基質(zhì)塊苗蔬菜移栽機(jī)試驗(yàn)研究

崔志超，陳永生,2，管春松，楊雅婷，高慶生，趙國棟

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.江蘇現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

蔬菜種植主要以直播和移栽兩種方式為主，由于育苗移栽利于秧苗成活及后期管理和收獲，使得我國目前約有60%以上的蔬菜品種采用育苗移栽的方式種植[1]。長期以來，蔬菜移栽作業(yè)主要以人工為主，但是在當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)已進(jìn)入高投入、高成本的大背景下，用工難、用工貴的問題在蔬菜生產(chǎn)中日發(fā)凸顯。近10年來，我國蔬菜生產(chǎn)成本年均漲幅在10%以上，特別是人工費(fèi)用上漲最快，年均漲幅達(dá)18%[2]。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和農(nóng)村富余勞動(dòng)力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力成本不斷增大將成為蔬菜生產(chǎn)發(fā)展的主要制約因素，也將成為實(shí)行機(jī)械化的直接推動(dòng)力。另外，由于蔬菜生長周期短、受氣候影響較大且種植工序繁多，因此急需一種作業(yè)效果好且效率高的移栽機(jī)來替代人工生產(chǎn)。

國內(nèi)于20世紀(jì)60年代開始對移栽機(jī)的研究，最初應(yīng)用于棉花或甘薯種植；80年代研制出現(xiàn)半自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)[3]，由于育苗工藝更新速度慢、移栽機(jī)配套不足等原因而沒能普遍推廣。近幾年，通過技術(shù)引進(jìn)、自主研發(fā)逐漸出現(xiàn)了少量蔬菜半自動(dòng)移栽機(jī)械，如現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司的2ZY系列[4]、華龍農(nóng)備有限公司的2ZBZ系列等?，F(xiàn)有半自動(dòng)移栽機(jī)的業(yè)裝栽植頻率受限于工人喂苗速度，通常在40株/min·行-1左右，作業(yè)效率低，且用工數(shù)在4～5人左右，省力不省工。全自動(dòng)移栽方面，江蘇大學(xué)[5]和浙江理工大學(xué)[6]在這方面發(fā)表論文較多，并研制了樣機(jī)，但與之配套的育苗技術(shù)要求較高，取苗系統(tǒng)復(fù)雜，尚處試驗(yàn)階段，市場上未見到成熟產(chǎn)品推廣。因此，國內(nèi)蔬菜移栽技術(shù)與裝備還處于起步階段。國外蔬菜移栽機(jī)械較發(fā)達(dá)地區(qū)以歐美和日本為代表，從推廣使用程度來講，歐美國家主要還是以半自動(dòng)移栽機(jī)為主，比例約占95%，全自動(dòng)移栽機(jī)受多方面因素影響推廣使用比例僅占5%；而日本恰好相反，由于勞動(dòng)力短缺、丘陵山地較多、田塊較小，推廣機(jī)型以小巧靈活的全自動(dòng)移栽機(jī)為主，如久保田SKP-100MPC型、井關(guān)PVHR2-E18型、洋馬PF2R型等[7-10]。相對半自動(dòng)移栽機(jī)，具有作業(yè)效率較高、省工省力等優(yōu)點(diǎn)，但是專用性較強(qiáng)，對缽苗培育和苗盤制作要求較高，所以在國內(nèi)推廣效果甚微。近幾年，隨著育苗工藝的不斷革新，歐洲國家研究出基質(zhì)塊育苗移栽機(jī)。采用基質(zhì)塊育苗可以防止根部損傷，提高保水保肥能力，因此發(fā)展較快，配套較完善。

針對上述問題，引進(jìn)了一種基質(zhì)塊苗蔬菜移栽機(jī)，該機(jī)器采用機(jī)液氣多動(dòng)力源組合控制，集畦面整平、開溝、移栽、覆土等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)蔬菜快速高效移栽作業(yè)。本文為蔬菜移栽機(jī)械研究提供一種參考機(jī)型，以期在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 整體結(jié)構(gòu)組成

基質(zhì)塊苗蔬菜移栽機(jī)主要由動(dòng)力源、地輪、驅(qū)動(dòng)滾筒、開溝覆土裝置、輸送分苗裝置、栽植裝置及機(jī)架等部分組成，如圖1所示。其中，動(dòng)力源包括液壓泵和空氣壓縮機(jī)，均由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力；地輪分別安裝到機(jī)架的四角，可調(diào)節(jié)機(jī)具整體離地間隙；驅(qū)動(dòng)滾筒由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過鏈條帶動(dòng)栽植裝置和輸送分苗裝置動(dòng)作；開溝覆土裝置位于栽植裝置正下方；輸送分苗裝置設(shè)置在機(jī)架后方；栽植裝置設(shè)置在輸送分苗裝置前方，開溝器正上方；所有部件均固定在機(jī)架上，機(jī)架上方設(shè)置苗盤支架。該機(jī)能一次作業(yè)完成畦面整平、開溝、移栽、覆土等工序。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.動(dòng)力源 2.前地輪 3.驅(qū)動(dòng)滾筒 4.開溝覆土裝置 5.后地輪 6.輸送分苗裝置 7.栽植裝置

項(xiàng)目單位參數(shù)外形尺寸mm3000×3000×1900整機(jī)重量kg600～700配套動(dòng)力kW≥44.1PTOr/min540基質(zhì)塊尺寸mm(30×30-40×40-50×50)行數(shù)行4行距mm≥270(可調(diào))株距mm≥230(可調(diào))效率株/行?h4000

1.2 工作過程

工作時(shí)，機(jī)器由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與移栽機(jī)動(dòng)力源連接，為整機(jī)各部件協(xié)同工作提供動(dòng)力。首先，平底滾筒將栽植區(qū)域內(nèi)的土壤壓平，開溝器在壓平后的土壤上開出矩形栽植溝；然后，人工將方體基質(zhì)塊苗從苗盤內(nèi)成排取出放在后輸送帶上；成排基質(zhì)塊苗被連續(xù)向前輸送，經(jīng)間歇分苗機(jī)構(gòu)區(qū)分后，始終保持前輸送帶頂端只保留1株基質(zhì)塊苗；栽植裝置上的栽植器跨過前輸送帶并夾持頂端的基質(zhì)塊將其帶走，當(dāng)栽植器運(yùn)動(dòng)到近地端時(shí)被打開器被強(qiáng)制打開，方體基質(zhì)塊苗靠自身重力落入開溝器開出的栽植溝內(nèi)；最后，覆土器對基質(zhì)塊進(jìn)行覆土掩埋，完成基質(zhì)塊苗的栽植。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)時(shí)間：2017年5月17-20日。

試驗(yàn)地點(diǎn)：北京中農(nóng)富通農(nóng)場試驗(yàn)田。

試驗(yàn)裝置：多功能蔬菜快速移栽機(jī)樣機(jī)配套雷沃歐豹M954-D型拖拉機(jī)，如圖2所示。

圖2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)對象：生長周期為25d、40×40×40mm的立方體基質(zhì)塊玉米苗，如圖3所示。

土壤條件：沙壤土，試驗(yàn)前采用復(fù)式精整地機(jī)對其旋耕、細(xì)碎、起壟，壟面平整無大土塊、石塊、秸稈及雜草等障礙物，土壤含水率≤20%，符合秧苗栽植要求。

試驗(yàn)方法：將基質(zhì)塊苗蔬菜移栽機(jī)掛接到雷沃歐豹M954-D型拖拉機(jī)上，整機(jī)共4組工作單元，1人負(fù)責(zé)兩組。每次每行連續(xù)測定120株，栽植頻率、栽植質(zhì)量和栽植精度同時(shí)測定，重復(fù)試驗(yàn)3次，取其平均值。

檢驗(yàn)依據(jù)：根據(jù)旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB /T 10291-2013[11]內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖3 方體基質(zhì)塊苗

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果2.2.1.1 栽植頻率

定義單位時(shí)間內(nèi)移栽機(jī)任一栽植行栽植秧苗的全部株數(shù)為栽植頻率，計(jì)算公式如(1)所示。由于4組同步驅(qū)動(dòng)，因此以其中1行為試驗(yàn)對象記錄時(shí)間，如表2所示。

(1)

式中F—栽植頻率(株/min行-1)；

z—栽植株數(shù)(株)；

t—栽植時(shí)間(min)。

表2 栽植頻率試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1.2 栽植質(zhì)量

在測量栽植頻率的同時(shí)，對漏栽率、倒伏率、及試驗(yàn)長度進(jìn)行測定。其中，漏栽株數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)株距Xr=230mm來確定。當(dāng)相鄰兩株距Xi在0.5Xr≤Xi≤1.5Xr范圍內(nèi)時(shí)，合格株距；當(dāng)相鄰兩株距Xi在1.5Xr≤Xi≤2.5Xr范圍內(nèi)時(shí)，漏栽1株；當(dāng)相鄰兩株距Xi在2.5Xr≤Xi≤3.5Xr范圍內(nèi)時(shí)，漏栽2株……以此類推。

以秧苗主莖與地面夾角α為評價(jià)指標(biāo)，定義α≤30°為倒伏，α>30°為合格[12]，以此來判斷秧苗栽后倒伏率。

測量120株秧苗(包括漏栽數(shù))每株栽植狀態(tài)，不得重復(fù)計(jì)算，測定結(jié)果如表3所示。

表3 栽植質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1.3 栽植精度

(2)

(3)

(4)

(5)

Sx—株距標(biāo)準(zhǔn)差(mm)；

CVx—株距變異系數(shù)(%)；

n—實(shí)測株距數(shù)(株)；

H—栽植深度合格率(%)；

Xi—實(shí)測株距(mm)；

Nh—栽植深度合格總株數(shù)(株)；

N—實(shí)測深度總株數(shù)(株)。

表4 栽植精度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 結(jié)果分析

由表1可以看出：同一栽植行3次試驗(yàn)栽植頻率各異，但差異顯著性不是太大，平均栽植頻率(F=57株/min·行-1)，小于技術(shù)參數(shù)中(F=66株/min·行-1)。其原因可能是人工操作不熟練導(dǎo)致喂苗速度受影響，或拖拉機(jī)低速擋未達(dá)到合適的行進(jìn)速度。但該機(jī)器為輸送帶和吊杯組合式移栽機(jī)，以旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB /T 10291-2013規(guī)定的最大栽植頻率(F≥55株/min·行-1)為評判標(biāo)準(zhǔn)，則該機(jī)器能夠滿足要求。

由表2可以看出：4組栽植行同步作業(yè)測得漏栽率為6.67%，倒伏率為4.24%，栽植合格率為95.3%。與旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB /T 10291-2013相比較，漏栽率高出1.67%，其原因可能是氣動(dòng)元件出現(xiàn)氣路不暢造成分苗系統(tǒng)動(dòng)作不連續(xù)及分苗不均，但倒伏率和栽植合格率均大于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提到的性能指標(biāo)。

由表3可以看出：平均栽植株距235mm，標(biāo)準(zhǔn)差圍繞設(shè)計(jì)株距230mm上下浮動(dòng)范圍不大，變異系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤20%，說明栽植株距比較穩(wěn)定；平均栽植深度為62.9mm，能夠?qū)?0×40×40mm的基質(zhì)塊埋實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)變化不大，最終測量栽植深度平均合格率為98.75%，存在個(gè)別基質(zhì)塊掩埋不實(shí)的現(xiàn)象。這原因可能與地勢和土壤整理程度有關(guān)，但其結(jié)果也遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≥75%。

3 結(jié)論與建議

1)引進(jìn)了一種基質(zhì)塊苗蔬菜移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一次作業(yè)可完成畦面整平、開溝、移栽、覆土等功能。采用液壓、氣壓與機(jī)械相互配合的多動(dòng)力源組合傳動(dòng)方式，從而為蔬菜移栽機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

2)通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器的可靠性和作業(yè)效果。以旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB /T 10291-2013為作業(yè)質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，其栽植頻率F=57株/min·行-1，雖小于設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，但滿足且高于移栽機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值；秧苗栽植后倒伏率為4.23%，栽植合格率為95.3%，栽植株距及栽植深度合格率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)試驗(yàn)結(jié)果顯示機(jī)器漏栽率高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值1.68個(gè)百分點(diǎn)，分析原因是：農(nóng)田作業(yè)環(huán)境惡劣，空氣雜質(zhì)多，易造成氣動(dòng)系統(tǒng)堵塞，自動(dòng)分苗系統(tǒng)工作不暢造成，建議下一步對氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。另外，本文僅對機(jī)器的性能進(jìn)行了簡單的驗(yàn)證試驗(yàn)，還需對關(guān)鍵部件進(jìn)行大量單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，研究不同因素的相互作用對本機(jī)器性能的影響，找出最優(yōu)組合參數(shù)，以便對機(jī)器進(jìn)行國產(chǎn)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，適應(yīng)我國蔬菜種植的農(nóng)藝要求。