水稻有序拋秧裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張立國,孫振鑫,王澤東,徐衛(wèi)浩,趙勝雪

(1.北大荒農(nóng)墾集團(tuán)有限公司建三江分公司 農(nóng)業(yè)發(fā)展部,黑龍江 佳木斯 156300;2.黑龍江東方學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150066;3.黑龍江七星泡農(nóng)場,黑龍江 嫩江 161435;4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163000)

0 引言

水稻屬于谷類作物,全球有一半以上的人口以水稻為食,其生長出的果實(shí)是稻谷,糙米是水稻去掉稻殼的產(chǎn)物,大米是糙米去掉米糠層之后得到的[1]。水稻除了能食用外,還能用作釀酒、制糖和工業(yè)原材料。此外,稻殼和稻稈也可用作牲畜飼料和建筑材料,如我國客家村落中的圓形土樓以及水泥混合材料[2-3]。發(fā)芽的水稻(稻芽)可以用作中藥,治療消食和中,健脾開胃,食積不消,腹脹口臭等疾病[4]。

水稻是我國最重要的糧食作物之一,對于保障我國糧食安全具有舉足輕重的作用。我國水稻種植面積廣泛,分布地域廣闊,為我國糧食生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《關(guān)于開展主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化推進(jìn)行動的意見》中提出,現(xiàn)階段的任務(wù)就是將水稻的耕、種、收等全程機(jī)械化水平提升到80%以上[6]。

目前,我國水稻機(jī)械種植方式主要采用直播、機(jī)械移栽、機(jī)械淺栽(拋秧和擺栽)三大方式[7]。不同地區(qū)應(yīng)結(jié)合自身水稻種植的實(shí)際情況和種植條件,合理選擇機(jī)械種植方式,最大限度地提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)效益,降低人工成本和勞動強(qiáng)度,促進(jìn)當(dāng)?shù)厮救虣C(jī)械化的發(fā)展進(jìn)程[8]。

水稻機(jī)械直播技術(shù)是將水稻種子直接播種在田中,其生產(chǎn)成本較低,播種機(jī)相對簡單,適合大規(guī)模的水稻種植,但是該技術(shù)對水稻品質(zhì)、雜草防除、播種、水稻生育期都有很高的要求,同時對播種時水田的整地質(zhì)量有比較高的要求[9-11]。水稻機(jī)械直播雜草不易控制、秧苗后期早衰是水稻直播存在的重要問題[7,9,12-13]。水稻機(jī)械插秧采用軟盤育秧技術(shù)或雙膜育秧技術(shù)培育出帶土的毯狀秧苗,使用水稻插秧機(jī)對秧苗進(jìn)行切塊來實(shí)現(xiàn)分苗移栽,即工廠化育秧+精細(xì)整地+機(jī)械插秧[14-16]。使用水稻機(jī)械插秧可以顯著提升水稻的種植效率,與機(jī)械移栽相比,人工移栽的產(chǎn)量效率明顯較低,試驗(yàn)表明機(jī)械插秧的作業(yè)效率是人工插秧的三倍左右,且人工成本低,有利于節(jié)本增效[17-18]。

目前,我國水稻種植大多都采用機(jī)械插秧,但由于種植機(jī)具工作不穩(wěn)定,且對水稻生育期、雜草防治有較高要求,插秧后還需要進(jìn)行人工補(bǔ)苗,增加種植成本。所以,將水稻種植方式由機(jī)械插秧轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械有序拋秧種植,以此來提高水稻品質(zhì)和產(chǎn)量,節(jié)本增效的同時降低勞動強(qiáng)度,是水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)[19-21]。

1 水稻有序拋秧農(nóng)藝要求

良好的秧苗應(yīng)是苗挺葉綠、根系盤結(jié)、清秀無病、提起不散、均勻整齊,具體的秧苗指標(biāo)如表1所示。

表1 秧苗指標(biāo)

稻種發(fā)芽的最低溫度為10 ℃,適宜溫度為20～35 ℃;水稻出苗的最低溫度為12 ℃;水稻發(fā)根的最低溫度為16 ℃,溫度高于16 ℃時水稻出苗及生長均較為順利。水稻芽期(出芽至一葉一心)忍耐短時間低溫的能力較強(qiáng),水稻二葉一心后抗寒力下降,日最低氣溫低于7～8 ℃,秧苗會受到冷害。長期低溫(12 ℃以下)會造成病原菌的侵染,引起爛秧死苗[22-23]。

水稻種子的吸水速度與溫度、谷殼薄厚有關(guān),因此水稻和常規(guī)稻的浸種時間長?！案砷L根,濕長芽”,播種扎根出苗階段秧田要排水[24-25]。水稻有序拋秧使用特制的塑料軟盤進(jìn)行育秧,秧苗之間互相獨(dú)立、互不影響,相比于機(jī)械插秧的秧盤可以有效防治病蟲害[26-28]。

2 國外研究現(xiàn)狀

目前,國外在水稻有序拋秧裝置的研究文獻(xiàn)報道,以及研制的機(jī)器都比較少,主要集中在日本,日本也是最早對水稻進(jìn)行拋栽技術(shù)研究的國家。

20世紀(jì)60年代,日本為了解決北海道水稻移栽苗抗寒性問題,研究出紙筒培育秧苗的移栽技術(shù)并進(jìn)行了應(yīng)用,采用拋秧的形式進(jìn)行水稻種植,取得了驚人的效果,標(biāo)志著水稻拋秧技術(shù)研究的開始,引起了日本農(nóng)學(xué)家的重視[29]。1971年,日本北海道中央農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站開始研究紙管水稻育苗技術(shù),該技術(shù)被稱為“空中移栽稻作”[30]。由于后期在培育秧苗過程中出現(xiàn)紙管之間容易相互粘結(jié),秧苗容易竄根等問題,于是研究了一種專門塑料缽盤用于水稻拋秧栽培[31]。通過不同地區(qū)和不同氣候類型的試驗(yàn)研究,證明水稻拋秧栽培技術(shù)是可行的,為之后的研究學(xué)者提供了參考,值得在其他國家和地區(qū)學(xué)習(xí)和推廣。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代,中國就開始研究缽苗拋秧技術(shù),也是世界上第一個在水稻生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用拋秧技術(shù)并取得巨大成就的國家。目前,我國有很多學(xué)者都在進(jìn)行水稻有序拋秧裝置的研究,但是由于機(jī)器本身的性能和不穩(wěn)定性,還沒有大面積推廣使用。

陳旭暄等[32]針對機(jī)械散拋和人工拋秧存在的眾多問題,研制出ZPY-H530型對輥式拔秧水稻移栽機(jī)(圖1),首次實(shí)現(xiàn)了水稻秧苗的有序成行拋栽。通過建立秧苗拔取過程的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化輸秧拔秧裝置的各個參數(shù),得出拔取秧苗時傾角為137°,并在北京市和江蘇省進(jìn)行了田間試驗(yàn),結(jié)果表明秧苗直立率達(dá)到了80%,所拋秧苗的均勻度、整齊度與人工和機(jī)械散拋秧苗的均勻度、整齊度相比有明顯改善,且秧苗返青快,分蘗早。但該機(jī)器需要特制的育秧盤,且在夾取秧苗過程中易損傷秧苗,產(chǎn)生漏播、株距不均勻的問題[33]。

圖1 對輥夾持式水稻撥秧機(jī)構(gòu)及整機(jī)圖

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所針對傳統(tǒng)拋秧機(jī)器秧苗雜亂無序,不符合農(nóng)民傳統(tǒng)種植習(xí)慣的問題設(shè)計(jì)了2ZU-6型頂桿式水稻有序拋秧機(jī),其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。通過滾筒內(nèi)的頂桿和凸輪將秧盤內(nèi)的缽苗頂出,經(jīng)過導(dǎo)苗管進(jìn)行拋秧?；旧蠈?shí)現(xiàn)了有序拋秧,成行清晰,但該機(jī)器對于秧苗品質(zhì)要求較高,當(dāng)秧盤底部泥土較多、缽苗含水量較高時,秧苗漏播率會明顯提高,成行率會大幅下降,且該機(jī)器通過頂桿頂出秧苗對苗的傷害較大,影響播種質(zhì)量[34]。

1.導(dǎo)苗管;2.撥禾輪;3.缽苗;4.彈簧;5.壓盤裝置;6.秧盤;7.頂桿;8.頂桿座;9.推動凸輪;10.主軸;11.棘輪;12.棘爪;13.鎖止爪;14.搖臂;15.送進(jìn)凸輪;16.機(jī)架;17.連傳動;18.滾筒;19.船板

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)陳恒高等[35]研制的2SP-4型機(jī)械手式拋秧機(jī)(圖3)實(shí)現(xiàn)了有序拋秧,成功地將復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動分解成為各個部件的簡單運(yùn)動,同時進(jìn)行了臺架試驗(yàn)和田間試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了自動從秧盤中夾取出秧苗,并按照固定的株距和行距進(jìn)行拋秧,完成了有序拋秧工作。但該裝置工作過程中機(jī)械手一次只能夾取一株秧苗,且易成傷苗,工作效率較低。

圖3 2SP-4型機(jī)械手式拋秧機(jī)

李建平等[36]研制出一種基于氣流振動原理,用于輸送秧苗的新型有序拋秧機(jī)(圖4),氣流自下而上作用在秧苗上,使缽苗保持直立狀態(tài)。通過改變輸秧板的振動參數(shù),使秧苗輸送機(jī)構(gòu)能夠均勻地輸送秧苗。建立秧苗輸送機(jī)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行擬態(tài)分析試驗(yàn)和擬態(tài)分析計(jì)算,結(jié)果表明,模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致,振動頻率小于19.12 Hz。該裝置在工作過程中秧苗需要人工放置于輸秧板,費(fèi)時費(fèi)力,機(jī)器能量消耗過大,工作效率較低。

圖4 氣流振動式有序拋秧機(jī)

包春江等[37]設(shè)計(jì)了一種氣吸式有序缽苗移栽機(jī)(圖5),依靠負(fù)壓風(fēng)機(jī)使秧苗能夠克服秧盤阻力,從而脫離秧盤進(jìn)行拋秧作業(yè)。經(jīng)樣機(jī)土槽試驗(yàn)和田間試驗(yàn),結(jié)果表明,作業(yè)速度0.3 m/s、秧苗直立率98%、傷苗率0%、功耗小于2 kW,機(jī)器各部分能夠正常工作,整機(jī)總體配置合理,拋栽效果能夠滿足水稻有序拋秧的農(nóng)藝要求。但是該裝置需要配合特有的空氣整根育秧技術(shù),且氣吸式裝置對氣密性要求非常高,吸取秧苗、送秧、拋秧過程為間歇運(yùn)動,工作效率較低。

1.發(fā)動機(jī);2.負(fù)壓風(fēng)機(jī);3.軟管;4.橫向移箱滑套;5.投苗裝置;6.縱向移箱滑套;7.扶手;8.橫向移箱步進(jìn)電機(jī);9.縱向移箱步進(jìn)電機(jī);10.單片機(jī)控制箱;11.電磁鐵;12.分開式秧船;13.驅(qū)動曲柄擺桿機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī);14.牽引裝置;15.蓄電池;16.驅(qū)動葉輪(雙輪)

王玉興等[38]提出了一種氣力式有序拋秧機(jī)輸秧機(jī)構(gòu)(圖6),并應(yīng)用Visual Basic 6.0軟件對輸秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動模擬和分析,推導(dǎo)出了適用于輸秧機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析、動態(tài)模擬,以及速度、加速度、位移方程。應(yīng)用有限元仿真分析,對拋秧氣流場進(jìn)行仿真,對初始壓強(qiáng)做了正交試驗(yàn),結(jié)果表明,0.65 MPa和0.5 MPa的初始壓強(qiáng)拋秧效果較好,為氣力式有序拋秧機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、優(yōu)化和性能提升,提供了有利的科學(xué)依據(jù)[39]。

1.秧盤托盤;2.秧盤;3.搖桿;4.連桿;5.支架;6.曲柄軸;7.閥;8.導(dǎo)苗管;9.拋秧位置;10.噴嘴;11.氣罐;12.輸秧滾筒

中聯(lián)重科研制的2ZPY-13A水稻有序拋秧機(jī)(圖7)是我國目前唯一推廣使用的水稻有序拋秧機(jī),其克服了人工手拋秧的分布無序,彌補(bǔ)了水稻插秧機(jī)行距固定的缺陷[40]。2ZPY-13A水稻有序拋秧機(jī)行距可在21～32 cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié),株距分為8擋可調(diào),使基本苗量和密植度比機(jī)插秧和人工手拋秧更加合理,栽植速度是8行高速水稻插秧機(jī)的1.2～1.5倍,而且具有無緩苗期秧苗載種到田中就直接生長、返青快、抗病能力強(qiáng)、分蘗早、分蘗節(jié)位低(秧苗入泥淺)、分蘗多的優(yōu)勢。但該機(jī)器拋秧效果受風(fēng)力影響較大,超過5級風(fēng)拋秧時會產(chǎn)生秧苗飄移、入土行程過低的問題[41]。

圖7 2ZPY-13A水稻有序拋秧機(jī)

4 水稻有序拋秧的技術(shù)難點(diǎn)

1)拋秧質(zhì)量受天氣風(fēng)力影響較大,不建議在風(fēng)力≥5級時進(jìn)行作業(yè)。

2)拋秧效率高、量大,但上盤喂入口只有一處,站盤人員上盤和收盤頻繁,操作不熟練會影響作業(yè)效率。

3)拋秧前,秧苗需按照規(guī)范合理澆水,不宜澆水過多,否則發(fā)生丟苗、堆苗現(xiàn)象。

4)秧盤回收裝置過于簡易,不利于秧盤回收,秧盤回收不及時容易掉入本田。

5)打漿和拋秧工作需要結(jié)合緊密,最好打完漿2～3 d就進(jìn)行拋秧,但因封閉藥時間不足,易出現(xiàn)藥害。

6)秧苗質(zhì)量較輕,容易漂苗,降低成苗率。

7)智能化程度低,且在拋秧作業(yè)過程中有光照影響,使拋秧質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究困難。

5 解決方案

針對國內(nèi)外現(xiàn)有水稻有序拋秧裝置存在的漏插、作業(yè)效率不高、秧苗入土行程過淺、秧苗下落過程受風(fēng)力影響較大等問題,受到學(xué)者們研究氣力式水稻拋秧裝置的啟發(fā),設(shè)計(jì)一種氣吹式水稻有序?qū)а硌b置。

在拋秧裝置后安裝氣導(dǎo)秧管,使秧苗在依靠自身重力和風(fēng)力輸送裝置的雙重作用下,落到水田中,解決水稻缽苗拋秧時受風(fēng)力影響產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象,成行不均勻的問題。在導(dǎo)秧管上部加裝氣吹式風(fēng)機(jī),使缽苗受到一個垂直向下的作用力,解決缽苗入土行程不足的問題。在輸秧裝置上設(shè)有噴淋裝置,利用霧化噴頭防止缽苗的泥土堵塞取秧帶,清除泥漿,解決漏插的問題。

針對目前水稻有序拋秧機(jī)智能化程度低,拋秧監(jiān)控系統(tǒng)研究困難的現(xiàn)象,之后還應(yīng)繼續(xù)運(yùn)用高科技手段,在拋秧機(jī)構(gòu)處設(shè)置一處密閉空間,使用高精度的光電傳感器對缽苗拋落過程進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)時掌控拋秧效果。

6 結(jié)論

有序拋秧能夠使拋出的秧苗形成規(guī)則的行、列,和插秧機(jī)插秧效果基本一致,解決了人工拋秧秧苗雜亂無章且不利于中耕除草和機(jī)械化收割的缺點(diǎn),具有秧苗損傷少、返青快、采光好、低節(jié)位有效分蘗多、穗型整齊、成熟一致等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到我國水稻種植產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,與農(nóng)業(yè)先進(jìn)國家間的巨大差距,拋秧技術(shù)已勢在必行。

從宏觀角度分析,我國政府正提倡機(jī)械化農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)國家戰(zhàn)略,明確提出機(jī)械化種植與收獲,努力實(shí)現(xiàn)全程、全面機(jī)械化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),而拋秧技術(shù)可減緩寒地水稻的緩苗期,有利于生長發(fā)育。然而與先進(jìn)國家相比,國內(nèi)針對拋秧的基礎(chǔ)研究相對薄弱,意識不強(qiáng),核心技術(shù)儲備不充足。在滿足農(nóng)藝作業(yè)需求的條件下,如何實(shí)現(xiàn)水稻拋秧有序化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)量提升度是當(dāng)前農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重大科學(xué)任務(wù)。