油菜钵体苗移栽机构研究现状与发展趋势

肖名涛，肖仕雄，孙松林，陈 斌，陈 盛

(1.湖南农业大学 工学院，长沙 410128;2.湖南省现代农业机械装备工程技术研究中心，长沙 410128)

0 引言

随着人口数量的增长，工业化和城镇用地增加，土地沙漠化面积扩大，人均可耕地面积正逐年减少，粮食产量可持续增长成为农业发展的主要难题。在我国，由于土地资源稀缺，依靠增加耕种面积较大幅度提高粮食产量难以实现，而采用品种改良和新的农艺方法提高粮食作物的单产，将是提高粮食总产的有效手段[1-2]。

移栽技术能够充分利用光热资源、提升复种指数，具有对气候的补偿作用，可将农作物的生育期提前15天左右，并可有效地避免早春低温、倒春寒、霜冻、冰雹等气候的不良影响。该技术可避免虫害、干旱等自然灾害，提高幼苗成活率，确保每株农作物达到农艺要求;可以延长农作物的生育周期，增加积温，提高农作物的品质，进而有效地增加单产。移栽技术是大幅度提升粮食产量的有效手段之一，也是我国目前确保农产品安全的重要手段[3-5]。

油菜是我国主要的油料作物，常年油菜播种面积700万hm2，总产1 200万t，单产1 800kg/hm2。面积、总产量居世界首位，单产高于世界平均水平。国内油菜生产一般以传统人工操作，每667m2需要12～14个工，用工费用占生产成本的60%以上；而加拿大等国油菜生产全程机械化，每667平方米用工量不到1个，澳大利亚劳动成本不到3%[6]。

长期以来，我国油菜移栽一直沿用传统的手工劳作方式，劳动强度大，生产效率低。由于油菜种植面积的增加和农村劳动力的转移，油菜移栽机械化已成为农民越来越迫切的要求。与小麦、水稻生产机械化发展速度相比，油菜机械化的发展比较迟缓，移栽技术落后、效率低已成为油菜生产的制约因素，这种状况与我国油菜生产大国地位很不相称[7]。移栽机构作为移栽机的核心部件，一款高速、稳定、适应性好的移栽机构将会是提升移栽效率的关键途径之一。

1 油菜移栽机构的类型及工作原理

目前，油菜移栽机的分类尚无统一标准。根据育苗移栽方式的不同，可以分为裸苗、营养块和钵体苗移栽机；根据自动化程度，可分为手动、半自动移栽机与全自动移栽机；根据悬挂系统的不同，又能分为牵引式和自走式。国内移栽机一般采用的分类方法是按照移栽机构的不同进行分类，能够适应油菜钵苗移栽的农艺要求的有钳夹式、吊篮式、挠性圆盘式、导管式及往复式移栽机[8-9]。

1.1 钳夹式移栽机构的结构特点及工作原理

钳夹式移栽机构由栽植盘、驱动链条和秧夹组成，如图1所示。作业时，人工将秧苗放到秧夹上，链条带动秧夹向地面运动，秧苗随着秧夹一起转向地面；当链条转动到最低点时，秧夹打开，使秧苗植入开沟器开出的沟槽中。这种类型的移植器结构简单，株距和栽植深度稳定，造价低；但在高速作业时，人工喂苗容易导致漏苗、缺苗现象的发生，且秧苗容易被秧夹损伤，整个机构株距调节困难[10]。

1.2 挠性圆盘式移栽机构的结构特点及工作原理

挠性圆盘式移栽机构的主要工作部件有挠性秧爪及驱动圆盘，如图2所示。作业时，需要人工将秧苗放入喂苗器中，秧苗经过喂苗器后落入两个张开的挠性秧爪中间，秧爪被弹性滚轮压合，将秧苗夹持；挠性秧爪带着秧苗在圆盘的驱动下向地面运动，当转动到与地面垂直时，秧爪脱离弹性滚轮，秧苗被释放，最终秧苗移栽至开沟器开好的沟槽中。该型移栽器结构简单，夹持秧苗不受钳夹或链夹数量限制，生产成本低，对株距适应性好，但移栽深度不稳定，存在伤苗、漏苗、埋苗等现象，且秧爪耐久性差。

1.链条 2.秧夹

1.挠性秧爪 2.圆盘

1.3 吊篮式移栽机构的结构特点及工作原理

吊篮式移栽器主要由吊篮式栽植器、偏心圆盘及栽植圆盘组成，如图3所示。工作时，吊篮的两端沿着偏心圆盘和移栽圆盘的轨迹运动，使得吊篮始终与地面垂直；当吊篮运行到最上端时，人工将秧苗放入吊篮内，完成喂苗；在偏心圆盘和栽植圆盘的带动下，栽植器运动至最低点，固定滑道使栽植器下端打开，秧苗落入沟中，完成移栽。这类型的移植器结构比较复杂，调整株距困难，喂苗速度慢，在粘性土壤中打孔困难，移栽效果不理想[11]；但是，该型移栽器在工作期间能保护秧苗不受任何冲击，不容易伤苗，直立度好，适用于钵体苗及裸苗移栽。

1.吊篮 2.偏心圆盘 3.栽植圆盘

1.4 导管式移栽机构的结构特点及工作原理

导管式移栽机构的组成是由导苗管和控制机构组成，如图4所示。作业时，需要将秧盘输送至制定位置，然后将其底盘抽出，秧苗落在托盘上，再由托盘将秧苗送至导管入口，秧苗就会顺导管到已打好的孔中，完成移栽过程。导管式移栽器对秧苗冲击小，能够保证秧苗在移栽时的直立度和栽植深度，但需要配合打孔装置进行作业，由打孔装置对行距和株距进行控制，导致移栽成本增加，且在高速作业下容易出现漏栽和重栽现象。

1.机架 2.开沟器 3.肥料箱 4.地轮 5.链轮 6.导苗管 7.链轮 8.覆土板 9.凸轮间歇机构 10. 承接盘 11. 镇压轮 12.钵体苗 13. 座位

1.5 往复式移栽机的结构特点及工作原理

往复式移栽机主要由鸭嘴栽植器、多杆式驱动机构和喂苗盘等组成，如图5所示。工作时，由喂苗盘将秧苗喂入鸭嘴式栽植器中，栽植器在多杆机构带动下按照一定的工作轨迹到达底部完成开穴；随后鸭嘴栽植器张开，钵苗落入开好的孔中，最后由多杆机构带动栽植器脱离栽植孔并回转至初始区域，同时镇压轮覆土完成移栽作业。往复式移栽机构能够保证较高栽植率且株距的调整方便，不易伤苗，漏插、重插现象相对较少，在粘重土壤环境中适应性好；但机构较为复杂，维护较困难，移栽速度相比前几种较缓慢[12]。

2 国内外移栽机构的研究现状

一些发达国家对育苗移栽技术的研究较早，在20世纪20年代开始研发秧苗栽植机具，30年代出现了手工喂苗的移栽机械，50年代出现了多种不同形式的半自动移栽机，到80年代半自动移栽机已在生产中广泛使用。90年代,有关部门加强从育苗到栽植整个系统的研究,使育苗和栽植有机地结合,研制出多种全自动移栽机[13]。根据钵苗移栽时的状况，主要分为穴盘苗移栽机和压缩基质苗自动移栽机。这两种机型都采用了取苗送苗与移栽机构相结合的方式实现全自动移栽[14]，但全自动移栽机的取苗送苗装置结构复杂、整机价格过高，导致其推广缓慢[15]。

发达国家的移栽技术可以分为两类：一是以美国、澳大利亚等国为代表的大农业生产方式，由于其耕地面积广阔，移栽机的研发以多行自动化作业为主，适用于我国北方平原地区大田油菜移栽；二是以日本等国为代表的小农业，由于其地块小、人口密度大、降雨时间长，移栽机的研发多以轻便、灵活及适应含水率高的黏土为主，机型更适合我国南方的“稻板田”中的油菜移栽作业[16]。

我国最早对移栽机的研究始于20世纪50年代，当时主要是试验研究棉花育苗移栽机和甘薯穴盘苗栽植机；70年代，我国开始研究裸根苗移栽机；在80年代，成功研制了半自动蔬菜移栽机。在这期间，引进了国外先进的移栽机械，但由于育苗技术和移栽配套性技术的局限性，未得到国内市场的认可[17]。目前，我国在政策上的扶持及对移栽机构的研究的深入，使得移栽机的市场逐渐打开，有一部分成熟的机型面市，但大多数的还是处于研发阶段，与国外的产品还存在一定差距。

2.1 钳夹式移栽机构

钳夹式移栽机构作为一款机构简易、性能可靠的移栽机构，代表机型有意大利法拉利公司(Ferrari)生产的FPS系列移栽机，如图6所示。该改机型采用成排喂苗，最大移栽行数为7行，最高移栽速度2 500株/(h·行)，行距28～49cm，最小株距27cm，株距连续可调，如图7所示。

国内的南通富来威农业装备有限公司在2008年研制了2ZQ-4型半自动油菜移栽机，主要用于油菜的裸苗和钵体苗移栽。这款机型由4人操作，可对4行进行移栽[18-19]。

图6 意大利法拉利公司生产的F系列移栽机

图7 2ZQ-4型半自动油菜移栽机

2.2 挠性圆盘式移栽机构

挠性圆盘式移栽机构的圆盘一般由橡胶材料或薄钢板制成，机构简单，成本低，但圆盘的寿命较短，多适用于小钵体、长茎秆的作物，通用性较差，栽植深度不稳定[20]。

其主要代表性的机型有日本久保田生产的KN型半自动移栽机、法国生产的皮卡尔全自动移栽机、德国PRIMA公司生产的加盘式压缩土钵苗移栽机。国内机型主要是由黑龙江省研制的2ZT-2型移栽机，机组作业人数3人，作业行数2行，生产率0.2hm2/h[21]。

2.3 吊杯式移栽机构

吊杯式移栽机构主要用于膜上移栽，移栽与打孔同时进行，避免了重栽与漏栽现象。代表机型有日本井关PVHR2乘坐式蔬菜移栽机(见图8)，栽植行数为2行，最高移栽速度为3 600株/(h·行)，行距可调节范围为30～40cm和40～50cm；株距调节为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)，最大行数为7行，行距30～100cm，最小株距20cm，株距连续可调。国内的代表机型有南通富来威农业装备有限公司研制的2ZBX系列悬挂式吊杯移栽机(见图9)，该系列机型最大移栽行数为6行，对应的操作人数7人，最小行数为1行，对应的操作人数为2人。移栽速度2 100株/(h·行)，株距适应范围为20～198cm。

安徽博莱泽农业机械科技有限公司研制的2ZB-2型移栽机采用转盘式喂苗方式，最大移栽行数为2行，机组操作人数为2人，采用拖拉机牵引作业，移栽速度为3 750株/(h·行)，移栽行距范围26～80cm，株距范围20～32cm，漏载率小于3%[22]。

图8 井关PVHR2乘坐式蔬菜移栽机

2.4 导苗管式移栽机构

导苗管式移栽机构最大的优点是不伤苗，能够达到较好的直立度和更深稳定度，代表机型有意大利法拉利公司生产的采用水平回转格盘喂入的MULTIPLA系类移栽机，如图10所示。该型号移栽机采用轮转式人工投苗，最大作业行数为6行，最高移栽速度5 000株/(h·行),行距范围30～100cm，最小株距8cm,株距连续可调；

国内的相关机型有中国农业大学研制的2ZDF型半自动导苗管式移栽机(见图11)，采用了旋转杯式喂入器，作业的范围在2～6行,操作人员为1人/行，喂苗频率60株/min，作业速度0.7～1km/h，最小行距为55cm，株距调整范围在14～34cm。[23]。

图9 2ZB-2型移栽机

图10 法拉利公司生产的MULTIPLA系列移栽机

图11 2ZDF型半自动导苗管式移栽机

2.5 往复式移栽机构

往复式移栽机构能够保证钵苗的直立度及株距的可调性，机构的入土力度较大，适应于粘性土壤环境下的移栽。湖南农业大学肖名涛、孙松林、罗江河等设计了一种双平行多杆栽植机构，山东农业大学朱斌彬、吕钊钦设计了一种甘薯移栽机。前者在曲柄滑块机构上增加了1套双平行摇杆机构和1套曲柄摇杆机构，使得其运动轨迹与农艺要求的轨迹相符合，简化了移栽机构，提升了移栽效率；后者采用了齿轮齿条加四杆机构的传动方式来达到农艺要求的移栽轨迹。工作时，将秧苗放入夹苗钣金上，由传动链轮、槽轮机构、同步带轮及同步带组成的间歇式送苗装置输送至栽植机构进行移栽[24-26]。

由于欧美地区的油菜移栽多采用大规模多行移栽作业，且其移栽的环境多为沙土，往复式移栽机构在沙土环境下的作业效率相对于其他机构不太理想，但往复式移栽机构在粘重土壤条件下的适应性比较强，主要适应于我国南方油菜的移栽环境。因此，国外的油菜移栽机几乎没有采用往复式移栽机构，通常只有水稻插秧机采用了该类型的移栽机构。

3 移栽机构的发展趋势分析

3.1 现阶段移栽机构存在的主要问题

1)农艺与农机的设计联系不紧密。要想达到更好的移栽效果，需要移栽机构符合其农艺要求。株距与行距的确定、入土深度与直立度等都是移栽机构研发的关键因素，这些因素都与油菜移栽的农艺密切相关。另一方面，需要培养适合移栽的幼苗，提升油菜幼苗的存活能力，减少外界因素对幼苗生长的影响，使幼苗能够适应未来高速化移栽的需求。

2)移栽机构的适应性较差。目前市面上的油菜移栽机大多数只能适应松软土壤环境下作业，在我国南方粘重土壤环境中的移栽效果不理想，导致了南方油菜移栽机械化程度低。所以，提升油菜钵体苗移栽机构在粘重土壤环境中的适应能力是现如今迫切需要解决的问题之一。为了在满足农艺要求的条件下增强移栽机构的适应性，可以采用新型的移栽方式或者在已有的移栽机构上进行针对性改进，使其能够适应多工况作业，增加机具的适应性。

3)机构工作状况不稳定，工作效果不理想。如今我国大部分的移栽机都是采购国外的机型，而国内外的工作环境具有一定的差异，导致部分国外机型在国内的工作效果并不理想。为了达到稳定的工作状态，必须对作业土壤的信息及移栽对象的信息进行采集分析，然后根据现场数据在其结构上进行针对性优化设计，提升工作稳定性，减少不利现象的产生。

3.2 移栽机构的发展趋势

1)移栽机作业的高速化。工作效率作为评价移栽机的重要标准之一，优化移栽机构，使移栽机能够满足高速化作业，是今后移栽机发展的重要一环。鉴于欧美国家机械化移栽起步较早，总结了大量设计经验，吸收国际上的先进技术，结合我国现状加以改进，是优化方法的关键手段之一。

2)提升机械化移栽质量的稳定性。提升工作效率的另一种方法是保证移栽质量的稳定，避免二次作业，降低成本。根据油菜钵体苗的特性与其移栽环境的特点对移栽机构进行优化设计，减少漏栽、倒伏等不利于移栽的现象产生，改进移栽方法，避免对油菜钵体苗的损伤而导致油菜后期的产量下降。

3)移栽机构适应性的多样化。为了减轻农民负担，降低移栽作业的成本是移栽机发展必须考虑的问题。提升移栽器的通用性，移栽机构需要适应不同移栽环境更是我国油菜移栽机械化面临的难题之一。为了增加移栽机的适应性，需要增加移栽器的可调整型，能够让移栽机最大限度地满足不同工作情况的需求，保证油菜移栽机既能在北方沙土大田快作业又能在南方含水率较高的黏性土壤中作业。

4)移栽的智能化。随着我国农业人口的减少，全自动智能化移栽将成为未来的趋势。为了更快地实现智能化，需要移栽机构结构尽可能地简单化，且方便在机构上安装传感器，实现对机构精确控制，以及移栽作业数据的实时监控与反馈。移栽的智能化是在前三点的基础上提出的，只有油菜的机械化移栽具备了高速、稳定、多适应性等条件之后，智能化移栽的作用才能被最大程度地发挥出来。