0 引言
地膜覆蓋技術[1 -2]起步于 20 世紀 70 年代末[3],首先在日本得到研究與應用.地膜覆蓋栽培能獲得早熟增產的效果,效應表現在增溫、保溫、保水、保持養分、增加光效和防除病蟲草等幾個方面.因此,隨著地膜生產技術的提升,地膜覆蓋技術在農業生產中迅速得到應用與發展,在提高農作物產量及增加農民收入方面發揮了重要作用.
在棉花、煙草、蔬菜等農作物的生產過程中,育苗移栽是一個比較重要的生產環節[4 -5].農作物育苗移栽技術能提早作物的生育進程、提高單產,有效抵御幼苗期的大風、雨害、低溫等不利天氣,還可節省 1/3以上種子,具有非常廣闊的應用前景.地膜覆蓋技術的應用對育苗移栽機的破土方式提出了新的要求,在地膜覆蓋技術得到廣泛應用之前,移栽機栽植機構的破土方式均為開溝破土,而地膜覆蓋技術的推廣應用促進了移栽機構破土方式的變革,原有的破土部件由原來的開溝器發展為現有的適用于膜上移栽的吊杯式破土部件和水輪式[6 -7]破土部件,破土方式為打穴式.但是,由于工作可靠性和作業效率等問題,現有的膜上移栽機構均未得到大面積的推廣應用.
1 國內外膜上移栽機的發展現狀
1. 1 國外膜上移栽機的發展現狀
國外對移栽機的研究起步較早,目前在一些發達國家多數農作物的移栽已經基本實現機械化.目前的世界知名移栽機生產研發企業有意大利的法拉利移栽機制造有限公司、澳大利亞的威廉姆斯有限公司、日本的久保田株式會社和井關農機株式會社及美國的雷納多銷售服務有限公司等.
意大利的法拉利移栽機有限公司生產的 FPA 型半自動膜上移栽機\\( 見圖 1\\) 移栽效率為單行 2 000株/h.該機型采用偏心圓盤吊杯式移栽機構對缽苗進行移栽,地輪通過傳動裝置驅動栽植器主動圓盤轉動.在主動圓盤上安裝 1 ~ 6 個吊杯,當圓盤轉動時,吊杯始終與地面保持垂直,并隨圓盤轉動.吊杯轉動到上面時,由人工將秧苗放入投苗盤中; 當吊杯轉動到投苗點時投苗盤將缽苗投至鴨嘴內,當轉動到落苗點時,吊杯上的滾輪與導軌接觸,將吊杯鴨嘴打開,秧苗自由落入鴨嘴打出的穴口內; 然后,鎮壓輪從兩側鎮壓,完成栽植過程.吊杯離開導軌后,吊杯鴨嘴關閉,等待下一次喂苗.
意大利法拉利公司生產的全自動移栽機效率較高,如 FPC 型全自動膜上移栽機,如圖 2 所示.該機型的最高移栽效率可達單行 5 000 株/h; 可以先后完成覆膜與移栽作業; 主要由覆膜機構、水輪式打孔機構、放苗機構和送苗機構組成.其作業過程如下: 覆膜機構在移栽機的前部,首先由覆膜機構完成覆膜作業; 緊隨覆膜機構的是水輪式打孔機構,水輪式打孔機構可以通過地膜均勻的在地面上打出穴孔; 然后,放苗機構從送苗機構夾持缽苗將其放送至穴孔; 最后,由鎮壓輪對缽苗進行擠土鎮壓.
澳大利亞的威廉姆斯有限公司生產的非膜上移栽機\\( 見圖 3\\) 的移栽效率可達單行 7 000 株/h,而該公司生產的膜上移栽機也可達單行 4 000 株/h.該移栽機主要由取苗機構、送苗機構、移栽機構和覆土機構組成.與每個栽植機構對應的有 6 ~ 12 個取苗機械手,取苗機械手將缽苗從苗盤中取出,取出后將缽苗放至鏈式送苗機構; 鏈式送苗機構間歇運動將缽苗有序送至導苗管,缽苗通過導苗管依靠自身重力落至移栽機構; 移栽機構將缽苗栽植于土壤,然后,覆土鎮壓機構完成覆土作業,完成整個移栽過程.日本對移栽機的研究以膜上移栽機為主.日本研究的移栽機多為膜上移栽機,其移栽機構多為桿類.
圖 4 為井關農機株式會社開發的井關 PVHR2 型雙行膜上移栽機.該移栽機的移栽機構為七連桿式,移栽鴨嘴固結在七連桿機構.鴨嘴的開合靠凸輪機構控制.當整機向前行走時由人工將缽苗放送至轉盤式投苗盤的苗杯內,缽苗隨苗杯運動; 當苗杯運動至投苗點時苗杯的杯底被打開,此時七連桿機構帶動鴨嘴運動至投苗點,缽苗由于自身重力落至鴨嘴內部; 然后缽苗隨鴨嘴向下運動,接著鴨嘴入土并張開,此時缽苗被放置于土壤,鴨嘴向上運動,鎮壓輪完成對缽苗的覆土鎮壓作業.
美國比較有代表性的膜上移栽機有雷納多銷售服務有限公司生產的雷納多 RTMEll00 型半自動移栽機,如圖 5 所示.該移栽機的移栽機構由燃燒器、打穴桿和移栽鴨嘴等部分組成.RTME1100 可以在塑料膜上燒出不同尺度的洞,使用一個丙烷加熱過的鋼燃燒器來完成這個過程.當燃燒器和塑料膜接觸以后,塑料會馬上被氣化; 緊接著燃燒器的是打穴桿,打穴桿可以在燃燒器燒出洞口出打出穴孔,然后由移栽鴨嘴將缽苗植入穴孔.RTME1100 可以在每個洞里注入大約 1/4 杯液體,噴液頭可以仔細地灌溉每個洞,讓苗株更好地生長.RTME1100 可以移栽的株距范圍在20 ~ 66cm 之間,能夠調整株距、行距和播種深度以便播種機可以移栽不同類型的蔬菜苗株.
1. 2 國內膜上移栽機的發展現狀
我國對移栽機的研究起步較晚,現有的移栽機有鏈夾式移栽機、撓性圓盤式移栽機、吊杯式移栽機和水輪式移栽機.其中,適用于膜上移栽有吊杯式移栽機和水輪式移栽機.吊杯式移栽機有偏心圓盤式吊杯、單鉸接式吊杯和多桿式吊杯.20 世紀 90 年代初,我國開始了膜上移栽機的研究.
中國農業大學對膜上移栽機的研究有偏心圓盤吊杯式移栽機和水輪式移栽機.2002 年,中國農業大學的封俊通過分析說明吊杯式移栽由于其結構的限制移栽效率不超過單行 1 800 株/h[8],即偏心圓盤吊杯式移栽機不適合高速移栽作業.
2005 年,中國農業大學的王曉東對水輪式移栽機\\( 見圖 6\\) 進行了研究,水輪式膜上移栽機的主要工作部件是水輪和打穴鏟.打穴鏟均勻地分布在水輪的外緣.隨著拖拉機向前行走,水輪靠與地面的摩擦力向前滾動,均勻分布在其頂圓上的打穴鏟刺破地膜,并深扎到很疏松的土壟中; 隨著拖拉機的繼續向前,水輪仍在滾動,打穴鏟出土后,在土壟上留下一個可以放下苗缽的孔穴; 緊接著坐在后面座椅上的人把缽苗放入孔穴中,然后用少量的松土覆在苗的周圍,并壓實.
浙江理工大學對膜上移栽機的移栽機構和取苗機構做了較多的研究.2010 年,陳建能等對七桿式蔬菜移栽機的栽植機構進行了研究,分析了主要參數對該栽植機構運動特性的影響,通過對比不同參數下栽植的運動軌跡得出一組較優機構參數,其栽植效率為單行 3 900 株/h[9].2011 年,陳建能等對多桿式零速度缽苗移栽機植苗機構進行了研究,通過優化得出該移栽機構的最佳栽植效率為單行 1 800 株/h[10].
2012 年,陳建能等對缽苗移栽機橢圓齒輪行星系植苗機構進行了研究,優化了該栽植機構的最佳結構與運動參數[11].2011 年,余高紅等對橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動取苗機構進行了研究,通過試驗與仿真驗證了該機構的工作可靠性[12].
目前在國內得到應用的移栽機均為半自動移栽機,適合于膜上移栽的移栽機有代表性的類型為南通富來威農業裝備有限公司生產的 2ZBX 系列懸掛式吊杯移栽機和 2ZB - 1 型多連桿式移栽機.其中,2ZBX系列懸掛式吊杯移栽機的工作原理與法拉利 FPA 型移栽機相同; 而 2ZB - 1 型多連桿式移栽機的工作過程與井關 PVH2 型雙行膜上移栽機相同.
國內現階段研制和使用的膜上移栽機多為半自動式移栽機,全自動的移栽機由于結構復雜、控制要求嚴格、造價過高和性價比低,目前正處在理論研究階段[13].
2 存在的問題
2. 1 移栽效率偏低
人工膜上移栽的移栽效率約為 500 株/\\( 人·h\\) ,而現有的膜上移栽機的實際作業時的移栽效率不超過單行 2 800 株/h,每臺移栽機至少需要兩人同時作業,即每臺移栽機的作業效率約為人工移栽的 2 ~ 3倍; 再將機具購置費用、維修保養費和燃油消耗考慮在內,則現有的膜上移栽機的移栽效率距農業生產的期望差距較大,不能夠為農民創造較高的經濟效益.
2. 2 自動化程度較低
目前我國投入使用的移栽機大多為半自動移栽機,全自動移栽機處于處于研發階段.半自動移栽機均需要人工投苗,不能較高程度解放人力勞動.
2. 3 移栽的可靠性不高
目前投入市場的移栽機均可以實現移栽功能,但是可靠性有待提高.在移栽過程中會出現移栽直立度不高、漏苗、帶苗、傷苗、掛膜等現象.因此,需要對現有的移栽機進行結構與性能的優化以滿足市場要求.
2. 4 移栽與育苗技術發展不同步
國內許多移栽機是在借鑒國內外先進技術的基礎上研制出來的,而育苗技術與移栽技術并不配套.因此,需要從我國的實際情況出發研制適合我國國情的穩定可靠的移栽機.
3 結論
通過對現有膜上移栽機的了解,發現影響膜上移栽機的栽植效果的主要原因有以下幾點:
1\\) 移栽機的入土部件的入土時間不能與較高的行走速度相協調.在這種情況下會產生地膜開口過大的現象.
2\\) 移栽機構在入土過程中的運動軌跡不夠合理,容易產生掛膜以及帶苗現象.
3\\) 移栽機構的栽植頻率較高,缽苗相對導苗管的運動也較為復雜,他們之間的作用力對落苗時間以及缽苗著地狀態有較大的影響,現有的移栽機只是以移栽機構的運動軌跡為對象進行優化,而忽略了對缽苗運動狀態的分析.
因此,對膜上移栽機構的研究可從其栽植點的運動軌跡入手,減小對地膜的損傷,減少帶苗現象; 可從缽苗的著地狀態入手,提高缽苗移栽的直立度.
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