林云龍，楊發(fā)展，李維華, 2

(1. 青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島，266520； 2. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

姜是藥食兩用作物，其所具有的抗腫瘤、抗氧化、止嘔、抗炎、抑菌等藥理作用受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-4]。生姜的生產(chǎn)作業(yè)流程主要包括耕地、開溝、培土、播種、施肥、田間管理以及收獲。目前生姜的播種環(huán)節(jié)以人工作業(yè)為主。隨著栽培技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是通過調(diào)研安丘市所在的濰坊地區(qū)鮮食嫩姜早春促成栽培技術(shù)采用大拱棚三膜/四膜覆蓋栽培，可實(shí)現(xiàn)鮮姜一年兩茬上市(6—8月、10—11月)[5]，這就要求生姜播種的高效性與時(shí)效性。此外，據(jù)2021年最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雖生姜種植面積增加，但產(chǎn)量下滑[6]。以生姜機(jī)械化種植技術(shù)促進(jìn)生姜產(chǎn)量上漲，帶動(dòng)市場回溫迫在眉睫。

針對生姜播種機(jī)械研發(fā)，印度學(xué)者設(shè)計(jì)了兩種基于生姜姜種特性的計(jì)量裝置，并對其適用機(jī)具進(jìn)行了匹配[7]。針對生姜機(jī)械化播種難以實(shí)現(xiàn)“鱗芽朝向一致”農(nóng)藝要求的問題，侯加林等[8]提出了一種采用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)鱗芽快速識(shí)別的方法。但采用機(jī)械化手段實(shí)現(xiàn)生姜種植的相關(guān)研究較少，生姜種植機(jī)械仍處于研發(fā)階段，因此，總結(jié)生姜機(jī)械化種植技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀并闡述生姜機(jī)械化種植重難點(diǎn)對實(shí)現(xiàn)生姜自動(dòng)化精準(zhǔn)種植具有重大意義。

通過調(diào)研該領(lǐng)域的專利申請情況，可以快速了解一些專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究狀況?；趯＠治龇ㄌ骄可獧C(jī)械化種植發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，以期為相關(guān)企業(yè)及科研人員提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

一臺(tái)多功能的生姜種植機(jī)可以集松土、開溝起壟、施肥、播種、覆土以及覆膜等多種工序，并且，可以根據(jù)工況的不同調(diào)節(jié)相對應(yīng)的工作參數(shù)，故為了更全面的搜集專利數(shù)據(jù)，文章在IncoPat專利數(shù)據(jù)庫中以“生姜、種植、裝置”為關(guān)鍵詞進(jìn)行初檢，通過閱讀相關(guān)專利后，以“開溝、施肥”為擴(kuò)充關(guān)鍵詞再次檢索。最后經(jīng)篩選得到從2012年10月21日至2021年1月22日的有關(guān)專利共計(jì)66條。

1.2 分析方法

通過建立生姜機(jī)械化種植專利分析體系，從宏觀和微觀兩個(gè)方面對生姜機(jī)械化種植技術(shù)進(jìn)行分析。其中宏觀分析重點(diǎn)描述技術(shù)隨時(shí)間的變化趨勢以及技術(shù)空間分布；微觀分析則主要闡述技術(shù)研究重點(diǎn)以及技術(shù)演化趨勢，分析框架如圖1所示。

圖1 生姜機(jī)械化種植技術(shù)專利分析框架Fig. 1 Patent analysis framework of ginger mechanized planting technology

2 生姜機(jī)械化種植專利宏觀分析

2.1 技術(shù)時(shí)間分布

通過生姜機(jī)械化種植技術(shù)相關(guān)的專利申請發(fā)展趨勢(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，本領(lǐng)域相關(guān)專利較少，我國專利申請從2012—2016年變化較小，并且每年的專利申請數(shù)量不超過5個(gè)；從2016—2017年出現(xiàn)小幅度增長，專利申請數(shù)量達(dá)到9個(gè)；從2018—2019年增長幅度最大，專利申請數(shù)量達(dá)到20個(gè)，是2017年專利數(shù)量的2.2倍；但從2019—2020年出現(xiàn)下降趨勢，其原因可解釋為生姜機(jī)械化種植技術(shù)出現(xiàn)瓶頸，需要有突破性創(chuàng)新促進(jìn)其發(fā)展。

圖2 專利申請趨勢Fig. 2 Trend of patent applications

2.2 技術(shù)空間分布

生姜機(jī)械化種植技術(shù)領(lǐng)域的專利申請地區(qū)構(gòu)成分析如圖3所示。專利申請數(shù)量最多的是山東省，其次是重慶省，其專利申請數(shù)量分別為32件和13件，占全國專利總數(shù)量的比例分別為48.48%和19.7%。中國生姜分布很廣，南方以廣東、浙江、安徽、湖南和四川等省種植較多，北方山東省栽培面積最大[9]。生姜機(jī)械化種植技術(shù)領(lǐng)域的專利申請地區(qū)結(jié)果表明，其專利申請數(shù)量呈現(xiàn)“適應(yīng)需求”的趨勢；此外，山東地區(qū)的生姜種植以條溝種植模式為主，由此可知，以條播作業(yè)的生姜種植機(jī)械數(shù)量較多。

圖3 專利申請地區(qū)分布Fig. 3 Regional distribution of patents

3 生姜機(jī)械化種植專利微觀分析

3.1 技術(shù)研究重點(diǎn)

表1為生姜機(jī)械化種植技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利的IPC技術(shù)構(gòu)成(前10)。IPC分類中A01C5/06和A01C5/04所占比重最大分別為27.78%和19.44%，這兩項(xiàng)專利的技術(shù)內(nèi)涵均與耕整機(jī)械有關(guān)。由此可見，生姜種植機(jī)械逐漸向滿足低損傷等株距農(nóng)藝要求方向發(fā)展。

表1 生姜種植機(jī)械專利IPC技術(shù)構(gòu)成(前10)Tab. 1 IPC technology composition of Ginger planting patent machinery (top 10)

此外，IPC分類號(hào)從A01C9/00到A01C9/08和A01B49/04的轉(zhuǎn)變反映出生姜種植機(jī)是在原有馬鈴薯種植機(jī)的基礎(chǔ)上，采用新型播種部件及裝置發(fā)展而來的。馬鈴薯機(jī)械化種植主要關(guān)注于分離整列拾取技術(shù)，通過排種器的整列拾取裝置實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的低損傷等株距播種[10]。由此可見，生姜機(jī)械化種植開始關(guān)注于低損傷等株距播種。

IPC分類號(hào)為A01C9/02的專利技術(shù)內(nèi)涵表明，不同于馬鈴薯種植機(jī)，生姜種植機(jī)采用輸送的方式實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)環(huán)節(jié)。此外，IPC分類號(hào)為A01B33/02和 A01B33/08分別與耕作機(jī)具和傳動(dòng)裝置有關(guān)，這表明生姜種植機(jī)面向多功能一體機(jī)方向發(fā)展；IPC分類號(hào)為A01C11/02的技術(shù)內(nèi)涵表明，生姜播種作業(yè)環(huán)節(jié)逐漸重視種姜鱗芽的朝向問題。

綜上所述，生姜機(jī)械化種植經(jīng)歷了三個(gè)過程，即機(jī)械開溝覆土+人工播種、基于農(nóng)藝要求的低損傷機(jī)械化種植、基于鱗芽控制的輸送式機(jī)械化種植。生姜機(jī)械化種植技術(shù)的研究重點(diǎn)為耕整機(jī)械和播種機(jī)械，并且生姜種植機(jī)械趨于多功能一體化方向發(fā)展。

3.2 技術(shù)演化分析

3.2.1 耕整機(jī)械專利演化分析

姜種播種技術(shù)要求如圖4所示，首先在整平耙細(xì)的地塊上開溝起壟，一般溝距設(shè)計(jì)為700～750 mm、溝寬230～280 mm、溝深130～170 mm；其次保證株距200～250 mm、行距700～750 mm，將姜種平放入溝內(nèi)，使幼芽方向保持一致；最后覆土30～40 mm，以該農(nóng)藝要求的安丘生姜獲得了較高的產(chǎn)量[11]。由此可見，生姜種植用耕整機(jī)械主要包括開溝機(jī)械和覆土機(jī)械。

圖4 姜種播種技術(shù)要求Fig. 4 Technical requirements for ginger seed sowing

將生姜耕整機(jī)械劃分為開溝機(jī)械和覆土機(jī)械；同時(shí)為表明技術(shù)不同時(shí)間段的發(fā)展?fàn)顩r，以同族專利數(shù)量為指標(biāo)挑選不同時(shí)間段內(nèi)的核心專利；根據(jù)時(shí)間發(fā)展順序挑選出生姜耕整地機(jī)械專利，如表2所示。

表2 生姜耕整機(jī)械專利演化Tab. 2 Patent evolution of ginger tillage machinery

對于生姜種植用開溝機(jī)械，采用條溝種植模式的開溝機(jī)械其工作部件主要分為犁鏵式與旋轉(zhuǎn)刀片式。單獨(dú)采用犁鏵式開溝器在土質(zhì)過硬的情況下很難保持溝形。因此，為保證不同土壤緊實(shí)度下開溝作業(yè)的均勻性，提出了兩種方案：一是松土后采用犁鏵式開溝器開溝，二是采用旋轉(zhuǎn)刀片式開溝器開溝。

王培洪等[12]于2015年提出的一種牽引式大姜種植開溝機(jī)和廖欽洪等[13]于2017年提出的生姜開溝起壟機(jī)均采用第一種方案降低了土壤硬度對犁鏵式開溝器的負(fù)面影響。不同的是，后者提出的生姜開溝起壟機(jī)加設(shè)打眼裝置，可以在旋耕松土后進(jìn)行土壤深處打眼，實(shí)現(xiàn)了肥料深施的目的。

采用第二種方案的機(jī)具為宋健鑫[14]于2015年提出的一種生姜種植開溝機(jī)、鄒勇等[15]于2017年提出的生姜開溝機(jī)和姜海龍[16]于2020年提出的一種大姜開溝機(jī)用泥鏟。前兩者實(shí)現(xiàn)開溝作業(yè)的同時(shí)通過加設(shè)其他部件如覆土機(jī)構(gòu)、灌溉機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)了多種功能。在開溝部件設(shè)計(jì)上與前兩者不同的是，姜海龍?zhí)岢龅拇蠼_溝機(jī)用泥鏟采用中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括其內(nèi)部配置的可活動(dòng)軸芯桿以及細(xì)螺桿、導(dǎo)向塊和導(dǎo)滑軌等部件，通過可活動(dòng)軸芯桿的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏟距的調(diào)節(jié)，滿足了生姜種植過程中不同溝距的要求。

相較于第一種方式而言，采用旋轉(zhuǎn)刀片式開溝器具有碎土破土效果好、更易保持溝形、一次性開溝成形等優(yōu)點(diǎn)，是生姜種植開溝作業(yè)的首選。此外，針對生姜淺窩種植模式，姜玉松等[17]于2018年提出的可調(diào)節(jié)開槽裝置，通過調(diào)節(jié)配重套桿上配重塊的重量和數(shù)量調(diào)整開槽深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同土壤硬度的開槽作業(yè)。綜上所述，以條溝種植模式的開溝機(jī)具占多數(shù)；生姜開溝機(jī)械演化分析表明，生姜機(jī)械化開溝作業(yè)具有以下發(fā)展趨勢。

1) 采用可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同深度、溝距的開溝作業(yè)。

2) 采用旋轉(zhuǎn)刀片式工作部件，保證溝形一致性。

3) 采用一機(jī)多用設(shè)計(jì)，將多種部件集于一體，實(shí)現(xiàn)多功能一體化。

針對生姜覆土作業(yè)環(huán)節(jié)，同樣可分為兩種機(jī)械化作業(yè)方式：一是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)直接覆土；二是采用取土裝置與覆土機(jī)構(gòu)以“取土—碎土—覆土”工作流程完成覆土作業(yè)。

采用第一種作業(yè)方式的機(jī)具為李金鵬[18]于2017年提出的姜溝覆土機(jī)和李贊松等[19]于2019年提出的自動(dòng)覆土機(jī)。前者采用覆土刀并通過行走導(dǎo)向輪和輔助行走輪的升降調(diào)節(jié)滿足不同深度的姜溝覆土；而后者采用可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的鏵式犁及導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)不同溝寬、溝深和覆土厚度的覆土作業(yè)。相同的是，兩者均采用“騎溝作業(yè)”的方式實(shí)現(xiàn)不同工況下的覆土作業(yè)。但是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)直接覆土可能會(huì)導(dǎo)致大塊土壤覆蓋姜種損傷鱗芽。

姜種出苗率受覆土均勻性的影響，如果覆土厚度超過5 cm(通常覆土厚度在3 cm左右為宜)，就會(huì)導(dǎo)致姜種鱗芽長勢緩慢，出土較晚，進(jìn)而導(dǎo)致生姜出苗不齊[20]。因此，針對該問題研發(fā)了采用第二種作業(yè)方式的機(jī)具如鄒勇等[21]于2019年提出的鉆穴覆土裝置和謝艷云[22]于2021年提出的碎土覆土裝置。前者采用分散桶將土壤分散到各個(gè)方向并用多個(gè)覆土刷轉(zhuǎn)動(dòng)覆土，實(shí)現(xiàn)均勻覆土，提高生姜存活率；后者采用鉆頭和破碎輪實(shí)現(xiàn)鉆穴碎土，通過螺旋輸送架將破碎的土壤傳送到蓋土機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)框內(nèi)，再由抖動(dòng)框?qū)⑼寥蓝堵湓谏谋砻?，?shí)現(xiàn)生姜低損傷覆土的同時(shí)提高覆土均勻性。

綜上所述，生姜種植覆土作業(yè)具有鱗芽損傷和覆土不均勻引起出苗率降低等問題；生姜覆土機(jī)械演化分析表明，生姜機(jī)械化覆土作業(yè)具有以下趨勢。

1) 采用可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同工作參數(shù)下的覆土作業(yè)。

2) 細(xì)化覆土作業(yè)流程，將土塊碎散后實(shí)現(xiàn)低損傷均勻化覆土。

3.2.2 播種機(jī)械專利演化分析

按照導(dǎo)種部件作業(yè)方式，基于物體自由度約束概念將生姜播種機(jī)械劃分為欠約束式播種機(jī)械和全約束式播種機(jī)械[23]。根據(jù)時(shí)間演化如表3所示。

表3 生姜播種機(jī)械專利演化Tab. 3 Patent evolution of ginger seeding machinery

欠約束式生姜播種機(jī)械的播種裝置大都是由一漏斗狀的種箱和其內(nèi)部的撥種送種部件組成，通過撥種送種部件實(shí)現(xiàn)生姜的播種作業(yè)。

如圖5所示，馬榮朝等[24]于2013年提出的生姜開溝起壟式播種機(jī)，采用鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)帶動(dòng)排種勺轉(zhuǎn)動(dòng)取種，多個(gè)姜種勺遞送姜種至排種管實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)。該生姜播種機(jī)采用了馬鈴薯種植機(jī)的鏈勺式分離整列拾取裝置[10]，不同的是姜種勺采用柔性設(shè)計(jì)，降低了鱗芽的損傷。但是，相較于馬鈴薯，姜種形狀不規(guī)則，過多的姜種更易在種箱內(nèi)結(jié)拱進(jìn)而造成漏種現(xiàn)象。

為改善播種效果，吳熠[25]于2015年提出的一種根莖類種植機(jī)及蘇義海[26]于2016年提出的白姜種植施肥機(jī)將種植部件簡化為種箱與導(dǎo)種管的組合設(shè)計(jì)進(jìn)而降低漏種率。不同的是，前者由人工將姜種放置于種箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)單行種植，后者由姜種直接下種進(jìn)行播種；相較而言，前者播種效果好但效率低，后者效率高但重種率較高。但是該類種植機(jī)使塊狀姜種從出料口直接掉落到種植溝中，可能會(huì)導(dǎo)致姜種滾動(dòng)進(jìn)而造成株距不一致，影響姜的生長。因此，王德高等[27]于2016年提出的一種生姜專用播種裝置(圖6)，其下種部件包括帶有下種槽的儲(chǔ)種料斗，以及具有接種槽(裝有壓塊)、擋種環(huán)板的布種輥，通過擋種環(huán)板防止姜種下落到接種槽最低點(diǎn)過程中的掉落，運(yùn)用接種槽中的壓塊將姜種壓實(shí)在土壤中，防止姜種滾動(dòng)移位。但該播種裝置的供種環(huán)節(jié)完全靠姜種重力實(shí)現(xiàn)，若儲(chǔ)種料斗中姜種過多會(huì)引起姜種之間碰撞擠壓造成姜種及鱗芽損傷；若姜種過少會(huì)導(dǎo)致姜種很難成功下種。

圖5 生姜開溝起壟式播種機(jī)Fig. 5 Ginger ditching and ridged planter1.排種管 2.排種網(wǎng) 3.鏈勺式播種器 4.種箱

圖6 生姜專用播種裝置Fig. 6 Special seeding device for ginger1.接種槽 2.下種槽 3.儲(chǔ)種料斗 4.布種輥 5.彈簧 6.檔種環(huán)板 7.壓塊

針對供種環(huán)節(jié)，如圖7(a)所示，姜海龍[28]在蘇義海[26]的研究基礎(chǔ)上對白姜種植機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，采用偏心輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降導(dǎo)桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過復(fù)位彈簧的復(fù)位作用進(jìn)而控制存儲(chǔ)罐開口的閉合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)撥料功能；如圖7(b)所示，鄭杰愷[29]提出的免耕播種裝置采用帶式輸送的方式實(shí)現(xiàn)送種功能，通過調(diào)整變速箱檔位可以改變姜種的投放間距，滿足不同株距的播種要求。兩者均采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力式供種，減少了供種環(huán)節(jié)對姜種的損傷，但還未實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)供種，無法精準(zhǔn)地控制供種數(shù)量進(jìn)而導(dǎo)致重漏種率上升。

由此可見，欠約束式生姜播種機(jī)械主要存在姜種及鱗芽損傷、姜種滾動(dòng)引起播種均勻性降低和姜種結(jié)拱或堆疊導(dǎo)致重漏種率上升等問題。欠約束式播種機(jī)械專利演化分析表明，該類生姜播種機(jī)主要關(guān)注生姜播種作業(yè)的供種和取種環(huán)節(jié)，其發(fā)展趨勢可總結(jié)如下。

1) 通過改進(jìn)排種器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低損傷均勻播種。

2) 結(jié)合動(dòng)態(tài)供種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)姜種供種環(huán)節(jié)的精量控制。

(a) 偏心輪連桿

(b) 輸送帶式圖7 供種裝置Fig. 7 Seed feeding device1.動(dòng)力旋轉(zhuǎn)電機(jī) 2.旋轉(zhuǎn)圓盤 3.傳動(dòng)連桿 4.支臂 5.導(dǎo)向套 6.升降導(dǎo)桿 7.復(fù)位彈簧 8.姜種存儲(chǔ)罐 9.堵料板 10.接料機(jī)構(gòu) 11.播種擋板 12.輸送機(jī)構(gòu) 13.種箱 14.帶—齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 15.電機(jī) 16.變速箱 17.齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 18.凸輪機(jī)構(gòu) 19.落料口

全約束式生姜播種機(jī)械通常采用帶(鏈)式輸送裝置以機(jī)構(gòu)取種或人工放種的方式實(shí)現(xiàn)生姜的播種作業(yè)。根據(jù)其播種原理可分為針扎式[30]、帶輸送式[31-36]和鏈勺輸送式[37-38]。

現(xiàn)有的栽培技術(shù)要求生姜播種時(shí)，應(yīng)將鱗芽向陽放置，保證鱗芽獲得充足光照，促進(jìn)生姜生長的同時(shí)也易于后期收獲[39]。針扎式播種原理圖如圖8所示[30]，基于識(shí)別技術(shù)通過電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以實(shí)現(xiàn)鱗芽的方位調(diào)節(jié)；采用氣缸控制帶孔板的運(yùn)動(dòng)將插取的姜種放置于種溝內(nèi)實(shí)現(xiàn)生姜播種作業(yè)[30]。但此裝置采用的針扎式抓取會(huì)對姜種造成損傷，而生姜選種技術(shù)要求表明，在生姜種植過程中，若出現(xiàn)姜種機(jī)械損傷會(huì)增加姜瘟病的發(fā)病率[40]。該生姜種植機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化播種，但其取種放種過程損傷了姜種，對生姜產(chǎn)量有一定影響。姜瘟防控技術(shù)表明在姜種創(chuàng)口處涂蘸新鮮、清潔的草木灰可以實(shí)現(xiàn)姜種消毒，避免姜種帶菌，減少姜瘟病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[41]。在該生姜種植機(jī)上加設(shè)草木灰噴灑裝置是改善其長期作業(yè)效果的方法之一。

圖8 針扎式播種原理Fig. 8 Needle seeding principle1.帶孔板 2.帶針板 3.雙層插板 4.齒輪機(jī)構(gòu) 5.小步進(jìn)電機(jī) 6.旋轉(zhuǎn)軸 7.微型氣缸 8.插針

帶輸送式播種原理圖如圖9所示，該播種裝置一般采用傾斜設(shè)計(jì)，確保了姜種平穩(wěn)落到姜溝底部，避免姜種翻滾、碰傷鱗芽；輸送帶上一般設(shè)有呈“V”形的姜種夾用以人工放置姜種，輸送裝置末端可設(shè)置柔性限位裝置以保證下落平穩(wěn)，并將已覆土的姜種撫平，確保其方位與放到播種皮帶上時(shí)的初始方位相同。采用此原理的生姜種植機(jī)以自走式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，結(jié)構(gòu)布置緊密體型小，適用于生姜種植的條播作業(yè)。

(a) 主視圖

(b) 局部側(cè)視圖圖9 帶輸送式播種原理Fig. 9 Belt conveyor type seeding principle1.主動(dòng)輥 2.輸送帶 3.姜種夾 4.張緊機(jī)構(gòu) 5.從動(dòng)輥 6.柔性限位裝置

此外，王振[33]提出的一種胚芽定向種植裝置采用兩段式輸送的方式，在第一輸送裝置與第二輸送裝置之間加設(shè)姜種調(diào)整裝置以實(shí)現(xiàn)鱗芽方位的控制調(diào)節(jié)；該姜種調(diào)整裝置由電機(jī)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)豎直方向的升降將托盤頂起并吸附，同時(shí)由水平方向的旋轉(zhuǎn)以調(diào)整托盤方位進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鱗芽的調(diào)向。

鏈勺輸送式播種裝置利用鏈?zhǔn)捷斔蛯?shí)現(xiàn)姜種的循環(huán)輸送投放，采用姜種勺實(shí)現(xiàn)姜種姿態(tài)的保持，通過調(diào)節(jié)位于輸送鏈條上各個(gè)姜種勺的間距可實(shí)現(xiàn)不同株距的種植要求；由人工放置姜種于姜種勺中，在輸送鏈的帶動(dòng)下完成播種作業(yè)。馬來西亞學(xué)者早在2012年就提出了采用此原理的生姜種植機(jī)，從人工種姜平均速率100～167 m2/h提高到近1 000 m2/h，播種效率提高到原來的6～10倍[37]；但該生姜種植機(jī)的播種裝置于豎直方向傾斜一定角度放置，結(jié)構(gòu)較為笨重。

如圖10所示，侯加林等[38]提出的鏈勺式大姜聯(lián)合播種機(jī)將支撐架設(shè)計(jì)為平行四邊形結(jié)構(gòu)，并采用換向齒輪使輸送鏈條運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)具行進(jìn)方向相反，姜種勺利用率得到提高的同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)緊湊性。

全約束式生姜播種機(jī)械針對鱗芽控制的精準(zhǔn)種植采用了兩種方法：一是采用針扎式播種原理實(shí)現(xiàn)生姜的自動(dòng)化播種；二是采用人工輔助放種、帶(鏈勺)式輸送的方式實(shí)現(xiàn)生姜的半自動(dòng)化播種。相較于前者而言，后者更能實(shí)現(xiàn)生姜的低損傷播種；針對排種均勻性，對于帶輸送式和鏈勺輸送式，姜種在輸送過程中的速度分析圖如圖11所示。

圖10 鏈勺輸送式播種原理Fig. 10 Chain spoon conveyor type seeding principle1.鏈輪Ⅰ 2.支撐桿Ⅰ 3.姜種勺 4.支撐桿Ⅱ 5.鏈輪Ⅱ 6.鏈輪Ⅲ 7.輸送鏈條

(a) 鏈勺輸送式

(b) 帶輸送式圖11 姜種速度分析圖Fig. 11 Ginger speed analysis chart1.從動(dòng)鏈輪 2.輸送鏈 3.姜種勺 4.輸送帶 5.從動(dòng)輥 6.姜種

姜種釋放于種溝的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)合成運(yùn)動(dòng)，故姜種相對于地面的絕對速度滿足

由全約束式生姜播種機(jī)械演化圖可知，采用帶輸送式播種原理的相關(guān)機(jī)具占多數(shù)；相較于自動(dòng)化種植，以人工輔助放種的半自動(dòng)化作業(yè)方式更適用于生姜低損傷種植。但該種植方式作業(yè)效率取決于人工放種的快慢，播種效率較低，還需進(jìn)一步改進(jìn)。全約束式生姜播種機(jī)械主要關(guān)注播種作業(yè)的導(dǎo)種和投種環(huán)節(jié)，其發(fā)展趨勢可總結(jié)如下。

1) 結(jié)合鱗芽識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生姜自動(dòng)化精確播種。

2) 采用柔性設(shè)計(jì)，降低對鱗芽的損傷。

3) 結(jié)合零速投種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生姜低損傷均勻播種。

總體來看，欠約束式播種機(jī)械因其鱗芽損傷率高及播種均勻性低等問題逐漸被全約束式播種機(jī)械取代。生姜機(jī)械化播種的關(guān)注點(diǎn)從供取種環(huán)節(jié)到導(dǎo)排種環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變，對鱗芽的精準(zhǔn)控制越發(fā)重視。

綜上所述，生姜機(jī)械化種植主要涉及開溝作業(yè)的參數(shù)可調(diào)節(jié)化、覆土作業(yè)的低損傷均勻化、播種作業(yè)的精準(zhǔn)控制化；為滿足生姜機(jī)械化種植要求，應(yīng)做到以下三點(diǎn)。

1) 實(shí)現(xiàn)多種功能的一體化。如加設(shè)鎮(zhèn)壓輥可將溝背壓實(shí)，減少因灌溉種植溝塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。地膜覆蓋后可提升地溫，故可提早生姜播種期，提高生姜的產(chǎn)量[42]。肥料深施不僅減少用肥量，提高肥料利用率，而且增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量[43-44]。實(shí)現(xiàn)多功能一體化具有結(jié)構(gòu)緊湊、統(tǒng)一作業(yè)、低耗高效等優(yōu)勢，將多種功能集中的生姜一體化種植機(jī)適應(yīng)機(jī)械化種植發(fā)展的大趨勢。

2) 實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝高度融合的生姜低損傷種植。采用新型結(jié)構(gòu)及柔性設(shè)計(jì)將低損傷種植貫徹生姜機(jī)械化種植的各個(gè)環(huán)節(jié)。

3) 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的生姜智能化種植。將生姜播種作業(yè)環(huán)節(jié)細(xì)分為供種、取種、導(dǎo)種和排種環(huán)節(jié)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)供種技術(shù)、柔性加持技術(shù)、平穩(wěn)控制技術(shù)以及零速投種技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)生姜播種作業(yè)的高效智能化。

4 結(jié)論

1) 通過專利申報(bào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，生姜機(jī)械化種植技術(shù)目前處于萌芽階段，相關(guān)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展緩慢。生姜種植機(jī)械專利IPC技術(shù)構(gòu)成統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，生姜機(jī)械化種植技術(shù)研究重點(diǎn)為耕整機(jī)械和播種機(jī)械。

2) 生姜種植用耕整機(jī)械主要包括開溝機(jī)械和覆土機(jī)械，開溝作業(yè)機(jī)械逐漸向多功能、參數(shù)可調(diào)節(jié)方向發(fā)展，覆土作業(yè)機(jī)械逐漸向低損傷均勻覆土方向發(fā)展。

3) 生姜播種作業(yè)機(jī)械主要有“欠約束式”和“全約束式”兩種，欠約束式播種機(jī)械具有自動(dòng)化、操作簡便等特點(diǎn)，但其姜種損傷率較高，播種均勻性較低；全約束式播種機(jī)械具有播種均勻性較高、鱗芽朝向一致率高等特點(diǎn)，但目前以半自動(dòng)化為主，需要人工放種，作業(yè)效率較低，研發(fā)一種柔性夾持姜種取放裝置或許是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化播種作業(yè)的關(guān)鍵。

4) 生姜播種過程中存在較多難點(diǎn)：姜種滾動(dòng)引起播種株距不均勻、機(jī)械作業(yè)引起姜種損傷以及鱗芽一致向陽放置等。尤其是在姜種的精量播種朝向問題上，現(xiàn)有的“針扎式”播種裝置還未實(shí)現(xiàn)姜種的低損傷播種作業(yè)。動(dòng)態(tài)供種技術(shù)、低損輸種技術(shù)、鱗芽定向控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生姜機(jī)械化種植高效性與時(shí)效性的關(guān)鍵技術(shù)。