作物移栽机械栽植机构发展现状与趋势

李林林，邓干然，林卫国，崔振德，何冯光，李国杰

（1.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；3.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524091）

0 引言

我国作物移栽技术分为传统人工移栽和机械化移栽2 种，传统人工移栽由于劳动强度大、规范性差、作业效率低等原因已不能满足我国现代农业生产的需求[1]，机械化移栽是我国农业生产发展的必然要求。机械化移栽相比于人工移栽，作物产量提高，栽植劳动量减少，生产成本可节约50%以上[2]，采用机械化移栽可以满足快速完成农业生产任务的需要，显著提高生产效率、节约成本、降低劳动强度[3]。

栽植机构是移栽机的核心部件，其性能的优劣决定移栽机作业时种苗直立度、破膜范围、栽植质量是否满足作物的种植农艺、适应高速栽植作业等要求[4]。为了探索作物机械化移栽，我国相关单位根据不同作物的移栽农艺特性研制了多种形式的栽植机构和移栽机，降低了作物移栽的劳动强度、规范了农业生产、提高了农作物的产量，显著提高我国农业生产力，为现代化农业打下坚实的基础[5-7]。

1 国内外研究现状

目前，国内外针对不同作物种植农艺要求研发了多种移栽机械，根据栽植机构的结构特点主要分为链夹式移栽机、钳夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、导苗管式移栽机、吊篮式移栽机等[8]，不同类型的栽植机构工作原理、优缺点、适用农作物、作业环境等都有所不同[9]，分述如下。

1.1 圆盘钳夹式移栽机构

圆盘钳夹式移栽机构由钳夹、开沟器、转轴、挡板组成，如图1 所示。圆盘钳夹式移栽机构主要用于蔬菜等裸苗移栽，其结构简单、生产成本较低、售后维修便捷[10]，但移栽频率较低，一般约30～45 株/min，高速作业的情况下，易出现漏苗、缺苗等影响栽植质量的问题。钳夹式移栽机构作业时由人工取苗放在苗夹上，苗夹随着苗盘转动，当到达苗沟时，苗夹张开，种苗下落到苗沟位置，覆土轮进行覆土，完成栽植过程[11]。

图1 圆盘钳夹式移栽机构作业原理

新疆农科院农机化研究所研制了2ZT-2 型钳夹式移栽机[12]，其结构较为简单，制造成本较低，但喂苗时间与栽植器入土时间较难控制、株距调节困难、伤苗率较高。试验结果表明，其栽植速度约为40 株/min。

意大利Chechen&Magli 公司针对钵苗移栽的需要[14]，设计研发了3 行钳夹式移栽机，主要组成部分包括钳夹式栽植系统、传动系统、机架、传动仿形轮、覆土镇压轮、开沟器等。试验结果表明，移栽机栽植作业稳定，种苗直立率达到了95% 左右，种植效率显著提高，满足钵苗移栽的现代化种植要求。

1.2 链夹式移栽机构

链夹式移栽机构由栽植钳夹、栽植轨道、链轮传动等部分组成，如图2 所示。目前链夹式移栽机构主要应用对象为菠萝、红薯等作物移栽[15]，其作业时栽植株距准确、种苗栽植后的直立度较好，并且链夹式移栽机构可以较好的把握放苗时机，可以实现零速投苗的工作状态，其作业时由人工取苗放置在钳夹上，随着链轮传动系统，通过下滑挡板夹紧种苗，当苗夹脱离下滑道后，苗夹打开，运动到开沟器开好的苗沟中，由覆土镇压轮进行覆土，完成整个栽植作业[16]。

图2 链夹式移栽机构作业原理

南通富来威公司基于油菜的种植农艺要求设计了一种2ZQ 型链夹式油菜移栽机[17]，移栽机构带着秧苗通过滑道被夹紧，至最低点张开苗夹，送入苗沟，完成栽植作业，其移栽深度、株距较为稳定，制造成本较低，作业速度可达30～40 株/min，但是直立度较低、伤苗率较高。

王义鹏等[18]针对新疆复杂的地理气候环境，研究了一种新型错列链夹式移栽机，主要应用于钵苗的栽植作业。试验研究表明，其平均栽植深度约为34.5 mm，平均栽植株距约为289 mm，栽植合格率约为87.17%，达到了链夹式移栽机的种植要求。

日本井关公司研究了一种PVHR2-E18 型移栽机[19]，可应用于各种种植农作物的移栽作业，其株距调节范围在300～600 mm 之间，行距在300～400、400～500 mm 范围内任意调节，该移栽机械可同时作业2 行，移栽效率约60 株/min。

1.3 挠性圆盘式移栽机构

挠性圆盘式移栽机构由2 片可以变形的挠性圆盘构成，挠性圆盘移栽机的主要组成部件为开沟器、覆土轮、悬挂机构、苗架、送苗系统等，如图3 所示。挠性圆盘式移栽机构制造成本较低、易操作[20]，但挠性圆盘式移栽机构作业通用性较低、栽植直立度不高，易出现倒伏等现象。目前主要应用于长茎作物裸苗移栽作业，其作业原理是由人工喂苗到栽植器中，圆盘带着栽植器转动到垂直状态，种苗落入苗沟中，再进行覆土，完成栽植作业。

图3 挠性圆盘式移栽机构作业原理

东北农业大学自主研发了一种挠性圆盘式移栽机构，主要应用于玉米纸筒移栽作业，该机构夹持幼苗不受特定机构的限制，结构简单实用，株距适应性好，但较难保证株距和移栽深度，会出现埋苗现象[22]。

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内蒙古农业机械研究所研制了一种2ZT-2 型半自动挠性圆盘式移栽机[23]，其主要应用于甜菜的移栽作业，夹持送苗装置通过改变挠性圆盘和刚性圆盘之间的距离完成作业，其伤苗率低、适应性强、直立度较高，但易磨损，使用寿命较短。

日本久保田基于大葱的农艺种植要求设计了一种KN-P6 挠性圆盘式大葱移栽机[24]，其栽植器为双橡胶挠性圆盘，整体结构较小，作业时由人工放置秧苗，秧苗随着输送带运动到张开的挠性圆盘中，随后落入苗沟中覆土，完成移栽作业。劳动强度较低、操作简单，但使用寿命较短、生产效率较低。

1.4 导苗管式移栽机构

导苗管式移栽机构由导苗管、投苗杯、转盘等组成，如图4 所示。导苗管移栽机构作业时的穴行距和栽植深度均匀一致，在高速作业中可保持良好的直立度，移栽频率可达到60 株/min 左右[25]，但其结构较为复杂，不易于操作人员的培训、使用，造价较高，导致农户的购买意愿较低。目前，主要用于栽植裸根秧苗与带基质钵苗[26]，作业时由人工或者机械将秧苗放至投苗杯内，当投苗杯随着传动系统运动到导苗管喂入口时，投苗机张开，秧苗落入苗沟中，随后进行覆土，完成栽植作业[27]。

图4 导苗管式移栽机构作业原理

张凯旋等[28]基于甘蔗的种植农艺研制了一种蔗苗半自动移栽机构，由导苗机构、挡苗机构、推苗机构等组成。试验结果表明，蔗苗移栽机的漏苗率低于5%、直立度高于80%、株距变异系数小于25%、栽植合格率大于80%，显著降低了伤苗率、提高了种植质量、降低了生产成本。

燕亚民等[29]研究了一种导苗管式烟草移栽机，应用于烟草的实时移栽，其移栽作业的株距范围为500～650 mm、移栽深度约为80～120 mm、灌水量约为300～500 mm，提高了烟草的移栽质量，实现了烟草规模化的机械移栽。

澳大利亚Williames 公司[29]研制了一种膜下全自动导苗管式移栽机构，主要应用于钵苗的移栽作业，其采用了顶出式的取苗方法，显著提高了作业移栽效率，一般可达到单行约117 株/min，但易破坏钵苗的钵体和根系。

1.5 吊篮式移栽机构

吊篮式移栽机构由单铰链吊篮和四杆机构组成，如图5 所示。吊篮在移栽机作业时既是接纳秧苗的容器也是膜上打孔成穴的栽植器，吊篮式移栽机由偏心圆环、吊杯、导轨、开沟器、覆土轮等部件构成，吊篮式移栽机构作业时可避免秧苗遭受冲击，直立度较好，但喂苗速度受人工影响较大，导致移栽速率较低[30]，目前，吊篮式移栽机主要应用于大钵苗移栽，其作业流程为人工放苗至吊篮内，吊篮随偏心圆盘转到最低位置时，固定滑道使栽植器下部打开，钵苗落入沟中覆土，完成栽植作业[31]。

图5 吊篮式移栽机构作业原理

李猛等[32]针对新疆的气候条件和栽植工艺，以钵苗的高度、压缩特性、拉伸特性、跌落特性等物理力学特性为依据，设计研发了适用于钵苗膜上栽培的吊篮式移栽机构，可在霜冻等恶劣的环境下，提高幼苗成活率、降低生产成本，显著增加农产品经济效益。

杜晟等[33]针对新疆地区农作物所需的铺膜滴灌保墒方式，设计了一种新型平行四杆式吊篮移栽机栽植机构，实现了最小破膜条件下的栽植作业，其异步栽植时栽植机构的入土器运功特性接近于无外力作用的理想条件下的运动学特性，显著提高了种苗移栽的成活率。

澳大利亚研究了HD144 吊篮式自动移栽机[34]，应用于穴盘苗的移栽作业，其采用滑针式机构取苗，一次可取约5 株苗，随后输送至吊篮进行栽植作业，该机作业效率较高，一次可移栽4～8 行，但机构复杂，制造成本过高。

2 存在的问题

2.1 使用成本较高

我国移栽机构大多设计复杂、标准化程度较低、作业需要大量人工辅助，导致制造成本、人工作业成本、售后维修成本居高不下，农户选用移栽机作业相对于纯人工移栽无法形成明显的收益差距，其性价比较低，导致推广困难，农户广泛使用的积极性不高[35]。

2.2 自动化程度较低

国内现阶段移栽机械基本以纯机械结构和半自动化为主，作业需要大量人力，移栽机的作业效率一般只相当于纯人工的3～5 倍，远低于耕整、收获等作业环节作业成本较高、作业效率较低、工作质量不稳定，无法实现高规范化、高精准化作业[36]。

2.3 自主创新较少

我国大部分移栽机构是模仿和改进外国先进的移栽机械，现阶段移栽机构的核心部件研究深度不足，没有立足于我国的实际国情做出技术上的实质性突破和改进[37-38]，设计研发的移栽机械稳定性较低、使用定位不明确、功能较为单一，无法满足我国多样性作物移栽的实际使用需求。

2.4 农艺农机融合不够密切

通常一种农作物有几种不同的栽植方式，如红薯有直立法、船形法、钓形法等，目前，市面上研发的每一种栽植机构基本只适应某个地区、某个农作物、某一种种植方式，这种一对一的设计研发模式无法形成规范化、标准化的栽植机构[39]，导致移栽机构的作业、流通存在较大的局限性，不利于移栽机构的推广和发展[40]。

3 发展趋势

3.1 多功能复式作业

目前，国内移栽机构大多只有送苗移栽功能，其功能性较为单一，无法进行施肥、浇水、铺膜等复合作业，不能满足农业机械一机多用的发展趋势，未来我国移栽机构将集取苗、施肥、除草、铺膜等多种功能于一体，实现规范化机械作业，大幅度降低作业成本和作业人员的劳动强度[41]。

3.2 全面自动化

国内现存的移栽机大多以纯机械机构、半自动化为主，需要大量的人力协助作业，无法适应复杂的作业环境，不利于栽植机的高效作业，未来我国作物移栽机将结合电子信息、自动控制、定位与导航等现代化先进技术，实现移栽机的全面自动化、智能化，根据不同地形特征、土壤条件、农作物的种植要求等实现自动化调整，满足高精度、标准化作业[42]。

3.3 模块化设计与制造

不同农作物的移栽方式各不相同，其所对应的移栽机构特点也不相同，移栽机械基本由动力系统、传动系统、执行作业系统等部分组成，未来我国将采用模块化设计原则，通用的动力系统、传动系统等模块，搭配对应农作物的栽植机构，实现低成本移栽机制造，显著提高农作物栽植机械化进程[43]。

3.4 农艺农机深度融合

我国与移栽相配套的育苗设施和整地机械等技术水平较为落后，国内移栽作物的作业环境千差万别，种植制度复杂多样[44]，我国未来机械化移栽向农艺农机深度融合的方向发展，需要配套工厂化、规范化育苗，要根据农作物的农艺特性和作业时的复杂环境气候等，培育出与移栽机高度匹配的种苗，使移栽机在符合种植农艺的前提下，高效率、高质量的完成栽植作业[45]。

4 结语

我国在种植机械移栽机构研究方面起步晚、存在先天不足，基于现阶段移栽机构发展短板和我国实际国情，应吸取国外先进移栽机构技术优点，研究适用于国内多样性作物种植、农艺多样化状态下的栽植深度、直立度、伤苗率等符合要求的栽植机械。提高自主创新意识，将农艺标准化，把电子信息、自动控制、定位导航等技术与栽植机械深度融合，设计制造性价比高、通用性强、稳定性好、自动化程度高的移栽机械，稳步推进我国作物移栽机械化进程。