary[1]針對蔬菜種子出苗困難，在Hunt 研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)了原有的打穴播種工藝，運用銷釘在土壤上形成深度為60 mm 的穴孔，從而提高了出苗率。另外，Jafari 等[2]設(shè)計了一種直徑51 cm 帶有圓錐成穴器的穴播輪，實現(xiàn)了甜菜的精密打穴播種?！癑afari 播種器”是典型的異步穴播器，成穴器結(jié)構(gòu)簡單是其最大的特點之一，但地面不平或在工作過程中播種器產(chǎn)生振動都會影響投種的準(zhǔn)確性，此外土壤的水分含量也極大地影響播種的質(zhì)量，水分過高會導(dǎo)致成穴器無法正常工作，水分過低會造成穴孔坍塌。

滾輪式膜上打穴方式形成的穴孔間距一致，但在打穴過程中成穴器并不是豎直狀態(tài)，造成成穴器入土、出土?xí)r會撕裂地膜，此外膜孔切割不徹底也會導(dǎo)致地膜撕裂[3]。針對滾輪式膜上打穴方式的不足，Heinemann 等[4]研發(fā)了氣力打穴播種機(jī)（Pneumatic Punch Machine），這種播種機(jī)由氣動柱塞式成穴器和排種器組成。播種時，成穴器柱塞由氣力驅(qū)動在土壤上打出穴孔，后面的排種器將種子投入到穴孔中，而穴孔的間距則由改變氣動閥開閉的頻率來調(diào)節(jié)；Wijewardene 研制出一種轉(zhuǎn)動注射式的打穴播種機(jī)，這是一種適用于覆膜地面或免耕條件下谷物種植的小型播種機(jī)，其動力的來源一般為人力驅(qū)動或畜力牽引，并有著結(jié)構(gòu)緊湊、簡單的特點，適合機(jī)械化發(fā)展水平不高的地區(qū)進(jìn)行半機(jī)械化播種作業(yè)；Herzoni 等[5]開發(fā)了一種使用動力輸出驅(qū)動的壓縮機(jī)和雙作用氣缸的氣動打穴方法，氣缸被一個凸輪操作開關(guān)控制。這種設(shè)計研發(fā)出的管式播種機(jī)與上文列舉的播種機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作原理上都有著明顯的差異，其特點是能夠通過改變偏心輪和排種器的轉(zhuǎn)速大范圍調(diào)節(jié)行內(nèi)種距，但成穴質(zhì)量受土壤質(zhì)量和播種機(jī)前進(jìn)速度的影響很大；Lawrence 等[6]也設(shè)計了一種氣動膜上打穴裝置。打穴機(jī)構(gòu)由氣缸驅(qū)動，車載電控裝置可調(diào)整孔的數(shù)量和間距。該類播種機(jī)的優(yōu)點是播種時株距可調(diào)，但缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，播種時參數(shù)的調(diào)整較困難。

1.2 國內(nèi)膜上穴播技術(shù)研究

作為旱作農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)手段，在過去的40年里，地膜覆蓋栽培技術(shù)得到了廣泛的普及和應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)械化膜上播種技術(shù)的發(fā)展。我國的不少學(xué)者都對這一領(lǐng)域進(jìn)行了一定的研究，并取得了一定的進(jìn)展。

1988 年，汪遵元等[7]開發(fā)出了滾輪式膜上打孔精量播種機(jī)，該機(jī)采用內(nèi)側(cè)充種排種器與鴨嘴式打孔開穴器工作原理，更換排種盤可播花生、玉米、大豆、棉花等作物；1989 年，馬旭等[8]對滾輪式膜上播種機(jī)成穴器進(jìn)行了理論分析和試驗研究，確定了成穴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。夏俊芳[9]、王金萍[10]、王吉奎[11]等針對不同地域、作物對滾輪式膜上打孔播種機(jī)作業(yè)機(jī)理進(jìn)行了解析、核心部件進(jìn)行了優(yōu)化。1997 年，甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站和甘肅省農(nóng)科院成功研制了2FBX-A 型小麥覆膜穴播機(jī)[12]，在西北地區(qū)有較大的推廣應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但受限于鴨嘴式成穴器的結(jié)構(gòu)和開啟方式，只有在土壤非常理想的情況下才能保證播種質(zhì)量。此外由于鴨嘴的開口較小，膜上播種時撕膜現(xiàn)象嚴(yán)重，且只適用于播種小粒作物。

為解決針對滾筒鴨嘴式穴播機(jī)存在的挑膜、撕膜、穴孔錯位等問題，陳曉光等[13]提出并研究了直插式播種機(jī)基本工作原理與總體結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出了可實現(xiàn)入土、出土直插運動的成穴器及其輔助工作部件；于建群[14]等開發(fā)了直插式玉米精密播種機(jī)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論研究；魏宏安[15]、劉軍干等[16]設(shè)計了垂直插入式小麥覆膜穴播機(jī)，運用平行四桿機(jī)構(gòu)原理，實現(xiàn)了成穴器的直立接種、垂直入土和出土，成穴器軌跡非常接近理想直插運動曲線。直插式穴播機(jī)的優(yōu)點是成穴器入土后在機(jī)組前進(jìn)方向上無顯著位移，穴粒數(shù)合格率高，孔穴錯位率低等，是一種較為理想的覆膜穴播機(jī)具。趙武云[17]、戴飛[18]、石林榕等[19]針對玉米全膜覆蓋雙壟溝栽培技術(shù)，采用不同方式的水平速度補(bǔ)償方法，研制出了基于不同近等速機(jī)構(gòu)的玉米直插式膜上播種機(jī)。這種機(jī)具的作業(yè)原理是，發(fā)動機(jī)動力通過鏈傳動傳遞至行走輪上，行走輪再將動力傳輸至凸輪軸，然后將動力輸出至曲柄軸帶動曲柄轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了盤形凸輪與曲柄的同步轉(zhuǎn)動。而經(jīng)過一對錐齒輪的傳動，曲柄軸將動力傳遞至排種器所連接的傳動軸上，帶動排種裝置工作。該機(jī)播種作業(yè)后的穴孔錯位率和地膜機(jī)械破損程度均符合一定的質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求。

式中:y是模擬的微流控芯片信號,noise是高斯白噪聲信號,α是比例系數(shù)。將模擬的微流控芯片信號與一定比例的高斯白噪聲信號疊加,模擬實際采集到的微流控芯片信號。模擬的信號波形如圖1所示。

此外，劉彩玲等[20]針對我國傳統(tǒng)花生覆膜穴播機(jī)對土壤擾動大、不利于土壤保墑的問題，設(shè)計了一種適合小型花生膜上穴播機(jī)的回轉(zhuǎn)式成穴機(jī)構(gòu)。相對于滾輪式膜上打孔播種機(jī)，直插式、回轉(zhuǎn)式等仍在樣機(jī)改進(jìn)階段，未能形成產(chǎn)品。上述膜上打穴播種裝置以及與之配套的排種系統(tǒng)適應(yīng)玉米、大豆、棉花等小顆粒淺播作物機(jī)械化種植，但馬鈴薯種薯（塊）體積大而不規(guī)則，種植深度較大，在打穴過程中需要較長的垂直位移和較小的水平位移。相對膜上打穴播種機(jī)，膜上移栽機(jī)作業(yè)方法更貼近西北旱區(qū)馬鈴薯膜上打穴種植農(nóng)藝要求。

2 膜上打穴移栽技術(shù)

2.1 國外膜上移栽研究

早在20 世紀(jì)30 年代，國外就研制出了育苗栽植機(jī)，并不斷對取苗送苗機(jī)構(gòu)和栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[21]。由于育苗技術(shù)的發(fā)展，先后研制出紙缽和營養(yǎng)缽育苗，從而推動了缽苗栽植機(jī)的研制工作。1972 年法國將缽苗栽植機(jī)推廣到溫室，德國也推廣了缽苗移栽機(jī)，日本的缽苗移栽機(jī)類型很多，大多為小型半自動移栽機(jī)。在眾多栽植類型中，只有吊籃式、鴨嘴式和水輪式移栽機(jī)能實現(xiàn)膜上移栽[22]。1987 年，Munilla 等[23]設(shè)計了一種凸輪控制的高速打穴移栽機(jī)。該機(jī)將成穴器連接在從液壓驅(qū)動凸輪伸出的臂上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時，成穴器在土壤中形成了一個洞，并將幼苗投放下來。穴孔的間距不僅取決于凸輪的轉(zhuǎn)速，而且還取決于拖拉機(jī)的前進(jìn)速度；Kenco 公司設(shè)計了一種半自動沖孔移栽機(jī)，可實現(xiàn)膜上打穴移栽和單株定量注水。隨后，該公司還生產(chǎn)了一種帶有點火機(jī)構(gòu)的移栽機(jī)，該機(jī)使用火焰在地膜上燒開膜孔，然后再通過膜孔打穴[24]；Duke 等[25]開發(fā)了一種機(jī)電一體化移栽機(jī)，通過PLC、傳感器和精密氣動裝置相結(jié)合，提高了移栽機(jī)適應(yīng)性，可以形成一定深度的垂直孔。鴨嘴式移栽機(jī)可以實現(xiàn)膜上移栽，對種苗有一定的扶持力，保證一定的直立度，而且沒有開溝器，減少了動力損耗。日本洋馬、井關(guān)等公司研制的鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)能滿足壟上移栽和膜上打穴移栽要求，但總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且整機(jī)價格成本很高，在我國推廣應(yīng)用較困難。

2.2 國內(nèi)膜上移栽研究

我國從20 世紀(jì)70 年代就開始研制蔬菜缽苗移栽機(jī)，也研制出一些膜上移栽機(jī)，可進(jìn)行膜上移栽或覆膜移栽一體作業(yè)，如中農(nóng)機(jī)研制的2ZY 系列蔬菜移栽機(jī)、山東天鶴棉業(yè)機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的2ZS-P6 移栽機(jī)、重慶北卡農(nóng)業(yè)科技有限公司研制的2ZB-2 型半自動移栽機(jī)。國內(nèi)學(xué)者對膜上移栽作業(yè)機(jī)理進(jìn)行了大量研究并開發(fā)出不同類型的樣機(jī)。金鑫等[26]針對吊籃式缽苗移栽機(jī)膜上移栽易撕膜的問題，設(shè)計了一種鴨嘴式缽苗移栽機(jī)，建立了栽植機(jī)構(gòu)的運動數(shù)學(xué)模型，并以此為依據(jù)在ADAMS 中對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模；劉洋[27]等針對新疆番茄、線辣椒鋪膜加滴灌種植模式的要求，研制了一種膜上移栽機(jī)，該機(jī)一次作業(yè)可完成輔助喂苗、栽植器破膜成穴移栽和膜面覆土等工序；張偉欣等[22]設(shè)計出了玉米紙筒缽苗膜上移栽機(jī)，通過理論和試驗研究，確定滿足零速投苗和最小撕膜口條件，優(yōu)化了送苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)；劉嬌娣等[28]研發(fā)了一種膜上蔬菜裸根苗移栽機(jī)，該機(jī)采用行星式五桿打穴機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)零速投種，并在窄直徑孔中獲得高垂直度合格率；楊文彪等[29]開發(fā)了煙苗膜上栽植機(jī)構(gòu)，并對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動特性分析，優(yōu)化了作業(yè)參數(shù)。膜上打穴移栽機(jī)的主要目的之一是將種苗垂直放置在適當(dāng)深度的穴孔中，該深度通常為5～8 cm。但根據(jù)旱作農(nóng)藝要求，馬鈴薯種植深度至少為12 cm[30]。同時，要求打穴播種后膜孔要盡量小，還需用土壤封堵穴孔。為此，已有的機(jī)械化種苗移栽技術(shù)不能完全適應(yīng)西北寒旱區(qū)馬鈴薯覆膜栽培農(nóng)藝要求。

3 存在問題

目前，膜上種植機(jī)械化程度還比較低，已開發(fā)并投入生產(chǎn)中的機(jī)械不能完全達(dá)到機(jī)械化膜上播種質(zhì)量的農(nóng)藝要求，對于機(jī)械化膜上打穴播種技術(shù)中產(chǎn)生的問題主要存在于以下幾點：

（1）相關(guān)機(jī)械不成熟

國內(nèi)目前針對穴播系統(tǒng)集成與聯(lián)合作業(yè)技術(shù)的研究仍處于起步階段[31]，能夠一次性完成整地、開溝覆膜、打孔穴播、穴孔覆土的機(jī)型還未能實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，也沒有成熟的機(jī)械設(shè)備供農(nóng)民選擇。國外研發(fā)的機(jī)械大都成本高，操作復(fù)雜，不便于機(jī)械在農(nóng)業(yè)上的大面積推廣。

（2）相關(guān)機(jī)械適應(yīng)性和通用性較差

目前的膜上打穴播種裝置以及與之配套的排種系統(tǒng)僅適應(yīng)玉米、大豆、棉花等小顆粒淺播作物機(jī)械化種植，但馬鈴薯種薯（塊）體積大而不規(guī)則，種植深度較大，在打穴過程中需要較長的垂直位移和較小的水平位移，現(xiàn)有機(jī)械的打穴深度不達(dá)標(biāo)，播種的均勻度和整齊度都不能滿足要求。此外，由于我國幅員遼闊，各地的地域存在明顯差異，不同地區(qū)的土壤環(huán)境也各不相同，地理與氣候條件更是復(fù)雜多樣，現(xiàn)有的研究結(jié)論多圍繞成型孔穴是否合格，對穴孔成型過程中土壤顆粒的運動規(guī)律及孔穴的成型機(jī)理進(jìn)行的研究很少，這也導(dǎo)致了相同機(jī)具在不同土壤環(huán)境下的成穴效果差異性較大。導(dǎo)致機(jī)具的適應(yīng)性和通用性較差[32]。

（3）不能達(dá)到覆膜播種質(zhì)量的農(nóng)藝要求

現(xiàn)有的打穴機(jī)構(gòu)在破膜階段，由于機(jī)械或人為向成穴器部位施力的不足，極易造成破膜面積的不均勻、不規(guī)則，從而導(dǎo)致水分和熱量的散失，大大降低了地膜的增溫、保墑作用。

而對于膜上打穴移栽技術(shù)也存有一定的問題，主要是：

（1）育苗技術(shù)和移栽機(jī)不配套。缺乏育苗技術(shù)和移栽機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，不能做到二者協(xié)調(diào)發(fā)展。尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)約束苗盤尺寸和缽苗形狀，給行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、自動化的設(shè)計都帶來了不小的困難[33]。

（2）移栽機(jī)自動化程度不高，相關(guān)研究不夠深入。我國目前仍以半自動移栽機(jī)械為主要的開發(fā)對象，相關(guān)研究也多集中在栽植機(jī)構(gòu)的研究上，大部分機(jī)構(gòu)都還是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計研究，不能很好地運用機(jī)電一體化的創(chuàng)新思想設(shè)計機(jī)械，重復(fù)研究較多，國內(nèi)自動取苗、投苗、扶苗等全自動移栽機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計較少，仍未取得突破性的進(jìn)展，與國外水平還存在較大的差距?，F(xiàn)在的移栽機(jī)械設(shè)備普遍存在功能單一，通用性差和機(jī)具性能不穩(wěn)定的問題。

（3）未形成健全的評價體系。評價體系的不完善導(dǎo)致在設(shè)計時不能很好地配套相應(yīng)農(nóng)藝技術(shù)，設(shè)計完成后也沒有科學(xué)的方式來優(yōu)化提升機(jī)器的性能。雖然也有部分學(xué)者提出過一些移栽機(jī)的性能評價和檢測方法，但還沒有出現(xiàn)具有約束力的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在建立科學(xué)的移栽機(jī)評價體系這一問題上仍待我們進(jìn)一步完成。

4 建議與展望

國外發(fā)達(dá)國家針對打孔穴播的研究比國內(nèi)起步早，但直到現(xiàn)在還未能出現(xiàn)任何一種形式的穴播機(jī)能在全球范圍內(nèi)得到普遍使用，隨著覆膜播種的普及，又有一部分學(xué)者開始了穴播機(jī)的研制。但到目前為止，大部分的研究也僅僅是圍繞滾輪鴨嘴式打孔播種裝置。直插式和回轉(zhuǎn)式方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。國內(nèi)外針對機(jī)械化膜上播種的研究都主要集中在蔬菜（如甜瓜、南瓜、西瓜）和谷物（小麥、玉米）等小粒種子的方面，而例如馬鈴薯等塊莖類種子的穴播還鮮有涉及。

就應(yīng)用前景而言，設(shè)計一款適應(yīng)性良好、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、價格低、自動化程度高的膜上播種機(jī)或膜上移栽機(jī)是今后研究的主要方向，對機(jī)械化膜上種植技術(shù)的建議和展望主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）充分地將農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝進(jìn)行融合，將移栽機(jī)械的研究開發(fā)與育苗技術(shù)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步完善與推廣相關(guān)的育苗設(shè)施及配套技術(shù)。

（2）簡化和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，降低成本?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)村地區(qū)的購買力仍然不足，雖有國家政策的大力扶持，但機(jī)具成本依舊是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。

（3）轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，向自動化、智能化方向發(fā)展。首先要保證農(nóng)藝技術(shù)創(chuàng)新，其次要保證整機(jī)裝備創(chuàng)新，最重要的是在設(shè)計過程中對關(guān)鍵部件和機(jī)構(gòu)要有創(chuàng)新。對研制機(jī)具而言，要更加注重于機(jī)械與電子控制的有機(jī)結(jié)合，著重解決播種各環(huán)節(jié)內(nèi)的自動化問題，逐步開發(fā)出更多種類，具有良好通用性的全自動機(jī)械。

（4）國家政策上逐步制定完善的發(fā)展政策和法規(guī)，加大財政補(bǔ)貼力度，引導(dǎo)農(nóng)民能買得起，用得好。充分借鑒發(fā)達(dá)國家技術(shù)，走符合中國特色的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展道路[34]。