机械化膜上种植技术发展概况

　　[摘要]我国西北寒旱区由于干旱缺水、土壤水分流失快且地温低等原因，严重制约当地农业生产发展和社会经济发展。甘肃省作为我国西北部的农业大省，如何减少农田土壤水分蒸发、高效利用地膜覆盖蓄墒抗旱成为该区域内作物种植的关键难题，推广机械化膜上种植技术是实现我国西北部旱作农业发展的必要途径之一。因此，在分析国内外作物膜上穴播技术及移栽技术的基础上，阐述现阶段膜上种植装备的研究进展及存在问题，并展望膜上种植机械化的发展趋势，为膜上播种进一步发展提供参考。

　　[关键词]机械化；地膜覆盖；膜上种植

　　0 引言

　　我国西北寒旱区地域广阔、降雨量少且分布不均、生态脆弱。由于地膜覆盖可有效抑制土壤蒸发和缓解水分流失，显著促进作物出苗和干物质积累，能极大地解决农作物缺水和地温低等不利因素，所以覆膜栽培在该区农业生产中得到广泛的推广和应用。

　　现有覆膜栽培按作业工序分为2种：(1)先播种后覆膜，并在种行上覆盖一层土壤，利用发芽时芽不见光子叶就不散开的特性，依靠膜上的土壤重力和幼芽自然向上作用使幼苗自动破膜，自然出苗。该方式的优点是解决了人工放苗问题，缺点是膜面覆土后减弱了地膜的增温效果，种行覆土板结会造成缺苗。目前，该模式已实现机械化种植。(2)先覆膜后破膜播种，该模式可以提前在上年秋季或当年顶凌起垄覆膜，具有蓄秋墒、抗春旱、提地温等优点，能有效解决春旱严重而影响播种的问题。缺点是无成熟膜上打穴种植机具，需要人工打穴播种并封堵地膜破洞，若穴口封堵不严，会加剧土壤水分散失、引起春季大风揭膜。为避免秋冬早春休闲期土壤水分的无效蒸发，以达到“秋雨春用，春旱秋抗”的目的，第2种模式与甘肃省特色优势产业马铃薯的覆膜栽培农艺要求相适应。目前，该模式采用机械化起垄覆膜、人工使用穴播枪播种的半机械化作业模式。

　　随着农民对劳作条件的要求逐步增高，以及通过扩大规模和提高播种质量来获得更好经济效益的需求越来越迫切，开发能够实现机械化膜上打穴作业的装备已成为农业生产需要迫切解决的问题。本文从分析机械化膜上种植技术入手，对机械化膜上种植技术现状进行分析，并指出相应技术在现阶段存在的问题以及提出未来发展的方向，以期为机械化膜上种植技术研发提供参考。

　　1 膜上打穴播种技术

　　1.1 国外膜上穴播技术研究

　　20世纪50年代末期，国外开始采用覆膜栽培的方式，并发现覆膜对农作物增产和早熟有着明显效果。1961年，美国学者Hunt研发了一种滚筒式蔬菜精密膜上打穴播种机。该打穴播种机是由排种器、持种盘和柱塞式成穴器等组成。播种的深度和株距可通过改变成穴柱塞的结构尺寸和数目调节，可播种南瓜、黄瓜和西瓜等种子。1967年，Cary[1]针对蔬菜种子出苗困难，在Hunt研究的基础上改进了原有的打穴播种工艺，运用销钉在土壤上形成深度为60mm的穴孔，从而提高了出苗率。另外，Jafari等[2]设计了一种直径51cm带有圆锥成穴器的穴播轮，实现了甜菜的精密打穴播种。“Jafari播种器”是典型的异步穴播器，成穴器结构简单是其最大的特点之一，但地面不平或在工作过程中播种器产生振动都会影响投种的准确性，此外土壤的水分含量也极大地影响播种的质量，水分过高会导致成穴器无法正常工作，水分过低会造成穴孔坍塌。

　　滚轮式膜上打穴方式形成的穴孔间距一致，但在打穴过程中成穴器并不是竖直状态，造成成穴器入土、出土时会撕裂地膜，此外膜孔切割不彻底也会导致地膜撕裂[3]。针对滚轮式膜上打穴方式的不足，Heinemann等[4]研发了气力打穴播种机(PneumaticPunchMachine)，这种播种机由气动柱塞式成穴器和排种器组成。播种时，成穴器柱塞由气力驱动在土壤上打出穴孔，后面的排种器将种子投入到穴孔中，而穴孔的间距则由改变气动阀开闭的频率来调节；Wijewardene研制出一种转动注射式的打穴播种机，这是一种适用于覆膜地面或免耕条件下谷物种植的小型播种机，其动力的来源一般为人力驱动或畜力牵引，并有着结构紧凑、简单的特点，适合机械化发展水平不高的地区进行半机械化播种作业；Herzoni等[5]开发了一种使用动力输出驱动的压缩机和双作用气缸的气动打穴方法，气缸被一个凸轮操作开关控制。这种设计研发出的管式播种机与上文列举的播种机在结构和工作原理上都有着明显的差异，其特点是能够通过改变偏心轮和排种器的转速大范围调节行内种距，但成穴质量受土壤质量和播种机前进速度的影响很大；Lawrence等[6]也设计了一种气动膜上打穴装置。打穴机构由气缸驱动，车载电控装置可调整孔的数量和间距。该类播种机的优点是播种时株距可调，但缺点是结构复杂，播种时参数的调整较困难。

　　1.2 国内膜上穴播技术研究

　　作为旱作农业的重要技术手段，在过去的40年里，地膜覆盖栽培技术得到了广泛的普及和应用，促进了机械化膜上播种技术的发展。我国的不少学者都对这一领域进行了一定的研究，并取得了一定的进展。

　　1988年，汪遵元等[7]开发出了滚轮式膜上打孔精量播种机，该机采用内侧充种排种器与鸭嘴式打孔开穴器工作原理，更换排种盘可播花生、玉米、大豆、棉花等作物；1989年，马旭等[8]对滚轮式膜上播种机成穴器进行了理论分析和试验研究，确定了成穴器的结构参数和最优结构形式。夏俊芳[9]、王金萍[10]、王吉奎[11]等针对不同地域、作物对滚轮式膜上打孔播种机作业机理进行了解析、核心部件进行了优化。1997年，甘肃省农业机械推广站和甘肃省农科院成功研制了2FBX-A型小麦覆膜穴播机[12]，在西北地区有较大的推广应用，并取得了一定的经济效益，但受限于鸭嘴式成穴器的结构和开启方式，只有在土壤非常理想的情况下才能保证播种质量。此外由于鸭嘴的开口较小，膜上播种时撕膜现象严重，且只适用于播种小粒作物。

　　为解决针对滚筒鸭嘴式穴播机存在的挑膜、撕膜、穴孔错位等问题，陈晓光等[13]提出并研究了直插式播种机基本工作原理与总体结构形式，设计出了可实现入土、出土直插运动的成穴器及其辅助工作部件；于建群[14]等开发了直插式玉米精密播种机，并对关键部件进行了理论研究；魏宏安[15]、刘军干等[16]设计了垂直插入式小麦覆膜穴播机，运用平行四杆机构原理，实现了成穴器的直立接种、垂直入土和出土，成穴器轨迹非常接近理想直插运动曲线。直插式穴播机的优点是成穴器入土后在机组前进方向上无显著位移，穴粒数合格率高，孔穴错位率低等，是一种较为理想的覆膜穴播机具。赵武云[17]、戴飞[18]、石林榕等[19]针对玉米全膜覆盖双垄沟栽培技术，采用不同方式的水平速度补偿方法，研制出了基于不同近等速机构的玉米直插式膜上播种机。这种机具的作业原理是，发动机动力通过链传动传递至行走轮上，行走轮再将动力传输至凸轮轴，然后将动力输出至曲柄轴带动曲柄转动，从而实现了盘形凸轮与曲柄的同步转动。而经过一对锥齿轮的传动，曲柄轴将动力传递至排种器所连接的传动轴上，带动排种装置工作。该机播种作业后的穴孔错位率和地膜机械破损程度均符合一定的质量评价技术规范要求。

　　此外，刘彩玲等[20]针对我国传统花生覆膜穴播机对土壤扰动大、不利于土壤保墒的问题，设计了一种适合小型花生膜上穴播机的回转式成穴机构。相对于滚轮式膜上打孔播种机，直插式、回转式等仍在样机改进阶段，未能形成产品。上述膜上打穴播种装置以及与之配套的排种系统适应玉米、大豆、棉花等小颗粒浅播作物机械化种植，但马铃薯种薯(块)体积大而不规则，种植深度较大，在打穴过程中需要较长的垂直位移和较小的水平位移。相对膜上打穴播种机，膜上移栽机作业方法更贴近西北旱区马铃薯膜上打穴种植农艺要求。

　　2 膜上打穴移栽技术

　　2.1 国外膜上移栽研究

　　早在20世纪30年代，国外就研制出了育苗栽植机，并不断对取苗送苗机构和栽植机构进行优化改进[21]。由于育苗技术的发展，先后研制出纸钵和营养钵育苗，从而推动了钵苗栽植机的研制工作。1972年法国将钵苗栽植机推广到温室，德国也推广了钵苗移栽机，日本的钵苗移栽机类型很多，大多为小型半自动移栽机。在众多栽植类型中，只有吊篮式、鸭嘴式和水轮式移栽机能实现膜上移栽[22]。1987年，Munilla等[23]设计了一种凸轮控制的高速打穴移栽机。该机将成穴器连接在从液压驱动凸轮伸出的臂上，当凸轮旋转时，成穴器在土壤中形成了一个洞，并将幼苗投放下来。穴孔的间距不仅取决于凸轮的转速，而且还取决于拖拉机的前进速度；Kenco公司设计了一种半自动冲孔移栽机，可实现膜上打穴移栽和单株定量注水。随后，该公司还生产了一种带有点火机构的移栽机，该机使用火焰在地膜上烧开膜孔，然后再通过膜孔打穴[24]；Duke等[25]开发了一种机电一体化移栽机，通过PLC、传感器和精密气动装置相结合，提高了移栽机适应性，可以形成一定深度的垂直孔。鸭嘴式移栽机可以实现膜上移栽，对种苗有一定的扶持力，保证一定的直立度，而且没有开沟器，减少了动力损耗。日本洋马、井关等公司研制的鸭嘴式栽植机构能满足垄上移栽和膜上打穴移栽要求，但总体结构复杂，且整机价格成本很高，在我国推广应用较困难。

　　2.2 国内膜上移栽研究

　　我国从20世纪70年代就开始研制蔬菜钵苗移栽机，也研制出一些膜上移栽机，可进行膜上移栽或覆膜移栽一体作业，如中农机研制的2ZY系列蔬菜移栽机、山东天鹤棉业机械股份有限公司生产的2ZS-P6移栽机、重庆北卡农业科技有限公司研制的2ZB-2型半自动移栽机。国内学者对膜上移栽作业机理进行了大量研究并开发出不同类型的样机。金鑫等[26]针对吊篮式钵苗移栽机膜上移栽易撕膜的问题，设计了一种鸭嘴式钵苗移栽机，建立了栽植机构的运动数学模型，并以此为依据在ADAMS中对栽植机构进行参数化建模；刘洋[27]等针对新疆番茄、线辣椒铺膜加滴灌种植模式的要求，研制了一种膜上移栽机，该机一次作业可完成辅助喂苗、栽植器破膜成穴移栽和膜面覆土等工序；张伟欣等[22]设计出了玉米纸筒钵苗膜上移栽机，通过理论和试验研究，确定满足零速投苗和最小撕膜口条件，优化了送苗机构、栽植机构等关键部件结构参数；刘娇娣等[28]研发了一种膜上蔬菜裸根苗移栽机，该机采用行星式五杆打穴机构，能够实现零速投种，并在窄直径孔中获得高垂直度合格率；杨文彪等[29]开发了烟苗膜上栽植机构，并对栽植机构进行了运动特性分析，优化了作业参数。膜上打穴移栽机的主要目的之一是将种苗垂直放置在适当深度的穴孔中，该深度通常为5~8cm。但根据旱作农艺要求，马铃薯种植深度至少为12cm[30]。同时，要求打穴播种后膜孔要尽量小，还需用土壤封堵穴孔。为此，已有的机械化种苗移栽技术不能完全适应西北寒旱区马铃薯覆膜栽培农艺要求。

　　3 存在问题

　　目前，膜上种植机械化程度还比较低，已开发并投入生产中的机械不能完全达到机械化膜上播种质量的农艺要求，对于机械化膜上打穴播种技术中产生的问题主要存在于以下几点：

　　(1)相关机械不成熟

　　国内目前针对穴播系统集成与联合作业技术的研究仍处于起步阶段[31]，能够一次性完成整地、开沟覆膜、打孔穴播、穴孔覆土的机型还未能实现广泛应用，也没有成熟的机械设备供农民选择。国外研发的机械大都成本高，操作复杂，不便于机械在农业上的大面积推广。

　　(2)相关机械适应性和通用性较差

　　目前的膜上打穴播种装置以及与之配套的排种系统仅适应玉米、大豆、棉花等小颗粒浅播作物机械化种植，但马铃薯种薯(块)体积大而不规则，种植深度较大，在打穴过程中需要较长的垂直位移和较小的水平位移，现有机械的打穴深度不达标，播种的均匀度和整齐度都不能满足要求。此外，由于我国幅员辽阔，各地的地域存在明显差异，不同地区的土壤环境也各不相同，地理与气候条件更是复杂多样，现有的研究结论多围绕成型孔穴是否合格，对穴孔成型过程中土壤颗粒的运动规律及孔穴的成型机理进行的研究很少，这也导致了相同机具在不同土壤环境下的成穴效果差异性较大。导致机具的适应性和通用性较差[32]。

　　(3)不能达到覆膜播种质量的农艺要求

　　现有的打穴机构在破膜阶段，由于机械或人为向成穴器部位施力的不足，极易造成破膜面积的不均匀、不规则，从而导致水分和热量的散失，大大降低了地膜的增温、保墒作用。

　　而对于膜上打穴移栽技术也存有一定的问题，主要是：

　　(1)育苗技术和移栽机不配套。缺乏育苗技术和移栽机械的有机结合，不能做到二者协调发展。尚未有统一的标准约束苗盘尺寸和钵苗形状，给行业的标准化、规范化、自动化的设计都带来了不小的困难[33]。

　　(2)移栽机自动化程度不高，相关研究不够深入。我国目前仍以半自动移栽机械为主要的开发对象，相关研究也多集中在栽植机构的研究上，大部分机构都还是采用机械结构为主的设计理念进行设计研究，不能很好地运用机电一体化的创新思想设计机械，重复研究较多，国内自动取苗、投苗、扶苗等全自动移栽机构的研究设计较少，仍未取得突破性的进展，与国外水平还存在较大的差距。现在的移栽机械设备普遍存在功能单一，通用性差和机具性能不稳定的问题。

　　(3)未形成健全的评价体系。评价体系的不完善导致在设计时不能很好地配套相应农艺技术，设计完成后也没有科学的方式来优化提升机器的性能。虽然也有部分学者提出过一些移栽机的性能评价和检测方法，但还没有出现具有约束力的统一标准，在建立科学的移栽机评价体系这一问题上仍待我们进一步完成。

　　4 建议与展望

　　国外发达国家针对打孔穴播的研究比国内起步早，但直到现在还未能出现任何一种形式的穴播机能在全球范围内得到普遍使用，随着覆膜播种的普及，又有一部分学者开始了穴播机的研制。但到目前为止，大部分的研究也仅仅是围绕滚轮鸭嘴式打孔播种装置。直插式和回转式方面的研究还远远不足。国内外针对机械化膜上播种的研究都主要集中在蔬菜(如甜瓜、南瓜、西瓜)和谷物(小麦、玉米)等小粒种子的方面，而例如马铃薯等块茎类种子的穴播还鲜有涉及。

　　就应用前景而言，设计一款适应性良好、结构紧凑简单、价格低、自动化程度高的膜上播种机或膜上移栽机是今后研究的主要方向，对机械化膜上种植技术的建议和展望主要表现在以下几个方面。

　　(1)充分地将农机和农艺进行融合，将移栽机械的研究开发与育苗技术有机结合，进一步完善与推广相关的育苗设施及配套技术。

　　(2)简化和创新机构，降低成本。现阶段，我国农村地区的购买力仍然不足，虽有国家政策的大力扶持，但机具成本依旧是制约农业发展的主要因素。

　　(3)转变设计思路，向自动化、智能化方向发展。首先要保证农艺技术创新，其次要保证整机装备创新，最重要的是在设计过程中对关键部件和机构要有创新。对研制机具而言，要更加注重于机械与电子控制的有机结合，着重解决播种各环节内的自动化问题，逐步开发出更多种类，具有良好通用性的全自动机械。

　　(4)国家政策上逐步制定完善的发展政策和法规，加大财政补贴力度，引导农民能买得起，用得好。充分借鉴发达国家技术，走符合中国特色的农业机械化发展道路[34]。

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　　作者：王亨泰，孙伟，张华，刘小龙，李辉，柳开元