膜上移栽機械研究進展及與分析

徐高偉，邱緒云，朱夢霞，張晶杰，薦世春，宋裕民

（1.250357 山東省 濟南市 山東交通學院汽車工程學院；2.250022 山東省 濟南市 山東勞動職業技術學院；3.250100 山東省 濟南市 山東省農業機械科學研究院）

0 引言

地膜覆蓋技術于20 世紀70 年代末[1]首先在日本研制使用。目前我國已經大面積推廣和使用，尤其在棉花、蔬菜、中草藥和煙草等作物中應用較為廣泛。地膜覆蓋栽培能促使農作物早熟增產，在增溫、保溫、保墑和防治病蟲雜草等方面效果尤為顯著。

在棉花、蔬菜、中草藥和煙草等作物中，育苗移栽是其重要的生產環節[2-3]，移栽通過溫室育苗，延長生長期，便于苗期管理，培育壯苗，從而提高作物的產量和品質，應用前景廣闊。

將地膜覆蓋技術和育苗移栽技術結合，可以最大限度地提升棉花、蔬菜、中草藥和煙草等覆膜栽培作物的產量和品種，提高其經濟效益。

膜上移栽機改變了傳統移栽機的破土方式，為減少對覆蓋地膜的破壞，膜上移栽機的破土方式為成穴式，但由于作業效率和作業穩定性等問題，現有膜上移栽機械未得到大規模的應用和推廣。本文旨在對國內外膜上栽植機結構、工作原理和特性進行分析，探討目前我國膜上移栽機械的主要問題，為我國膜上移栽機的未來發展提供建議。

1 國外膜上移栽機械現狀

國內外對膜上栽植裝備進行了廣泛研究。歐美、日本等國家已經研制出了部分作物機械化程度高的全自動膜上移栽機，全自動和半自動膜上移栽機同時推廣應用。

美國Kennco 公司研制了一款水輪式膜上移栽機[4]，如圖1 所示。該機主要由水箱、水輪、栽植鏟、秧架等組成。水輪式膜上栽植裝備由拖拉機作為動力源牽引，水箱安裝于栽植機的前上方，通過水管與水輪連接。水輪的動力來源于水輪在地膜上的轉動，水輪側邊焊接栽植鏟并隨水輪轉動。當栽植鏟轉動到底部時，突破地膜繼續插入膜下地壟，在膜下成穴并注水。水輪轉動帶動栽植鏟退出地壟和地膜。操作人員手動取出秧苗，將秧苗放入栽植鏟所開的穴口中并手動完成覆土和鎮壓作業。該機可完成單行或多行的膜上栽植作業，株距的調節需更換水輪且栽植深度固定。

圖1 美國Kennco 公司的水輪式移栽機Fig.1 Water wheel transplanter made in Kennco Company of America

在作業過程中，栽植機能完成成穴、注水和送秧，由人工完成栽植、覆土和鎮壓過程，勞動強度很大，栽植效率不高。水輪在地膜上轉動，易撕破地膜。Buckeye Tractor 公司和Plasti Tech公司也研制過類似的產品。

意大利Hortus 公司研制了一款吊杯式膜上移栽機[5]，如圖2 所示。該機型采用吊杯單鴨嘴式，可實現膜上栽植。該機主要由苗架、秧苗導引槽和吊杯鴨嘴式栽植器組成。工作時，操作人員將缽體苗放入導引槽中。缽苗在傾斜的導引槽滑動，吊杯栽植器通過不規則滑道，當吊杯鴨嘴栽植器運動至導引槽的后方時，缽苗從導引槽中滑出進入吊杯鴨嘴栽植器中，并隨吊杯鴨嘴栽植器運動。吊杯鴨嘴栽植器轉動到地壟，突破地膜并在膜下成穴。吊杯鴨嘴栽植器底部打開，缽苗落入穴口中，吊杯鴨嘴栽植器向上轉動準備接苗。在栽植機構后方安裝覆土鎮壓裝置，完成覆土鎮壓作業。

圖2 意大利Hortus 公司的吊杯式移栽機Fig.2 Hanging-cup transplanter made in Hortus Company of Italy

該機型僅為半自動栽植機，降低了勞動強度，栽植效率相對于水輪式移栽機有了提高，栽植效率為50 株/(min/行)。意大利MAS 公司也研發了類似吊杯式栽植機，美國M.T.公司研制了基于四桿機構的吊杯式栽植機，并在栽植機后方設置了定量注水裝置，應用廣泛。

美國雷納多銷售服務有限公司研制了雷納多HTME1100 型移栽機[6]，如圖3 所示。

圖3 美國雷納多公司的HTME1100 型半自動移栽機Fig.3 HTME1100 semi-automatic transplanter made in Renardo Sales &Service Co.of America

在作業過程中采用丙烷加熱燃燒器觸碰地膜，在地膜上形成圓孔。由人工將秧苗放入栽植機構的栽植器中并隨栽植器進入地壟，鴨嘴栽植器打開，栽植秧苗，隨后完成覆土鎮壓作業。鎮壓后進行定量注水，以保證秧苗栽植后生長周期中所需的水分，該機可調節株距和栽植深度，以保證不同作物的栽植農藝要求。

日本洋馬公司研制了一種全自動膜上移栽機[7]，如圖4 所示。該機采用2 套機構分別完成取苗和栽植作業。在栽植過程中，取苗機構在滑道中運動下深入穴盤內夾取缽苗，轉動到指定位置將缽苗放入栽植機構的鴨嘴栽植器中。栽植機構通過鴨嘴栽植器完成破膜、成穴和栽植作業。該機型栽植效率可達到60 株/(min/行)。但該機作業對象為標準化的缽盤育苗且對育苗的質量要求高。日本的久保田和井關也研制了相似產品。

圖4 日本洋馬全自動鴨嘴式移栽機Fig.4 Automatic duckbill type transplanter made in Yanmar of Japan

日本井關研制了PVPHR2 型膜上移栽機[8]，如圖5 所示。該機型為凸輪多桿機構半自動移栽機，其中鴨嘴栽植器與機構的連桿固連，通過凸輪多桿式機構完成膜上栽植作業。工作時，由人工將秧苗放入轉動的苗杯中。秧苗在苗杯的帶動下轉動，當轉到鴨嘴栽植器上方時，苗杯下端蓋打開，落入鴨嘴栽植器中，由栽植機構完成膜上栽植作業。該機型所搭載的凸輪多桿式機構所形成的穴口較小，避免刮破地膜，保證了栽植的直立度，適用于蔬菜、煙草等要求較高立苗率的經濟作物移栽。

圖5 日本井關農機株式會社的PVPHR2 型移栽機Fig.5 ISEKI’s transplanter of PVPHR2 type

日本井關研發了PVH100型甘薯傾斜移栽機[9]，如圖6 所示。該機為半自動移栽機，采用帶夾式機構，操作人員將秧苗放入夾苗帶秧夾上，夾苗帶轉動為夾持栽植機構供給秧苗，夾持栽植機構夾住甘薯秧苗的根部插入土壤進行栽植作業。該機可完成壟上移栽和膜上移栽，以實現甘薯平栽和斜栽不同的農藝要求，具有較好的通用性，適合我國的大部分甘薯種植地區，但由于丹參種苗形態特征相對于甘薯秧苗差異性較大，根部也較脆，夾持栽植機構無法對丹參種苗進行有效夾持，因此無法適合丹參膜上傾斜栽植。

圖6 日本井關農機株式會社的PVH100 型移栽機Fig.6 ISEKI’s transplanter of PVH100 model

2 國內膜上移栽機械現狀

近年來，國內的學者和企業對移栽機進行了大量的研究和推廣，取得了一批成果。目前國內市面上的膜上栽植裝備以半自動為主，少數高校和科研院所研制了全自動膜上栽植裝備，但還未進行大批量的生產和市場推廣，下面介紹幾種代表性機型。

江蘇富來威公司生產了一種輕簡式半自動移栽機[10]，如圖7 所示。作業時人工將缽苗放入送苗裝置的苗杯中，達到指定位置，苗杯打開，秧苗落入下方的鴨嘴栽植器中，鴨嘴式栽植機構繼續運動，插入地壟栽植秧苗，栽植后向上運動準備接苗。但該機只適用于具有立苗率要求的經濟作物移栽。

圖7 富來威半自動栽植機Fig.7 Semi-automatic transplanter of FLW

浙江理工大學陳建能等人設計一種偏心-橢圓齒輪行星輪系栽植機構[11]，如圖8 所示。該機構由7個非圓齒輪、1個行星架和2個栽植嘴組成，中間非圓齒輪兩側是對稱結構，中間非圓齒輪與機架固定。作業時，行星架為動力源轉動，通過兩級傳動帶動行星非圓齒輪及固聯于其上的栽植器做非勻速擺動，滿足栽植機構栽植器端點特定的軌跡和栽植器姿態。該機構構思巧妙，轉動一次完成兩次栽植作業，栽植效率較高，主要針對蔬菜缽體苗的栽植。

東北農業大學周脈樂等人設計了一種回轉式膜上辣椒缽苗移栽機構[12]，如圖9 所示。該機構由非圓齒輪行星輪系和平面四桿機構組合而成。非圓齒輪行星輪系完成取苗、輸送和栽植三個動作，平面四桿機構在行星輪與行星架間的非勻速速轉動的作用下完成破膜和打孔。一個機構可依次完成取苗、送苗和膜上栽植等一系列動作，同時一個機構上裝有兩個栽植部件，回轉一周完成兩次栽植動作，降本增效，目前正處于試驗階段。

圖8 回轉式非圓齒輪行星輪系栽植機構Fig.8 Planetary gears type planting mechanism

圖9 回轉式膜上辣椒缽苗移栽機構Fig.9 Rotary pepper pot seeding transplanting mechanism on agricultural plastic film

江蘇大學胡建平等人研制了一種自走式旱地蔬菜全自動四行缽苗移栽機[13]，如圖10 所示。該機由自走式底盤提供動力，包括兩組栽植單元，各單元分別包括一套送苗裝置、取苗機構、分苗裝置、栽植機構，各部分間通過機械傳動和電控實現全自動移栽。每個單元可實現兩行蔬菜移栽，通過并列添加栽植單元可實現多行作業。自走式移栽機在作業時，穴盤苗苗盤放置于送苗裝置的箱盤中，苗盤輸送到指定位置后，由氣力式取苗機構取苗，在氣缸作用下沿滑道運轉至分苗裝置上部，取苗機構在配置時序下依次將缽苗投入到分苗杯中，分苗杯到達栽植機構栽植器上方時打開，缽苗在重力的作用下落入對應栽植機構的栽植器中，由栽植器成穴栽植，將缽苗栽入田中。自走式底盤的液壓提升裝置可根據壟高調節栽植部件整體高度以調節栽植深度，使移栽機能夠適應不同壟高及平地栽植。

圖10 自走式移栽機整機Fig.10 Whole self-propelled transplanting machine

3 存在的主要問題

（1）育苗技術與移栽發展不匹配。移栽機械作業針對農作物種苗，種苗的質量和標準化決定了移栽機械作業的質量。目前，部分作物仍采用裸苗育苗的方式，裸苗所育作物種苗的質量和標準無法保證；缽苗育苗存在盤根率較低，缽苗的缽體易碎等問題，降低了移栽機械的作業質量；

（2）自動化程度不高。目前，我國市場上所使用的移栽機械多為半自動移栽機，全自動移栽機處于研制和試驗階段，半自動移栽機由人工投苗，勞動強度較大，作業效率受人工投苗效率的限制較低，用工成本無法下降；

（3）膜上移栽機械的作業質量較低。市面上的膜上移栽機均可實現膜上移栽，但在作業過程中出現漏苗、帶苗、刮膜等現象，移栽立苗角度合格率較低，因此需對現有移栽機核心部件的機構和性能進行優化提升。

4 結論

（1）國內外膜上移栽機械在工藝、材料等方面發展迅速，但在作業性能等方面未有較大進展。半自動膜上移栽機械采用人工投苗的方式，栽植部件主要采用鴨嘴式栽植器；全自動膜上移栽機采用機、電、液等3 套裝置完成取苗、送苗和膜上移栽作業。

（2）國內高校和部分研發機構研制了新型移栽機樣機，但無法轉化應用和在市場推廣。未來膜上移栽機械的研制工作應著重實際應用，在農機與農藝結合的基礎上，優化現有半自動移栽機的結構和性能，同時提高育苗技術，研制適合我國國情的、能夠推廣應用的全自動移栽機。