油菜缽體苗移栽機構研究現狀與發展趨勢

肖名濤，肖仕雄，孫松林，陳 斌，陳 盛

(1.湖南農業大學 工學院，長沙 410128;2.湖南省現代農業機械裝備工程技術研究中心，長沙 410128)

0 引言

隨著人口數量的增長，工業化和城鎮用地增加，土地沙漠化面積擴大，人均可耕地面積正逐年減少，糧食產量可持續增長成為農業發展的主要難題。在我國，由于土地資源稀缺，依靠增加耕種面積較大幅度提高糧食產量難以實現，而采用品種改良和新的農藝方法提高糧食作物的單產，將是提高糧食總產的有效手段[1-2]。

移栽技術能夠充分利用光熱資源、提升復種指數，具有對氣候的補償作用，可將農作物的生育期提前15天左右，并可有效地避免早春低溫、倒春寒、霜凍、冰雹等氣候的不良影響。該技術可避免蟲害、干旱等自然災害，提高幼苗成活率，確保每株農作物達到農藝要求;可以延長農作物的生育周期，增加積溫，提高農作物的品質，進而有效地增加單產。移栽技術是大幅度提升糧食產量的有效手段之一，也是我國目前確保農產品安全的重要手段[3-5]。

油菜是我國主要的油料作物，常年油菜播種面積700萬hm2，總產1 200萬t，單產1 800kg/hm2。面積、總產量居世界首位，單產高于世界平均水平。國內油菜生產一般以傳統人工操作，每667m2需要12～14個工，用工費用占生產成本的60%以上；而加拿大等國油菜生產全程機械化，每667平方米用工量不到1個，澳大利亞勞動成本不到3%[6]。

長期以來，我國油菜移栽一直沿用傳統的手工勞作方式，勞動強度大，生產效率低。由于油菜種植面積的增加和農村勞動力的轉移，油菜移栽機械化已成為農民越來越迫切的要求。與小麥、水稻生產機械化發展速度相比，油菜機械化的發展比較遲緩，移栽技術落后、效率低已成為油菜生產的制約因素，這種狀況與我國油菜生產大國地位很不相稱[7]。移栽機構作為移栽機的核心部件，一款高速、穩定、適應性好的移栽機構將會是提升移栽效率的關鍵途徑之一。

1 油菜移栽機構的類型及工作原理

目前，油菜移栽機的分類尚無統一標準。根據育苗移栽方式的不同，可以分為裸苗、營養塊和缽體苗移栽機；根據自動化程度，可分為手動、半自動移栽機與全自動移栽機；根據懸掛系統的不同，又能分為牽引式和自走式。國內移栽機一般采用的分類方法是按照移栽機構的不同進行分類，能夠適應油菜缽苗移栽的農藝要求的有鉗夾式、吊籃式、撓性圓盤式、導管式及往復式移栽機[8-9]。

1.1 鉗夾式移栽機構的結構特點及工作原理

鉗夾式移栽機構由栽植盤、驅動鏈條和秧夾組成，如圖1所示。作業時，人工將秧苗放到秧夾上，鏈條帶動秧夾向地面運動，秧苗隨著秧夾一起轉向地面；當鏈條轉動到最低點時，秧夾打開，使秧苗植入開溝器開出的溝槽中。這種類型的移植器結構簡單，株距和栽植深度穩定，造價低；但在高速作業時，人工喂苗容易導致漏苗、缺苗現象的發生，且秧苗容易被秧夾損傷，整個機構株距調節困難[10]。

1.2 撓性圓盤式移栽機構的結構特點及工作原理

撓性圓盤式移栽機構的主要工作部件有撓性秧爪及驅動圓盤，如圖2所示。作業時，需要人工將秧苗放入喂苗器中，秧苗經過喂苗器后落入兩個張開的撓性秧爪中間，秧爪被彈性滾輪壓合，將秧苗夾持；撓性秧爪帶著秧苗在圓盤的驅動下向地面運動，當轉動到與地面垂直時，秧爪脫離彈性滾輪，秧苗被釋放，最終秧苗移栽至開溝器開好的溝槽中。該型移栽器結構簡單，夾持秧苗不受鉗夾或鏈夾數量限制，生產成本低，對株距適應性好，但移栽深度不穩定，存在傷苗、漏苗、埋苗等現象，且秧爪耐久性差。

1.鏈條 2.秧夾

1.撓性秧爪 2.圓盤

1.3 吊籃式移栽機構的結構特點及工作原理

吊籃式移栽器主要由吊籃式栽植器、偏心圓盤及栽植圓盤組成，如圖3所示。工作時，吊籃的兩端沿著偏心圓盤和移栽圓盤的軌跡運動，使得吊籃始終與地面垂直；當吊籃運行到最上端時，人工將秧苗放入吊籃內，完成喂苗；在偏心圓盤和栽植圓盤的帶動下，栽植器運動至最低點，固定滑道使栽植器下端打開，秧苗落入溝中，完成移栽。這類型的移植器結構比較復雜，調整株距困難，喂苗速度慢，在粘性土壤中打孔困難，移栽效果不理想[11]；但是，該型移栽器在工作期間能保護秧苗不受任何沖擊，不容易傷苗，直立度好，適用于缽體苗及裸苗移栽。

1.吊籃 2.偏心圓盤 3.栽植圓盤

1.4 導管式移栽機構的結構特點及工作原理

導管式移栽機構的組成是由導苗管和控制機構組成，如圖4所示。作業時，需要將秧盤輸送至制定位置，然后將其底盤抽出，秧苗落在托盤上，再由托盤將秧苗送至導管入口，秧苗就會順導管到已打好的孔中，完成移栽過程。導管式移栽器對秧苗沖擊小，能夠保證秧苗在移栽時的直立度和栽植深度，但需要配合打孔裝置進行作業，由打孔裝置對行距和株距進行控制，導致移栽成本增加，且在高速作業下容易出現漏栽和重栽現象。

1.機架 2.開溝器 3.肥料箱 4.地輪 5.鏈輪 6.導苗管 7.鏈輪 8.覆土板 9.凸輪間歇機構 10. 承接盤 11. 鎮壓輪 12.缽體苗 13. 座位

1.5 往復式移栽機的結構特點及工作原理

往復式移栽機主要由鴨嘴栽植器、多桿式驅動機構和喂苗盤等組成，如圖5所示。工作時，由喂苗盤將秧苗喂入鴨嘴式栽植器中，栽植器在多桿機構帶動下按照一定的工作軌跡到達底部完成開穴；隨后鴨嘴栽植器張開，缽苗落入開好的孔中，最后由多桿機構帶動栽植器脫離栽植孔并回轉至初始區域，同時鎮壓輪覆土完成移栽作業。往復式移栽機構能夠保證較高栽植率且株距的調整方便，不易傷苗，漏插、重插現象相對較少，在粘重土壤環境中適應性好；但機構較為復雜，維護較困難，移栽速度相比前幾種較緩慢[12]。

2 國內外移栽機構的研究現狀

一些發達國家對育苗移栽技術的研究較早，在20世紀20年代開始研發秧苗栽植機具，30年代出現了手工喂苗的移栽機械，50年代出現了多種不同形式的半自動移栽機，到80年代半自動移栽機已在生產中廣泛使用。90年代,有關部門加強從育苗到栽植整個系統的研究,使育苗和栽植有機地結合,研制出多種全自動移栽機[13]。根據缽苗移栽時的狀況，主要分為穴盤苗移栽機和壓縮基質苗自動移栽機。這兩種機型都采用了取苗送苗與移栽機構相結合的方式實現全自動移栽[14]，但全自動移栽機的取苗送苗裝置結構復雜、整機價格過高，導致其推廣緩慢[15]。

發達國家的移栽技術可以分為兩類：一是以美國、澳大利亞等國為代表的大農業生產方式，由于其耕地面積廣闊，移栽機的研發以多行自動化作業為主，適用于我國北方平原地區大田油菜移栽；二是以日本等國為代表的小農業，由于其地塊小、人口密度大、降雨時間長，移栽機的研發多以輕便、靈活及適應含水率高的黏土為主，機型更適合我國南方的“稻板田”中的油菜移栽作業[16]。

我國最早對移栽機的研究始于20世紀50年代，當時主要是試驗研究棉花育苗移栽機和甘薯穴盤苗栽植機；70年代，我國開始研究裸根苗移栽機；在80年代，成功研制了半自動蔬菜移栽機。在這期間，引進了國外先進的移栽機械，但由于育苗技術和移栽配套性技術的局限性，未得到國內市場的認可[17]。目前，我國在政策上的扶持及對移栽機構的研究的深入，使得移栽機的市場逐漸打開，有一部分成熟的機型面市，但大多數的還是處于研發階段，與國外的產品還存在一定差距。

2.1 鉗夾式移栽機構

鉗夾式移栽機構作為一款機構簡易、性能可靠的移栽機構，代表機型有意大利法拉利公司(Ferrari)生產的FPS系列移栽機，如圖6所示。該改機型采用成排喂苗，最大移栽行數為7行，最高移栽速度2 500株/(h·行)，行距28～49cm，最小株距27cm，株距連續可調，如圖7所示。

國內的南通富來威農業裝備有限公司在2008年研制了2ZQ-4型半自動油菜移栽機，主要用于油菜的裸苗和缽體苗移栽。這款機型由4人操作，可對4行進行移栽[18-19]。

圖6 意大利法拉利公司生產的F系列移栽機

圖7 2ZQ-4型半自動油菜移栽機

2.2 撓性圓盤式移栽機構

撓性圓盤式移栽機構的圓盤一般由橡膠材料或薄鋼板制成，機構簡單，成本低，但圓盤的壽命較短，多適用于小缽體、長莖稈的作物，通用性較差，栽植深度不穩定[20]。

其主要代表性的機型有日本久保田生產的KN型半自動移栽機、法國生產的皮卡爾全自動移栽機、德國PRIMA公司生產的加盤式壓縮土缽苗移栽機。國內機型主要是由黑龍江省研制的2ZT-2型移栽機，機組作業人數3人，作業行數2行，生產率0.2hm2/h[21]。

2.3 吊杯式移栽機構

吊杯式移栽機構主要用于膜上移栽，移栽與打孔同時進行，避免了重栽與漏栽現象。代表機型有日本井關PVHR2乘坐式蔬菜移栽機(見圖8)，栽植行數為2行，最高移栽速度為3 600株/(h·行)，行距可調節范圍為30～40cm和40～50cm；株距調節為30、32、35、40、43、48、50、54、60cm。意大利法拉利FPA型的最高移栽速度2000株(h·行)，最大行數為7行，行距30～100cm，最小株距20cm，株距連續可調。國內的代表機型有南通富來威農業裝備有限公司研制的2ZBX系列懸掛式吊杯移栽機(見圖9)，該系列機型最大移栽行數為6行，對應的操作人數7人，最小行數為1行，對應的操作人數為2人。移栽速度2 100株/(h·行)，株距適應范圍為20～198cm。

安徽博萊澤農業機械科技有限公司研制的2ZB-2型移栽機采用轉盤式喂苗方式，最大移栽行數為2行，機組操作人數為2人，采用拖拉機牽引作業，移栽速度為3 750株/(h·行)，移栽行距范圍26～80cm，株距范圍20～32cm，漏載率小于3%[22]。

圖8 井關PVHR2乘坐式蔬菜移栽機

2.4 導苗管式移栽機構

導苗管式移栽機構最大的優點是不傷苗，能夠達到較好的直立度和更深穩定度，代表機型有意大利法拉利公司生產的采用水平回轉格盤喂入的MULTIPLA系類移栽機，如圖10所示。該型號移栽機采用輪轉式人工投苗，最大作業行數為6行，最高移栽速度5 000株/(h·行),行距范圍30～100cm，最小株距8cm,株距連續可調；

國內的相關機型有中國農業大學研制的2ZDF型半自動導苗管式移栽機(見圖11)，采用了旋轉杯式喂入器，作業的范圍在2～6行,操作人員為1人/行，喂苗頻率60株/min，作業速度0.7～1km/h，最小行距為55cm，株距調整范圍在14～34cm。[23]。

圖9 2ZB-2型移栽機

圖10 法拉利公司生產的MULTIPLA系列移栽機

圖11 2ZDF型半自動導苗管式移栽機

2.5 往復式移栽機構

往復式移栽機構能夠保證缽苗的直立度及株距的可調性，機構的入土力度較大，適應于粘性土壤環境下的移栽。湖南農業大學肖名濤、孫松林、羅江河等設計了一種雙平行多桿栽植機構，山東農業大學朱斌彬、呂釗欽設計了一種甘薯移栽機。前者在曲柄滑塊機構上增加了1套雙平行搖桿機構和1套曲柄搖桿機構，使得其運動軌跡與農藝要求的軌跡相符合，簡化了移栽機構，提升了移栽效率；后者采用了齒輪齒條加四桿機構的傳動方式來達到農藝要求的移栽軌跡。工作時，將秧苗放入夾苗鈑金上，由傳動鏈輪、槽輪機構、同步帶輪及同步帶組成的間歇式送苗裝置輸送至栽植機構進行移栽[24-26]。

由于歐美地區的油菜移栽多采用大規模多行移栽作業，且其移栽的環境多為沙土，往復式移栽機構在沙土環境下的作業效率相對于其他機構不太理想，但往復式移栽機構在粘重土壤條件下的適應性比較強，主要適應于我國南方油菜的移栽環境。因此，國外的油菜移栽機幾乎沒有采用往復式移栽機構，通常只有水稻插秧機采用了該類型的移栽機構。

3 移栽機構的發展趨勢分析

3.1 現階段移栽機構存在的主要問題

1)農藝與農機的設計聯系不緊密。要想達到更好的移栽效果，需要移栽機構符合其農藝要求。株距與行距的確定、入土深度與直立度等都是移栽機構研發的關鍵因素，這些因素都與油菜移栽的農藝密切相關。另一方面，需要培養適合移栽的幼苗，提升油菜幼苗的存活能力，減少外界因素對幼苗生長的影響，使幼苗能夠適應未來高速化移栽的需求。

2)移栽機構的適應性較差。目前市面上的油菜移栽機大多數只能適應松軟土壤環境下作業，在我國南方粘重土壤環境中的移栽效果不理想，導致了南方油菜移栽機械化程度低。所以，提升油菜缽體苗移栽機構在粘重土壤環境中的適應能力是現如今迫切需要解決的問題之一。為了在滿足農藝要求的條件下增強移栽機構的適應性，可以采用新型的移栽方式或者在已有的移栽機構上進行針對性改進，使其能夠適應多工況作業，增加機具的適應性。

3)機構工作狀況不穩定，工作效果不理想。如今我國大部分的移栽機都是采購國外的機型，而國內外的工作環境具有一定的差異，導致部分國外機型在國內的工作效果并不理想。為了達到穩定的工作狀態，必須對作業土壤的信息及移栽對象的信息進行采集分析，然后根據現場數據在其結構上進行針對性優化設計，提升工作穩定性，減少不利現象的產生。

3.2 移栽機構的發展趨勢

1)移栽機作業的高速化。工作效率作為評價移栽機的重要標準之一，優化移栽機構，使移栽機能夠滿足高速化作業，是今后移栽機發展的重要一環。鑒于歐美國家機械化移栽起步較早，總結了大量設計經驗，吸收國際上的先進技術，結合我國現狀加以改進，是優化方法的關鍵手段之一。

2)提升機械化移栽質量的穩定性。提升工作效率的另一種方法是保證移栽質量的穩定，避免二次作業，降低成本。根據油菜缽體苗的特性與其移栽環境的特點對移栽機構進行優化設計，減少漏栽、倒伏等不利于移栽的現象產生，改進移栽方法，避免對油菜缽體苗的損傷而導致油菜后期的產量下降。

3)移栽機構適應性的多樣化。為了減輕農民負擔，降低移栽作業的成本是移栽機發展必須考慮的問題。提升移栽器的通用性，移栽機構需要適應不同移栽環境更是我國油菜移栽機械化面臨的難題之一。為了增加移栽機的適應性，需要增加移栽器的可調整型，能夠讓移栽機最大限度地滿足不同工作情況的需求，保證油菜移栽機既能在北方沙土大田快作業又能在南方含水率較高的黏性土壤中作業。

4)移栽的智能化。隨著我國農業人口的減少，全自動智能化移栽將成為未來的趨勢。為了更快地實現智能化，需要移栽機構結構盡可能地簡單化，且方便在機構上安裝傳感器，實現對機構精確控制，以及移栽作業數據的實時監控與反饋。移栽的智能化是在前三點的基礎上提出的，只有油菜的機械化移栽具備了高速、穩定、多適應性等條件之后，智能化移栽的作用才能被最大程度地發揮出來。