水稻有序拋秧裝置研究現狀與發展趨勢

張立國,孫振鑫,王澤東,徐衛浩,趙勝雪

(1.北大荒農墾集團有限公司建三江分公司 農業發展部,黑龍江 佳木斯 156300;2.黑龍江東方學院 機電工程學院,哈爾濱 150066;3.黑龍江七星泡農場,黑龍江 嫩江 161435;4.黑龍江八一農墾大學 工程學院,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,其生長出的果實是稻谷,糙米是水稻去掉稻殼的產物,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,為我國糧食生產提供了堅實的基礎[5]。我國農業農村部在《關于開展主要農作物生產全程機械化推進行動的意見》中提出,現階段的任務就是將水稻的耕、種、收等全程機械化水平提升到80%以上[6]。

目前,我國水稻機械種植方式主要采用直播、機械移栽、機械淺栽(拋秧和擺栽)三大方式[7]。不同地區應結合自身水稻種植的實際情況和種植條件,合理選擇機械種植方式,最大限度地提高當地的經濟效益,降低人工成本和勞動強度,促進當地水稻全程機械化的發展進程[8]。

水稻機械直播技術是將水稻種子直接播種在田中,其生產成本較低,播種機相對簡單,適合大規模的水稻種植,但是該技術對水稻品質、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量有比較高的要求[9-11]。水稻機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]。水稻機械插秧采用軟盤育秧技術或雙膜育秧技術培育出帶土的毯狀秧苗,使用水稻插秧機對秧苗進行切塊來實現分苗移栽,即工廠化育秧+精細整地+機械插秧[14-16]。使用水稻機械插秧可以顯著提升水稻的種植效率,與機械移栽相比,人工移栽的產量效率明顯較低,試驗表明機械插秧的作業效率是人工插秧的三倍左右,且人工成本低,有利于節本增效[17-18]。

目前,我國水稻種植大多都采用機械插秧,但由于種植機具工作不穩定,且對水稻生育期、雜草防治有較高要求,插秧后還需要進行人工補苗,增加種植成本。所以,將水稻種植方式由機械插秧轉變為機械有序拋秧種植,以此來提高水稻品質和產量,節本增效的同時降低勞動強度,是水稻產業發展的重要任務[19-21]。

1 水稻有序拋秧農藝要求

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

表1 秧苗指標

稻種發芽的最低溫度為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,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,因此水稻和常規稻的浸種時間長?！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行育秧,秧苗之間互相獨立、互不影響,相比于機械插秧的秧盤可以有效防治病蟲害[26-28]。

2 國外研究現狀

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

20世紀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并進行了應用,采用拋秧的形式進行水稻種植,取得了驚人的效果,標志著水稻拋秧技術研究的開始,引起了日本農學家的重視[29]。1971年,日本北海道中央農業實驗站開始研究紙管水稻育苗技術,該技術被稱為“空中移栽稻作”[30]。由于后期在培育秧苗過程中出現紙管之間容易相互粘結,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]。通過不同地區和不同氣候類型的試驗研究,證明水稻拋秧栽培技術是可行的,為之后的研究學者提供了參考,值得在其他國家和地區學習和推廣。

3 國內研究現狀

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

陳旭暄等[32]針對機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(圖1),首次實現了水稻秧苗的有序成行拋栽。通過建立秧苗拔取過程的數學模型,優化輸秧拔秧裝置的各個參數,得出拔取秧苗時傾角為137°,并在北京市和江蘇省進行了田間試驗,結果表明秧苗直立率達到了80%,所拋秧苗的均勻度、整齊度與人工和機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。但該機器需要特制的育秧盤,且在夾取秧苗過程中易損傷秧苗,產生漏播、株距不均勻的問題[33]。

圖1 對輥夾持式水稻撥秧機構及整機圖

農業農村部南京農業機械化研究所針對傳統拋秧機器秧苗雜亂無序,不符合農民傳統種植習慣的問題設計了2ZU-6型頂桿式水稻有序拋秧機,其結構原理如圖2所示。通過滾筒內的頂桿和凸輪將秧盤內的缽苗頂出,經過導苗管進行拋秧?；旧蠈崿F了有序拋秧,成行清晰,但該機器對于秧苗品質要求較高,當秧盤底部泥土較多、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,且該機器通過頂桿頂出秧苗對苗的傷害較大,影響播種質量[34]。

1.導苗管;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.送進凸輪;16.機架;17.連傳動;18.滾筒;19.船板

黑龍江八一農墾大學陳恒高等[35]研制的2SP-4型機械手式拋秧機(圖3)實現了有序拋秧,成功地將復雜的機械運動分解成為各個部件的簡單運動,同時進行了臺架試驗和田間試驗,實現了自動從秧盤中夾取出秧苗,并按照固定的株距和行距進行拋秧,完成了有序拋秧工作。但該裝置工作過程中機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型機械手式拋秧機

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(圖4),氣流自下而上作用在秧苗上,使缽苗保持直立狀態。通過改變輸秧板的振動參數,使秧苗輸送機構能夠均勻地輸送秧苗。建立秧苗輸送機構的有限元模型進行擬態分析試驗和擬態分析計算,結果表明,模擬結果和試驗結果基本一致,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,費時費力,機器能量消耗過大,工作效率較低。

圖4 氣流振動式有序拋秧機

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

1.發動機;2.負壓風機;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.橫向移箱步進電機;9.縱向移箱步進電機;10.單片機控制箱;11.電磁鐵;12.分開式秧船;13.驅動曲柄擺桿機構步進電機;14.牽引裝置;15.蓄電池;16.驅動葉輪(雙輪)

王玉興等[38]提出了一種氣力式有序拋秧機輸秧機構(圖6),并應用Visual Basic 6.0軟件對輸秧機構進行了運動模擬和分析,推導出了適用于輸秧機構的運動分析、動態模擬,以及速度、加速度、位移方程。應用有限元仿真分析,對拋秧氣流場進行仿真,對初始壓強做了正交試驗,結果表明,0.65 MPa和0.5 MPa的初始壓強拋秧效果較好,為氣力式有序拋秧機的設計、改進、優化和性能提升,提供了有利的科學依據[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.導苗管;9.拋秧位置;10.噴嘴;11.氣罐;12.輸秧滾筒

中聯重科研制的2ZPY-13A水稻有序拋秧機(圖7)是我國目前唯一推廣使用的水稻有序拋秧機,其克服了人工手拋秧的分布無序,彌補了水稻插秧機行距固定的缺陷[40]。2ZPY-13A水稻有序拋秧機行距可在21～32 cm范圍內調節,株距分為8擋可調,使基本苗量和密植度比機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、分蘗早、分蘗節位低(秧苗入泥淺)、分蘗多的優勢。但該機器拋秧效果受風力影響較大,超過5級風拋秧時會產生秧苗飄移、入土行程過低的問題[41]。

圖7 2ZPY-13A水稻有序拋秧機

4 水稻有序拋秧的技術難點

1)拋秧質量受天氣風力影響較大,不建議在風力≥5級時進行作業。

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效率。

3)拋秧前,秧苗需按照規范合理澆水,不宜澆水過多,否則發生丟苗、堆苗現象。

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合緊密,最好打完漿2～3 d就進行拋秧,但因封閉藥時間不足,易出現藥害。

6)秧苗質量較輕,容易漂苗,降低成苗率。

7)智能化程度低,且在拋秧作業過程中有光照影響,使拋秧質量監控系統的研究困難。

5 解決方案

針對國內外現有水稻有序拋秧裝置存在的漏插、作業效率不高、秧苗入土行程過淺、秧苗下落過程受風力影響較大等問題,受到學者們研究氣力式水稻拋秧裝置的啟發,設計一種氣吹式水稻有序導秧裝置。

在拋秧裝置后安裝氣導秧管,使秧苗在依靠自身重力和風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力影響產生的漂移現象,成行不均勻的問題。在導秧管上部加裝氣吹式風機,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智能化程度低,拋秧監控系統研究困難的現象,之后還應繼續運用高科技手段,在拋秧機構處設置一處密閉空間,使用高精度的光電傳感器對缽苗拋落過程進行監控,實時掌控拋秧效果。

6 結論

有序拋秧能夠使拋出的秧苗形成規則的行、列,和插秧機插秧效果基本一致,解決了人工拋秧秧苗雜亂無章且不利于中耕除草和機械化收割的缺點,具有秧苗損傷少、返青快、采光好、低節位有效分蘗多、穗型整齊、成熟一致等優點?？紤]到我國水稻種植產業現狀,與農業先進國家間的巨大差距,拋秧技術已勢在必行。

從宏觀角度分析,我國政府正提倡機械化農業與智慧農業國家戰略,明確提出機械化種植與收獲,努力實現全程、全面機械化作業標準,而拋秧技術可減緩寒地水稻的緩苗期,有利于生長發育。然而與先進國家相比,國內針對拋秧的基礎研究相對薄弱,意識不強,核心技術儲備不充足。在滿足農藝作業需求的條件下,如何實現水稻拋秧有序化、作業標準化和產量提升度是當前農業工程領域面臨的一項重大科學任務。