楊 光，肖宏儒，宋志禹，金 月，夏先飛，張健飛，梅 松

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

中國是蔬菜大國，蔬菜的產(chǎn)量和產(chǎn)值在2011年超越糧食，首次成為國內(nèi)第一大農(nóng)產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，2016年我國的蔬菜種植面積約為2 166.9萬hm2，產(chǎn)量約為80 005萬t；其中葉類蔬菜的種植面積約占總面積的32%，產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量的30%左右。蔬菜耕種收的綜合機械化率約為20%，其中耕作的機械化率約為25%，種植的機械化率約為20%，而收獲的機械很少，幾乎沒有。在蔬菜生產(chǎn)過程中，收獲作業(yè)占整個作業(yè)過程的比例約為40%[1]，人工收獲成本占蔬菜生產(chǎn)總成本的60%。

目前葉類蔬菜在育種、耕整地、起壟、播種、移栽、水肥管理等蔬菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械化程度相對較高，而收獲環(huán)節(jié)的機械化程度極低。由于葉類蔬菜品種的多樣性、作業(yè)方式的復雜性、農(nóng)藝的粗放性，收獲作業(yè)仍然主要依靠人工完成；因此，研究開發(fā)葉類蔬菜機械化收獲技術(shù)與裝備對于實現(xiàn)蔬菜收獲機械化具有重要意義。

葉類蔬菜關(guān)鍵環(huán)節(jié)機械化

育苗機械

葉類蔬菜育種主要是穴盤育苗，穴盤育苗技術(shù)是采用草炭、蛭石等輕基質(zhì)無土材料作育苗基質(zhì)，機械化精量播種，1穴1粒，具有操作簡單、成苗率高、成本低、便于存放和運輸?shù)忍攸c，已形成全自動化生產(chǎn)線（圖1）。

耕整及播種機械

耕整地作業(yè)是葉類蔬菜栽培主要作業(yè)環(huán)節(jié)之一，各地機械化程度均較高。近年來，隨著自動導航技術(shù)、激光平地技術(shù)等逐步推廣，以及配套旋耕機、微耕機、深松機、開溝機、起壟機等耕整地機具完善，機械化作業(yè)的精耕細作農(nóng)藝基本得到滿足。播種機是按照農(nóng)藝要求定量地將種子播在苗床上，使種子具有適宜的深度和間距，其核心部件是排種器，按照排種原理可將播種機分為機械式播種機和氣力式播種機。目前已實現(xiàn)耕整地、起壟、播種這3個環(huán)節(jié)整合在1臺機器上完成（圖2），節(jié)省了人工成本。

圖1 育苗生產(chǎn)線

圖2 整地起壟播種一體機

圖3 移栽機

圖4 自走式噴桿噴霧機

移栽機械

移栽主要是針對一些直播或者條播效果不好的品種，通過移栽可以大大提高其成活率和品質(zhì)。移栽過程主要由移栽機完成，移栽機主要由喂入器、導苗管、扶苗器、開溝器等工作部件組成。工作時，先由人工分苗，將秧苗投入到喂入器，靠重力下落到導苗管內(nèi)，在扶苗器的扶持下，秧苗呈直立狀態(tài)，完成移栽（圖3）。

水肥機械

水肥管理是按照作物生長需求，進行全生育期需求設計，把水分和養(yǎng)分定量、定時、按比例直接提供給作物，主要是通過一些噴桿噴霧設備來實現(xiàn)（圖4）。

植保機械

廣東省農(nóng)機研究所研制出的防治蔬菜病蟲害的手推式2WZT-1.5型噴霧機具有機動性強、噴霧壓力大、霧滴小、分布均勻的特點。植保噴霧機的使用不僅節(jié)省勞力，而且使農(nóng)藥得到充分的利用，還能減少農(nóng)藥的殘留。

收獲機械

葉類蔬菜具有葉片柔嫩多汁、生長周期短、收獲時間緊迫等特點[2]。葉類蔬菜收獲機主要分為2種，一種是風送型，一種是撿拾型，大都通過切刀將蔬菜切斷，然后用風力或者撿拾裝置輸送到收集箱中。

葉類蔬菜機械化收獲環(huán)節(jié)探討

葉類蔬菜的收獲是一項季節(jié)性強、勞動強度大、勞動密集型作業(yè)。隨著農(nóng)業(yè)勞動力的婦女化和老齡化，急需解決葉類蔬菜收獲作業(yè)的機械化。為此借鑒國外先進的技術(shù)，開發(fā)適合我國國情的收獲機械，提高收獲作業(yè)的自動化水平，從根本上實現(xiàn)我國葉類蔬菜收獲的機械化顯得非常迫切。

圖5 第1臺甘藍收獲機

圖6 甘藍聯(lián)合收獲機

國外葉類蔬菜收獲機械發(fā)展

國外很早就開始對蔬菜的收獲環(huán)節(jié)進行研究，并研發(fā)了相關(guān)的收獲機械，技術(shù)相對成熟，其中美國、日本、意大利、俄羅斯、英國、德國等國家葉類蔬菜收獲機械化程度較高，形成了統(tǒng)一育苗、耕作起壟、移栽定植、水肥管理、防病蟲害、采收分級等主要作業(yè)環(huán)節(jié)的全程機械化[3]，其自動化和智能化程度相對較高。

葉類蔬菜收獲機械的典型代表是甘藍收獲機，前蘇聯(lián)早在1931年就研制出世界上第1臺甘藍收獲機（圖5）。該收獲機主要包括左、右兩邊的拔取裝置，刮板式輸送帶，圓盤式割刀等主要工作部件。隨著時間的演變，無論形式和結(jié)構(gòu)上發(fā)生了多大的變化，拔取裝置、刮板式輸送帶和圓盤式割刀仍是甘藍收獲機的核心工作部件。

2000年，日本國家農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)出了一種甘藍聯(lián)合收獲機（圖6），此收獲機僅需要3名工人就可以完成全部收獲作業(yè)。工人甲負責遠程遙控拖拉機、控制甘藍收獲機以及將收獲上來的甘藍擺放到輸送帶上，工人甲操作過程最為關(guān)鍵；工人乙負責除去甘藍外面過大的包葉；工人丙負責裝箱[4]。此甘藍收獲機為單行收獲，通過液壓裝置來調(diào)節(jié)割臺的高度，輸送機構(gòu)與水平面成15°，輸送速度為0.2 m/s，割刀的工作速度為6.3 m/s，每小時可收獲0.3 hm2。

另外，國外對青梗菜的收獲機械研究起步較早，技術(shù)和設備相對比較成熟，意大利、日本、韓國、美國等國家已經(jīng)實現(xiàn)了此類葉菜的機械化收獲。

意大利HORTECH公司研制的SLIDE FW型葉菜無序收獲機，采用摩擦力較大的輸送帶，將切割后的葉菜輸送上去，操作簡便，作業(yè)效率高，適用范圍廣。SLIDE VALERIANA型葉菜無序收獲機在SLIDE FW型葉菜無序收獲機的基礎上增加了振動和仿形裝置，振動裝置是為了把切割后的葉菜上附帶的泥土去掉，仿形裝置是為了適時調(diào)整切割高度，達到最佳切割效果。日本川崎公司研制的風送型葉菜無序收獲機主要是利用風機將切割下來的葉菜吹到收集袋中，只能適用于質(zhì)量輕、體積小的葉菜。意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型葉菜有序收獲機采用對行的柔性夾持輸送帶，將切割后的葉菜整齊地輸送上去，大大降低了工人的勞動量，實現(xiàn)了從無序收獲到有序收獲的突破[5-8]（圖7）。

圖7 國外葉菜收獲機

國內(nèi)葉類蔬菜收獲機械發(fā)展

國內(nèi)對于葉類蔬菜的收獲機具研究起步較晚，機械化水平較低，與產(chǎn)業(yè)地位不相符，與產(chǎn)業(yè)需求不對應，有較大的提升空間和迫切的提升需求。

杜冬冬等[9]根據(jù)甘藍的物理特性，研制了1種適宜在南方田間作業(yè)的甘藍收獲機，采用單行收獲的方式，配有專用的動力底盤及液壓動力系統(tǒng)。利用引拔鏟配合撥輪的方式拔取甘藍；采用雙圓盤割刀，實現(xiàn)了切割受力的平衡；利用剝?nèi)~輥和甘藍間的摩擦剝掉多余的包葉。該甘藍聯(lián)合收獲機可一次性完成拔取、切根、剝?nèi)~、輸送等作業(yè)。收獲前進速度為0.3 m/s，拔取率為86.7%，切根率75.0%，剝?nèi)~率81.7%，工作穩(wěn)定，可滿足甘藍的機械化收獲（圖8）。

肖宏儒等[10]以電瓶為動力，研制了手扶式兩輪行走的葉菜無序收獲機（圖9），主要用于收獲雞毛菜，該機操作簡便，工作穩(wěn)定，收獲效率高。采用往復式割刀，保證收獲的雞毛菜切口相對平整；通過高度調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)整切割高度，盡可能使留茬的高度為最小，增加收獲的雞毛菜產(chǎn)量；撥禾采用的是撥禾板，跟撥禾輪相比，其大大降低了雞毛菜的損傷率。該機可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)前進速度和輸送速度，切割幅寬為600 mm，撿拾率≥95%，葉菜完整率≥85%，漏割率≤3%，作業(yè)效率800.4 m2/h。

徐少華等[11]研制了1臺用于收獲韭菜、青菜等的收獲機（圖10）。在切割裝置的前側(cè)裝有安全桿，主要防止割刀傷人；收獲機具有2套收割裝置，一套是帶根收獲，另一套是不帶根收獲。在距離切割裝置較近的地方安裝有仿形輪，可根據(jù)地面的不平整情況隨時調(diào)節(jié)切割高度。振動篩安裝在切割裝置和輸送裝置之間，通過振動來脫落掉雜物和土塊，提高清潔度。該收獲機的配套動力為18 kW，工作速度0.2～0.3 m/s，清潔度≥90%，收獲率≥95%，作業(yè)效率0.35～0.40 hm2/h。

圖8 自走式甘藍聯(lián)合收獲機

圖9 手扶式葉菜無序收獲機

圖10 葉菜收獲機

圖11 手扶式葉菜有序收獲機

肖宏儒等[12-15]以電瓶為動力，研發(fā)了手扶式兩輪行走的葉菜有序收獲機（圖11），操作簡單，性能穩(wěn)定。收獲機割刀前段配有6行導軌，保證葉菜被切割后能有序地進入輸送帶；有序輸送帶完成了葉菜輸送方向90°的轉(zhuǎn)變，有利于在最后的收集架里形成躺倒有序的收獲狀態(tài)。同上述手扶式葉菜無序收獲機一樣采用電瓶作為動力，主要是為了保證收獲的葉菜干凈、無污染。該收獲機的前進速度和輸送速度均可調(diào)，可滿足不同的收獲情況，其切割幅寬1 200 mm，撿拾率≥95%，葉菜完整率≥85%，漏割率≤3%，作業(yè)效率933.8 m2/h。

葉類蔬菜收獲機械生產(chǎn)困境

從上述葉菜蔬菜機械的研究現(xiàn)狀來看，目前國外的蔬菜機械尤其收獲機械技術(shù)相對成熟，自動化程度較高，且一定程度上實現(xiàn)了智能化，國內(nèi)的葉菜收獲機械技術(shù)起步較晚，且存在諸多亟待解決的問題。

葉菜品種繁多，生產(chǎn)農(nóng)藝粗放

我國是蔬菜生產(chǎn)及消費大國，不僅數(shù)量大，而且種類繁多，常年生產(chǎn)的蔬菜有14大類150多種，不同品種的葉菜成熟期和收獲期不一樣，最主要是其物理特性差距很大；目前國內(nèi)葉菜的播種、移栽、灌溉等生產(chǎn)過程機械化程度相對較高，但其種植農(nóng)藝由于地區(qū)和品種的差別，區(qū)別較大，且極其不規(guī)范，這對收獲機械的適應性提出了更高的要求。從商業(yè)價值的角度考慮，任何一個農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)，都難以實現(xiàn)150多種蔬菜生產(chǎn)的機械化。與糧食作物相比，蔬菜生產(chǎn)機械的研發(fā)和推廣更加復雜、難度更大。

體積較大，成本較高

大部分歐美國家的農(nóng)業(yè)模式都是大農(nóng)場，其自主開發(fā)的葉菜收獲機械體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴。我國葉菜生產(chǎn)多為小農(nóng)戶種植，分布范圍廣，一般農(nóng)戶認為投入太大而不選擇購買機械，還有的根本買不起，而許多蔬菜園藝場在當初建設時又忽略了與機械化生產(chǎn)的匹配度。蔬菜設施空間小、不標準，作業(yè)時機械“路難走、門難進、邊難耕、頭難掉”的現(xiàn)象普遍存在，且收獲機具由于成熟度不高尚未列入補貼行列。

產(chǎn)生污染，浪費資源

葉菜收獲機械的配套動力大部分為汽油機和柴油機，并裝有一定的液壓系統(tǒng)，如果收獲過程出現(xiàn)故障或密封效果不好，則會使汽油、柴油、液壓油泄漏，導致收獲上來的葉菜無法食用，并且排放出的氣體也對大氣造成污染。未來以電為動力的收獲機械將成為必然趨勢，其不僅使用的是可再生能源，而且無污染。

易堵塞，損傷大

目前國內(nèi)葉菜種植壟面的平整度和堅實度難以滿足機械化收獲的要求，收獲時會割到突起的壟面，以及壟面較軟，收獲機作業(yè)時易下陷，而使割刀入土，這些都會使葉菜和泥土堆積起來，形成堵塞。我國現(xiàn)階段研制的葉菜收獲機械無法根據(jù)壟面的情況來實現(xiàn)變位切割，這就使得收獲質(zhì)量大大下降。

創(chuàng)新少，投入小

如果說蔬菜生產(chǎn)機械化是農(nóng)業(yè)機械化的“短板”之一，那么蔬菜機械的“短板”則是采收環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)在蔬菜收獲機械上的科研創(chuàng)新能力不高，導致機械化生產(chǎn)和使用成本較高，形成了產(chǎn)業(yè)有迫切需求但市場缺少裝備可選的尷尬局面。

葉類蔬菜收獲機械化開拓之路

通過對國外葉類蔬菜收獲機械的研究，可根據(jù)國內(nèi)的情況從以下幾個方面開展研究。

葉類蔬菜物理特性的研究

物理特性的研究是研發(fā)收獲機械的第1個環(huán)節(jié)，通過葉類蔬菜的幾何形狀（株高、展開度、根徑、根深等）、根莖葉的物理特性（剪切力、抗拉強度等）的研究，可以為葉類蔬菜收獲機械的研發(fā)，尤其關(guān)鍵零部件參數(shù)的選取提供可靠的依據(jù)。

農(nóng)機、農(nóng)藝相結(jié)合

要想實現(xiàn)葉類蔬菜機械化收獲，必須要結(jié)合相應的農(nóng)藝[16]。選取適合機械化收獲的品種（種植面積大，物理特性比較統(tǒng)一），規(guī)范株距、行距、播種深度、收獲期等；另外，對整地起壟也要提出適當?shù)囊?，這樣研發(fā)的收獲機械工作效率高、收獲質(zhì)量好。

簡化機構(gòu)，降低價格

大型的收獲機械只能適用于大的農(nóng)場，而小型的收獲機械更能滿足廣大農(nóng)戶的經(jīng)濟承受能力，容易得到認可和推廣。這就要求國內(nèi)的科研工作者運用現(xiàn)代化的機械設計理論和方法來簡化機構(gòu)、降低價格，提高收獲機械的適用性。

提高收獲機械的通用性

在目前的農(nóng)藝操作水平下，設計通用性較高的收獲機械，主要是設計通用的動力底盤[17]。根據(jù)不同的葉類蔬菜，可通過更換主要工作部件、調(diào)整工作參數(shù)來實現(xiàn)一機多用，提高收獲機械的通用性。

提升智能化和自主研發(fā)水平

在收獲機械完成了所需功能的基礎上，增加仿形技術(shù)，實現(xiàn)變位、變速、變角度切割；增加智能排障控制技術(shù)，及時排除故障；增加多參數(shù)融合自適應控制技術(shù)，適時自動調(diào)節(jié)，提高收獲效率和作業(yè)穩(wěn)定性。

此外，部分引進機具存在“水土不服”現(xiàn)象，如意大利帶刀式蔬菜收割機只能收割部分綠葉菜品種（如雞毛菜、米莧、蓬蒿、豆苗、馬蘭頭等），不能收割帶根蔬菜（如菠菜）。收獲機械的研究需依托產(chǎn)、學、研、推、用等單位和機構(gòu)，圍繞適應設施栽培的葉菜收獲環(huán)節(jié)，組織國內(nèi)外科研院校及有關(guān)企業(yè)開展國外先進裝備的引進、消化、吸收和再開發(fā)，提高本土化機械的利用率和機動性，提升蔬菜園藝作物機械化生產(chǎn)水平，研發(fā)適合我國國情的蔬菜收獲機械。

展 望

蔬菜機械的研發(fā)是個系統(tǒng)工程，其受農(nóng)藝、土壤、蔬菜種類、設施環(huán)境、氣候、機電液技術(shù)等諸多因素的影響，是一個艱難而漫長的過程，需要一定時間和技術(shù)經(jīng)驗的積累，才能循序漸進，不斷提高設計、制造水平，實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)全程機械化的目標。

在以葉類蔬菜為重點進行收獲機械研究的同時，其他類型蔬菜也取得了一些可喜的成就。

在根莖類蔬菜方面，收獲機的典型代表為胡蘿卜收獲機。東北農(nóng)業(yè)大學通過對胡蘿卜的幾何參數(shù)和物理力學特性研究，設計出了雙行的自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機，并進行了田間試驗，凈收率為98.2%，損傷率2.5%，生產(chǎn)率為0.11 hm2/h。鄭州山河機械制造有限公司生產(chǎn)的一種胡蘿卜收獲機類似于馬鈴薯收獲機，通過前端挖掘平鏟將胡蘿卜挖掘出來，通過振動篩進行土果分離，最后鋪放到地面上，但是后續(xù)撿拾、裝袋的工序需要人工來完成。由徐州市農(nóng)機技術(shù)推廣站研制的4S-85型大蒜收獲機，與東風-12型手扶拖拉機配套可一次完成破土、碎石、切根、篩選集條等各項作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、操作簡單、作業(yè)效率高等特點，其作業(yè)效率是人工工作效率的40倍，損傷率較人工收獲減少70%以上，每公頃作業(yè)成本較人工減少600元左右，是國內(nèi)比較先進的大蒜收獲機械[18]。

在果類蔬菜方面，由于復雜的生長環(huán)境使得其機械化收獲研究受到了一定的限制，國內(nèi)外主要集中于加工用果菜收獲機的研究。石河子大學研究人員對4FZ-30自走式番茄收獲機的收割臺部分、果秧分離裝置、分離裝置的液壓系統(tǒng)進行試驗，結(jié)果表明：該機平均生產(chǎn)率為0.26 hm2/h，平均損失率為4.36%，平均破損率為4.10%，各項指標均達到NY/T 1824—2009要求[19]。

國內(nèi)目前存在一些蔬菜生產(chǎn)機械化典型模式，代表了蔬菜生產(chǎn)機械化的積極進展。北京市建立了國內(nèi)先進的甘藍生產(chǎn)全程機械化技術(shù)體系。上海市總結(jié)形成了成熟的綠葉蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系。福建省積極開展食用菌設施化、工廠化、機械化栽培。黑龍江省通過打造“北菜南銷”基地，開展蔬菜生產(chǎn)機械化技術(shù)大培訓、大演示。武漢市積極推進蔬菜機械化生產(chǎn)標準制定，全市蔬菜生產(chǎn)機械化水平達到25%。天津市打造京津冀綠色高檔特色“菜籃子”產(chǎn)品供給區(qū)，推進蔬菜生產(chǎn)機械化、物聯(lián)網(wǎng)信息化和水肥一體化。

既是刻不容緩，又要假以時日，這是在推進蔬菜耕種收全程機械化之路上面臨的現(xiàn)實，也是攻克一些難關(guān)、破解一些難題時經(jīng)常遭遇的共性矛盾。希望農(nóng)機研究機構(gòu)能夠繼續(xù)提高自主創(chuàng)新能力，加快研發(fā)速度，為未來做好技術(shù)儲備。

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