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盆栽花卉自动移栽技术研究现状 运用移栽技术的花卉生产方式已经成为现代温室花卉生产中的主要种植模式，针对目前盆栽花卉移栽人工劳动强度大、生产效率低等现状，对国内外盆栽花卉自动移栽技术发展现状进行了研究，总结了中国盆栽花卉自动移栽技术存在的主要问题，并提出相应的发展策略，旨在为实现我国盆栽花卉的现代农业工厂化种植提供一定参考和借鉴。 引言 盆栽花卉具有极高的观赏价值，又因其时效性长和运输方便的特点，在城市环境美化以及生活装饰方面的应用越来越广泛，在盆栽花卉市场急剧扩展的情形下，对盆栽花卉温室种植自动化设备的需求也日益增长。花卉移栽技术可以保证花卉有适当的空间进行生长，保持花卉长势均匀，缩短花卉的生长周期，达到增产创收的目的，已经成为现代温室盆栽花卉生产中的主要种植模式。盆栽花卉移栽需要先将花苗从育苗穴盘移栽到小花盆，花苗生长到一定阶段，再移栽至大花盆，花苗移栽工作虽然并不复杂，但是人工移栽劳动强度大，生产效率低，因此研究盆栽花卉自动移栽技术对提高移栽生产率，降低劳动强度，解决盆栽花卉高需求率和低生产率之间的矛盾，促进农业现代化具有重要意义。 然而，目前国内盆栽花卉配套种植设备并不完善，基本还是以人工种植为主。文章对国内外盆栽花卉的穴盘苗自动移栽技术和盆与盆之间自动移栽技术的研究现状进行了分析和总结，并提出了一整套盆栽花卉自动化种植装备。以期为实现盆栽花卉的现代农业工厂化种植提供一定参考和借鉴。 国外盆栽花卉自动移栽技术研究现状 国外欧美等发达国家在移栽领域的研究与应用起步较早，20世纪30年代就出现了手动喂苗的半自动移栽机，到20世纪50年代半自动移栽机的结构形式更加多样化，到20世纪80年代半自动移栽机已经形成系列，并在花卉、蔬菜幼苗的生产中广泛应用。近10年来，国外的移栽技术已基本成熟，自动化程度高，移栽后的农作物完全达到农艺要求。目前，欧美一些农业较发达的国家，如法国、德国、荷兰和美国等，大部分的蔬菜生产和几乎全部的温室花卉生产都采用育苗移栽种植模式。 1987年，美国奥本大学的L.J.Kutz等设计了以Puma560三自由度机器人为主体的苗圃植物移栽机器人，如图1所示。该移栽机器人末端执行手爪是在Unimation510平行手爪的基础上设计改进的，改进的设计包括增加了开度调节螺母，在每个平行手爪的内侧增加了一片轻质金属夹片，夹片在手爪的带动下张开和聚拢，张开和聚拢的位置相距20mm，在夹取幼苗时，夹片偏转3mm，施加在幼苗土基质上的力不超过4N，保证在夹稳土基质的同时不损伤幼苗。该移栽机器人可以将幼苗从392孔穴盘移栽至36孔的生长盘中，3.3min能完成36株幼苗的移栽工作，移栽存活率达到96%。利用电脑辅助设计系统模拟实际作业情况，结果表明，穴盘与生长盘的相对位置对移栽效率影响最大，当穴盘与生长盘并排放置时移栽效率最高。 荷兰Visser公司是目前国际上最大的温室园艺设备供应商，该公司对温室移栽机进行了深入研究并成功研发出多款自动化移栽机产品，规格多，适用性强。Pic-O-MatPF-2型移栽机是专门用于花卉盆栽的机型，如图2所示。为确保完美的移栽效果，Pic-O-MatPF-2型移栽机配备了2套移栽手爪，新型的伺服控制系统和专用软件使设备具有高度的灵活性，使用相同的移栽手爪可适应72-600孔的各种类型的源托盘，可编程用触摸显示屏菜单中可存储和选择100种种植组合，工作人员可以根据实际需求自由进行种植组合，包括每盆多株植物，工作效率为4000株/h，由于使用时要和专门的花盆输送设备配合使用，故通用性较差。 澳大利亚TransplantSystems公司生产的XT616型茶树苗专用移栽机，如图3所示。该移栽机是具有独立机电系统的移栽机的典型代表，采用PLC可编程逻辑控制器实现对步进电机、气缸等驱动装置的自动控制，用户可根据自己的实际需求简单更改模块化程序，调整移栽机械手末端执行器的动作幅度，同时配有多种型号的机械手末端执行器，以适应不同规格穴盘苗的移栽作业，并且该移栽机的输送平台可进行折叠，节省作业空间，适用于大型育苗生产线和中小育苗户，缺点是栽植对象只限定于茶树苗，局限了该移栽机的适用性。 意大利UrbinatiRW32型移栽机具备最新的自我诊断功能，源托盘为穴格盘，目标盘为花盆，最大工作宽度为2100mm，移栽手爪的轴间距最小为31mm，可同时容纳36个无线控制电动手爪连续工作，如图4所示。该移栽机极大的提高了工作效率，每小时最多可以移栽36000株。 加拿大CMP自动化公司是目前国外少数实现花卉幼苗从小盆向大盆移栽的厂家，该移栽机采用的是“筑模成穴”的方式，先在大花盆内通过模芯筑出一个和小花盆同等尺寸的空穴，然后在空穴中放入一个与小花盆同等尺寸的支撑套，该支撑套的作用是防止周边土基质塌陷，支撑套底部是镂空的，移栽后的花苗根部与大花盆底部填充土基质接触，可继续生长，如图5所示。虽然未来该支撑套可回收利用，但其影响了花苗根部与周边土基质的接触，还增加了成本，同时降低了观赏性。 中国盆栽花卉自动移栽技术研究现状 中国于20世纪60年代初就开始了移栽机械的试验研究工作，但由于农机和农艺标准不统一，更没有对育苗移栽机械化过程的种种技术难题进行科学和系统地分析研究，致使这一技术搁浅。近年来，随着中国设施农业的发展和工厂化育苗技术的引进，对自动移栽设备的需求日益增长，但由于国外引进的移栽设备存在价格昂贵、操作复杂以及通用性差等问题，所以相关部门又加大了研发力度，目前国内高校和科研院所在花卉自动移栽技术方面已经取得极大的进展。 1996年，吉林工业大学范云翔等研制出了一种空气整根气吸式穴盘苗自动移栽机，如图6所示。该移栽机能够实现幼苗从穴盘到盆的自动化移栽,且整个移栽过程中幼苗与运动部件不直接接触，伤苗率低。其末端执行器由单片机控制的步进电机驱动，因此位置移动精度比较高，工作可靠性比较强，但该移栽机只适用于水稻幼苗的移栽，若用于花卉和蔬菜幼苗的移栽，易折断茎叶。 中国台湾吕英石等研制出了气压式可调整花卉穴盘苗移栽机，如图7所示。该移栽机能够实现人机交互、穴盘供盘、穴盘定位、穴盘苗夹持和移栽等功能，穴盘苗定位机构和夹持机构分别由PLC可编程逻辑控制器顺序控制的步进电机和气压驱动，2个机构配合完成移栽动作，一次性可从穴盘移出6株幼苗并栽植进下方的营养钵中，但其自动化程度较低，且移栽效率不高。 北京农业智能装备技术研究中心冯青春等针对盆栽花卉幼苗从穴盘到花盆移栽过程中存在的缺苗、病苗及畸形苗等问题设计了基于视觉识别的花卉幼苗智能移载机，如图8所示。该移栽机主要由视觉识别系统、定位机构及移栽手爪组成，由工业相机对穴苗特征进行采集，视觉识别系统进行识别，计算穴盘各个穴孔位置，对缺苗、病苗以及畸形苗的穴孔位置进行标记，并将信息传送至定位机构控制系统，定位机构控制移栽手爪对正常穴苗进行移栽，剔除不正常的花卉幼苗，提高移栽质量，但由于引入了视觉识别系统，导致作业成本过于高昂，不适于大规模推广。 北京工业大学对自动化移栽技术的研究工作在近几年发展迅速，为缩短研发周期和降低开发成本，首次将模块化设计的思想运用于移栽机的研发过程，按照功能单位分解的模块化设计思想，结合移栽机的机构特点，开展了对移栽机的模块化设计。目前在穴盘苗移栽和花卉盆间移栽方面已取得了一定成果，并在样机的基础上进行试验，结合创新方法TRIZ理论在结构方面进行了多次优化，极大的提高了移栽效率。 为实现花卉、蔬菜幼苗从密穴盘到疏穴盘的自动化移栽，研制了JXPYZ-1型穴盘苗自动移栽机，如图9所示。该移栽机的手爪具有独创性，为一种具有抱抓功能的组培苗移栽手爪，如图10所示。抓取幼苗时，采用两侧同时抱抓的形式进行幼苗的抓取，抓取能力强，伤苗率低，性能稳定可靠，为增强移栽机的适应性，该移栽机配备了多套移栽手爪，可同时适应不同规格的穴盘间的移栽作业，工作效率可达1500株/h，在幼苗抓取成功率和移栽效率等方面较其他移栽机均有明显提升。 为实现花卉从小花盆到大花盆之间的自动化移栽，研制了APFT-11-17型自动盆花移栽作业线，如图11所示。该移栽作业线通过自动落盆、一次覆土、二次筑模、自动移栽等主要步骤可完成全自动盆花移栽过程，能够将生长于110mm规格花盆中的花卉移栽至170mm规格的花盆中，移栽装置如图12所示。在初步完成样机制作后针对覆土机构和移栽手爪又进行了优化设计，使移栽效率达到了2000盆/h。
此外，为实现一次性将3株花卉幼苗从穴盘中抓取出来，同时移栽入一个花盆并呈“品”字型排列的移栽要求，研制了HMCZ-3-1型全自动穴盘苗成组移栽生产线，如图13所示。该移栽生产线包括落盆装置、覆土装置、筑模成穴装置、穴盘苗抓取组合移栽装置四部分。穴盘与花盆之间移栽作业首先需要将土基质填入花盆，并使土基质形成孔穴；然后通过夹持手爪将幼苗从穴盘中取出，并以三苗一组的形式进行组合，组合后三苗一组放入孔穴中，完成移栽作业，移栽过程如图14所示。目前国内外相关农业机械领域虽然针对穴盘与花盆之间的移栽作业已有一定研究，但尚未涉及到花苗组合移栽的问题，因此该移栽生产线具有一定创新性。
盆栽花卉自动移栽技术存在问题及发展策略 从上述国内外研究现状可以看出，盆栽花卉自动移栽技术在国外比较成熟并已广泛应用，国内研究起步较晚，总体技术水平较低。虽然我国的现代农业工厂化发展已初具规模，但因配套栽植设施不完善，造成难以形成大规模的商品工厂化生产，并阻碍了经济效益的进一步增长。现阶段中国盆栽花卉自动移栽技术方面存在的主要问题有： （1）从国外引进的性能先进的温室花卉、蔬菜穴盘苗移栽机，在实际生产中存在价格高昂、操作复杂以及适应性差等问题。 （2）现有的移栽机大多是针对大田移栽或种苗盘到营养钵的，穴盘与穴盘间、穴盘与花盆间以及花盆与花盆间的自动移栽技术还不成熟，多停留在研究阶段，工厂化应用还未普及。 （3）移栽机的设计要求和农艺种植要求没有统一的标准，造成移栽机通用性差，并且现有的移栽机工作效率普遍较低，无法满足农艺种植要求，可靠性较低。 中国温室种植面积居世界首位，因此研发自动移栽设备具有广阔的需求空间和市场前景，在借鉴国外先进移栽技术的基础上，针对现阶段中国盆栽花卉自动移栽技术方面存在的主要问题，提出以下三点发展策略： （1）推进温室盆栽花卉种植模式向机械化、自动化和智能化方向发展。以政策为导向，鼓励自动移栽设备的自主研制、开发和推广。只有掌握核心技术，才是提升移栽技术水平和推进市场化进程的关键所在。 （2）研制适合中国温室花卉种植现状的自动移栽设备。综合考虑育苗、移栽和收获环节之间农艺和农机之间的联系，根据不同育苗方式、不同穴盘类型以及不同土基质在移栽机上配备不同的移栽手爪，形成一机多用的通用型产品。 （3）制定符合中国设施农业发展现状的行业标准。不仅统一农机设计标准和农艺种植标准，同时为移栽设备的工作效率、稳定性及可靠性等指标提供标准和依据。 结论 发展盆栽花卉自动移栽技术是解决现阶段盆栽花卉高需求率和低增长率之间的矛盾，以及推进中国现代农业工厂化种植模式的重要举措。因此，为满足设施农业生产机械化和智能化需求，研制开发具备高效、高稳定性、高性价比以及适用性强的盆栽花卉幼苗自动化移栽设备，快速有效地完成预定的移栽作业要求，实现用于将温室内盆栽花卉穴盘苗植入花盆以及用于将小花盆内的花苗植入大花盆的自动移栽技术，具有非常重要的意义。 作者：高国华，张赛（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院） 刘群（北京航天微机电技术研究所） 本公众号欢迎分享，凡转载文章，除了为作者署名外，还请在文章最前或者最后注明：本文转载自：温室园艺农业工程技术公众号。 |
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