基质块育苗移栽技术与装备发展现状*

2022-05-18崔志超管春松徐陶杨雅婷许斌星陈永生

中国农机化学报 2022年5期

崔志超，管春松，徐陶，杨雅婷，许斌星，陈永生

(1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014；2. 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，南京市，210014)

0 引言

我国蔬菜种植面积和产量分别占世界总量的40%和50%以上，长期稳居世界前列，但我国蔬菜种植机械化程度并不高，尤其移栽环节仍以人工作业为主，存在作业效率低、用工量大等制约问题[1-3]。

近些年，随着育苗工艺的不断创新，基质块苗因带基定植缓苗期短、成活率高、机械移栽效率高等优点逐渐得到关注。基质块育苗也称营养块育苗，是以泥炭—土混合物为主要原料，辅以缓释、控释配方肥，采用定向压缩回弹膨胀技术生产的营养均衡、理化性状优良、水气协调的育苗基质块，能保证秧苗栽培质量，达到早育、早熟、早上市、高产增效的目的，还能节约种子、肥料、农药及劳动力，在农业生产中有诸多优点[4-5]。与穴盘育苗相比，基质块制作工艺简单、取材广、成本低，机械化移栽时利于取、投苗，移栽效率高、适应性好。作为蔬菜移栽的一种新兴方式，与穴盘育苗移栽相比可实现成排多块取苗，有助于提高移栽效率，因此，基质块育苗移栽技术的探索将有利于拓展蔬菜移栽研究方向，也为蔬菜机械化种植水平提供技术支撑。本文归纳总结基质块育苗移栽的关键技术，阐述国内外基质块育苗装备和移栽装备的发展现状、特点和应用情况，以青花菜为例，分析基质块育苗移栽的经济效益、应用前景，指出基质块育苗移栽存在的问题，并针对问题提出发展建议，以期为基质块育苗移栽装备的研究提供参考。

1 育苗与自动移栽技术

1.1 育苗技术

基质块是育苗的母体，基质块成型也是育苗的关键技术之一。尽管我国在20世纪80～90年代对棉花、玉米等作物的制钵有过研究，但钵体主要以土壤为原材料，对泥炭或基质与土壤的混合材料制成基质块育苗还鲜有研究，国内育苗多以穴盘苗为主，所以相关专家学者在穴盘苗的育苗技术上研究较多，对基质块育苗的研究仅有少数学者探索过。

基质块的育苗工艺参数对秧苗的生长质量和机械移栽效果影响较大。农业农村部南京农业机械化研究所设计了一种小型冲压式基质块成型机，可以通过调节冲头位置和模盘尺寸来变化基质块压缩比和尺寸，Guan等[6]以此机型为试验器材，采用基质与土壤配合试验得出配比1∶2、压缩比0.6、含水率16%时，基质块三维尺寸稳定性为95.83%、散坨率为6.45%、抗破坏力为82.33 N、幼苗根冠比为0.24、壮苗指数为0.225、综合值评分为0.78，能够满足青花菜的常规育苗和机械化移栽的生产要求。

辛明金等[7]以黄瓜为试验对象，采用育苗基质和水稻秸秆的混合物为原料，对理论最优工艺参数进行调整及试验验证，得到最优工艺参数：含水率为21%，压力为4.5 kN，秸秆长度为10 mm，秸秆质量分数为12%，该组合条件下的基质块抗破坏强度为23.03 N，尺寸稳定性为82.83%，符合黄瓜育苗的农艺要求。

刘洪杰[5]以农作物秸秆替代泥炭，结合生物质膨化黏合成型技术，研究出基质块成型能力和抗破坏能力最强、育苗质量最高的生产农艺参数：秸秆含量60%，秸秆粒度3 mm，秸秆添加粘接剂量为40 g/kg，并设计了一种基质块成型装备，实现基质块育苗机械化作业，提高生产效率。尹业宏等采用滚筒的方式研究设计了一种新型连续式营养钵体制钵机。该机具能一次完成对营养钵的上料、打种孔、压实、投出等加工，效率高(10 800个/h)，同时营养钵的尺寸、形状和强度等方面都满足高速机械化移栽的要求。

Tringovska等[8]发现蚯蚓堆肥由于其高pH值和导电性，不能单独用作种植番茄移栽的基质，建议将蚯蚓堆肥与泥炭和珍珠岩混合，可将营养物质保持在可接受的最佳范围以便番茄移栽；Prasanna Kumar等[9]指出可使用双层立方体纸盆(体积为50 cm3)，填充25%蚯蚓堆肥和75%土壤和沙子等比例的盆栽混合物，制备适合机械移植的优质纸盆苗；Dihingia等[10]研究了盆栽混合料初始压实对番茄幼苗生产所需水量、株高和土块强度的影响，发现盆栽混合料与30%的蚯蚓堆肥在100 cm3的托盘槽中，压实至0.88～0.90 g/cm3，其基质块高度和强度最适合番茄苗机械移栽。

国内外对基质块育苗技术的研究大部分集中在创新育苗基质方面，探索农业废弃物替代商品基质，或将商品基质与其他材料混合以降低育苗成本；基质块成型机的研究则是为探索不同材料基质块育苗效果而研发的半自动机型，自动化、智能化的育苗装备是推动基质块育苗普及的发展方向。

1.2 自动移栽技术

自动取苗是实现自动移栽的核心技术。当前国内自动取苗技术主要以72穴或128穴的穴盘苗为对象，按照取苗原理可以分为顶出式、夹(扎)取式和顶夹组合式[11]，上述3种取苗方式为刚性取苗，存在损坏苗钵和植株的现象，为此有学者采用气吹或机械振动使钵苗与苗盘松脱后再与刚性取苗方式相结合，从而减小伤苗率[12-14]。

基质块苗在苗盘内呈独立个体放置，苗块之间存在一定间隙但无隔挡，且基质块为方体状块体硬度适中，因此，廖庆喜等[15]针对基质块苗的上述特点设计了一种往复夹取式取苗装置，该装置每次取苗只能取1株，台架试验表明，取苗成功率为93.33%，脱苗率为2.86%，基质损失率为3.75%。国内外现有基质块苗移栽机的常用的取苗方式是采用取苗铲整排取出放置在输送带，由分苗机构区分、栽植，对自动取苗的研究较少。根据现有取苗方式可以发现，基质块苗形状规则且具有良好地站立稳定性[16]，此特点可为自动取苗创造良好的条件，可采用多块整排取出或整排推送的方式，将基质块苗放入输送带，完成自动取苗动作，实现自动移栽。

2 育苗与移栽装备

2.1 育苗装备

国外对基质块育苗装备的研究起步较早，开发的机型较多，功能完备、自动化程度较高。国外基质块育苗从上料、压块、播种、覆土、装盘、转运多为流水线操作，配套设施完善，因此作业效率可达到500～600盘/h，且基质块压缩比可根据基质物料配比自由调节，切块质量和育苗成活率高，利于机械化移栽。

目前，市场主流机型以意大利、德国、荷兰等国家生产的基质块育苗流水线为代表，该类机型工作时，把配置好的营养土基质放入搅拌机的上料箱内，经输送机传送后将土摊平，经冲压机构进行压实并压制种穴，然后由切割机构切成一定尺寸的基质块，播种机构在每个基质块的种穴内点播1粒种子，经覆土机构覆土后，带有种子的基质块被装入育苗盘中，经传送带转移，最后运至温室培育。

我国研制的基质块育苗装备根据自动化程度不同，可分为半自动单机和半自动流水线两种机型。其中，半自动单机体积结构较小、生产效率较低，整机以机械传动为主，机动灵活性高，适用于中小型育苗工厂或家庭农场小批量、突击性生产；半自动流水线自动化程度和生产率较高，一次可冲压多个基质块并精量播种，但体积庞大、配套专用设备较多，维护和维修成本较高，适用于大型育苗工厂常年周期性生产。

半自动单机以农业农村部南京农业机械化研究所和某农机厂合作开发的半自动基质块成型机为代表，机器运行由人工辅助上料、装盘，基质块压缩比可根据需求调节，基质块尺寸也可通过更换模盘进行变化，播种采用人工点播的形式，配套动力1.5 kW电机，基质块尺寸40 mm×40 mm×40 mm(可定制)，生产效率3 600～4 000块/h。具有机动灵活、压块尺寸稳定等优点，适用于合作社、种植大户等。

半自动流水线与国外基质块育苗流水线工作原理相似，由上料机构将土和基质送入料斗，拨土板将搅拌均匀的土—基质混合物向压缩打孔装置输送完成整体压实、打孔，然后经输送带运送至切块装置被切成独立的方体块，精量播种装置将种子播入独立基质块的孔内，其次覆土装置对基质块种穴进行覆盖，完成播种环节的基质块被输送带继续向前输送，最后由提取装置将基质块全部提取送入对应苗盘内。整机运行由PLC程序自动控制，工作参数可根据需求进行调节，可自动完成基质压缩成型、压穴切块、精量播种、均匀覆土、整块提取、苗块装盘等功能。代表机型如2ZB-100型方体基质块育苗机，基质块尺寸40 mm×40 mm×40 mm，工作效率为42 000块/h。

对比国内外基质块育苗装备发现(表1)，国外基质块育苗装备主要集中在欧洲国家。由于务农人员稀少或用工贵等原因都以全自动或半自动的流水线作业为主，装备功能较齐全，播种方式精量化，每条流水线辅助用工数量1～3人，生产效率平均在500盘/h以上。国内现有机型主要半自动为主，半自动单机功能单一、用工量大、作业效率低，半自动流线虽能实现压块、播种、装盘等主要功能，但前、后端环节仍依靠人工操作，作业效率较国外同等水平装备仍有较大差距，因此国内采用基质块育苗的蔬菜、花卉生产企业干脆定制引进国外机型进行生产，由于国内基质块育苗方式还未形成较大普及率，装备企业自主研发积极性不高，再加上政府层面对该方面科技项目支持较少，导致我国基质块育苗装备研发进度较为滞后。

表1 国内外基质块育苗装备性能对比Tab. 1 Comparison of the performance of substrate block seedling equipment at home and abroad

2.2 移栽装备

国外基质块苗移栽装备按移栽方式可分为开沟移栽式和打穴移栽式两种方式，均能够实现成排取苗、间歇输送、单株定植等功能，移栽作业效率是穴盘苗移栽机的2～3倍，而且可以适应覆膜、平地、起垄等多种种植模式，利于实现多功能、自动化作业。

开沟移栽式移栽机是一种高速、高效的半自动移栽机械，作业对象主要针对站立稳定性较好的方体基质块苗，作业时基质块苗从苗盘被整排取出放入移栽机输送槽内，随着机器的前进，输送槽内的输送带将基质块苗向下连续输送，途经气动分苗机构将基质块苗放入开沟器开好的种沟内，然后覆土镇压机构将其覆土压实，完成栽植过程。这种机型适合棱长30～50 mm的方体基质块苗，株行距可调，可适应密植蔬菜移栽，作业效率可达到5 000～8 000株/h，作业速度达到2.5 km/h，作业效率是普通鸭嘴式移栽机的3倍以上，用工数量较现有半自动穴盘苗移栽机减少一半。代表机型如Fast Block移栽机、TRE MATIC移栽机、R2010型移栽机等。

打穴式移栽机适用于覆膜移栽模式，其取苗方式和输送部分与开沟移栽式移栽机原理相似，栽植部分则通过取苗爪或栽植器将基质块苗扎破地膜栽入土中，例如FPC型移栽机栽植机构分为扎膜打穴和夹持移栽两部分配合完成，前端由扎膜机构将铺好的地膜进行扎孔、打穴，后端取苗爪将输送槽内的基质块苗单株取出放入对应的孔穴内；R2106型移栽机则是通过栽植器扎破地膜的同时进行打穴将基质块苗栽入孔穴内。打穴式移栽机需要设置取苗爪便于对输送槽内的基质块苗进行逐个抓取，取苗爪起到分苗或定植的作用，机构的运动通过可编程单片机控制电磁阀驱动气缸(或电缸)实现，因此，栽植频率受限于取苗爪取苗速度，平均栽植频率在5 000～10 000株/h左右。

欧洲第一大鲜切菊花生产公司荷兰某公司研究了一种固定轨道式全自动基质块苗移栽机，将连栋玻璃温室分割成若干个种植单元，每天在不同的单元定植和采收，可实现从菊苗定植、生长管理、花蕾套兜、采收输送到分选包装一年四季的均衡生产。温室内铺设轨道，全自动移栽机在温室内沿固定轨道移动，可实现块苗的自动出盘、分苗、夹取和移栽，完成全自动定植过程，作业效率较高。后续生产过程除了花蕾初现时的套网兜、机械采收后的输送转移、分选后的包膜装箱等少数环节需要人工外，其他环节都全由机械完成。

国内现有的移栽机大多针对穴盘苗进行开发，基质块苗移栽机暂时处于起步阶段。农业农村部南京农业机械化研究所针对蔬菜基质块苗研制了一款2ZS-4型蔬菜基质块苗移栽机，该机由拖拉机牵引作业，拖拉机动力输出轴为移栽机各部件协同工作提供动力，操作人员通过取苗工具整排取苗、喂苗，自动分苗装置和栽植装置通过气动机构进行协调配合自动工作，由栽植器将秧苗破膜入土栽入开沟器开出的种沟内。整机一次作业可栽植4行，每人负责2行，作业效率可达55株/(min·行)，适应40 mm×40 mm×40 mm基质块苗，栽植后株距、行距均匀，调节范围较宽，可以实现膜上移栽。

华中农业大学针对油菜基质块苗开发了一种自动取分苗移栽机，该机取苗和分苗装置通过定时程序控制器接入气动系统控制气缸实现动作，作业效率为40株/(min·行)，栽植合格率为81.6%[17]，该机目前处于样机试验阶段。

山东某公司研制了一种蔬菜基质块苗移栽机，该机型采用取苗铲整排取苗，输送带送苗，苗块在输送带作用下被推送至开沟器开出的栽植沟内，适应基质块苗尺寸40 mm×40 mm×40 mm，一次作业4行，作业效率4 000株/h。该机可适应密植蔬菜的移栽作业，但由于是靠输送带的强制输送和前苗的推挤进行分苗，因此存在株距不稳定的现象。

对比国内外基质块苗移栽装备发现(表2)，国外基质块苗移栽机厂家也主要集中在欧洲国家，其主要用于生菜、卷心菜等绿叶类蔬菜的移栽，一次作业栽植3～5行，机器栽植方式有裸地开沟移栽和覆膜打穴移栽两种方式，栽植行距≥170 mm，株距≥100 mm，参数调节范围较大，由于装备普遍匹配电控和气动系统，自动化程度较高，作业效率平均在5 000株/(h·行)。国内目前研发的基质块苗移栽机暂未针对某蔬菜品种进行单独开发，为适应多数品种，作业行数以4行为主，株行距设定数值居中且调节范围广，机器以牵引式半自动为主，虽能实现整排苗单株区分，但栽植效率与国外相比仍有提升空间。

表2 国内外基质块苗移栽装备性能对比Tab. 2 Comparison of the performance of transplanting equipment for substrate block seedlings at home and abroad

3 应用前景与分析

基质块育苗采用基质与土壤混合压制而成，管春松等[7]通过研究基质—土壤配合比例为1∶2时压块、育苗、移栽效果较佳，单株基质块苗所需基质为单个块体的1/3(即21.33 cm3)。目前应用较多的72穴和128穴育苗盘单个穴孔基质容积分别为40 cm3和20 cm3。单株基质块苗所需基质容量与128穴单株穴盘苗基质容量相当，占72穴单株穴盘苗育苗基质容量的一半。穴盘苗育苗盘通常为一次性产品，基质块育苗盘则可以重复使用。以青花菜为例，种植密度为54 000株/hm2，假设采用128穴的穴盘育苗，需要28张，若按单价2元计算，则单茬穴盘成本840元/hm2，露地青花菜按照一年2茬种植，穴盘成本1 680元/年；基质块苗盘每盘装126株基质块苗，苗盘价格10元/张，每个苗盘保守用5年，苗盘成本870元/年，因此，固定投入成本较穴盘育苗减少近一半。

经核算，基质块育苗成本在0.1～0.12元/株，穴盘育苗成本在0.15元/株，每公顷节约1 620～2 700元。以牵引式半自动4行移栽机为例，由于基质块苗的取苗方式为整排取苗，可以缓解人工取苗频次，因此作业效率和用工数量均存在优势，人工费平均150元/hm2，而同行数半自动穴盘苗移栽机和纯人工移栽时的人工费平均375元/hm2。假设整地、燃油等费用为共性费用，同等行数的半自动基质块苗移栽机较半自动穴盘苗移栽机费用减少1 695～2 775元/hm2，与人工移栽相比减少1 395～2 475元/hm2。(上述计算，人工费按照100元/d计算)

基质块育苗具有制作工艺简单、取材广泛、成本低廉等优点；同时具有保水保肥、护根耐寒、受外界温度剧烈变化小、成活率高等特点；能够很好地适应移栽机械，特别是自动移栽机械高速作业的需求，显著提升了作业效率，且栽植直立度高。由上述成本分析可知，基质块育苗移栽节本增效显著，随着我国蔬菜种植面积及农民对机械化移栽的需求增长，以及国内外高速自动移栽机的迅速推广，基质块蔬菜苗必然具有广阔的生产应用前景。

4 存在问题与建议

4.1 存在问题

1) 整盘苗块重量大，人工搬运吃力。基质块是由土壤和基质混合而成的营养土，单株苗块重量在100 g左右，现有苗盘容积为126块，整盘基质块苗总重为13 kg左右，为保证较好的育苗质量和移栽效果，基质块苗盘需平行搬运以保证苗块直立状态，而国内当下实际从事农田劳作者多数为50岁以上的中老年人，在苗盘搬运过程中较为吃力。

2) 苗块之间无隔挡，移栽取苗有连滞。与钵苗穴盘不同，基质块育苗盘内部无隔挡，呈平盘状，苗块压缩成型以后以独立个体的状态放入苗盘，育苗期内由于不定期浇水，块体之间易出现粘连，且根系发达的秧苗还会出现串根现象，导致移栽时取苗困难、分苗不畅，甚至出现苗块破损的现象。

3) 自动取苗技术待突破，自动化程度待提高。现有基质苗移栽机多为半自动，取苗方式仍依赖人工，借助取苗铲一次多块取出，虽然较半自动穴盘苗移栽机的单株拔取方式效率略有提升，但仍需要多名人工辅助作业，省力不省工现象仍然存在，机器自动化程度有待提高。