水稻机械化移栽技术发展现状与展望

蔡金平，肖丽萍，刘木华，叶洋洋，李涛斌，陈雄飞

(江西农业大学 工学院，南昌 330045)

0 引言

水稻作为我国三大主要粮食作物之一，产量据世界首位。近年来，其种植面积成增长趋势，全国已由2005年的26 508khm2增加为2015年的30 216khm2[1]。我国目前正经历从传统农业向现代化农业转变的过程，水稻生产机械化是向现代化农业转变的关键一步，也是夺取水稻高产的一项重要措施，以水稻种植机械化技术尤为关键。

2015年，我国水稻种植机插秧面积12 086 khm2，占全国水稻种植总面积的40%左右，且各地发展不平衡，东北三江平原由于土地平整、农户种植规模大，机插秧面积所占比例较高，达到70%左右；而长江中下游南方稻区由于地处丘陵地带地势不平、气候变化大等原因，机插秧面积比例仅达到20%左右[2]。随着我国人口的老龄化加剧及耕地面积的不断减少，粮食种植面临前所未有的挑战，所以通过合理密植保证秧苗栽插质量来提高单产是实现方法之一。

1 水稻机械化移栽模式

水稻移栽主要为分为人工移栽和机械移栽。其中，机械移栽从育秧方式上可分为毯状苗移栽和钵体苗移栽两种。

毯状苗多适用于插秧机机插。由于插秧机机插技术发展和推广时间长，技术相对成熟且与之适应的移栽相关农艺较完善，是现阶段水稻机械化移栽的主要模式。但是，现有插秧机对育秧技术要求较高，容易出现密秧和稀秧现象，以致插秧机插植后密秧造成植株大，营养不够，而稀秧容易造成漏秧；对秧苗的质量要求高，对苗龄和苗高需要严格控制；栽插过程中由于毯状秧分插撕裂而出现伤根、伤秧现象，缓苗期较长。

钵体苗移栽是带土移栽，在取秧过程中根伤减少，缓苗期缩短。水稻农艺专家(张洪程[3]、姜心禄[4]、米长生等[5])经过多年试验研究，结果表明：水稻钵苗移栽质量高，返青快，抽穗后根系活力优，乳熟期颖花根活量提高14.2%，且抗倒伏能力较强，千粒质量提高，籽粒更加充实，具有显著的增产优势，比毯苗机插增产6.0%～12.6%，是大幅度提高粮食单产的主要农艺措施之一[3-6]。但是，由于钵体苗移栽机构复杂制造相对困难，生产成本居高不下，国内插秧机的材料和制造工艺相对滞后，且没有成熟的配套农艺支撑，所以没有得到大面积的推广，特别是南方双季稻区。

与其他农机作业相比，水稻机械化移栽是一个较大的系统工程，其涉及的装备技术较多，主要涉及3个方面，即移栽技术、育秧技术、整地技术。其中任何一个环节出现问题，秧苗的移栽效果都会受到影响。除了核心工作部件——移栽装置外，动力装置、侧深施肥装置等对移栽的效率、成本、成活率及秧苗后期的田间管理都具有重要的影响[7]。

2 国内外水稻机械化移栽技术研究现状

目前，水稻机械化种植方式主要有机械化直播与机械化移栽，而机械化移栽又分为毯状苗插秧机移栽和钵体苗机械移栽。意大利、澳大利亚、美国等欧美国家水稻种植主要以机械化直播为主，机械化移栽技术的研究对象主要集中于蔬菜、烟草等旱地经济作物，少有水稻机械化移栽技术的研究。对于水稻机械化移栽技术，国外研究的相对较多国家都在亚洲。亚洲地区(如中国、韩国、日本等国家)水稻种植则以育秧移栽种植为主，将培育好的秧苗通过移栽机械(插秧机、移栽机、摆栽机等)栽植到水田中[7]。

2.1 毯状苗机械化移栽技术研究现状分析

毯状苗主要用于插秧机移栽，所以毯状苗移栽技术研究主要体现在插秧机技术的研究。

国外插秧机技术发展相对成熟的国家主要在亚洲，以日本和韩国为代表。日本种植机械的发展速度迅猛，20世纪50、60年代就完成了种植机械从步行式到乘坐式的过渡，70年代开始研制开发水稻插秧机，80年代改进分插机构首次提出并研制出了旋转式分插机构。与此同时，进行了针对不同农作物种植机械的有益探索，中、日、韩生产了一系列高质量的高速乘坐式和低速步行式插秧机[8]。日本企业生产的水稻插秧机的代表品牌主要有洋马、久保田、井关及三菱等；韩国在引进日本插秧机技术的基础上研发出其国有品牌，主要代表有东洋、大同、LG等系列品牌，且在中国、日本、韩国等地均已全面使用。

我国是较早开展水稻插秧机研制的国家之一，第1台自走式插秧机——东风2S型于1967年自行研制成功；但由于当时多方面的原因，该插秧机并未进行大面积推广。到20世纪70年代末，我国开始从日本引进秧盘育秧生产线与水稻插秧机，解决了育秧与插秧机的技术配套问题，在此基础上研制开发出了一系列水稻插秧机，对我国水稻种植机械化技术发展起到了较好的促进作用[9]。随后，各科研机构和高等院校(如浙江理工大学、扬州大学、东北农业大学、江西省农科院和江西农业大学等)均陆续在已有等行距插秧机基础上研制出多种地方化插秧机，包括宽窄行高速插秧机、变行高速距插秧机、测深施肥插秧机、窄行距手扶式插秧机、变行距手扶式插秧机等，这些移栽机具操作简单，移栽质量均较好。

近年来，国内插秧机研制生产取得了长足的进步，因此现阶段国内能生产插秧机的企业也较多。手扶式主要有南通富来威生产的2ZF-6A、北京雷沃重工生产的2ZX-630及柳州五菱生产的2Z-430等型号；乘坐式主要有延吉生产的春苗2ZT-9356B型、常州常发生产的2ZC-6型、中联重工生产的谷王SG60型等。国产插秧机多是仿照和消化日韩的相关技术，因此在技术含量、材料及制造工艺、可靠性等方面与日韩插秧机相比都存在一定的差距[10]。

2.2 钵体苗机械化移栽技术研究现状分析

在国外，日本最先开始对钵苗移栽相关技术进行广泛的研究，最早开始钵盘育苗移栽，也是目前国外钵苗移栽技术最先进的国家。20世纪60年代末70年代初期，日本为了解决水稻育苗插秧抗寒冷低温问题，在易受冷害的北海道等地开始研究纸筒育苗插秧技术，达到了耐低温、返青快、增产的效果[9-10]。

1986年，井关农机株式会社研究了钵苗乘坐式高速插秧机的旋转滑道式分插机构[11]。工作时，钵盘在移箱机构的带动下移动到取苗位置，取苗机构顶出并接住带营养基质的钵苗，到达指定位置；取苗机构松开钵苗，钵苗在重力作用下落在输送带上，钵苗再由输送带运送到指定位置，由栽植臂进行摆栽。其滑道机构结构相对简单，但对各个运动机构的运动要求比较高，工作中受力较大，带泥土工作可能导致运动机构运转不稳定现象。

20世纪90年代，日本研制了顶出式水稻钵苗移栽机[12-13]。田间作业时，由顶杆从钵盘的穴孔底部小孔中把钵体苗依次顶出，之后顶针在弹簧的作用下弹回；当送秧机构将下一个钵苗输送到顶出位置时，进行下一次顶出过程。1998年，我国苏州市水利农机科学研究所对日本RX-6型顶杆式移栽机进行了试验，结果发现该机漏播率约为8.68%，其中5.71%是由于育秧缺陷而造成的[14]。这种顶杆推出式的有序移栽机构中，顶杆直接作用于钵苗的土钵，且为间歇运动，需要有一套复杂的定位机构来实现其精确运动，加工精度要求也较高。另外，顶针直接作用于秧苗钵体，磨损快，降低精度后导致顶出装置易顶偏。

日本洋马农机株式会社研制出了齿轮连杆式钵苗取苗机构[15]，将齿轮连杆机构与滑道机构结合完成取苗动作，将秧苗送到栽植口，通过栽植机构植入田间。该取苗机构取秧爪的运动轨迹由滑道形状严格控制，对滑槽壁材料要求很高，成本高，且滑道易磨损，速度不宜太快。日本的钵苗移栽机非常昂贵，机械结构较为复杂，且均为大行距插植，在我国大面积推广无论从经济效益还是地形地貌、温度情况来说都不是很理想。

我国对机械移栽技术的研究起步于20世纪60-70年代，由于国内农业提高生产作业效率的需要，70年代末到80年代初，各科研机构及高等院校浙江理工大学、中国农业大学和东北农业大学等均陆续研制出多种移栽机械。这些移栽机具操作比较简单，移栽质量好，工作效率也较高，但一直没有进行大面积推广应用。

宋建农课题组研制的2ZPY-H530型水稻钵苗行栽机[16-18]，拔秧机构由1对大小相同的上、下拔秧辊实现取秧动作，将秧苗在重力的作用下掉落被移栽到水田中。该拔秧机构直接作用于秧苗茎秆，秧辊夹紧秧苗，依靠它们之间的摩擦力将秧苗从钵盘钵穴中拔出。由于摩擦力的存在会对秧苗有一定的损伤，移栽后会有一定的缓苗期。

朱德峰等发明了半钵半毯状秧盘[19-20]，秧苗根部的下半部分是钵体，上半部分为毯状，这种秧盘既有钵苗育秧特点又能适用于普通插秧机移栽作业，与普通毯状苗插秧机相比，减少了取秧过程中的伤根现象，缩短了缓苗期，正在进行全国大面积推广。其主要问题是纵向送秧的积累误差造成取秧钵体不完整，现已解决有关取秧误差的技术难题，正在试制样机。

黑龙江农垦科学院在日本水稻钵苗摆栽机的基础上，成功研制出了一款水稻钵苗摆栽机——2ZB-633型，于2009年完成项目验收，2013年完成中试转化；但由于多方面的原因，还未能大面积推广[7]。

东北农业大学与吉林鑫华裕公司合作研制的双曲柄水稻钵苗移栽机能够针对钵苗进行移栽作业[21-22]。在高转速时，杆机构由于惯性的原因产生振较大的震动，影响取秧和移栽的效果。该机构只能完成低速移栽作业，作业效率较低。

浙江理工大学赵匀团队研制了顶出式水稻钵苗移栽机、非圆齿轮行星系钵苗移栽机取苗机构、傅里叶齿轮行星系水稻钵苗移栽机构和旋转式椭圆-不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构等一些列钵苗移栽机构，均通过1个机构完成取出钵苗、输送钵苗和栽植钵苗3个动作，结构相对简单，能较好地实现“8字形”复杂运动轨迹和姿态。由于是凸轮或非圆齿轮等结构，其运行平稳[23-26]。在规划实现秧爪的精确运动轨迹时，凸轮或非圆齿轮的轮廓的计算非常复杂，各齿轮之间配合参数要求严格。

沈阳农业大学研制了水稻钵苗空气整根气吸式有序移栽机[27]，该机通过产生气体压差一次完成4个钵苗的移栽，但在气吸钵苗时容易造成碰撞伤。

以上日本或我国研制的水稻钵苗移栽机构，工作时行距不可调整，不能同时满足我国从南部到北部、从早稻到晚稻等的水稻多样化种植方式。可见，为了满足我国稻区特别是南方稻区的水稻地方化种植模式，变行距钵苗移栽机的研制实为必要。

2.3 水稻变行距机械化移栽技术的研究现状

虽然我国在本国生产插秧机的基础上引进了较多型号的日、韩插秧机，但我国稻区除了水稻大户之外的农户使用插秧机插植水稻的非常少，特别是南方稻区，主要还是以人工插植为主。我国南方稻区水稻插秧机成为水稻全程机械化的瓶颈问题，究其原因，主要还是南方地形地貌和品种多样为主，且我国的水稻插秧机普遍机型单一、不配套、适应性差。

扬州大学研制了行距无级可调毯面钵体苗摆载机构[28-29]。该摆载机构由取苗机构和输秧机构两部分组成，输秧机构由10个多部分组成，能较好地实现秧苗的变行距移栽；但存在结构复杂等问题，需要优化较多相应参数，计算量太大。该机需要特殊配套的毯状钵苗育秧方式，对农户而言，育秧要求较高。

2010年，延吉插秧机制造有限公司在普通乘坐式插秧机的基础上改进开发出了一款宽窄行插秧机[30]，通过宽、窄行间隔布置分插机构和秧秧箱空行配套的方式实现宽窄行分插。该改装方法虽然能同时适用于乘坐及步行式插秧机，但存在改变移秧箱结构及栽秧台尺寸、8行机变为6行机等缺点，使整机作业效率下降，限制了该机型的大面积推广，因此该机型并没有真正进入市场。

近几年，赵匀研究团队在对等行距分插机构研究的基础上进行了大量针对宽窄行分插机构的相关研究，发明了系列宽窄行分插机构，主要有斜置式、斜齿交错轴式和滑摆式3种[31-33]，均可以在保持取秧口等距分布不变前提下实现宽窄行插秧；但实际应用过程中容易出现取秧时的扭转角、取秧段轨迹偏移量均偏大现象，导致伤秧漏秧、干涉等情况。

安徽农业大学工学院朱德泉教授带领的课题组，通过优化改进相应的移秧机构研制了行距可调的高速水稻插秧机[34-35],为实现水稻插植行距可调需同时改进设计调节机构、移箱机构和秧箱机构，每更换一种行距，秧箱机构必须有相应行距配套以配合不同行距秧盘的使用。可见，该机构同时改进了3个部分，结构复杂，且3个机构相辅相成，缺一不可，三者之间的配合要求高，结构复杂，需要优化较多相应参数，计算量太大；且均需专门配套的育秧设备和技术，对于农户来说，要求太高。

江西省农业科学院农业工程研究所在现有手扶式插秧机的基础上，通过改变优化相关的结构与分插机构研制出手扶式窄行距(行距264mm)以适应南方双季稻的生产[36]。

本课题组在洋马AP4手扶式插秧机的基础上通过改进传动路线与分插机构研制了窄行距插秧机，进一步优化改进研制出行距可调式插秧机，通过重新设计可调节式栽秧台及可调式分插机构来实现24～30cm行距可调的移栽功能，以适应南方双季稻区水稻多样化的种植需求[37-39]。由于样机稳定性及可靠性有待进一步完善优化，并没有大面积的推广。

3 水稻移栽机械化技术展望

3.1 实现水稻变行距机械化移栽

在我国部分水稻种植区，特别是南方双季稻区(如江西省)水稻种植需要同时适应赣南赣北气候差异，早稻因分蘖期短需密植，晚稻因温度高分蘖快、超级稻分蘖能力强需稀植，即移栽机械需要同时满足24～30cm的行距移栽和不同地区的种植农艺要求[40-41]。现阶段，国内市场上销售的插秧机基本上都是固定式行距为30cm机型，在阳光、雨量均充足的南方双季稻区普遍反映存在缺陷：对于生育期较短、植株矮小的早稻，存在种植密度相对偏稀、基本苗偏少、有效穗数不足的现象，浪费耕地资源，不利于水稻高产，不能充分发挥水稻机械化移栽的增产潜力，反而会形成相对减产的现象[42-43]。假如早稻使用小行距(24cm)插秧机、晚稻使用大行距(30cm)插秧机移栽，就会出现同一块耕地需要使用使用两台不同型号的插秧机，从而造成设备资源浪费的现象。

研究表明：对毯状苗实行不同行距插植(如24cm行距)，能大大提高单产[44-46]。课题组开发的变行距插秧机(已获专利授权)，可以栽植毯状苗早稻、晚稻和杂交稻等不同品种，栽植行距在24～30cm之间调节。初步试验表明：农户可根据不同品种、不同环境自行调节行间距，以及对每公顷插植苗数进行选择，使秧苗在最优环境下生长。

3.2 研制能同时栽植水稻大、小苗机具

我国水稻机械栽植过程中农机农艺结合不完善，致使水稻插秧机成为水稻全程机械化的瓶颈问题。农户使用机械插秧时育秧技术要求太高，过程容易受到限制，水分、肥料管理等环节复杂麻烦，苗期控制不易。若苗期过长，则苗茎又长又大，运输或栽插抓取时易折断伤苗或出现“搭桥”现象；若苗期过短，则小苗又嫩又细，栽植时易夹伤碰伤，两种情况均会导致栽插后秧苗返青期长，生长质量不高，容易造成减产。对于农户来说，很难把握这个“度”，所以推广起来很不方便。尤其在江西省稻区，山地、丘陵占地比重大，田块小又多，田埂多，秧苗运输过程复杂困难；且水稻品种多(早稻、晚稻、杂交稻、超级稻等)，苗期不同，苗茎大小不一，导致种植模式多样。所以，要使秧苗栽植过程中不伤秧、不浪费资源且农户使用方便，急需研制能同时适应大苗(晚稻、杂交稻)稀植、小苗(早稻)密植的移栽机具，可同时适应8～45cm的苗高，9～22cm的株距。因此，研发适应我国南方稻区多农艺的地方化水稻钵苗移栽机具，实现不同行距及不同大小秧苗的变行距移栽技术非常有必要，可以提高粮食产量，避免形成资源浪费、相对减产的格局[47-48]。