李林林，鄧干然，林衛(wèi)國，崔振德，何馮光，李國杰

（1.華中農業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2.中國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091；3.農業(yè)農村部熱帶作物農業(yè)裝備重點實驗室，廣東 湛江 524091）

0 引言

我國作物移栽技術分為傳統(tǒng)人工移栽和機械化移栽2 種，傳統(tǒng)人工移栽由于勞動強度大、規(guī)范性差、作業(yè)效率低等原因已不能滿足我國現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)的需求[1]，機械化移栽是我國農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然要求。機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]，采用機械化移栽可以滿足快速完成農業(yè)生產(chǎn)任務的需要，顯著提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、降低勞動強度[3]。

栽植機構是移栽機的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定移栽機作業(yè)時種苗直立度、破膜范圍、栽植質量是否滿足作物的種植農藝、適應高速栽植作業(yè)等要求[4]。為了探索作物機械化移栽，我國相關單位根據(jù)不同作物的移栽農藝特性研制了多種形式的栽植機構和移栽機，降低了作物移栽的勞動強度、規(guī)范了農業(yè)生產(chǎn)、提高了農作物的產(chǎn)量，顯著提高我國農業(yè)生產(chǎn)力，為現(xiàn)代化農業(yè)打下堅實的基礎[5-7]。

1 國內外研究現(xiàn)狀

目前，國內外針對不同作物種植農藝要求研發(fā)了多種移栽機械，根據(jù)栽植機構的結構特點主要分為鏈夾式移栽機、鉗夾式移栽機、撓性圓盤式移栽機、導苗管式移栽機、吊籃式移栽機等[8]，不同類型的栽植機構工作原理、優(yōu)缺點、適用農作物、作業(yè)環(huán)境等都有所不同[9]，分述如下。

1.1 圓盤鉗夾式移栽機構

圓盤鉗夾式移栽機構由鉗夾、開溝器、轉軸、擋板組成，如圖1 所示。圓盤鉗夾式移栽機構主要用于蔬菜等裸苗移栽，其結構簡單、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、缺苗等影響栽植質量的問題。鉗夾式移栽機構作業(yè)時由人工取苗放在苗夾上，苗夾隨著苗盤轉動，當?shù)竭_苗溝時，苗夾張開，種苗下落到苗溝位置，覆土輪進行覆土，完成栽植過程[11]。

圖1 圓盤鉗夾式移栽機構作業(yè)原理

新疆農科院農機化研究所研制了2ZT-2 型鉗夾式移栽機[12]，其結構較為簡單，制造成本較低，但喂苗時間與栽植器入土時間較難控制、株距調節(jié)困難、傷苗率較高。試驗結果表明，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]，設計研發(fā)了3 行鉗夾式移栽機，主要組成部分包括鉗夾式栽植系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、機架、傳動仿形輪、覆土鎮(zhèn)壓輪、開溝器等。試驗結果表明，移栽機栽植作業(yè)穩(wěn)定，種苗直立率達到了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 鏈夾式移栽機構

鏈夾式移栽機構由栽植鉗夾、栽植軌道、鏈輪傳動等部分組成，如圖2 所示。目前鏈夾式移栽機構主要應用對象為菠蘿、紅薯等作物移栽[15]，其作業(yè)時栽植株距準確、種苗栽植后的直立度較好，并且鏈夾式移栽機構可以較好的把握放苗時機，可以實現(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，當苗夾脫離下滑道后，苗夾打開，運動到開溝器開好的苗溝中，由覆土鎮(zhèn)壓輪進行覆土，完成整個栽植作業(yè)[16]。

圖2 鏈夾式移栽機構作業(yè)原理

南通富來威公司基于油菜的種植農藝要求設計了一種2ZQ 型鏈夾式油菜移栽機[17]，移栽機構帶著秧苗通過滑道被夾緊，至最低點張開苗夾，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]針對新疆復雜的地理氣候環(huán)境，研究了一種新型錯列鏈夾式移栽機，主要應用于缽苗的栽植作業(yè)。試驗研究表明，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%，達到了鏈夾式移栽機的種植要求。

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

1.3 撓性圓盤式移栽機構

撓性圓盤式移栽機構由2 片可以變形的撓性圓盤構成，撓性圓盤移栽機的主要組成部件為開溝器、覆土輪、懸掛機構、苗架、送苗系統(tǒng)等，如圖3 所示。撓性圓盤式移栽機構制造成本較低、易操作[20]，但撓性圓盤式移栽機構作業(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，圓盤帶著栽植器轉動到垂直狀態(tài)，種苗落入苗溝中，再進行覆土，完成栽植作業(yè)。

圖3 撓性圓盤式移栽機構作業(yè)原理

東北農業(yè)大學自主研發(fā)了一種撓性圓盤式移栽機構，主要應用于玉米紙筒移栽作業(yè)，該機構夾持幼苗不受特定機構的限制，結構簡單實用，株距適應性好，但較難保證株距和移栽深度，會出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象[22]。

服務設計具有創(chuàng)新與創(chuàng)意、活動質量提升、不斷跟蹤讀者需求變化是保持獨特的主要方法。這種獨特性同樣是品牌維護的重要環(huán)節(jié)。

內蒙古農業(yè)機械研究所研制了一種2ZT-2 型半自動撓性圓盤式移栽機[23]，其主要應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、適應性強、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藝種植要求設計了一種KN-P6 撓性圓盤式大蔥移栽機[24]，其栽植器為雙橡膠撓性圓盤，整體結構較小，作業(yè)時由人工放置秧苗，秧苗隨著輸送帶運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)。勞動強度較低、操作簡單，但使用壽命較短、生產(chǎn)效率較低。

1.4 導苗管式移栽機構

導苗管式移栽機構由導苗管、投苗杯、轉盤等組成，如圖4 所示。導苗管移栽機構作業(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，移栽頻率可達到60 株/min 左右[25]，但其結構較為復雜，不易于操作人員的培訓、使用，造價較高，導致農戶的購買意愿較低。目前，主要用于栽植裸根秧苗與帶基質缽苗[26]，作業(yè)時由人工或者機械將秧苗放至投苗杯內，當投苗杯隨著傳動系統(tǒng)運動到導苗管喂入口時，投苗機張開，秧苗落入苗溝中，隨后進行覆土，完成栽植作業(yè)[27]。

圖4 導苗管式移栽機構作業(yè)原理

張凱旋等[28]基于甘蔗的種植農藝研制了一種蔗苗半自動移栽機構，由導苗機構、擋苗機構、推苗機構等組成。試驗結果表明，蔗苗移栽機的漏苗率低于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、提高了種植質量、降低了生產(chǎn)成本。

燕亞民等[29]研究了一種導苗管式煙草移栽機，應用于煙草的實時移栽，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量，實現(xiàn)了煙草規(guī)?；臋C械移栽。

澳大利亞Williames 公司[29]研制了一種膜下全自動導苗管式移栽機構，主要應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 吊籃式移栽機構

吊籃式移栽機構由單鉸鏈吊籃和四桿機構組成，如圖5 所示。吊籃在移栽機作業(yè)時既是接納秧苗的容器也是膜上打孔成穴的栽植器，吊籃式移栽機由偏心圓環(huán)、吊杯、導軌、開溝器、覆土輪等部件構成，吊籃式移栽機構作業(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，導致移栽速率較低[30]，目前，吊籃式移栽機主要應用于大缽苗移栽，其作業(yè)流程為人工放苗至吊籃內，吊籃隨偏心圓盤轉到最低位置時，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 吊籃式移栽機構作業(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特性為依據(jù)，設計研發(fā)了適用于缽苗膜上栽培的吊籃式移栽機構，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，顯著增加農產(chǎn)品經(jīng)濟效益。

杜晟等[33]針對新疆地區(qū)農作物所需的鋪膜滴灌保墑方式，設計了一種新型平行四桿式吊籃移栽機栽植機構，實現(xiàn)了最小破膜條件下的栽植作業(yè)，其異步栽植時栽植機構的入土器運功特性接近于無外力作用的理想條件下的運動學特性，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[34]，應用于穴盤苗的移栽作業(yè)，其采用滑針式機構取苗，一次可取約5 株苗，隨后輸送至吊籃進行栽植作業(yè)，該機作業(yè)效率較高，一次可移栽4～8 行，但機構復雜，制造成本過高。

2 存在的問題

2.1 使用成本較高

我國移栽機構大多設計復雜、標準化程度較低、作業(yè)需要大量人工輔助，導致制造成本、人工作業(yè)成本、售后維修成本居高不下，農戶選用移栽機作業(yè)相對于純人工移栽無法形成明顯的收益差距，其性價比較低，導致推廣困難，農戶廣泛使用的積極性不高[35]。

2.2 自動化程度較低

國內現(xiàn)階段移栽機械基本以純機械結構和半自動化為主，作業(yè)需要大量人力，移栽機的作業(yè)效率一般只相當于純人工的3～5 倍，遠低于耕整、收獲等作業(yè)環(huán)節(jié)作業(yè)成本較高、作業(yè)效率較低、工作質量不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)高規(guī)范化、高精準化作業(yè)[36]。

2.3 自主創(chuàng)新較少

我國大部分移栽機構是模仿和改進外國先進的移栽機械，現(xiàn)階段移栽機構的核心部件研究深度不足，沒有立足于我國的實際國情做出技術上的實質性突破和改進[37-38]，設計研發(fā)的移栽機械穩(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際使用需求。

2.4 農藝農機融合不夠密切

通常一種農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)的每一種栽植機構基本只適應某個地區(qū)、某個農作物、某一種種植方式，這種一對一的設計研發(fā)模式無法形成規(guī)范化、標準化的栽植機構[39]，導致移栽機構的作業(yè)、流通存在較大的局限性，不利于移栽機構的推廣和發(fā)展[40]。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多功能復式作業(yè)

目前，國內移栽機構大多只有送苗移栽功能，其功能性較為單一，無法進行施肥、澆水、鋪膜等復合作業(yè)，不能滿足農業(yè)機械一機多用的發(fā)展趨勢，未來我國移栽機構將集取苗、施肥、除草、鋪膜等多種功能于一體，實現(xiàn)規(guī)范化機械作業(yè)，大幅度降低作業(yè)成本和作業(yè)人員的勞動強度[41]。

3.2 全面自動化

國內現(xiàn)存的移栽機大多以純機械機構、半自動化為主，需要大量的人力協(xié)助作業(yè)，無法適應復雜的作業(yè)環(huán)境，不利于栽植機的高效作業(yè)，未來我國作物移栽機將結合電子信息、自動控制、定位與導航等現(xiàn)代化先進技術，實現(xiàn)移栽機的全面自動化、智能化，根據(jù)不同地形特征、土壤條件、農作物的種植要求等實現(xiàn)自動化調整，滿足高精度、標準化作業(yè)[42]。

3.3 模塊化設計與制造

不同農作物的移栽方式各不相同，其所對應的移栽機構特點也不相同，移栽機械基本由動力系統(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計原則，通用的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等模塊，搭配對應農作物的栽植機構，實現(xiàn)低成本移栽機制造，顯著提高農作物栽植機械化進程[43]。

3.4 農藝農機深度融合

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

4 結語

我國在種植機械移栽機構研究方面起步晚、存在先天不足，基于現(xiàn)階段移栽機構發(fā)展短板和我國實際國情，應吸取國外先進移栽機構技術優(yōu)點，研究適用于國內多樣性作物種植、農藝多樣化狀態(tài)下的栽植深度、直立度、傷苗率等符合要求的栽植機械。提高自主創(chuàng)新意識，將農藝標準化，把電子信息、自動控制、定位導航等技術與栽植機械深度融合，設計制造性價比高、通用性強、穩(wěn)定性好、自動化程度高的移栽機械，穩(wěn)步推進我國作物移栽機械化進程。