作物移栽機(jī)械栽植機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

李林林，鄧干然，林衛(wèi)國，崔振德，何馮光，李國杰

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 引言

我國作物移栽技術(shù)分為傳統(tǒng)人工移栽和機(jī)械化移栽2 種，傳統(tǒng)人工移栽由于勞動強(qiáng)度大、規(guī)范性差、作業(yè)效率低等原因已不能滿足我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[1]，機(jī)械化移栽是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然要求。機(jī)械化移栽相比于人工移栽，作物產(chǎn)量提高，栽植勞動量減少，生產(chǎn)成本可節(jié)約50%以上[2]，采用機(jī)械化移栽可以滿足快速完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的需要，顯著提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、降低勞動強(qiáng)度[3]。

栽植機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定移栽機(jī)作業(yè)時種苗直立度、破膜范圍、栽植質(zhì)量是否滿足作物的種植農(nóng)藝、適應(yīng)高速栽植作業(yè)等要求[4]。為了探索作物機(jī)械化移栽，我國相關(guān)單位根據(jù)不同作物的移栽農(nóng)藝特性研制了多種形式的栽植機(jī)構(gòu)和移栽機(jī)，降低了作物移栽的勞動強(qiáng)度、規(guī)范了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，顯著提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5-7]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外針對不同作物種植農(nóng)藝要求研發(fā)了多種移栽機(jī)械，根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為鏈夾式移栽機(jī)、鉗夾式移栽機(jī)、撓性圓盤式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)、吊籃式移栽機(jī)等[8]，不同類型的栽植機(jī)構(gòu)工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用農(nóng)作物、作業(yè)環(huán)境等都有所不同[9]，分述如下。

1.1 圓盤鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)

圓盤鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)由鉗夾、開溝器、轉(zhuǎn)軸、擋板組成，如圖1 所示。圓盤鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)主要用于蔬菜等裸苗移栽，其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本較低、售后維修便捷[10]，但移栽頻率較低，一般約30～45 株/min，高速作業(yè)的情況下，易出現(xiàn)漏苗、缺苗等影響栽植質(zhì)量的問題。鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)時由人工取苗放在苗夾上，苗夾隨著苗盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)苗溝時，苗夾張開，種苗下落到苗溝位置，覆土輪進(jìn)行覆土，完成栽植過程[11]。

圖1 圓盤鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)原理

新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所研制了2ZT-2 型鉗夾式移栽機(jī)[12]，其結(jié)構(gòu)較為簡單，制造成本較低，但喂苗時間與栽植器入土?xí)r間較難控制、株距調(diào)節(jié)困難、傷苗率較高。試驗(yàn)結(jié)果表明，其栽植速度約為40 株/min。

意大利Chechen&Magli 公司針對缽苗移栽的需要[14]，設(shè)計(jì)研發(fā)了3 行鉗夾式移栽機(jī)，主要組成部分包括鉗夾式栽植系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、機(jī)架、傳動仿形輪、覆土鎮(zhèn)壓輪、開溝器等。試驗(yàn)結(jié)果表明，移栽機(jī)栽植作業(yè)穩(wěn)定，種苗直立率達(dá)到了95% 左右，種植效率顯著提高，滿足缽苗移栽的現(xiàn)代化種植要求。

1.2 鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)

鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)由栽植鉗夾、栽植軌道、鏈輪傳動等部分組成，如圖2 所示。目前鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用對象為菠蘿、紅薯等作物移栽[15]，其作業(yè)時栽植株距準(zhǔn)確、種苗栽植后的直立度較好，并且鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)可以較好的把握放苗時機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)零速投苗的工作狀態(tài)，其作業(yè)時由人工取苗放置在鉗夾上，隨著鏈輪傳動系統(tǒng)，通過下滑擋板夾緊種苗，當(dāng)苗夾脫離下滑道后，苗夾打開，運(yùn)動到開溝器開好的苗溝中，由覆土鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土，完成整個栽植作業(yè)[16]。

圖2 鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)原理

南通富來威公司基于油菜的種植農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一種2ZQ 型鏈夾式油菜移栽機(jī)[17]，移栽機(jī)構(gòu)帶著秧苗通過滑道被夾緊，至最低點(diǎn)張開苗夾，送入苗溝，完成栽植作業(yè)，其移栽深度、株距較為穩(wěn)定，制造成本較低，作業(yè)速度可達(dá)30～40 株/min，但是直立度較低、傷苗率較高。

王義鵬等[18]針對新疆復(fù)雜的地理氣候環(huán)境，研究了一種新型錯列鏈夾式移栽機(jī)，主要應(yīng)用于缽苗的栽植作業(yè)。試驗(yàn)研究表明，其平均栽植深度約為34.5 mm，平均栽植株距約為289 mm，栽植合格率約為87.17%，達(dá)到了鏈夾式移栽機(jī)的種植要求。

日本井關(guān)公司研究了一種PVHR2-E18 型移栽機(jī)[19]，可應(yīng)用于各種種植農(nóng)作物的移栽作業(yè)，其株距調(diào)節(jié)范圍在300～600 mm 之間，行距在300～400、400～500 mm 范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，該移栽機(jī)械可同時作業(yè)2 行，移栽效率約60 株/min。

1.3 撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)

撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)由2 片可以變形的撓性圓盤構(gòu)成，撓性圓盤移栽機(jī)的主要組成部件為開溝器、覆土輪、懸掛機(jī)構(gòu)、苗架、送苗系統(tǒng)等，如圖3 所示。撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)制造成本較低、易操作[20]，但撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)通用性較低、栽植直立度不高，易出現(xiàn)倒伏等現(xiàn)象。目前主要應(yīng)用于長莖作物裸苗移栽作業(yè)，其作業(yè)原理是由人工喂苗到栽植器中，圓盤帶著栽植器轉(zhuǎn)動到垂直狀態(tài)，種苗落入苗溝中，再進(jìn)行覆土，完成栽植作業(yè)。

圖3 撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)原理

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)了一種撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用于玉米紙筒移栽作業(yè)，該機(jī)構(gòu)夾持幼苗不受特定機(jī)構(gòu)的限制，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，株距適應(yīng)性好，但較難保證株距和移栽深度，會出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象[22]。

服務(wù)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新與創(chuàng)意、活動質(zhì)量提升、不斷跟蹤讀者需求變化是保持獨(dú)特的主要方法。這種獨(dú)特性同樣是品牌維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制了一種2ZT-2 型半自動撓性圓盤式移栽機(jī)[23]，其主要應(yīng)用于甜菜的移栽作業(yè)，夾持送苗裝置通過改變撓性圓盤和剛性圓盤之間的距離完成作業(yè)，其傷苗率低、適應(yīng)性強(qiáng)、直立度較高，但易磨損，使用壽命較短。

日本久保田基于大蔥的農(nóng)藝種植要求設(shè)計(jì)了一種KN-P6 撓性圓盤式大蔥移栽機(jī)[24]，其栽植器為雙橡膠撓性圓盤，整體結(jié)構(gòu)較小，作業(yè)時由人工放置秧苗，秧苗隨著輸送帶運(yùn)動到張開的撓性圓盤中，隨后落入苗溝中覆土，完成移栽作業(yè)。勞動強(qiáng)度較低、操作簡單，但使用壽命較短、生產(chǎn)效率較低。

1.4 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)

導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)由導(dǎo)苗管、投苗杯、轉(zhuǎn)盤等組成，如圖4 所示。導(dǎo)苗管移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)時的穴行距和栽植深度均勻一致，在高速作業(yè)中可保持良好的直立度，移栽頻率可達(dá)到60 株/min 左右[25]，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易于操作人員的培訓(xùn)、使用，造價較高，導(dǎo)致農(nóng)戶的購買意愿較低。目前，主要用于栽植裸根秧苗與帶基質(zhì)缽苗[26]，作業(yè)時由人工或者機(jī)械將秧苗放至投苗杯內(nèi)，當(dāng)投苗杯隨著傳動系統(tǒng)運(yùn)動到導(dǎo)苗管喂入口時，投苗機(jī)張開，秧苗落入苗溝中，隨后進(jìn)行覆土，完成栽植作業(yè)[27]。

圖4 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)原理

張凱旋等[28]基于甘蔗的種植農(nóng)藝研制了一種蔗苗半自動移栽機(jī)構(gòu)，由導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)、擋苗機(jī)構(gòu)、推苗機(jī)構(gòu)等組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，蔗苗移栽機(jī)的漏苗率低于5%、直立度高于80%、株距變異系數(shù)小于25%、栽植合格率大于80%，顯著降低了傷苗率、提高了種植質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本。

燕亞民等[29]研究了一種導(dǎo)苗管式煙草移栽機(jī)，應(yīng)用于煙草的實(shí)時移栽，其移栽作業(yè)的株距范圍為500～650 mm、移栽深度約為80～120 mm、灌水量約為300～500 mm，提高了煙草的移栽質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了煙草規(guī)?；臋C(jī)械移栽。

澳大利亞Williames 公司[29]研制了一種膜下全自動導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用于缽苗的移栽作業(yè)，其采用了頂出式的取苗方法，顯著提高了作業(yè)移栽效率，一般可達(dá)到單行約117 株/min，但易破壞缽苗的缽體和根系。

1.5 吊籃式移栽機(jī)構(gòu)

吊籃式移栽機(jī)構(gòu)由單鉸鏈吊籃和四桿機(jī)構(gòu)組成，如圖5 所示。吊籃在移栽機(jī)作業(yè)時既是接納秧苗的容器也是膜上打孔成穴的栽植器，吊籃式移栽機(jī)由偏心圓環(huán)、吊杯、導(dǎo)軌、開溝器、覆土輪等部件構(gòu)成，吊籃式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)時可避免秧苗遭受沖擊，直立度較好，但喂苗速度受人工影響較大，導(dǎo)致移栽速率較低[30]，目前，吊籃式移栽機(jī)主要應(yīng)用于大缽苗移栽，其作業(yè)流程為人工放苗至吊籃內(nèi)，吊籃隨偏心圓盤轉(zhuǎn)到最低位置時，固定滑道使栽植器下部打開，缽苗落入溝中覆土，完成栽植作業(yè)[31]。

圖5 吊籃式移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)原理

李猛等[32]針對新疆的氣候條件和栽植工藝，以缽苗的高度、壓縮特性、拉伸特性、跌落特性等物理力學(xué)特性為依據(jù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了適用于缽苗膜上栽培的吊籃式移栽機(jī)構(gòu)，可在霜凍等惡劣的環(huán)境下，提高幼苗成活率、降低生產(chǎn)成本，顯著增加農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。

杜晟等[33]針對新疆地區(qū)農(nóng)作物所需的鋪膜滴灌保墑方式，設(shè)計(jì)了一種新型平行四桿式吊籃移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了最小破膜條件下的栽植作業(yè)，其異步栽植時栽植機(jī)構(gòu)的入土器運(yùn)功特性接近于無外力作用的理想條件下的運(yùn)動學(xué)特性，顯著提高了種苗移栽的成活率。

澳大利亞研究了HD144 吊籃式自動移栽機(jī)[34]，應(yīng)用于穴盤苗的移栽作業(yè)，其采用滑針式機(jī)構(gòu)取苗，一次可取約5 株苗，隨后輸送至吊籃進(jìn)行栽植作業(yè)，該機(jī)作業(yè)效率較高，一次可移栽4～8 行，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，制造成本過高。

2 存在的問題

2.1 使用成本較高

我國移栽機(jī)構(gòu)大多設(shè)計(jì)復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低、作業(yè)需要大量人工輔助，導(dǎo)致制造成本、人工作業(yè)成本、售后維修成本居高不下，農(nóng)戶選用移栽機(jī)作業(yè)相對于純?nèi)斯ひ圃詿o法形成明顯的收益差距，其性價比較低，導(dǎo)致推廣困難，農(nóng)戶廣泛使用的積極性不高[35]。

2.2 自動化程度較低

國內(nèi)現(xiàn)階段移栽機(jī)械基本以純機(jī)械結(jié)構(gòu)和半自動化為主，作業(yè)需要大量人力，移栽機(jī)的作業(yè)效率一般只相當(dāng)于純?nèi)斯さ?～5 倍，遠(yuǎn)低于耕整、收獲等作業(yè)環(huán)節(jié)作業(yè)成本較高、作業(yè)效率較低、工作質(zhì)量不穩(wěn)定，無法實(shí)現(xiàn)高規(guī)范化、高精準(zhǔn)化作業(yè)[36]。

2.3 自主創(chuàng)新較少

我國大部分移栽機(jī)構(gòu)是模仿和改進(jìn)外國先進(jìn)的移栽機(jī)械，現(xiàn)階段移栽機(jī)構(gòu)的核心部件研究深度不足，沒有立足于我國的實(shí)際國情做出技術(shù)上的實(shí)質(zhì)性突破和改進(jìn)[37-38]，設(shè)計(jì)研發(fā)的移栽機(jī)械穩(wěn)定性較低、使用定位不明確、功能較為單一，無法滿足我國多樣性作物移栽的實(shí)際使用需求。

2.4 農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合不夠密切

通常一種農(nóng)作物有幾種不同的栽植方式，如紅薯有直立法、船形法、釣形法等，目前，市面上研發(fā)的每一種栽植機(jī)構(gòu)基本只適應(yīng)某個地區(qū)、某個農(nóng)作物、某一種種植方式，這種一對一的設(shè)計(jì)研發(fā)模式無法形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的栽植機(jī)構(gòu)[39]，導(dǎo)致移栽機(jī)構(gòu)的作業(yè)、流通存在較大的局限性，不利于移栽機(jī)構(gòu)的推廣和發(fā)展[40]。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多功能復(fù)式作業(yè)

目前，國內(nèi)移栽機(jī)構(gòu)大多只有送苗移栽功能，其功能性較為單一，無法進(jìn)行施肥、澆水、鋪膜等復(fù)合作業(yè)，不能滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械一機(jī)多用的發(fā)展趨勢，未來我國移栽機(jī)構(gòu)將集取苗、施肥、除草、鋪膜等多種功能于一體，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化機(jī)械作業(yè)，大幅度降低作業(yè)成本和作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度[41]。

3.2 全面自動化

國內(nèi)現(xiàn)存的移栽機(jī)大多以純機(jī)械機(jī)構(gòu)、半自動化為主，需要大量的人力協(xié)助作業(yè)，無法適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，不利于栽植機(jī)的高效作業(yè)，未來我國作物移栽機(jī)將結(jié)合電子信息、自動控制、定位與導(dǎo)航等現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)的全面自動化、智能化，根據(jù)不同地形特征、土壤條件、農(nóng)作物的種植要求等實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)整，滿足高精度、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)[42]。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)與制造

不同農(nóng)作物的移栽方式各不相同，其所對應(yīng)的移栽機(jī)構(gòu)特點(diǎn)也不相同，移栽機(jī)械基本由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)等部分組成，未來我國將采用模塊化設(shè)計(jì)原則，通用的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等模塊，搭配對應(yīng)農(nóng)作物的栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低成本移栽機(jī)制造，顯著提高農(nóng)作物栽植機(jī)械化進(jìn)程[43]。

3.4 農(nóng)藝農(nóng)機(jī)深度融合

我國與移栽相配套的育苗設(shè)施和整地機(jī)械等技術(shù)水平較為落后，國內(nèi)移栽作物的作業(yè)環(huán)境千差萬別，種植制度復(fù)雜多樣[44]，我國未來機(jī)械化移栽向農(nóng)藝農(nóng)機(jī)深度融合的方向發(fā)展，需要配套工廠化、規(guī)范化育苗，要根據(jù)農(nóng)作物的農(nóng)藝特性和作業(yè)時的復(fù)雜環(huán)境氣候等，培育出與移栽機(jī)高度匹配的種苗，使移栽機(jī)在符合種植農(nóng)藝的前提下，高效率、高質(zhì)量的完成栽植作業(yè)[45]。

4 結(jié)語

我國在種植機(jī)械移栽機(jī)構(gòu)研究方面起步晚、存在先天不足，基于現(xiàn)階段移栽機(jī)構(gòu)發(fā)展短板和我國實(shí)際國情，應(yīng)吸取國外先進(jìn)移栽機(jī)構(gòu)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研究適用于國內(nèi)多樣性作物種植、農(nóng)藝多樣化狀態(tài)下的栽植深度、直立度、傷苗率等符合要求的栽植機(jī)械。提高自主創(chuàng)新意識，將農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)化，把電子信息、自動控制、定位導(dǎo)航等技術(shù)與栽植機(jī)械深度融合，設(shè)計(jì)制造性價比高、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、自動化程度高的移栽機(jī)械，穩(wěn)步推進(jìn)我國作物移栽機(jī)械化進(jìn)程。