中药材移栽机械的研究现状与展望

中药材移栽机械的研究现状与展望

白佳佳 ，张陆海 ，孙伟 ，张华 ，刘小龙 ，李辉

（1.730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院；

2.730020 甘肃省 兰州市 甘肃省农业机械化技术推广总站）

0 引言

移栽又称移植，是将已培育好的幼苗移栽到大田的一种农艺，可增加土地复种指数，大幅提高作物产量及品质，机械化移栽可提高种植质量且降低生产成本[1]。采用移栽方式种植的旱地作物有粮食作物、经济作物和药用作物等三类，其中粮食作物有玉米等，经济作物主要有棉花、蔬菜、烟草、油菜等，药用作物有丹参等。以上三类相比而言，移栽种植方式在经济作物的运用最为广泛[2]。

随着中医药事业的发展，我国中药材消费规模呈稳步增长态势，“十四五”期间，中药产业的主要目标是稳定种植面积，提升药材质量，提高安全水平，助力健康中国战略实施[3]。新冠疫情发生之后，中医药在防疫治病方面的突出作用被越来越多的人所认可，人们发现，我国的中药材种植正在朝着产业化、规模化、集中化的方向发展。然而，在生产过程中，往往会遇到一些问题，比如人工成本高以及劳动力不足。采用机械化移栽不仅可以大大降低劳动强度，减少人工成本，提高生产效率，而且种植的秧苗行距、株距、深度一致，有利于后续施肥、除草、喷洒农药和机器人采摘等机械化田间作业，是实现作物全程机械化生产、规范化管理的重要环节[4]。近年来随着移栽技术的不断发展，移栽机械的自动化、智能化也逐渐成为一种必然趋势，目前，在农业移栽领域，出现了种类繁多的移栽机械，以减轻人们劳动作业的强度，而且使用移栽机械能够更加便捷、快速的完成移栽作业，提高工作效率。为此，本文介绍了国内外移栽机的发展现状和中药材机械化移栽关键技术，分析了其中存在的问题并提出了建议及未来发展方向，旨在为进一步研究中药材移栽机械的设计提供参考。

1 国外移栽机械的发展现状

国外机械化移栽技术的的研究起步较早，其自身的科学技术水平以及机械的自动化程度也较高。1930年左右就已经出现手工喂苗的移栽机械，这是国外移栽机械化的开始；1950 年左右，欧洲的一些国家研发出了很多结构形式不同的半自动移栽机；到 1950 年前后，半自动移栽机已在欧美等发达国家的农业机械化生产中被普遍使用[5]。到本世纪初，由于栽植技术和设备的快速发展，日本等国家已经大规模开发和应用了全自动移栽机，移栽机的自动化、机械化程度都非常高。

移栽机从栽植器型式分，有夹持式、挠性圆盘式、导苗管式等多种[6]。夹持式移栽机在工作时，将中草药的幼苗置于夹具上，然后幼苗随着托盘或链条转动，待幼苗进入开沟器所开的沟槽时，夹具张开，幼苗落入沟槽底部，然后用覆土镇压轮覆盖其根系，并夯实周边土壤，即可完成栽植[7]。目前国外主要机型有日本久保田的 A-500 移栽机、美国的 Dzchc-Dip 移栽机、荷兰 Michiga 公司生产的 MT 移栽机、意大利生产的NADR1 玉米钵苗移栽机。挠性圆盘式移栽机在工作时，首先将幼苗放在传送带的槽口，传送带将幼苗送入由两个圆盘构成的栽植装置中，挠性圆盘带动幼苗旋转，在幼苗与地面垂直时，两个橡胶盘分开，幼苗掉入开沟器挖出的沟里面，覆土碾压，即可完成工作[8]。目前国外主要有德国 PRIMA 公司生产的夹盘式压缩土钵苗移栽机、法国生产的皮卡多尔移栽机、日本久保田公司生产的 KN-P6 半自动大葱移栽机。导苗管式移栽机在工作时，将幼苗放入供苗机构，当供苗机构转动到导苗管上方时，供苗机构下方开启，幼苗通过重力向下落入导苗管内，通过倾斜的导苗管将幼苗导入开沟器所开的沟槽内，再进行覆盖[9]。导苗管式移栽机的研究和推广比较多。国外主要有荷兰米启根公司生产的 Mdole4000 型移栽机、意大利生产的 TEX2 型移栽机等。

目前，尽管在国外移栽技术已经相当成熟，栽植出来的作物可以满足农业生产的需要，而且工作可靠性也很高，但是半自动移栽机在工作工程中，需要人工喂苗，作业效率较低，每人只能负责一行，人工长时间工作易疲劳。而全自动移栽机的结构较为复杂，造价及维护成本较大，整机通常配备机电液气系统，长期运行稳定性偏低。随着科技的进步，科技工作者将在移栽机械上采用了自动控制技术和传感器技术，并融合了机电、液气一体化控制技术，使移栽过程朝着全自动化、智能化的方向发展。

2 国内中药材移栽机械的发展现状

我国的移栽机研究始于 20 世纪 60 年代对棉花钵苗和甘薯秧苗的移栽试验研究，70 年代开始研制甜菜裸根苗移栽机，80 年代研制成功半自动蔬菜移栽机，90 年代钵苗移栽机迅猛发展。随着我国中药材、蔬菜等作物的市场需求不断发展，对移栽机械的需求也越来越大。目前，我国的移栽多以手工或半机械化移栽为主，随着育苗移栽技术日趋成熟，对提高移栽效率、降低人工参与度提出了新的要求。因此，提高机械化移栽技术的发展水平刻不容缓。

吴翠色等[10]首先设计了一种中药材幼苗移栽机，通过各个装置的协同工作，可以实现送苗、挖坑、往坑里插苗、填坑等作业，结构相对简单，但是降低了劳动强度和人力成本。马俊杰等[11]研究了一种中药材秧苗移栽机，通过架体、托盘、行走轮、拖车等各个机构之间的配合，可实现不同行距之间的高效率种植，大大提高了工作效率。在中草药生产上，由于根茎内的中草药大部分是人工移栽，种植面积不大，不能适应市场的需要，毛桂玲等[12]研制了一种旋耕斜移式六行党参铺膜施肥种植机，有效地解决了生产效率低下的问题。周明旭等人[13]研制了一种中药材幼苗移栽装置，该设备在结构上安装了一个投苗盘，在垂直锥齿轮的驱动下，水平锥齿轮与转轴一起同步转动，从而带动凸轮转动，此刻转盘带动投苗盘转动，当转到一个特定的位置时，凸轮就会把顶块推到一个方向，把转动板顶开，让中药幼苗自由地掉进投筒里，从而确保了幼苗的安全。胡玉平等[14]设计了一种中药材幼苗移栽机，通过电动推杆、滑块、马达等之间的配合，可有效地提高秧苗的移栽效率，节约人力和时间。于庆旭等[15]研制出了一种根茎型中药材露头覆膜移栽机，移栽时，移栽构件将幼苗头两两相对，轮流按序移栽，以平躺姿势移栽到土壤里面，使幼苗头对齐，可一次性完成开沟、移栽、覆土、覆膜作业，达到高质量、高效率的作业。姚磊等[16]设计了一种中药材幼苗移栽机，通过液压机、电机、螺杆之间相互配合的方式进行中草药幼苗移栽的挖孔作业,使得秧苗的移栽方式更加规范。孙伟等[17-18]设计了一种中草药种苗覆膜移栽机，依次实现开沟、幼苗移栽、覆膜、膜上覆土功能，满足不同种类中药材的覆膜移栽要求。并且设计了中草药施肥移栽机，通过调整幼苗之间的放置距离就能调整株距，一定程度上拓展了移栽机具的使用范围,可用于多种中药材的施肥移栽，不仅提高了移栽效率，同样也是中药材移栽方面的重大突破。蒲维杰等[19]引进了 2BY-6 型中草药根茎播种机，可一次性完成移栽、施肥、覆膜、放苗等多个环节，具有适应性广、功能齐全、产量高的特点。刘晓秋等[20]在传统的半自动移栽机的基础上，自行研发了一种自动取苗、喂苗机构，为今后的移栽机的发展和设计提供了参考。李成虎等[21]设计的旱地中药材自主移栽机，包括可移动式底盘、取苗装置、分苗装置、移栽装置以及动力传输部件。实现了自动化、间歇性、高效分苗的功能，避免了漏苗、缺苗现象，确保存活率，提高了整体工作性能。范志华等[22]研制出了一套中草药移栽机械的电子控制系统，该系统采用控制器、接近开关、电磁离合器和冲程开关，使移栽机实现了间歇作业，确保了移栽过程的整齐度，避免了露苗现象的移栽。陈智安等[23]设计了一种幼苗移栽机，采用空心钻管，将幼苗的根直接插进湿润的泥土中，提高了幼苗的存活率，克服了过去人工育苗费时、挖坑深度不统一、种植效率低、劳动强度大等问题，提高了绿化效率，适用于种花、种草、果树、中草药等领域，值得大力推广应用。

我国的移栽机的发展特点是起步晚、发展比较慢，在研制过程中农业机械和农业技术不能很好的结合，移栽机功能比较单一、通用性较差，缺乏完善、科学的对移栽机标准和评价的方法，移栽成本依旧较高。作业稳定性、可靠性等性能距发达农业国家还有一定差距。未来在开发和研制过程中，除了要提高移栽效率和移栽质量，移栽机械的研发也要逐渐与信息技术、机器视觉、自动控制等相结合，逐渐向智能化与信息化方向发展。

3 中药材机械化移栽关键技术

3.1 育苗质量及秧苗移栽特性

育苗是中药材机械化移栽的首要环节，育苗质量直接影响移栽质量。目前主要的育苗方式有穴盘育苗、基质块育苗、植生带育苗和其他育苗方式，以穴盘育苗为主，是国际上应用时间最早、范围最广的一种育苗技术，配套技术较为成熟，机械化程度较高。

米永伟等[24]研究结果表明，蒙古黄芪幼苗在不同播种量及播种法的交互作用下，其个体品质及群体质量有明显的差别。在 150kg/hm2 的播种量条件下，确保中草药幼苗的个体质量和单位面积产量为基准，采用覆膜式穴播方式培育蒙古黄芪种苗，其综合性能优良，且单位面积优良种苗数量最多。李旭新等[25]通过研究不同基质配比对蓝盆花育苗质量的影响结果表明，蛭石和沙的比例为 3:1 的复合基质物理化学性能达到了最佳的基质生长范围，出苗率达到 80%，在此基质上培育出来的幼苗长势最好，为以后的育苗奠定了基础。田雅楠等[26]通过对不同配方的番茄植株生长和生理指标的综合对比，发现日本山崎茄子营养溶液对植株的各项指标都有很好的改善作用，其壮苗指数最高，是番茄潮汐育苗的最佳选择。廖雅汶等[27]基于穴盘基质育苗条件下，喷施适宜浓度细胞分裂素可显著提高幼苗株高、SPAD 值、单株根鲜重、根干重、地上部鲜重、地上部干重等幼苗素质指标。马旺彦等[28]通过实验得出：容器育苗可以提升刺柏苗木的育苗质量，提高幼苗的移植成活率和保存率，且随容器大小的增加而增大，12cm×15cm 的规格幼苗生长效果最好。基质成分配比、细胞分裂素及营养液浓度等是影响幼苗生长质量的主要因素，从而显著影响移栽质量。

3.2 自动取苗技术

自动取苗是全自动移栽设备的关键技术之一，目前急需解决的问题是如何减少幼苗的损伤率，提高取苗的成活率。根据取苗器的取苗方法，可分为顶出式、夹（扎）取式、顶夹组合式，近年来，已有学者将其向气动、机械振动取苗等方面开始新的研究。

针对伤苗率和取苗成功率问题国内相关学者进行了广泛研究。浙江理工大学的俞高红等[29]研制了一款利用齿轮组控制取苗爪夹取钵苗的取苗机构，工作时，利用椭圆齿轮和非圆齿轮的互相协作，将幼苗从钵苗盘中取出，并将其置于指定的位置，然后放开使其自由落下，将钵苗送入供苗机构或移栽设备，从而实现了钵苗的自动取苗。湖南农业大学的徐玉娟、吴明亮等[30]采用双螺旋送苗机构设计了一款顶出式取苗装置，取苗成功率得到提高。高捷等[31]设计的气动取苗系统，该系统采用 LPC1114 型单片机，以电磁体和回位弹簧控制推杆式气嘴撞击苗盘底部的破结，再由电磁阀控制喷嘴喷出的喷射气流，使钵苗从穴盘中喷出，再进入钵苗传送机构，实现对幼苗的取苗控制。胡建平等[32]基于 PLC 设计了整排取苗间隔投苗运动控制系统,实现整排苗钵边插边夹,可实现低速高效取苗。叶秉良等[33]设计了一种偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系取苗结构,并采用配重法减小机构震动改善其运转平稳性,提高取苗准确性。

自动取苗技术目前多数适用于穴盘苗，由于穴盘育苗已经形成系列化、标准化，在国内外已经得到了广泛的应用[34]。而基质块育苗刚刚起步尚未形成规模，其他育苗的取苗方式还要依靠人工，因此缺乏标准化的育苗规范，其他育苗方式现存量相对于穴盘苗和基质块苗而言则更少，所以配套移栽的研究也较少。

3.3 栽植技术

通过栽植技术，可以有效避免低温、霜冻等气候条件的影响，提高秧苗的存活率，确保秧苗能满足农业生产的需要，延长作物的生长期限，并能有效的改善作物的质量，节约成本，达到增产的效果。栽植机构按原理可分为开苗沟式、打穴式和鸭嘴栽插式。在播种之前，先要挖好沟槽，然后再进行栽植。开苗沟式通常采用铲形挖沟机，先提前挖出一条沟槽，然后将幼苗均匀地送入沟中，然后进行深埋固定，其垂直度难以保证，容易发生倒伏。而打穴式虽然能提高移栽的质量，但需要精确的打孔和栽种，需要精确的配合，需要很完善的控制系统，而且结构比较复杂，所以很少有人使用。目前，鸭嘴式栽植器的使用比较广泛[35]。

山东工程学院李其昀等[36]设计了一种输送带式移栽机，移栽机械包括两个横向和斜向的传送带，工作时用手工将直立的钵苗放在水平传送带上，通过横向传送带将钵苗向前传送，然后在斜向传送带上翻转，最后在传送结束时翻转成垂直，掉入苗沟，然后覆盖土壤进行镇压，完成栽种。山东金利达公司研发的牵引式自动穴盘移栽机，利用 PLC 电气控制，可以自动、连续地进行苗盘的输送，采用的是吊杯式栽植器，自动化程度较高[37]。中国农业大学的袁挺等[38]利用气吹与振动的联合作用设计了一款取苗机构，通过喷气管喷出的空气，在圆钵顶部施加吹力，配合着苗盘的震动，将钵苗从圆盘中分离出来，再落入种植机构进行移栽。许春林等[39]设计出 Hermite 插值非圆齿轮行星轮系草莓钵苗移栽机构，用一套回转机构完成取苗、输送、挖穴与栽植４个工序，取苗成功率 92%，移栽成功率 85%。

因此需根据当前移栽机构发展的不足，并结合我国的实际情况，借鉴国外先进栽植机构的技术优势，研究适合国内多样性作物种植、农艺多样化的种植深度、直立度、伤苗率等符合要求的栽植机械。

4 存在的主要问题

4.1 农机与农艺脱节

我国大部分的机械移栽技术都是从国外引进的先进技术，在结构设计上脱离了国内的育苗、移栽农艺。与移栽技术相匹配的育苗技术、整地技术在发达国家已经相当成熟，而国内与之配套的育苗设备和整地设备却比较薄弱，技术水平相对落后，这也在某种程度上制约了中草药移栽机的推广。

4.2 地形条件复杂、生产成本高

全国各地的土壤处理状况参差不齐，有些地方的土壤状况很差，制约了移栽机械的应用。由于其结构比较复杂，对土壤条件的要求也比较高，因此要采用相应的整地设备，尽量降低对其作业的不利影响。在开发移栽技术的同时，不能一味地追求速度，还要兼顾成本与性能可靠性，寻找高效与廉价的最佳匹配。

4.3 移栽机自动化程度不高

目前，国内移栽机械的研发仍然以半自动移栽机械为主，以栽植机械为重点，反复试验居多。由于移栽机械功能结构单一、适应性比较差、机械性能也不太稳定，难以从根本上解决移栽过程中劳动强度大、移栽效率低、移栽精度低等问题。我国全自动移栽机械自动取苗、投苗、扶苗等机械设备的研制和开发还没有取得突破，与国外相比有很大的差距。

5 建议与展望

1）规范育苗作业，发展工厂化育苗，研制性价比高的、与中药材移栽机匹配的耕整地机械，制定相应的标准的、统一的栽植机制，以提升移栽机械的通用性，确保移栽机械的快速、稳定的发展。

2）减少药苗在供苗机构中的转移次数，减小对幼苗的损伤，使整个供苗体系保持完整，降低了在投苗模式下，幼苗依靠重力自由下落的不确定性。

3）减少药苗在供苗机构中的传递次数，降小供苗过程中对幼苗的损坏，实现供苗系统全程持苗，降低投苗方式下幼苗靠重力自由下落的不确定性。

4）现代技术的运用。离散单元法、虚拟样机技术等先进的技术，为移栽机械的育苗、送苗、栽植等过程的研究提供了良好的方法手段。除了进行机械动力学的理论分析，研究者还可以使用以上模拟软件进行虚拟实验，并与高速照相技术相结合，以达到优化机械结构设计的目的，提高设备的可靠性，保证移植作业的质量。

5）中药材移栽应该朝着无人化的方向发展。在大规模种植的水田中，自动导航技术与移栽机械结合，目前已比较成熟，但由于移栽对象一般都是非经济作物，所以很少有推广，而随着自动导航技术和无人机技术的不断发展，移栽无人化作业将成为今后的发展方向。