水稻有序抛秧装置研究现状与发展趋势

张立国,孙振鑫,王泽东,徐卫浩,赵胜雪

(1.北大荒农垦集团有限公司建三江分公司 农业发展部,黑龙江 佳木斯 156300;2.黑龙江东方学院 机电工程学院,哈尔滨 150066;3.黑龙江七星泡农场,黑龙江 嫩江 161435;4.黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163000)

0 引言

水稻属于谷类作物,全球有一半以上的人口以水稻为食,其生长出的果实是稻谷,糙米是水稻去掉稻壳的产物,大米是糙米去掉米糠层之后得到的[1]。水稻除了能食用外,还能用作酿酒、制糖和工业原材料。此外,稻壳和稻秆也可用作牲畜饲料和建筑材料,如我国客家村落中的圆形土楼以及水泥混合材料[2-3]。发芽的水稻(稻芽)可以用作中药,治疗消食和中,健脾开胃,食积不消,腹胀口臭等疾病[4]。

水稻是我国最重要的粮食作物之一,对于保障我国粮食安全具有举足轻重的作用。我国水稻种植面积广泛,分布地域广阔,为我国粮食生产提供了坚实的基础[5]。我国农业农村部在《关于开展主要农作物生产全程机械化推进行动的意见》中提出,现阶段的任务就是将水稻的耕、种、收等全程机械化水平提升到80%以上[6]。

目前,我国水稻机械种植方式主要采用直播、机械移栽、机械浅栽(抛秧和摆栽)三大方式[7]。不同地区应结合自身水稻种植的实际情况和种植条件,合理选择机械种植方式,最大限度地提高当地的经济效益,降低人工成本和劳动强度,促进当地水稻全程机械化的发展进程[8]。

水稻机械直播技术是将水稻种子直接播种在田中,其生产成本较低,播种机相对简单,适合大规模的水稻种植,但是该技术对水稻品质、杂草防除、播种、水稻生育期都有很高的要求,同时对播种时水田的整地质量有比较高的要求[9-11]。水稻机械直播杂草不易控制、秧苗后期早衰是水稻直播存在的重要问题[7,9,12-13]。水稻机械插秧采用软盘育秧技术或双膜育秧技术培育出带土的毯状秧苗,使用水稻插秧机对秧苗进行切块来实现分苗移栽,即工厂化育秧+精细整地+机械插秧[14-16]。使用水稻机械插秧可以显著提升水稻的种植效率,与机械移栽相比,人工移栽的产量效率明显较低,试验表明机械插秧的作业效率是人工插秧的三倍左右,且人工成本低,有利于节本增效[17-18]。

目前,我国水稻种植大多都采用机械插秧,但由于种植机具工作不稳定,且对水稻生育期、杂草防治有较高要求,插秧后还需要进行人工补苗,增加种植成本。所以,将水稻种植方式由机械插秧转变为机械有序抛秧种植,以此来提高水稻品质和产量,节本增效的同时降低劳动强度,是水稻产业发展的重要任务[19-21]。

1 水稻有序抛秧农艺要求

良好的秧苗应是苗挺叶绿、根系盘结、清秀无病、提起不散、均匀整齐,具体的秧苗指标如表1所示。

表1 秧苗指标

稻种发芽的最低温度为10 ℃,适宜温度为20～35 ℃;水稻出苗的最低温度为12 ℃;水稻发根的最低温度为16 ℃,温度高于16 ℃时水稻出苗及生长均较为顺利。水稻芽期(出芽至一叶一心)忍耐短时间低温的能力较强,水稻二叶一心后抗寒力下降,日最低气温低于7～8 ℃,秧苗会受到冷害。长期低温(12 ℃以下)会造成病原菌的侵染,引起烂秧死苗[22-23]。

水稻种子的吸水速度与温度、谷壳薄厚有关,因此水稻和常规稻的浸种时间长。“干长根,湿长芽”,播种扎根出苗阶段秧田要排水[24-25]。水稻有序抛秧使用特制的塑料软盘进行育秧,秧苗之间互相独立、互不影响,相比于机械插秧的秧盘可以有效防治病虫害[26-28]。

2 国外研究现状

目前,国外在水稻有序抛秧装置的研究文献报道,以及研制的机器都比较少,主要集中在日本,日本也是最早对水稻进行抛栽技术研究的国家。

20世纪60年代,日本为了解决北海道水稻移栽苗抗寒性问题,研究出纸筒培育秧苗的移栽技术并进行了应用,采用抛秧的形式进行水稻种植,取得了惊人的效果,标志着水稻抛秧技术研究的开始,引起了日本农学家的重视[29]。1971年,日本北海道中央农业实验站开始研究纸管水稻育苗技术,该技术被称为“空中移栽稻作”[30]。由于后期在培育秧苗过程中出现纸管之间容易相互粘结,秧苗容易窜根等问题,于是研究了一种专门塑料钵盘用于水稻抛秧栽培[31]。通过不同地区和不同气候类型的试验研究,证明水稻抛秧栽培技术是可行的,为之后的研究学者提供了参考,值得在其他国家和地区学习和推广。

3 国内研究现状

早在20世纪80年代,中国就开始研究钵苗抛秧技术,也是世界上第一个在水稻生产中广泛应用抛秧技术并取得巨大成就的国家。目前,我国有很多学者都在进行水稻有序抛秧装置的研究,但是由于机器本身的性能和不稳定性,还没有大面积推广使用。

陈旭暄等[32]针对机械散抛和人工抛秧存在的众多问题,研制出ZPY-H530型对辊式拔秧水稻移栽机(图1),首次实现了水稻秧苗的有序成行抛栽。通过建立秧苗拔取过程的数学模型,优化输秧拔秧装置的各个参数,得出拔取秧苗时倾角为137°,并在北京市和江苏省进行了田间试验,结果表明秧苗直立率达到了80%,所抛秧苗的均匀度、整齐度与人工和机械散抛秧苗的均匀度、整齐度相比有明显改善,且秧苗返青快,分蘖早。但该机器需要特制的育秧盘,且在夹取秧苗过程中易损伤秧苗,产生漏播、株距不均匀的问题[33]。

图1 对辊夹持式水稻拨秧机构及整机图

农业农村部南京农业机械化研究所针对传统抛秧机器秧苗杂乱无序,不符合农民传统种植习惯的问题设计了2ZU-6型顶杆式水稻有序抛秧机,其结构原理如图2所示。通过滚筒内的顶杆和凸轮将秧盘内的钵苗顶出,经过导苗管进行抛秧。基本上实现了有序抛秧,成行清晰,但该机器对于秧苗品质要求较高,当秧盘底部泥土较多、钵苗含水量较高时,秧苗漏播率会明显提高,成行率会大幅下降,且该机器通过顶杆顶出秧苗对苗的伤害较大,影响播种质量[34]。

1.导苗管;2.拨禾轮;3.钵苗;4.弹簧;5.压盘装置;6.秧盘;7.顶杆;8.顶杆座;9.推动凸轮;10.主轴;11.棘轮;12.棘爪;13.锁止爪;14.摇臂;15.送进凸轮;16.机架;17.连传动;18.滚筒;19.船板

黑龙江八一农垦大学陈恒高等[35]研制的2SP-4型机械手式抛秧机(图3)实现了有序抛秧,成功地将复杂的机械运动分解成为各个部件的简单运动,同时进行了台架试验和田间试验,实现了自动从秧盘中夹取出秧苗,并按照固定的株距和行距进行抛秧,完成了有序抛秧工作。但该装置工作过程中机械手一次只能夹取一株秧苗,且易成伤苗,工作效率较低。

图3 2SP-4型机械手式抛秧机

李建平等[36]研制出一种基于气流振动原理,用于输送秧苗的新型有序抛秧机(图4),气流自下而上作用在秧苗上,使钵苗保持直立状态。通过改变输秧板的振动参数,使秧苗输送机构能够均匀地输送秧苗。建立秧苗输送机构的有限元模型进行拟态分析试验和拟态分析计算,结果表明,模拟结果和试验结果基本一致,振动频率小于19.12 Hz。该装置在工作过程中秧苗需要人工放置于输秧板,费时费力,机器能量消耗过大,工作效率较低。

图4 气流振动式有序抛秧机

包春江等[37]设计了一种气吸式有序钵苗移栽机(图5),依靠负压风机使秧苗能够克服秧盘阻力,从而脱离秧盘进行抛秧作业。经样机土槽试验和田间试验,结果表明,作业速度0.3 m/s、秧苗直立率98%、伤苗率0%、功耗小于2 kW,机器各部分能够正常工作,整机总体配置合理,抛栽效果能够满足水稻有序抛秧的农艺要求。但是该装置需要配合特有的空气整根育秧技术,且气吸式装置对气密性要求非常高,吸取秧苗、送秧、抛秧过程为间歇运动,工作效率较低。

1.发动机;2.负压风机;3.软管;4.横向移箱滑套;5.投苗装置;6.纵向移箱滑套;7.扶手;8.横向移箱步进电机;9.纵向移箱步进电机;10.单片机控制箱;11.电磁铁;12.分开式秧船;13.驱动曲柄摆杆机构步进电机;14.牵引装置;15.蓄电池;16.驱动叶轮(双轮)

王玉兴等[38]提出了一种气力式有序抛秧机输秧机构(图6),并应用Visual Basic 6.0软件对输秧机构进行了运动模拟和分析,推导出了适用于输秧机构的运动分析、动态模拟,以及速度、加速度、位移方程。应用有限元仿真分析,对抛秧气流场进行仿真,对初始压强做了正交试验,结果表明,0.65 MPa和0.5 MPa的初始压强抛秧效果较好,为气力式有序抛秧机的设计、改进、优化和性能提升,提供了有利的科学依据[39]。

1.秧盘托盘;2.秧盘;3.摇杆;4.连杆;5.支架;6.曲柄轴;7.阀;8.导苗管;9.抛秧位置;10.喷嘴;11.气罐;12.输秧滚筒

中联重科研制的2ZPY-13A水稻有序抛秧机(图7)是我国目前唯一推广使用的水稻有序抛秧机,其克服了人工手抛秧的分布无序,弥补了水稻插秧机行距固定的缺陷[40]。2ZPY-13A水稻有序抛秧机行距可在21～32 cm范围内调节,株距分为8挡可调,使基本苗量和密植度比机插秧和人工手抛秧更加合理,栽植速度是8行高速水稻插秧机的1.2～1.5倍,而且具有无缓苗期秧苗载种到田中就直接生长、返青快、抗病能力强、分蘖早、分蘖节位低(秧苗入泥浅)、分蘖多的优势。但该机器抛秧效果受风力影响较大,超过5级风抛秧时会产生秧苗飘移、入土行程过低的问题[41]。

图7 2ZPY-13A水稻有序抛秧机

4 水稻有序抛秧的技术难点

1)抛秧质量受天气风力影响较大,不建议在风力≥5级时进行作业。

2)抛秧效率高、量大,但上盘喂入口只有一处,站盘人员上盘和收盘频繁,操作不熟练会影响作业效率。

3)抛秧前,秧苗需按照规范合理浇水,不宜浇水过多,否则发生丢苗、堆苗现象。

4)秧盘回收装置过于简易,不利于秧盘回收,秧盘回收不及时容易掉入本田。

5)打浆和抛秧工作需要结合紧密,最好打完浆2～3 d就进行抛秧,但因封闭药时间不足,易出现药害。

6)秧苗质量较轻,容易漂苗,降低成苗率。

7)智能化程度低,且在抛秧作业过程中有光照影响,使抛秧质量监控系统的研究困难。

5 解决方案

针对国内外现有水稻有序抛秧装置存在的漏插、作业效率不高、秧苗入土行程过浅、秧苗下落过程受风力影响较大等问题,受到学者们研究气力式水稻抛秧装置的启发,设计一种气吹式水稻有序导秧装置。

在抛秧装置后安装气导秧管,使秧苗在依靠自身重力和风力输送装置的双重作用下,落到水田中,解决水稻钵苗抛秧时受风力影响产生的漂移现象,成行不均匀的问题。在导秧管上部加装气吹式风机,使钵苗受到一个垂直向下的作用力,解决钵苗入土行程不足的问题。在输秧装置上设有喷淋装置,利用雾化喷头防止钵苗的泥土堵塞取秧带,清除泥浆,解决漏插的问题。

针对目前水稻有序抛秧机智能化程度低,抛秧监控系统研究困难的现象,之后还应继续运用高科技手段,在抛秧机构处设置一处密闭空间,使用高精度的光电传感器对钵苗抛落过程进行监控,实时掌控抛秧效果。

6 结论

有序抛秧能够使抛出的秧苗形成规则的行、列,和插秧机插秧效果基本一致,解决了人工抛秧秧苗杂乱无章且不利于中耕除草和机械化收割的缺点,具有秧苗损伤少、返青快、采光好、低节位有效分蘖多、穗型整齐、成熟一致等优点。考虑到我国水稻种植产业现状,与农业先进国家间的巨大差距,抛秧技术已势在必行。

从宏观角度分析,我国政府正提倡机械化农业与智慧农业国家战略,明确提出机械化种植与收获,努力实现全程、全面机械化作业标准,而抛秧技术可减缓寒地水稻的缓苗期,有利于生长发育。然而与先进国家相比,国内针对抛秧的基础研究相对薄弱,意识不强,核心技术储备不充足。在满足农艺作业需求的条件下,如何实现水稻抛秧有序化、作业标准化和产量提升度是当前农业工程领域面临的一项重大科学任务。