王 震，吳長兵，張富貴，李再軍，王丹林

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025； 2.中國煙草總公司貴州省公司，貴州 貴陽550004)

0 引言

中國是世界上煙草種植面積最大的國家，每年煙草種植面積達110萬hm2，煙草種植主要分布在我國西南地區(qū)，種植面積達到全國的66.1%，煙草總產(chǎn)量占據(jù)全國的62.53%，其中戶均種植1.1 hm2，收入為4.5萬元，煙草種植業(yè)逐漸成為了當(dāng)?shù)鼐用衩撠氈赂坏闹匾呗?，因此提高煙草的產(chǎn)量與質(zhì)量在促進煙農(nóng)增收方面有著巨大的影響[1-2]。然而，煙草種植屬于一項勞動密集型工作，特別是在覆膜、移栽等作業(yè)環(huán)節(jié)。隨著我國人口結(jié)構(gòu)老齡化程度加劇及工業(yè)化的不斷發(fā)展，煙草種植業(yè)逐漸出現(xiàn)作業(yè)人員不足的問題。因此，提高煙草種植機械化水平，減少種植人力消耗成為煙草種植產(chǎn)業(yè)升級的必經(jīng)之路[3]。如今煙草機械化研究已取得了較大進展，但其機械裝備水平與產(chǎn)業(yè)需求仍有較大差距，煙草種植機械化水平不高制約著煙草質(zhì)量的提升，為提高西南地區(qū)煙草產(chǎn)業(yè)的機械化升級，對西南地區(qū)煙草機械的現(xiàn)狀進行分析整理，同時提出煙草種植機械化發(fā)展建議。

1 煙草機械基本情況

1.1煙草機械化種植主要環(huán)節(jié)

煙草種植過程對煙草的產(chǎn)量及質(zhì)量有著重大的影響，因此煙草的機械化種植對煙農(nóng)保收促收有著重要的意義。煙草機械化種植過程主要包括翻耕、整地、施肥、起壟、覆膜、移栽、植保、中耕、培土和拔稈等作業(yè)環(huán)節(jié)[4]。由于西南地區(qū)特殊的地形地勢，在煙草種植過程中，西南地區(qū)煙草種植機械化應(yīng)用相對落后。

1.2翻耕、整地機械

在煙草種植環(huán)節(jié)，西南地區(qū)翻耕、整地環(huán)節(jié)使用機械化作業(yè)已比較成熟，主要機具有旋耕機、微耕機等[5]。在西南地區(qū)煙草種植作業(yè)中主要以小型旋耕機為主，從動力源可區(qū)分為油動和電動機型。隨著科技的進步，科研人員在不斷為旋耕機、微耕機增添新的配套農(nóng)具，在滿足作業(yè)環(huán)境的同時增加新功能以提高機器的利用率。隨著技術(shù)的進步，噪聲低、動力強、實用性強的發(fā)動機將更多應(yīng)用于旋耕機和微耕機[6]。根據(jù)不同地區(qū)土壤情況研發(fā)設(shè)計的微耕機將使機器作業(yè)性能得到提高，機器的研發(fā)與應(yīng)用將更好地服務(wù)于煙草種植生產(chǎn)[7]。針對丘陵山地復(fù)雜地形研制的小型自走式螺旋旋耕機如圖1所示，該機采用柴油發(fā)動機提供旋耕動力及驅(qū)動動力，由液壓缸以及液壓馬達控制其旋耕深度，整機采用履帶式行走裝置，保證機具在復(fù)雜地形的行走穩(wěn)定性。該機旋耕深度可以深達30 cm，可打破淺耕層，實現(xiàn)真正的深耕，有效解決了因復(fù)雜地形導(dǎo)致大型機械難以作業(yè)的問題[8]。

圖1 小型自走式螺旋旋耕機Fig.1 Small self-propelled spiral cultivator

1.3起壟、施肥機械

根據(jù)起壟數(shù)量，起壟機械可分為單壟起壟機、雙壟起壟機和多壟起壟機。西南煙草種植行業(yè)以單壟起壟機為主，主要采用微型旋耕起壟機進行起壟作業(yè)，以起壟高度與緊實度作為起壟質(zhì)量的主要參考依據(jù)。目前發(fā)達國家的起壟機采用液壓控制元件，隨著液壓技術(shù)與控制元件的發(fā)展，國內(nèi)的起壟機械也將應(yīng)用該類控制元件，電子與自動控制技術(shù)將會進一步應(yīng)用于起壟機械[9]。煙草種植過程中施肥環(huán)節(jié)是極其重要的環(huán)節(jié)，施肥機械的應(yīng)用對煙草生長的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。肥料箱的排肥裝置對施肥性能有著重要的作用，今后施肥機研發(fā)過程中將進一步改進施肥裝置，增加施肥多樣性，在滿足作業(yè)農(nóng)藝要求的前提下提高施肥機的通用性[10]。張周[11]研發(fā)的起壟施肥一體機如圖2所示，該機器集成起壟、施肥功能，整機傳動系統(tǒng)共分為兩部分，傳動方式均采用鏈條傳動。機器行走時，地輪受到地面的阻力，通過地輪，動力由鏈條傳至排肥裝置，保證整機施肥的均勻性。另一地輪采用鏈條傳動，將動力傳至攪刀，用于攪拌肥料，確保肥料不因含水率過高而導(dǎo)致排肥孔堵塞，該機在煙草種植基地進行施肥試驗達到了作業(yè)施肥的要求。

圖2 起壟施肥一體機Fig.2 Ridging and fertilizing integrated machine

1.4覆膜機械

在煙草種植作業(yè)中，覆膜對蓄水保墑和抑制雜草生長具有重要作用。隨著機械化作業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用日益突出，發(fā)展覆膜機械顯得十分必要。由于覆膜機械作業(yè)效率是人工覆膜作業(yè)效率的10倍以上，使用覆膜機械進行機械化作業(yè)的平均總成本僅為人工覆膜作業(yè)的一半。對比人工覆膜，機械化覆膜不僅效率高，而且覆膜質(zhì)量較好[12]。覆膜機械覆膜質(zhì)量主要取決于覆土輪的工作方式，無動力源覆土輪適合于沙性土壤，有動力源覆土輪適合于黏性土壤。覆膜基本原理相似，主要作業(yè)過程為覆膜機械先將地膜平鋪于地壟上，整機帶動地膜在地壟上展開，最后由覆土輪覆土，完成覆膜過程。福建農(nóng)機研究所研發(fā)的自走式鋪膜機如圖3所示，該機采用汽油機為原動力，動力傳輸主要分為兩部分：一部分動力由發(fā)動機傳遞給行走輪，用于整機的行走；另一部分通過鏈條將動力傳遞給拋土輪。整機作業(yè)時，拋土輪主動拋土，覆膜質(zhì)量較好，適用于黏性土壤，可有效滿足丘陵地區(qū)及黏性土壤覆膜作業(yè)的需求[13-14]。我國覆膜機械的研發(fā)落后于發(fā)達國家，許多覆膜機械作業(yè)過程還需要人工輔助，覆膜機械在自動化、集成化方面有著較大的發(fā)展空間[15]。

1.5移栽機械

移栽環(huán)節(jié)是煙草種植作業(yè)過程中勞動強度大的環(huán)節(jié)，移栽機械主要完成開穴、放苗、覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)。因煙草幼苗品種的不同，移栽機械作業(yè)過程中的株距、種植方式有所不同，因此，一般情況下一種移栽機械主要適用于一種作物。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的煙草移栽施肥機如圖4所示，其移栽功能主要由苗盤與移栽機構(gòu)完成，適用于缽苗移栽以及膜上、膜下移栽。變速箱通過鏈傳動將動力傳輸給移栽機構(gòu)，另一端帶動苗盤轉(zhuǎn)動，隨著整機的行走而完成移栽。該機裝有調(diào)節(jié)手柄，可有效調(diào)節(jié)缽苗移栽深度[16]。移栽機械按照移栽機構(gòu)特點分為鉗夾式移植機構(gòu)、撓性圓盤式移植機構(gòu)、吊杯式移植器、導(dǎo)苗管式移植器、雙輸送帶式移植器、滑道分缽輪式移植機構(gòu)和鴨嘴式移植機構(gòu)。煙草移栽過程用工量較多，且使用的機械大部分為半自動式移栽機械，作業(yè)人員長期重復(fù)動作容易疲勞，進而造成漏苗。隨著我國勞動力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，煙草種植產(chǎn)業(yè)必然會出現(xiàn)勞動力短缺的現(xiàn)象，因此研發(fā)設(shè)計集成化、自動化且價格合理的移栽機械是今后發(fā)展的趨勢[17]。

圖4 煙草移栽施肥機Fig.4 Tobacco transplanting fertilizer machine

1.6植保機械

植保環(huán)節(jié)是保證煙草生長環(huán)境的重要環(huán)節(jié)，合理使用植保機械可顯著降低煙草種植成本。目前，我國煙草用植保機械主要以背負式、機動式為主。背負式噴霧器使用方便，操作簡單，在植保機械中使用率占到98%左右，廣為接受。機動式植保機械在煙草種植使用中以小型動力植保機械為主，主要采用動力改裝的方式，如將摩托車加上藥箱、噴桿及噴嘴等裝置做成植保機械，其噴藥作業(yè)長度可達到傳統(tǒng)人工作業(yè)長度的6倍以上，提高了植保效率[18]。近年來，農(nóng)作物農(nóng)藥殘留問題受到廣泛關(guān)注，需要加強植保機械的研發(fā)，使其不僅可以快速控制農(nóng)作物病蟲害，也有利于提高農(nóng)藥的使用率。隨著技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的人工及半人工植保作業(yè)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代市場要求，西南地區(qū)煙草種植產(chǎn)業(yè)開始引進植保無人機進行植保作業(yè)，植保無人機如圖5所示。與傳統(tǒng)的植保作業(yè)相比較，新型植保無人機作業(yè)效率高，且不受地形地勢的影響，可節(jié)省農(nóng)藥20%～40%，節(jié)水90%以上。未來，植保無人機應(yīng)該更廣泛地應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[19-21]。

圖5 植保無人機Fig.5 Plant protection drone

1.7中耕、培土機械

中耕培土是煙草生長過程中的重要環(huán)節(jié)，其目的：在生長過程中，煙草根系會越來越發(fā)達，此時煙草需要從田間吸收更多的水分和養(yǎng)料，而中耕培土使得煙草根部土壤疏松，利于煙草通過根系吸收水分和養(yǎng)分，進而起到抗倒伏作用；中耕使得土壤得到翻整，能夠達到除去田間雜草和翻曬土壤中蟲卵的目的[22]。國內(nèi)主要生產(chǎn)小型中耕培土機械，根據(jù)培土作業(yè)方式可分為螺旋式、圓盤式、鏵式、銑盤式及犁刀等作業(yè)機械。國內(nèi)眾多中耕培土機械研發(fā)人員研究分析整機結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件，如優(yōu)化碎土刀參數(shù)，解決機器傳動軸容易斷裂等問題。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的煙草中耕培土機(圖6)由螺旋培土刀、導(dǎo)向罩裝置、壟形調(diào)節(jié)裝置等組成，作業(yè)時犁刀對壟底的土壤進行深松作業(yè)，對土壤形成斜向切削運動，螺旋培土刀對土壤形成銑削運動，兩者復(fù)合使機器完成土壤的中耕培土功能。對于煙草種植來說，大多數(shù)中耕培土機械難以實現(xiàn)高培土量來達到煙草生長環(huán)節(jié)需要的抗倒伏能力。因此研發(fā)設(shè)計具有針對性中耕培土機械，滿足煙草等不同農(nóng)作物的特殊需求，這類機械具有較大的發(fā)展空間[23-24]。

圖6 煙草中耕培土機Fig.6 Tobacco field cultivator

1.8拔稈機械

作為煙草種植收獲過程中的副產(chǎn)物，大量煙稈需要在收獲煙葉后由作業(yè)人員及時處理，傳統(tǒng)上煙稈回收需要人工挖掘，整個處理過程費時費力，人工成本較高。大多數(shù)拔稈機械較為笨重，需要拖拉機帶動作業(yè)，其主要作業(yè)方式可分為：利用騎壟作業(yè)、反轉(zhuǎn)挖掘及回轉(zhuǎn)振土的工作原理進行拔稈作業(yè)；利用液壓馬達驅(qū)動相對轉(zhuǎn)動的鏈條進行拔稈作業(yè)等[25]。目前國內(nèi)煙稈拔稈機械種類較多，但由于地域性問題，拔稈機械適應(yīng)性不強，多數(shù)拔稈機械并未能得到充分利用。貴州大學(xué)研制的山地烤煙拔稈機如圖7所示，整機作業(yè)時靠拖拉機行走將煙稈推倒，輥刀系統(tǒng)工作將煙稈底部土壤疏松，隨后掘出煙蔸根部攜帶的泥土，最后將煙稈向后方拋送，并擺放于煙田。煙稈的機械化拔取是未來煙草種植作業(yè)機械化的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)充分考慮不同地區(qū)煙草種植的作業(yè)環(huán)境，并根據(jù)不同地區(qū)需求進行針對性的設(shè)計[26]。

圖7 山地烤煙拔稈機Fig.7 Mountain flue-cured tobacco rod pulling machine

2 煙草機械存在的問題

2.1農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合不足

煙草質(zhì)量深受種植地理環(huán)境及種植方式的影響，我國西南地區(qū)擁有得天獨厚的氣候條件，適宜于煙草種植業(yè)的發(fā)展。西南地區(qū)具有多種品種的煙苗，不同地區(qū)、不同品種的煙草種植存在較大的差異，煙草種植過程中對不同煙苗種植的株距、行距及密度也不相同。農(nóng)機的研究與應(yīng)用是為了提高農(nóng)業(yè)種植效率和提高農(nóng)產(chǎn)品果實的質(zhì)量，在大規(guī)模研究煙草種植模式的過程中，忽視了農(nóng)機對不同地區(qū)不同品種的適應(yīng)性。因此在不同地區(qū)、不同品種種植的過程中，農(nóng)機的研制需要有不同的針對性，研制適合不同作業(yè)狀況的農(nóng)機，提高農(nóng)機農(nóng)藝的融合程度。

2.2專用機械缺乏

我國國土遼闊，國內(nèi)地貌環(huán)境復(fù)雜多樣，造成煙草種植作業(yè)環(huán)境、種植品種等多樣化，難以研發(fā)出因地制宜的專用機械。由于我國農(nóng)業(yè)機械研究落后于發(fā)達國家，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)往往是跟隨式的，一般是引進國外機械后進行研發(fā)改造，忽視了我國各個地區(qū)的氣候條件、土壤條件的差異。如在我國北方研制適用的覆膜機械，在西南地區(qū)會出現(xiàn)不適宜的問題，北方氣候較為干旱，土壤以砂性土壤為主，覆膜機械進行作業(yè)時，覆土輪不需要主動覆土也可以完成覆膜作業(yè)；而西南地區(qū)以黏性土壤為主，覆膜作業(yè)時覆土輪必須主動覆土才能完成覆膜作業(yè)。

2.3關(guān)鍵作業(yè)部件可靠性較低

由于發(fā)達國家農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)水平領(lǐng)先于我國，國內(nèi)許多農(nóng)業(yè)機械研發(fā)處于對國外機械的仿制階段，某些農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)原理研究不扎實，機器研制技術(shù)沉淀不足，進而造成某些國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械作業(yè)性能較低、整機作業(yè)功耗較大的問題。由于對機器材料及部件設(shè)計的認知不足，出現(xiàn)機器關(guān)鍵作業(yè)部件壽命較短、損耗較快的問題，嚴重制約了農(nóng)機的推廣與應(yīng)用。

2.4智能化程度較低

隨著我國城市化進程的推進和老齡化社會的出現(xiàn)，勞動力人口數(shù)量開始下降，農(nóng)村農(nóng)業(yè)勞動力短缺。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，采用機械化作業(yè)可有效提高作業(yè)效率，降低勞動成本。目前，國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械多處于純機械設(shè)計階段，整機較為笨重，集成化、自動化程度水平不高。需要研發(fā)人員考慮老齡化趨勢，研發(fā)智能化、集成化的機器以滿足未來勞動力短缺下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實需求。

3 應(yīng)對策略及建議

3.1推進農(nóng)業(yè)信息化

加大力度推動農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展，加快實現(xiàn)農(nóng)機農(nóng)藝深度結(jié)合。隨著我國制造技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械的需求，通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加快滿足不同種植地區(qū)、不同土壤條件的農(nóng)藝要求，在滿足規(guī)范化機械作業(yè)的基礎(chǔ)上，利用先進的機械制造技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)機械關(guān)鍵部件的質(zhì)量，增加使用過程中的整機穩(wěn)定性，延長整機使用壽命；利用農(nóng)業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械相結(jié)合，促進農(nóng)機農(nóng)藝深度結(jié)合。

3.2農(nóng)用機械本地化

針對西南地區(qū)煙草種植產(chǎn)業(yè)，在學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計出適用于西南地區(qū)的煙草種植作業(yè)機械。如針對西南地區(qū)黏性土壤特點，研發(fā)設(shè)計降粘減阻的移栽機械，在煙苗移栽時，避免出現(xiàn)苗坑深度、株距不穩(wěn)定的情形，減少幼苗窩根及傷根現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3國家政策引導(dǎo)

加強國家政策的引導(dǎo)作用，農(nóng)業(yè)機械部門落實國家政策，改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中落后的生產(chǎn)方式；農(nóng)業(yè)機械研發(fā)設(shè)計機構(gòu)加強相關(guān)農(nóng)機作業(yè)理論研究，基于我國不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)作業(yè)方式，研發(fā)設(shè)計農(nóng)民買得起、用的住、用著方便的農(nóng)業(yè)機械，即在提高作業(yè)質(zhì)量的同時，延長農(nóng)業(yè)機械的整體使用壽命，減少農(nóng)業(yè)作業(yè)人員在作業(yè)機械上面的開銷。農(nóng)業(yè)機械部門可與政府配合，一方面降低農(nóng)業(yè)機械價格，另一方面推廣農(nóng)場式種植模式，實現(xiàn)大規(guī)模集成化經(jīng)營，加強對農(nóng)業(yè)機械的推廣與應(yīng)用。

3.4加強農(nóng)業(yè)機械研發(fā)

以高校、科研院所為中心，在考慮我國已進入老齡化社會的基礎(chǔ)上，為滿足不同地區(qū)煙草種植農(nóng)藝要求，研發(fā)設(shè)計集成化、智能化的農(nóng)業(yè)機械，減少人力資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的消耗。在我國西南地區(qū)，煙草種植面積較大，是重要的經(jīng)濟作物。在人口老齡化的背景下，西南地區(qū)集成化、智能化農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)顯得尤為重要與緊迫。

4 結(jié)論

(1)近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)信息化的推進，農(nóng)業(yè)機械化取得了長足進步，在某種程度上減緩了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人力資源的需求壓力，但在技術(shù)上仍存在不足，農(nóng)業(yè)機械存在自動化、集成化程度低的缺點。今后，農(nóng)業(yè)機械研發(fā)機構(gòu)須在滿足當(dāng)?shù)胤N植農(nóng)藝的需求基礎(chǔ)上，加大機器自動化、集成化的研發(fā)與設(shè)計支持力度。

(2)國外農(nóng)業(yè)機械較為成熟，機械整體作業(yè)效率較高，作業(yè)技術(shù)也較為成熟，但國外的農(nóng)業(yè)機械價格較貴，不適于國內(nèi)農(nóng)民購買使用。我國國土資源遼闊，許多機械不能適應(yīng)國內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。目前國內(nèi)科研團隊已經(jīng)開展煙草作業(yè)機械化研究，但多數(shù)處于起步階段，還沒有出現(xiàn)可以滿足我國大部分地區(qū)使用的新型機械。在今后一段時間內(nèi)，半自動化作業(yè)機械依然是我國農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中的主流。

(3)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機械需要針對不同地區(qū)進行研發(fā)設(shè)計。西南地區(qū)特殊的地形地勢及黏性土壤的特點，使得使用移栽機械時，出現(xiàn)土壤粘附的現(xiàn)象，影響移栽的質(zhì)量和效率。在該區(qū)域使用覆膜機械會出現(xiàn)地壟兩側(cè)覆土量不一致的情形，影響覆膜機械的覆膜質(zhì)量，影響作物的生長。在未來的農(nóng)業(yè)機械研發(fā)過程中，需向區(qū)域化發(fā)展，研發(fā)滿足我國不同地區(qū)需求的農(nóng)業(yè)機械。