基于农机农艺融合的大葱机械化移栽关键技术研究

王方艳，高洪伟

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

大葱在我国栽培历史悠久，常年种植面积约50万hm2，是我国重要的蔬菜和调味品。目前，大葱在山东、河南、河北等省大面积种植，种植面积约占全国总面积的40%，对地区经济发展起到重要的促进作用。其中，山东大葱享誉海外，常年种植面积约8.9万hm2，是山东省重要的经济作物和创汇产品。在潍坊、济南、临沂等地，大葱种植已经成为地区品牌产业，年出口量约占全国出口总量的70%，具有较好的发展空间和前景[1]。

当前，大葱种植采用先育苗再栽植后培土管理的种植农艺。大葱栽植前的整地、开沟环节的机械化率达70%，灌溉环节的机械化率达100%，大葱培土机械化率达30%～40%；但占大葱全程生产用工70%的大葱移栽及收获作业还主要依靠人工完成，整体机械化水平较低，严重影响着大葱全程机械化的进程[2]。尤其，种植环节正处于机械化种植起步阶段后期的“瓶颈”时期，迫切需要解决机械化种植的关键技术。为此，从大葱种植的现状出发，针对大葱种植的农艺要求，结合农机农艺融合的状况，分析了制约大葱机械化种植的关键技术，并探索解决关键问题的对策，对实现大葱机械化种植、推动大葱种植的农机农艺融合、提高大葱生产机械化水平具有重要的意义。

1 大葱种植概述

大葱是山东重要经济作物和区域品牌，种植面积大、适应性强，可春季或秋季栽植，产量较高、种植效益好。近年来，随着北方农业种植结构的调整及“天价大葱”现象的出现，大葱种植面积及产量逐年递增，并逐渐形成了以章丘的“市场葱”和安丘的“出口葱”为代表的生产模式。仅2013年，章丘大葱种植面积达0.8万hm2，总产量6亿kg多；安丘大葱面积达到1万hm2，销往日韩等20多个国家和地区，并在山东起到较好的种植示范及推广效应[3-5]。由于直播种植占地时间长，大葱种植多采用苗床育苗(或穴盘育苗)与大田移栽配合的种植模式，借助后期的培土作业以获得大葱的软化假茎。掌握以章丘“大梧桐葱”和安丘“日本钢葱”为代表的大葱特性及种植农艺，合理安排大葱种植轮作模式，对提高土地单产率及提升大葱机械化种植水平具有重要的意义。

1.1 章丘葱的种植状况

章丘大葱以“长、白、脆、甜”为特点，辣味轻、适合生吃，可分为一年一茬的春季葱和跨年种植的秋季葱。一般，春季葱在3月中旬-4月上旬采用苗床育苗，6月下旬移栽定植，10月-11月份收获；秋季葱为9月下旬-10月上旬苗床育苗，来年的6月中下旬移栽定植，11月中旬后收获。此外，章丘部分地域探索了10月份葱沟内套种小麦及6月份收麦后移栽葱的大葱与小麦套种的模式。栽植时，大葱为选苗后的裸苗，鳞茎粗10mm左右，主要采用传统的“水插”法，即沟内浇透水后随水将大葱按标准株距手动直插，每天人工栽植效率为0.02～0.03hm2。其株距为50mm左右，种植行距为800～900mm，栽植深度为60～100mm，沟宽为200～300mm，沟深300mm，并将沟底宽150mm，深250～300mm的土层松动，以备插葱[6]。章丘葱种植农艺如图1所示。目前，章丘大葱以秋播为主，收获大葱粗细匀称、品相较好，株高约1 300～1 400mm，葱白长为500～600mm，鳞茎粗30～50mm，单株重约0.5～0.75kg，每667m2(亩)产4 000～5 000kg，比春季种植丰产[7]。

图1 章丘葱的种植农艺

1.2 安丘葱的种植状况

安丘大葱的主要品种是日本钢葱(铁杆葱)，葱白结实、纤维粗，吃起来辛辣味浓郁，多为依托蔬菜加工贸易公司的冷冻或加工出口葱。人工栽植农艺与章丘大葱的栽植农艺相仿，但行距为950～1 000mm，沟宽为200～300mm，沟深为300mm，沟底宽为150mm，株距为25～30mm，沟深为250～300mm。人工种植农艺如图2所示。随着机械化种植机具的引进及钵体育苗技术的发展，安丘大葱改变了传统春播与秋播的方式，依托蔬菜加工企业采用二年三茬的轮茬种植农艺，以充分利用地力获得较多的经济产出，即通过钵体育苗技术缩短大葱种植的占地时间。通常，在清明前后播种育苗，5、6月份移栽，10月份收获；或7、8月份播种育苗，10、11月份移栽，次年3、4月份收获的种植农艺。种植时，大葱苗高约30cm，鳞茎粗7～8mm，种植行距为800～850mm，株距为30mm左右，沟宽为280mm，沟底宽为150mm，沟深300mm。近年来，大葱穴盘育苗发展较快，一般每穴3苗，栽植时采用日本进口机具完成[8]。机械种植农艺如图3所示。收获时，大葱株高约1 100mm，葱白长为350mm-450mm，鳞茎粗20～35mm，每667m2(亩)产约5 000kg。当前，安丘的钵体育苗技术及种植方式正在逐渐推广，并得到了农户和政府的认可。

图2 安丘葱的人工种植农艺

图3 安丘葱的机械种植农艺

综上所述，与其他移栽作物相比，大葱移栽环节的季节性强、用工多、效率低，且劳动强度大，移栽要求高。目前，山东大葱的种植行距及开沟宽度等参数相差不大，种植模式便于规范化，利于移栽机具研发及技术推广。因大葱品种种植存在差异、葱苗规格不一、茎部柔软，且大葱移栽具有株距小(一般小于50mm)、栽植深(60～100mm)、直立性强等特点，目前主要有裸苗移栽和钵体移栽两种方式。其中，裸苗移栽一般经过选苗工序，移栽大葱大小均匀，收获效益好；钵体移栽省工省力、效率高，发展前景较好，但一钵3苗，大葱生长不一致，影响产品外观质量。因此，根据大葱的种植目的及供应需求，分别研制适于裸苗和钵苗的移栽机具，可提高大葱的种植效益及生产规模。

2 大葱机械化移栽的关键技术及装备

欧美、日本等国外发达国家对移栽技术及装备的研究较早，主要经历了20世纪30年代由手工喂苗的栽禾器移栽阶段，20世纪40年代至50年代的土钵育苗和半自动移栽机具阶段，直至20世纪80年代工厂化育苗技术及自动化移栽机具趋于成熟。目前，国外发达国家旱田移栽机的发展已比较成熟，主要集中在茄子、甜菜、油菜等蔬菜领域，并针对钵苗研制了气力式、推出式、夹持式、平面四杆式、回转式取苗投苗机构及五杆取苗机构，开发了钳夹式、吊篮式、导苗管式、链夹式、挠盘式栽植器；但在研究与推广过程中仍存在结构繁杂、体积大、成本高等问题。取苗投苗机构如表1所示[9-14]。栽植器结构及特性如表2所示[15-22]。取苗机构和栽植器是移栽机械的关键部件。我国大葱栽植时，其直径1～2cm，株高40～60cm，葱白(假茎)长约20～30cm，且葱头须根极易缠绕，给大葱的分苗和小株距栽植带来困难。因此，全面、深入地研究机械化移栽技术与装备仍是农业发展的重点。

表1 取苗投苗机构结构及特点

续表1

表2 栽植器结构及特性

续表2

大葱移栽机的研制主要集中在亚洲，以日本久保田公司生产的KN-P6半自动大葱移栽机和丰收产业公司生产的OP290/2100全自动大葱移栽机为代表。KN-P6大葱移栽机自带动力行走，结构紧凑、体积小、栽植深度可调，可借助横向输送带将人工送入的裸苗传送到挠性圆盘式栽植器，通过挠性圆盘的转送及覆土镇压轮的配合完成大葱裸苗的单行移栽；但生产率为0.01～0.015hm2/h，不能满足大葱高效栽植的要求，具体结构如图4所示。OP290/2100 全自动大葱移栽机适宜钵体葱苗的栽植，采用推苗机构及曲柄连杆机构完成大葱的自动推苗及放苗工序，借助金属挠性圆盘式栽植器实现钵苗的柔性夹持，利用覆土镇压轮完成钵苗的扶正压实，机具主要结构如图5所示。

图4 KN-P6半自动大葱移栽机

图5 OP290/2100 全自动大葱移栽机关键结构

该机的栽植深度及葱苗株距准确可调，一次完成2行或4行的钵苗移栽；推苗机构可实现整排钵苗的推出，使得移栽效率达0.1hm2/h；但整机结构复杂，制造成本高，价格昂贵(约40万元)，需要改变传统的大葱苗床育苗的方法，难于在我国大面积应用和推广[23-25]。

国内旱田钵苗移栽机研究始于20世纪70年代后期，在借鉴国外先进机型的基础上，研制了柔性圆盘式移栽机及回转式钵苗移栽机构，距离实现全自动化移栽还有较大的差距[26]。当前，针对大葱移栽技术及装备的研究较晚，整体技术及水平较差，还缺少成熟的移栽技术及机具。现有的移栽装备主要针对大葱的裸苗移栽设计，且以人工送苗为主。中国农业大学研发的挠性圆盘式大葱移栽机为半自动化机具，通过横向及竖向带输送大葱裸苗，借助挠性圆盘栽植机构实现大葱的小株距移栽，可实现株距为5～7cm，栽植深度为5～10cm，行距大于60cm的单行大葱的移栽，如图6所示。沈阳良雁农业科技有限公司生产的大葱移栽机体积小、结构紧凑，采用人工送苗，实现了大葱的低损夹持，栽植速度为100～160m/h，工作效率为0.01～0.015 hm2/h，且受人工送苗速度的影响较大，如图7所示。

图7 大葱移栽机

山东农业大学研发的链夹式大葱移栽机采用人工分苗，通过苗槽喂入机构将葱苗送到适当位置，借助夹苗机构实现葱苗的夹持及投苗。该机重点解决了大葱的零速栽植问题，但受喂入及投苗方式的限制，移栽效率低、易伤苗，且仍需人工分苗，如图8所示。针对大葱裸苗人工分苗效率低的问题，山东农业大学研制的大葱裸根苗自动送苗装置采用多个取苗机械手将裸苗抓取，并通过多轴滑台模组完成葱苗的输送，裸苗抓取率可达90%以上；但受裸苗形状影响易发生漏苗和连带现象，仅处于试制阶段，如图9所示。其试制的大葱移栽自动快速投苗装置仍需人工预先将裸苗摆到带栅格的苗箱中，且需要扶苗器，结构及运动要求复杂[27-30]。

1.苗夹 2.投苗链条 3.喂苗链条 4.苗槽

1.机型 2.滑台 3.取苗夹 4.苗箱

由此可见，大葱传统的裸苗栽植及国际上的钵体育苗种植技术，为我国大葱的种植提供了两种种植模式，适于不同的种植环境及种植品种。大葱移栽机主要分为适于大葱钵苗的全自动式栽植机和大葱裸苗的半自动栽植机。全自动栽植机装有供苗装置，能自动分苗并经栽植器栽入沟内，覆土压实；但结构复杂，造价昂贵，在我国推广难度大。半自动栽植机是由人工或秧苗输送机构将葱苗供给栽植器，通过栽植器抓取葱苗后送入栽植沟内，并随即覆土压实；但栽植速度低、人工劳动强度大，影响机具的研发及推广。其中，栽植装置及取苗送苗装置是大葱移栽的关键部件，决定着大葱的种植效率及移栽质量。

结合大葱移栽株距小的特点，现有的钳夹式、吊蓝式栽植器结构相对复杂，成本较高，作业速度慢(约30株/min)，无法满足大葱小株距栽植的要求；导苗管式移栽器不能保证葱苗栽植的直力度，易受前进速度的影响，株距调整繁琐；链夹式栽植器易伤苗、易漏栽，株距调节困难；只有挠盘式栽植器株距调整方便，伤苗轻，可以满足葱苗的株距移栽要求，但零速度栽植及直立度还需要进一步的提升和完善。同时，提升自动送苗技术及装置是解决大葱机械化移栽的关键问题，也是我国大葱移栽装备的重要发展方向。受大葱裸苗外形不规则及葱叶易缠绕的影响，实现裸苗自动分苗的难度较大，还没有成熟的自动分苗机构。国外主要针对大葱钵苗采用推出式投苗装置实现自动分苗，避免了常用的气力式取苗机构的间歇运动效率低的弊端，避开夹取式取苗机构和对棍式取苗装置的易损苗或钵体的缺陷。相比多杆取苗机构，推出式投苗装置具有结构简单、运动轨迹明了、制作成本低的特点，也是当前国外普遍使用的一种自动取苗方式；但在分苗质量及机构制作繁简程度上还需进一步的完善和提高。

3 问题及建议

目前，我国对大葱移栽技术及装置的研究还主要处于模仿及借鉴的初级阶段，核心技术及装备远远落后于意、日等国外发达国家，许多关键技术及问题还亟待解决。主要表现为：大葱种植要求高、区域性强、种植粗放，与移栽机具及配套机具脱节，使得大葱种植的农机农艺融合不紧密；人工移栽及半自动机械化移栽劳动强度大，为大葱种植的主要形式，在国内市场占据较大份额，而全自动移栽机具还处于空白，整体机械化移栽水平及质量有待提高；国家对大葱种植投入研发经费、精力及关注少，自主研发力量薄弱，没有针对大葱的规范化制度、生产标准及专业企业；大葱移栽机自动化程度低、产品单一、生产效率低、适应性及可靠性差、生产成本高，种植的综合效益不突出，难以满足大葱种植的不同需求。纵观国外发达国家旱地移栽机具的发展历程，结合我国大葱种植区域性强、种植粗放、栽植质量要求高的特点，提出了我国大葱移栽机的研究重点及建议。

1)移栽机研发与种植农艺、育苗技术相结合。育苗、栽植及农艺是一个不可分割的系统工程。结合大葱的物理特性、种植模式及农艺特点，规范大葱裸苗及钵苗种植方式、规格，设计和完善育苗技术及配套设备，并加快大葱栽植方式与移栽机具的融合，实现育苗技术及移栽机具的协调配合。借鉴国外钵苗培育技术，采用农艺及机械等相关专家的定期交流及协同研究，推进工厂化育苗技术发展及配套设备的完善，实现大葱移栽机具与育苗设备的一体化及准确配合。

2)自主技术创新与引进吸收相结合。我国大葱移栽处于人工喂苗的半自动化移栽阶段，智能化及自动化水平低。在对国外现有技术和装备消化吸收的基础上，针对大葱种植株距小、传统裸苗移栽习惯及农民购买力弱的条件，研制对环境适应性强的半自动化移栽机，逐步提高半自动化大葱移栽机的人工喂苗速度、移栽的适应性和可靠性，将是今后大葱种植机具研究的一个主要发展方向。同时，通过国际学术交流与合作，走出去引进来，趋利避害、发挥优势互补的作用，研究钵苗的全自动移栽技术及装备。通过加强自动取苗技术及装置的研究及机-电-液技术的融合，攻克钵苗移栽的关键技术及装备，为实现大葱自动化、智能化移栽储备技术。

3)专业研究与通用研究相结合。从实际需求出发，强化产学研的研发模式，避免重复及低水平移栽技术研究，培植专业化协同创新团队及专业生产制造企业，保证研究工作的延续性及严谨性。在借鉴国外研发经验的基础上，制定符合我国国情的统一评价及技术标准，筛选及比较现有机具，规范共性技术及装置，实现技术及装置的通用化、模块化、标准化的快速转化，确保大葱移栽机的可靠性、利用率及推广性。

4)政府扶持与市场导向相结合。争取大葱移栽科研专项扶持，组织科研院所、大中院校及地方龙头企业进行科技攻关及成果转化，解决大葱机械化移栽过程中的难点及瓶颈，提高大葱种植的经济附加值及种植经济效益。加大大葱移栽机具补贴力度，提高农户使用机械化移栽的热情及企业参与研发及推广的积极性。借助新型的农村合作社等经济实体，采用订单式种收管服务模式及社会化生产服务项目，补充政府扶持政策及资金投入的不足，发挥市场引导及经济协调作用，开拓适于市场需求的技术及机具。

4 结论

大葱是山东广泛种植的蔬菜，主要形成了以章丘裸苗栽植和安丘钵苗栽植的模式。其种植农艺(行距、垄距、垄高等)相似，种植效益的逐渐突显及耕整地装备的发展，为大葱移栽机械的规模化种植提供了可行性及基础条件。由于大葱小株距栽植、分苗效率低、栽植要求高等，给大葱移栽技术及装备提出了要求。我国大葱移栽技术及装备研究处于起步阶段，智能化及自动化水平较低，主要为人工移栽及人工分苗的半自动化机械移栽。随着产业结构调整、农村土地流转及劳动力的资源性短缺，针对大葱的品种差异、种植销售用途，进行针对性的技术革新及储备具有重要的意义。因此，研究自动送苗技术、零速栽植技术等，实现大葱育种栽培农艺及农机具的融合，提升半自动化机械移栽效率及性能，探索全自动化移栽关键机构及技术，已成为我国大葱移栽种植的主要发展方向。