郭建業(yè)

(北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079)

0 引言

蔬菜是北京郊區(qū)農(nóng)業(yè)中的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，是城鄉(xiāng)居民生活必不可少的重要農(nóng)產(chǎn)品。按照北京市《關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見(jiàn)》中“調(diào)糧、保菜、做精畜牧水產(chǎn)業(yè)”的目標(biāo)，“十二五”末菜田將增加到4.7萬(wàn)hm2左右，并將穩(wěn)定菜田面積，保障首都“菜籃子”供應(yīng)。蔬菜移栽作業(yè)是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由于移栽種植能起到保苗、壯苗作用，提高秧苗的成果率，并且可以提前蔬菜的成熟期，因此約有60%的蔬菜都已采用育苗移栽的方式進(jìn)行種植[1-6]。

目前，北京市的秧苗移栽絕大部分是通過(guò)人工完成，從起壟、鋪管、鋪膜、打孔、定植到覆土，往往需要三四個(gè)人協(xié)作，尤其在定植時(shí)人要在地里半蹲著操作，半天時(shí)間不僅腰酸背痛，而且最多只能栽植2 600株苗左右。這種“面朝黃土背朝天”的作業(yè)方式，與如今不斷擴(kuò)大種植規(guī)模、勞動(dòng)力緊缺的現(xiàn)狀產(chǎn)生矛盾。一方面，園區(qū)追求集約化規(guī)模種植，提高蔬菜產(chǎn)量，而人工定植影響栽植質(zhì)量；另一方面，農(nóng)業(yè)雇工難，這種高強(qiáng)度作業(yè)方式降低人們從業(yè)的積極性[7-8]。由此阻礙了蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，急需提高蔬菜作業(yè)機(jī)械化水平。其中，提高移栽作業(yè)機(jī)械化水平已成為北京市蔬菜種植業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。

當(dāng)前蔬菜移栽機(jī)主要有鏈夾式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)和吊杯式移栽機(jī)[9-11]。由于地膜覆蓋可以提高土壤墑情，滴灌澆水可節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，因此北京市普遍采用地膜覆蓋加滴灌的種植農(nóng)藝。鏈夾式移栽機(jī)容易傷苗和埋苗[12],導(dǎo)苗管式移栽機(jī)只能完成移栽單項(xiàng)作業(yè)，不能進(jìn)行鋪膜和加水作業(yè)[13]，只有吊杯式移栽機(jī)可以實(shí)現(xiàn)膜上成穴和栽植、澆水作業(yè)的功能[14]；但由于移栽機(jī)一次投入成本偏大、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合性不高等原因未得到廣泛推廣及批量生產(chǎn)。因此，本文以2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽機(jī)為研究對(duì)象，分別對(duì)影響秧苗移栽直立度合格率的3個(gè)主要因素—秧苗高度、移栽深度、移栽速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以確定其對(duì)秧苗移栽合格率影響程度的大小，并進(jìn)一步進(jìn)行了正交試驗(yàn)，以期篩選提高秧苗移栽效果好又滿足農(nóng)藝對(duì)移栽質(zhì)量要求的優(yōu)化組合條件。同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，為吊杯式蔬菜移栽機(jī)的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合及推廣應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽機(jī)主要由機(jī)架、投苗筒、栽植裝置、驅(qū)動(dòng)地輪、壓實(shí)輪及鋪膜裝置等組成，如圖1所示。

移栽前，需進(jìn)行旋耕、起壟，并把滴灌帶與地膜架在機(jī)子相應(yīng)位置。作業(yè)時(shí)，在354D拖拉機(jī)的牽引下，滴灌帶與地膜會(huì)同時(shí)卷放在壟上，并將滴灌帶鋪設(shè)在壟中間兩側(cè)；工人在設(shè)備的座椅上將穴盤(pán)苗放入投苗筒中，當(dāng)投苗筒轉(zhuǎn)到固定盤(pán)缺口處時(shí)投苗筒底部的活門(mén)就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，筒中的秧苗順著導(dǎo)苗嘴落到吊杯中；載有秧苗的吊杯做豎向圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)，吊杯尖嘴會(huì)刺破地膜扎入土壤中，同時(shí)作張開(kāi)動(dòng)作，秧苗便落入土壤中；隨著移栽機(jī)前進(jìn)，吊杯離開(kāi)土壤，后面的覆土輪對(duì)壟兩側(cè)的地膜進(jìn)行覆土，壓實(shí)輪對(duì)栽植空進(jìn)行覆土和鎮(zhèn)壓，從而一次完成鋪滴灌帶、地膜與移栽作業(yè)。

圖1 2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽機(jī)Fig.1 The 2ZB-2 type Dibble-type vegetable transplanting machine

2 試驗(yàn)研究

2.1 材料與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽，在順義綜合試驗(yàn)站進(jìn)行。栽植作物為“仙克8號(hào)”番茄苗，經(jīng)過(guò)72孔穴盤(pán)育苗栽培。育苗基質(zhì)主要成分為草木灰；土壤含水率 15%～18%，最大顆粒28cm；壟高12～15cm，壟底寬100～110cm，壟頂寬80～90cm；栽植株距35cm，行距70cm。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

秧苗栽植狀態(tài)是移栽機(jī)栽植性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。秧苗栽植狀態(tài)的性能指標(biāo)包括秧苗直立度、埋苗率、露苗率和傷苗率等[14]。本研究主要分析對(duì)秧苗栽植狀態(tài)影響的主要因素，因此確定秧苗直立度合格率為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。秧苗直立度是指苗栽植后的直立狀態(tài)，用秧苗莖桿與地面的夾角α來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于蔬菜，α≤45°為倒伏，45°<α定為合格，70°<α視為優(yōu)良[15]。直立度合格率G=n1/n×100%。其中，n為投苗總數(shù)；n1為合格秧苗數(shù)[15]。

2.3 試驗(yàn)安排

重點(diǎn)選取對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較大的因素(即秧苗高度、栽植深度及移栽速度)，對(duì)移栽秧苗直立度合格率進(jìn)行單因素試驗(yàn)。各試驗(yàn)因素及其水平如表1所示。

在單因素試驗(yàn)的方差分析基礎(chǔ)上，分析各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度；然后選擇因素水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)，以確定因素的主次并優(yōu)化出最佳方案。

表1 單因素試驗(yàn)因素及其水平Table 1 The factors and levels of single factor test

2.4 單因素試驗(yàn)及其結(jié)果與分析

2.4.1 單因素試驗(yàn)方法

1)在秧苗高度為15cm、栽植深度為8cm的條件下，按表1在0.15 ～ 1.20 m/s范圍內(nèi)調(diào)整移栽速度，進(jìn)行秧苗移栽。

2)在秧苗高度為15cm、移栽速度為0.30m/s的條件下，按表1在4～14cm范圍內(nèi)調(diào)整栽植深度，進(jìn)行秧苗移栽。

3)在移栽速度為0.30m/s、栽植深度為8cm的條件下，按表1在6～27cm范圍內(nèi)調(diào)整秧苗高度，進(jìn)行秧苗移栽。

2.4.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)移栽速度對(duì)移栽秧苗直立度合格率的影響。在秧苗高度和栽植深度一定的條件下，隨著機(jī)組前進(jìn)速度的提高，得到直立度合格率與機(jī)組前進(jìn)速度間的關(guān)系曲線，如圖 2 所示。

由圖2可知：隨著移栽速度的提高，試驗(yàn)指標(biāo)變化較大。當(dāng)移栽速度在0.30～0.60 m/s 時(shí)，直立度合格率能達(dá)到80%以上，這是因?yàn)闄C(jī)組的前進(jìn)速度與土壤的回流速度反向一致，回土總量滿足開(kāi)溝回填要求，秧苗落入土壤后能及時(shí)被固定，經(jīng)過(guò)覆土鎮(zhèn)壓提高秧苗的栽植效果；當(dāng)移栽速度低于0.30 m/s時(shí)，機(jī)組速度過(guò)低，秧苗易傾倒，直立度合格率不高，在60%左右；當(dāng)移栽速度在0.60～1.20 m/s 時(shí)，隨著速度提高，直立度合格率急速下降，低于60%，這是由于前傾現(xiàn)象較多、埋苗率增加導(dǎo)致。

一般農(nóng)藝要求秧苗直立度合格率應(yīng)大于 60%[16]，因此該吊杯式移栽的前進(jìn)速度在0.30～0.60m/s范圍內(nèi)為宜。

圖2 機(jī)組前進(jìn)速度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系Fig.2 The relationship between transplanting speed and the straightness rate of the seedlings

2)栽植深度對(duì)移栽秧苗直立度合格率的影響。在秧苗高度和移栽速度一定的條件下，改變?cè)灾采疃?，得到試?yàn)指標(biāo)直立度合格率與試驗(yàn)因素栽植深度間的關(guān)系曲線如圖 3所示。

圖3 栽植深度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系Fig.3 The relationship between planting depth and the straightness rate of the seedlings

由圖3可知：隨著栽植深度的加大，直立度合格率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在8～12cm的栽植深度范圍內(nèi)，直立度合格率能達(dá)到70%以上，并且變化較為穩(wěn)定，平均為85%；其他范圍內(nèi)，直立度合格率都快速下降，低于60%。這是因?yàn)榈醣灾矔r(shí)所開(kāi)溝為V字形，若開(kāi)溝太淺，秧苗根部的基質(zhì)坨不能完全落入溝中，很容易被覆土鎮(zhèn)壓過(guò)程中的土流和注水時(shí)的水流影響，導(dǎo)致倒伏；若開(kāi)溝太深，秧苗莖稈大部分會(huì)在土溝內(nèi)，很容易被埋苗。因此，移栽效果并不是隨著栽植深度的加大而提高的，該吊杯移栽機(jī)的栽植深度以8～12cm為宜。

3)秧苗高度對(duì)移栽秧苗直立度合格率的影響。在移栽速度和栽植深度一定的條件下，改變秧苗高度，得到試驗(yàn)指標(biāo)直立度合格率與試驗(yàn)因素秧苗高度間的關(guān)系曲線，如圖 4所示。

圖4 秧苗高度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系Fig.4 The relationship between the height of seedlings and the straightness rate of the seedlings

由圖4可知：隨著秧苗高度的加大，直立度合格率也是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在15cm時(shí)，直立度合格率達(dá)到最大94%；在12～18cm范圍內(nèi)，試驗(yàn)指標(biāo)的變化較為穩(wěn)定，合格率在80%以上；在6～12cm范圍內(nèi)，直立度合格率平均為56%；在18～27cm范圍內(nèi)，直立度合格率平均為46%。這是因?yàn)樵趥鲃?dòng)比、投苗筒高度與活門(mén)傾斜角度一定的條件下，秧苗高度越低，從投苗筒中下落的速度越快；然而吊杯接苗高度是一定的，就會(huì)造成秧苗不能完全落入吊杯中，導(dǎo)致露苗率提高。秧苗高度大，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)醣瓘淖畹忘c(diǎn)向最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與已栽的秧苗發(fā)生碰撞，此時(shí)吊杯正在閉合，就會(huì)導(dǎo)致夾苗，損壞已栽的秧苗；同時(shí)，秧苗高度增大，頂端質(zhì)量比底部大，造成立苗角度變小，也易導(dǎo)致倒伏。因此，宜選擇12～18cm高度范圍內(nèi)的秧進(jìn)行移栽。

2.5 正交試驗(yàn)及其結(jié)果與分析

為了分辨試驗(yàn)誤差和測(cè)定各因素水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有無(wú)真正影響及各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性水平，進(jìn)行了正交試驗(yàn)。

2.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定各因素的適宜水平，選擇L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。因素水平編碼如表2所示，試驗(yàn)表頭如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Table of orthogonal test factors

表3 正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)Table 3 Orthogonal test header

2.5.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析如表4所示。

由極差分析結(jié)果可知：影響秧苗栽植直立度合格率的主次因素順序?yàn)椋涸灾采疃?移栽速度>秧苗高度。

對(duì)所作正交試驗(yàn)運(yùn)用方差分析法進(jìn)一步分析，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可以看出：方差分析的結(jié)果與極差結(jié)果是完全一致的。栽植番茄秧苗時(shí)，對(duì)直立度合格率影響最為顯著的因素是栽植深度，顯著性水平為 0.05；其次為移栽速度，顯著性水平為 0.10；最后是秧苗高度，顯著性水平為 0.10。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析L9(34)Table 4 The results of Orthogonal test and range analysis

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 5 The results of variance analysis of orthogonal test

2.6 優(yōu)化結(jié)果與田間試驗(yàn)

正交試驗(yàn)方差分析的觀點(diǎn)：根據(jù)因素的主次順序在確定最優(yōu)水平組合時(shí)，可對(duì)主要因素選擇最好條件；而對(duì)于次要因素，即可選擇最好水平，又可選擇試驗(yàn)范圍內(nèi)。因此，應(yīng)綜合考慮其他指標(biāo)的影響因素(如漏栽率、重載率等)進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化選取，得到較優(yōu)組合為A2B2C2，即秧苗高度為15～18cm、移栽速度為0.45m/s、栽植深度為10cm。

田間試驗(yàn)地點(diǎn)選在順義綠富農(nóng)專(zhuān)業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)合作社的生產(chǎn)園區(qū)，土壤含水率為17%～19%。在優(yōu)化的最佳組合條件下進(jìn)行了性能測(cè)試，如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如表 6 所示。測(cè)試表明：在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，該移栽機(jī)移栽秧苗的直立度合格率可達(dá)到90%以上，移栽效果優(yōu)良，并能滿足農(nóng)藝技術(shù)要求。

圖5 田間試驗(yàn)Fig.5 Field trials

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of field test

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

蔬菜機(jī)械移栽成本如表7所示。人工移栽作業(yè)效率為0.006 7hm2/h，按人均工資10元/h計(jì)，3人同時(shí)作業(yè)，則人工移栽成本為4 477.6元/hm2，機(jī)械移栽和人工移栽相比效率可提高11倍多，每公頃可節(jié)約成本3 867.5元/hm2，經(jīng)濟(jì)效益明顯。若1年作業(yè)達(dá)到10.6hm2，便可收回設(shè)備投入成本。

表7 2ZB-2型吊杯式蔬菜機(jī)械移栽成本分析結(jié)果Table 7 The results of analysis of vegetable machinery transplanting cost

4 結(jié)論

1)本研究是在移栽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)影響2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽機(jī)的栽植狀態(tài)—秧苗直立度合格率的主要因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)分析，確定各因素的適宜水平。結(jié)果表明，適宜水平是秧苗高度12～18cm、移栽速度0.30～0.60m/s、栽植深度6～8cm。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行三因素三水平的試驗(yàn)，采用極差和方差分析方法，確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次及顯著水平：栽植深度對(duì)對(duì)直立度合格率影響最顯著，顯著水平為0.05；移栽速度和秧苗高度，顯著水平均為0.10；獲得最優(yōu)移栽方案為秧苗高度為15～18cm，移栽速度為0.45m/s，栽植深度為10cm；在最優(yōu)移栽方案下，該移栽機(jī)的秧苗直立度合格率可達(dá)到91.35%，移栽效果優(yōu)良。

2)通過(guò)田間試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益分析，2ZB-2型吊杯式蔬菜移栽機(jī)的生產(chǎn)效率是人工生產(chǎn)效率的10倍以上，并且可節(jié)約人工成本3867.5元/hm2，作業(yè)達(dá)到10.6hm2，便可收回設(shè)備投入成本。

3)該移栽機(jī)不僅可以減輕菜農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以進(jìn)一步提升北京市蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化種植水平，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。