李 洋，王 楠，蒲連影，郭 勇

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083；2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲，是一種世界性經(jīng)濟(jì)作物，其分布廣泛，容易栽培，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全世界157個國家均有種植，種植面積達(dá)到1 946萬hm2，年產(chǎn)量3.7億t。馬鈴薯營養(yǎng)豐富，不僅可以當(dāng)作糧食、蔬菜食用，還可以用作飼料和工業(yè)原料，營養(yǎng)價值高于一般糧食作物，富含大量淀粉、多種維生素和氨基酸等成分，單位面積蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別是小麥的2倍、水稻的1.3倍、玉米的1.2倍，被世界公認(rèn)為“第二面包”和“地下蘋果”。

在我國，馬鈴薯也是繼小麥、水稻、玉米之后的第4大糧食作物，據(jù)統(tǒng)計，2020年我國馬鈴薯種植面積580萬hm2以上，總產(chǎn)量2 000萬t左右，是世界上馬鈴薯種植面積及產(chǎn)量最大的國家，自2015年原農(nóng)業(yè)部提出啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略以來，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1-4]。馬鈴薯種植機(jī)械化水平不高一直是制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，本文介紹了國內(nèi)外馬鈴薯種植機(jī)械研究現(xiàn)狀，指出關(guān)鍵技術(shù)難題，為相關(guān)單位研發(fā)馬鈴薯種植機(jī)械提供參考。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外對馬鈴薯種植機(jī)械的研究較早，19世紀(jì)90年代，農(nóng)民就開始使用一些簡易的農(nóng)具從事馬鈴薯播種作業(yè)，這些農(nóng)具結(jié)構(gòu)簡單，馬鈴薯播種需要耗費(fèi)大量時間和人工。20世紀(jì)50年代以后，發(fā)達(dá)國家對馬鈴薯種植機(jī)械進(jìn)行了多次技術(shù)革新，憑借豐富的基礎(chǔ)理論、技術(shù)積累和實踐經(jīng)驗，對種植機(jī)不斷改進(jìn)，種植機(jī)械化程度不斷提高，形成了完整的技術(shù)體系，目前正朝著大型化、智能化、精量化和多功能聯(lián)合型方向發(fā)展。無論是作業(yè)速度、生產(chǎn)效率、工作性能、播種質(zhì)量，還是機(jī)具的通用性和適應(yīng)性方面，整體水平都比較高，這對降低重播率、漏播率、種子損傷率，以及提高產(chǎn)量有很大的促進(jìn)作用[5-7]。

目前，國際市場上的馬鈴薯種植機(jī)械種類很多，技術(shù)水平差別較大，根據(jù)國家可分為兩個梯隊，第1梯隊以德國、美國、荷蘭、比利時和挪威為代表，他們主要生產(chǎn)大中型馬鈴薯種植機(jī)械，普遍采用4行、6行或8行播種，可一次性完成旋耕整地、噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序，同時具有播種監(jiān)控及施肥量、播種量自動控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配備了液壓電控系統(tǒng)，產(chǎn)品價格昂貴。第2梯隊以意大利、日本和韓國為代表，主要生產(chǎn)中小型馬鈴薯種植機(jī)械，與第1梯隊的國家產(chǎn)品相比，其結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，但做工精細(xì)、可靠性高。這些國家生產(chǎn)的馬鈴薯種植機(jī)械在結(jié)構(gòu)、傳動形式和機(jī)電液控制系統(tǒng)等方面都有自身特色，技術(shù)水平在國際上處于領(lǐng)先地位。

德國Grimme公司生產(chǎn)的GL860 Compacta杯式8行馬鈴薯種植機(jī)械(圖1)，機(jī)身可折疊，不僅能夠在大型農(nóng)場實現(xiàn)高效率作業(yè)，還可以靈活快速地轉(zhuǎn)換作業(yè)地塊；采用模塊化設(shè)計，提供多種選配功能，可以適應(yīng)在不平地塊作業(yè)。配套動力110 kW以上，載種量6 t，行距、株距可調(diào)，通過功能選配組合，該機(jī)可與動力驅(qū)動耙或旋耕機(jī)組合使用，集松土整地和播種于一體，可以一次完成整地、噴藥、施肥、開溝、播種、起壟培土和壓壟等多道工序，播種效率高，非常適合大面積播種作業(yè)。由于采用牽引式結(jié)構(gòu)，自身尺寸較長，為此配備了有仿形功能的犁式開溝器，保證播種深度一致；采用圓盤培土器，可選配壟成型裝置；提供3種尺寸的種杯適用于不同規(guī)格的種薯；攪龍式施肥系統(tǒng)，配合傳動比的調(diào)整，可以滿足不同土質(zhì)對施肥量的要求。該種植機(jī)械還可選配帶有ISOBUS功能的CCI智能控制終端(圖2)，以滿足不同用戶對自動化作業(yè)的要求。

圖1 Grimme GL860 Compacta馬鈴薯種植機(jī)Fig.1 Grimme GL860 Compacta potato planter

圖2 CCI智能控制終端Fig.2 CCI Intelligent control terminal

德國Grimme GL32F型杯式2行馬鈴薯施肥種植機(jī)(圖3)，配套動力47.8 kW以上，懸掛式，載種量0.6 t，載肥量0.5 t，行距、株距可調(diào)，最大施肥量1 500 kg/hm2；可以一次完成噴藥、施肥、開溝、播種、起壟培土和壓壟等工序。該機(jī)另一特點(diǎn)是可以將施肥部件拆除，作為單一種植機(jī)械使用，型號變更為GL32E(圖4)。

圖3 Grimme GL32F型馬鈴薯種植機(jī)Fig.3 Grimme GL32F potato planter

圖4 Grimme GL32E型馬鈴薯種植機(jī)Fig.4 Grimme GL32F potato planter

GB系列是Grimme生產(chǎn)的帶式馬鈴薯種植機(jī)，該機(jī)區(qū)別于杯式種植機(jī)，主要通過橡膠帶和泡沫帶的摩擦力夾持種薯完成投種作業(yè)，播種精度高，適合播種未經(jīng)篩選的、大小不一的種薯；可以實現(xiàn)更高的驅(qū)動速度，最高作業(yè)速度可達(dá)10 km/h，也可用于苗床播種作業(yè)。配套動力58.8 kW以上，安裝了液壓控制系統(tǒng)，通過CCI智能控制終端進(jìn)行操作。代表機(jī)型有2行懸掛式GB215型(圖5)、2行牽引式GB230型(圖6)、3行懸掛式GB330型(圖7)和4行牽引式GB430型(圖8)。上述馬鈴薯種植機(jī)械液壓控制系統(tǒng)都需拖拉機(jī)具備向其提供連續(xù)40 L/min以上的液壓輸出能力，且對操作者技術(shù)水平要求高，在國內(nèi)應(yīng)用較少。

圖5 Grimme GB215型馬鈴薯種植機(jī)Fig.5 Grimme GB215 potato planter

圖6 Grimme GB230型馬鈴薯種植機(jī)Fig.6 Grimme GB230 potato planter

圖7 Grimme GB330型馬鈴薯種植機(jī)Fig.7 Grimme GB330 potato planter

圖8 Grimme GB430型馬鈴薯種植機(jī)Fig.8 Grimme GB430 potato planter

美國Double L公司生產(chǎn)的9500系列馬鈴薯種植機(jī)(圖9)，配套動力88.2 kW以上，可選4行、6行或8行播種，一次作業(yè)完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序。美國Lockwood公司生產(chǎn)的506P型6行馬鈴薯種植機(jī)(圖10)在播種速度和精度方面與老款機(jī)型相比有很大改進(jìn)，作業(yè)效率更高，由液壓控制系統(tǒng)自動控制。

圖9 Double L 9560型馬鈴薯種植機(jī)Fig.9 Double L 9560 potato planter

圖10 Lockwood 506P型馬鈴薯種植機(jī)Fig.10 Lockwood 506P potato planter

挪威Underhaug公司生產(chǎn)的UP3760型6行馬鈴薯種植機(jī)由液壓馬達(dá)提供動力，通過可編程控制器調(diào)節(jié)施肥量和播種株距，載種量6 t，肥箱容積2 t，可滿足超長距離播種作業(yè)；播種作業(yè)速度可達(dá)6 km/h以上，作業(yè)效率高。其他產(chǎn)品還有UP3740型4行馬鈴薯種植機(jī)(圖11)，采用同樣的液壓馬達(dá)驅(qū)動和電控系統(tǒng)，保證種植精度的同時，實現(xiàn)高效率作業(yè)。挪威Kverneland公司生產(chǎn)的馬鈴薯種植機(jī)以中、小型為主，可選配噴藥、施肥裝置；配備漏播監(jiān)測、電子控制等電氣裝置，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。同類水平的機(jī)具還有荷蘭APH集團(tuán)生產(chǎn)的Marathon TH系列及Miedema CP系列馬鈴薯種植機(jī)，以及一些超大型機(jī)具，如Harriston 6行和8行種植機(jī)(圖12)。

圖11 Underhaug UP3740型馬鈴薯種植機(jī)Fig.11 Underhaug UP3740 potato planter

圖12 Harriston 6-Row型馬鈴薯種植機(jī)Fig.12 Harriston 6-Row potato planter

意大利Spedo公司生產(chǎn)的馬鈴薯種植機(jī)以小型機(jī)為主，機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，一次作業(yè)可完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序，行距可在60～90 cm內(nèi)進(jìn)行多級調(diào)節(jié)，對播種面積的適用性好。

綜上所述，國外馬鈴薯種植機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實現(xiàn)多種功能集成且作業(yè)效率高，配備完善的液壓控制系統(tǒng)、漏播監(jiān)測及報警系統(tǒng)；需要配套拖拉機(jī)功率大，要求操作人員素質(zhì)高，產(chǎn)品銷售價格昂貴，導(dǎo)致作業(yè)成本高；多數(shù)采用牽引式，作業(yè)行數(shù)在6行以上，只適用于大面積播種地塊。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

雖然我國馬鈴薯生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界第一，但是馬鈴薯機(jī)械化播種率只有20%左右。我國對馬鈴薯種植機(jī)械的研制工作起步較晚，20世紀(jì)50年代末至60年代初，國內(nèi)開始研究馬鈴薯種植機(jī)械。為了滿足馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，研制初期，我國引進(jìn)了國外的一些馬鈴薯種植機(jī)械進(jìn)行仿制，但由于國外馬鈴薯育種形成了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，絕大多數(shù)采用整薯播種，因此，種植機(jī)械的播種部件對標(biāo)準(zhǔn)種薯的適應(yīng)性強(qiáng)，播種質(zhì)量較高。而我國在馬鈴薯種植時，多為種薯切塊種植，在1塊或幾塊種薯同時進(jìn)入播種部件時，出現(xiàn)重播、漏播等嚴(yán)重問題。為此，國家連續(xù)在“十五”、“十一五”科技攻關(guān)，“十二五”行業(yè)科技和“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計劃4個五年計劃中都為馬鈴薯播種裝備設(shè)置了科研項目。

結(jié)合農(nóng)藝要求，馬鈴薯機(jī)械化播種作業(yè)時，要求設(shè)備可以一次性完成噴藥、施肥、開溝、播種、覆土起壟和覆膜等作業(yè)。在提高播種質(zhì)量和效率的同時，有利于后續(xù)的田間管理及收獲轉(zhuǎn)運(yùn)等機(jī)械化作業(yè)。播種部件是馬鈴薯種植機(jī)械的核心部件，根據(jù)工作原理，可將播種部件分為勺式、氣力式、帶式、轉(zhuǎn)盤式和針刺式等。

①針刺式播種部件是馬鈴薯種植機(jī)較多采用的播種部件，其取種結(jié)構(gòu)對種薯的大小適應(yīng)性較好，既能播種整薯也能播種薯塊。但針刺式播種部件在取種時將刺針插入種薯，造成種薯破損，刺針上或種薯表皮上攜帶的病菌容易感染種薯，刺針在取種時也易損壞，目前已基本淘汰。②轉(zhuǎn)盤式播種部件對種薯形狀大小沒有要求，且播種過程不會對種薯造成損傷，漏播率和重播率低，但需依靠人工放種，勞動強(qiáng)度大。③帶式播種部件播種精度高，適合播種未經(jīng)篩選的、大小不一的整薯，不適應(yīng)國內(nèi)大多數(shù)種植農(nóng)藝要求；由于是仿制，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用不成熟，還需加大研發(fā)力度。④氣力式播種部件主要用于種植微型薯，播種部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于微型薯的形狀大小、單體質(zhì)量要求嚴(yán)格，播種前需要將微型薯按質(zhì)量大小分類，不能混合在一起播種，否則無法控制漏播率和重播率。⑤勺式播種部件是目前世界上馬鈴薯種植機(jī)具應(yīng)用最為廣泛的播種部件，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、多個取種碗和導(dǎo)種管、種箱、振動裝置和張緊機(jī)構(gòu)等組成。其中取種勺通過種勺固定背板由螺栓固定在傳動鏈條或夾線橡膠帶上。勺式種植機(jī)具有可靠性高、造價低、株距可調(diào)和可適用于不同株行間距播種的要求等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

目前，國內(nèi)馬鈴薯種植機(jī)大都采用勺式播種裝置。如中機(jī)美諾科技股份有限公司生產(chǎn)的1240型懸掛式4行馬鈴薯種植機(jī)(圖13)，適用于大面積機(jī)械化作業(yè)，可一次完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等作業(yè)；采用攪龍式施肥裝置，可滿足大施肥量作業(yè)要求，采用犁式開溝器和圓盤覆土器；勺式播種部件采用先進(jìn)的勺帶驅(qū)動方式，減少打滑率；振動裝置可選裝機(jī)械式或高頻電機(jī)式，有效降低漏播率和重播率，提高播種精度；配有噴藥系統(tǒng)，可為馬鈴薯種在入土前進(jìn)行消毒處理。配套動力88.2 kW以上，載種量1.5 t，載肥量0.6 t，行距80～90 cm可調(diào)，株距12～47 cm，施肥量0～1 800 kg/hm2，重播率<5%，漏播率<3%，作業(yè)效率可達(dá)1.0～1.8 hm2/h，適合大規(guī)模播種作業(yè)，有效減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，綜合效益高。與其類似的機(jī)型還有黑龍江德沃科技股份有限公司生產(chǎn)的2CMZ系列馬鈴薯施肥種植機(jī)(圖14)、山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的2CMX-4B型4行馬鈴薯種植機(jī)(圖15)[10]。

圖13 美諾1240型馬鈴薯種植機(jī)Fig.13 Menoble 1240 potato planter

圖14 德沃2CMZ型馬鈴薯種植機(jī)Fig.14 Dewo 2CMZ potato planter

圖15 希成2CMX-4B型馬鈴薯種植機(jī)Fig.15 Xicheng 2CMX-4B potato planter

青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的2CM-1/2型大壟雙行覆膜馬鈴薯種植機(jī)(圖16)，采用3點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、鏈勺式播種裝置，中部設(shè)有補(bǔ)種座供工作人員補(bǔ)種時使用，后部除標(biāo)準(zhǔn)配置的起壟覆土裝置外，還設(shè)有鋪膜、鋪設(shè)滴灌管等裝置。其工作深度8～15 cm，播種行距24～28 cm，株距20～35 cm，施肥量0～1 200 kg/hm2，且這些參數(shù)均可調(diào)，提高了機(jī)具的適應(yīng)性，配套動力22 kW以上。

圖16 洪珠2CM-1/2型馬鈴薯種植機(jī)Fig.16 Hongzhu 2CM-1/2 potato planter

對比國內(nèi)外馬鈴薯種植機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀可知，我國現(xiàn)階段使用和生產(chǎn)的國產(chǎn)馬鈴薯種植機(jī)械還處于純機(jī)械式作業(yè)階段，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、作業(yè)性能方面，差距已經(jīng)逐漸縮小，零部件的選材、制造工藝也逐漸接近發(fā)達(dá)國家水平，在價格上比進(jìn)口種植機(jī)械有優(yōu)勢。但是，在電控系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等研發(fā)方面成果較少，市場應(yīng)用屬于空白狀態(tài)[11-13]。

3 關(guān)鍵技術(shù)難題

(1)針對我國馬鈴薯播種作業(yè)過程重播率、漏播率偏高的難點(diǎn)和瓶頸，無法滿足精密播種和高產(chǎn)要求的現(xiàn)狀，研究播種理論，分析播種部件投種過程，研究種薯的運(yùn)動特征，實現(xiàn)單粒精量播種。

(2)針對施肥過程缺乏配混施肥技術(shù)的問題，開發(fā)均勻混肥裝置，控制不同元素肥料的供應(yīng)量，實現(xiàn)多種肥料配混，實現(xiàn)按需施肥。馬鈴薯種肥播施與作業(yè)速度不同步造成播種排肥量不一致、穩(wěn)定性差，實時獲得速度信息決策種肥同步施用控制，是解決這一問題的關(guān)鍵。

(3)依據(jù)現(xiàn)有配套動力拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的性能，為馬鈴薯種植機(jī)設(shè)計與之匹配的液壓控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

論述了馬鈴薯種植機(jī)械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有馬鈴薯種植機(jī)械在國內(nèi)作業(yè)的基本情況和遇到的問題。國外馬鈴薯種植機(jī)械技術(shù)先進(jìn)，但是價格昂貴，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不符合我國國情；國內(nèi)馬鈴薯種植機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量層次不齊，機(jī)具質(zhì)量和適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。提出了國內(nèi)馬鈴薯種植機(jī)械需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，為開發(fā)適合我國國情的馬鈴薯種植機(jī)械提供參考和發(fā)展方向。