膜上移栽机械研究进展及与分析

徐高伟，邱绪云，朱梦霞，张晶杰，荐世春，宋裕民

（1.250357 山东省 济南市 山东交通学院汽车工程学院；2.250022 山东省 济南市 山东劳动职业技术学院；3.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院）

0 引言

地膜覆盖技术于20 世纪70 年代末[1]首先在日本研制使用。目前我国已经大面积推广和使用，尤其在棉花、蔬菜、中草药和烟草等作物中应用较为广泛。地膜覆盖栽培能促使农作物早熟增产，在增温、保温、保墒和防治病虫杂草等方面效果尤为显著。

在棉花、蔬菜、中草药和烟草等作物中，育苗移栽是其重要的生产环节[2-3]，移栽通过温室育苗，延长生长期，便于苗期管理，培育壮苗，从而提高作物的产量和品质，应用前景广阔。

将地膜覆盖技术和育苗移栽技术结合，可以最大限度地提升棉花、蔬菜、中草药和烟草等覆膜栽培作物的产量和品种，提高其经济效益。

膜上移栽机改变了传统移栽机的破土方式，为减少对覆盖地膜的破坏，膜上移栽机的破土方式为成穴式，但由于作业效率和作业稳定性等问题，现有膜上移栽机械未得到大规模的应用和推广。本文旨在对国内外膜上栽植机结构、工作原理和特性进行分析，探讨目前我国膜上移栽机械的主要问题，为我国膜上移栽机的未来发展提供建议。

1 国外膜上移栽机械现状

国内外对膜上栽植装备进行了广泛研究。欧美、日本等国家已经研制出了部分作物机械化程度高的全自动膜上移栽机，全自动和半自动膜上移栽机同时推广应用。

美国Kennco 公司研制了一款水轮式膜上移栽机[4]，如图1 所示。该机主要由水箱、水轮、栽植铲、秧架等组成。水轮式膜上栽植装备由拖拉机作为动力源牵引，水箱安装于栽植机的前上方，通过水管与水轮连接。水轮的动力来源于水轮在地膜上的转动，水轮侧边焊接栽植铲并随水轮转动。当栽植铲转动到底部时，突破地膜继续插入膜下地垄，在膜下成穴并注水。水轮转动带动栽植铲退出地垄和地膜。操作人员手动取出秧苗，将秧苗放入栽植铲所开的穴口中并手动完成覆土和镇压作业。该机可完成单行或多行的膜上栽植作业，株距的调节需更换水轮且栽植深度固定。

图1 美国Kennco 公司的水轮式移栽机Fig.1 Water wheel transplanter made in Kennco Company of America

在作业过程中，栽植机能完成成穴、注水和送秧，由人工完成栽植、覆土和镇压过程，劳动强度很大，栽植效率不高。水轮在地膜上转动，易撕破地膜。Buckeye Tractor 公司和Plasti Tech公司也研制过类似的产品。

意大利Hortus 公司研制了一款吊杯式膜上移栽机[5]，如图2 所示。该机型采用吊杯单鸭嘴式，可实现膜上栽植。该机主要由苗架、秧苗导引槽和吊杯鸭嘴式栽植器组成。工作时，操作人员将钵体苗放入导引槽中。钵苗在倾斜的导引槽滑动，吊杯栽植器通过不规则滑道，当吊杯鸭嘴栽植器运动至导引槽的后方时，钵苗从导引槽中滑出进入吊杯鸭嘴栽植器中，并随吊杯鸭嘴栽植器运动。吊杯鸭嘴栽植器转动到地垄，突破地膜并在膜下成穴。吊杯鸭嘴栽植器底部打开，钵苗落入穴口中，吊杯鸭嘴栽植器向上转动准备接苗。在栽植机构后方安装覆土镇压装置，完成覆土镇压作业。

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

该机型仅为半自动栽植机，降低了劳动强度，栽植效率相对于水轮式移栽机有了提高，栽植效率为50 株/(min/行)。意大利MAS 公司也研发了类似吊杯式栽植机，美国M.T.公司研制了基于四杆机构的吊杯式栽植机，并在栽植机后方设置了定量注水装置，应用广泛。

美国雷纳多销售服务有限公司研制了雷纳多HTME1100 型移栽机[6]，如图3 所示。

图3 美国雷纳多公司的HTME1100 型半自动移栽机Fig.3 HTME1100 semi-automatic transplanter made in Renardo Sales &Service Co.of America

在作业过程中采用丙烷加热燃烧器触碰地膜，在地膜上形成圆孔。由人工将秧苗放入栽植机构的栽植器中并随栽植器进入地垄，鸭嘴栽植器打开，栽植秧苗，随后完成覆土镇压作业。镇压后进行定量注水，以保证秧苗栽植后生长周期中所需的水分，该机可调节株距和栽植深度，以保证不同作物的栽植农艺要求。

日本洋马公司研制了一种全自动膜上移栽机[7]，如图4 所示。该机采用2 套机构分别完成取苗和栽植作业。在栽植过程中，取苗机构在滑道中运动下深入穴盘内夹取钵苗，转动到指定位置将钵苗放入栽植机构的鸭嘴栽植器中。栽植机构通过鸭嘴栽植器完成破膜、成穴和栽植作业。该机型栽植效率可达到60 株/(min/行)。但该机作业对象为标准化的钵盘育苗且对育苗的质量要求高。日本的久保田和井关也研制了相似产品。

图4 日本洋马全自动鸭嘴式移栽机Fig.4 Automatic duckbill type transplanter made in Yanmar of Japan

日本井关研制了PVPHR2 型膜上移栽机[8]，如图5 所示。该机型为凸轮多杆机构半自动移栽机，其中鸭嘴栽植器与机构的连杆固连，通过凸轮多杆式机构完成膜上栽植作业。工作时，由人工将秧苗放入转动的苗杯中。秧苗在苗杯的带动下转动，当转到鸭嘴栽植器上方时，苗杯下端盖打开，落入鸭嘴栽植器中，由栽植机构完成膜上栽植作业。该机型所搭载的凸轮多杆式机构所形成的穴口较小，避免刮破地膜，保证了栽植的直立度，适用于蔬菜、烟草等要求较高立苗率的经济作物移栽。

图5 日本井关农机株式会社的PVPHR2 型移栽机Fig.5 ISEKI’s transplanter of PVPHR2 type

日本井关研发了PVH100型甘薯倾斜移栽机[9]，如图6 所示。该机为半自动移栽机，采用带夹式机构，操作人员将秧苗放入夹苗带秧夹上，夹苗带转动为夹持栽植机构供给秧苗，夹持栽植机构夹住甘薯秧苗的根部插入土壤进行栽植作业。该机可完成垄上移栽和膜上移栽，以实现甘薯平栽和斜栽不同的农艺要求，具有较好的通用性，适合我国的大部分甘薯种植地区，但由于丹参种苗形态特征相对于甘薯秧苗差异性较大，根部也较脆，夹持栽植机构无法对丹参种苗进行有效夹持，因此无法适合丹参膜上倾斜栽植。

图6 日本井关农机株式会社的PVH100 型移栽机Fig.6 ISEKI’s transplanter of PVH100 model

2 国内膜上移栽机械现状

近年来，国内的学者和企业对移栽机进行了大量的研究和推广，取得了一批成果。目前国内市面上的膜上栽植装备以半自动为主，少数高校和科研院所研制了全自动膜上栽植装备，但还未进行大批量的生产和市场推广，下面介绍几种代表性机型。

江苏富来威公司生产了一种轻简式半自动移栽机[10]，如图7 所示。作业时人工将钵苗放入送苗装置的苗杯中，达到指定位置，苗杯打开，秧苗落入下方的鸭嘴栽植器中，鸭嘴式栽植机构继续运动，插入地垄栽植秧苗，栽植后向上运动准备接苗。但该机只适用于具有立苗率要求的经济作物移栽。

图7 富来威半自动栽植机Fig.7 Semi-automatic transplanter of FLW

浙江理工大学陈建能等人设计一种偏心-椭圆齿轮行星轮系栽植机构[11]，如图8 所示。该机构由7个非圆齿轮、1个行星架和2个栽植嘴组成，中间非圆齿轮两侧是对称结构，中间非圆齿轮与机架固定。作业时，行星架为动力源转动，通过两级传动带动行星非圆齿轮及固联于其上的栽植器做非匀速摆动，满足栽植机构栽植器端点特定的轨迹和栽植器姿态。该机构构思巧妙，转动一次完成两次栽植作业，栽植效率较高，主要针对蔬菜钵体苗的栽植。

东北农业大学周脉乐等人设计了一种回转式膜上辣椒钵苗移栽机构[12]，如图9 所示。该机构由非圆齿轮行星轮系和平面四杆机构组合而成。非圆齿轮行星轮系完成取苗、输送和栽植三个动作，平面四杆机构在行星轮与行星架间的非匀速速转动的作用下完成破膜和打孔。一个机构可依次完成取苗、送苗和膜上栽植等一系列动作，同时一个机构上装有两个栽植部件，回转一周完成两次栽植动作，降本增效，目前正处于试验阶段。

图8 回转式非圆齿轮行星轮系栽植机构Fig.8 Planetary gears type planting mechanism

图9 回转式膜上辣椒钵苗移栽机构Fig.9 Rotary pepper pot seeding transplanting mechanism on agricultural plastic film

江苏大学胡建平等人研制了一种自走式旱地蔬菜全自动四行钵苗移栽机[13]，如图10 所示。该机由自走式底盘提供动力，包括两组栽植单元，各单元分别包括一套送苗装置、取苗机构、分苗装置、栽植机构，各部分间通过机械传动和电控实现全自动移栽。每个单元可实现两行蔬菜移栽，通过并列添加栽植单元可实现多行作业。自走式移栽机在作业时，穴盘苗苗盘放置于送苗装置的箱盘中，苗盘输送到指定位置后，由气力式取苗机构取苗，在气缸作用下沿滑道运转至分苗装置上部，取苗机构在配置时序下依次将钵苗投入到分苗杯中，分苗杯到达栽植机构栽植器上方时打开，钵苗在重力的作用下落入对应栽植机构的栽植器中，由栽植器成穴栽植，将钵苗栽入田中。自走式底盘的液压提升装置可根据垄高调节栽植部件整体高度以调节栽植深度，使移栽机能够适应不同垄高及平地栽植。

图10 自走式移栽机整机Fig.10 Whole self-propelled transplanting machine

3 存在的主要问题

（1）育苗技术与移栽发展不匹配。移栽机械作业针对农作物种苗，种苗的质量和标准化决定了移栽机械作业的质量。目前，部分作物仍采用裸苗育苗的方式，裸苗所育作物种苗的质量和标准无法保证；钵苗育苗存在盘根率较低，钵苗的钵体易碎等问题，降低了移栽机械的作业质量；

（2）自动化程度不高。目前，我国市场上所使用的移栽机械多为半自动移栽机，全自动移栽机处于研制和试验阶段，半自动移栽机由人工投苗，劳动强度较大，作业效率受人工投苗效率的限制较低，用工成本无法下降；

（3）膜上移栽机械的作业质量较低。市面上的膜上移栽机均可实现膜上移栽，但在作业过程中出现漏苗、带苗、刮膜等现象，移栽立苗角度合格率较低，因此需对现有移栽机核心部件的机构和性能进行优化提升。

4 结论

（1）国内外膜上移栽机械在工艺、材料等方面发展迅速，但在作业性能等方面未有较大进展。半自动膜上移栽机械采用人工投苗的方式，栽植部件主要采用鸭嘴式栽植器；全自动膜上移栽机采用机、电、液等3 套装置完成取苗、送苗和膜上移栽作业。

（2）国内高校和部分研发机构研制了新型移栽机样机，但无法转化应用和在市场推广。未来膜上移栽机械的研制工作应着重实际应用，在农机与农艺结合的基础上，优化现有半自动移栽机的结构和性能，同时提高育苗技术，研制适合我国国情的、能够推广应用的全自动移栽机。