农业机械工程入门：水稻插秧机——如何一次一垄地将秧苗移栽到稻田里

插秧机是一种将育苗盘中培育的秧苗按设定的行距、株距和深度移栽到水稻田中的机器。从外观上看，最引人注目的是后爪反复将秧苗推入泥土的动作。但实际上，插秧质量取决于多种因素的协同作用：驱动秧苗垫横向移动一定距离的进给机构、将前进距离转化为插秧周期的传动装置、感知稻田表面不平整度的浮筒、恢复机身姿态的液压系统，以及允许操作员补充下一盘秧苗的余量。

在插秧式水稻种植中，育苗、耙田、插秧、水分管理、施肥、病虫害防治和收割等环节紧密相连。如果仅仅将插秧机视为“一台自动插秧机”，就忽略了秧苗质量、耙田效果、稻田表面硬度、水深、田头和地块形状等因素对插秧效果的影响。本文是对插秧机的介绍，通过机械结构、控制系统和工作设计之间的来回切换进行解读。由于产品规格、价格和销售状况可能会发生变化，除非另有说明，本文使用各制造商截至2026年9月3日的公开信息。

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图 1 — 教学概念图，展示了育苗盘、插秧单元和稻田表面的相对位置。它并非产品照片，也不代表对特定型号的描述。

正在作业的插秧机

图片：Rice 插秧机 2，日本香取市 (katorisi, CC BY-SA 3.0)，Wikimedia Commons。这是一款比目前使用的机器更小的机器。

本文讨论的骑乘式插秧机——一个用于解读育苗盘和插秧单元相对位置的典型例子。

30秒概要

• 水稻插秧机从育苗盘横向和纵向输送秧苗垫，插秧爪在每个循环中一次抓取几株秧苗，并在机器前进的同时将其放置在稻田表面。秧苗的输送量、插秧爪的循环次数和行进速度决定了株距和每穴秧苗的数量。

• 插秧爪的尖端沿闭合轨迹运动：拉出秧苗，将其向后移动，插入泥土中，然后松开并返回。在插秧瞬间，使前进速度和插秧爪尖端的水平速度接近，可以防止秧苗被拖拽，并有助于其直立。

• 插秧深度并非仅由插秧爪决定。浮子在稻田表面滑动，传感器浮子或液压系统会调整插秧高度。在过于松软的稻田、水深或粗糙的田埂上，即使在相同的设置下，深插、秧苗漂浮和漏插等问题也会增加。

• 手扶式插秧机易于在小块田地和丘陵/山区操作；骑乘式插秧机则通过增加行数、秧苗装载量以及同时进行转弯/施肥来提高效率。久保田的NW系列、伊势崎的Sanae PJ/PR和洋马的YR/AP是目前5-10行、手扶式插秧机以及直线/转弯辅助功能的典型例子。

• 自动转向可以减轻直线插秧的负担，但秧苗补种、田头转弯、堤坝、人员、障碍物以及稻田外的移动等因素也不容忽视。评估应包括RTK/D-GNSS精度、卫星信号接收、田间条件和监控设置。

水稻插秧不仅仅关乎“位置”

插秧质量不仅仅取决于是否……行距看起来笔直。基本要求是：每个苗穴都位于预定位置，秧苗不会倒伏，根系能够扎入土壤，种植深度既不过深也不过浅，而且很少出现漏种或秧苗脱落过多的情况。除此之外，最终的行距是否能够被后续的除草、病虫害防治、追肥和收割机械顺利通过也至关重要。

这里需要区分“设定值”和“实际种植情况”。即使苗穴间距设置为 15 厘米，实际的苗穴间距也会因车轮/履带打滑、行驶速度波动、插秧离合器接合方式以及泥流等因素而有所变化。即使种植深度设定为 15 厘米，浮筒的下沉或浮起以及稻田表面的起伏也会改变秧苗的根系位置。插秧机是一种能够使几何重复性在土壤和秧苗生长目标变化的情况下依然保持稳定的机器。

全局概览：三个环节——秧苗、动力与信息

秧苗供应：开垦稻田前的准备工作

秧苗垫的状况是机器的输入条件

秧苗箱中的秧苗垫是一种薄片状材料，土壤（或栽培基质）和根系紧密地附着在其中。均匀的厚度、根系充分缠绕以及既不太湿也不太干的状态是机器能够顺利处理的条件。根系缠绕较弱的秧苗在爪子抓取时容易倒伏；如果秧苗垫的厚度不均匀，则每行每垄的收苗量都会有所不同。如果叶片过度生长并缠绕在育苗盘的托盘之间，也会影响育苗盘的供苗。

幼苗的取苗量通常并非“计算幼苗数量”的机制。由于取苗爪每次只取走一定宽度和深度的幼苗垫（包括根垫），因此实际的幼苗数量会随着播种密度、幼苗粗细以及根系缠绕程度而变化。因此，育苗和移栽机的设置并非独立过程，而是二者结合以实现相同的移栽精度。如果栽培方法发生变化——例如密播移栽、宽行种植或成熟幼苗盆栽——则需要相应的育苗盘、供苗方式、取苗爪和设置。

侧向供苗和垂直供苗

侧向供苗使育苗盘沿行方向移动，依次将幼苗输送到左右两侧的取苗口。垂直供苗使幼苗垫向靠近取苗爪的一侧移动，从而保持取苗口始终充满幼苗。如果两个喂料器的喂料量不同步，某行秧苗就会稀疏，或者插秧爪会在秧苗垫边缘抓取空隙。托盘倾斜、秧苗箱放置不当、喂料带脏污以及根系缠绕都会破坏这种同步性。

补秧时，不仅要考虑作业停止的时间，还要消除与现有秧苗垫之间的任何台阶或缝隙。接缝处的缝隙会导致连续漏秧。大型插秧机增加秧苗装载量不仅是为了方便，更是为了减少补秧次数、作业停止时间和因仓促补秧而造成的秧苗缺陷。高密度播种秧苗有可能减少所需的秧苗箱数量，但只有秧苗质量和插秧机构匹配得当，才能真正节省人工。

插秧爪的轨迹：精准定位秧苗而不拖拽的几何形状

插秧机的核心部件是插秧爪。爪尖的运动轨迹呈闭合曲线：从托盘侧抓取（或铲取）秧苗，将其向后向下移动，在稻田表面附近松开秧苗，然后空手返回。由于其运动轨迹简单呈圆形，在入土瞬间，爪尖的速度方向会强烈地指向前方或后方，容易导致秧苗倾倒或被拖拽。因此，需要采用连杆机构、凸轮、行星齿轮和旋转机构来控制播种过程中的姿态和速度。

图：由 Duskcoil 制作。实际轨迹因机构和设置而异。重要的是，拾取幼苗和种植幼苗所需的速度和姿态不同。

当机器以速度 v 向前行驶时，令 v_c 为种植瞬间爪尖相对于地面的水平速度。理想情况下，放置幼苗而不使其前后刮擦的条件是：

如果 v_c-v 较大，爪子会将秧苗向前或向后拖动。当然，泥土既不是弹性体也不是刚体——它是水和土壤颗粒的混合物——而且由于秧苗还有根垫，因此仅凭这个方程无法预测它是否会直立。尽管如此，它仍然说明了为什么机械设计的目标是“在插秧瞬间最大限度地降低相对速度”。

设 s 为每个循环的前进距离；这将成为垄间距的基准值。如果插秧循环为 f_p [循环/秒]，则对于行驶速度 v [米/秒]

如果插秧传动装置不随行驶速度改变，而只有爪子的循环保持不变，则机器行驶速度越快，垄间距就越大。实际的水稻插秧机将车轮旋转或齿轮比与插秧驱动装置连接起来，以达到接近所需的间距。设定了株距。但如果驱动轮打滑，车轮测量的距离与地面实际行驶的距离就不匹配了。泥泞路面上的株距变化并非简单的操作失误——而是距离测量的参考值本身就取决于土壤状况。

株距、行距和苗数：设计种植密度

设行距为r [m]，株距为s [m]，每株苗数为n。则单位面积的株数N_h [株/公顷]和近似苗数N_s [株/公顷]可表示为：

例如，行距为0.30米，株距为0.15米时，每公顷种植N_h\simeq222,000株。增加每株苗的数量、缩小株距或缩小行距有助于保证初始分蘖数，但也会改变育苗箱、苗木运输、移栽时间、过度生长、倒伏和病害之间的关系。合适的措施因地区、品种、移栽时间、施肥管理和目标产量而异，因此应根据耕作设计来决定，而不是先调整机器的设置。

宽行距种植是一种通过增加株距来减少育苗箱数量和更换育苗箱次数的技术。伊势崎目前的P43系列公开表示，其标准配置支持37株宽行距种植，这大约是标准种植株距的两倍。种植与施肥（伊势崎） 但“减少育苗箱数量”并不意味着产量和品质保持不变。品种的分蘖能力、移栽时间、施肥等因素都会影响产量和品质。水资源管理和倒伏风险需要根据当地的种植日历进行核实。

为了评估株距精度，不仅要看设定株距s_0与实测株距s_i之间的平均误差，还要看其变异性。对于m测量值，均方根误差为：

即使平均值与设定值相符，如果漏种后一行宽度增加一倍，之后又变得拥挤，那么作物的株距仍然不均匀。漏种率、浮苗率、深栽率以及幼苗拾取数量的分布情况都应综合考虑。

播种深度与浮苗：将稻田表面转化为参考平面

无论播种爪的运动控制多么精确，如果参考稻田表面本身相对于播种机上下移动，实际播种深度都会受到影响。变化。因此，播种机下方安装了一个可在稻田表面滑动的浮筒。该浮筒支撑着机器的部分重量，使其在宽阔的表面上保持稳定，避免机器过度陷入泥泞，同时还能确定播种机与稻田表面之间的相对高度。它不仅仅是一个“滑橇”，还能作为深度控制的机械传感器。

图：由 Duskcoil 制作。浮体面积、形状、负载和传感器位置因型号而异。

设 h 为种植单元参考面到浮体参考面的设定距离，e_f 为浮体下沉或上浮引起的误差，z_g 为稻田表面的局部不平整度。则简化后的实际种植深度 d 可视为：

如果稻田表面隆起，z_g 增大，浅播的可能性增加；如果浮球沉入松软的泥浆中，由于e_f，深插的可能性会增加。实际上，水深、秧苗根系的阻力、爪子释放的时机以及插秧后泥浆的回弹等因素都会影响插秧深度，因此这只是一个粗略的调整模型，而非精确的模型。

NARO关于水稻插秧机的研究报告解释了一种方法，该方法使用传感器浮球作为传感器，保持插秧机离地高度恒定，并通过控制插秧机高度来保持浮球在行进方向上的倾斜角度恒定，从而确保插秧深度的准确性。农业机械研究所报告第36号 在田间作业中，如果浮球漂浮过深、沉入泥浆中导致推土过重，或者清淤过猛，都会破坏这种控制方法的前提。

播种过浅，根系无法扎入土壤，导致秧苗漂浮在水面上，容易随水流、风力或除草作业移动。播种过深，生长点可能被掩埋，影响初期生长。由于目标播种深度与秧苗年龄、稻田表面硬度和水分管理有关，因此在正式播种前，最好先在平地上进行试种，并实际挖出根部进行检查。播种深度的调整不能仅凭数字，还应在稻田中心、田头和松软地块进行验证。

手推式、骑乘式和机器人/辅助式播种机的比较

手推式农机并非“老旧、小型，因而性能低下”的代名词。在坡地、梯田附近的小块地、道路狭窄的田地或精心管理的小面积区域等条件下，轻便的机器和能够快速变换姿势的人员就成为优势。伊势崎目前的 PC5 系列包括双行 PC25 和四行 PC45，公开展示了通过摆锤传感器实现自动调平以及通过抬起浮筒进行转向的功能。 Sanae PC5 系列

骑乘式播种机不仅通过增加播种行数来提高效率，而且还将托盘装载、侧施肥、播种单元自动升降、半自动转向以及操作员座椅上的设置更改等功能整合在一起。洋马目前的 YR06/YR08 具备直线辅助播种、播种量/施肥量辅助播种以及信息通信技术 (ICT) 服务。YR06/YR08 然而，产品目录中的效率会因地块是否为矩形、播种量和肥料是否充足以及转向/补种/行驶是否顺畅等因素而有很大差异。

解读现有产品规格表之外的信息

不同制造商、地区和经销商提供的规格和选项各不相同。以下示例仅展示“实际存在的技术选项”，并非购买建议或并排性能比较。价格和设备信息务必通过报价单和用户手册再次确认。

久保田官方水稻插秧机产品目录显示，NW50N/NW60N/NW80N 为 5/6/8 行机型，NW10S 和 Agri Robo NW10SA 为 10 行机型，NW80SA 为 8 行机型，并根据不同型号配备了 KSAS 系统、可变施肥功能以及株距/施肥量控制。久保田水稻插秧机产品目录 新产品公告称，NW50N/NW60N/NW80N 为柴油动力 5/6/8 行机型。久保田公告

伊势崎公司推出了 JAPAN PJ8（8 行）和 PJ10（10 行）插秧机，并公开宣称 PJ10 的效率最高可达每 10 行仅需 6.1 分钟，同时还具备直线和转弯辅助功能。 Sanae Japan PJ10 PR系列提供5/6/7行三种规格，并有柴油和汽油两种版本。Sanae PR系列 选择汽油动力时，不应简单地认为“柴油动力总是更好”，而应根据湿稻田的播种量、燃料通用性、田间作业规模以及所需的辅助设备来决定。

洋马在其手推式AP系列播种机上宣传了“转弯时自动提升”功能，并在骑乘式YR10播种机上宣传了自动转向和自动升降播种单元的功能。AP系列操作性 YR10操作性 这些设计不仅标准化了直线播种的精度，还标准化了插秧过程中重复数十次甚至数百次的“停止、提升、转向、下降、继续”操作序列。

工作效率：并非仅由行数决定

假设有效作业宽度为 w [米]，平均作业速度为 v [公里/小时]，田间作业效率为 \eta_f。则实际作业效率 C [公顷/小时] 约为

此处 \eta_f 包括补苗、施肥、地头转弯、行距校准、设置检查、田间作业以及清除堵塞物。例如，即使一台 8 行播种机的理论宽度比一台 6 行播种机大 33%，但如果它在有很多短边的田地里转弯更频繁，并且需要一个人等待补苗，那么单位实际面积的时间差就会缩小。相反，在拥有完善的供应系统和地头的大型地块中，行数统计和自动转弯的优势显而易见。

因此，机型选择不仅要考虑年度种植面积，还要考虑每块地的长边长度、面积分布、进场道路、地头宽度、水资源管理限制、搬运育苗箱的人员数量以及是否采用同步施肥等因素。与其选择速度最快的机器，不如选择能够在最佳移栽窗口期有限的几天内完成作业且不牺牲质量的作业系统。

自动转向：即使直线行驶由人工完成，工作责任依然存在

自动转向技术分阶段发展。首先是人工根据屏幕指示进行转向；其次是使用配备电动方向盘或液压系统的GNSS接收器来保持直线行驶；再进一步是协调地头转弯和播种启动/停止的方法；最后是人工监督的机器人方法。重要的是不要混淆“自动驾驶”一词所指的具体阶段。

一个简单的跟踪控制，包含横向偏差e_y、机器航向与目标路径之差e_\psi以及转向角\delta，在概念上可以写成：

在实际机器中，行驶速度、转向延迟、横向滑移、天线与播种中心之间的偏移、地面倾斜以及GNSS校正的质量等因素都会被考虑在内。以插秧机为例，即使机身中心保持在播种线上，如果播种单元发生侧向偏移，播种行也会弯曲——因此控制目标并非仅仅是方向盘。

洋马公司在其可改装的GNSS导航和自主转向系统中，区分了两种导航方式：一种是在显示器上显示位置信息，另一种是自动控制方向盘。 GNSS 导航/自主转向 公司资料指出，根据卫星接收状况、周围地形/建筑物以及卫星几何形状，可能会出现精度下降或无法使用的情况。SMARTPILOT

即使在自主转向模式下，也需要监控剩余秧苗供应情况、秧苗垫之间的接缝、播种单元的堵塞情况、堤坝边缘、进水口、工人/第三方人员、障碍物以及转弯后恢复播种的情况。在农田道路或稻田外的公共道路上行驶、装载到拖车上以及驶入深沟或松软路段尤其会带来不同的风险。评估自动化程度不应以“双手离开方向盘的时间长短”为标准，而应以作业能否安全、可重复地完成为标准，包括监控、干预和停止。

柴油、汽油和电气化

骑乘式插秧机主要采用柴油动力。柴油动力具有加油快捷、低转速扭矩大、动力分配均衡（涵盖行驶、插秧和液压系统）以及与拖拉机和联合收割机燃料通用等优点，可满足长时间作业的需求。同时，在注重小型化或轻量化的领域，例如手推式插秧机，汽油动力也是一种选择。伊势崎目前的PR系列产品同时提供柴油和汽油两种动力选择，表明不同机型所需的质量、行驶能力和燃料操作方式并不相同。PR系列产品阵容

电气化并非仅仅是用电池完全取代发动机。它可以分阶段进行：例如，使用电动执行器精确控制秧苗的喂料和施肥；仅在需要时运行电动液压泵；辅助设备的电气化；以及在小规模作业或设施附近使用电池驱动的机器。由于电机能够轻松地从低速输出扭矩，因此非常适合速度/位置控制，这使得它们能够很好地将插秧周期与变量施肥相结合。

然而，水稻插秧机需要在水、泥浆、肥料粉尘、高湿度和振动的环境中作业。全天作业所需的电能、充电时间和田间附近的电力供应、电池重量增加导致的下沉、触电/绝缘/浸水安全以及维修基础设施等问题都需要同时解决。此外，还应比较电气化的环境效益，包括充电用电量、电池寿命、柴油消耗量的减少以及作业系统。目前，适当的行驶速度、减少车轮过度空转、优化秧苗补种物流以及减少重叠作业的自主转向系统也有助于降低油耗。

传感器与研究：测量提升控制的条件

用于水稻插秧机或正在研究的传感器因其用途而异。浮筒/连杆角度或位移用于深度控制；车轮/电机旋转用于株距控制；惯性测量单元 (IMU) 用于横滚/俯仰校正；全球导航卫星系统 (GNSS) 用于直线导航和作业记录；摄像头可用于观察剩余秧苗数量、漏播的山坡和障碍物。增加传感器数量并非必然更好——关键在于它们在浑水、阳光、振动和秧苗遮荫等环境下是否可靠，以及故障时是否安全。

研究课题包括直接深度估计、基于图像的秧苗拾取量测量、播种后缺垄检测、泥浆承载力估计以及结合GNSS和IMU的低速位置估计。正如NARO的浮标研究表明，使用与稻田表面接触的组件姿态而非直接用激光读取表面的方法，具有避免水面反射和浑浊度影响的优势。另一方面，由于涉及接触，泥浆的粘性和粘附/磨损不容忽视。

即使播种后摄像头能够计数秧苗，仅仅因为图像中出现了绿色幼苗状的物体并不意味着工作就完成了。水面反射、泥泞、重叠、傍晚光线昏暗、无人机或车载摄像头的视差以及播种后的倾斜等因素都会造成误报。因此，必须使用人工计数的地块作为实地验证数据，并验证漏播率、过量秧苗、行位置和播种深度等指标的实际估算精度。人工智能的最佳应用方式并非是取代人工操作，抹杀秧苗供应或稻田表面状况的差异，而是作为一种辅助手段，衡量这些差异并帮助操作人员做出判断。

工作前、工作中和工作后的检查

工作前

检查秧苗粗细、根系缠绕情况、叶片缠绕情况以及育苗箱数量，并检查播种爪、秧苗输送带和浮球是否有泥泞或损坏。耙平稻田并非仅仅是为了使稻田表面看起来平整——它是为了创造浮筒稳定滑行和秧苗直立所需的硬度和水平度。事先巡视稻田，识别水深不均、深沟、稻草/残茬以及进水口附近的松软区域。

在最初几米的稻田中，需实际检查垄距、行距、秧苗拾取数量、深度、秧苗直立姿态、漂浮秧苗以及泥泞情况。如果秧苗数量过高或过低，不仅要怀疑拾取数量的设置，还要怀疑秧苗的质量和饲料。如果播种过深，需同时检查浮筒/液压灵敏度/稻田表面硬度；如果播种过浅，需同时检查水深/浮筒提升高度/爪式装置设置。调整前后对比同一位置的垄距，可以降低误判设置效果的风险。

作业期间

不要只关注行距是否笔直——要定期检查剩余秧苗数量、箱体接缝、秧苗喂料是否均匀、剩余肥料、浮子上附着的杂物以及播种装置内的泥沙堵塞情况。转弯时，确认播种装置能够可靠地升起，并在下次作业时顺利恢复播种。自动转向不应成为放松观察的理由——而应利用自动转向来留出足够的余地，以便观察秧苗、播种装置以及周围的安全状况。

作业后

在田间多个位置检查是否存在漏播、秧苗漂浮和播种过深的情况，并记录设置和稻田表面状况。不要因为“秧苗生根后就没事了”就忽视作业后立即发现的问题——要将这些问题反映到灌溉管理、补种和下次耙田作业中。作业结束后，按照用户手册的步骤，清洁秧苗喂料装置、爪子、浮子和施肥装置，清除残留的泥沙、秧苗或肥料。这假设在进行插秧操作之前，旋转部件、液压系统和电气系统都已停止并得到支撑。

摘要：水稻插秧机在稻田和秧苗之间转换

水稻插秧机将育苗盘上的秧苗垫分割成每个秧苗穴的独立根系，控制移动机器顶部插秧爪的运动轨迹，并通过浮动装置将不平整的稻田表面转换为参考平面。当这三者协同工作时，秧苗间距、播种深度和植株姿态才能达到最佳状态。诸如行数、马力、GNSS 和自动化等易于理解的参数固然重要，但它们只有在秧苗供应、稻田表面整平、补苗和人工管理等工作体系的共同作用下才能发挥最佳性能。

选择插秧机时，首先要考虑的不仅是种植面积，还有田地形状、土壤松软程度、秧苗箱的运输方式、是否需要同时施肥、人员配备以及维护设施等因素。引入自主转向系统时，不仅要考虑直线行驶精度，还要考虑在失去修正信息时的运行情况、停止/干预措施，以及对堤岸边缘和障碍物的监测。理解插秧机意味着要拓宽视野，不仅要了解插秧爪的单个循环，还要从整体上设计水稻种植的时机和质量。

官方及一手资料

• 久保田：插秧机列表

• 久保田：2025年新品发布（NW50N/NW60N/NW80N）

• 伊势木：Sanae Japan PJ10

• 伊势木：Sanae PR系列

• 伊势木：Sanae PC5系列手推式插秧机

• 洋马：YR06/YR08

• 洋马：AP系列手推式插秧机

• 洋马：GNSS导航/自主转向

• NARO：农业机械研究所第36号报告（PDF）