胡敏娟，張文毅，浦 毅，張 敏，紀(jì) 要，盧 晏

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

水稻缽苗移栽機(jī)試驗(yàn)研究

胡敏娟1，張文毅1，浦 毅2，張 敏1，紀(jì) 要1，盧 晏1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

水稻缽苗移栽是一種利用缽盤育秧的水稻移栽技術(shù)，是水稻種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。由機(jī)械替代人工完成移栽是推廣缽苗移栽技術(shù)的關(guān)鍵。為此，在以五桿雙曲柄分插技術(shù)為核心的水稻缽苗移栽機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：水稻單穴內(nèi)秧苗拉拔力小于抗拉斷力，取苗秧夾夾持秧苗莖稈的取苗方式可行；水稻缽苗移栽機(jī)栽深和株距可控，栽植翻倒率為16.7%，漏插率為14.7%，傷秧率為3.4%，栽后第2天長(zhǎng)型根，基本無(wú)緩苗；由根系生長(zhǎng)來(lái)看，缽體苗表現(xiàn)更為粗壯，抗倒伏能力強(qiáng)；產(chǎn)量較同期毯狀苗機(jī)插每穗平均增加4.6%。同時(shí)，針對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)試驗(yàn)中所產(chǎn)生的作業(yè)質(zhì)量、效率等問(wèn)題，分析了農(nóng)機(jī)和配套農(nóng)藝問(wèn)題，旨在對(duì)后續(xù)機(jī)具的研發(fā)提供參考，為水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

水稻缽苗移栽；缽苗插秧；取苗秧夾

0 引言

目前，水稻機(jī)械種植主要有直播、插秧和拋秧3種方式。直播生長(zhǎng)期長(zhǎng)，影響后茬作物的生長(zhǎng)，不利于輪作；插秧對(duì)根系損傷大，緩苗期較長(zhǎng)；拋秧對(duì)根部損傷小，但作業(yè)無(wú)序，影響水稻通風(fēng)和均勻吸收陽(yáng)光和地面養(yǎng)分，容易引發(fā)病蟲害。水稻缽苗移栽機(jī)插秧技術(shù)是當(dāng)前水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它將傳統(tǒng)水稻機(jī)插、拋秧技術(shù)優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，既克服了傳統(tǒng)插秧機(jī)械對(duì)秧齡限制嚴(yán)格、損傷秧根、影響秧苗生產(chǎn)的缺點(diǎn)，又解決了拋秧作業(yè)秧苗不能有序成行的難題，與傳統(tǒng)毯狀苗機(jī)插秧相比，具有秧苗淺栽、緩苗快、低節(jié)位分蘗多、成穗率高、節(jié)約種子、節(jié)省營(yíng)養(yǎng)土及穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)[1-3]。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

水稻缽苗移栽機(jī)關(guān)鍵部件分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為五桿雙曲柄機(jī)構(gòu)，包括控制桿、曲柄、彈簧、凸輪和取苗秧夾等[4]，如圖1所示。

圖1 水稻缽苗移栽關(guān)鍵部件及運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Key parts and trajectory of rice pot seedling transplanter

工作時(shí)，人工將水稻缽苗盤有序放入秧箱，缽苗高度方向與秧箱呈垂直狀態(tài)。為避免取苗秧夾在取苗前與秧箱發(fā)生干涉，取苗秧夾運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率在夾持、拔取缽苗點(diǎn)附近需要迅速變化：取苗點(diǎn)前取苗秧夾與缽苗莖部垂直靠近并夾緊獨(dú)立穴格內(nèi)單株或多株缽苗莖部，取苗點(diǎn)后取苗秧夾運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)盡量與秧箱垂直，即沿秧苗高度方向?qū)⑵溆行О纬?，拔苗過(guò)程中取苗秧夾姿態(tài)變化越小則對(duì)秧苗的損傷越??；取出秧苗后沿腰型軌跡完成植苗，取苗秧夾在凸輪作用下打開，并將秧苗推出執(zhí)行定植動(dòng)作。曲柄旋轉(zhuǎn)1周，取秧夾夾取缽苗插秧1次，栽植頻率為100～120次/min。

圖1(b)為雙曲柄機(jī)構(gòu)通過(guò)增加第2驅(qū)動(dòng)桿起始偏轉(zhuǎn)角度來(lái)改變分插機(jī)構(gòu)軌跡的仿真分析，圖1(b)右圖為該試驗(yàn)研究中分插機(jī)構(gòu)的栽植軌跡。

分插機(jī)構(gòu)在取苗位置主要控制取苗時(shí)間點(diǎn)與大小適度夾持力和拔取力，而在栽植位置主要控制推秧時(shí)間點(diǎn)與推秧距離。為保證秧苗栽插直立率，分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要準(zhǔn)確控制該最佳推秧位置點(diǎn)[5-7]。圖1中，A點(diǎn)為分插機(jī)構(gòu)栽插行程上一點(diǎn)，B點(diǎn)為最低插秧點(diǎn)，C點(diǎn)為分插機(jī)構(gòu)栽插回程上某一點(diǎn)。假設(shè)B點(diǎn)為分插機(jī)構(gòu)栽插最佳位置，即在該點(diǎn)推秧器將秧苗推壓入土，在運(yùn)動(dòng)軌跡上的點(diǎn)A和點(diǎn)C則分別對(duì)應(yīng)推秧前和推秧后兩個(gè)位置。為使將秧苗按壓入土，并保持最佳直立度效果，要求分插機(jī)構(gòu)秧針在B點(diǎn)位置處：VB×sinα=V機(jī)(零速投苗)。其中，V機(jī)為機(jī)器前進(jìn)速度，與分插機(jī)構(gòu)在B點(diǎn)X方向上的速度大小相等、方向相反。如圖1(b)所示，α1≤α≤α2≤90°。由正弦定律可得：A點(diǎn)分插機(jī)構(gòu)速度分量：VA×sinα1﹤V機(jī)，秧苗向插秧機(jī)前進(jìn)方向傾斜；C點(diǎn)速度分量VC×sinα2﹥V機(jī)，則秧苗向機(jī)具后退方向傾倒。另外，設(shè)計(jì)取苗秧夾在凸輪作用下秧針推出距離要求≥5mm，以保證良好的立苗效果。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

為進(jìn)一步探究水稻缽苗移栽的優(yōu)勢(shì)及移栽機(jī)械作業(yè)質(zhì)量，為推廣缽苗移栽技術(shù)提供理論與技術(shù)支持，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：①水稻缽苗拉拔力試驗(yàn)，獲取取苗秧夾拉拔缽體苗莖稈力學(xué)特性；②水稻缽苗栽插對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比分析移栽機(jī)械作業(yè)質(zhì)量(株距、栽深、翻倒率、漏插率和傷秧率等)及缽苗機(jī)插與毯苗機(jī)插產(chǎn)量對(duì)比。

2.1 水稻缽苗拉拔力試驗(yàn)

為能將水稻缽苗從生長(zhǎng)苗盤中有效取出，取苗秧夾夾持莖稈的拉拔力必須大于秧苗抗拉斷力，因此通過(guò)試驗(yàn)獲取夾持適齡秧苗莖稈拉拔力情況。試驗(yàn)材料有拉力計(jì)、夾具及水稻缽苗如圖2所示。

試驗(yàn)中固定苗盤，用夾具夾持單穴內(nèi)的秧苗莖部，向上提拔缽苗并有效拔出，拉拔力即為量具所示的該力大小。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 試驗(yàn)用水稻缽體苗Fig.2 Test rice pot seedling表1 拉拔力Table 1 Drawing force

序號(hào)拉拔力/N11.6000.4410.8820.1963.14520.6371.2053.2431.2740.83330.5390.9310.5391.9891.91140.9801.8913.1941.4011.30352.4301.2250.5390.9311.4562.9201.1071.0580.5390.53971.3230.5881.3230.5881.86280.8332.3162.0871.3234.90990.9311.2741.6261.6951.225101.3032.7732.0871.0781.842

由以上拉拔力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知：拉拔力大多在0.5～3N范圍內(nèi)。最小為0.196N，最大為4.909N，均發(fā)生在單穴內(nèi)苗株較少和較多的時(shí)刻。由于根系發(fā)展情況不同，單穴內(nèi)株數(shù)較多時(shí)根系發(fā)達(dá)，串根較多，拉拔力較大；反之，則拉拔力越小。

上述夾取單株或多株秧苗莖部所需的拉拔力(Fmax=4.9N)均小于秧苗的抗拉斷力20天秧齡平均抗拉斷力5.59N[8]。也就是說(shuō)，在常規(guī)播種條件下，夾持缽苗莖部拔取秧夾設(shè)計(jì)能夠滿足取苗力學(xué)設(shè)計(jì)要求有效取苗。

2.2 水稻缽苗栽插對(duì)比試驗(yàn)

為獲取水稻缽苗移栽機(jī)分插機(jī)構(gòu)作業(yè)性能和質(zhì)量信息，設(shè)計(jì)水稻毯狀苗和缽苗(常規(guī)稻3～5粒播種)栽插對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在同一播種育苗環(huán)境下，按機(jī)具最小栽植密度、最少插深對(duì)水稻毯狀苗和缽體秧苗進(jìn)行機(jī)械栽插。毯狀苗栽插使用洋馬6行乘坐式插秧機(jī)，對(duì)比分析兩種栽插方式的作業(yè)質(zhì)量、秧苗生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量情況，分析得出該分插機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣。試驗(yàn)作業(yè)條件按江蘇水稻栽種要求株距選擇最小，栽植深度固定在最淺位置，栽植效果如圖3所示。

圖3 田間試驗(yàn)效果圖Fig.3 Field test rendering

1)栽深。因缽苗優(yōu)勢(shì)就是秧苗淺栽，能充分利用地表泥溫高、表層氧氣充足的優(yōu)勢(shì)，提高秧苗成活率。栽深測(cè)量即人工將機(jī)械栽插過(guò)后的水稻拔出水面，測(cè)得泥平面到苗缽上表面的距離，如圖4所示。試驗(yàn)測(cè)得水稻缽苗移栽分插機(jī)構(gòu)栽深在0～20mm范圍內(nèi)，栽深穩(wěn)定性欠佳。

圖4 插深測(cè)量Fig.4 Transplanting depth measurement

栽深不穩(wěn)定的原因除機(jī)器自身可靠性外，與整地質(zhì)量有關(guān)。整地全田高低差要小(<3cm)，表土上細(xì)下粗，插秧作業(yè)時(shí)不陷機(jī)、不壅泥[9]，因此試驗(yàn)用地整地質(zhì)量還需提高。

2)株距。如圖3所示，對(duì)每10株秧苗測(cè)量距離，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 株距

計(jì)算得株距平均157.55mm，較比理論值153mm(理論株距×(n-1)，其中n為所測(cè)缽苗總數(shù))差異不大。

3)翻倒率、漏插率和傷秧率。翻倒穴數(shù)、漏插穴數(shù)和傷秧數(shù)[10]等參數(shù)均是反應(yīng)插秧機(jī)具栽插質(zhì)量的重要指標(biāo)。具體計(jì)算方式為

翻倒率=(翻倒穴數(shù)÷500)×100%

漏插率=(漏插穴數(shù)÷500)×100%

傷秧率=(傷秧株數(shù)總和÷500穴內(nèi)秧苗總株數(shù))×100%

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理得：翻倒率16.7%，漏插率14.7%(部分由于本身穴格內(nèi)沒(méi)苗)，傷秧率3.4%。

翻倒率主要出現(xiàn)在株距最小或田塊較低洼的區(qū)域。株距最小時(shí)秧苗翻倒原因有待力學(xué)分析，低洼地區(qū)會(huì)導(dǎo)致分插機(jī)構(gòu)無(wú)法完成有效定植；漏插問(wèn)題主要在育苗播種或水稻稻種出苗率環(huán)節(jié)，因試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)秧夾推秧所得的穴孔內(nèi)本身無(wú)苗，從而造成漏插現(xiàn)象。缽體苗栽插后的第2天長(zhǎng)型根，生長(zhǎng)情況基本穩(wěn)定；毯狀苗則存在至少1周及以上緩苗期。

2.3 水稻缽苗產(chǎn)量對(duì)比

收獲期隨機(jī)挖掘出單顆秧苗對(duì)比不同秧苗根系情況如5圖所示。

圖5 根系發(fā)展情況對(duì)比Fig.5 Contrast of root growth

從圖5根系生長(zhǎng)情況來(lái)看，單穴內(nèi)毯壯苗根系長(zhǎng)度最短，缽體苗則表現(xiàn)較為粗壯。劉法謀等在《雜交水稻根系生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)與對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)和調(diào)控》一文中提出根系粗壯是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保證[11]。產(chǎn)量對(duì)比如表3所示。

表3 產(chǎn)量

由上述數(shù)據(jù)得出：機(jī)械栽插缽體苗每穴株數(shù)17.2株，穗粒數(shù)112.52粒，平均千粒質(zhì)量為33.2g，計(jì)算得出每穗產(chǎn)量為3.74kg；機(jī)械栽插毯狀苗每穴株數(shù)20.2株，穗粒數(shù)112.07粒，平均千粒質(zhì)量為31.8g，計(jì)算得出每穗產(chǎn)量為3.56kg；穗粒數(shù)兩者差異不大，因千粒質(zhì)量不同，產(chǎn)量平均每穗增加4.6%。

3 討論

綜上所述，農(nóng)機(jī)及配套農(nóng)藝等問(wèn)題需進(jìn)行深入研究，具體如下：

1)育苗播種問(wèn)題。對(duì)土壤粒徑和缽孔內(nèi)土壤壓實(shí)度要求：本身缽孔用土量、播量少，倘若有大粒徑基質(zhì)架空種子，則會(huì)出現(xiàn)種子發(fā)芽困難，發(fā)生缺苗。對(duì)播種精度要求：播種精度高，空缺率要??；或選用出芽率高的水稻品種。

2)栽深控制問(wèn)題。添加仿形機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定栽插深度，充分展現(xiàn)水稻淺栽優(yōu)勢(shì)。

3)作業(yè)效率問(wèn)題。該種機(jī)具純工作生產(chǎn)率為0.1～0.2hm2/h，1臺(tái)洋馬高速插秧機(jī)作業(yè)效率約為0.45hm2/h，按1天工作8h計(jì)算，1天插秧畝數(shù)差異達(dá)1.9～2.7hm2田，另需配套輔助人員完成秧苗補(bǔ)給。課題組成員準(zhǔn)備改五桿雙曲柄機(jī)構(gòu)為非圓齒輪傳動(dòng)，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高插秧工作效率，搶上農(nóng)時(shí)，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，從而得到農(nóng)民的接受。

4)缽苗規(guī)格問(wèn)題。對(duì)適應(yīng)不同水稻品種秧苗生長(zhǎng)和機(jī)械化移栽的缽體規(guī)格、秧苗質(zhì)量進(jìn)行研究，以滿足不同地區(qū)農(nóng)藝種植需求。

5)機(jī)械栽插對(duì)節(jié)位分蘗的影響。一般分蘗出現(xiàn)早晚直接影響孽位孽次高低、成穗率和穗部性狀。因此，應(yīng)分析研究機(jī)械栽插對(duì)影響水稻分蘗發(fā)生的遲早、多少和分蘗質(zhì)量高低的因素，除品種本身的特性外，還有秧田和本田期的各種環(huán)境因素，如溫度、光照、肥水管理及移栽質(zhì)量等。

4 結(jié)論

1)水稻單穴內(nèi)秧苗拉拔力小于抗拉斷力，取苗秧夾夾持秧苗莖稈的取苗方式可行，但播量必須控制。拉拔力大小與穴格內(nèi)秧苗株數(shù)(或播種粒數(shù))成正比例關(guān)系。

2)水稻缽苗移栽機(jī)栽深和株距可調(diào)，作業(yè)穩(wěn)定性有待提高。栽植翻倒率為16.7%，漏插率為14.7%，傷秧率為3.4%，栽后第2天長(zhǎng)型根，基本無(wú)緩苗。

3)從根系生長(zhǎng)來(lái)看，缽體苗表現(xiàn)更為粗壯，抗倒伏能力強(qiáng)。

4)產(chǎn)量較同期毯狀苗機(jī)插每穗平均增加4.6%。水稻缽苗機(jī)插主要彌補(bǔ)了機(jī)插毯狀秧苗有緩苗轉(zhuǎn)青期的欠缺，結(jié)穗后稻穗沉旬、谷粒飽滿。從產(chǎn)量結(jié)果看：兩種秧苗成穗粒數(shù)基本相當(dāng)；用缽體苗機(jī)械插秧的稻谷千粒質(zhì)量比毯狀苗機(jī)插的大，缽苗機(jī)插為33.2g，毯狀苗機(jī)插31.8g，從而影響最終產(chǎn)量。

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Experimental Study about Rice Pot-seedling Transplanter

Hu Minjuan1， Zhang Wenyi1， Pu Yi2， Zhang Min1， Ji Yao1， Lu Yan1

(1.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China; 2.Yancheng Institute of Industry Technology，Yancheng 224005，China)

Rice pot seedling transplanting is an important process in rice cultivation, which raising seedlings by using plastic plug. In order to promote the transplanting techniques for pot seeding, the transplanting by manual must be replaced by mechanical. In this paper, a serious of experimental study was designed on rice pot seedling transplater which core is the double crank of five-bar mechanism. The result showed that the force pulling seedling from single holes is less than the tensile force, the picking method by clamping seedling stem is feasible, its planting depth and space can control well, planting overturn rate is 16.7%, miss planting rate is 14.7%,damaged seedling rate is 3.4%.Seedling needn't recovering and growing root the next day after planting. According to the root growing, pot seedling is stronger than others, and then has strong lodging resistance. The average yield increment was 4.6% for pot seedling and flat seedling. Based on the problems of working quality, efficiency, etc produced by rice pot seedling transplanter, this article analyzed problems between the agricultural machinery and agronomic, provided reference for preceeding research, and technical support for rice high and stable yield.

rice pot seedling planting； pot seedling transplanting； picking seedling gripper

2016-09-19

中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程種植機(jī)械創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2016)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203059-3)； “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B01)

胡敏娟(1982-)，女，江蘇無(wú)錫人，副研究員，博士，(E-mail)humj74839@163.com。

張文毅(1966-)，男，南京人，研究員，(E-mail)zwy-yxkj@163.com。

223.92

A

1003-188X(2017)12-0130-05