蔡金平，肖麗萍，劉木華，葉洋洋，李濤斌，陳雄飛

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南昌 330045)

0 引言

水稻作為我國三大主要糧食作物之一，產(chǎn)量據(jù)世界首位。近年來，其種植面積成增長趨勢，全國已由2005年的26 508khm2增加為2015年的30 216khm2[1]。我國目前正經(jīng)歷從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過程，水稻生產(chǎn)機械化是向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵一步，也是奪取水稻高產(chǎn)的一項重要措施，以水稻種植機械化技術(shù)尤為關(guān)鍵。

2015年，我國水稻種植機插秧面積12 086 khm2，占全國水稻種植總面積的40%左右，且各地發(fā)展不平衡，東北三江平原由于土地平整、農(nóng)戶種植規(guī)模大，機插秧面積所占比例較高，達到70%左右；而長江中下游南方稻區(qū)由于地處丘陵地帶地勢不平、氣候變化大等原因，機插秧面積比例僅達到20%左右[2]。隨著我國人口的老齡化加劇及耕地面積的不斷減少，糧食種植面臨前所未有的挑戰(zhàn)，所以通過合理密植保證秧苗栽插質(zhì)量來提高單產(chǎn)是實現(xiàn)方法之一。

1 水稻機械化移栽模式

水稻移栽主要為分為人工移栽和機械移栽。其中，機械移栽從育秧方式上可分為毯狀苗移栽和缽體苗移栽兩種。

毯狀苗多適用于插秧機機插。由于插秧機機插技術(shù)發(fā)展和推廣時間長，技術(shù)相對成熟且與之適應(yīng)的移栽相關(guān)農(nóng)藝較完善，是現(xiàn)階段水稻機械化移栽的主要模式。但是，現(xiàn)有插秧機對育秧技術(shù)要求較高，容易出現(xiàn)密秧和稀秧現(xiàn)象，以致插秧機插植后密秧造成植株大，營養(yǎng)不夠，而稀秧容易造成漏秧；對秧苗的質(zhì)量要求高，對苗齡和苗高需要嚴(yán)格控制；栽插過程中由于毯狀秧分插撕裂而出現(xiàn)傷根、傷秧現(xiàn)象，緩苗期較長。

缽體苗移栽是帶土移栽，在取秧過程中根傷減少，緩苗期縮短。水稻農(nóng)藝專家(張洪程[3]、姜心祿[4]、米長生等[5])經(jīng)過多年試驗研究，結(jié)果表明：水稻缽苗移栽質(zhì)量高，返青快，抽穗后根系活力優(yōu)，乳熟期穎花根活量提高14.2%，且抗倒伏能力較強，千粒質(zhì)量提高，籽粒更加充實，具有顯著的增產(chǎn)優(yōu)勢，比毯苗機插增產(chǎn)6.0%～12.6%，是大幅度提高糧食單產(chǎn)的主要農(nóng)藝措施之一[3-6]。但是，由于缽體苗移栽機構(gòu)復(fù)雜制造相對困難，生產(chǎn)成本居高不下，國內(nèi)插秧機的材料和制造工藝相對滯后，且沒有成熟的配套農(nóng)藝支撐，所以沒有得到大面積的推廣，特別是南方雙季稻區(qū)。

與其他農(nóng)機作業(yè)相比，水稻機械化移栽是一個較大的系統(tǒng)工程，其涉及的裝備技術(shù)較多，主要涉及3個方面，即移栽技術(shù)、育秧技術(shù)、整地技術(shù)。其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，秧苗的移栽效果都會受到影響。除了核心工作部件——移栽裝置外，動力裝置、側(cè)深施肥裝置等對移栽的效率、成本、成活率及秧苗后期的田間管理都具有重要的影響[7]。

2 國內(nèi)外水稻機械化移栽技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，水稻機械化種植方式主要有機械化直播與機械化移栽，而機械化移栽又分為毯狀苗插秧機移栽和缽體苗機械移栽。意大利、澳大利亞、美國等歐美國家水稻種植主要以機械化直播為主，機械化移栽技術(shù)的研究對象主要集中于蔬菜、煙草等旱地經(jīng)濟作物，少有水稻機械化移栽技術(shù)的研究。對于水稻機械化移栽技術(shù)，國外研究的相對較多國家都在亞洲。亞洲地區(qū)(如中國、韓國、日本等國家)水稻種植則以育秧移栽種植為主，將培育好的秧苗通過移栽機械(插秧機、移栽機、擺栽機等)栽植到水田中[7]。

2.1 毯狀苗機械化移栽技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

毯狀苗主要用于插秧機移栽，所以毯狀苗移栽技術(shù)研究主要體現(xiàn)在插秧機技術(shù)的研究。

國外插秧機技術(shù)發(fā)展相對成熟的國家主要在亞洲，以日本和韓國為代表。日本種植機械的發(fā)展速度迅猛，20世紀(jì)50、60年代就完成了種植機械從步行式到乘坐式的過渡，70年代開始研制開發(fā)水稻插秧機，80年代改進分插機構(gòu)首次提出并研制出了旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)。與此同時，進行了針對不同農(nóng)作物種植機械的有益探索，中、日、韓生產(chǎn)了一系列高質(zhì)量的高速乘坐式和低速步行式插秧機[8]。日本企業(yè)生產(chǎn)的水稻插秧機的代表品牌主要有洋馬、久保田、井關(guān)及三菱等；韓國在引進日本插秧機技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出其國有品牌，主要代表有東洋、大同、LG等系列品牌，且在中國、日本、韓國等地均已全面使用。

我國是較早開展水稻插秧機研制的國家之一，第1臺自走式插秧機——東風(fēng)2S型于1967年自行研制成功；但由于當(dāng)時多方面的原因，該插秧機并未進行大面積推廣。到20世紀(jì)70年代末，我國開始從日本引進秧盤育秧生產(chǎn)線與水稻插秧機，解決了育秧與插秧機的技術(shù)配套問題，在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了一系列水稻插秧機，對我國水稻種植機械化技術(shù)發(fā)展起到了較好的促進作用[9]。隨后，各科研機構(gòu)和高等院校(如浙江理工大學(xué)、揚州大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、江西省農(nóng)科院和江西農(nóng)業(yè)大學(xué)等)均陸續(xù)在已有等行距插秧機基礎(chǔ)上研制出多種地方化插秧機，包括寬窄行高速插秧機、變行高速距插秧機、測深施肥插秧機、窄行距手扶式插秧機、變行距手扶式插秧機等，這些移栽機具操作簡單，移栽質(zhì)量均較好。

近年來，國內(nèi)插秧機研制生產(chǎn)取得了長足的進步，因此現(xiàn)階段國內(nèi)能生產(chǎn)插秧機的企業(yè)也較多。手扶式主要有南通富來威生產(chǎn)的2ZF-6A、北京雷沃重工生產(chǎn)的2ZX-630及柳州五菱生產(chǎn)的2Z-430等型號；乘坐式主要有延吉生產(chǎn)的春苗2ZT-9356B型、常州常發(fā)生產(chǎn)的2ZC-6型、中聯(lián)重工生產(chǎn)的谷王SG60型等。國產(chǎn)插秧機多是仿照和消化日韓的相關(guān)技術(shù)，因此在技術(shù)含量、材料及制造工藝、可靠性等方面與日韓插秧機相比都存在一定的差距[10]。

2.2 缽體苗機械化移栽技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

在國外，日本最先開始對缽苗移栽相關(guān)技術(shù)進行廣泛的研究，最早開始缽盤育苗移栽，也是目前國外缽苗移栽技術(shù)最先進的國家。20世紀(jì)60年代末70年代初期，日本為了解決水稻育苗插秧抗寒冷低溫問題，在易受冷害的北海道等地開始研究紙筒育苗插秧技術(shù)，達到了耐低溫、返青快、增產(chǎn)的效果[9-10]。

1986年，井關(guān)農(nóng)機株式會社研究了缽苗乘坐式高速插秧機的旋轉(zhuǎn)滑道式分插機構(gòu)[11]。工作時，缽盤在移箱機構(gòu)的帶動下移動到取苗位置，取苗機構(gòu)頂出并接住帶營養(yǎng)基質(zhì)的缽苗，到達指定位置；取苗機構(gòu)松開缽苗，缽苗在重力作用下落在輸送帶上，缽苗再由輸送帶運送到指定位置，由栽植臂進行擺栽。其滑道機構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單，但對各個運動機構(gòu)的運動要求比較高，工作中受力較大，帶泥土工作可能導(dǎo)致運動機構(gòu)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

20世紀(jì)90年代，日本研制了頂出式水稻缽苗移栽機[12-13]。田間作業(yè)時，由頂桿從缽盤的穴孔底部小孔中把缽體苗依次頂出，之后頂針在彈簧的作用下彈回；當(dāng)送秧機構(gòu)將下一個缽苗輸送到頂出位置時，進行下一次頂出過程。1998年，我國蘇州市水利農(nóng)機科學(xué)研究所對日本RX-6型頂桿式移栽機進行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該機漏播率約為8.68%，其中5.71%是由于育秧缺陷而造成的[14]。這種頂桿推出式的有序移栽機構(gòu)中，頂桿直接作用于缽苗的土缽，且為間歇運動，需要有一套復(fù)雜的定位機構(gòu)來實現(xiàn)其精確運動，加工精度要求也較高。另外，頂針直接作用于秧苗缽體，磨損快，降低精度后導(dǎo)致頂出裝置易頂偏。

日本洋馬農(nóng)機株式會社研制出了齒輪連桿式缽苗取苗機構(gòu)[15]，將齒輪連桿機構(gòu)與滑道機構(gòu)結(jié)合完成取苗動作，將秧苗送到栽植口，通過栽植機構(gòu)植入田間。該取苗機構(gòu)取秧爪的運動軌跡由滑道形狀嚴(yán)格控制，對滑槽壁材料要求很高，成本高，且滑道易磨損，速度不宜太快。日本的缽苗移栽機非常昂貴，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且均為大行距插植，在我國大面積推廣無論從經(jīng)濟效益還是地形地貌、溫度情況來說都不是很理想。

我國對機械移栽技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)60-70年代，由于國內(nèi)農(nóng)業(yè)提高生產(chǎn)作業(yè)效率的需要，70年代末到80年代初，各科研機構(gòu)及高等院校浙江理工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等均陸續(xù)研制出多種移栽機械。這些移栽機具操作比較簡單，移栽質(zhì)量好，工作效率也較高，但一直沒有進行大面積推廣應(yīng)用。

宋建農(nóng)課題組研制的2ZPY-H530型水稻缽苗行栽機[16-18]，拔秧機構(gòu)由1對大小相同的上、下拔秧輥實現(xiàn)取秧動作，將秧苗在重力的作用下掉落被移栽到水田中。該拔秧機構(gòu)直接作用于秧苗莖稈，秧輥夾緊秧苗，依靠它們之間的摩擦力將秧苗從缽盤缽穴中拔出。由于摩擦力的存在會對秧苗有一定的損傷，移栽后會有一定的緩苗期。

朱德峰等發(fā)明了半缽半毯狀秧盤[19-20]，秧苗根部的下半部分是缽體，上半部分為毯狀，這種秧盤既有缽苗育秧特點又能適用于普通插秧機移栽作業(yè)，與普通毯狀苗插秧機相比，減少了取秧過程中的傷根現(xiàn)象，縮短了緩苗期，正在進行全國大面積推廣。其主要問題是縱向送秧的積累誤差造成取秧缽體不完整，現(xiàn)已解決有關(guān)取秧誤差的技術(shù)難題，正在試制樣機。

黑龍江農(nóng)墾科學(xué)院在日本水稻缽苗擺栽機的基礎(chǔ)上，成功研制出了一款水稻缽苗擺栽機——2ZB-633型，于2009年完成項目驗收，2013年完成中試轉(zhuǎn)化；但由于多方面的原因，還未能大面積推廣[7]。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)與吉林鑫華裕公司合作研制的雙曲柄水稻缽苗移栽機能夠針對缽苗進行移栽作業(yè)[21-22]。在高轉(zhuǎn)速時，桿機構(gòu)由于慣性的原因產(chǎn)生振較大的震動，影響取秧和移栽的效果。該機構(gòu)只能完成低速移栽作業(yè)，作業(yè)效率較低。

浙江理工大學(xué)趙勻團隊研制了頂出式水稻缽苗移栽機、非圓齒輪行星系缽苗移栽機取苗機構(gòu)、傅里葉齒輪行星系水稻缽苗移栽機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)等一些列缽苗移栽機構(gòu)，均通過1個機構(gòu)完成取出缽苗、輸送缽苗和栽植缽苗3個動作，結(jié)構(gòu)相對簡單，能較好地實現(xiàn)“8字形”復(fù)雜運動軌跡和姿態(tài)。由于是凸輪或非圓齒輪等結(jié)構(gòu)，其運行平穩(wěn)[23-26]。在規(guī)劃實現(xiàn)秧爪的精確運動軌跡時，凸輪或非圓齒輪的輪廓的計算非常復(fù)雜，各齒輪之間配合參數(shù)要求嚴(yán)格。

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了水稻缽苗空氣整根氣吸式有序移栽機[27]，該機通過產(chǎn)生氣體壓差一次完成4個缽苗的移栽，但在氣吸缽苗時容易造成碰撞傷。

以上日本或我國研制的水稻缽苗移栽機構(gòu)，工作時行距不可調(diào)整，不能同時滿足我國從南部到北部、從早稻到晚稻等的水稻多樣化種植方式。可見，為了滿足我國稻區(qū)特別是南方稻區(qū)的水稻地方化種植模式，變行距缽苗移栽機的研制實為必要。

2.3 水稻變行距機械化移栽技術(shù)的研究現(xiàn)狀

雖然我國在本國生產(chǎn)插秧機的基礎(chǔ)上引進了較多型號的日、韓插秧機，但我國稻區(qū)除了水稻大戶之外的農(nóng)戶使用插秧機插植水稻的非常少，特別是南方稻區(qū)，主要還是以人工插植為主。我國南方稻區(qū)水稻插秧機成為水稻全程機械化的瓶頸問題，究其原因，主要還是南方地形地貌和品種多樣為主，且我國的水稻插秧機普遍機型單一、不配套、適應(yīng)性差。

揚州大學(xué)研制了行距無級可調(diào)毯面缽體苗擺載機構(gòu)[28-29]。該擺載機構(gòu)由取苗機構(gòu)和輸秧機構(gòu)兩部分組成，輸秧機構(gòu)由10個多部分組成，能較好地實現(xiàn)秧苗的變行距移栽；但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，需要優(yōu)化較多相應(yīng)參數(shù)，計算量太大。該機需要特殊配套的毯狀缽苗育秧方式，對農(nóng)戶而言，育秧要求較高。

2010年，延吉插秧機制造有限公司在普通乘坐式插秧機的基礎(chǔ)上改進開發(fā)出了一款寬窄行插秧機[30]，通過寬、窄行間隔布置分插機構(gòu)和秧秧箱空行配套的方式實現(xiàn)寬窄行分插。該改裝方法雖然能同時適用于乘坐及步行式插秧機，但存在改變移秧箱結(jié)構(gòu)及栽秧臺尺寸、8行機變?yōu)?行機等缺點，使整機作業(yè)效率下降，限制了該機型的大面積推廣，因此該機型并沒有真正進入市場。

近幾年，趙勻研究團隊在對等行距分插機構(gòu)研究的基礎(chǔ)上進行了大量針對寬窄行分插機構(gòu)的相關(guān)研究，發(fā)明了系列寬窄行分插機構(gòu)，主要有斜置式、斜齒交錯軸式和滑擺式3種[31-33]，均可以在保持取秧口等距分布不變前提下實現(xiàn)寬窄行插秧；但實際應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)取秧時的扭轉(zhuǎn)角、取秧段軌跡偏移量均偏大現(xiàn)象，導(dǎo)致傷秧漏秧、干涉等情況。

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院朱德泉教授帶領(lǐng)的課題組，通過優(yōu)化改進相應(yīng)的移秧機構(gòu)研制了行距可調(diào)的高速水稻插秧機[34-35],為實現(xiàn)水稻插植行距可調(diào)需同時改進設(shè)計調(diào)節(jié)機構(gòu)、移箱機構(gòu)和秧箱機構(gòu)，每更換一種行距，秧箱機構(gòu)必須有相應(yīng)行距配套以配合不同行距秧盤的使用?？梢姡摍C構(gòu)同時改進了3個部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且3個機構(gòu)相輔相成，缺一不可，三者之間的配合要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要優(yōu)化較多相應(yīng)參數(shù)，計算量太大；且均需專門配套的育秧設(shè)備和技術(shù)，對于農(nóng)戶來說，要求太高。

江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所在現(xiàn)有手扶式插秧機的基礎(chǔ)上，通過改變優(yōu)化相關(guān)的結(jié)構(gòu)與分插機構(gòu)研制出手扶式窄行距(行距264mm)以適應(yīng)南方雙季稻的生產(chǎn)[36]。

本課題組在洋馬AP4手扶式插秧機的基礎(chǔ)上通過改進傳動路線與分插機構(gòu)研制了窄行距插秧機，進一步優(yōu)化改進研制出行距可調(diào)式插秧機，通過重新設(shè)計可調(diào)節(jié)式栽秧臺及可調(diào)式分插機構(gòu)來實現(xiàn)24～30cm行距可調(diào)的移栽功能，以適應(yīng)南方雙季稻區(qū)水稻多樣化的種植需求[37-39]。由于樣機穩(wěn)定性及可靠性有待進一步完善優(yōu)化，并沒有大面積的推廣。

3 水稻移栽機械化技術(shù)展望

3.1 實現(xiàn)水稻變行距機械化移栽

在我國部分水稻種植區(qū)，特別是南方雙季稻區(qū)(如江西省)水稻種植需要同時適應(yīng)贛南贛北氣候差異，早稻因分蘗期短需密植，晚稻因溫度高分蘗快、超級稻分蘗能力強需稀植，即移栽機械需要同時滿足24～30cm的行距移栽和不同地區(qū)的種植農(nóng)藝要求[40-41]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)市場上銷售的插秧機基本上都是固定式行距為30cm機型，在陽光、雨量均充足的南方雙季稻區(qū)普遍反映存在缺陷：對于生育期較短、植株矮小的早稻，存在種植密度相對偏稀、基本苗偏少、有效穗數(shù)不足的現(xiàn)象，浪費耕地資源，不利于水稻高產(chǎn)，不能充分發(fā)揮水稻機械化移栽的增產(chǎn)潛力，反而會形成相對減產(chǎn)的現(xiàn)象[42-43]。假如早稻使用小行距(24cm)插秧機、晚稻使用大行距(30cm)插秧機移栽，就會出現(xiàn)同一塊耕地需要使用使用兩臺不同型號的插秧機，從而造成設(shè)備資源浪費的現(xiàn)象。

研究表明：對毯狀苗實行不同行距插植(如24cm行距)，能大大提高單產(chǎn)[44-46]。課題組開發(fā)的變行距插秧機(已獲專利授權(quán))，可以栽植毯狀苗早稻、晚稻和雜交稻等不同品種，栽植行距在24～30cm之間調(diào)節(jié)。初步試驗表明：農(nóng)戶可根據(jù)不同品種、不同環(huán)境自行調(diào)節(jié)行間距，以及對每公頃插植苗數(shù)進行選擇，使秧苗在最優(yōu)環(huán)境下生長。

3.2 研制能同時栽植水稻大、小苗機具

我國水稻機械栽植過程中農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合不完善，致使水稻插秧機成為水稻全程機械化的瓶頸問題。農(nóng)戶使用機械插秧時育秧技術(shù)要求太高，過程容易受到限制，水分、肥料管理等環(huán)節(jié)復(fù)雜麻煩，苗期控制不易。若苗期過長，則苗莖又長又大，運輸或栽插抓取時易折斷傷苗或出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象；若苗期過短，則小苗又嫩又細，栽植時易夾傷碰傷，兩種情況均會導(dǎo)致栽插后秧苗返青期長，生長質(zhì)量不高，容易造成減產(chǎn)。對于農(nóng)戶來說，很難把握這個“度”，所以推廣起來很不方便。尤其在江西省稻區(qū)，山地、丘陵占地比重大，田塊小又多，田埂多，秧苗運輸過程復(fù)雜困難；且水稻品種多(早稻、晚稻、雜交稻、超級稻等)，苗期不同，苗莖大小不一，導(dǎo)致種植模式多樣。所以，要使秧苗栽植過程中不傷秧、不浪費資源且農(nóng)戶使用方便，急需研制能同時適應(yīng)大苗(晚稻、雜交稻)稀植、小苗(早稻)密植的移栽機具，可同時適應(yīng)8～45cm的苗高，9～22cm的株距。因此，研發(fā)適應(yīng)我國南方稻區(qū)多農(nóng)藝的地方化水稻缽苗移栽機具，實現(xiàn)不同行距及不同大小秧苗的變行距移栽技術(shù)非常有必要，可以提高糧食產(chǎn)量，避免形成資源浪費、相對減產(chǎn)的格局[47-48]。