国内外设施种植种苗移植技术的发展现状＊

2021-12-06周泽坤华南农业大学广州510642

农业工程技术 2021年25期

辜松，周泽坤（华南农业大学，广州 510642）

种苗移植是农业生产的重要作业环节，其特点是作业量密集、劳动强度大。因此种苗移植作业装备一直是农业装备研究人员的重点开发对象。随着农业技术的发展，农业生产除了露地种植以外，近年设施种植发展迅速。在此条件下，种苗移植作业就分为两大分类，即露地生产种苗移植作业和设施生产种苗移植作业。图1 所示为露地种苗移植机作业情况，主要以蔬菜种苗移植为主，苗的形态主要集中在穴盘钵苗形式；图2为设施种苗移植机作业情况，设施生产采用机械化移植的种植对象主要集中在种植期短、作业量大的花卉穴盘种苗、水培叶菜穴盘种苗，以及组培和扦插等无根茎条或带根的无基质裸苗。目前，设施承担着绝大多数农业（林业）种植对象的育苗生产，苗体形态与种植模式千差万别，移植机的形式也各不相同。另外，设施内的作业环境相比于露地清洁、可控，因此，设施种苗移植机使用了大量先进的工业技术。因此，本文下面将主要以设施种植（非土壤）种苗移植技术为对象进行介绍和讨论。

图1 露地种苗移植机作业

图2 设施种苗移植机作业

国内外设施种苗移植技术现状比较

设施种苗移植机的开发始于20 世纪80 年代末、90 年代初，日本和英国一些大专院校针对穴盘苗和组培苗的移植技术展开了研究，20 世纪90 年代末21 世纪初荷兰设施生产装备老牌生产企业Visser 公司、TTA 公司等开始生产穴盘苗移植机械，经过20 多年的发展，涌现出Flier、Daros、Ubinati、Tea Project 等一批欧洲设施移植机生产企业，功能由穴盘种苗移植、穴盘苗分级、穴盘苗剔苗补苗向分级移植和无基质裸苗移植等方向扩展，同时针对自动化移植作业，开发出了辅助移植作业的纸钵苗、高脚塑料硬质穴盘、硬质扦插苗带，提高了扦插作业质量和作业生产率，带动了设施生产种苗移植技术的发展。

国内穴盘苗移植技术起步较晚，设施园艺种植模式不统一，生产标准化程度不高，并且与国外设施园艺使用的生产资材存在差异，因此直接引进国外装备难以实用。在此情况下，21 世纪10 年代后期，沈阳农业大学、南京农业大学、北京工业大学、华南农业大学、浙江大学、浙江理工大学等院校针对穴盘苗移植手开展了多方面的研究，北京工业大学、华南农业大学、浙江大学及浙江理工大学等随后也相继推出了穴盘移植机试验样机。21 世纪20 年代后期，北京工业大学、华南农业大学及浙江理工大学相继推出设施种植水培叶菜穴盘种苗移植机，其作业性能与国外产品基本相当。

目前，国内设施种植穴盘苗移植技术与国外相比，水培叶菜穴盘苗移植技术差别不大，但在花卉、无基质裸苗移植技术方面还存在较大差距。其原因主要在于国内设施园艺装备总体技术发展起步较晚，技术积累薄弱，同时设施种植模式标准化差，装备开发难以推进，而以往设施种植规模不大，对于装备技术需求不紧迫。另外，大部分设施生产装备都是围绕具体生产流程和模式非标定制的，设施种植企业对国外技术不了解，针对自己的生产模式不能提出适合生产需要的技术开发要求，阻碍装备技术开发的农机农艺融合，这也迟滞了中国设施种植穴盘苗移植技术的开发与发展。近年，国家对设施种植生产的关注度显著提高，并加大相关技术研究与开发项目的支持力度，加之近年欧洲先进设施园艺生产装备技术的引进与示范，设施种植企业对新技术逐步了解，这既为针对国内设施中之模式开发穴盘移植技术提供了有力的前提条件，也将促进相关穴盘苗移植技术的发展。

主要设施种植种苗移植技术

设施种苗移植装备的功能是将标准穴盘苗或无基质裸苗移植到大规格标准穴盘、花盆及种植槽中，其核心技术主要集中在如何拾取苗和如何将苗成功插入种植目标地，因此，对于移植装备来讲，其关键部分是移植手，随着计算机技术和机器视觉技术的引入，目前移植机作业的智能化程度不断提升。

花卉穴盘苗移植技术

花卉穴盘苗移植是目前设施移植机的主流，主要针对盆栽花卉生产，目的是将穴盘苗向种植花盆内移植（图2），也有由密植穴盘向稀植穴盘移植的情况（图3），穴盘一般尺寸为300 mm×280 mm，孔穴数在50～510 之间，对于大花盆可进行多株穴盘苗拼盆移植（图4）。由于花卉种类繁多，其中种苗的形式千差万别，移植机的关键技术点也集中在其末端执行器移植手上，移植手设计时主要考虑穴盘基质块的尺寸及种苗形态等因素。穴盘基质块尺寸决定移植机械手的大小，机械手尺寸大小不同导致其结构与作业驱动方式存在不同的类型。拾取种苗基质块时，种苗形态影响移植手结构是否需要考虑避让苗茎叶以免伤苗。目前，为有效提高移植机的作业效率，部分移植机的移植手数已提高到16 个以上，有些已达到36 个移植手，移植作业生产率可达30000 株/h，穴盘穴数和移植机移植手数越大，作业生产率越高。另外，72 穴穴盘苗移植技术比较成熟，作业性能稳定，但对于288穴密植穴盘种苗的移植手技术要求非常高，以荷兰TTA 公司的移植机作业性能最为稳定。

图3 种苗由密植穴盘向稀植穴盘移植

图4 种苗由穴盘向花盆拼盆移植

水培叶菜移植技术

水培叶菜种苗移植与花卉穴盘苗移植相比较为简单，水培叶菜种苗种植一般为两种形式，一是利用基质培育种苗，国内一般利用穴盘种植，以欧洲为代表的国外一些企业利用基质块种植；二是将海绵或基质放置于种植杯内种植。前者种植作业环节较为简单，但是种苗移植后基质块不固定容易反转，导致种植的水培叶菜生长形态不佳，后者采用种植杯可减小夹持种苗的对位难度，并可利用种植槽孔位固定种苗，使水培叶菜生长形态正常。

无性繁殖裸体种苗移植技术

图5 水培叶菜基质块种苗移植

图6 水培叶菜种植杯种苗移植

无性繁殖主要指扦插、嫁接及组织培养，而扦插和组织培养育苗基本都离不开移植作业环节。近年来，无性繁殖育苗在种苗生产中的规模不断发展壮大，因此，对于扦插和组织培养的移植采用机械化作业的需求也越来越大。扦插与组织培养培育的种苗有一个非常大的特点，即幼苗均是不带基质的裸苗。穴盘苗移植时可通过夹持基质块，避开直接接触苗体，达到不损伤种苗的目的，而对于裸苗，直接触碰柔嫩苗体极易造成损伤，这给机械移植作业夹持苗体带来困难。为解决夹持裸苗易损伤的问题，荷兰ISO Group 公司针对柔嫩的菊花扦插种苗扦插作业，利用弹力钢片开发出一种结构复杂的柔性裸苗夹持手，如图7 所示，机械手通过多个叠加在一起的气缸驱动，在机器视觉引导和一个机械手臂带动下，完成单个裸苗捡拾、穴盘定位扦插动作，其作业速度可达人工3 倍以上。图8 是针对扁平类蟹爪兰扦插种苗，利用负压吸附进行柔性捡拾，进而进行扦插作业。图9 为对扦插用玫瑰种苗枝条进行剪枝和向花盆内扦插作业的扦插机器人，剪枝在机器视觉引导下完成。图10 为对组培苗进行向穴盘基质内移植的移植机，该移植机作业形式与花卉穴盘苗移植机的工作原理类似，移植手不直接触碰苗体，通过培养基间接夹持种苗，但是，培养基极易破碎，如何夹持住培养基是技术难点。通常，带培养基进行组培苗移植的作业不常见，生产中在进行组培苗移植前，都要对组培苗个根的培养基进行清洗。

图7 扦插菊花苗向穴盘移植

图8 负压吸附扁平扦插苗向穴盘移植

图9 玫瑰枝条剪枝扦插移植

图10 带培养基组培苗向穴盘移植

未来展望

为提高农业生产装备作业效率与智能化作业水平，随着工业先进技术的不断发展及引入，设施种植种苗移植技术近年在向以下四个方向发展。

高效化

规模出效益，这是设施企业都在追求的种植形式，而生产的规模化必将一直对装备的生产效率提出更高的要求。近年，国外知名移植装备生产企业，为提高作业效率，不断增加作业移植手的数量的同时，变以往单盘移植作业为多盘同时作业，一些移植机的穴盘苗移植生产率已达到50000 株/h。

智能化

机器视觉技术的引进，大大提高了穴盘苗移植机作业的智能化程度。基于机器视觉技术，Visser、TTA 等公司的移植机可以完成穴盘苗分级、剔苗和补苗作业，并可在移植作业过程中进行分级移植。这些作业以前必须依靠人工来完成。

复杂化

扦插与组织培养具有育苗效率高、出苗量大的优势，但这带来了巨大的扦插移植和组培苗移植作业量，迫切需要解决无基质裸苗的自动化移植作业问题。荷兰ISO Group 公司针对以上问题，基于机器视觉识别待扦插苗的捡拾位置，在工业机械手臂带动下，利用多个微型气缸叠加驱动柔性钢片扦插手，完成裸苗柔性捡拾夹持、穴盘基质作穴、裸苗柔顺扦插和柔性退柔性钢片扦插手等多个复杂动作，模拟出了复杂的人工扦插动作过程，很好地解决了裸苗扦插的技术问题。

辅助化

穴盘苗扦插作业与许多因素有关，涉及到种植模式。在这方面为辅助穴盘苗自动化移植作业实现保质、保量、高效作业，欧洲设施种植生产装备与资材生产企业开发出多种辅助性资材，如开发硬质穴盘便于移植作业时穴盘精准对位（图11）；开发出纸钵苗便于移植时夹持苗体稳定、作业成功率高（图12）；开发出裸体苗夹苗卡带（图13），避免移植过程中直接夹持裸苗造成损伤，并可简化复杂作业环节，提高移植作业效率。