旱地蔬菜缽苗自動移栽機栽植性能試驗

王永維，何焯亮，王 俊※，武傳宇，俞高紅，唐燕海

0 引 言

采用育苗移栽的方式進行作物種植具有高產、穩產、對氣候補償和提高土地利用率等綜合效益[1-6]。蔬菜移栽主要有溫室（設施）內移栽和大田旱地移栽，溫室（設施）內移栽主要是將高密度缽苗移植至低密度穴盤或較大的盆體中，實現定植，滿足幼苗生長對光照和養分等的要求。

目前國外溫室自動移栽設備已成熟，國內學者也開發了相應的裝備[7-8]。蔬菜大田旱地移栽是將溫室內培育的成苗移栽至大田實現定植。國外旱地移栽機研發較早，已成功開發了多款穴盤苗全自動移栽機，如意大利的Ferrari旱田全自動移栽機、法國Pearson公司的旱田全自動移栽機等[2]，但這些機型均存在結構復雜、成本高等問題，多用于經濟作物。目前，國內用于旱地移栽的機具主要是半自動移栽機[9]，按植苗部件類型主要有鉗夾式[10-11]、撓性圓盤式[12-13]、導苗管式[14-15]、吊杯式[16-18]、連桿式[19-20]等型式的半自動移栽機，栽植性能良好，能夠移植多種缽苗，但需要人工喂苗，作業效率低，勞動強度和作業成本均較高。

為了實現缽體苗移栽作業自動化，國內學者在半自動移栽機的基礎上開發了多種自動取苗部件，如頂出式[21]、頂出夾取式[22]、旋轉式行星系夾取式[23-24]、指針鉗夾式等型式的自動取苗機構[25-28]，為方便實現穴盤進給、取苗與植苗動作協調控制，研發了電控取苗系統[29]，這些自動取苗機構在實驗室條件下實現了穴盤苗的自動送取，但也存在機構復雜、成本高、可靠性低等問題，特別是缺乏將自動取送苗機構與植苗機構優化組合形成滿足生產要求的自動移栽機。隨著農業產業化經營，蔬菜規模化種植的發展采用傳統的手工作業以及半自動移栽機已不能滿足當前生產要求，研發具有送苗、取苗、打穴、植苗、覆土等作業功能的全自動移栽機十分必要。為了實現蔬菜缽體苗移栽自動化作業，浙江大學與浙江理工大學聯合研制了旱地蔬菜缽苗自動移栽機，本文以旱地蔬菜缽苗自動移栽機為作業對象，對其不同植苗頻率時的栽植性能進行試驗研究。

1 旱地蔬菜缽苗自動移栽機

1.1 整機結構

旱地蔬菜缽苗自動移栽機主要由機架、栽植器、送苗機構、取苗機構、動力傳動系統等構成，如圖1所示。該機為2行自動栽植機，行距：400 mm，株距：250～400 mm，可調；栽植頻率：40～96株/min，漏栽率：≤5%，栽植合格率：≥92%。

圖1 旱地蔬菜缽苗自動移栽機總體結構Fig.1 Structure diagram of automatic vegetable pot seedling transplanter in dry field

送苗機構、取苗機構安裝在機架上部，取苗機構為橢圓-不完全非圓齒輪行星系旋轉式取苗機構，其組成與工作過程見文獻[24-25]。送苗機構由傳動機構、縱向送苗機構、橫向送苗機構組成，縱向送苗機構通過棘爪對棘輪的控制實現縱向間歇送苗；橫向送苗機構由凸輪式分割器和雙螺旋軸組成，通過控制雙螺旋軸做間歇轉動并在雙向螺旋軌導向作用下作橫向和往復間歇運動[30]；送苗機構載苗臺可載128穴（標準穴盤，16穴×8排）軟盤穴盤苗2盤，橫向進給1次分別是將每盤穴盤苗的1株苗送至取苗機構的取苗點，橫向間歇進給 8次完成 1排苗送苗，然后縱向進給1次將每盤穴盤苗的下1排穴盤苗（8株）移至取苗水平線，然后橫向間歇進給送苗至取苗點，實現 128穴軟盤穴盤苗橫向、縱向間歇進給。送苗機構、取苗機構前后位置關系如圖2所示。

栽植器為偏心圓盤吊杯式栽植器，由主軸、連桿、吊杯、偏心盤、軌道、轉動盤和凸輪等組成，安裝在取苗機構的下方，工作過程見文獻[18]。調節取苗機構位置使其投苗位置D點與栽植器吊杯旋轉上升過程相匹配，保證缽苗準確、適時地落入栽植器吊杯中，取苗機構與偏心圓盤吊杯式栽植器相對位置如圖3所示。

2個取苗機構、2個偏心圓盤吊杯式栽植器沿整機縱向中心面左右對稱布置，構成 2套取苗植苗系統，由 1套送苗機構供苗。整機前進與送苗、取苗和植苗的動力傳動系統如圖4所示，發動機動力5 kW，發動機動力經行走離合器傳遞至行走變速箱，再經行走變速箱傳遞至行走驅動軸及驅動輪；行走驅動軸上設有栽植離合器，栽植離合器接合時通過鏈傳動將動力由行走驅動軸傳遞至栽植器主軸驅動栽植器工作，同時將栽植器主軸的動力通過鏈傳動分別傳遞至取苗機構、送苗機構，驅動取苗機構旋轉取苗，驅動送苗機構橫向、縱向送苗。

圖2 送苗機構、取苗機構結構示意圖Fig.2 Diagram of seedling sending and seedling picking-up mechanism

圖3 吊杯式栽植器結構與取苗機構運動配合示意圖Fig.3 Schematic diagram of exercise coordination of dibble-type apparatus and seedling picking-up mechanism

圖4 動力傳動系統簡圖Fig.4 Diagram of power transmission system

1.2 工作過程

啟動發動機并將整機移動至作業壟上，將 2盤適齡的軟盤蔬菜缽苗置于送苗機構的載苗臺上，然后整機行走并使栽植作業離合器結合，動力由驅動軸傳遞至栽植器、送苗機構、取苗機構，取苗機構旋轉并向穴盤取下1株缽體苗，送苗機構橫向移動一個位置使下最前排的下1株苗對準取苗機構，栽植器旋轉使吊杯上升。當取苗機構旋轉至投苗位置時，栽植器吊杯轉至投苗點下方，取苗機構將缽體苗投入吊杯，隨著吊杯進一步旋轉至栽植器下方時，吊杯在凸輪作用下自動打開并將缽體苗移入大田土壤，并由覆土輪進行覆土。取苗機構具有 2個取苗爪，旋轉1周完成2次取苗、投苗，每次取苗、投苗1株，栽植器具有4個吊杯，旋轉1次完成4株缽體苗移植；送苗機構每橫向進給8次縱向進給1次，然后反向橫向進給；依次往復實現自動移栽。

2 田間移栽試驗方案

2.1 試驗條件

試驗在綠城現代農業開發有限公司（浙江省嵊州市甘霖鎮）的蔬菜種植溫室內進行，試驗田地勢平坦，無雜草殘茬覆蓋、無石塊硬土，人工起壟，壟寬70 cm，壟高（9±2）cm，地塊長度80 m。土壤為砂土，表層（深0～5 cm）含水率為11.7%，下層（深5～10 cm）含水率為 13.2%，符合機械行業標準《旱地栽植機械》JB/T 10291-2013對試驗土壤的要求。試驗用番茄品種為浙雜809，采用標準128穴缽苗盤培養，苗齡為35 d，缽體體積為25.2 cm3，平均苗高150 mm；因育苗時采用統一發芽然后將子葉期苗移入穴格的方式進行培育，故所有穴格均育有健壯的幼苗，空穴率為0。

2.2 試驗方法

為了獲得旱地蔬菜缽苗自動移栽機不同栽植頻率時的作業性能，依據行走變速箱Ⅰ檔與Ⅱ檔的傳動比、驅動軸上主動鏈輪與栽植器主軸上從動鏈輪的傳動比、設定植苗頻率計算行走變速箱輸入皮帶輪所需要的轉速；然后整機空載沿試驗壟行走，利用光電數字轉速計HDT8003（量程：10～1 000 0 r/min，精度：±0.04%，分辨率為 0.01）測定行走變速箱輸入皮帶輪的轉速，同時調節發動機油門使皮帶輪轉速達到設定值，然后使用數碼相機拍攝此時栽植器工作，通過視頻時間與栽植器植苗次數驗證設定的栽苗頻率并進行調節；最后在設定的皮帶輪轉速條件下進行該栽植頻率時的移栽性能試驗。

在進行每一栽植頻率試驗時，同時采用秒表測定移栽整盤秧苗（128株）所用的時間，使用數碼相機記錄并再次驗證。試驗設45、60、75、84和96株/min共5個栽植頻率，每個栽植頻率下試驗3次，每次單行移植128株，除去初栽植的 8株，按照機械行業標準 JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》連續檢測后面120株，統計漏栽、重栽、倒伏、露苗、埋苗、傷苗的株數，測定株距、栽植深度，并計算株距變異系數、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率等主要性能指標。因番茄種植農藝要求缽苗定植株距為200～400 mm，故試驗時株距均設定為300 mm[18]。參照農業行業標準NY/T 1924-2010《油菜移栽機質量評價技術規范》測定直立度合格率。

1）栽植頻率

栽植頻率為單位時間內在一個栽植行內栽植到地里的全部秧苗株數z與時間t（s）之比，試驗測定移栽整盤共128株秧苗時間，并按式（1）計算栽植頻率[31]。

式中f為株距變異系數。

2）株距變異系數

測量栽植行內相鄰 2株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離X1，比較實測株距X1與設計株距Xr（調整株距）之間的差異，判斷實測株距X1是否合格，規定：相鄰2株的實測株距X1在0.5Xr＜X1≤1.5Xr范圍內，為合格株距。株距變異系數CVX按式（2）計算[31]。

式中SX為株距標準差，cm；X為株距平均值，cm。

3）漏栽率

理論上應當栽植秧苗的地方而實際上沒有稱為漏栽。設行內相鄰 2株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離 X1，實際測量時，X1在 1.5Xr＜X1≤2.5Xr范圍內，漏栽1株；X1在2.5Xr＜X1≤3.5Xr范圍內，漏栽2株，以此類推。評價漏栽程度的指標為漏栽率M[31]。

式中NLZ為漏栽株數；N'為測定段內的設計株數。

4）栽植深度合格率

測量從秧苗與覆土表面交點到秧苗根部的垂直距，此距離稱為栽植深度。定義栽植深度大于幼苗缽體高度1.5倍或小于缽體高度80%為不合格，栽植深度大于1.5倍幼苗缽體高度定義為埋苗，小于缽體高度 80%定義為露苗。栽植深度合格率H1按式（4）計算[31]。

式中Nh為栽植深度合格的總株數；N為測定段內的栽植株數。

5）直立度合格率

秧苗主莖與地面夾角大于30°即為合格，否則判定為倒伏[31]，并在不考慮漏苗、埋苗、傷苗的情況，計算直立度合格的植株數占總栽植株數的比例。根據番茄缽苗移栽農藝要求，規定缽苗主莖與地面的夾角大于 55°為合格[18]，試驗采用萬能角度尺測量移栽后番茄缽苗主莖與地面的夾角，并用式（5）計算直立度合格率H2，NDF為倒伏株數。

6）栽植合格率

栽植合格率Q為移栽后合格株數占測定段的設計株數的百分比，按式（6）計算[31]。

式中NCZ為重栽株數；NMM為埋苗株數；NLM為露苗株數；NSM為傷苗株數。

3 試驗結果與分析

田間移栽性能試驗于2016年7月22-23日在綠城現代農業開發有限公司進行，試驗現場與移栽效果如圖 5所示。

圖5 試驗現場與移栽效果Fig.5 Field test and transplanting performance

3.1 不同栽植頻率時株距變化試驗結果

株距變異系數是栽植均勻度的評價指標。如表 1所示，在低速移栽（栽植頻率45、60、75、84株/min）時，隨栽植頻率增加，株距變異系數增加，其平均值范圍為6.6%～7.1%，均遠小于行業標準規定的 15%，栽植穩定性均較好；當栽植頻率為96株/min，達到高速移栽的植苗頻率時，株距變異系數的平均值迅速增加至8.9%，但仍小于機械行業標準JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》的規定值。可見，該機栽植后入土缽苗植株的株距離散程度較小，栽植株距穩定。

表1 不同栽植頻率下的株距變異系數Table 1 Coefficient of variation of planting spacing in different planting frequency %

3.2 不同栽植頻率時的漏栽率

漏栽率是移栽機械自動取苗性能、植苗性能以及二者動作協調性的綜合性評價指標之一。由表 2知，旱地蔬菜缽苗自動缽苗移栽機漏栽率隨栽植頻率的變化沒有明顯規律，在低速（45、60、75、84株/min）進行自動移栽時，漏栽率均值范圍為1.7%～2.2%，此時送苗機構、取苗機構、栽植器的配合協調，投苗、栽苗成功率最高，穩定性好；當高速移栽（96株/min）時，漏栽率迅速上升至2.8%左右，觀察試驗過程知，這主要是由于高速移栽條件下送苗裝置橫向、縱向移苗速度較快，高速取苗成功率略下降，從而導致漏苗率增加。試驗表明，栽植頻率在45～96株/min時，旱地蔬菜缽苗自動缽苗移栽機的漏栽率均符合機械行業標準JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》所規定的漏栽率低于5%的要求。

3.3 不同栽植頻率時栽植深度合格率

栽植深度合格率是影響秧苗移栽后緩苗和根系再生、長勢整齊的主要指標。試驗確定番茄苗的栽植深度為45 mm即番茄苗缽體高度，并按上述標準判定是否合格。由表3可知，在栽植頻率為45～96株/min的區間內，栽植深度合格率隨著栽植頻率的增加略有下降，但栽植深度合格率均高于 97%，符合機械行業標準 JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》要求。栽植深度合格率較高主要是由于移栽床土高度一致，移植田地條件良好。可見，栽植器、覆土輪的工作性能良好，栽苗深度一致，能夠為定植后生長創造良好的條件。

表2 不同栽植頻率下的漏栽率Table 2 Missed hill rate in different planting frequency %

表3 不同栽植頻率下的栽植深度合格率Table 3 Qualified rate of planting depth in different planting frequency %

3.4 不同栽植頻率時直立度合格率

直立度指秧苗栽植后直立狀態的評價指標，參考農業行業標準NY/T 1924-2010《油菜移栽機質量評價技術規范》，要求直立度合格率達到85%。由表4可知，在栽植頻率為45～96株/min范圍內，隨著栽植頻率的增加，直立度合格率先略增加，栽植頻率75株/min時直立度合格率最高，達到97.8%，然后隨著栽植頻率的增加略有下降，但均大于96%，符合農業行業標準NY/T 1924-2010的要求。可見，番茄缽體苗移栽后整齊、直立，可為其生長、發育奠定基礎。

3.5 不同栽植頻率時栽植合格率

栽植合格率是旱地蔬菜缽苗自動移栽機取苗、送苗和植苗協調配合的綜合性指標之一，能夠較全面地反映秧苗移栽后的成功率、作業質量。由表 5可知，隨著栽植頻率的增加，栽植合格率略有下降，移栽頻率由45增加至 96株/min時，栽植合格率由 94.7%遞減下降至91.1%，下降的主要原因是高速移栽時取苗成功率略有下降。可見，旱地蔬菜缽苗自動移栽機中在低速移栽、高速移栽時，栽植合格率均達到行業標準《旱地栽植機械》（JB/T 10291-2013）中栽植合格率大于90%的要求。

表4 不同栽植頻率下的直立度合格率Table 4 Seedling-standing ratio in different planting frequency%

表5 不同栽植頻率下的栽植合格率Table 5 Qualified rate of planting in different planting frequency%

4 結 論

1）以橢圓-不完全非圓齒輪行星系旋轉式取苗機構、橫向縱向間歇送苗機構、偏心圓盤吊杯式栽植器、動力傳遞系統為關鍵部件的旱地蔬菜缽苗自動移栽機，各機構工作配合協調，能夠一次完成送苗、取苗、植苗、覆土等蔬菜缽體苗移栽工序，實現了缽體苗移栽自動作業。

2）旱地蔬菜缽苗自動移栽機在栽植頻率為45、60、75、84株/min的低速移栽和栽植頻率為96株/min的高速移栽時，作業性能指標株距變異系數、漏栽率隨栽植頻率增加而增大，其平均值分別為 6.6%～8.9%、1.7%～2.8%，栽植深度合格率、栽植合格率隨栽植頻率增加略有下降，其值分別為97.5%～98.9%、91.1%～94.7%；在栽植頻率為45～96株/min范圍內，株距變異系數、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率均達到機械行業標準《旱地栽植機械》（JB/T 10291-2013）中的相應要求；直立度合格率隨栽植頻率先增加，栽植頻率75株/min時達到最大，然后略有下降，在栽植頻率為45～96株/min范圍內其平均值為96.7%～97.8%，不同栽植頻率時直立度合格率均達到農業行業標準《油菜移栽機質量評價技術規范》（NY/T 1924-2010）中直立度合格率的規定值。旱地蔬菜缽苗自動移栽機低速、高速移栽作業時，自動送苗機構、取苗機構、栽植器的工作配合協調，移栽性能良好。

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