旱地蔬菜移栽机研究综述

杨腾，杨闽，姚思博，石乔，刘剑雄

（1.650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.650504 云南省 昆明市 北京航空航天大学 云南创新研究院）

0 引言

当前我国部分旱地经济类作物，如蔬菜、中草药、花卉及烟草等，均采用“种子→育苗→苗移栽→生长→成熟→收获”模式种植，旱地苗移栽机就是将各种类型及尺寸的苗，从育苗温室移栽到大田或大棚里的通用农业机械。旱地苗移栽作物的种类繁多，种植管理较为复杂，从种到收历经数十道工序，用工数量较大，而且费力、费时、费工的手工作业至今仍占据着旱地苗移栽生产的主导地位[1]，很难像机械化程度较高的其他农作物一样，将其生产及经济效益发挥到极致，从而导致我国旱地经济类作物生产增速较为缓慢，成本持续上扬，竞争力普遍偏弱，未来稳定发展难度较大。

随着工业化、城镇化进程的迅猛推进，农村人口大量城市转移，导致劳动力成本持续上升，对经济类作物生产提出了新的挑战[2]。逐步和全程机械化可大幅降低旱地农经作物生产的劳动强度。这既是农业发展的重要方向，也是稳定发展经济的重要措施。

虽然旱地苗移栽作业是农经作物生产中最难实现机械化的环节之一，但只有实现旱地苗的机械化栽植，才能使农经作物的生产潜力释放出来、从而实现快捷、高效、有机种植。因此，发展旱地苗移栽机，对实现我国旱地农经作物种植的跨越式发展具有十分重要和深远的现实意义。

1 国外移栽机

移栽机在欧美国家推广较早，所研发的移栽机种类也较多，可以满足多种蔬菜幼苗的移栽。美国RENATO 公司生产的RTME1100 半自动移栽机[3-4]，如图1 所示，该移栽机是集苗移栽系统、液压控制系统、浇水系统、安全保护装置、地膜处理系统于一体的半自动移栽机，并拥有底盘自动升降功能，适应不同蔬菜品种所要求的节行、株距、种植深度和垄高，但该移栽机的体型较大、自重偏重，不适合山坡地、小地块作业。

图1 RTME1100 半自动移栽机Fig.1 RTME1100 semi-automatic transplanter

针对辣椒幼苗的移栽，HWANG[5]等研究开发了具有图像识别功能和温度控制单元的机器人式移栽机，如图2 所示。该移栽机通过抓取辣椒苗的叶或茎进行取苗，并在取苗手指上设有一组海绵圆板，以减小取苗过程中对幼苗的损伤，该移栽机适用于高气温、较潮湿和多尘土的工作环境，但移栽机的取苗机构结构复杂、可靠性较低、生产成本过高，因此较难推广。

图2 机器人机械手Fig.2 Robotic manipulator

TING[6]等研究开发了图3 所示的取苗移栽机器人。该移栽机的取苗机构通过直接夹取幼苗基质的方式，将蔬菜幼苗从穴盘中取出，降低了对幼苗茎叶的损伤，但会对含根基质造成一定程度的破坏，需要根据含根基质的破坏情况适当调节取投苗装置，以提高幼苗的移栽成活率。试验研究表明，幼苗根系的质量会影响取苗效果，该取苗机构结构简单、生产成本较低，对穴盘无特殊要求，适用于多品种蔬菜的移栽，但每次是单株取苗，移栽的工作效率较低。

图3 苗移栽机器人Fig.3 Seedling transplanting robot

荷兰MDE 公司研发的PM20 TWIN 型拖挂式蔬菜移栽机[7]，可以实现3 行或4 行蔬菜幼苗的开沟移栽，并可清除沟里的杂草，移栽行距范围7.5～20.0 cm，生产效率较高，但该移栽机需用拖拉机牵引，额外增加了蔬菜生产的成本。

PRASANNA KUMAR[8]等研发的如图4 所示的自走式蔬菜移栽机，以手扶拖拉机为动力源，苗通过传送带运输，需要使用专用育苗纸杯，育苗过程较复杂、成本偏高，因此适应性较差，但其传送带输送苗的方式为今后全自动移栽机的发展提供了一个新的发展方向。

图4 自走式拖拉机驱动蔬菜移栽机Fig.4 Walk-behind type and hand-tractor-powered vegetable transplanter

针对伊朗农业生产的特点，SEYED[9]等研究开发了一款锥形分配器杯式半自动蔬菜苗移栽机，以适应大面积种植不同品种的西红柿，通过适合调节移栽的株行距与深度，减小了对幼苗的损伤，提高了移栽的成活率，改善了不同品种西红柿的移栽效果，但该移栽机不适合中国番茄幼苗的移栽。

日本的蔬菜移栽机的自动化程度较高，但所研发移栽机大多仅能移栽某几种蔬菜幼苗，适应性较差[10]。久保田研究开发的自走式KN-P6 大葱移栽机[11]，仅能移栽单一品种的蔬菜幼苗。虽然其结构简单、自动化程度较高，但适用性差、效率较低，移栽效率0.013～0.020 hm2/h；洋马公司研发的如图5 所示的2ZYG-6 乘坐式油菜移栽机[12]，虽然可一次性完成取投苗及移栽等工作、生产效率较高，但仅适合于单一品种蔬菜种植。

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图5 2ZYG-6 乘坐式油菜移栽机Fig.5 2ZYG-6 riding rapeseed transplanter

洋马公司研究开发了如图6 所示的PF2R 型全自动移栽机[13]。该机取、投苗及移栽完全实现了自动化，可实现单垄双行或双垄双行移栽，行距可在45～65 cm 调节、株距可在26～80 cm 调节。该机增加了方向盘、行走机构踏板无级变速，保证了移栽机在变速行进过程中做直线运动，使作业人员在较长工作时间不易感到疲劳，但该机仅适合某几个品种的蔬菜移栽。

图6 洋马PF2R 型全自动蔬菜移栽机Fig.6 YANMAR PF2R automatic vegetable transplanter

意大利Ferrari 公司研发的图7 所示的全自动移栽机[14]，通过液气压装置控制机械手将幼苗从穴盘中取出，取苗机构自动化程度较高，但机器结构复杂、生产成本较高、适用的地形地貌极其有限。

图7 旱田全自动移栽机Fig.7 Dry field automatic transplanter

2 国内移栽机的种类

国内移栽机研发起步较国外晚，大多还处在虚拟和试验样机阶段，投放市场的移栽机较少。

针对大棚移栽空间有限，郭德伟[15]等研发了如图8 所示的大棚蔬菜移栽机。该机主要由移栽机构、空间槽轮机构和覆土机构等组成，株距通过齿轮机构调节，移栽机构上下往复运动实现植苗，但需要工人跟随移栽机行走投苗，整机由人力推行实现运动，大大增加了作业人员的劳动强度。

图8 大棚蔬菜移栽机Fig.8 Greenhouse vegetable transplanter

针对大葱移栽密度大、行距可变等实际情况，张吉强[11]等研发了如图9 所示的半自动组合式大葱移栽机。

图9 半自动组合式大葱移栽机总体结构图Fig.9 Overall structure of semi-automatic combined spring onion transplanter

该移栽机主要由旋耕起垄机构、供苗机构、栽苗机构、栽植变速箱和覆土轮等组成，双行移栽，行距为75～85 cm，移栽深度为5～13 cm。研究表明，移栽机行进速度为0.2 km/h 时，埋苗率和伤苗率均低于3%，移栽深度合格率为85.3%，工作过程稳定可靠，但移栽大葱前需人工取投葱苗。

为实现行距、株距、移栽深度、工作速度均可调的目标，余建国[16]等研究开发了如图10 所示的2ZB-2 型蔬菜移栽机。该移栽机由主电机、供苗机构、栽植机构、方向控制机构和覆土机构等部分组成，双行移栽，轮距调节范围为8～10 cm，移栽深度为0～10 cm，株距10～60 cm，移栽速度可达3 000～7 200 株/h。通过对大白菜、西兰花和甘蓝的移栽试验表明，漏苗率小于2%，移栽频率均高于35/（株·行）/min，移栽合格率高于90%，伤苗率极小，但该机的动力较小，仅适合在坡度较小的田间移栽。

图10 2ZB-2 型蔬菜移栽机Fig.10 2ZB-2 vegetable transplanting machine

综合考虑移栽机的自动化程度与效率，参考日本井关PVHR2 型半自动移栽机，严宵月[17]等研发了如图11 所示的移栽机。

图11 整排取苗间隔投苗自动移栽机Fig.11 Full-row-pick-up and single-dropping seedling transplanter

该机主要由取苗器、幼苗输送装置、底盘及其旋转升降机构等构成，取苗器可实现穴盘整排取苗，然后间隔单独投苗，旋转升降机构辅助移栽机适应不同的地形地貌，具有较高工作效率。试验研究表明，整排取间隔投苗装置合理分配，栽苗速度可达3 600 株/h。夹苗深度为27 mm、取苗夹角为10 °时，取苗成功率可达95%。但存在相邻取苗爪的间距与接苗杯的相邻中心不匹配,导致取苗执行器将整排幼苗取出后,不能同时投入旋转的苗杯中的问题。

针对新疆蔬菜移栽特点，张振国[18]等研发了如图12 所示的顶夹组合式全自动移栽机。该移栽机主要由传送带、机械手、送苗装置、动力杆、动力系统和投苗器等组成，机械手抓取幼苗基质时会对基质造成有一定破坏，但减小了幼苗茎秆的损伤，提高了成活率。为适应不同移栽环境，通过控制系统可对参数进行设置，实现蔬菜幼苗全自动移栽，该机自动化水平高，移栽速度快，但结构复杂，移栽农作物的品种相对较少。

图12 顶夹组合式全自动移栽机Fig.12 Top-pinch-combined type automatic transplanting machine

3 原因分析与发展对策

国内地域环境复杂，农经作物幼苗的移栽差异较大，移栽条件与移栽环境没有很好的结合；培育幼苗的基质各异，同品种蔬菜在各地移栽的行、株距不一，这些因素没有进行很好的标准化统一，使得国内移栽机的研发进展缓慢，导致了国内移栽机研究开发的困难。由于移栽环境的限制，国外移栽机也不能在国内得到很好的推广[19]。

国内自主研发移栽机起步较晚，且主要以半自动为主，需要人工取投苗等系列操作，生产效率偏低，而全自动移栽机大多处于试验研究阶段，目前尚未投入规模化生产实践[20-21]。国外虽有较为成熟的全自动移栽机及技术，但由于结构复杂、体积较大、价格偏高、适应品种单一，不适合我国复杂地形地貌，因而还需要国内众多企业和团队的继续努力，争取早日取得突破，使高效能的全自动移栽机尽早服务我国的农业生产[22]。

国内蔬菜种植业应建立统一的标准化育苗机制，至少在一定区域范围内，针对相同的蔬菜品种制定统一的栽植农艺参数，并以此降低移栽机研究开发难度，使移栽机的使用更加广泛，从而尽早实现机器换人的目标。

4 结语

本文综述了从半自动到全自动的旱地蔬菜移栽机，包括其移栽的适用范围、优缺点，为今后移栽机研究者提供一定的参考。为弥补现存移栽机存在的一些不足，可借鉴目前旱地移栽机的优点，早日研发出高效的全自动取-分-投苗机构，代替人工劳作。研发的旱地蔬菜移栽机应具有质量轻、体积小、移栽效率高、故障率低、适应性强以及价格低廉等特点。