水稻钵苗移栽机试验研究

胡敏娟，张文毅，浦 毅，张 敏，纪 要，卢 晏

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005)

水稻钵苗移栽机试验研究

胡敏娟1，张文毅1，浦 毅2，张 敏1，纪 要1，卢 晏1

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005)

水稻钵苗移栽是一种利用钵盘育秧的水稻移栽技术，是水稻种植过程中的重要环节。由机械替代人工完成移栽是推广钵苗移栽技术的关键。为此，在以五杆双曲柄分插技术为核心的水稻钵苗移栽机上进行试验研究，结果表明：水稻单穴内秧苗拉拔力小于抗拉断力，取苗秧夹夹持秧苗茎秆的取苗方式可行；水稻钵苗移栽机栽深和株距可控，栽植翻倒率为16.7%，漏插率为14.7%，伤秧率为3.4%，栽后第2天长型根，基本无缓苗；由根系生长来看，钵体苗表现更为粗壮，抗倒伏能力强；产量较同期毯状苗机插每穗平均增加4.6%。同时，针对水稻钵苗移栽机试验中所产生的作业质量、效率等问题，分析了农机和配套农艺问题，旨在对后续机具的研发提供参考，为水稻高产稳产提供技术支撑。

水稻钵苗移栽；钵苗插秧；取苗秧夹

0 引言

目前，水稻机械种植主要有直播、插秧和抛秧3种方式。直播生长期长，影响后茬作物的生长，不利于轮作；插秧对根系损伤大，缓苗期较长；抛秧对根部损伤小，但作业无序，影响水稻通风和均匀吸收阳光和地面养分，容易引发病虫害。水稻钵苗移栽机插秧技术是当前水稻生产环节的一项创新技术，它将传统水稻机插、抛秧技术优势有机结合，既克服了传统插秧机械对秧龄限制严格、损伤秧根、影响秧苗生产的缺点，又解决了抛秧作业秧苗不能有序成行的难题，与传统毯状苗机插秧相比，具有秧苗浅栽、缓苗快、低节位分蘖多、成穗率高、节约种子、节省营养土及稳产高产等优势[1-3]。

1 结构与工作原理

水稻钵苗移栽机关键部件分插机构设计为五杆双曲柄机构，包括控制杆、曲柄、弹簧、凸轮和取苗秧夹等[4]，如图1所示。

图1 水稻钵苗移栽关键部件及运动轨迹Fig.1 Key parts and trajectory of rice pot seedling transplanter

工作时，人工将水稻钵苗盘有序放入秧箱，钵苗高度方向与秧箱呈垂直状态。为避免取苗秧夹在取苗前与秧箱发生干涉，取苗秧夹运动轨迹的曲率在夹持、拔取钵苗点附近需要迅速变化：取苗点前取苗秧夹与钵苗茎部垂直靠近并夹紧独立穴格内单株或多株钵苗茎部，取苗点后取苗秧夹运动轨迹应尽量与秧箱垂直，即沿秧苗高度方向将其有效拔出，拔苗过程中取苗秧夹姿态变化越小则对秧苗的损伤越小；取出秧苗后沿腰型轨迹完成植苗，取苗秧夹在凸轮作用下打开，并将秧苗推出执行定植动作。曲柄旋转1周，取秧夹夹取钵苗插秧1次，栽植频率为100～120次/min。

图1(b)为双曲柄机构通过增加第2驱动杆起始偏转角度来改变分插机构轨迹的仿真分析，图1(b)右图为该试验研究中分插机构的栽植轨迹。

分插机构在取苗位置主要控制取苗时间点与大小适度夹持力和拔取力，而在栽植位置主要控制推秧时间点与推秧距离。为保证秧苗栽插直立率，分插机构设计必须要准确控制该最佳推秧位置点[5-7]。图1中，A点为分插机构栽插行程上一点，B点为最低插秧点，C点为分插机构栽插回程上某一点。假设B点为分插机构栽插最佳位置，即在该点推秧器将秧苗推压入土，在运动轨迹上的点A和点C则分别对应推秧前和推秧后两个位置。为使将秧苗按压入土，并保持最佳直立度效果，要求分插机构秧针在B点位置处：VB×sinα=V机(零速投苗)。其中，V机为机器前进速度，与分插机构在B点X方向上的速度大小相等、方向相反。如图1(b)所示，α1≤α≤α2≤90°。由正弦定律可得：A点分插机构速度分量：VA×sinα1﹤V机，秧苗向插秧机前进方向倾斜；C点速度分量VC×sinα2﹥V机，则秧苗向机具后退方向倾倒。另外，设计取苗秧夹在凸轮作用下秧针推出距离要求≥5mm，以保证良好的立苗效果。

2 试验设计与分析

为进一步探究水稻钵苗移栽的优势及移栽机械作业质量，为推广钵苗移栽技术提供理论与技术支持，设计如下试验：①水稻钵苗拉拔力试验，获取取苗秧夹拉拔钵体苗茎秆力学特性；②水稻钵苗栽插对比试验，对比分析移栽机械作业质量(株距、栽深、翻倒率、漏插率和伤秧率等)及钵苗机插与毯苗机插产量对比。

2.1 水稻钵苗拉拔力试验

为能将水稻钵苗从生长苗盘中有效取出，取苗秧夹夹持茎秆的拉拔力必须大于秧苗抗拉断力，因此通过试验获取夹持适龄秧苗茎秆拉拔力情况。试验材料有拉力计、夹具及水稻钵苗如图2所示。

试验中固定苗盘，用夹具夹持单穴内的秧苗茎部，向上提拔钵苗并有效拔出，拉拔力即为量具所示的该力大小。试验结果如表1所示。

图2 试验用水稻钵体苗Fig.2 Test rice pot seedling表1 拉拔力Table 1 Drawing force

序号拉拔力/N11.6000.4410.8820.1963.14520.6371.2053.2431.2740.83330.5390.9310.5391.9891.91140.9801.8913.1941.4011.30352.4301.2250.5390.9311.4562.9201.1071.0580.5390.53971.3230.5881.3230.5881.86280.8332.3162.0871.3234.90990.9311.2741.6261.6951.225101.3032.7732.0871.0781.842

由以上拉拔力数据统计可知：拉拔力大多在0.5～3N范围内。最小为0.196N，最大为4.909N，均发生在单穴内苗株较少和较多的时刻。由于根系发展情况不同，单穴内株数较多时根系发达，串根较多，拉拔力较大；反之，则拉拔力越小。

上述夹取单株或多株秧苗茎部所需的拉拔力(Fmax=4.9N)均小于秧苗的抗拉断力20天秧龄平均抗拉断力5.59N[8]。也就是说，在常规播种条件下，夹持钵苗茎部拔取秧夹设计能够满足取苗力学设计要求有效取苗。

2.2 水稻钵苗栽插对比试验

为获取水稻钵苗移栽机分插机构作业性能和质量信息，设计水稻毯状苗和钵苗(常规稻3～5粒播种)栽插对比试验。试验设计在同一播种育苗环境下，按机具最小栽植密度、最少插深对水稻毯状苗和钵体秧苗进行机械栽插。毯状苗栽插使用洋马6行乘坐式插秧机，对比分析两种栽插方式的作业质量、秧苗生长情况和产量情况，分析得出该分插机构的优劣。试验作业条件按江苏水稻栽种要求株距选择最小，栽植深度固定在最浅位置，栽植效果如图3所示。

图3 田间试验效果图Fig.3 Field test rendering

1)栽深。因钵苗优势就是秧苗浅栽，能充分利用地表泥温高、表层氧气充足的优势，提高秧苗成活率。栽深测量即人工将机械栽插过后的水稻拔出水面，测得泥平面到苗钵上表面的距离，如图4所示。试验测得水稻钵苗移栽分插机构栽深在0～20mm范围内，栽深稳定性欠佳。

图4 插深测量Fig.4 Transplanting depth measurement

栽深不稳定的原因除机器自身可靠性外，与整地质量有关。整地全田高低差要小(<3cm)，表土上细下粗，插秧作业时不陷机、不壅泥[9]，因此试验用地整地质量还需提高。

2)株距。如图3所示，对每10株秧苗测量距离，详细数据如表2所示。

表2 株距

计算得株距平均157.55mm，较比理论值153mm(理论株距×(n-1)，其中n为所测钵苗总数)差异不大。

3)翻倒率、漏插率和伤秧率。翻倒穴数、漏插穴数和伤秧数[10]等参数均是反应插秧机具栽插质量的重要指标。具体计算方式为

翻倒率=(翻倒穴数÷500)×100%

漏插率=(漏插穴数÷500)×100%

伤秧率=(伤秧株数总和÷500穴内秧苗总株数)×100%

试验数据经整理得：翻倒率16.7%，漏插率14.7%(部分由于本身穴格内没苗)，伤秧率3.4%。

翻倒率主要出现在株距最小或田块较低洼的区域。株距最小时秧苗翻倒原因有待力学分析，低洼地区会导致分插机构无法完成有效定植；漏插问题主要在育苗播种或水稻稻种出苗率环节，因试验过程中发现秧夹推秧所得的穴孔内本身无苗，从而造成漏插现象。钵体苗栽插后的第2天长型根，生长情况基本稳定；毯状苗则存在至少1周及以上缓苗期。

2.3 水稻钵苗产量对比

收获期随机挖掘出单颗秧苗对比不同秧苗根系情况如5图所示。

图5 根系发展情况对比Fig.5 Contrast of root growth

从图5根系生长情况来看，单穴内毯壮苗根系长度最短，钵体苗则表现较为粗壮。刘法谋等在《杂交水稻根系生长优势与对环境因子的响应和调控》一文中提出根系粗壮是稳产高产的重要保证[11]。产量对比如表3所示。

表3 产量

由上述数据得出：机械栽插钵体苗每穴株数17.2株，穗粒数112.52粒，平均千粒质量为33.2g，计算得出每穗产量为3.74kg；机械栽插毯状苗每穴株数20.2株，穗粒数112.07粒，平均千粒质量为31.8g，计算得出每穗产量为3.56kg；穗粒数两者差异不大，因千粒质量不同，产量平均每穗增加4.6%。

3 讨论

综上所述，农机及配套农艺等问题需进行深入研究，具体如下：

1)育苗播种问题。对土壤粒径和钵孔内土壤压实度要求：本身钵孔用土量、播量少，倘若有大粒径基质架空种子，则会出现种子发芽困难，发生缺苗。对播种精度要求：播种精度高，空缺率要小；或选用出芽率高的水稻品种。

2)栽深控制问题。添加仿形机构，稳定栽插深度，充分展现水稻浅栽优势。

3)作业效率问题。该种机具纯工作生产率为0.1～0.2hm2/h，1台洋马高速插秧机作业效率约为0.45hm2/h，按1天工作8h计算，1天插秧亩数差异达1.9～2.7hm2田，另需配套辅助人员完成秧苗补给。课题组成员准备改五杆双曲柄机构为非圆齿轮传动，在此基础上改进优化设计，以提高插秧工作效率，抢上农时，减轻农民劳动强度，从而得到农民的接受。

4)钵苗规格问题。对适应不同水稻品种秧苗生长和机械化移栽的钵体规格、秧苗质量进行研究，以满足不同地区农艺种植需求。

5)机械栽插对节位分蘖的影响。一般分蘖出现早晚直接影响孽位孽次高低、成穗率和穗部性状。因此，应分析研究机械栽插对影响水稻分蘖发生的迟早、多少和分蘖质量高低的因素，除品种本身的特性外，还有秧田和本田期的各种环境因素，如温度、光照、肥水管理及移栽质量等。

4 结论

1)水稻单穴内秧苗拉拔力小于抗拉断力，取苗秧夹夹持秧苗茎秆的取苗方式可行，但播量必须控制。拉拔力大小与穴格内秧苗株数(或播种粒数)成正比例关系。

2)水稻钵苗移栽机栽深和株距可调，作业稳定性有待提高。栽植翻倒率为16.7%，漏插率为14.7%，伤秧率为3.4%，栽后第2天长型根，基本无缓苗。

3)从根系生长来看，钵体苗表现更为粗壮，抗倒伏能力强。

4)产量较同期毯状苗机插每穗平均增加4.6%。水稻钵苗机插主要弥补了机插毯状秧苗有缓苗转青期的欠缺，结穗后稻穗沉旬、谷粒饱满。从产量结果看：两种秧苗成穗粒数基本相当；用钵体苗机械插秧的稻谷千粒质量比毯状苗机插的大，钵苗机插为33.2g，毯状苗机插31.8g，从而影响最终产量。

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Experimental Study about Rice Pot-seedling Transplanter

Hu Minjuan1， Zhang Wenyi1， Pu Yi2， Zhang Min1， Ji Yao1， Lu Yan1

(1.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China; 2.Yancheng Institute of Industry Technology，Yancheng 224005，China)

Rice pot seedling transplanting is an important process in rice cultivation, which raising seedlings by using plastic plug. In order to promote the transplanting techniques for pot seeding, the transplanting by manual must be replaced by mechanical. In this paper, a serious of experimental study was designed on rice pot seedling transplater which core is the double crank of five-bar mechanism. The result showed that the force pulling seedling from single holes is less than the tensile force, the picking method by clamping seedling stem is feasible, its planting depth and space can control well, planting overturn rate is 16.7%, miss planting rate is 14.7%,damaged seedling rate is 3.4%.Seedling needn't recovering and growing root the next day after planting. According to the root growing, pot seedling is stronger than others, and then has strong lodging resistance. The average yield increment was 4.6% for pot seedling and flat seedling. Based on the problems of working quality, efficiency, etc produced by rice pot seedling transplanter, this article analyzed problems between the agricultural machinery and agronomic, provided reference for preceeding research, and technical support for rice high and stable yield.

rice pot seedling planting； pot seedling transplanting； picking seedling gripper

2016-09-19

中国农科院科技创新工程种植机械创新团队项目(2016)；公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203059-3)； “十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B01)

胡敏娟(1982-)，女，江苏无锡人，副研究员，博士，(E-mail)humj74839@163.com。

张文毅(1966-)，男，南京人，研究员，(E-mail)zwy-yxkj@163.com。

223.92

A

1003-188X(2017)12-0130-05