李沐桐 ，官曉東 ，祝 露 ，高 勇 ，何 林

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

菠蘿作為廣東省具有代表性的熱帶水果，已成為“粵字號”農(nóng)業(yè)品牌的標(biāo)志之一，2022年，廣東菠蘿種植面積約為59 萬畝，約占全國菠蘿種植面積的60%；總產(chǎn)量約為129.8 萬t，約占全國總產(chǎn)量的75.2%，其中，徐聞更是聞名全國的“中國菠蘿之鄉(xiāng)”，其巴厘、臺農(nóng)等系列特色品種也逐步走向世界[1]。然而，菠蘿的田間移栽種植關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍以傳統(tǒng)人力作業(yè)為主，技術(shù)短板突出，核心環(huán)節(jié)的裝備嚴重匱乏，亟需盡快突破關(guān)鍵技術(shù)，逐步實現(xiàn)宜機化方案、機械化生產(chǎn)、標(biāo)準化示范等目標(biāo)。

然而，目前菠蘿種植、管理均通過人力勞動實現(xiàn)，僅有前期平整地環(huán)節(jié)使用一些通用機械輔助設(shè)備，其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)均以人工為主，勞動力成本約占菠蘿生產(chǎn)銷售利潤的一半以上。因此，在勞動力日益缺乏的情況下，對于專用機具的研制是解放菠蘿田間勞動力和填補裝備短板的必要途徑。

目前在世界范圍內(nèi)，我國與菠蘿移栽方向相關(guān)的研究處于領(lǐng)先地位，以東南亞國家為代表的國外國家多偏向于直落式移栽，直立度較差，還不能很好地應(yīng)用到田間移栽環(huán)節(jié)中；在國內(nèi)，已有多家單位開展了研究，如臺灣嘉義大學(xué)、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所、廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所等，但多數(shù)研究停留在樣機試驗的階段。其中，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所對杯栽式移栽開展了大量試驗，結(jié)果表明：杯栽式屬于中約束種植，可適應(yīng)大尺寸種苗，但難以實現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓，只在鳳梨等特殊品種覆膜栽植模式下的固定效果較好。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所針對主流市場的巴厘品種，提出了宜機化標(biāo)準種苗處理方法，研制了2ZB型雙行菠蘿移栽機，運用平行四桿原理設(shè)計吊籃式鴨嘴栽植裝置，實現(xiàn)扎穴落苗動作；采用彈性撥鏟和鎮(zhèn)壓輥實現(xiàn)瞬間覆土和壓實動作，使用效果穩(wěn)定，但還未設(shè)置施肥和膜上移栽功能裝置。

綜上所述，菠蘿移栽機雖采用較通用的機械原理，但還未使專業(yè)領(lǐng)域人員對苗-機-土的互作適應(yīng)性研究予以重視，導(dǎo)致田間試驗和使用過程中出現(xiàn)了多重問題，影響裝備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，需強化應(yīng)用基礎(chǔ)研究，保證高效、穩(wěn)定的移栽裝備落地，解決田間實際生產(chǎn)的難題。

1 機械化種植現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

截至目前，國外菠蘿種植機械領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新型設(shè)備。這些機械設(shè)備在菠蘿種植過程中發(fā)揮著重要作用，主要分為單行、雙行和四行等不同類型的種植機。這些設(shè)備通常依賴人工輔助，將菠蘿幼苗放入苗杯中，然后使用各種部件（如鴨嘴式或夾指式）將種苗植入到土壤中。在牽引式移栽模式中，意大利Ferrari 公司的Model FMAX MAXI 機械種植機采用雙行種植模式，操作人員需手動將種苗放入苗杯，然后使用開溝器在土地上開槽，將種苗直接移栽到土壤中，如圖1所示。

圖1 Ferrari雙行菠蘿種植機

意大利Checchi & Magli 沃爾夫公司生產(chǎn)的坐騎式移植機則通過拖拉機牽引，將菠蘿幼苗直接送入鴨嘴中，完成單行種植操作，如圖2 所示。該裝備還可安裝地膜覆蓋裝置，工作效率可達1 500 株/h，它具有種植深度和鎮(zhèn)壓輪壓力可調(diào)節(jié)等功能，適用于種植高度在20 cm 左右的菠蘿幼苗。這些機械種植設(shè)備的不斷創(chuàng)新，為菠蘿種植業(yè)帶來了更高效、便捷的解決方案。

圖2 Checchi & Magli單行菠蘿種植機

巴西的Motoagro 公司近年來推出了兩款創(chuàng)新型菠蘿移栽機，其中，PMA1800 是一款雙行菠蘿移栽機，通過拖拉機牽引，實現(xiàn)了同時施肥和移栽的功能。該機器每個導(dǎo)種盤配備有5 個直徑為200 mm 的苗杯，雖然種植時需要人工輔助放苗，但整體操作更為便利。機器的重量為1 115 kg，尺寸為2 m×2.3 m×3 m，行距在250 mm～500 mm 范圍內(nèi)可調(diào)，工作速度為1 km/h～1.5 km/h。此外，PMA1800還配備了兩個肥料箱，每個箱子的容量為60 kg，種苗箱最多可容納4 000株幼苗，如圖3 所示。

圖3 PMA1800雙行菠蘿移栽機

此外，Motoagro 公司還推出了適用于中美洲和墨西哥地區(qū)的PMA4 四行菠蘿移栽機，該機采用半機械化播種方法，通過水力流量觸發(fā)，利用變量調(diào)節(jié)器確定幼苗之間的距離。它不僅具備種植功能，還能同時進行施肥。該設(shè)備的種苗箱最多可容納5 000 株幼苗，平均每小時能夠種植7 000 株，保證了種植的均勻性，包括分布和深度。整機重量為1 900 kg，尺寸為3.80 m×2.62 m×2.85 m，行距可以設(shè)置為90 cm×45 cm或60 cm×45 cm，工作速度為600 m/h～800 m/h[2]，如圖4 所示。這些設(shè)備的問世為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了先進的機械化解決方案，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

圖4 PMA4四行菠蘿移栽機

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

2020 年，中國臺北展示了兩款前沿的菠蘿種植機械。其中一款是自走式半自動移栽機，如圖5 所示，需要操作人員手動將菠蘿幼苗放入苗杯，再使用鴨嘴式種苗器進行移栽[3]。另一款是由臺灣地區(qū)一支研究團隊開發(fā)的半自動承載式菠蘿種植機，臺架單體試驗如圖6 所示，它由牽引機帶動，具備多種可拆卸作業(yè)機構(gòu)，可以同時進行開溝、施肥、覆膜、覆土等操作。這款機器適用于不同壟面寬度（90 cm、100 cm、120 cm）和多種行距設(shè)置（2 行、3 行、4 行），每塊地僅需兩人操作，將人力成本降低了80%。此外，由于其結(jié)構(gòu)輕便，能夠克服地形和種植面積的限制，每小時能夠種植3 600 株菠蘿幼苗。這些創(chuàng)新的機械裝備為菠蘿種植提供了更高效、靈活的解決方案。

圖5 自走式半自動雙行移栽機

圖6 臺架試驗過程

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所還研發(fā)了一款創(chuàng)新性的壟作雙行菠蘿種植機，型號為2ZB-130，如圖7 所示。該機器采用先進的鴨嘴式投苗技術(shù)，可按順序完成施肥、旋耕、起壟、移栽和覆膜等關(guān)鍵工序，并通過田間試驗和示范驗證了可靠性，盡管株距滿足目前國內(nèi)的密植種植模式要求，但覆膜扎穴的效果還不理想，直立度指標(biāo)較差，還需進一步改進和完善[3]。這項研究代表了菠蘿種植領(lǐng)域的最新技術(shù)突破，為提高種植效率和生產(chǎn)質(zhì)量開辟了新的前景。

圖7 壟作雙行菠蘿種植機

廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所聯(lián)合廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司基于平行四桿原理，研制了一種吊籃式栽植機構(gòu)，共同研制出了2ZB 型菠蘿移栽機，如圖8 所示。該機構(gòu)采用鴨嘴裝置，能夠快速穩(wěn)定地完成扎穴和落苗動作。同時，結(jié)合彈性開合撥指和回土鏟的設(shè)計，實現(xiàn)了在扎穴和落苗的同時完成覆土動作。此外，通過橡膠鎮(zhèn)壓輪的壓實作用，確保了栽植后種苗的穩(wěn)定直立。這種吊籃式栽植機構(gòu)的應(yīng)用，使得移栽過程更加高效、穩(wěn)定，適用于各類主流菠蘿種苗，為菠蘿種植業(yè)提供了可靠的技術(shù)支持。通過土槽與田間試驗，確定其株距為330 mm～350 mm，栽植深度為50 mm～120 mm，可適應(yīng)種苗高度為250 mm～350 mm，種苗圍徑為80 mm～130 mm，目前基本滿足了巴厘品種的大面積種植。

圖8 2ZB型菠蘿移栽機

江蘇南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司在蔬菜移栽機的基礎(chǔ)上，改進了鏈夾式種植機的關(guān)鍵尺寸與結(jié)構(gòu)，如圖9 所示?；緷M足了菠蘿小種苗的投苗與運送功能，如圖10 所示。這款機器操作簡便，由工人將菠蘿幼苗放入夾指處，橡膠夾層通過柔性護苗，再通過精準的轉(zhuǎn)盤，將其投擲到開溝部位。機器可設(shè)置種植行距為40 cm 或50 cm 兩種尺寸，栽植深度可達10 cm～12 cm。值得注意的是，由于夾指尺寸的限制，該機型適用于移栽20 cm 尺寸的菠蘿小苗，雖然滿足國外種植需求，但卻不適用于國內(nèi)的標(biāo)準種苗栽植[4]，還無法實現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。

圖9 鏈夾式種植機整機圖

圖10 小苗試驗現(xiàn)場圖

2 技術(shù)分類與特點分析

受菠蘿種苗體積影響，為了保證田間作業(yè)種苗充足，菠蘿種植機的體積較為龐大，導(dǎo)致地頭轉(zhuǎn)彎半徑大，在不改變現(xiàn)有種植模式的情況下，機械化種植不太適用于小面積菠蘿園，主要是由于作業(yè)經(jīng)濟性不高，目前研究端與生產(chǎn)應(yīng)用端的關(guān)注點有所差異。菠蘿機械種植技術(shù)是比較傳統(tǒng)的技術(shù)模式，未能引起研究端足夠的重視，導(dǎo)致加工制造環(huán)節(jié)、生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)節(jié)標(biāo)準不統(tǒng)一，影響設(shè)備的規(guī)?；瘧?yīng)用。根據(jù)種植方式的不同，目前常見的菠蘿移栽機主要分為鏈夾式、杯栽式、直落式三種，也有一些新型的栽植裝備被不斷研發(fā)出來。

三種移栽機結(jié)構(gòu)及工作流程如下。

1）鏈夾式移栽機主要包括機架、驅(qū)動輪、夾持機構(gòu)、放苗裝置、開溝裝置、回土壓實裝置，鏈夾式移栽機結(jié)構(gòu)如圖11 所示，通常的動作流程為：種苗制備→土地耕整→拖拉機牽引→驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)→夾持機構(gòu)轉(zhuǎn)動→人工放苗→機械夾苗→送苗→立苗→回土壓實。其機械夾苗屬于強約束種植，原理如圖12 所示，穩(wěn)定性較高，對根部歪斜的種苗和苗株形態(tài)收縮、葉片薄的菠蘿苗適應(yīng)性強，但對大苗的適應(yīng)性差，阻力大，易卡苗，不適宜覆膜種植[5]。

圖11 鏈夾式移栽機結(jié)構(gòu)

圖12 強約束模型

2）杯栽式移栽機通常由機架、起壟裝置、施肥裝置、覆膜裝置、投苗裝置、栽苗裝置、壓實裝置、鋪管裝置機架、傳動系統(tǒng)、放苗裝置組成，工作流程一般為：種苗制備、土地耕整→拖拉機牽引→拖拉機動力輸出軸旋轉(zhuǎn)→施肥起壟→鋪管、鋪膜→人工放苗→機械分苗、排苗→接苗、送苗→破膜→入土→立苗→回土壓實。其苗杯結(jié)構(gòu)屬于中約束種植，穩(wěn)定性稍低，對大苗適應(yīng)性強，對根部歪斜明顯的種苗適應(yīng)性差，破膜入土難，不容易立苗，對土壤條件要求較高，適宜流動性好的干燥土壤，最大優(yōu)勢是適宜覆膜種植。一般分為連桿杯栽式移栽機和圓盤杯栽式移栽機兩種，分別如圖13、圖14所示[6-7]。

圖13 連桿杯栽式移栽機

圖14 圓盤杯栽式移栽機

3）直落式移栽機主要由機架、施肥裝置、喂苗裝置、開溝裝置、傳動系統(tǒng)、放苗裝置、壓實裝置構(gòu)成，工作流程一般為：種苗制備→土地耕整→拖拉機牽引→驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動→施肥輥轉(zhuǎn)動排肥→人工放苗→喂苗裝置分苗→排苗→落苗→立苗→回土壓實等。其屬于弱約束種植，穩(wěn)定性低，對土壤條件要求較高，適宜流動性好的干燥土壤，最大優(yōu)點是成本低、體積小，目前只適用于不覆膜種植模式。直落式移栽機具體結(jié)構(gòu)及其三維模型分別如圖15、圖16所示[8]。

圖15 直落式移栽機具體結(jié)構(gòu)

圖16 直落式移栽機三維模型

3 標(biāo)準化種植方法

3.1 田間栽植規(guī)范

以全程機械化作業(yè)為目標(biāo)，打通田間作業(yè)各環(huán)節(jié)，農(nóng)機與農(nóng)藝協(xié)同考慮，在現(xiàn)有農(nóng)藝的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整，為農(nóng)機裝備進田作業(yè)提供條件。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了初步的機械化種植方法與種苗標(biāo)準化處理方案，具體如下。

針對巴厘、臺農(nóng)等傳統(tǒng)平作密植型品種，采用兩行50 cm 的小行距，100 cm 的行走大行距，30 cm～35 cm 的株距，在保證每畝株數(shù)一定的情況下，能夠提高操作人員的舒適度和機械化栽植與拖拉機的適配性，滿足農(nóng)機裝備田間作業(yè)要求，同時保證后續(xù)研發(fā)的機械采摘收獲裝備能順利進入田間作業(yè)。菠蘿田間種植規(guī)范示意圖如圖17所示[9]。

圖17 菠蘿田間種植規(guī)范示意圖

3.2 種苗宜機化處理方法

目前國內(nèi)外一些科研院所、高校和企業(yè)陸續(xù)在吊籃式、鏈夾式等移栽裝備上改進了大口徑落苗裝置，但種苗尺寸差異巨大，移栽過程中仍頻繁出現(xiàn)卡苗、滯落和堵塞等問題。因此，若要提高菠蘿機械化移栽機具的可靠性，需深度結(jié)合種苗栽植的農(nóng)藝要求和外形條件，對菠蘿種苗制定宜機化尺寸標(biāo)準，進而根據(jù)設(shè)定的條件統(tǒng)一對種苗進行標(biāo)準化處理，才可更好地推進機械化移栽機具的研制與落地，以及后續(xù)的規(guī)范化種植。本文針對菠蘿種苗圍徑、高度差異大，苗杯尺寸難以使用，種苗外形尺寸不規(guī)則等問題，提出采用環(huán)保類水溶膜材料對菠蘿種苗進行纏繞捆扎，如圖18所示，進而使種苗圍徑具有較好的一致性，降低菠蘿移栽機的開發(fā)難度，提高栽植的可靠性和穩(wěn)定性[10-11]。

圖18 菠蘿種苗宜機化捆扎修剪示意圖

根據(jù)移栽核心裝置和機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)上限進行分析，菠蘿種苗的尺寸過小將導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長，有效進行光合作用的葉片減少，不利于營養(yǎng)的吸收；而種苗尺寸過大，將無法滿足移栽機構(gòu)的流暢運行要求，因此，經(jīng)過理論分析和實踐驗證，總結(jié)了菠蘿種苗宜機化的尺寸建議表，如表1所示[12]。

表1 菠蘿種苗宜機化處理尺寸參考表

在此基礎(chǔ)上，需進一步針對種苗標(biāo)準化、宜機化的處理開展方法研究和專業(yè)設(shè)備研制，解決種苗捆扎材料的選取、定高度修剪刀具的設(shè)計、整體自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)等問題。但需要說明的是，當(dāng)采用杯栽模式進行移栽作業(yè)時，若種苗圍徑相比杯徑過小，將導(dǎo)致落苗的直立度較差；而當(dāng)自然狀態(tài)的頂層葉片圍徑略小于杯徑時，將比捆扎束苗處理后的效果更理想。因此，需在后續(xù)研究中進行多次試驗，確定種苗圍徑與杯徑的比例關(guān)系，進而更精準地掌握結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)的最優(yōu)匹配方案。

4 關(guān)鍵技術(shù)探討

4.1 待解決的關(guān)鍵問題

1）對于菠蘿種植環(huán)境的合理定義。根據(jù)前期調(diào)研，菠蘿的種植環(huán)境一般需要旋耕、松土作業(yè)后，再進行選型性平作移栽或起壟移栽。根據(jù)種植基地的果農(nóng)所述，一般需要多次旋耕至土壤適合才可進行栽植作業(yè)，過松的土壤易造成倒伏，過緊實的土壤易導(dǎo)致無法有效完成穴播栽植。因此，通過實地作業(yè)標(biāo)定菠蘿移栽所需要的土壤條件，是機具研發(fā)最基本的工作，也是最關(guān)鍵的依據(jù)，對于栽前土壤的定義和環(huán)境分析是栽植過程中的關(guān)鍵工作之一，在技術(shù)實施后也將作為菠蘿標(biāo)準機械化種植中的重要條件。

2）種苗移栽過程中的機構(gòu)銜接與聯(lián)動技術(shù)。本項目擬研制的菠蘿移栽機采用鴨嘴式開合式穴播實現(xiàn)種苗的充填與掉落，同時采用了平行四桿機構(gòu)保證鴨嘴單元的全程垂直姿態(tài)。然而在這個過程中，從種苗脫離鴨嘴單元后，需要研究最適合閉合投苗和張開落苗的角度位置，這直接決定了種苗定植的成功率和栽植質(zhì)量。此外，還需保證時間和空間的緊密配合才可提高種苗移栽的準確性和可靠性，因此，移栽機構(gòu)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸、運動軌跡和工作速度等因素也是有待解決的關(guān)鍵問題之一，可在技術(shù)推進中依靠大量的仿真和實體試驗，逐步驗證、提高其可靠性和準確性[13]。

4.2 需開展的核心技術(shù)研究

1）種植環(huán)境數(shù)字化分析平臺建設(shè)。針對菠蘿栽植的土壤環(huán)境，借助外部儀器對種植環(huán)境土壤的堅實度、密度、含水量等物理參數(shù)進行測定，并通過離散元方法建設(shè)一種數(shù)字化土壤模型，形成與實地土壤一致的壓實特性、緊實度、堆積變形特性和滑移特性等，進而為移栽土壤環(huán)境的定性提供重要依據(jù)，也為種苗播前的旋耕、開溝、扎穴以及行走建立數(shù)字化試驗平臺，為菠蘿種苗的栽植入土性能和關(guān)鍵部件設(shè)計提供重要的分析平臺。

2）種苗宜機化處理方案設(shè)計與扎壓移栽技術(shù)研究。目前人工移栽用的菠蘿種苗的高度、圍徑等外形尺寸差異較大，且尚無統(tǒng)一的宜機化處理標(biāo)準，造成了移栽部件適應(yīng)性無法保證的問題，需根據(jù)種植農(nóng)藝要求，提出菠蘿種苗栽前處理的標(biāo)準方案，并以此為依據(jù)研制符合種苗尺度的移栽裝置及配套部件，進而研究扎穴、落苗、覆土、鎮(zhèn)壓四個動作的配合時序和協(xié)同銜接性，獲取影響株距變異系數(shù)、直立度、栽植深度、鎮(zhèn)壓緊實度的主要因素，為優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，保證種苗栽植的穩(wěn)定性和一致性。

3）田間精準栽植處方圖構(gòu)建與自主導(dǎo)航集成技術(shù)研究。采用先進的地理信息技術(shù)采集并構(gòu)建菠蘿種植環(huán)境地圖，通過智能分區(qū)算法定義行走行和栽植行，形成種植區(qū)域的規(guī)范化栽植處方圖，開發(fā)行間主路徑行走作業(yè)的智能規(guī)劃算法，研究自主導(dǎo)航技術(shù)與動力驅(qū)動系統(tǒng)的通信反饋方法，為移栽機的田間精準對行、直線栽植、規(guī)范化區(qū)塊作業(yè)等功能提供技術(shù)支撐。

4）系統(tǒng)裝備集成與示范應(yīng)用。選取具有代表性的菠蘿種植基地進行多次試驗與改進，并將完備的移栽機整機及配套輔助機具形成一套標(biāo)準的機械化模式，開展移栽單體及行走傳動部件的模塊化設(shè)計，實現(xiàn)菠蘿移栽機的多行擴展、行距調(diào)節(jié)和重構(gòu)等功能，并配置牽引動力裝備，在實際環(huán)境下完成性能驗證。

5 結(jié)論

綜上所述，目前國內(nèi)外的菠蘿移栽技術(shù)研究已具備一定基礎(chǔ)，但由于機理研究不足、種苗適應(yīng)性試驗較少、制造工藝配合度較差等諸多原因，暫未出現(xiàn)代表性較強的市場產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的人工栽植強度大、效率低、成本高，已無法滿足當(dāng)前生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，菠蘿田間移栽機的市場潛力巨大。國內(nèi)需集中力量融合農(nóng)機農(nóng)藝共同開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，并進行大量有效試驗，加速孵化菠蘿田間移栽裝備，推進市場實際應(yīng)用，起到示范輻射作用，推動我國菠蘿產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展與繁榮。