徐亞雷，張 還，潘志國(guó)，楊然兵，李 林

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

0 引言

甘薯屬旋花科，是一年生或多年生蔓生草本，不同地方對(duì)于甘薯的叫法也不相同，如番薯、紅薯、地瓜等[1]。我國(guó)北方種植區(qū)域主要分布于淮海平原地區(qū)，而南方主要分布在長(zhǎng)江流域及東南沿海各省。我國(guó)甘薯種植歷史悠久，大約16世紀(jì)末葉由南洋引入我國(guó)福建、廣東等地，而后在我國(guó)各地傳播種植。據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2018年甘薯世界總產(chǎn)量約919萬(wàn)t，而中國(guó)產(chǎn)量約532萬(wàn)t，約占世界總產(chǎn)量的58%[2]。甘薯含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，尤其是甘薯在抗癌保健方面有突出的表現(xiàn)。

1 甘薯生產(chǎn)機(jī)械化

甘薯生產(chǎn)過(guò)程總的來(lái)說(shuō)可以分成5個(gè)階段：培育秧苗、耕整起壟、移栽種植、田間管理、甘薯收獲。其中移栽、收獲勞動(dòng)量占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的75%以上，而實(shí)際的機(jī)械化水平不足26%，因此研制出更加實(shí)用高效的甘薯生產(chǎn)機(jī)械迫在眉睫[3]。我國(guó)甘薯生產(chǎn)機(jī)械的研發(fā)起步較晚，發(fā)展較慢，一直以來(lái)受到我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)水平的限制，發(fā)展長(zhǎng)期處于停滯不前的狀態(tài)，耕種收機(jī)械化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玉米小麥等糧食作物。近年來(lái)，由于種植勞動(dòng)力的大量減少，以及工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)甘薯需求的不斷增加，甘薯生產(chǎn)機(jī)械才有了一定程度的發(fā)展。

目前市場(chǎng)上雖出現(xiàn)了多種形式的甘薯生產(chǎn)機(jī)械，但生產(chǎn)上多以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)型為主，很多機(jī)器尚處于樣機(jī)研發(fā)試驗(yàn)階段，技術(shù)水平及實(shí)際生產(chǎn)效果還不成熟[4]。

1.1移栽機(jī)械

甘薯有性繁殖屬于異花授粉，如果采用雜交的方式進(jìn)行繁殖，過(guò)程復(fù)雜且效率低，而甘薯的營(yíng)養(yǎng)器官具有較強(qiáng)的再生能力，因此用種薯培育甘薯秧苗再進(jìn)行移栽的作業(yè)方式得到了廣泛的采用。當(dāng)培育的甘薯秧苗長(zhǎng)致6個(gè)節(jié)位，薯苗高度>25 cm時(shí)要及時(shí)進(jìn)行采苗移栽[5]。相對(duì)于其他用苗盤(pán)育苗的作物，甘薯移栽面臨最大的問(wèn)題是自動(dòng)分苗困難，現(xiàn)有的甘薯移栽機(jī)普遍采用人工輔助分苗、放苗，這也是限制甘薯移栽作業(yè)效率的重要因素。

市場(chǎng)上通用的甘薯移栽機(jī)械主要分為導(dǎo)苗式、吊籃式、鉗夾式等，如山東火絨公司制造的2ZQX-2型懸掛雙行鉗夾式甘薯移栽機(jī)，通過(guò)人工放苗在輸苗帶上，當(dāng)輸苗帶轉(zhuǎn)至靠近地壟時(shí)由夾持機(jī)構(gòu)夾住秧苗插入地壟中，隨后鉗夾打開(kāi)并從地壟中拔出完成一次移栽作業(yè)，但移栽株距受拖拉機(jī)行進(jìn)速度影響較大，容易出現(xiàn)株距差異較大的情況。

日本、美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于甘薯移栽的研究較早，目前已形成了從育苗到耕整起壟再到移栽的一整套種植技術(shù)[6]。其中種植面積最多的是美國(guó)，移栽機(jī)械也以大型機(jī)械為主，如美國(guó)雷納多公司研制了雷納多HTME1100型鴨嘴式移栽機(jī)。其采用丙烷加熱燃燒器觸碰地膜從而在地膜上燙出圓孔，移栽器中的秧苗由人工進(jìn)行投放，當(dāng)進(jìn)入地壟時(shí)鴨嘴器打開(kāi)放入秧苗完成移栽作業(yè)。日本種植機(jī)械主要由靈活作業(yè)的小型機(jī)械構(gòu)成，代表的機(jī)型主要有自走帶夾式移栽機(jī)、牽引式乘坐型人工栽插機(jī)(圖1)等。這些移栽機(jī)械普遍自動(dòng)化程度較高，適用于小塊甘薯種植區(qū)域但作業(yè)效率較低。

1.2收獲機(jī)械

甘薯移栽過(guò)后經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)周期便到了收獲的階段。甘薯根據(jù)種植的時(shí)間不同，生長(zhǎng)周期也不相同，春薯的生長(zhǎng)周期為160～200 d，而夏薯一般為110～120 d。一般在5—6月移栽種植的甘薯在10月中下旬就可以收獲，稍晚一點(diǎn)種植的紅薯在11月上旬至枯霜前收獲完畢。

與人工收獲甘薯相比，機(jī)械收獲甘薯具有省時(shí)、省力的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的人工收獲甘薯，平均每人每天收獲甘薯0.13～0.20 hm2，收獲過(guò)程繁瑣勞累，甘薯破損率高，平均破損率達(dá)到15%左右，而利用機(jī)械收獲效率可以達(dá)到人工收獲的20倍以上，而且收獲的傷薯率僅為人工收獲傷署率的53%，甘薯的收凈率更是達(dá)到96%以上，大大減少了甘薯漏收現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

圖1 日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的PVHR2型移栽機(jī)Fig.1 PVHR2 transplanter of Japan Jingguan Agricultural Machinery Co.，Ltd.

甘薯機(jī)械化收獲主要有3種方式。一種是先用殺秧機(jī)清除秧蔓，再用甘薯挖掘機(jī)械將甘薯挖出，簡(jiǎn)單清理過(guò)后將甘薯鋪放成條，后由人工做進(jìn)一步清理、裝車(chē)運(yùn)輸。這種甘薯收獲方式機(jī)械化水平較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，但在我國(guó)應(yīng)用廣泛。另一種甘薯收獲方式是殺秧機(jī)去除甘薯秧蔓后，采用聯(lián)合甘薯收獲機(jī)械對(duì)甘薯進(jìn)行集挖掘、清選、裝運(yùn)于一體的作業(yè)，這種作業(yè)方式雖采用兩段式分工，但也極大地節(jié)省了勞動(dòng)力。第3種是目前收獲自動(dòng)化程度最高的方式，使用一種機(jī)械設(shè)備，一次性完成殺秧、清選、收獲的全過(guò)程，但是這種收獲方式技術(shù)水平要求較高，在我國(guó)國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少。

1.2.1甘薯殺秧機(jī)械

對(duì)于分段式甘薯收獲方式，甘薯收獲前都要進(jìn)行殺秧處理。甘薯秧蔓的處理主要有2種方式。一種方式是薯蔓經(jīng)殺秧機(jī)粉碎后直接拋撒在大田里，這種秧蔓粉碎還田機(jī)又分成臥式和立式兩種。另一種方式是甘薯殺秧后對(duì)莖葉進(jìn)行收集用作飼料，對(duì)于薯蔓的收集又可分成整蔓收集和粉碎收集，如日本洋馬生產(chǎn)的HH10型甘薯藤蔓采收機(jī)，收獲時(shí)將藤蔓挑起然后沿根部切斷，不粉碎直接鋪放收集[8]。

我國(guó)目前甘薯收獲機(jī)械化程度仍有待進(jìn)一步提高，大部分地區(qū)還是靠人工收獲，僅有少部分地區(qū)是采用分段式機(jī)械收獲的方式。因此在收獲前要提前進(jìn)行殺秧處理，對(duì)于秧苗的處理方式也主要為粉碎式還田型[9]。殺秧機(jī)代表機(jī)型主要有洪珠1JH-110型薯類(lèi)殺秧機(jī)(如圖2所示，其采用三點(diǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)，工作時(shí)刀片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，將壟底的秧苗吸起，利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的刀片將其粉碎)，青島璞盛1JH-130型殺秧機(jī)，以及河北省農(nóng)機(jī)化研究所研制的1JHS型系列甘薯殺秧機(jī)等。

圖2 青島洪珠研發(fā)的1JH-110型薯類(lèi)殺秧機(jī)Fig.2 1JH-110 potato seedling killing machine developed by Qingdao Hongzhu

1.2.2甘薯挖掘機(jī)械

對(duì)于甘薯挖掘機(jī)械，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的廠商眾多，但是挖掘甘薯的原理基本類(lèi)似。進(jìn)行甘薯作物的收獲作業(yè)時(shí)，在拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，收獲機(jī)械的振動(dòng)挖掘裝置振動(dòng)挖掘鏟入土，隨后將甘薯與土壤一起從土里挖出來(lái)，隨著機(jī)具的不斷前進(jìn)，挖出來(lái)的甘薯和土壤一起被推送到輸送鏈?zhǔn)綎鸥窈Y上。由于振動(dòng)鏈條帶動(dòng)振動(dòng)輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生抖動(dòng)，因而輸送鏈?zhǔn)綎鸥窈Y上的甘薯在向后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，附著的泥塊因振動(dòng)輪對(duì)輸送鏈?zhǔn)綎鸥窈Y的抖動(dòng)作用，不斷地從篩條間散落到地面上，達(dá)到薯土分離的效果。經(jīng)過(guò)分離篩選出的甘薯繼續(xù)通過(guò)輸送鏈?zhǔn)綎鸥窈Y，在集薯導(dǎo)向板的作用下有序的落在收獲機(jī)經(jīng)過(guò)的壟上，然后再經(jīng)過(guò)人工的撿拾收集，最后完成對(duì)甘薯作物的收獲作業(yè)。其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。代表機(jī)型有山東圣魯機(jī)械廠生產(chǎn)的SL-SHJ型甘薯收獲機(jī)、河北省農(nóng)機(jī)化研究所研制的4U-2系列薯類(lèi)收獲機(jī)等。

1.變速箱 2.機(jī)架 3.集薯導(dǎo)向板 4.刮平器 5.輸送鏈?zhǔn)綎鸥窈Y 6.振動(dòng)挖掘裝置 7.防纏草裝置 8.懸掛裝置圖3 甘薯挖掘機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical structure of sweet potato excavation

1.2.3國(guó)外一體化甘薯收獲機(jī)

國(guó)外對(duì)于甘薯收獲機(jī)的研究較早，自動(dòng)化程度較高，技術(shù)也比較成熟，收獲機(jī)也主要是集清蔓、挖掘、收集于一體的全自動(dòng)化機(jī)械[10]。如日本松山株式會(huì)社研發(fā)的GZA651型甘薯收獲機(jī)(圖4)采用自走式履帶驅(qū)動(dòng)，工作工程中甘薯挖掘深度可以調(diào)節(jié)，輸送過(guò)程采用兩級(jí)分離輸送，初步清選后的甘薯轉(zhuǎn)入由人工做進(jìn)一步清選，最后清選好的甘薯放入可升降式掛袋中。這種甘薯收獲機(jī)體型較小、作業(yè)靈活，適合中小型地塊甘薯的收獲。

圖4 日本松山株式會(huì)社的GZA651型甘薯收獲機(jī)Fig.4 GZA651 sweet potato harvester of Matsushama Co.，Ltd.

英國(guó)standen生產(chǎn)的TSP1900型甘薯收獲機(jī)(圖5)，采用對(duì)輥去秧、挖掘式收獲技術(shù)[11]。不用收獲時(shí)提前進(jìn)行殺秧，可直接在甘薯秧苗地里收獲，收獲的雙行行距控制在1.0～1.2 m，3段式提升分離裝置，每段都可以在駕駛室里單獨(dú)控制高度，從而達(dá)到較好的分離清選效果，傳送運(yùn)輸系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)雙面裝車(chē)，提高工作效率。

圖5 英國(guó)Standen公司的牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)Fig.5 Standen traction sweet potato combine

2 面臨的問(wèn)題

(1)國(guó)內(nèi)從事甘薯研發(fā)的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍少，既懂農(nóng)藝又精通機(jī)械設(shè)計(jì)的人才匱乏，生產(chǎn)甘薯種收機(jī)械的公司缺乏專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人才，創(chuàng)新、科研能力不足[12]。市場(chǎng)缺少相關(guān)監(jiān)管措施，產(chǎn)品相似度高，新產(chǎn)品研發(fā)后容易被仿制，農(nóng)民對(duì)于農(nóng)機(jī)價(jià)格的可承受范圍較小等都是制約甘薯生產(chǎn)機(jī)械發(fā)展的原因。

(2)我國(guó)幅員遼闊，甘薯種植的地區(qū)廣泛，全國(guó)分為5個(gè)薯區(qū)，而不同的地區(qū)氣候、土壤存在較大差異，對(duì)于甘薯種植的農(nóng)藝要求也不盡相同，北方春薯區(qū)一年一熟，北回歸線以南南方秋冬薯區(qū)，四季皆可種甘薯，以一年三熟最為普遍[13]。因此，進(jìn)行秧苗扦插及收獲時(shí)，秧苗的大小形狀及種植壟型，都存在較大的差異，這給機(jī)械化種收都帶來(lái)了較大的困難。

(3)無(wú)論對(duì)于甘薯移栽機(jī)還是收獲機(jī)的研發(fā)，國(guó)內(nèi)很少有針對(duì)甘薯作物的專(zhuān)用機(jī)型，往往存在一種機(jī)型用于多種作物的種植和收獲，而不同的作物無(wú)論是種植農(nóng)藝要求還是形狀特征都存在較大的差異，因此很難達(dá)到統(tǒng)一較好的效果。

3 發(fā)展方向

(1)種植、收獲集成化程度將增強(qiáng)，甘薯的移栽要分成耕整、起壟、覆膜、移栽和澆水等過(guò)程，而甘薯收獲也要分成割蔓、挖掘、清選和收集等。分段式收獲雖作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)單，但隨著人工費(fèi)用以及對(duì)種植戶(hù)作業(yè)效率要求的增加，顯然這種分段式的作業(yè)方式難以滿足生產(chǎn)效率的需求，因此實(shí)現(xiàn)集多種功能于一體的全自動(dòng)化機(jī)械將是未來(lái)甘薯生產(chǎn)機(jī)械研究發(fā)展方向之一[14]。

(2)機(jī)器適應(yīng)性和作業(yè)參數(shù)可調(diào)性將進(jìn)一步增強(qiáng)。研發(fā)能根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)藝種植的特點(diǎn)，隨時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)，更換工作部件等，以滿足多種收獲地形、種植條件的要求，也是未來(lái)甘薯移栽機(jī)發(fā)展的方向之一[15]。

(3)機(jī)電液一體化的智能檢測(cè)控制機(jī)構(gòu)，已成為農(nóng)機(jī)制造的發(fā)展趨勢(shì)，而我國(guó)大部分甘薯生產(chǎn)機(jī)械還是處于純機(jī)械結(jié)構(gòu)的階段，自動(dòng)化程度低、制造不精細(xì)，因此甘薯生產(chǎn)機(jī)械將向著更加方便靈巧、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，甘薯的需求量會(huì)進(jìn)一步加大，而現(xiàn)有的甘薯生產(chǎn)機(jī)械又不能滿足日益擴(kuò)大的甘薯產(chǎn)業(yè)的需要。自動(dòng)分苗放苗、分段式挖掘收獲效率低下，以及我國(guó)農(nóng)村、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的約束，使生產(chǎn)機(jī)械的研發(fā)進(jìn)程陷入瓶頸，研制更加智能化、性?xún)r(jià)比更高的甘薯移生產(chǎn)機(jī)械成為了當(dāng)前需要迫切解決的問(wèn)題[17]。