楊紅光王 冰彭寶良*胡志超高學(xué)梅

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014）

楊紅光，男，研究實(shí)習(xí)員，主要從事土下果實(shí)收獲機(jī)械化技術(shù)研究，

2017 年中國(guó)洋蔥總產(chǎn)量為2 434.45 萬(wàn)t，種植面積為110.25 萬(wàn)hm2，分別居世界第一、二位，但洋蔥收獲機(jī)械研究與丹麥和美國(guó)等國(guó)家差距較大，尚無(wú)性能可靠的洋蔥收獲機(jī)械，雖然前期進(jìn)行過(guò)相關(guān)機(jī)具研發(fā)，但均未得到較好的推廣；近幾年相關(guān)專利雖有申報(bào)，但均未實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。中國(guó)洋蔥收獲機(jī)具還需結(jié)合中國(guó)種植農(nóng)藝和模式進(jìn)行自主研發(fā)。

洋蔥（Allium cepa L.）具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和較強(qiáng)的食療作用，在國(guó)外被譽(yù)為“菜中皇后”（胡良龍 等，2007）。按鱗莖形狀分類，主要有圓球形、扁圓形和長(zhǎng)球形，按鱗莖皮色又分為紅皮、白皮和黃皮洋蔥，其尺寸規(guī)格通常按照橫徑（洋蔥鱗莖最大橫切面直徑）劃分（NY/T 1071—2006），基本栽植流程為育苗→苗期管理→耕整地→移栽→田間管理→收獲（崔慕華 等，2018）。

近年來(lái)，隨著洋蔥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，廣大種植戶對(duì)洋蔥機(jī)械化作業(yè)需求迫切，特別是作業(yè)過(guò)程復(fù)雜和人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的收獲環(huán)節(jié)，洋蔥的機(jī)械化收獲作業(yè)已成為該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸（賀得飛，2013；顧永平，2014）。為此，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外洋蔥種植現(xiàn)狀和中國(guó)典型產(chǎn)區(qū)種植模式，研究分析國(guó)內(nèi)外洋蔥機(jī)械化收獲技術(shù)及機(jī)具主要類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)中國(guó)洋蔥機(jī)械化收獲技術(shù)及機(jī)具的研發(fā)有重要價(jià)值。

1 洋蔥種植現(xiàn)狀概述

洋蔥在世界各地均有種植，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2017 年全世界洋蔥種植總面積為520.16 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量為9 786.29 萬(wàn)t。種植面積前十的國(guó)家依次為印度、中國(guó)、尼日利亞、孟加拉國(guó)、印度尼西亞、巴基斯坦、越南、蘇丹、烏干達(dá)、緬甸，產(chǎn)量前十的國(guó)家依次為中國(guó)、印度、美國(guó)、伊朗、埃及、俄羅斯、土耳其、孟加拉國(guó)、巴基斯坦、荷蘭。

洋蔥是中國(guó)主栽蔬菜之一，已有百余年的栽培歷史（李平 等，2005）。主產(chǎn)區(qū)在云南?。ㄔ\縣）、四川省（西昌市）、江蘇?。ㄐ熘菔校⑸綎|?。?jì)寧市、濰坊市）、內(nèi)蒙古自治區(qū)（烏蘭察布市、赤峰市、通遼市）、甘肅?。ň迫?、武威市）、吉林?。ㄑ蛹校⒑邶埥。R齊哈爾市），自南向北依次為短日照區(qū)、中日照區(qū)和長(zhǎng)日照區(qū)。

由圖1 可見(jiàn)，2017 年中國(guó)洋蔥種植面積為110.25 萬(wàn)hm2，占世界總種植面積的21.20%，總產(chǎn)量為2 434.45 萬(wàn)t，占世界總產(chǎn)量的24.88%，雖然種植面積低于印度，但總產(chǎn)量卻穩(wěn)居第一；自2011年以來(lái)，中國(guó)洋蔥年種植面積均超過(guò)100 萬(wàn)hm2、總產(chǎn)量均超過(guò)2 200 萬(wàn)t，種植面積和總產(chǎn)量均呈逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖1 2008～2017 年中國(guó)洋蔥的種植面積和總產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）。

2 中國(guó)典型產(chǎn)區(qū)洋蔥種植及收獲模式

2.1 種植模式

中國(guó)洋蔥栽培主要分為平作、畦作（平畦高埂或高畦深溝）和壟作，以畦作為主。分別對(duì)長(zhǎng)日照洋蔥主產(chǎn)區(qū)甘肅省酒泉市（肅州區(qū)西洞鎮(zhèn)、三墩鎮(zhèn)）和中日照洋蔥主產(chǎn)區(qū)江蘇省徐州市（豐縣首羨鎮(zhèn)、趙莊鎮(zhèn)）洋蔥種植及收獲情況進(jìn)行了調(diào)研。這兩個(gè)產(chǎn)區(qū)洋蔥栽培均為平畦高埂，平畦種植洋蔥，高埂用于澆灌和田間管理。種植品種方面，肅州區(qū)主要為紅皮（陜西紅）、黃皮（圣賢），豐縣為紅皮（二紅）、黃皮（中甲高黃）。均采用覆膜栽培方式，其中豐縣采用洋蔥—玉米輪作和洋蔥—棉花套種模式。

平畦高埂洋蔥種植模式如圖2-a 所示，肅州區(qū)為適應(yīng)機(jī)械鋪膜作業(yè)，洋蔥種植已形成一定規(guī)范，行距L 和株距R 均為15 cm，畦埂寬D 和高H 分別為40 cm 和10 cm，畦面寬B 為120 cm，畦面上種植9 行洋蔥。豐縣洋蔥種植各環(huán)節(jié)均為人工作業(yè)，行距L 和株距R 也均為15 cm，畦埂寬D 一般為30～40 cm，畦埂高H 一般為10～20 cm，根據(jù)地塊大小畦面寬B 一般為200～400 cm，畦面上種植洋蔥13～26 行。通過(guò)文獻(xiàn)可知，長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)為方便排水，采用如圖2-b 所示的高畦深溝種植模式，一般情況下行距L 為15 cm，株距R 為13～15 cm，溝寬D 和溝深H 分別為40 cm 和20 cm，畦面寬B 為150～200 cm，畦面上種植洋蔥10～13 行（王桂軍，2012）。

2.2 收獲方式

洋蔥假莖變軟、植株出現(xiàn)大面積倒伏，標(biāo)志著收獲期臨近。豐縣洋蔥一般在5 月下旬收獲，肅州區(qū)洋蔥一般在8 月下旬收獲，調(diào)研發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)產(chǎn)區(qū)洋蔥收獲均為人工作業(yè)，基本流程為起挖蔥→剪蔥秧→去蔥根→裝袋。通過(guò)人工撥推和剜刀輔助的方式進(jìn)行洋蔥挖掘，然后用剪刀進(jìn)行剪秧和去根，最后按不同規(guī)格等級(jí)進(jìn)行裝袋，完成收獲作業(yè)。兩個(gè)產(chǎn)區(qū)人工收獲洋蔥基本作業(yè)原理類似，區(qū)別僅在于豐縣洋蔥挖掘后成條集中鋪放于地表，然后集中進(jìn)行剪秧作業(yè)；而肅州區(qū)洋蔥收獲是在挖掘前進(jìn)行剪秧作業(yè)。

3 洋蔥機(jī)械化收獲技術(shù)及機(jī)具研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

圖2 中國(guó)典型產(chǎn)區(qū)洋蔥畦作模式

收獲是洋蔥生產(chǎn)過(guò)程中最為繁瑣的環(huán)節(jié)，用工量較大，其作業(yè)質(zhì)量直接影響洋蔥產(chǎn)量和種植戶經(jīng)濟(jì)收益。國(guó)外洋蔥收獲機(jī)械研發(fā)起步較早，許多高校和公司都開(kāi)展了研究工作，并取得了眾多成果（Bendix & Krier，2002；Qarallah et al.，2008；Laryushin & Laryushin，2009；Arimura et al.，2013）。歐美國(guó)家研發(fā)的收獲機(jī)具偏向于多功能、自動(dòng)化和聯(lián)合作業(yè)，如丹麥ASA-LIFT（http：//www.asa-lift.com/?mID=2&msID=9）、 美 國(guó)LEE SHUKNECHT & SONS（http：//www.shuknecht.com/custom-single-bed-onion-harvesters.html.） 和TEN SQUARE INTERNATIONA（April，2013）、 加 拿大UNIVERCO（http：//www.univerco.com/en/fieldmachinery/）公司；亞洲研發(fā)的收獲機(jī)具偏向于中小型聯(lián)合作業(yè)，如韓國(guó)（https：//www.nongjitong.com/video/411468.html.）、日本（https：//www.nongjitong.com/video/413725.html.）、伊 朗（Mehta & Yadav，2015）、 印 度（Massah et al.，2012）、 菲 律 賓（Gavino & Mateo，2018） 等 國(guó) 家。 其 中 丹 麥ASA-LIFT 公司生產(chǎn)的洋蔥收獲機(jī)是目前市場(chǎng)上使用最多的，覆蓋世界60 多個(gè)國(guó)家，已實(shí)現(xiàn)洋蔥收獲系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，主要包括去秧機(jī)、挖掘機(jī)和撿拾機(jī)三大類（表1）。

伊朗、印度和菲律賓等國(guó)家結(jié)合本國(guó)國(guó)情和洋蔥種植現(xiàn)狀，研發(fā)的收獲機(jī)具偏向于小型化和輕簡(jiǎn)化作業(yè)。Tapan 等（2011）設(shè)計(jì)了一種牽引式洋蔥收獲機(jī)，并對(duì)6 種不同形狀的挖掘鏟進(jìn)行了性能比較試驗(yàn)，結(jié)果表明“倒V”形結(jié)構(gòu)的挖掘鏟平均牽引力最小。并通過(guò)試驗(yàn)分析最終確定分離輸送裝置長(zhǎng)度120 cm、傾角15°，分離輸送裝置運(yùn)動(dòng)速度與機(jī)具前進(jìn)速度之間的速比關(guān)系為1.25∶1，此參數(shù)下洋蔥明蔥率為97.7%、傷蔥率為3.5%，機(jī)械挖掘收獲比人工挖掘收獲節(jié)約成本56%。Singh（2014）設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易洋蔥挖掘機(jī)，挖掘鏟片采用高碳鋼材料（EN45）加工而成，寬度為7.0 cm，厚度為1.5 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)速度為每小時(shí)4 000 m、挖掘深度為7.6 cm 時(shí)效果較好，此時(shí)洋蔥明蔥率為94.9%、傷蔥率為5.1%，與人工收獲作業(yè)相比可分別節(jié)省勞動(dòng)力和成本58%和49%。Nisha 和Shridar（2018）針對(duì)印度現(xiàn)有洋蔥收獲機(jī)傷蔥率高和通用性差的問(wèn)題，研發(fā)了一種與微耕機(jī)配套使用的小型洋蔥收獲機(jī)，主要由旋轉(zhuǎn)齒輪箱、挖掘機(jī)構(gòu)、V 帶滑輪機(jī)構(gòu)、輸送裝置等組成，挖掘幅寬為53 cm，挖掘深度為10 cm。田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的人工收獲可分別節(jié)省成本和時(shí)間59.20%和93.75%。

表1 丹麥ASA-LIFT 公司系列洋蔥收獲機(jī)具

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

中國(guó)雖然是洋蔥生產(chǎn)大國(guó)，但機(jī)械化生產(chǎn)水平較低。特別是收獲環(huán)節(jié)，主產(chǎn)區(qū)仍以人工方式收獲洋蔥，收獲機(jī)具的研究較少，發(fā)展也相對(duì)滯后，前期研究的一些收獲機(jī)具也多是在大蒜和花生等作物收獲機(jī)具的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其適應(yīng)性較差，一直也未得到大范圍推廣應(yīng)用。人工收獲洋蔥勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約著中國(guó)洋蔥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（封成智和楊蕾，2019）。

徐州市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站研制了一種與手扶拖拉機(jī)配套使用的4CS-85 型洋蔥收獲機(jī)，該機(jī)械采用振動(dòng)挖掘方式可一次性完成2 行洋蔥的挖掘、分離輸送和鋪放作業(yè)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（汪澤，2012；張海琨，2012；陳文龍，2013；胡守信，2013）。黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所根據(jù)本省洋蔥種植特點(diǎn)研發(fā)了一種洋蔥收獲機(jī)，該機(jī)械采用側(cè)懸掛的方式與動(dòng)力為16.5 kW 的拖拉機(jī)配套使用，并利用斜鏟進(jìn)行挖掘作業(yè)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明損失率為1.16%、傷蔥率為1.58%（張伯韌 等，2009；康承昊和付敏良，2011；黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所，2012）。甘肅省酒泉市農(nóng)機(jī)推廣站根據(jù)本市洋蔥種植模式，研發(fā)了U-125 型洋蔥挖掘收獲機(jī)，該機(jī)械配套動(dòng)力為22.1～29.4 kW 拖拉機(jī)，作業(yè)速度為每小時(shí)2 000～3 000 m，作業(yè)幅寬125 cm，挖掘深度4～6 cm，田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明傷蔥率為1.5%，損失率為1.5%，挖凈率為98%，作業(yè)效率為每小時(shí)0.55 hm2，同人工相比可提高效率約12 倍（馮正睿，2015）。

甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合武威市裕鑫機(jī)械廠研制了YS-1240 型洋蔥收獲機(jī)，該機(jī)械依靠撥果輪和鏟板聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)洋蔥收起撥送，一次性可完成洋蔥切葉、收果和分級(jí)作業(yè)（劉玉春 等，2014）。黑龍江德沃科技開(kāi)發(fā)有限公司（2016）發(fā)明了一種可以防止洋蔥滯留的收獲機(jī)，該機(jī)械借鑒馬鈴薯收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，采用兩級(jí)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，清理效果較好，洋蔥破損率較低。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種圓蔥（洋蔥）收獲機(jī)，該機(jī)械是由分禾撥禾裝置、挖掘、側(cè)向輸送、去土清選輸送等裝置組成，可一次完成4 行洋蔥收獲，田間試驗(yàn)表明損失率為1.20%、傷蔥率為1.25%（王建剛 等，2015）。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，研制了兩種洋蔥分段收獲機(jī)（圖3）。網(wǎng)鏈?zhǔn)窖笫[收獲機(jī)主要由挖掘、防纏草、網(wǎng)鏈?zhǔn)捷斔头蛛x、限深及行走支撐等裝置組成，采用三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)相連接，機(jī)具作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱將動(dòng)力傳至一側(cè)的皮帶輪，然后再經(jīng)過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)網(wǎng)鏈?zhǔn)捷斔头蛛x裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)洋蔥和土壤、殘膜及雜草的輸送分離作業(yè)，其最大特點(diǎn)是輸送去土部分采用新型網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步降低果實(shí)損傷。

桿條升運(yùn)鏈和振動(dòng)篩組合式洋蔥收獲機(jī)主要由挖掘、圓盤切秧草、帶桿式輸送分離、限深及行走支撐、振動(dòng)尾篩等裝置組成，采用三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)相連接，機(jī)具作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱將動(dòng)力傳至一側(cè)的鏈輪，經(jīng)過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)帶桿式輸送分離裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再將動(dòng)力傳遞到振動(dòng)尾篩，實(shí)現(xiàn)對(duì)洋蔥和土壤、殘膜及雜草的輸送分離作業(yè)，其最大特點(diǎn)是后部增設(shè)二次振動(dòng)輸送分離尾篩，可進(jìn)一步提高洋蔥、土壤及地膜的分離效果。

圖3 洋蔥分段收獲機(jī)

兩個(gè)樣機(jī)作業(yè)幅寬均為160 cm，挖掘深度0～12 cm 可調(diào)，配套動(dòng)力≥55 kW，田間收獲性能試驗(yàn)結(jié)果表明兩個(gè)樣機(jī)作業(yè)過(guò)程基本滿足洋蔥分段收獲要求，為進(jìn)一步提高機(jī)具可靠性和適應(yīng)性，還需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 面臨的問(wèn)題和發(fā)展對(duì)策

通過(guò)上面分析可知，丹麥和美國(guó)等國(guó)家洋蔥收獲機(jī)械研究已非常成熟，而中國(guó)與之差距較大，尚無(wú)性能可靠的洋蔥收獲機(jī)械，雖然前期進(jìn)行過(guò)相關(guān)機(jī)具研發(fā)，但均未得到較好的推廣；近幾年相關(guān)專利雖有申報(bào)，但均未實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。洋蔥收獲機(jī)具匱乏、技術(shù)水平偏低，使洋蔥產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重影響。同時(shí)，受自然條件和種植模式等多種因素影響，國(guó)外機(jī)械直接引進(jìn)并不能適應(yīng)中國(guó)當(dāng)前國(guó)情。中國(guó)洋蔥收獲機(jī)具還需結(jié)合中國(guó)種植農(nóng)藝和模式進(jìn)行自主研發(fā)。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)洋蔥機(jī)械化收獲面臨的問(wèn)題及對(duì)策如下。

① 洋蔥物理及力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定。洋蔥收獲期果實(shí)、秧莖的物理和力學(xué)特性參數(shù)是夾持、去秧、挖掘和去土裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)，而這些物理和力學(xué)特性又受不同的品種、土壤環(huán)境和種植模式等諸多因素影響，為此需對(duì)主產(chǎn)區(qū)不同種植模式下收獲期的洋蔥及秧莖關(guān)鍵物理和力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定分析。

② 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合與模式轉(zhuǎn)換。近年來(lái)，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從農(nóng)機(jī)單方面適應(yīng)農(nóng)藝向農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的轉(zhuǎn)變，但融合的深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于中國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜，各地區(qū)洋蔥種植農(nóng)藝和模式不同，單純依靠農(nóng)機(jī)適應(yīng)農(nóng)藝的方式顯然不夠。為此，應(yīng)加強(qiáng)與洋蔥主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)管理部門和種植大戶之間的溝通，制定符合當(dāng)?shù)氐囊?guī)范化和宜機(jī)化種植模式，在保證產(chǎn)量不減的前提下，通過(guò)改變種植農(nóng)藝的方式為機(jī)械化收獲作業(yè)創(chuàng)造條件，通過(guò)農(nóng)藝的調(diào)整促進(jìn)機(jī)械的研發(fā)，減少機(jī)具研發(fā)種類和數(shù)量，提高機(jī)具適應(yīng)性。

③ 分區(qū)域研發(fā)機(jī)型。中國(guó)洋蔥種植較為分散，各產(chǎn)區(qū)種植模式及地況不同，應(yīng)分區(qū)域研發(fā)不同類型機(jī)具。在小面積種植區(qū)可優(yōu)先選用分段收獲方式，研發(fā)通用性和適應(yīng)性較好的去秧、挖掘收獲和撿拾（可選配有分級(jí)、裝袋等功能）系列化收獲機(jī)械。在大面積種植區(qū)可探索研發(fā)洋蔥聯(lián)合收獲機(jī)械，并將機(jī)、電、液、氣等多項(xiàng)技術(shù)融入，實(shí)現(xiàn)洋蔥去秧、挖掘、去土、裝袋一體化作業(yè)。

④ 仿生與自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。洋蔥不同于水稻、小麥、玉米等作物，由于一部分果實(shí)埋于地下，收獲時(shí)需要挖掘作業(yè)，而該環(huán)節(jié)極易造成果實(shí)損傷。為解決該問(wèn)題可以考慮采用仿生技術(shù)，由于洋蔥根須較少且入土較淺，因此可模仿人手撥推洋蔥的方式完成洋蔥起挖。同時(shí)研究適用于洋蔥去秧的自適應(yīng)技術(shù)，綜合利用傳感、液壓、電控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)去秧作業(yè)深度的自動(dòng)調(diào)控。