0 引言
地膜覆盖技术[1 -2]起步于 20 世纪 70 年代末[3],首先在日本得到研究与应用.地膜覆盖栽培能获得早熟增产的效果,效应表现在增温、保温、保水、保持养分、增加光效和防除病虫草等几个方面.因此,随着地膜生产技术的提升,地膜覆盖技术在农业生产中迅速得到应用与发展,在提高农作物产量及增加农民收入方面发挥了重要作用.
在棉花、烟草、蔬菜等农作物的生产过程中,育苗移栽是一个比较重要的生产环节[4 -5].农作物育苗移栽技术能提早作物的生育进程、提高单产,有效抵御幼苗期的大风、雨害、低温等不利天气,还可节省 1/3以上种子,具有非常广阔的应用前景.地膜覆盖技术的应用对育苗移栽机的破土方式提出了新的要求,在地膜覆盖技术得到广泛应用之前,移栽机栽植机构的破土方式均为开沟破土,而地膜覆盖技术的推广应用促进了移栽机构破土方式的变革,原有的破土部件由原来的开沟器发展为现有的适用于膜上移栽的吊杯式破土部件和水轮式[6 -7]破土部件,破土方式为打穴式.但是,由于工作可靠性和作业效率等问题,现有的膜上移栽机构均未得到大面积的推广应用.
1 国内外膜上移栽机的发展现状
1. 1 国外膜上移栽机的发展现状
国外对移栽机的研究起步较早,目前在一些发达国家多数农作物的移栽已经基本实现机械化.目前的世界知名移栽机生产研发企业有意大利的法拉利移栽机制造有限公司、澳大利亚的威廉姆斯有限公司、日本的久保田株式会社和井关农机株式会社及美国的雷纳多销售服务有限公司等.
意大利的法拉利移栽机有限公司生产的 FPA 型半自动膜上移栽机( 见图 1) 移栽效率为单行 2 000株/h.该机型采用偏心圆盘吊杯式移栽机构对钵苗进行移栽,地轮通过传动装置驱动栽植器主动圆盘转动.在主动圆盘上安装 1 ~ 6 个吊杯,当圆盘转动时,吊杯始终与地面保持垂直,并随圆盘转动.吊杯转动到上面时,由人工将秧苗放入投苗盘中; 当吊杯转动到投苗点时投苗盘将钵苗投至鸭嘴内,当转动到落苗点时,吊杯上的滚轮与导轨接触,将吊杯鸭嘴打开,秧苗自由落入鸭嘴打出的穴口内; 然后,镇压轮从两侧镇压,完成栽植过程.吊杯离开导轨后,吊杯鸭嘴关闭,等待下一次喂苗.
意大利法拉利公司生产的全自动移栽机效率较高,如 FPC 型全自动膜上移栽机,如图 2 所示.该机型的最高移栽效率可达单行 5 000 株/h; 可以先后完成覆膜与移栽作业; 主要由覆膜机构、水轮式打孔机构、放苗机构和送苗机构组成.其作业过程如下: 覆膜机构在移栽机的前部,首先由覆膜机构完成覆膜作业; 紧随覆膜机构的是水轮式打孔机构,水轮式打孔机构可以通过地膜均匀的在地面上打出穴孔; 然后,放苗机构从送苗机构夹持钵苗将其放送至穴孔; 最后,由镇压轮对钵苗进行挤土镇压.
澳大利亚的威廉姆斯有限公司生产的非膜上移栽机( 见图 3) 的移栽效率可达单行 7 000 株/h,而该公司生产的膜上移栽机也可达单行 4 000 株/h.该移栽机主要由取苗机构、送苗机构、移栽机构和覆土机构组成.与每个栽植机构对应的有 6 ~ 12 个取苗机械手,取苗机械手将钵苗从苗盘中取出,取出后将钵苗放至链式送苗机构; 链式送苗机构间歇运动将钵苗有序送至导苗管,钵苗通过导苗管依靠自身重力落至移栽机构; 移栽机构将钵苗栽植于土壤,然后,覆土镇压机构完成覆土作业,完成整个移栽过程.日本对移栽机的研究以膜上移栽机为主.日本研究的移栽机多为膜上移栽机,其移栽机构多为杆类.
图 4 为井关农机株式会社开发的井关 PVHR2 型双行膜上移栽机.该移栽机的移栽机构为七连杆式,移栽鸭嘴固结在七连杆机构.鸭嘴的开合靠凸轮机构控制.当整机向前行走时由人工将钵苗放送至转盘式投苗盘的苗杯内,钵苗随苗杯运动; 当苗杯运动至投苗点时苗杯的杯底被打开,此时七连杆机构带动鸭嘴运动至投苗点,钵苗由于自身重力落至鸭嘴内部; 然后钵苗随鸭嘴向下运动,接着鸭嘴入土并张开,此时钵苗被放置于土壤,鸭嘴向上运动,镇压轮完成对钵苗的覆土镇压作业.
美国比较有代表性的膜上移栽机有雷纳多销售服务有限公司生产的雷纳多 RTMEll00 型半自动移栽机,如图 5 所示.该移栽机的移栽机构由燃烧器、打穴杆和移栽鸭嘴等部分组成.RTME1100 可以在塑料膜上烧出不同尺度的洞,使用一个丙烷加热过的钢燃烧器来完成这个过程.当燃烧器和塑料膜接触以后,塑料会马上被气化; 紧接着燃烧器的是打穴杆,打穴杆可以在燃烧器烧出洞口出打出穴孔,然后由移栽鸭嘴将钵苗植入穴孔.RTME1100 可以在每个洞里注入大约 1/4 杯液体,喷液头可以仔细地灌溉每个洞,让苗株更好地生长.RTME1100 可以移栽的株距范围在20 ~ 66cm 之间,能够调整株距、行距和播种深度以便播种机可以移栽不同类型的蔬菜苗株.
1. 2 国内膜上移栽机的发展现状
我国对移栽机的研究起步较晚,现有的移栽机有链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、吊杯式移栽机和水轮式移栽机.其中,适用于膜上移栽有吊杯式移栽机和水轮式移栽机.吊杯式移栽机有偏心圆盘式吊杯、单铰接式吊杯和多杆式吊杯.20 世纪 90 年代初,我国开始了膜上移栽机的研究.
中国农业大学对膜上移栽机的研究有偏心圆盘吊杯式移栽机和水轮式移栽机.2002 年,中国农业大学的封俊通过分析说明吊杯式移栽由于其结构的限制移栽效率不超过单行 1 800 株/h[8],即偏心圆盘吊杯式移栽机不适合高速移栽作业.
2005 年,中国农业大学的王晓东对水轮式移栽机( 见图 6) 进行了研究,水轮式膜上移栽机的主要工作部件是水轮和打穴铲.打穴铲均匀地分布在水轮的外缘.随着拖拉机向前行走,水轮靠与地面的摩擦力向前滚动,均匀分布在其顶圆上的打穴铲刺破地膜,并深扎到很疏松的土垄中; 随着拖拉机的继续向前,水轮仍在滚动,打穴铲出土后,在土垄上留下一个可以放下苗钵的孔穴; 紧接着坐在后面座椅上的人把钵苗放入孔穴中,然后用少量的松土覆在苗的周围,并压实.
浙江理工大学对膜上移栽机的移栽机构和取苗机构做了较多的研究.2010 年,陈建能等对七杆式蔬菜移栽机的栽植机构进行了研究,分析了主要参数对该栽植机构运动特性的影响,通过对比不同参数下栽植的运动轨迹得出一组较优机构参数,其栽植效率为单行 3 900 株/h[9].2011 年,陈建能等对多杆式零速度钵苗移栽机植苗机构进行了研究,通过优化得出该移栽机构的最佳栽植效率为单行 1 800 株/h[10].
2012 年,陈建能等对钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构进行了研究,优化了该栽植机构的最佳结构与运动参数[11].2011 年,余高红等对椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动取苗机构进行了研究,通过试验与仿真验证了该机构的工作可靠性[12].
目前在国内得到应用的移栽机均为半自动移栽机,适合于膜上移栽的移栽机有代表性的类型为南通富来威农业装备有限公司生产的 2ZBX 系列悬挂式吊杯移栽机和 2ZB - 1 型多连杆式移栽机.其中,2ZBX系列悬挂式吊杯移栽机的工作原理与法拉利 FPA 型移栽机相同; 而 2ZB - 1 型多连杆式移栽机的工作过程与井关 PVH2 型双行膜上移栽机相同.
国内现阶段研制和使用的膜上移栽机多为半自动式移栽机,全自动的移栽机由于结构复杂、控制要求严格、造价过高和性价比低,目前正处在理论研究阶段[13].
2 存在的问题
2. 1 移栽效率偏低
人工膜上移栽的移栽效率约为 500 株/( 人·h) ,而现有的膜上移栽机的实际作业时的移栽效率不超过单行 2 800 株/h,每台移栽机至少需要两人同时作业,即每台移栽机的作业效率约为人工移栽的 2 ~ 3倍; 再将机具购置费用、维修保养费和燃油消耗考虑在内,则现有的膜上移栽机的移栽效率距农业生产的期望差距较大,不能够为农民创造较高的经济效益.
2. 2 自动化程度较低
目前我国投入使用的移栽机大多为半自动移栽机,全自动移栽机处于处于研发阶段.半自动移栽机均需要人工投苗,不能较高程度解放人力劳动.
2. 3 移栽的可靠性不高
目前投入市场的移栽机均可以实现移栽功能,但是可靠性有待提高.在移栽过程中会出现移栽直立度不高、漏苗、带苗、伤苗、挂膜等现象.因此,需要对现有的移栽机进行结构与性能的优化以满足市场要求.
2. 4 移栽与育苗技术发展不同步
国内许多移栽机是在借鉴国内外先进技术的基础上研制出来的,而育苗技术与移栽技术并不配套.因此,需要从我国的实际情况出发研制适合我国国情的稳定可靠的移栽机.
3 结论
通过对现有膜上移栽机的了解,发现影响膜上移栽机的栽植效果的主要原因有以下几点:
1) 移栽机的入土部件的入土时间不能与较高的行走速度相协调.在这种情况下会产生地膜开口过大的现象.
2) 移栽机构在入土过程中的运动轨迹不够合理,容易产生挂膜以及带苗现象.
3) 移栽机构的栽植频率较高,钵苗相对导苗管的运动也较为复杂,他们之间的作用力对落苗时间以及钵苗着地状态有较大的影响,现有的移栽机只是以移栽机构的运动轨迹为对象进行优化,而忽略了对钵苗运动状态的分析.
因此,对膜上移栽机构的研究可从其栽植点的运动轨迹入手,减小对地膜的损伤,减少带苗现象; 可从钵苗的着地状态入手,提高钵苗移栽的直立度.
参考文献:
[1] 员学锋,吴普特,汪有科. 地膜覆盖保墒灌溉的土壤水、热以及作物效应研究[J]. 灌溉排水学报,2006,25( 1) :25 - 29.
[2] 张杰,任小龙,罗诗峰,等. 环保地膜覆盖对土壤水分及玉米产量的影响[J]. 农业工程学报,2010,26( 6) : 14 -19.
[3] 申丽霞,王璞,张丽丽. 可降解地膜对土壤、温度水分及玉米生长发育的影响[J]. 农业工程学报,2011,27( 6) :25 - 30.
[4] 俞高红,刘炳华,赵匀,等. 椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动移栽机构运动机理分析[J]. 农业机械学报,2011,42( 4) : 53 - 57.
[5] 董哲,林选知,张瑞勤,等. 导苗管式移栽机的烟苗移栽质量影响因素分析[J]. 农机化研究,2012,34( 4) : 38 -41.
[6] 王晓东. 水轮式打穴移栽机成穴机理及试验研究[D]. 北京: 中国农业大学,2005.
[7] 王晓东,封俊. 国内外膜上移栽机械化的发展状况[J].中国农机化,2005( 3) : 25 -28.
[8] 封俊,秦贵,宋卫堂,等. 移栽机的吊杯运动分析与设计准则[J]. 农业机械学报,2002,33( 5) : 48 -50.
[9] 陈建能,王伯鸿,任根勇,等. 蔬菜移栽机放苗机构运动学模型建立与参数分析[J]. 农业机械学报,2010,41( 12) : 48 -53.
[10] 陈建能,王伯鸿,张翔,等. 多杆式零速度钵苗移栽机植苗机构运动学模型与参数分析 [J]. 农业工程学报,2011,27( 9) : 7 - 12.
[11] 陈建能,黄前泽,王英,等. 钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构运动学建模与分析[J]. 农业工程学报,2012,28( 5) : 6 - 11.
[12] 俞高红,刘炳华,赵匀,等. 椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动移栽机构运动机理分析[J]. 农业机械学报,2011,42( 4) : 53 - 57.
[13] 刘存祥,李晓虎,岳修满,等. 我国旱地移栽机的现状与发展趋势[J]. 农机化研究,2012,34( 11) : 249 -252
