打穴式移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與展望

全　偉，唐　葉，段益平

打穴式移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與展望

全偉1,2，唐葉1，段益平1

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410028； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 東方科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

機(jī)械化移栽是緩解作物茬口矛盾、提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量的重要手段。根據(jù)栽植方式闡述了國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)械中打穴式移栽機(jī)械的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)有機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及存在的問(wèn)題，探討了打穴式移栽機(jī)械的未來(lái)發(fā)展方向與趨勢(shì)，就相關(guān)問(wèn)題提出了建議與對(duì)策。

打穴式移栽機(jī)；栽植方式；發(fā)展趨勢(shì)；現(xiàn)狀

機(jī)械化移栽作為一種栽植技術(shù)，可以緩解作物茬口矛盾，延長(zhǎng)作物的生長(zhǎng)期，改善作物品質(zhì)，具有顯著的節(jié)本、增產(chǎn)的效果[1-3]。根據(jù)栽植器結(jié)構(gòu)類(lèi)型，移栽機(jī)械可分為鉗夾式、繞性圓盤(pán)式、水輪式、導(dǎo)苗管式、吊籃式和鴨嘴式[4-6]。相關(guān)研究表明[5-12]，打穴式移栽機(jī)因具有對(duì)栽植幼苗要求較低及移栽直立度較高等優(yōu)勢(shì)而具有較好的應(yīng)用前景。由于移栽機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，只有水輪式、吊籃式和鴨嘴式移栽機(jī)能實(shí)現(xiàn)打穴移栽。筆者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外打穴式移栽技術(shù)及裝備的綜述，分析了進(jìn)一步研究打穴移栽機(jī)械的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出相應(yīng)對(duì)策，闡述了打穴式移栽機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1　國(guó)內(nèi)外打穴移栽機(jī)的研究現(xiàn)狀

1.1　現(xiàn)有機(jī)型及特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外打穴式移栽機(jī)的機(jī)型較多，可根據(jù)不同的分類(lèi)方式對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)[2-5]。

（1）按移栽工作環(huán)境分為旱地移栽機(jī)和水田移栽機(jī)。

（2）按自動(dòng)化程度分為手動(dòng)、半自動(dòng)與全自動(dòng)移栽機(jī)。

（3）按栽植作物種類(lèi)分為煙草移栽機(jī)、棉花移栽機(jī)、油菜移栽機(jī)等。

（4）按栽植方式分為水輪式移栽機(jī)、吊籃式移栽機(jī)和鴨嘴栽插式移栽機(jī)。

1.2　國(guó)外打穴移栽技術(shù)及裝備的研究現(xiàn)狀

歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的移栽技術(shù)研究起步較早，移栽機(jī)械已經(jīng)比較成熟，其孔穴成型技術(shù)也較為完善并已被成功地應(yīng)用于移栽機(jī)械。隨著機(jī)械化水平的發(fā)展以及少耕、免耕作業(yè)的應(yīng)用推廣，人們開(kāi)始積極研究各類(lèi)成穴機(jī)具，進(jìn)一步促進(jìn)了打穴式移栽技術(shù)的研發(fā)與推廣[4][13-15]。

1.2.1國(guó)外水輪式移栽機(jī)

水輪式打穴移栽機(jī)是一種常見(jiàn)的半自動(dòng)移栽機(jī)械，如圖1所示。工作過(guò)程中，當(dāng)分布在水輪外緣的打穴鏟通過(guò)強(qiáng)制擠壓在土壤內(nèi)形成孔穴時(shí)，一定量的水由水輪上的小孔流入所成V型栽植穴中，隨后人工將缽苗直接投入栽植穴中，再進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓以完成缽苗的栽植。此類(lèi)打穴移栽機(jī)工作部件主要由覆膜裝置、水輪式打孔機(jī)構(gòu)、覆土鎮(zhèn)壓輪等組成，其特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)單行和多行的打穴移栽作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)單株定量注水，既可以移栽裸苗也可以移栽缽苗，但移栽速度慢，移栽速度取決于送苗人員的熟練程度，且若要改變株距則必須更換水輪。主要的代表機(jī)型有：意大利Ferrari公司生產(chǎn)的FPC型全自動(dòng)膜上移栽機(jī)、美國(guó)Kennco公司生產(chǎn)的半自動(dòng)成穴式移栽機(jī)。

圖1　水輪式移栽機(jī)

1.2.2國(guó)外吊籃式移栽機(jī)

吊籃式打穴移栽機(jī)主要適用于缽體尺寸較大的缽苗移栽，如圖2所示。工作時(shí)由人工將缽苗投入至旋轉(zhuǎn)到正上方的吊籃內(nèi)，當(dāng)?shù)趸@旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)位置時(shí)吊籃底部被強(qiáng)制打開(kāi)擠壓土壤而形成孔穴，同時(shí)缽苗落入成型的栽植穴內(nèi)，隨后進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。此類(lèi)移栽機(jī)主要由吊籃轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、吊籃、覆土鎮(zhèn)壓輪等組成，其特點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)膜上打穴功能，栽植過(guò)程中缽苗不會(huì)受到?jīng)_擊，不傷苗，但是工作速度較慢，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。主要的代表機(jī)型有：意大利Chechen&Magli公式生產(chǎn)的Wolf移栽機(jī)、美國(guó)移栽機(jī)公司生產(chǎn)的model 900 Mulch Transplanter吊籃式膜上移栽機(jī)。

圖2　吊籃式膜上移栽機(jī)

1.2.3國(guó)外鴨嘴載插式移栽機(jī)

鴨嘴式打穴移栽機(jī)的主要工作原理為：由人工或機(jī)械手將缽苗放入送苗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤(pán)中，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)至栽植機(jī)構(gòu)的正上方時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)的下端封閉口打開(kāi)，缽苗落入移栽機(jī)的關(guān)鍵部件鴨嘴栽植器內(nèi)，鴨嘴栽植器入土后，左右鴨嘴向外打開(kāi)擠壓土壤，形成栽植穴的同時(shí)將缽苗留在孔穴中，隨后覆土鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓完成缽苗移栽。此類(lèi)移栽機(jī)主要由鴨嘴栽植器、送苗機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、覆土鎮(zhèn)壓部件、行走裝置等組成，其特點(diǎn)是：該機(jī)一般在翻耕地上作業(yè)，自動(dòng)化程度高，移栽速度快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)土壤疏松細(xì)碎度要求較高。主要代表機(jī)型有：日本井關(guān)的PVH1-90、PVH1TC煙草移栽機(jī)、久保田研制的2ZY-1型全自動(dòng)鴨嘴式移栽機(jī)等。PVH1-90煙草移栽機(jī)如圖3所示。

圖3　PVH1-90煙草移栽機(jī)

1.3　國(guó)內(nèi)打穴移栽技術(shù)及裝備的研究現(xiàn)狀

我國(guó)的移栽機(jī)械研究從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)入起步階段，當(dāng)時(shí)主要對(duì)裸苗移栽機(jī)械進(jìn)行研究[14-15]。直到進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)移栽機(jī)械的研發(fā)才真正形成規(guī)模，其中打穴式移栽機(jī)的研發(fā)也取得了一定的進(jìn)展，相關(guān)機(jī)型進(jìn)入了生產(chǎn)實(shí)用階段，但主要還是在引進(jìn)和借鑒國(guó)外移栽機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1.3.1國(guó)內(nèi)水輪式移栽機(jī)

我國(guó)較早對(duì)水輪式打穴移栽機(jī)進(jìn)行研究的是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的王曉東[5]。如圖4所示，打穴移栽機(jī)包括水箱、輸水管、水輪、打穴鏟等。工作時(shí)，水輪靠與地面的摩擦力向前滾動(dòng)，分布在其上的打穴鏟在土壤中打穴，同時(shí)一定量的水從注水孔中流入所成孔穴中，再通過(guò)人工將幼苗放入注完水的孔穴中，然后用手進(jìn)行覆土、壓實(shí)。

1　懸掛機(jī)架；2　水箱；3　輸水軟管；4　打穴鏟；5　水輪；6　苗盤(pán)架；7　座椅；8　地輪。

國(guó)內(nèi)對(duì)水輪式打穴機(jī)的研究較少，但出現(xiàn)了不少與水輪式打穴移栽機(jī)工作原理相近的研究成果。吳明亮等[16]研制了一款新型的純滾動(dòng)式移栽機(jī)，如圖5所示。工作時(shí)，成孔機(jī)構(gòu)依靠與土壤間的摩擦力進(jìn)行純滾動(dòng)，均勻分布在孔刺安裝盤(pán)上的柱形孔刺因承受成孔機(jī)構(gòu)的自身重力而周期性地刺入、拔出土壤，在土壤中形成一系列規(guī)則的栽植孔。韓長(zhǎng)杰等[17-18]設(shè)計(jì)了一款半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型缽苗移栽機(jī)。工作時(shí)，在間歇式打穴裝置驅(qū)動(dòng)打穴器旋轉(zhuǎn)并間歇刺入土壤的同時(shí)，將土壤收集在打穴器內(nèi)部并帶離孔穴，使其成型孔穴滿(mǎn)足西瓜缽苗移栽的農(nóng)藝要求。

圖5　純滾動(dòng)式移栽機(jī)

1.3.2國(guó)內(nèi)吊籃式移栽機(jī)

在國(guó)內(nèi)特別是在新疆地區(qū)，近幾年吊籃式移栽機(jī)的發(fā)展較快，其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。盧勇濤等[19]研制了2ZML-2吊籃式膜上移栽機(jī)。該機(jī)工作時(shí)，吊籃在圍繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中破膜成穴。當(dāng)?shù)趸@到達(dá)最深位置時(shí)，打開(kāi)吊籃，將幼苗投入到成型的孔穴中，隨后實(shí)施覆土鎮(zhèn)壓并完成移栽過(guò)程。重慶北卡農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的兩行吊籃移栽機(jī)工作時(shí)，由人工將缽苗放入到喂苗桶內(nèi)，當(dāng)?shù)趸@運(yùn)動(dòng)到喂苗桶下方時(shí)打開(kāi)喂苗桶桶底使缽苗落入到吊籃內(nèi)，當(dāng)?shù)趸@運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)打開(kāi)吊籃使缽苗落入成型的孔穴中并完成缽苗移栽。該機(jī)工作時(shí)，需要兩名投苗人員，速度快，效率高，但無(wú)法調(diào)整株距。

1　支撐輪；2　苗架；3　座椅；4　鎮(zhèn)壓輪；5　壓簧機(jī)構(gòu)；6　栽植部件；7　滑板毛刷覆土機(jī)構(gòu)；8　側(cè)邊輪；9　側(cè)邊鏈輪傳動(dòng)裝置；10　覆土滾筒；11　覆土圓盤(pán)；12　松土鏟；13　懸掛臂。

1.3.3國(guó)內(nèi)鴨嘴栽插式移栽機(jī)

國(guó)內(nèi)鴨嘴栽插式移栽機(jī)的研究相對(duì)較早。孫松林等[20]研制的2ZY-1型煙草移栽機(jī)，如圖7所示。該移栽機(jī)工作時(shí)，由一部分動(dòng)力帶動(dòng)液壓缸控制移栽機(jī)底盤(pán)升降達(dá)到控制移栽高度的目的，由另一部分動(dòng)力帶動(dòng)鴨嘴實(shí)現(xiàn)入土、出土的栽植功能，隨后依靠培土輪實(shí)施培土并完成缽苗移栽。江蘇省農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站等研制了2ZX-2型棉花營(yíng)養(yǎng)缽移栽打穴機(jī)。該機(jī)以手扶式拖拉機(jī)為動(dòng)力，由拖拉機(jī)主軸箱中的動(dòng)力同步帶動(dòng)打穴筒周期性地刺入土壤中并依次將土壤挖出，能一次成型兩個(gè)與打穴筒外徑大小相同的栽植穴。

圖7　2ZY-1型煙草移栽機(jī)結(jié)構(gòu)

2　打穴移栽機(jī)械存在的問(wèn)題

2.1　移栽配套設(shè)備研究薄弱，移栽效率較低

打穴與缽苗投喂是移栽過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵步驟。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的打穴式移栽機(jī)多為半自動(dòng)打穴移栽機(jī)，其自動(dòng)化與智能化程度低。由于在移栽過(guò)程中將缽苗投喂到栽植器內(nèi)或是將缽苗投入已成型的孔穴中均采用人工方式，因此投喂者的熟練程度與體力將對(duì)移栽效率造成很大的影響。使用半自動(dòng)打穴移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，缽苗的直立度、埋苗率等無(wú)法完全滿(mǎn)足農(nóng)藝要求。

2.2　對(duì)成型孔穴周邊土壤擾動(dòng)較大

現(xiàn)有打穴式移栽機(jī)的栽植器一般為圍繞動(dòng)力輸出軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)軌跡多為圓形或橢圓型，由于這種運(yùn)動(dòng)方式在成穴過(guò)程中對(duì)孔穴周邊的土壤擾動(dòng)較大，因此容易導(dǎo)致成型孔穴的穴內(nèi)回土量增加、孔穴周邊的土壤孔隙度變小，從而對(duì)缽苗的移栽成功率及其生長(zhǎng)環(huán)境造成不利影響。

2.3　易受土壤環(huán)境影響，適應(yīng)性不強(qiáng)

我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)的土壤環(huán)境不一樣。目前，國(guó)內(nèi)打穴式移栽機(jī)的研究多為基于松散或低含水率土壤環(huán)境下的研究，而對(duì)于高含水率的黏土環(huán)境下的研究較少?，F(xiàn)有的研究結(jié)論多為成型孔穴是否合格，對(duì)孔穴成型過(guò)程中土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及孔穴的成型機(jī)理進(jìn)行的探索研究很少，導(dǎo)致相同機(jī)具在不同土壤環(huán)境下的成穴效果差異較大，使移栽機(jī)成穴作業(yè)的適應(yīng)性與通用性較差。

3　打穴式移栽機(jī)械的發(fā)展方向與趨勢(shì)

3.1　提高打穴式移栽機(jī)的總體研發(fā)能力

提升打穴式移栽機(jī)械自動(dòng)化與智能化的自主研發(fā)能力，確保研發(fā)的機(jī)具質(zhì)量更加可靠、設(shè)計(jì)更加合理；提高制造工藝水平，保障移栽機(jī)械零部件加工和裝配的質(zhì)量，降低機(jī)具的故障率與返修率，提升機(jī)具的連續(xù)作業(yè)能力；提高機(jī)具各零部件的互換性與通用性，保障經(jīng)濟(jì)效益，確保移栽機(jī)械整體的工作效率。此外，應(yīng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步完善移栽機(jī)械的功能，研制更多先進(jìn)適用的機(jī)型。由于目前多數(shù)的打穴移栽機(jī)械僅能實(shí)現(xiàn)打穴功能，因此未來(lái)應(yīng)將取苗、送苗、打穴、移栽與覆土鎮(zhèn)壓等多種功能有效集成，開(kāi)發(fā)多功能一體機(jī)。

3.2　加強(qiáng)打穴式移栽機(jī)對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性研究

在滿(mǎn)足移栽農(nóng)藝要求的前提下使孔穴成型質(zhì)量更加優(yōu)良，除了要對(duì)打穴式移栽機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之外，還應(yīng)將研究重點(diǎn)放在與土壤直接接觸的觸土部件上來(lái)，通過(guò)對(duì)觸土部件的優(yōu)化分析揭示孔穴成型機(jī)理，研制能適用于不同土壤環(huán)境的打穴移栽機(jī)，使其在不同土壤環(huán)境下所形成的孔穴外形均能與相應(yīng)的作物相匹配，穴內(nèi)回土量更少、缽苗生長(zhǎng)環(huán)境更佳。

3.3　國(guó)家宏觀調(diào)控，消化吸收與自主創(chuàng)新并舉

出臺(tái)相關(guān)政策，加大對(duì)移栽機(jī)械的財(cái)政補(bǔ)貼力度，加強(qiáng)對(duì)移栽機(jī)械的演示、宣傳與推廣工作，引導(dǎo)農(nóng)民積極購(gòu)機(jī)，既要使農(nóng)民買(mǎi)得起機(jī)具又要使農(nóng)民用得好機(jī)具。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，由于我國(guó)的打穴機(jī)械移栽技術(shù)還比較落后，因此應(yīng)鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)企業(yè)在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)自主創(chuàng)新研發(fā)新產(chǎn)品。一方面，要走出國(guó)門(mén)，加強(qiáng)與國(guó)外農(nóng)機(jī)企業(yè)的合作交流；另一方面，由于國(guó)外的移栽機(jī)雖然先進(jìn)但價(jià)格昂貴且不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)的耕作環(huán)境，因此更要注重自主創(chuàng)新，不斷研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)適用新機(jī)具。

4　展望

目前，我國(guó)的移栽機(jī)械正處于發(fā)展階段，打穴式移栽技術(shù)及裝備的研發(fā)也處于起步階段。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口將不斷減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械化的需求將不斷增加。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的支持力度不斷加大，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展前景將更加美好。隨著業(yè)內(nèi)專(zhuān)家在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究不斷深入，我國(guó)自主研發(fā)的移栽機(jī)械將逐步滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的需求，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有效助力。

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[18]韓長(zhǎng)杰，徐陽(yáng)，張靜，等．半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：54-61．

[19]盧勇濤，李亞雄，陳亞琳，等．2ZML-2型棉苗膜上移栽機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2010(6)：17-19．

[20]鄧向春，孫松林，石峰，等．2ZY-1型煙草移栽機(jī)移栽立苗試驗(yàn)研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，38(3)：341-343．

Current situation and prospect of punch transplanting machinery

QUAN Wei1,2，TANG Ye，DUAN Yiping

(1.College of Mechanical and Electrical, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.College of Orient Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128,China)

Mechanized transplanting is an important means to alleviate crop rotation contradiction and improve crop quality and yield. According to the planting method, the development situation of domestic and foreign punch transplanting technology and equipment were elaborated. The structural characteristics and work principles and existing problems of the existing models were summarized. The development trend of punch transplanting machinery was discussed, and suggestions and countermeasures for the development of the burrowing transplanter were presented.

punch transplanting machinery; transplanting methods; prospects; transplanting status

S223.9

A

2096–8736(2020)03–0018–05

湖南省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（2020JJ5254）。

全偉（1987—），男，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。