国内外甘薯移栽机械研究现状及展望

摘 要： 随着甘薯产业的发展，机械化水平不断提高，尤其以耕整地环节发展最快，但移栽机械适用机型的匮乏使移栽环节成为产业发展的瓶颈，严重制约了甘薯耕种收综合机械化发展。简述了国外甘薯移栽机械主要型式，分析了其作业特点及适用范围；列举了国内现有甘薯移栽工具和机械，分析了其结构特点和适用的栽植模式；根据目前国内甘薯栽植新技术，对甘薯移栽机械前沿技术进行了分析；对我国甘薯移栽机械研究重点和发展目标提出建议。

关键词：甘薯；移栽环节；移栽机；种植机械；分苗装置

中图分类号：S223 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）09-0012-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.002

0 引言

世界甘薯主要产区分布在北纬40°以南，其中栽培面积以亚洲最多[1-3]。我国是世界上最大的甘薯生产国，种植面积和总产量均居世界首位；甘薯种植除极寒、极旱和土壤过于贫瘠的地区外，其他地区均有分布[4-6]。

我国虽是甘薯生产大国，但其机械化生产技术较落后，甘薯耕种收综合机械化水平不足30%[7]。特别是移栽环节，除少数地区应用人工辅助喂苗的移栽机进行作业外，大多数地区依靠人工借助简易工具进行移栽，甚至完全依靠人工作业，机械化水平lt;10%，用工量占整个生产过程的50% 以上，除用工成本逐年增加之外，面临更严峻的问题是目前农村可用劳动力年龄逐年增加、数量逐年减少，严重影响了甘薯产业的健康发展，急需高效、适用机型的推广应用以解决甘薯移栽瓶颈问题。

由于甘薯裸苗（主要是薯块育苗和大田采苗两种，以下简称薯苗）自身的特殊性状导致机械化自动快速分苗极其不易，目前世界上所使用的甘薯移栽机均为需要人工辅助喂苗的半自动移栽机械[6]。这类机械作业效率受限于辅助人员喂苗速度，一般单人单行供苗速度30～40 株/min，因此作业效率相对较低。鉴于甘薯种植农艺需求，在现有技术下，利用鸭嘴式、吊篮式移栽机械均难以满足斜栽、平栽或舟底形移栽对薯苗入土部分所处形态的要求。

1 国外研发进展

甘薯种植面积较大的美国，甘薯移栽机主要向大型化、标准化、智能化方向发展；日本、韩国等由于种植田块相对较小，甘薯移栽机主要向小型化、自动化方向发展。印度、埃及、尼日利亚等甘薯种植面积排名相对靠前的国家甘薯移栽机发展相对滞后。

1.1 大型甘薯移栽机械

美国甘薯主产区集中在北卡罗来纳州和路易斯安那州等地[2]。依其独特的大农场生产优势，研发应用与大型拖拉机配套使用的几行甚至十几行大型移栽机械，实现单次多行作业，以提高作业效率，辅以施肥、灌溉等功能，一次性完成整个移栽过程，如图1 所示。

这类大型甘薯移栽机以链夹式为主，一般用于单垄单行移栽模式，每行配备2 名辅助喂苗人员，受限于移栽装置运动轨迹，一般仅能实现斜栽。开沟装置在种植垄上划开种植沟；移栽装置将薯苗置于种植沟中，覆土镇压装置将种植沟两侧土壤回填并压实，完成整个移栽过程。其中，移栽装置通过地轮带动链夹绕轴转动；辅助喂苗人员手动分苗并将薯苗置于苗夹中；苗夹闭合并将薯苗带向种植沟，到达最低端时苗夹打开放下薯苗，并以打开形式转向喂苗处，待辅助人员将薯苗置于苗夹中，进入下一个循环。每个链夹轴上设置多个苗夹，转轴转动一周完成多株薯苗移栽。

1.2 小型甘薯移栽机械

目前已应用的小型甘薯移栽机械主要以日本生产的手扶式单垄单行移栽机为代表，适用于山地丘陵、平原小地块等作业面积较小的区域，如图2 所示。

操作人员将移栽机调整至与栽植垄方向一致后，设置前进方式为定速自走，操作人员跟随移栽机及时向输送带供薯苗，移栽装置位于机具下方，苗夹取薯苗插苗快速完成，后置压苗装置将移栽孔压实，完成移栽过程。其中，苗夹以张开形式到达取苗位置，快速闭合夹住薯苗，通过向下的运动将薯苗插入土壤，苗夹在土壤中张开并向上提起，将薯苗留在土壤中，苗夹回到取苗位置，进入下一个循环。

该机移栽效率1 700～2 000 株/h（作业效率取决于辅助人员供苗速度）。虽然在移栽深度和角度方面可进行调整，但该机仍仅可实现斜栽。

2 国内研发现状

目前，除纯人工移栽外，我国应用最多的是甘薯栽插器。产品或样机：国家甘薯产业技术体系与南通富来威农业装备有限公司合作研发的链夹式甘薯移栽机系列、运城市农业机械化科学研究所研制的甘薯苗开穴注水移栽机、山东火绒农业科技发展有限公司生产的带夹式甘薯移栽机系列、河北省农业机械化研究所有限公司研制的甘薯水平移栽机系列、山东金薯王农业机械制造有限公司研制的链式甘薯平卧栽苗机和山东省农业机械科学研究院研制的丘陵山地甘薯膜上仿形扦插移栽机等。

2.1 甘薯栽插器

甘薯栽插器是一种手持式移栽苗夹，移栽作业时，操作人员一手持苗，一手持栽插器手柄，利用栽插器端部凹槽或苗夹将薯苗根部插入土壤，解决了人工插苗对手部的伤损、移栽深度控制等问题。经过多代改进，可实现斜栽或水平移栽，常用形式如图3 所示。

2.2 甘薯开穴注水移栽机

山西省农业科学院及运城市农业机械化科学研究所共同研制，由悬挂装置、机架、地轮、破膜开穴注水轮、水箱、注水控制开关、秧苗架和座椅等组成，如图4 所示[8-9]。主要用于起垄覆膜地块移栽作业。作业过程中，移栽机用于在地膜上开孔成穴，并向穴孔内注水，解决了传统人工开孔、灌溉和行走问题，但插秧覆土工作完全由人工完成，两人共同完成一行移栽，效率较低、劳动强度大。

2.3 链夹式甘薯移栽机

较早开展链夹式甘薯移栽机研究并进行应用的是南通富来威农业装备有限公司，借鉴国外甘薯移栽机械技术，在烟草移栽机的基础上进行甘薯移栽试验和改进，实现薯苗斜向移栽。“十二五”期间，与国家甘薯产业技术体系合作研发生产了系列链夹式甘薯移栽机械，采用模块化单体移栽结构，实现了从单垄单行到多垄单行（每垄上移栽1 行）的快速增减，如图5 所示。 集垄上开沟、移栽、覆土和镇压功能于一体，行距、株距、移栽深度均可调整。

该系列移栽机对移栽前制备的栽植垄垄距和直线度要求相对较高，作业后需要及时灌溉。在使用中发现上述问题后， 逐步进行优化改进， 增加了起垄（或旋耕起垄）、施肥、铺滴灌带（或浇灌）等功能或部分功能的复式移栽机，如图6 所示。目前已有更多企业参与到此类机械的研制生产。

链夹式甘薯移栽机以开沟覆土的方式进行移栽，为避免对地膜的破坏，使其仅能用于未覆膜地块使用；若移栽后覆膜，则还需要人工破膜掏苗覆土，效率低、用工多。因此，这类甘薯移栽机一般用于非覆膜地块垄上单行斜向移栽。

2.4 带夹式甘薯移栽机

较早开展带夹式甘薯移栽机研究并形成产品的是山东火绒农业科技发展有限公司。借鉴日本小型甘薯移栽机技术，研制带夹式甘薯复式移栽机，如图7 所示。拖拉机带动移栽机，施肥、起垄（或旋耕起垄）、铺设滴灌带（或浇灌）、覆膜、移栽和压苗一次完成。辅助喂苗人员将薯苗分开并逐一放置在输送带相应苗位，通过输送带将薯苗输送至底部取苗位，苗夹从取苗位处将薯苗夹住并插入土壤，苗夹运动轨迹决定薯苗移栽形式（斜向移栽、舟底形移栽或水平移栽），目前试验机具为斜向移栽形式。

带夹式甘薯移栽机采用扦插钳插苗方式移栽，可实现不覆膜起垄移栽或起垄覆膜破膜移栽作业。通过调整限深轮高度调整移栽深度，由于输送带长和取苗位均固定，因此在株行距调整方面受限。

2.5 甘薯水平移栽机

近年来，鲜食型甘薯消费比例呈逐年增加的趋势[10]。鲜食型甘薯对薯形要求相对较高，因此，鲜食型甘薯的栽植一般采用舟底形移栽或水平移栽形式。河北省农业机械化研究所有限公司开展了甘薯水平移栽机的研究，已有双垄单行（一次起两垄，每垄栽1 行）甘薯水平移栽机和单垄双行甘薯复式移栽机两种型号产品，如图8 和图9 所示。

双垄单行甘薯水平移栽机适用于起垄、起垄覆膜或平作种植的甘薯秧苗移栽，可以一次完成薯苗水平扦插、镇压作业。地轮驱动扦插钳控制盘及薯苗输送装置，限深轮及调平装置调整移栽深度。主要特点是同轨道多扦插钳同步控制，取苗、夹持输送、水平扦插和同孔返回连续完成；水平仿形扦插，扦插钳原（同）孔进出，垄面（地膜）开孔小，更利于土壤同步压实、保墒，促进多薯块均匀生长。

在双垄单行甘薯水平移栽机的基础上，增加移栽前的施肥和耕整地功能，并优化输送苗机构，形成了单垄双行甘薯复式移栽机，可一次完成施肥、旋耕起垄、铺设滴灌带、覆膜、膜上条带覆土、膜上水平扦插移栽及镇压作业。主要特点是将原来的2 人为1 行供苗，提升为1 人为2 行供苗，有效减少了辅助喂苗人员数量。

水平移栽机以机械方式代替了人工水平扦插，提高了行距、株距、移栽深度一致性，并逐渐形成系列产品。但受限于人工辅助喂苗频率，机具作业效率仍难以得到显著提升。

2.6 链式甘薯横向平卧移栽机

根据甘薯横栽农艺技术，山东金薯王农业机械制造有限公司推出一款链式甘薯横向平卧移栽机，如图10 所示，可一次完成施肥、旋耕起垄、垄上横向平卧放苗、上土埋苗、镇压和铺设滴灌带等作业。人工分苗并摆放在薯苗输送链上，输送链将薯苗依次运送到接近垄顶处放下，侧方上土装置将土壤抛送至垄顶之上为薯苗覆土，仅留端部3～5 叶在垄侧外，实现甘薯横向平栽。

该机用于甘薯不覆膜移栽作业，薯苗放置方向与机具前进方向垂直，结构相比扦插移栽简单，作业效率及漏栽率仍受辅助喂苗人员供苗情况限制。

2.7 丘陵山地甘薯膜上仿形扦插移栽机

借鉴日本小型甘薯移栽机技术，山东省农业机械科学研究院研制成功了适用于丘陵山地使用的甘薯膜上仿形扦插移栽机，如图11 所示。在植苗装置转速40～50 r/min 时，对黄淮海地区常用薯苗的取苗率在99% 以上，薯苗栽植后与地面平均夹角53.8°，符合斜向移栽要求[11]。前置式仿垄形行走控制装置，保证机具行走方向始终与垄向一致。

该机解决了丘陵山地甘薯移栽机械化问题，但作业效率与操作人员行走速度及摆放苗速度有关，仍存在较大提升空间。

3 研究进展

除上述移栽机产品外，通过调研走访、查阅资料等方式，对目前同步开展的多种形式甘薯移栽机械相关技术研究进行了分析。

3.1 气动式甘薯移栽机

郑州科技学院车辆与交通工程学院延伸现有的半自动化秧苗插扦机构，设计了甘薯秧苗气动扦插装置控制系统[12]。控制系统采集驱动地轮上遮光盘脉冲信号，从而控制气动扦插装置动作。

河北省农业机械化研究所有限公司联合河北省雄县义成农机具厂共同设计了气动式甘薯横向舟底形移栽机，如图12 所示。采用气动推拉杆结构，通过气缸带动插苗杆，株距控制由地轮带动齿圈，齿圈连接行程开关，每转动一个齿，行程开关传递一个信号，气缸伸出一次，进行一次插秧。

3.2 甘薯苗带（苗盘）移栽机

甘薯苗带移栽机是在移栽前对薯苗进行预处理，将薯苗固定在一定宽度、具有黏性的条带上，或通过编织方式利用可降解绳将薯苗按株距要求等距固定，并卷成盘状，然后利用可对苗带（苗盘）进行栽植的机械将连续不断的薯苗栽入土壤。

北京市农林科学院智能装备技术研究中心联合江苏大学农业工程学院共同开展了基于预处理苗带甘薯裸苗自动移栽机的研究。通过建立薯苗触地弯曲与苗根运动的数学模型对薯苗栽植过程进行运动学分析，苗带端部从喂苗装置脱离经导向装置进入移栽装置的挠性圆盘，绕行圆盘转动，将苗带输送到地面栽植沟内并释放；同时，在预处理苗带喂苗装置和挠性圆盘栽植装置基础上设计了一种甘薯裸苗自动移栽机，机具将苗盘上的苗带通过挠性圆盘栽入垄顶，然后覆土镇压，实现甘薯苗带顺垄类水平移栽[13-14]。当移栽株距确定为25 cm，作业速度0.25 m/s 时作业性能最优。

安徽农业大学工学院联合安徽省农业机械试验鉴定站等单位共同开展了线式供苗全自动甘薯移栽机的研究[15]。先将薯苗用线绳固定并以打捆的方式储存在圆盘式苗盘上，在作业时，引出胶带夹住线式薯苗并输送至开沟器入口，在重力及线绳作用下，薯苗落入栽植沟内，两侧覆土镇压，实现薯苗顺垄斜向移栽。

河北省农业机械化研究所有限公司针对甘薯覆膜移栽过程中对地膜的破坏及现有甘薯移栽机作业效率低等问题，提出一种分体覆膜移栽方式，即覆膜、栽苗、覆土、再覆膜和覆土，并设计了一种基于红薯苗成卷的分体覆膜播苗机[16-17]。施肥、起垄并垄侧覆膜，然后播苗机构将苗卷（由连接线串联间隔设置的薯苗卷绕而成）卷盘上的薯苗铺放在垄顶栽植区内，可同步铺设滴灌带，随后苗上覆土、覆膜、镇压，完成移栽过程，如图13 所示。该机可进行单垄单行、单垄双行移栽，作业完成后，薯苗在土壤中姿态与垄顶栽植区断面一致（可实现斜向移栽、舟底形移栽、水平移栽等），苗向可为横向或与垄向呈一定角度分布。

3.3 甘薯移栽机关键机构部件研究

海南大学机电工程学院、信息与通信工程学院共同对甘薯水平移栽机构优化问题开展研究[18]。以平面四连杆机构为基础建立水平栽插机构运动数学模型，确定各杆长度和主要角度，并利用EDEM-ADAMS 进行移栽过程仿真试验，在前进速度0.22 m/s、安装高度181 mm 时，薯苗移栽深度和姿态合格率均在90% 以上，满足水平栽植农艺要求。

山东农业大学针对薯苗自动分苗技术，提出一种振动式甘薯裸苗自动有序分苗装置[19] 和一种振动气吸式甘薯裸苗自动分苗装置[20]。前者的振动装置为分苗装置提供振动源，薯苗经凸点板、褶皱板、压板后经改向滑板改变方向后进入分苗器，然后在重力和振动双重作用下滑落至输送胶带分隔槽中；后者采用振动加气吸的方式，薯苗从苗箱出口处滑落至气吸式传送带卡槽内，苗刷将多余薯苗阻拦使其逐一进入后续卡槽内，气吸装置通过卡槽内的吸气孔将薯苗吸住，实现薯苗的分离。这两种方式在理论上可行，但并未形成可用实体。

河北省农业机械化研究所有限公司为解决薯苗苗带（苗盘）制作问题，开展了排苗缝纫成卷机研究[21]。上苗装置将薯苗分开并置于输送带上，输送带带动薯苗至缝纫机构处，进行打结固定，形成苗带，然后卷绕成卷，如图14 所示。同时，为研究薯苗自动分苗技术，提出了滚筒式、平板式自动分苗方案，如图15 所示。滚筒式自动分苗装置的滚筒轴上均布多个分苗齿盘，分苗齿盘上根据薯苗根部和顶部粗细不同，开设不同尺寸卡槽，在滚筒轴转动的同时，将薯苗分开，试验过程中由于转速、卡槽位置和大小、分苗齿盘数量匹配问题导致薯苗损伤率高。平板式自动分苗装置利用振动产生位移原理，在不同位置设置不同频率、不同振幅振动电机，同时平板各方向倾斜角度可调，在此基础上进行反复试验，以寻求最优配置方案。

4 结束语

在甘薯机械化生产技术完善提升方面，打破机械化移栽瓶颈问题，需要统筹农机、农艺技术融合点，同时，融汇多学科理论，以简单、实用为目标，开展薯苗自动分离技术研究。

（1）宜机化农艺技术的优化完善。在自动分苗技术尚未成熟之前，受人工供苗速度限制，机械移栽效率难有显著提高。宜在农艺技术方面进行宜机化改进，一是在田间移栽前，先将薯苗进行预处理，使之成为便于移栽的形式（苗带或苗盘等），薯苗预处理场地可为厂房或某些固定场地，预处理操作人员集中作业，可降低辅助人员劳动强度，同时提高田间移栽作业效率。二是对薯苗进行预筛分，将适于机械化移栽的品相直、直径粗细均匀的薯苗多余茎叶去除，便于移栽机取苗器取苗，可降低漏栽率。

（2）宜机化品种选育。薯苗形态是影响自动分苗的关键因素之一，选育适宜机械化分苗、移栽的品种，对实现机械化高效移栽具有重要意义。

（3）薯苗自动分离技术研究。无论是薯苗预处理后移栽，还是直接机械移栽，均需要对薯苗进行分离处理，因此薯苗自动分离技术是决定甘薯移栽效率的关键因素。融合机械、电气、液压、信息、仿生和人工智能等多学科技术，攻克甘薯裸苗自动分离难题，提高机械化移栽作业效率和质量。

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