董學虎 ，劉信鵬2※，李 明，牛釗君，陳繼色，韋麗嬌，黃偉華，葛 暢

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所，湛江 524091；2.廣東海洋大學 機械與動力工程學院，湛江 524000；3.湛江市凱翔科技有限公司，湛江 524000)

0 引言

甘蔗作為我國主要經(jīng)濟作物之一，是我國重要的糖料作物，占我國常年糖料面積的85%以上，其產(chǎn)糖量占食糖總量的90%以上。世界主要產(chǎn)糖國如澳大利亞、巴西、古巴等已基本實現(xiàn)了機械化種植，所用的種植機主要有整桿式、實時切種式和預切種式。整桿式甘蔗種植機將蔗種整桿地擺放在由開溝器開出的溝內(nèi)；實時切種式種植機作業(yè)時，整桿蔗種被喂入切種器，切成蔗段后擺放在開出的溝內(nèi)；預切種式甘蔗種植機采用預先切好的蔗段，喂入擺種機構(gòu)將蔗段擺放在溝內(nèi)。我國甘蔗種植目前還處于機械（或畜力）開溝、人工擺種作業(yè)階段，一些自主研發(fā)的機型和進口機型正在推廣示范中[1-6]。

我國正在加快機械化甘蔗種植機與漏播檢測、標記補位等智能化控制系統(tǒng)融合的步伐，以解決機械作業(yè)過程中遇到的漏播、排種不均勻等現(xiàn)象，提高了工作效率，減少了耗種量，降低了生產(chǎn)成本和勞動強度，為國內(nèi)甘蔗種植機向全自動機械化種植的趨勢發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 我國甘蔗機械化種植技術(shù)的現(xiàn)狀

近年來，隨著我們國家有不少科研單位、高校、企業(yè)等通過自主研發(fā)或者是通過走引進、消化、吸收、再創(chuàng)造的技術(shù)路線，研制出大量適合我國國情的甘蔗種植機，如整桿式、實時切種式、預切種式甘蔗種植機，可以一次性完成開溝、施肥、淋水、切種、排種、消毒、覆土、蓋膜、培土、鎮(zhèn)壓等工序。甘蔗機械化種植在提高作業(yè)效率的同時，也為我國甘蔗機械化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.1 整桿式甘蔗種植機

整桿式甘蔗種植機能夠一次性完成開溝、整桿蔗種的喂入、施肥、擺種鋪放、覆土、覆膜等工序，整桿蔗種裝在種植機后面的蔗種種植箱內(nèi)，蔗種箱前設計一個喂入輥筒，這樣就可以將整桿的甘蔗種進行有序的梳理、輸送，然后進入落種倉內(nèi)再掉落在開好的溝內(nèi)。整桿式甘蔗種植機機械化程度高，在種植過程中的開溝、整桿蔗種喂入、施肥、擺種鋪放、覆土、蓋膜等工序，不需要人工輔助操作，就可以自動化完成[7]。國內(nèi)代表機型主要有2CZY-2型甘蔗種植機，見圖1。

圖1 2CZY-2型甘蔗種植機

1.2 實時切種式甘蔗種植機

實時切種式甘蔗種植機主要由開溝器、種箱、切種器、覆土裝置、施肥裝置、噴灑農(nóng)藥裝置、淋水裝置和鋪膜裝置等組成。其中種箱是用來放置整桿蔗種的。切種器是把種箱輸送過來的整桿甘蔗種按一定的長度進行切段。實時切種式甘蔗種植機主要的工作原理是通過開溝器首先在前面進行破土開溝，施肥裝置在后面將肥料定量的排入開溝器開好的溝里，再由淋水裝置在開好的溝里進行適量的淋水，然后人工將整桿的甘蔗種喂入種箱，由2對輸送膠輥將甘蔗種輸送到帶有切刀的旋轉(zhuǎn)滾刀座進行等長度蔗種切割，經(jīng)過切種箱切割后的甘蔗，根據(jù)牽引機和甘蔗種植機的速度按一定規(guī)律把蔗種排落到開好的溝里，進而由覆土裝置進行覆土，噴灑農(nóng)藥裝置進行農(nóng)藥噴灑，然后進行覆膜、培土，最后再進行鎮(zhèn)壓操作，這樣就基本完成了甘蔗種植全過程[8]。國內(nèi)代表機型如2CZX-2型甘蔗種植機，見圖2。由于這種實時切種式甘蔗種植機種植方式對人工連續(xù)向蔗種箱內(nèi)喂入蔗種的要求十分嚴格，而且勞動強度大，對經(jīng)過切刀的蔗種造成的傷芽率很高，會影響甘蔗的出芽率。在播種的過程中，如果喂入動作稍有間斷，就容易出現(xiàn)漏播的現(xiàn)象，而且由于種植箱比較小，甘蔗種植機工作時，會經(jīng)常出現(xiàn)補種現(xiàn)象，進而導致工作效率不是很高。

圖2 2CZX-2型甘蔗種植機

1.3 預切種式甘蔗種植機

預切種式甘蔗種植模式，多采用單芽段、雙芽段、多芽段等蔗種，首先將整桿的蔗種切割成等長的蔗種段，每個蔗種段上留有一個蔗節(jié)，使用相應的藥水對其消毒，這種處理技術(shù)使其具有發(fā)芽率高、成活率較高、病蟲害少、分蘗率高、糖分含量和產(chǎn)量高等優(yōu)勢，再經(jīng)過預切種式甘蔗種植機進行排種種植。以槽輪式甘蔗健康種苗種植機為例，主要由開溝器、施肥箱、排種箱、覆土裝置、覆膜裝置、噴灑農(nóng)藥裝置、培土裝置等構(gòu)成，見圖3。其工作模式主要是把需要種植的甘蔗種由人工或者機器預先砍成一段一段等長的符合甘蔗種植要求的蔗種，然后進行相應的消毒處理。開始種植時，通過開溝器在前面進行破土開溝，施肥裝置在后面將肥料定量地排入開好的溝里，淋水裝置在溝里進行適量的淋水，排種箱排好的蔗種按作業(yè)機行進的速度將蔗種按與之匹配的速度排落到開好的溝里，然后覆土裝置進行覆土，覆膜裝置進行覆膜，這樣基本完成了甘蔗種植的全過程[9]。預切種式甘蔗種植機的種植模式需要人工把預先切好的甘蔗種一次性倒入排種箱，對工人的勞動強度要求相對較低。這種種植模式對甘蔗蔗種的傷芽率相對較低，是科研單位、高校、企業(yè)目前重點研發(fā)投入的方向，例如中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所和八一農(nóng)墾大學聯(lián)合研制的槽輪式甘蔗健康種苗種植機[10]。

圖3 槽輪式甘蔗健康種苗種植機

在機械化種植過程中會遇到卡種、漏播、排種不均勻、生產(chǎn)成本高、勞動強度高等問題，針對以上甘蔗機械化種植過程中遇到的問題，可以結(jié)合具有相應功能的智能化控制模塊系統(tǒng)來解決。

2 智能化技術(shù)在甘蔗種植機方面的應用

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，針對以上甘蔗種植機在實際作業(yè)過程中出現(xiàn)的漏播、排種均勻度差、排種速度與作業(yè)機速度不一致等問題，華南農(nóng)業(yè)大學王美美老師結(jié)合當前智能化技術(shù)，研制出一套實時切種式甘蔗種植機的漏播監(jiān)測與標記系統(tǒng)[11，12]，如圖4所示。該系統(tǒng)運用光幕傳感器對下落蔗種的情況進行實時監(jiān)測，當該甘蔗種植機發(fā)生漏播時，光幕傳感器會把采集的信號信息傳遞給單片機，再由單片機給驅(qū)動電機發(fā)送起、停信號，進而通過驅(qū)動電機帶動鏈傳動來驅(qū)動2個滾輪向相反的方向旋轉(zhuǎn)，以此帶動裝載箱內(nèi)石灰向相反方向運動，通過下落的石灰對相應的甘蔗種植機漏播的位置進行標記，然后由人工進行補種。但排種均勻性較差、漏播率較高等問題依然存在，針對存在的問題王美美老師又提出將GPS信號接收器與光幕傳感器應用于種植機上[13-16]，結(jié)合已開發(fā)的田間作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，能更準確、穩(wěn)定地實時監(jiān)測甘蔗種植時的漏播及行距均勻性情況，進一步提高了種植機排種均勻度、降低漏播率．通過標記裝置，對漏播的蔗種的位置進行標記[17-24]，見圖5。

圖4 完善前的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖5 完善后的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合預切種式單芽段甘蔗種植機[23]，在廣東省湛江農(nóng)墾廣墾農(nóng)機服務有限公司的試驗基地進行了田間甘蔗種植試驗，見圖6—7。

圖6 單芽段甘蔗田間種植實驗

圖7 甘蔗田間漏播檢測系統(tǒng)

通過對裝有GPS、漏播檢測與標記裝置的單芽段甘蔗種植機進行單因素和多因素實驗，將多組實驗數(shù)據(jù)進行分析，最終得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)組合，實現(xiàn)了機械化結(jié)合智能化控制系統(tǒng)來解決實踐過程中遇到的問題。為全自動機械化種植發(fā)展提供了理論與實踐依據(jù)。

3 我國甘蔗機械化種植存在的問題

雖然我國在甘蔗機械化種植過程中使用的機械化裝備已經(jīng)得到了跨越式的突破，在技術(shù)領(lǐng)域也得到了大幅度的進步和提升，但在推廣甘蔗機械化種植機時，還存在以下客觀性問題：①大部分甘蔗種植區(qū)的種植模式還是依靠密集型人工配合種植。②由于預切種式甘蔗種植機配套機械裝備不完善，沒能避免切種時對蔗種的傷芽。③甘蔗機械化種植模式和人工種植相比，種植過程中易出現(xiàn)漏播、排種不均勻現(xiàn)象。④蔗種在蔗種箱內(nèi)進行排種，可視、可控程度低，大部分環(huán)節(jié)還需人工操作，易出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。⑤甘蔗種植機對種植土地要求比較高，如果種植地的坡度過大或者有凹凸不平的地勢，就不能保證種植的效果，對地塊的適應性比較低。⑥由于機械裝置生產(chǎn)成本比較高，所以很多種植戶沒能一次性買進。⑦購買者對機具性能和操作不熟悉。

4 對策及建議

1）對于甘蔗種漏播現(xiàn)象，可以在預切種式甘蔗種植機或?qū)崟r切種式甘蔗種植機上加裝漏播監(jiān)測、標記裝置系統(tǒng)，以改善漏播現(xiàn)象。

2）針對行距不均勻現(xiàn)象，可以通過在甘蔗種植機上加裝可折疊收起的劃行器或驅(qū)地輪裝置進行解決，或者通過智能化控制實現(xiàn)對系統(tǒng)的行距控制或修正。

3）對甘蔗機械化種植的技術(shù)及裝備進一步完善，使其向自動化、智能化、小型化、中型化、大型化、低成本的趨勢發(fā)展，以解決山地、丘陵、平原地區(qū)對甘蔗種植機的市場需求。

4）進一步開發(fā)相關(guān)的配套設備，特別是與甘蔗機械化種植相關(guān)的智能化識別與智能化控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)。

5）進一步了解種植戶對種植機械的農(nóng)藝要求，研發(fā)生產(chǎn)與農(nóng)藝要求一致的機械化裝置。

6）建立種植、管理、培訓的合作社機制，有利于機械化設備的統(tǒng)一購買，及相關(guān)人員的使用操作技術(shù)培訓，培養(yǎng)種植戶的成本核算技能和管理技能，以進一步提高農(nóng)戶收益。

7）與相關(guān)高校、科研單位、企業(yè)建立技術(shù)人員流動咨詢與交流站，把目前適合當?shù)氐南冗M技術(shù)傳授給種植戶的同時，也把種植戶的問題意見收集起來，為今后的研發(fā)和生產(chǎn)提供寶貴的參考素材[25]。

5 總結(jié)

甘蔗機械化種植技術(shù)是提高甘蔗快速高效種植的主要措施之一，甘蔗機械化種植程度的高低，直接影響作業(yè)的效率和種植技術(shù)的推廣應用。針對目前機械化作業(yè)過程中遇到的卡種、漏播、排種不均勻等現(xiàn)象，通過融合智能化控制模塊與系統(tǒng)，對上述問題進行探索性解決，為進一步研究甘蔗種植機向全自動機械化方向發(fā)展提供參考依據(jù)。