菠萝田间标准化栽植技术探讨与种苗宜机化处理方法研究*

李沐桐 ，官晓东 ，祝 露 ，高 勇 ，何 林

（广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

菠萝作为广东省具有代表性的热带水果，已成为“粤字号”农业品牌的标志之一，2022年，广东菠萝种植面积约为59 万亩，约占全国菠萝种植面积的60%；总产量约为129.8 万t，约占全国总产量的75.2%，其中，徐闻更是闻名全国的“中国菠萝之乡”，其巴厘、台农等系列特色品种也逐步走向世界[1]。然而，菠萝的田间移栽种植关键环节仍以传统人力作业为主，技术短板突出，核心环节的装备严重匮乏，亟需尽快突破关键技术，逐步实现宜机化方案、机械化生产、标准化示范等目标。

然而，目前菠萝种植、管理均通过人力劳动实现，仅有前期平整地环节使用一些通用机械辅助设备，其他生产环节均以人工为主，劳动力成本约占菠萝生产销售利润的一半以上。因此，在劳动力日益缺乏的情况下，对于专用机具的研制是解放菠萝田间劳动力和填补装备短板的必要途径。

目前在世界范围内，我国与菠萝移栽方向相关的研究处于领先地位，以东南亚国家为代表的国外国家多偏向于直落式移栽，直立度较差，还不能很好地应用到田间移栽环节中；在国内，已有多家单位开展了研究，如台湾嘉义大学、中国热带农业科学院南亚热带作物研究所、广东省现代农业装备研究所等，但多数研究停留在样机试验的阶段。其中，中国热带农业科学院南亚热带作物研究所对杯栽式移栽开展了大量试验，结果表明：杯栽式属于中约束种植，可适应大尺寸种苗，但难以实现覆土和镇压，只在凤梨等特殊品种覆膜栽植模式下的固定效果较好。广东省现代农业装备研究所针对主流市场的巴厘品种，提出了宜机化标准种苗处理方法，研制了2ZB型双行菠萝移栽机，运用平行四杆原理设计吊篮式鸭嘴栽植装置，实现扎穴落苗动作；采用弹性拨铲和镇压辊实现瞬间覆土和压实动作，使用效果稳定，但还未设置施肥和膜上移栽功能装置。

综上所述，菠萝移栽机虽采用较通用的机械原理，但还未使专业领域人员对苗-机-土的互作适应性研究予以重视，导致田间试验和使用过程中出现了多重问题，影响装备的产业化应用。因此，需强化应用基础研究，保证高效、稳定的移栽装备落地，解决田间实际生产的难题。

1 机械化种植现状

1.1 国外现状

截至目前，国外菠萝种植机械领域涌现出多种创新型设备。这些机械设备在菠萝种植过程中发挥着重要作用，主要分为单行、双行和四行等不同类型的种植机。这些设备通常依赖人工辅助，将菠萝幼苗放入苗杯中，然后使用各种部件（如鸭嘴式或夹指式）将种苗植入到土壤中。在牵引式移栽模式中，意大利Ferrari 公司的Model FMAX MAXI 机械种植机采用双行种植模式，操作人员需手动将种苗放入苗杯，然后使用开沟器在土地上开槽，将种苗直接移栽到土壤中，如图1所示。

图1 Ferrari双行菠萝种植机

意大利Checchi & Magli 沃尔夫公司生产的坐骑式移植机则通过拖拉机牵引，将菠萝幼苗直接送入鸭嘴中，完成单行种植操作，如图2 所示。该装备还可安装地膜覆盖装置，工作效率可达1 500 株/h，它具有种植深度和镇压轮压力可调节等功能，适用于种植高度在20 cm 左右的菠萝幼苗。这些机械种植设备的不断创新，为菠萝种植业带来了更高效、便捷的解决方案。

图2 Checchi & Magli单行菠萝种植机

巴西的Motoagro 公司近年来推出了两款创新型菠萝移栽机，其中，PMA1800 是一款双行菠萝移栽机，通过拖拉机牵引，实现了同时施肥和移栽的功能。该机器每个导种盘配备有5 个直径为200 mm 的苗杯，虽然种植时需要人工辅助放苗，但整体操作更为便利。机器的重量为1 115 kg，尺寸为2 m×2.3 m×3 m，行距在250 mm～500 mm 范围内可调，工作速度为1 km/h～1.5 km/h。此外，PMA1800还配备了两个肥料箱，每个箱子的容量为60 kg，种苗箱最多可容纳4 000株幼苗，如图3 所示。

图3 PMA1800双行菠萝移栽机

此外，Motoagro 公司还推出了适用于中美洲和墨西哥地区的PMA4 四行菠萝移栽机，该机采用半机械化播种方法，通过水力流量触发，利用变量调节器确定幼苗之间的距离。它不仅具备种植功能，还能同时进行施肥。该设备的种苗箱最多可容纳5 000 株幼苗，平均每小时能够种植7 000 株，保证了种植的均匀性，包括分布和深度。整机重量为1 900 kg，尺寸为3.80 m×2.62 m×2.85 m，行距可以设置为90 cm×45 cm或60 cm×45 cm，工作速度为600 m/h～800 m/h[2]，如图4 所示。这些设备的问世为农业生产提供了先进的机械化解决方案，提高了农业生产效率和品质。

图4 PMA4四行菠萝移栽机

1.2 国内现状

2020 年，中国台北展示了两款前沿的菠萝种植机械。其中一款是自走式半自动移栽机，如图5 所示，需要操作人员手动将菠萝幼苗放入苗杯，再使用鸭嘴式种苗器进行移栽[3]。另一款是由台湾地区一支研究团队开发的半自动承载式菠萝种植机，台架单体试验如图6 所示，它由牵引机带动，具备多种可拆卸作业机构，可以同时进行开沟、施肥、覆膜、覆土等操作。这款机器适用于不同垄面宽度（90 cm、100 cm、120 cm）和多种行距设置（2 行、3 行、4 行），每块地仅需两人操作，将人力成本降低了80%。此外，由于其结构轻便，能够克服地形和种植面积的限制，每小时能够种植3 600 株菠萝幼苗。这些创新的机械装备为菠萝种植提供了更高效、灵活的解决方案。

图5 自走式半自动双行移栽机

图6 台架试验过程

中国热带农业科学院南亚热带作物研究所还研发了一款创新性的垄作双行菠萝种植机，型号为2ZB-130，如图7 所示。该机器采用先进的鸭嘴式投苗技术，可按顺序完成施肥、旋耕、起垄、移栽和覆膜等关键工序，并通过田间试验和示范验证了可靠性，尽管株距满足目前国内的密植种植模式要求，但覆膜扎穴的效果还不理想，直立度指标较差，还需进一步改进和完善[3]。这项研究代表了菠萝种植领域的最新技术突破，为提高种植效率和生产质量开辟了新的前景。

图7 垄作双行菠萝种植机

广东省现代农业装备研究所联合广东弘科农业机械研究开发有限公司基于平行四杆原理，研制了一种吊篮式栽植机构，共同研制出了2ZB 型菠萝移栽机，如图8 所示。该机构采用鸭嘴装置，能够快速稳定地完成扎穴和落苗动作。同时，结合弹性开合拨指和回土铲的设计，实现了在扎穴和落苗的同时完成覆土动作。此外，通过橡胶镇压轮的压实作用，确保了栽植后种苗的稳定直立。这种吊篮式栽植机构的应用，使得移栽过程更加高效、稳定，适用于各类主流菠萝种苗，为菠萝种植业提供了可靠的技术支持。通过土槽与田间试验，确定其株距为330 mm～350 mm，栽植深度为50 mm～120 mm，可适应种苗高度为250 mm～350 mm，种苗围径为80 mm～130 mm，目前基本满足了巴厘品种的大面积种植。

图8 2ZB型菠萝移栽机

江苏南通富来威农业装备有限公司在蔬菜移栽机的基础上，改进了链夹式种植机的关键尺寸与结构，如图9 所示。基本满足了菠萝小种苗的投苗与运送功能，如图10 所示。这款机器操作简便，由工人将菠萝幼苗放入夹指处，橡胶夹层通过柔性护苗，再通过精准的转盘，将其投掷到开沟部位。机器可设置种植行距为40 cm 或50 cm 两种尺寸，栽植深度可达10 cm～12 cm。值得注意的是，由于夹指尺寸的限制，该机型适用于移栽20 cm 尺寸的菠萝小苗，虽然满足国外种植需求，但却不适用于国内的标准种苗栽植[4]，还无法实现产品化应用。

图9 链夹式种植机整机图

图10 小苗试验现场图

2 技术分类与特点分析

受菠萝种苗体积影响，为了保证田间作业种苗充足，菠萝种植机的体积较为庞大，导致地头转弯半径大，在不改变现有种植模式的情况下，机械化种植不太适用于小面积菠萝园，主要是由于作业经济性不高，目前研究端与生产应用端的关注点有所差异。菠萝机械种植技术是比较传统的技术模式，未能引起研究端足够的重视，导致加工制造环节、生产应用环节标准不统一，影响设备的规模化应用。根据种植方式的不同，目前常见的菠萝移栽机主要分为链夹式、杯栽式、直落式三种，也有一些新型的栽植装备被不断研发出来。

三种移栽机结构及工作流程如下。

1）链夹式移栽机主要包括机架、驱动轮、夹持机构、放苗装置、开沟装置、回土压实装置，链夹式移栽机结构如图11 所示，通常的动作流程为：种苗制备→土地耕整→拖拉机牵引→驱动轮旋转→夹持机构转动→人工放苗→机械夹苗→送苗→立苗→回土压实。其机械夹苗属于强约束种植，原理如图12 所示，稳定性较高，对根部歪斜的种苗和苗株形态收缩、叶片薄的菠萝苗适应性强，但对大苗的适应性差，阻力大，易卡苗，不适宜覆膜种植[5]。

图11 链夹式移栽机结构

图12 强约束模型

2）杯栽式移栽机通常由机架、起垄装置、施肥装置、覆膜装置、投苗装置、栽苗装置、压实装置、铺管装置机架、传动系统、放苗装置组成，工作流程一般为：种苗制备、土地耕整→拖拉机牵引→拖拉机动力输出轴旋转→施肥起垄→铺管、铺膜→人工放苗→机械分苗、排苗→接苗、送苗→破膜→入土→立苗→回土压实。其苗杯结构属于中约束种植，稳定性稍低，对大苗适应性强，对根部歪斜明显的种苗适应性差，破膜入土难，不容易立苗，对土壤条件要求较高，适宜流动性好的干燥土壤，最大优势是适宜覆膜种植。一般分为连杆杯栽式移栽机和圆盘杯栽式移栽机两种，分别如图13、图14所示[6-7]。

图13 连杆杯栽式移栽机

图14 圆盘杯栽式移栽机

3）直落式移栽机主要由机架、施肥装置、喂苗装置、开沟装置、传动系统、放苗装置、压实装置构成，工作流程一般为：种苗制备→土地耕整→拖拉机牵引→驱动轮转动→施肥辊转动排肥→人工放苗→喂苗装置分苗→排苗→落苗→立苗→回土压实等。其属于弱约束种植，稳定性低，对土壤条件要求较高，适宜流动性好的干燥土壤，最大优点是成本低、体积小，目前只适用于不覆膜种植模式。直落式移栽机具体结构及其三维模型分别如图15、图16所示[8]。

图15 直落式移栽机具体结构

图16 直落式移栽机三维模型

3 标准化种植方法

3.1 田间栽植规范

以全程机械化作业为目标，打通田间作业各环节，农机与农艺协同考虑，在现有农艺的基础上适当调整，为农机装备进田作业提供条件。在此基础上，本文总结了初步的机械化种植方法与种苗标准化处理方案，具体如下。

针对巴厘、台农等传统平作密植型品种，采用两行50 cm 的小行距，100 cm 的行走大行距，30 cm～35 cm 的株距，在保证每亩株数一定的情况下，能够提高操作人员的舒适度和机械化栽植与拖拉机的适配性，满足农机装备田间作业要求，同时保证后续研发的机械采摘收获装备能顺利进入田间作业。菠萝田间种植规范示意图如图17所示[9]。

图17 菠萝田间种植规范示意图

3.2 种苗宜机化处理方法

目前国内外一些科研院所、高校和企业陆续在吊篮式、链夹式等移栽装备上改进了大口径落苗装置，但种苗尺寸差异巨大，移栽过程中仍频繁出现卡苗、滞落和堵塞等问题。因此，若要提高菠萝机械化移栽机具的可靠性，需深度结合种苗栽植的农艺要求和外形条件，对菠萝种苗制定宜机化尺寸标准，进而根据设定的条件统一对种苗进行标准化处理，才可更好地推进机械化移栽机具的研制与落地，以及后续的规范化种植。本文针对菠萝种苗围径、高度差异大，苗杯尺寸难以使用，种苗外形尺寸不规则等问题，提出采用环保类水溶膜材料对菠萝种苗进行缠绕捆扎，如图18所示，进而使种苗围径具有较好的一致性，降低菠萝移栽机的开发难度，提高栽植的可靠性和稳定性[10-11]。

图18 菠萝种苗宜机化捆扎修剪示意图

根据移栽核心装置和机械结构的参数上限进行分析，菠萝种苗的尺寸过小将导致生产周期延长，有效进行光合作用的叶片减少，不利于营养的吸收；而种苗尺寸过大，将无法满足移栽机构的流畅运行要求，因此，经过理论分析和实践验证，总结了菠萝种苗宜机化的尺寸建议表，如表1所示[12]。

表1 菠萝种苗宜机化处理尺寸参考表

在此基础上，需进一步针对种苗标准化、宜机化的处理开展方法研究和专业设备研制，解决种苗捆扎材料的选取、定高度修剪刀具的设计、整体自动化控制系统的开发等问题。但需要说明的是，当采用杯栽模式进行移栽作业时，若种苗围径相比杯径过小，将导致落苗的直立度较差；而当自然状态的顶层叶片围径略小于杯径时，将比捆扎束苗处理后的效果更理想。因此，需在后续研究中进行多次试验，确定种苗围径与杯径的比例关系，进而更精准地掌握结构与工作参数的最优匹配方案。

4 关键技术探讨

4.1 待解决的关键问题

1）对于菠萝种植环境的合理定义。根据前期调研，菠萝的种植环境一般需要旋耕、松土作业后，再进行选型性平作移栽或起垄移栽。根据种植基地的果农所述，一般需要多次旋耕至土壤适合才可进行栽植作业，过松的土壤易造成倒伏，过紧实的土壤易导致无法有效完成穴播栽植。因此，通过实地作业标定菠萝移栽所需要的土壤条件，是机具研发最基本的工作，也是最关键的依据，对于栽前土壤的定义和环境分析是栽植过程中的关键工作之一，在技术实施后也将作为菠萝标准机械化种植中的重要条件。

2）种苗移栽过程中的机构衔接与联动技术。本项目拟研制的菠萝移栽机采用鸭嘴式开合式穴播实现种苗的充填与掉落，同时采用了平行四杆机构保证鸭嘴单元的全程垂直姿态。然而在这个过程中，从种苗脱离鸭嘴单元后，需要研究最适合闭合投苗和张开落苗的角度位置，这直接决定了种苗定植的成功率和栽植质量。此外，还需保证时间和空间的紧密配合才可提高种苗移栽的准确性和可靠性，因此，移栽机构关键部件的结构尺寸、运动轨迹和工作速度等因素也是有待解决的关键问题之一，可在技术推进中依靠大量的仿真和实体试验，逐步验证、提高其可靠性和准确性[13]。

4.2 需开展的核心技术研究

1）种植环境数字化分析平台建设。针对菠萝栽植的土壤环境，借助外部仪器对种植环境土壤的坚实度、密度、含水量等物理参数进行测定，并通过离散元方法建设一种数字化土壤模型，形成与实地土壤一致的压实特性、紧实度、堆积变形特性和滑移特性等，进而为移栽土壤环境的定性提供重要依据，也为种苗播前的旋耕、开沟、扎穴以及行走建立数字化试验平台，为菠萝种苗的栽植入土性能和关键部件设计提供重要的分析平台。

2）种苗宜机化处理方案设计与扎压移栽技术研究。目前人工移栽用的菠萝种苗的高度、围径等外形尺寸差异较大，且尚无统一的宜机化处理标准，造成了移栽部件适应性无法保证的问题，需根据种植农艺要求，提出菠萝种苗栽前处理的标准方案，并以此为依据研制符合种苗尺度的移栽装置及配套部件，进而研究扎穴、落苗、覆土、镇压四个动作的配合时序和协同衔接性，获取影响株距变异系数、直立度、栽植深度、镇压紧实度的主要因素，为优化部件结构与工作参数提供科学依据，保证种苗栽植的稳定性和一致性。

3）田间精准栽植处方图构建与自主导航集成技术研究。采用先进的地理信息技术采集并构建菠萝种植环境地图，通过智能分区算法定义行走行和栽植行，形成种植区域的规范化栽植处方图，开发行间主路径行走作业的智能规划算法，研究自主导航技术与动力驱动系统的通信反馈方法，为移栽机的田间精准对行、直线栽植、规范化区块作业等功能提供技术支撑。

4）系统装备集成与示范应用。选取具有代表性的菠萝种植基地进行多次试验与改进，并将完备的移栽机整机及配套辅助机具形成一套标准的机械化模式，开展移栽单体及行走传动部件的模块化设计，实现菠萝移栽机的多行扩展、行距调节和重构等功能，并配置牵引动力装备，在实际环境下完成性能验证。

5 结论

综上所述，目前国内外的菠萝移栽技术研究已具备一定基础，但由于机理研究不足、种苗适应性试验较少、制造工艺配合度较差等诸多原因，暂未出现代表性较强的市场产品。而传统的人工栽植强度大、效率低、成本高，已无法满足当前生产和产业发展的需求，菠萝田间移栽机的市场潜力巨大。国内需集中力量融合农机农艺共同开展应用基础研究，并进行大量有效试验，加速孵化菠萝田间移栽装备，推进市场实际应用，起到示范辐射作用，推动我国菠萝产业的持续发展与繁荣。