烟草种植移栽自动化应用分析

董晓清，高 飞

（云南省烟草公司保山市公司腾冲分公司，云南 保山 679100）

烟草生产是烟草业的支柱，随着劳动力成本上升，烟农老龄化加速，烟叶生长效率相对下降，我国即将面临“谁来种烟”的问题。国家烟草行业权威部门全力推动烟草生产从传统种植向现代种植转变，形成了“责任烟草”和“绿色烟草”的理念。分析机械化种植模型和基本结构性问题，除了创新制度以外，还需要以自动化机械技术作为突破口，解决现有问题。随着云计算、大数据、物联网等新一代信息技术的快速发展和深入应用，自动化机械技术与烟草生产不断融合发展，体现烟草种植的绿色循环、高产出、高经济效益优势。

在我国农业发展中，烟草移栽机最早出现在1980 年。在各高校和科研机构的大力合作下，烟草移栽机为烟草种植业的发展提供了可靠保障。从实际应用的角度来看，借助烟草移栽可以简化烟草种植的步骤，提高烟草移植的成活率。但由于实际应用与设计工作的不匹配，农民在烟草移植过程中受到多重因素的干扰，导致机械推广进度较慢[1]。近年来，我国社会经济发展迅速，农民经济条件越来越好，由于国家高度重视农业机械化，烟叶种植迎来了新发展机会。借助先进的机械化技术，使用不同类型的机械移栽设备，提高了烟草种植的现代化水平。

20 世纪末，新疆农业科学院农机化研究所研制成功2ZT-2 型烟草种植机。在其运行过程中，可利用滚筒传递动力进行烟叶转移工作，提高种植、转移、改良的水平[2]。例如，在种植中，该机械设备的滚轴先向前移动，用开沟机打开种植沟，然后用抓苗器或人工帮助将幼苗放置在转运区，水平输送带保证幼苗可以进入垂直带。随后，用种植盘将烟苗压紧，放在敞开的种植沟中。在移栽过程中，实现了压轮对覆土烟苗的压实和整机自动化操作。该机械设备结合实际情况，还拥有不同的种植移栽方法，帮助相关人员积累种植经验。在2006 年，南京农业大学等院系合作研发2ZQ 移栽机，可实现烟叶移栽种植自动化。与前一代自动化移栽机有所不同，改良机型可自动化完成挖土、浇水、栽植、施肥等。移栽烟草可提高成活率，优化了烟草种植作业的效率，减轻了烟农的工作量。2009 年重庆北卡罗来纳农业公司研制的半自动移栽机在现有基础上优化了自动补苗、扶苗流程[3]。

在种植的过程中，可将烟苗放在装有软质传送带的传送带上，防止烟气引入对秧苗的伤害，实现秧苗垂直种植，提高成活率、运行速度。借助半自动移苗，种植效率可达2 500 株/h 以上，落苗率控制在3%以下。在烟叶种植、移栽的过程中，不少农户为了提高自动化水平，不断改进各种烟叶插秧设备，将实践与理论相结合，为烟叶插秧机的研制引入新思路。先进的设施设备优化了作业流程，简化了种植模式。在设备工作时，不仅能调整除烟深度，还能自动覆盖土壤，减少塑料薄膜的损坏[4]。

种植烟草可应用“AGV 小车+机械臂”有效实现自动化。例如，在种植过程中，烟草种植工作主要是使用一套精密控制的机械臂和另一套运输机器将烟草放入种植箱中。划分好地块后，将幼苗置于种植盒内，放在叶苗培养架上。AGV 小车负责将种植架运送至温室种植区，待烟叶成熟后，AGV 小车将烟草种植箱运回采摘区。在烟草加工的过程中，与AGV 小车一起，将采摘的烟草运送到高温烘烤车间进行烘烤。燃烧烟叶后，去除多余杂物，送到脱粒干燥厂，脱粒干燥后分离包装。在烟丝生产中，通过“AGV 小车+升降机”，烟叶通过流水线进入制丝车间，分别存放烟叶和烟条。AGV 小车将物料输送到提升机，倒入压碎的烟草中并混合制成烟草添加剂。由于叶梗等各种添加剂的比例、温度和湿度的差异会极大地影响卷烟的口感和风味，因此AGV 小车必须在生产线和料仓之间不断地运送物料，以区分这些差异。

在烟草包装方面，AGV 小车将卷烟纸、烟盒运送到卷烟车间，自动流水线将卷好的卷烟卷成条。装烟设备可应用“机械臂+AGV 小车”，包装好的香烟通过流水线输送到装烟机械臂。在AGV 小车及智能仓储系统中，AGV 小车将货物运送到仓库存储台存放货物，中央系统智能划分存储区域，收集和存储数据，控制AGV 小车的周转作业。

由此可以看出，目前烟草行业使用的AGV 小车主要集中应用在烟草添加剂配送过程中，其余工作需要外围机械臂或其他自动化设备。随着AGV 小车不断完善，烟草行业的AGV 小车会做更多的工作，给烟草行业带来更多的收益。

3.1 烟草移栽自动化工作标准

烟草移栽机可栽植烟草，该机配套35 马力以上的拖拉机，具有定点定量精准施肥、肥土均匀搅拌、秧苗栽植、定量定穴浇水等作业功能。烟草移栽机主要工作原理是应用双曲轴旋转工作，通过曲轴的旋转，带动鸭嘴运动，鸭嘴与拖拉机的前进运动相复合，实现了鸭嘴的垂直起落，保证了秧苗的垂直栽植。施肥、土肥搅拌、移栽装置和浇水同步进行，保证了施肥、搅拌、栽植、施水同穴同位。更换栽植传动机构链轮，株距可调。穴肥搅拌器，可使株穴内肥土均匀、避免烧苗。秧苗投放采用横向投苗装置，保证有足够时间投放秧苗，有效减少了移栽漏苗率，提高了移栽效率。施水装置通过电器感应元件有效实现了定点定量施水，极大提升了秧苗成活率。

烟草移栽自动化设备设计标准如下，结构为悬挂式，外形尺寸长×宽×高=2520mm×1600mm×1 550 mm，机器质量530 kg，配套动力≥25.7 kW，前轮距850～1 110 mm、后轮距为930～1 250 mm，轴距为1 390～1 420 mm，轮胎型号前/后6～12 mm/中320橡胶轮。栽植机构型式为鸭嘴吊杯式，工作行数1 行，作业速度0.9～1.5 km/h，株距500 mm，深度50～120 mm，作业人数（含拖拉机手）2 个。

3.2 烟草移栽自动化工作设备

3.2.1 夹式播种机

夹式播种机主要由链条带动烟苗运输，将其置于苗槽内，然后利用控制结构打开夹钳，使烟苗落入苗槽内，覆盖地被。该自动化设备结构相对简单，生产成本低，可有效控制相邻烟苗的移栽距离和移栽深度。

3.2.2 柔性圆盘播种机

在软盘播种机中，重要部分是软盘育苗，主要是用两个圆盘控制烟苗，然后做自动移栽工作。这类设备的生产成本低，但圆盘是塑料制成的，因此容易磨损，缩短其使用寿命。在后续要针对此改进结构，延长圆盘使用寿命。此外，使用该设备时，应解决幼苗径流问题。

3.2.3 种苗管状播种机

使用导苗管时，必须将秧苗放在传送带上，运到导苗管上。借助重力，烟苗可沿渠道放置在苗沟中。其优点是可以合理调整烟苗的种植距离，降低种植落苗的概率，在小规模或大规模烟叶移栽过程中取得良好的效果。

4.1 分析自动化多区域育苗试验

4.1.1 植物生长荧光灯应用研究

在分析各种人造光源后，选择光效高、光谱连续、价格合理、安装维修方便的植物生长荧光灯。灯管28W，功耗较高，体积小，安装更换方便。研究了在育苗装置中不同密度植物生长荧光灯的放置情况后，得出结论，在全自动三维育苗系统中，荧光灯之间的距离为8 cm，安装39 盏。在每一层苗木中，既能满足相关需求，又能满足必要的照明；
既能保证壮苗的种植，又能减少装灯数量，节约能源，降低成本。

4.1.2 二氧化碳补充技术研究

通过研究不同CO2浓度对烟苗生长发育的影响，建立烟苗不同生长期CO2浓度梯度处理，确定现有的最佳烟苗。获得自动化的三维幼苗生长过程，CO2浓度在子叶期每立方米的空气中含有380 mL，在小交叉期每立方米的空气中含有600 mL，在大交叉期每立方米的空气中含有800 mL。

4.1.3 通风控温技术研究

研究控温技术可采用循环控温、湿帘控温、空调控温等方式，对比分析环境温度及详细测试结果。自动栽培系统采用循环温控技术养护种子，温控是首选方式，空调温控是附加温控方式，两者结合是最佳系统温控方式。

4.1.4 多层苗木生长架设计及多组苗繁育研究

多层苗木生长架结构分为发芽层和苗木生长层，并根据营养液托盘的液位，确定高度，最终搭建出性价比高、能有效育苗的多层育苗架。设计合理的几组苗木效果对比研究，种植阶段可达到2～4倍，苗木设备可回收利用，降低苗木使用效率和苗木成本。

4.1.5 烟叶自动育苗控制系统及配套技术的应用研究

系统搭建后，人工将烟苗分为5 个阶段，分别是发芽期、育苗期、子叶期、小交期、大交期。通过数据值，确定合适的环境控制因子，运行和控制自动控制系统，为烟苗生长的各个阶段创造最佳环境，确保环境控制条件与栽培条件相匹配，达到缩短烟苗生长期的目的。对于发芽时间，种植壮苗的目标等需要自动静置育苗系统烟苗田间比对试验，移栽后幼苗生长迅速，田间生长整齐均匀，有效叶数高。经过上述研究，最终形成了烟草自动育苗系统的技术规范。

4.2 试验数据分析

植物生长需要适宜的光、温、水、气条件，而较好的气候条件是确保育苗素质的关键因素，提供有利的光、温、气条件更能培育壮苗。通过选用植物生长荧光灯作为人工光源，对单位面积光源密度（灯的间距）、光源与育苗盘间的距离等进行试验比较，对育苗系统达到最佳温度采用不同的通风控温方式的研究和环境温度的对比分析，寻求到最佳的通风控温模式，结合常规育苗的环境因子，研究烟苗小十字期至4 叶1 心期阶段C02浓度对其生长的影响。通过以上研究从而设计出人工环境下烟苗所需的光、温、水、气条件，营造较适宜的环境，保证烟苗正常健康生长。在本试验中研究光源的选择与对比，当灯间间距合理能达到18 000 Lx 的最大光照强度，且与最低光照强度之间差异不大，在人工光源的条件下能较好地满足烟苗的光照需求，并且灯间距为8 cm 能够有较好的经济适用价值，得出壮苗指数为0.8 的较高处理组合。在调控温度方面，通过对比多种调控方式，能利用自然条件下的温差来达到温度调控的目的，且能够利用多种调控方式的组合达到最经济的育苗成本输出，为整个育苗系统的运行创造了较好的条件。研究各个育苗时期C02补充浓度，在较高CO2补充浓度条件下烟苗有较好的素质，节约成本，各个育苗时期研究对比出了较适宜的C02补充浓度。通过育苗参数的对比研究，得出了在育苗系统中最适宜的光、温、气条件，能有较好的育苗素质，且能满足育苗需求。

从移栽机对植苗效果的影响来看，在移栽烟叶时，移栽效果会受到移栽机本身的开口水平、垂直度和开口时间的影响。在转动转盘时，转运应保持垂直位置，以减少外界因素的影响，避免移位，提高烟苗转运质量。移栽苗木的效果与开放程度成正比，与覆盖地被的效果成反比，增加开度可以改善掉芽问题。关于开放时间，需要有一个合理的认识，以免过早的开放时间对烟苗造成伤害，影响烟草移栽质量。插秧机深入土壤会直接影响插秧的效果，地势越低，坑的直径越小，覆土速度会加快。在移栽烟苗时，如遇到较浅区域，需要手动调整入土深度，调整到200～240 mm，以保证育苗效果。分析使用烟草移栽机械移植的效果，在许多实践中已经证明，应用烟草植物移植自动化技术远高于人工移植速度。在机械移栽过程中，烟苗的变异系数可控制在0.4%以内，与人工移栽23.5%的变异系数相比有明显提升。

目前在烟草移栽机械的生产过程中，由于各环节衔接程度低，移栽自动化、育苗等系统的设计相互分离。尤其是在烟草插秧设备发展阶段，还没有足够的规范标准，更多是基于国外设备而不是结合自身的实际情况，影响了烟草插秧设备的国产化。同时，烟草移栽机械设备利用率低，机器本身功能比较简单，但结构却相对复杂，容易出现故障，增加了机器的维护成本。考虑到这个问题，烟草自动装填的发展趋势应该立足于现实。在推进烟草移栽自动化技术应用方面，要调动科研队伍，加强生产、移栽育苗协同，建立具有中国特色的烟草移栽设备研发机制。结合实际情况，实施自动化，提高工作效率。夹钳式移栽机价格便宜，目前应用广泛，但其本身的工作效率较低，而且伤害烟苗的概率较高。在未来的研发过程中，应将苗管播种机作为主要研发方向，推动技术创新。在烟草自动种植移栽技术的发展过程中，既要积极借鉴国外先进经验，又要结合我国国情，自主创新，研制出符合当地特色的烟草种植移栽设备。我国烟草作物主要分布在丘陵地区，这就要求设备的研发要考虑到丘陵地区的实际情况，加强研发自走式微移植机等设备，通过机械设备精准完成施肥，解决烟草种植和移栽过程中的操作问题，提高整体自动化水平。

随着科学技术的进步，应用各种新技术提高了烟草生产效率和生产力。在烟叶种植期和移栽期，引进自动移栽可以保证烟叶大规模移栽，提高烟苗成活率，增加烟叶种植经济效益。

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