油菜缽體苗移栽方式對比分析

肖仕雄 肖名濤 孫松林

摘要：闡述了移栽農(nóng)藝對中國油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義，油菜移栽機能夠大幅提升油菜單產(chǎn)，說明了油菜缽苗移栽是促進中國南方稻田油菜產(chǎn)量增長以及作為解決季節(jié)性矛盾的關鍵手段。提出了一種新的移栽方式的分類方法，將其分為循環(huán)式移栽、往復式移栽、開溝橫向移栽以及復合式移栽。通過在移栽效果、工作環(huán)境、移栽速度3個方面對這4種移栽方式進行對比分析，總結了其移栽方式的工作原理、結構組成以及自身特性，得出橫向開溝移栽機構在土壤環(huán)境上適應性最強，探討了油菜缽體苗高速免耕移栽的可行性方案。

關鍵詞：油菜缽體苗;移栽機構;移栽方式;對比分析

中圖分類號：S565.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）14-0012-05

Abstract： The important significance of transplanting agronomy for the development of rape industry in China was expounded.The transplanting machine is a kind of agricultural machinery equipment which can greatly improve the yield of rapeseed per unit area. The transplanting of rape pot seedling can increase the output of rape in the paddies in south China， as well as the key method can solve the seasonal contradiction. A new method of classification for transplanting was proposed， which was divided transplanting into circulating transplanting， reciprocating transplanting， transverse furrow transplanting and combined transplanting. The working principle， structure composition and characteristics of the four types of transplanting methods were summarized through comparative analysis of the four types of transplanting effect， working environment and speed of transplanting. The transversely furrow transplanting mechanism has the strongest adaptability in the soil environment， and the feasible scheme of high-speed and no-tillage transplanting of pot seedling of rapes was discussed.

Key words： rape pot seedling;transplanting mechanism;transplanting method;comparative analysis

油菜是中國主要的油料作物，2011年油菜播種面積710萬hm2，總產(chǎn)量約1 250萬t，單產(chǎn)1 761 kg/hm2。播種面積、總產(chǎn)量居世界首位，單產(chǎn)高于世界平均水平[1]。中國油菜種植區(qū)域主要集中在長江流域的多熟制種植地區(qū)，大多實行稻-油、稻-稻-油或油-棉輪作種植模式。然而，多熟種植所導致的作物輪作、間作的季節(jié)矛盾突出，為緩解茬口矛盾，除了在農(nóng)藝上選育出生育期短的品種外，更為關鍵的是提高作物種植各環(huán)節(jié)間效率，節(jié)省用工[2，3]。

油菜育苗移栽技術能夠充分利用光熱資源，提升復種指數(shù)，具有對氣候的補償作用，以及能夠提前油菜的生育期，縮短其生長周期。經(jīng)多年實踐驗證，移栽技術是大幅度提升糧食產(chǎn)量的有效手段之一，更是解決作物間季節(jié)矛盾的重要手段[4-6]。

中國油菜的主要種植方式分為移栽和直播，在中國長江流域油菜種植主要以育苗移栽為主。相較于機械直播，育苗移栽作業(yè)雖然有效率低、成本高等缺點，但經(jīng)過育苗后的油菜返青期長，且油菜在種植時對行準，種植間隙保持一定，從而能夠減少油菜成熟后的倒伏現(xiàn)象，降低收獲難度。提前育苗能夠彌補全年復種作物生長周期的不足，充分利用土地資源，增產(chǎn)增收[7-9]。

中國南方的油菜種植區(qū)域由于作物之間茬口緊，油菜需要在11月之前播種，而晚稻的收獲期大多在9月中旬到10月下旬，因此，油菜的播種時間有限，要在10～20 d的時間內(nèi)完成大面積的播種作業(yè)，需要使用大量的直播機同時作業(yè)，資源消耗大。如果能夠提前培育油菜秧苗，在油菜播種期時，秧苗已長出穩(wěn)定根系，再將其移栽至田中，不僅能提升油菜幼苗的存活率，還能縮短油菜生長周期，并且擴大油菜的種植面積，提高油菜產(chǎn)量的同時降低了農(nóng)機裝備的投入，節(jié)約了成本，育苗移栽的油菜與直播油菜比較，其分枝高度低，分枝數(shù)與有效果數(shù)高，產(chǎn)量增加23.49%左右[10-12]。油菜移栽需要在水稻收獲之后立即進行。此時的稻茬田（俗稱“稻板田”）土壤含水率高、土壤黏重，即使采用具有強力切削土壤能力的旋耕機耕作也難以將土壤加工細碎。導致移栽成本增加，種植油菜的收益低，使得廣大種植戶不再選擇種植油菜，然而，利用油菜對土壤和土質的適應性強的特點，在水稻收獲后的稻板田上免耕直接移栽油菜，具有保持土壤結構、透水透氣性好、防漬促爽、抗災奪豐收等優(yōu)點，實行早播早栽，有利于提高冬前土地利用率，還可省去機械或人力耕整地工序，具有良好的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益[13-15]。

對油菜進行免耕移栽或淺耕移栽能夠簡化油菜的生產(chǎn)程序，實現(xiàn)輕簡化移栽，降低油菜移栽成本，提高油菜產(chǎn)量，提升國內(nèi)種植戶對油菜的種植興趣。但是免耕移栽中復雜的土壤環(huán)境對移栽機構影響較大，因此，一種成本低，結構簡單，土壤適應能力強，能夠適應高速精準作業(yè)的移栽方式，是未來油菜缽體苗移栽的發(fā)展方向。本研究提出了一種新的移栽方式的分類方法，將其分為循環(huán)式移栽、往復式移栽、開溝橫向移栽以及復合式移栽。通過移栽效果、工作環(huán)境、移栽速度3個方面對這4種移栽方式進行對比分析，總結了移栽方式的工作原理、結構組成以及自身特性，探討油菜缽體苗高速免耕移栽的可行性方案，對今后油菜高速免耕移栽機的選型提供一定的參考價值。

1? 缽體苗移栽方案分析

移栽機的核心部件為移栽機構，根據(jù)移栽機構工作方式的不同提出4種移栽方案，分別是循環(huán)式移栽、往復式移栽、開溝橫向移栽以及復合式移栽。這些方案中一部分還停留在試驗樣機階段，有一部分已經(jīng)投入市場，為了找到最適合油菜缽苗免耕高速移栽的移栽方式，分析了這4種方案對油菜高速移栽的適應性及各自的特性[16-18]。

1.1? 循環(huán)式移栽

循環(huán)式移栽機的工作原理分為喂苗-移栽-回程3個步驟，這3個步驟組成循環(huán)能夠讓移栽器持續(xù)工作。其工作過程是缽苗在喂苗區(qū)被承載裝置固定，然后缽苗隨承載裝置做圓周運動至移栽器底部，缽苗與裝置分離，落入已開好的溝槽中，承載裝置繼續(xù)做圓周運動返回喂苗區(qū)，完成工作循環(huán)。循環(huán)式移栽機的代表主要有鏈夾式、吊籃式、撓性圓盤式移栽器等，其具體工作原理如圖1所示[19-21]。

循環(huán)式移栽機主要結構包括驅動圓盤（或鏈輪）、缽苗承載裝置等，其結構簡單、株距和栽植深度穩(wěn)定、成本低、穩(wěn)定性好、缽苗的直立度好。循環(huán)式移栽器包括鉗夾式移栽器、吊籃式移栽器以及圓盤式移栽器等。

市面上的典型機型是南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司在2008年研制的2ZQ-4型半自動油菜移栽機（圖2），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行油菜苗進行移栽，機器前端有開溝器，采用鉗夾式移栽機構，人工將苗放入喂苗箱，再由圓盤帶著夾著苗的鉗夾轉動至地面完成移栽[22]。

由于循環(huán)式移栽機問世較早，其中有許多研究者對其進行過優(yōu)化改進，使得其技術越發(fā)成熟。如于修剛[23]針對稻板田土壤油菜難覆土立苗的情況，在鏈夾式移栽機的基礎上設計了一種間歇壓土機，通過對比試驗，優(yōu)化后的移栽立苗率得到了較大提高。袁文勝等[24]對投苗角度與立苗率的關系進行研究，發(fā)現(xiàn)在零速位置提前5°投苗，秧苗的倒伏率和優(yōu)良率明顯優(yōu)于在零速位置投苗。何生根等[25，26]針對2ZB-2型吊杯移栽機在移栽時出現(xiàn)滑移現(xiàn)象導致株距不穩(wěn)定的問題，對滑移率、傳動比與株距之間的關系進行推導，并運用Adams對移栽裝置在不同滑移率和傳動比下進行仿真，并進行了驗證。得出在滿足運動特征參數(shù)大于1的情況下，滑移率較大時可以選擇較小的傳動比，滑移率較小時可以選擇較大的傳動比來調整株距。

1.2? 往復式移栽

往復式移栽機是通過機械結構使得移栽器能夠以規(guī)定的軌跡運動，其軌跡通過仿生設計模擬人工移栽軌跡，使得油菜缽體苗實現(xiàn)零速投放，保證移栽的質量。其往復機構多以連桿機構以及齒輪機構為主。其主要工作過程分為取苗、開穴、移栽、回轉4個步驟。往復式移栽機構的優(yōu)點是高速工作環(huán)境下移栽效果穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)高速循環(huán)作業(yè)，作業(yè)精度高，能夠為全自動移栽提供平臺。但其結構復雜，維修保養(yǎng)困難，導致作業(yè)成本偏高，是其推廣困難的關鍵原因。

羅江河[27]、肖名濤等[28]設計了一種雙平行多桿栽植機構，通過將一套雙平行搖桿機構和一套曲柄搖桿機構相結合，使得移栽器的運動軌跡與農(nóng)藝要求的軌跡相符合（圖3），加強了移栽機構的破土力度，改善了缽苗移栽的穩(wěn)定性，提升了往復式移栽的立苗率。廖慶喜等[29]、劉明峰[30]將雙五桿栽植機構借助Matlab軟件進行了優(yōu)化，保證了鴨嘴栽植器的入土軌跡與出土軌跡具有較高垂直度和重合度，且其水平方向速度降至了0.04 m/s，接近零速栽植。

紀海鵬[31]設計了一種旋輪線行星輪系全自動油菜缽體苗移栽機（圖4），該型移栽機采用非圓齒輪傳動，能夠讓夾秧片以“鷹嘴”型軌跡轉動，當夾秧片轉至軌跡最高點時，將缽苗從卷到最低位置的秧盤中直接夾出，當秧苗隨移栽機轉至最低點時，由兩片夾秧片中間的推秧桿將缽苗推出至開好的移栽溝內(nèi)。該移栽機可以為未來的油菜缽苗移栽方式提供思路。

1.3? 開溝橫向移栽

開溝橫向移栽機通常分為開溝器、橫向移栽裝置以及覆土機構3部分，移栽機前端的開溝器能夠清除前茬，并在黏重土壤中開溝破土，為移栽作業(yè)獲取空間，解決了常規(guī)移栽器在黏重土壤環(huán)境下打孔不理想的問題。后端的橫向移栽機與開溝器在同一平面，能夠降低缽苗的機械損傷，缽苗沿護苗板下滑能夠保證落苗的直立度。

開溝橫向移栽機的工作過程：首先由開溝器在規(guī)定的移栽深度下開溝，缽苗沿護苗板下落，在下落的同時橫向移栽裝置向后方推出，抵消缽苗在移栽器前進方向的速度以及垂直方向的速度，使得缽苗在離開移栽裝置時達到零速。最后由覆土機構進行覆土，完成移栽作業(yè)。開溝橫向移栽裝置工作效率高，能夠在復雜土壤環(huán)境中完成移栽作業(yè)，移栽機構間互相獨立，能夠適應多行作業(yè)。

目前，在此方面代表性的研究成果有鄭士永[32]設計的多桿扶苗式開溝植苗機構（圖5）以及孫松林等[33]發(fā)明的一種溝槽內(nèi)縱向移栽缽體苗的裝置（圖6）。這兩種移栽機構都是靠多連桿機構將缽苗橫向推入溝內(nèi)，為了保證推苗板軌跡的正確，需要對桿件進行優(yōu)化設計，保證桿件長度的精確，才能使得缽苗在入溝的時候為零速，從而保證缽苗的直立度，提升移栽效率。

1.4? 復合式移栽

1.4.1? 復合式開溝移栽? 該類型移栽方式的代表機型是湖南農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的2ZY-4型油菜移栽機（圖7），該款移栽機在多連桿式移栽機構前安裝了V形開溝犁，在鴨嘴移栽器觸土之前箱面土壤會被開溝犁翻松，從而減小移栽機構打孔的阻力，開出的V形溝會在栽植后回土穩(wěn)定缽苗，保證了鴨嘴式移栽器的栽植深度在黏重土壤環(huán)境下的栽植深度以及減輕了前進方向上的阻力。

李松坡等[34]設計了一種復合式移栽機構，由開溝犁與往復式四桿機構組成，能夠實現(xiàn)零速投苗，并增加了其對不同土壤的適應能力，提高了栽植機構的破土能力。這種設計方法能夠與其他的往復式開溝移栽機相結合，提升了往復式開溝移栽機在黏土中的工作效率，而且復合式開溝移栽機構結構簡單，制作成本低，有效地解決了往復式移栽機在黏重土壤環(huán)境下打孔困難的問題。

1.4.2? 復合式打孔移栽? 復合式打孔移栽器（圖8）是由向偉等[35，36]設計的，其主要工作原理是隨著履帶的前進，在地面與履帶的相對靜止處，根據(jù)靠模凸輪的輪廓變化，導向滾輪將隨靠模凸輪的輪廓變化而周期性地給予圓柱形孔刺和復位彈簧施加來自機體重量經(jīng)靠模凸輪提供的壓力，迫使彈簧壓縮和復位，圓柱形孔刺相應垂直壓入土壤和拔出土壤，完成一次移栽孔的成形。牽引的導苗管將缽苗導入孔中，隨后覆土完成移栽。

2? 移栽方案的對比分析

中國的油菜種植區(qū)域主要以南方地區(qū)為主，南方的土壤含水率高，土壤黏性大，流動性低[37-39]。循環(huán)式移栽機雖然具有高效性、振動小、傷苗率低等優(yōu)點，但其主要適用于沙土環(huán)境，在黏重土壤環(huán)境中適應性差，常常會陷入土壤中導致其無法工作。

首先，往復式移栽器對黏土的適應性相對較好，株距穩(wěn)定，移栽作物直立度高，移栽效率高;但由于其結構復雜，在作業(yè)速度上有一定影響，難以滿足高速移栽作業(yè)的需求。其次，往復式移栽器需要在壟上打孔，對土壤的擾動較大，對于油菜這類需要多行密植的作物移栽效果不理想，容易破壞箱面。但對于煙草這類單壟單行作物或者單壟兩行作物而言，由于移栽的行距寬，所以土壤擾動的影響不明顯，能夠實現(xiàn)理想的移栽效果。

開溝橫向移栽器前端的開溝器可以在稻板田的復雜環(huán)境中開出適合移栽的溝槽，橫向移栽可以使缽苗在移栽中減少損傷，并完成零速移栽，保證了缽苗的直立度。整個移栽器能夠很好地適應免耕移栽，在高速作業(yè)下穩(wěn)定性較好，能夠實現(xiàn)多行的高速移栽。但由于該類型的移栽器需要破土開溝，所以其能耗高是難以避免的問題。

復合式移栽器同樣能夠適應多種工作環(huán)境，但其工作阻力小，能耗低，是開構橫向移栽器所不具備的。然而，該類型移栽器在多行作業(yè)上比較困難，一次行程作業(yè)的行數(shù)有限;現(xiàn)有的復合式移栽器在高速作業(yè)中由于打孔機構與導苗管移栽機構間相互結合不夠緊密，導致移栽效果不穩(wěn)定，經(jīng)常會出現(xiàn)漏栽的現(xiàn)象，影響移栽質量。表1為4種移栽方案的部分技術參數(shù)[27，32，35，40]。

3? 小結

根據(jù)上述分析可以得出各類型移栽器的適應范圍以及優(yōu)缺點，通過對比能夠發(fā)現(xiàn)開溝橫向移栽器與復合式移栽器在對不同環(huán)境的適應中具有明顯優(yōu)勢。通過對比發(fā)現(xiàn)，油菜缽苗機械化移栽在今后將會達到高速化、高效化、輕簡化的效果，現(xiàn)有的移栽器在這3個方面適應性最好的是開溝橫向移載器。

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