煙草種植移栽自動(dòng)化應(yīng)用分析

董曉清，高 飛

（云南省煙草公司保山市公司騰沖分公司，云南 保山 679100）

煙草生產(chǎn)是煙草業(yè)的支柱，隨著勞動(dòng)力成本上升，煙農(nóng)老齡化加速，煙葉生長(zhǎng)效率相對(duì)下降，我國(guó)即將面臨“誰(shuí)來(lái)種煙”的問(wèn)題。國(guó)家煙草行業(yè)權(quán)威部門(mén)全力推動(dòng)煙草生產(chǎn)從傳統(tǒng)種植向現(xiàn)代種植轉(zhuǎn)變，形成了“責(zé)任煙草”和“綠色煙草”的理念。分析機(jī)械化種植模型和基本結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，除了創(chuàng)新制度以外，還需要以自動(dòng)化機(jī)械技術(shù)作為突破口，解決現(xiàn)有問(wèn)題。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展和深入應(yīng)用，自動(dòng)化機(jī)械技術(shù)與煙草生產(chǎn)不斷融合發(fā)展，體現(xiàn)煙草種植的綠色循環(huán)、高產(chǎn)出、高經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)煙草種植的研究概述

在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，煙草移栽機(jī)最早出現(xiàn)在1980 年。在各高校和科研機(jī)構(gòu)的大力合作下，煙草移栽機(jī)為煙草種植業(yè)的發(fā)展提供了可靠保障。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，借助煙草移栽可以簡(jiǎn)化煙草種植的步驟，提高煙草移植的成活率。但由于實(shí)際應(yīng)用與設(shè)計(jì)工作的不匹配，農(nóng)民在煙草移植過(guò)程中受到多重因素的干擾，導(dǎo)致機(jī)械推廣進(jìn)度較慢[1]。近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，農(nóng)民經(jīng)濟(jì)條件越來(lái)越好，由于國(guó)家高度重視農(nóng)業(yè)機(jī)械化，煙葉種植迎來(lái)了新發(fā)展機(jī)會(huì)。借助先進(jìn)的機(jī)械化技術(shù)，使用不同類(lèi)型的機(jī)械移栽設(shè)備，提高了煙草種植的現(xiàn)代化水平。

20 世紀(jì)末，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化研究所研制成功2ZT-2 型煙草種植機(jī)。在其運(yùn)行過(guò)程中，可利用滾筒傳遞動(dòng)力進(jìn)行煙葉轉(zhuǎn)移工作，提高種植、轉(zhuǎn)移、改良的水平[2]。例如，在種植中，該機(jī)械設(shè)備的滾軸先向前移動(dòng)，用開(kāi)溝機(jī)打開(kāi)種植溝，然后用抓苗器或人工幫助將幼苗放置在轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)，水平輸送帶保證幼苗可以進(jìn)入垂直帶。隨后，用種植盤(pán)將煙苗壓緊，放在敞開(kāi)的種植溝中。在移栽過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了壓輪對(duì)覆土煙苗的壓實(shí)和整機(jī)自動(dòng)化操作。該機(jī)械設(shè)備結(jié)合實(shí)際情況，還擁有不同的種植移栽方法，幫助相關(guān)人員積累種植經(jīng)驗(yàn)。在2006 年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等院系合作研發(fā)2ZQ 移栽機(jī)，可實(shí)現(xiàn)煙葉移栽種植自動(dòng)化。與前一代自動(dòng)化移栽機(jī)有所不同，改良機(jī)型可自動(dòng)化完成挖土、澆水、栽植、施肥等。移栽煙草可提高成活率，優(yōu)化了煙草種植作業(yè)的效率，減輕了煙農(nóng)的工作量。2009 年重慶北卡羅來(lái)納農(nóng)業(yè)公司研制的半自動(dòng)移栽機(jī)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化了自動(dòng)補(bǔ)苗、扶苗流程[3]。

在種植的過(guò)程中，可將煙苗放在裝有軟質(zhì)傳送帶的傳送帶上，防止煙氣引入對(duì)秧苗的傷害，實(shí)現(xiàn)秧苗垂直種植，提高成活率、運(yùn)行速度。借助半自動(dòng)移苗，種植效率可達(dá)2 500 株/h 以上，落苗率控制在3%以下。在煙葉種植、移栽的過(guò)程中，不少農(nóng)戶(hù)為了提高自動(dòng)化水平，不斷改進(jìn)各種煙葉插秧設(shè)備，將實(shí)踐與理論相結(jié)合，為煙葉插秧機(jī)的研制引入新思路。先進(jìn)的設(shè)施設(shè)備優(yōu)化了作業(yè)流程，簡(jiǎn)化了種植模式。在設(shè)備工作時(shí)，不僅能調(diào)整除煙深度，還能自動(dòng)覆蓋土壤，減少塑料薄膜的損壞[4]。

2 AGV 小車(chē)在煙草行業(yè)的自動(dòng)化應(yīng)用

種植煙草可應(yīng)用“AGV 小車(chē)+機(jī)械臂”有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。例如，在種植過(guò)程中，煙草種植工作主要是使用一套精密控制的機(jī)械臂和另一套運(yùn)輸機(jī)器將煙草放入種植箱中。劃分好地塊后，將幼苗置于種植盒內(nèi)，放在葉苗培養(yǎng)架上。AGV 小車(chē)負(fù)責(zé)將種植架運(yùn)送至溫室種植區(qū)，待煙葉成熟后，AGV 小車(chē)將煙草種植箱運(yùn)回采摘區(qū)。在煙草加工的過(guò)程中，與AGV 小車(chē)一起，將采摘的煙草運(yùn)送到高溫烘烤車(chē)間進(jìn)行烘烤。燃燒煙葉后，去除多余雜物，送到脫粒干燥廠，脫粒干燥后分離包裝。在煙絲生產(chǎn)中，通過(guò)“AGV 小車(chē)+升降機(jī)”，煙葉通過(guò)流水線(xiàn)進(jìn)入制絲車(chē)間，分別存放煙葉和煙條。AGV 小車(chē)將物料輸送到提升機(jī)，倒入壓碎的煙草中并混合制成煙草添加劑。由于葉梗等各種添加劑的比例、溫度和濕度的差異會(huì)極大地影響卷煙的口感和風(fēng)味，因此AGV 小車(chē)必須在生產(chǎn)線(xiàn)和料倉(cāng)之間不斷地運(yùn)送物料，以區(qū)分這些差異。

在煙草包裝方面，AGV 小車(chē)將卷煙紙、煙盒運(yùn)送到卷煙車(chē)間，自動(dòng)流水線(xiàn)將卷好的卷煙卷成條。裝煙設(shè)備可應(yīng)用“機(jī)械臂+AGV 小車(chē)”，包裝好的香煙通過(guò)流水線(xiàn)輸送到裝煙機(jī)械臂。在AGV 小車(chē)及智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，AGV 小車(chē)將貨物運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)臺(tái)存放貨物，中央系統(tǒng)智能劃分存儲(chǔ)區(qū)域，收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，控制AGV 小車(chē)的周轉(zhuǎn)作業(yè)。

由此可以看出，目前煙草行業(yè)使用的AGV 小車(chē)主要集中應(yīng)用在煙草添加劑配送過(guò)程中，其余工作需要外圍機(jī)械臂或其他自動(dòng)化設(shè)備。隨著AGV 小車(chē)不斷完善，煙草行業(yè)的AGV 小車(chē)會(huì)做更多的工作，給煙草行業(yè)帶來(lái)更多的收益。

3 煙草移栽自動(dòng)化工作標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)備

3.1 煙草移栽自動(dòng)化工作標(biāo)準(zhǔn)

煙草移栽機(jī)可栽植煙草，該機(jī)配套35 馬力以上的拖拉機(jī)，具有定點(diǎn)定量精準(zhǔn)施肥、肥土均勻攪拌、秧苗栽植、定量定穴澆水等作業(yè)功能。煙草移栽機(jī)主要工作原理是應(yīng)用雙曲軸旋轉(zhuǎn)工作，通過(guò)曲軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鴨嘴運(yùn)動(dòng)，鴨嘴與拖拉機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)相復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了鴨嘴的垂直起落，保證了秧苗的垂直栽植。施肥、土肥攪拌、移栽裝置和澆水同步進(jìn)行，保證了施肥、攪拌、栽植、施水同穴同位。更換栽植傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪，株距可調(diào)。穴肥攪拌器，可使株穴內(nèi)肥土均勻、避免燒苗。秧苗投放采用橫向投苗裝置，保證有足夠時(shí)間投放秧苗，有效減少了移栽漏苗率，提高了移栽效率。施水裝置通過(guò)電器感應(yīng)元件有效實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)定量施水，極大提升了秧苗成活率。

煙草移栽自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下，結(jié)構(gòu)為懸掛式，外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=2520mm×1600mm×1 550 mm，機(jī)器質(zhì)量530 kg，配套動(dòng)力≥25.7 kW，前輪距850～1 110 mm、后輪距為930～1 250 mm，軸距為1 390～1 420 mm，輪胎型號(hào)前/后6～12 mm/中320橡膠輪。栽植機(jī)構(gòu)型式為鴨嘴吊杯式，工作行數(shù)1 行，作業(yè)速度0.9～1.5 km/h，株距500 mm，深度50～120 mm，作業(yè)人數(shù)（含拖拉機(jī)手）2 個(gè)。

3.2 煙草移栽自動(dòng)化工作設(shè)備

3.2.1 夾式播種機(jī)

夾式播種機(jī)主要由鏈條帶動(dòng)煙苗運(yùn)輸，將其置于苗槽內(nèi)，然后利用控制結(jié)構(gòu)打開(kāi)夾鉗，使煙苗落入苗槽內(nèi)，覆蓋地被。該自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，可有效控制相鄰煙苗的移栽距離和移栽深度。

3.2.2 柔性圓盤(pán)播種機(jī)

在軟盤(pán)播種機(jī)中，重要部分是軟盤(pán)育苗，主要是用兩個(gè)圓盤(pán)控制煙苗，然后做自動(dòng)移栽工作。這類(lèi)設(shè)備的生產(chǎn)成本低，但圓盤(pán)是塑料制成的，因此容易磨損，縮短其使用壽命。在后續(xù)要針對(duì)此改進(jìn)結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)圓盤(pán)使用壽命。此外，使用該設(shè)備時(shí)，應(yīng)解決幼苗徑流問(wèn)題。

3.2.3 種苗管狀播種機(jī)

使用導(dǎo)苗管時(shí)，必須將秧苗放在傳送帶上，運(yùn)到導(dǎo)苗管上。借助重力，煙苗可沿渠道放置在苗溝中。其優(yōu)點(diǎn)是可以合理調(diào)整煙苗的種植距離，降低種植落苗的概率，在小規(guī)?；虼笠?guī)模煙葉移栽過(guò)程中取得良好的效果。

4 煙草移栽自動(dòng)化應(yīng)用分析——以育苗系統(tǒng)為例

4.1 分析自動(dòng)化多區(qū)域育苗試驗(yàn)

4.1.1 植物生長(zhǎng)熒光燈應(yīng)用研究

在分析各種人造光源后，選擇光效高、光譜連續(xù)、價(jià)格合理、安裝維修方便的植物生長(zhǎng)熒光燈。燈管28W，功耗較高，體積小，安裝更換方便。研究了在育苗裝置中不同密度植物生長(zhǎng)熒光燈的放置情況后，得出結(jié)論，在全自動(dòng)三維育苗系統(tǒng)中，熒光燈之間的距離為8 cm，安裝39 盞。在每一層苗木中，既能滿(mǎn)足相關(guān)需求，又能滿(mǎn)足必要的照明；既能保證壯苗的種植，又能減少裝燈數(shù)量，節(jié)約能源，降低成本。

4.1.2 二氧化碳補(bǔ)充技術(shù)研究

通過(guò)研究不同CO2濃度對(duì)煙苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，建立煙苗不同生長(zhǎng)期CO2濃度梯度處理，確定現(xiàn)有的最佳煙苗。獲得自動(dòng)化的三維幼苗生長(zhǎng)過(guò)程，CO2濃度在子葉期每立方米的空氣中含有380 mL，在小交叉期每立方米的空氣中含有600 mL，在大交叉期每立方米的空氣中含有800 mL。

4.1.3 通風(fēng)控溫技術(shù)研究

研究控溫技術(shù)可采用循環(huán)控溫、濕簾控溫、空調(diào)控溫等方式，對(duì)比分析環(huán)境溫度及詳細(xì)測(cè)試結(jié)果。自動(dòng)栽培系統(tǒng)采用循環(huán)溫控技術(shù)養(yǎng)護(hù)種子，溫控是首選方式，空調(diào)溫控是附加溫控方式，兩者結(jié)合是最佳系統(tǒng)溫控方式。

4.1.4 多層苗木生長(zhǎng)架設(shè)計(jì)及多組苗繁育研究

多層苗木生長(zhǎng)架結(jié)構(gòu)分為發(fā)芽層和苗木生長(zhǎng)層，并根據(jù)營(yíng)養(yǎng)液托盤(pán)的液位，確定高度，最終搭建出性?xún)r(jià)比高、能有效育苗的多層育苗架。設(shè)計(jì)合理的幾組苗木效果對(duì)比研究，種植階段可達(dá)到2～4倍，苗木設(shè)備可回收利用，降低苗木使用效率和苗木成本。

4.1.5 煙葉自動(dòng)育苗控制系統(tǒng)及配套技術(shù)的應(yīng)用研究

系統(tǒng)搭建后，人工將煙苗分為5 個(gè)階段，分別是發(fā)芽期、育苗期、子葉期、小交期、大交期。通過(guò)數(shù)據(jù)值，確定合適的環(huán)境控制因子，運(yùn)行和控制自動(dòng)控制系統(tǒng)，為煙苗生長(zhǎng)的各個(gè)階段創(chuàng)造最佳環(huán)境，確保環(huán)境控制條件與栽培條件相匹配，達(dá)到縮短煙苗生長(zhǎng)期的目的。對(duì)于發(fā)芽時(shí)間，種植壯苗的目標(biāo)等需要自動(dòng)靜置育苗系統(tǒng)煙苗田間比對(duì)試驗(yàn)，移栽后幼苗生長(zhǎng)迅速，田間生長(zhǎng)整齊均勻，有效葉數(shù)高。經(jīng)過(guò)上述研究，最終形成了煙草自動(dòng)育苗系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

植物生長(zhǎng)需要適宜的光、溫、水、氣條件，而較好的氣候條件是確保育苗素質(zhì)的關(guān)鍵因素，提供有利的光、溫、氣條件更能培育壯苗。通過(guò)選用植物生長(zhǎng)熒光燈作為人工光源，對(duì)單位面積光源密度（燈的間距）、光源與育苗盤(pán)間的距離等進(jìn)行試驗(yàn)比較，對(duì)育苗系統(tǒng)達(dá)到最佳溫度采用不同的通風(fēng)控溫方式的研究和環(huán)境溫度的對(duì)比分析，尋求到最佳的通風(fēng)控溫模式，結(jié)合常規(guī)育苗的環(huán)境因子，研究煙苗小十字期至4 葉1 心期階段C02濃度對(duì)其生長(zhǎng)的影響。通過(guò)以上研究從而設(shè)計(jì)出人工環(huán)境下煙苗所需的光、溫、水、氣條件，營(yíng)造較適宜的環(huán)境，保證煙苗正常健康生長(zhǎng)。在本試驗(yàn)中研究光源的選擇與對(duì)比，當(dāng)燈間間距合理能達(dá)到18 000 Lx 的最大光照強(qiáng)度，且與最低光照強(qiáng)度之間差異不大，在人工光源的條件下能較好地滿(mǎn)足煙苗的光照需求，并且燈間距為8 cm 能夠有較好的經(jīng)濟(jì)適用價(jià)值，得出壯苗指數(shù)為0.8 的較高處理組合。在調(diào)控溫度方面，通過(guò)對(duì)比多種調(diào)控方式，能利用自然條件下的溫差來(lái)達(dá)到溫度調(diào)控的目的，且能夠利用多種調(diào)控方式的組合達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的育苗成本輸出，為整個(gè)育苗系統(tǒng)的運(yùn)行創(chuàng)造了較好的條件。研究各個(gè)育苗時(shí)期C02補(bǔ)充濃度，在較高CO2補(bǔ)充濃度條件下煙苗有較好的素質(zhì)，節(jié)約成本，各個(gè)育苗時(shí)期研究對(duì)比出了較適宜的C02補(bǔ)充濃度。通過(guò)育苗參數(shù)的對(duì)比研究，得出了在育苗系統(tǒng)中最適宜的光、溫、氣條件，能有較好的育苗素質(zhì)，且能滿(mǎn)足育苗需求。

5 煙草移栽自動(dòng)化應(yīng)用成果

從移栽機(jī)對(duì)植苗效果的影響來(lái)看，在移栽煙葉時(shí)，移栽效果會(huì)受到移栽機(jī)本身的開(kāi)口水平、垂直度和開(kāi)口時(shí)間的影響。在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)應(yīng)保持垂直位置，以減少外界因素的影響，避免移位，提高煙苗轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)量。移栽苗木的效果與開(kāi)放程度成正比，與覆蓋地被的效果成反比，增加開(kāi)度可以改善掉芽問(wèn)題。關(guān)于開(kāi)放時(shí)間，需要有一個(gè)合理的認(rèn)識(shí)，以免過(guò)早的開(kāi)放時(shí)間對(duì)煙苗造成傷害，影響煙草移栽質(zhì)量。插秧機(jī)深入土壤會(huì)直接影響插秧的效果，地勢(shì)越低，坑的直徑越小，覆土速度會(huì)加快。在移栽煙苗時(shí)，如遇到較淺區(qū)域，需要手動(dòng)調(diào)整入土深度，調(diào)整到200～240 mm，以保證育苗效果。分析使用煙草移栽機(jī)械移植的效果，在許多實(shí)踐中已經(jīng)證明，應(yīng)用煙草植物移植自動(dòng)化技術(shù)遠(yuǎn)高于人工移植速度。在機(jī)械移栽過(guò)程中，煙苗的變異系數(shù)可控制在0.4%以?xún)?nèi)，與人工移栽23.5%的變異系數(shù)相比有明顯提升。

6 煙草移栽自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

目前在煙草移栽機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程中，由于各環(huán)節(jié)銜接程度低，移栽自動(dòng)化、育苗等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相互分離。尤其是在煙草插秧設(shè)備發(fā)展階段，還沒(méi)有足夠的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，更多是基于國(guó)外設(shè)備而不是結(jié)合自身的實(shí)際情況，影響了煙草插秧設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。同時(shí)，煙草移栽機(jī)械設(shè)備利用率低，機(jī)器本身功能比較簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)卻相對(duì)復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，增加了機(jī)器的維護(hù)成本。考慮到這個(gè)問(wèn)題，煙草自動(dòng)裝填的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該立足于現(xiàn)實(shí)。在推進(jìn)煙草移栽自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方面，要調(diào)動(dòng)科研隊(duì)伍，加強(qiáng)生產(chǎn)、移栽育苗協(xié)同，建立具有中國(guó)特色的煙草移栽設(shè)備研發(fā)機(jī)制。結(jié)合實(shí)際情況，實(shí)施自動(dòng)化，提高工作效率。夾鉗式移栽機(jī)價(jià)格便宜，目前應(yīng)用廣泛，但其本身的工作效率較低，而且傷害煙苗的概率較高。在未來(lái)的研發(fā)過(guò)程中，應(yīng)將苗管播種機(jī)作為主要研發(fā)方向，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。在煙草自動(dòng)種植移栽技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，既要積極借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，又要結(jié)合我國(guó)國(guó)情，自主創(chuàng)新，研制出符合當(dāng)?shù)靥厣臒煵莘N植移栽設(shè)備。我國(guó)煙草作物主要分布在丘陵地區(qū)，這就要求設(shè)備的研發(fā)要考慮到丘陵地區(qū)的實(shí)際情況，加強(qiáng)研發(fā)自走式微移植機(jī)等設(shè)備，通過(guò)機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)完成施肥，解決煙草種植和移栽過(guò)程中的操作問(wèn)題，提高整體自動(dòng)化水平。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用各種新技術(shù)提高了煙草生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。在煙葉種植期和移栽期，引進(jìn)自動(dòng)移栽可以保證煙葉大規(guī)模移栽，提高煙苗成活率，增加煙葉種植經(jīng)濟(jì)效益。