水稻缽苗移栽機試驗研究

胡敏娟，張文毅，浦 毅，張 敏，紀 要，盧 晏

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

水稻缽苗移栽機試驗研究

胡敏娟1，張文毅1，浦 毅2，張 敏1，紀 要1，盧 晏1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

水稻缽苗移栽是一種利用缽盤育秧的水稻移栽技術(shù)，是水稻種植過程中的重要環(huán)節(jié)。由機械替代人工完成移栽是推廣缽苗移栽技術(shù)的關(guān)鍵。為此，在以五桿雙曲柄分插技術(shù)為核心的水稻缽苗移栽機上進行試驗研究，結(jié)果表明：水稻單穴內(nèi)秧苗拉拔力小于抗拉斷力，取苗秧夾夾持秧苗莖稈的取苗方式可行；水稻缽苗移栽機栽深和株距可控，栽植翻倒率為16.7%，漏插率為14.7%，傷秧率為3.4%，栽后第2天長型根，基本無緩苗；由根系生長來看，缽體苗表現(xiàn)更為粗壯，抗倒伏能力強；產(chǎn)量較同期毯狀苗機插每穗平均增加4.6%。同時，針對水稻缽苗移栽機試驗中所產(chǎn)生的作業(yè)質(zhì)量、效率等問題，分析了農(nóng)機和配套農(nóng)藝問題，旨在對后續(xù)機具的研發(fā)提供參考，為水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

水稻缽苗移栽；缽苗插秧；取苗秧夾

0 引言

目前，水稻機械種植主要有直播、插秧和拋秧3種方式。直播生長期長，影響后茬作物的生長，不利于輪作；插秧對根系損傷大，緩苗期較長；拋秧對根部損傷小，但作業(yè)無序，影響水稻通風(fēng)和均勻吸收陽光和地面養(yǎng)分，容易引發(fā)病蟲害。水稻缽苗移栽機插秧技術(shù)是當(dāng)前水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一項創(chuàng)新技術(shù)，它將傳統(tǒng)水稻機插、拋秧技術(shù)優(yōu)勢有機結(jié)合，既克服了傳統(tǒng)插秧機械對秧齡限制嚴格、損傷秧根、影響秧苗生產(chǎn)的缺點，又解決了拋秧作業(yè)秧苗不能有序成行的難題，與傳統(tǒng)毯狀苗機插秧相比，具有秧苗淺栽、緩苗快、低節(jié)位分蘗多、成穗率高、節(jié)約種子、節(jié)省營養(yǎng)土及穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)等優(yōu)勢[1-3]。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

水稻缽苗移栽機關(guān)鍵部件分插機構(gòu)設(shè)計為五桿雙曲柄機構(gòu)，包括控制桿、曲柄、彈簧、凸輪和取苗秧夾等[4]，如圖1所示。

圖1 水稻缽苗移栽關(guān)鍵部件及運動軌跡Fig.1 Key parts and trajectory of rice pot seedling transplanter

工作時，人工將水稻缽苗盤有序放入秧箱，缽苗高度方向與秧箱呈垂直狀態(tài)。為避免取苗秧夾在取苗前與秧箱發(fā)生干涉，取苗秧夾運動軌跡的曲率在夾持、拔取缽苗點附近需要迅速變化：取苗點前取苗秧夾與缽苗莖部垂直靠近并夾緊獨立穴格內(nèi)單株或多株缽苗莖部，取苗點后取苗秧夾運動軌跡應(yīng)盡量與秧箱垂直，即沿秧苗高度方向?qū)⑵溆行О纬?，拔苗過程中取苗秧夾姿態(tài)變化越小則對秧苗的損傷越??；取出秧苗后沿腰型軌跡完成植苗，取苗秧夾在凸輪作用下打開，并將秧苗推出執(zhí)行定植動作。曲柄旋轉(zhuǎn)1周，取秧夾夾取缽苗插秧1次，栽植頻率為100～120次/min。

圖1(b)為雙曲柄機構(gòu)通過增加第2驅(qū)動桿起始偏轉(zhuǎn)角度來改變分插機構(gòu)軌跡的仿真分析，圖1(b)右圖為該試驗研究中分插機構(gòu)的栽植軌跡。

分插機構(gòu)在取苗位置主要控制取苗時間點與大小適度夾持力和拔取力，而在栽植位置主要控制推秧時間點與推秧距離。為保證秧苗栽插直立率，分插機構(gòu)設(shè)計必須要準確控制該最佳推秧位置點[5-7]。圖1中，A點為分插機構(gòu)栽插行程上一點，B點為最低插秧點，C點為分插機構(gòu)栽插回程上某一點。假設(shè)B點為分插機構(gòu)栽插最佳位置，即在該點推秧器將秧苗推壓入土，在運動軌跡上的點A和點C則分別對應(yīng)推秧前和推秧后兩個位置。為使將秧苗按壓入土，并保持最佳直立度效果，要求分插機構(gòu)秧針在B點位置處：VB×sinα=V機(零速投苗)。其中，V機為機器前進速度，與分插機構(gòu)在B點X方向上的速度大小相等、方向相反。如圖1(b)所示，α1≤α≤α2≤90°。由正弦定律可得：A點分插機構(gòu)速度分量：VA×sinα1﹤V機，秧苗向插秧機前進方向傾斜；C點速度分量VC×sinα2﹥V機，則秧苗向機具后退方向傾倒。另外，設(shè)計取苗秧夾在凸輪作用下秧針推出距離要求≥5mm，以保證良好的立苗效果。

2 試驗設(shè)計與分析

為進一步探究水稻缽苗移栽的優(yōu)勢及移栽機械作業(yè)質(zhì)量，為推廣缽苗移栽技術(shù)提供理論與技術(shù)支持，設(shè)計如下試驗：①水稻缽苗拉拔力試驗，獲取取苗秧夾拉拔缽體苗莖稈力學(xué)特性；②水稻缽苗栽插對比試驗，對比分析移栽機械作業(yè)質(zhì)量(株距、栽深、翻倒率、漏插率和傷秧率等)及缽苗機插與毯苗機插產(chǎn)量對比。

2.1 水稻缽苗拉拔力試驗

為能將水稻缽苗從生長苗盤中有效取出，取苗秧夾夾持莖稈的拉拔力必須大于秧苗抗拉斷力，因此通過試驗獲取夾持適齡秧苗莖稈拉拔力情況。試驗材料有拉力計、夾具及水稻缽苗如圖2所示。

試驗中固定苗盤，用夾具夾持單穴內(nèi)的秧苗莖部，向上提拔缽苗并有效拔出，拉拔力即為量具所示的該力大小。試驗結(jié)果如表1所示。

圖2 試驗用水稻缽體苗Fig.2 Test rice pot seedling表1 拉拔力Table 1 Drawing force

序號拉拔力/N11.6000.4410.8820.1963.14520.6371.2053.2431.2740.83330.5390.9310.5391.9891.91140.9801.8913.1941.4011.30352.4301.2250.5390.9311.4562.9201.1071.0580.5390.53971.3230.5881.3230.5881.86280.8332.3162.0871.3234.90990.9311.2741.6261.6951.225101.3032.7732.0871.0781.842

由以上拉拔力數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知：拉拔力大多在0.5～3N范圍內(nèi)。最小為0.196N，最大為4.909N，均發(fā)生在單穴內(nèi)苗株較少和較多的時刻。由于根系發(fā)展情況不同，單穴內(nèi)株數(shù)較多時根系發(fā)達，串根較多，拉拔力較大；反之，則拉拔力越小。

上述夾取單株或多株秧苗莖部所需的拉拔力(Fmax=4.9N)均小于秧苗的抗拉斷力20天秧齡平均抗拉斷力5.59N[8]。也就是說，在常規(guī)播種條件下，夾持缽苗莖部拔取秧夾設(shè)計能夠滿足取苗力學(xué)設(shè)計要求有效取苗。

2.2 水稻缽苗栽插對比試驗

為獲取水稻缽苗移栽機分插機構(gòu)作業(yè)性能和質(zhì)量信息，設(shè)計水稻毯狀苗和缽苗(常規(guī)稻3～5粒播種)栽插對比試驗。試驗設(shè)計在同一播種育苗環(huán)境下，按機具最小栽植密度、最少插深對水稻毯狀苗和缽體秧苗進行機械栽插。毯狀苗栽插使用洋馬6行乘坐式插秧機，對比分析兩種栽插方式的作業(yè)質(zhì)量、秧苗生長情況和產(chǎn)量情況，分析得出該分插機構(gòu)的優(yōu)劣。試驗作業(yè)條件按江蘇水稻栽種要求株距選擇最小，栽植深度固定在最淺位置，栽植效果如圖3所示。

圖3 田間試驗效果圖Fig.3 Field test rendering

1)栽深。因缽苗優(yōu)勢就是秧苗淺栽，能充分利用地表泥溫高、表層氧氣充足的優(yōu)勢，提高秧苗成活率。栽深測量即人工將機械栽插過后的水稻拔出水面，測得泥平面到苗缽上表面的距離，如圖4所示。試驗測得水稻缽苗移栽分插機構(gòu)栽深在0～20mm范圍內(nèi)，栽深穩(wěn)定性欠佳。

圖4 插深測量Fig.4 Transplanting depth measurement

栽深不穩(wěn)定的原因除機器自身可靠性外，與整地質(zhì)量有關(guān)。整地全田高低差要小(<3cm)，表土上細下粗，插秧作業(yè)時不陷機、不壅泥[9]，因此試驗用地整地質(zhì)量還需提高。

2)株距。如圖3所示，對每10株秧苗測量距離，詳細數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 株距

計算得株距平均157.55mm，較比理論值153mm(理論株距×(n-1)，其中n為所測缽苗總數(shù))差異不大。

3)翻倒率、漏插率和傷秧率。翻倒穴數(shù)、漏插穴數(shù)和傷秧數(shù)[10]等參數(shù)均是反應(yīng)插秧機具栽插質(zhì)量的重要指標。具體計算方式為

翻倒率=(翻倒穴數(shù)÷500)×100%

漏插率=(漏插穴數(shù)÷500)×100%

傷秧率=(傷秧株數(shù)總和÷500穴內(nèi)秧苗總株數(shù))×100%

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理得：翻倒率16.7%，漏插率14.7%(部分由于本身穴格內(nèi)沒苗)，傷秧率3.4%。

翻倒率主要出現(xiàn)在株距最小或田塊較低洼的區(qū)域。株距最小時秧苗翻倒原因有待力學(xué)分析，低洼地區(qū)會導(dǎo)致分插機構(gòu)無法完成有效定植；漏插問題主要在育苗播種或水稻稻種出苗率環(huán)節(jié)，因試驗過程中發(fā)現(xiàn)秧夾推秧所得的穴孔內(nèi)本身無苗，從而造成漏插現(xiàn)象。缽體苗栽插后的第2天長型根，生長情況基本穩(wěn)定；毯狀苗則存在至少1周及以上緩苗期。

2.3 水稻缽苗產(chǎn)量對比

收獲期隨機挖掘出單顆秧苗對比不同秧苗根系情況如5圖所示。

圖5 根系發(fā)展情況對比Fig.5 Contrast of root growth

從圖5根系生長情況來看，單穴內(nèi)毯壯苗根系長度最短，缽體苗則表現(xiàn)較為粗壯。劉法謀等在《雜交水稻根系生長優(yōu)勢與對環(huán)境因子的響應(yīng)和調(diào)控》一文中提出根系粗壯是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保證[11]。產(chǎn)量對比如表3所示。

表3 產(chǎn)量

由上述數(shù)據(jù)得出：機械栽插缽體苗每穴株數(shù)17.2株，穗粒數(shù)112.52粒，平均千粒質(zhì)量為33.2g，計算得出每穗產(chǎn)量為3.74kg；機械栽插毯狀苗每穴株數(shù)20.2株，穗粒數(shù)112.07粒，平均千粒質(zhì)量為31.8g，計算得出每穗產(chǎn)量為3.56kg；穗粒數(shù)兩者差異不大，因千粒質(zhì)量不同，產(chǎn)量平均每穗增加4.6%。

3 討論

綜上所述，農(nóng)機及配套農(nóng)藝等問題需進行深入研究，具體如下：

1)育苗播種問題。對土壤粒徑和缽孔內(nèi)土壤壓實度要求：本身缽孔用土量、播量少，倘若有大粒徑基質(zhì)架空種子，則會出現(xiàn)種子發(fā)芽困難，發(fā)生缺苗。對播種精度要求：播種精度高，空缺率要小；或選用出芽率高的水稻品種。

2)栽深控制問題。添加仿形機構(gòu)，穩(wěn)定栽插深度，充分展現(xiàn)水稻淺栽優(yōu)勢。

3)作業(yè)效率問題。該種機具純工作生產(chǎn)率為0.1～0.2hm2/h，1臺洋馬高速插秧機作業(yè)效率約為0.45hm2/h，按1天工作8h計算，1天插秧畝數(shù)差異達1.9～2.7hm2田，另需配套輔助人員完成秧苗補給。課題組成員準備改五桿雙曲柄機構(gòu)為非圓齒輪傳動，在此基礎(chǔ)上改進優(yōu)化設(shè)計，以提高插秧工作效率，搶上農(nóng)時，減輕農(nóng)民勞動強度，從而得到農(nóng)民的接受。

4)缽苗規(guī)格問題。對適應(yīng)不同水稻品種秧苗生長和機械化移栽的缽體規(guī)格、秧苗質(zhì)量進行研究，以滿足不同地區(qū)農(nóng)藝種植需求。

5)機械栽插對節(jié)位分蘗的影響。一般分蘗出現(xiàn)早晚直接影響孽位孽次高低、成穗率和穗部性狀。因此，應(yīng)分析研究機械栽插對影響水稻分蘗發(fā)生的遲早、多少和分蘗質(zhì)量高低的因素，除品種本身的特性外，還有秧田和本田期的各種環(huán)境因素，如溫度、光照、肥水管理及移栽質(zhì)量等。

4 結(jié)論

1)水稻單穴內(nèi)秧苗拉拔力小于抗拉斷力，取苗秧夾夾持秧苗莖稈的取苗方式可行，但播量必須控制。拉拔力大小與穴格內(nèi)秧苗株數(shù)(或播種粒數(shù))成正比例關(guān)系。

2)水稻缽苗移栽機栽深和株距可調(diào)，作業(yè)穩(wěn)定性有待提高。栽植翻倒率為16.7%，漏插率為14.7%，傷秧率為3.4%，栽后第2天長型根，基本無緩苗。

3)從根系生長來看，缽體苗表現(xiàn)更為粗壯，抗倒伏能力強。

4)產(chǎn)量較同期毯狀苗機插每穗平均增加4.6%。水稻缽苗機插主要彌補了機插毯狀秧苗有緩苗轉(zhuǎn)青期的欠缺，結(jié)穗后稻穗沉旬、谷粒飽滿。從產(chǎn)量結(jié)果看：兩種秧苗成穗粒數(shù)基本相當(dāng)；用缽體苗機械插秧的稻谷千粒質(zhì)量比毯狀苗機插的大，缽苗機插為33.2g，毯狀苗機插31.8g，從而影響最終產(chǎn)量。

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Experimental Study about Rice Pot-seedling Transplanter

Hu Minjuan1， Zhang Wenyi1， Pu Yi2， Zhang Min1， Ji Yao1， Lu Yan1

(1.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China; 2.Yancheng Institute of Industry Technology，Yancheng 224005，China)

Rice pot seedling transplanting is an important process in rice cultivation, which raising seedlings by using plastic plug. In order to promote the transplanting techniques for pot seeding, the transplanting by manual must be replaced by mechanical. In this paper, a serious of experimental study was designed on rice pot seedling transplater which core is the double crank of five-bar mechanism. The result showed that the force pulling seedling from single holes is less than the tensile force, the picking method by clamping seedling stem is feasible, its planting depth and space can control well, planting overturn rate is 16.7%, miss planting rate is 14.7%,damaged seedling rate is 3.4%.Seedling needn't recovering and growing root the next day after planting. According to the root growing, pot seedling is stronger than others, and then has strong lodging resistance. The average yield increment was 4.6% for pot seedling and flat seedling. Based on the problems of working quality, efficiency, etc produced by rice pot seedling transplanter, this article analyzed problems between the agricultural machinery and agronomic, provided reference for preceeding research, and technical support for rice high and stable yield.

rice pot seedling planting； pot seedling transplanting； picking seedling gripper

2016-09-19

中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程種植機械創(chuàng)新團隊項目(2016)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201203059-3)； “十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)

胡敏娟(1982-)，女，江蘇無錫人，副研究員，博士，(E-mail)humj74839@163.com。

張文毅(1966-)，男，南京人，研究員，(E-mail)zwy-yxkj@163.com。

223.92

A

1003-188X(2017)12-0130-05