劉 偉， 謝守勇， 李明生， 劉凡一， 孫玉華

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

0 引言

我國馬鈴薯種植面積約0.667 億hm2，面積和產(chǎn)量均占世界的1/4 左右[1]。馬鈴薯是西南地區(qū)重要的糧食作物，西南地區(qū)的云南、貴州、四川、重慶等?。ㄊ校┦俏覈匾鸟R鈴薯產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國馬鈴薯種植面積的40%左右[2]。西南地區(qū)因地處丘陵山區(qū)，區(qū)域內地勢復雜、海拔高度變化大、耕地分布零散，制約了馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化發(fā)展[3]。目前國內外馬鈴薯機械化生產(chǎn)基本以中大型設備為載體，中大型設備主要應用于土地平整、地塊面積大的北方一作區(qū)[4]。西南丘陵山區(qū)耕地細碎，主要使用小型機械進行種植與收獲，技術與裝備提升空間較大，是未來馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化推進工作的重點地區(qū)[5]。針對西南丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究關鍵生產(chǎn)問題并提出解決方案，推動西南丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)。

1 馬鈴薯生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 宜機化馬鈴薯品種

目前，國內外馬鈴薯品種選育方面的研究集中在品質、抗病性、環(huán)境適應性、生長穩(wěn)定性及產(chǎn)量提升等方面。針對丘陵山區(qū)土壤特性及氣候特征，西南大學選育出的縉云薯2 號和華渝5 號，以及重慶市農(nóng)業(yè)技術推廣總站選育出的渝馬鈴薯5 號和巫洋芋2 號等新品種，在云貴川渝不同海拔區(qū)域廣泛種植。

1.2 馬鈴薯生產(chǎn)技術現(xiàn)狀

國內外馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術研究主要是通過機械化手段將先進的農(nóng)藝技術運用于生產(chǎn)實踐，最大程度地提升農(nóng)作物產(chǎn)量，節(jié)省人力物力，提高經(jīng)濟效益。

北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、西南一二季混作區(qū)和南方冬作區(qū)是我國馬鈴薯種植的4 個主要區(qū)域[6]。由于地處丘陵地區(qū)、耕地細碎、山地和陡坡種植面積占比高，西南一二季混作區(qū)無法采用大型機械，當前又缺乏適合南方生產(chǎn)作業(yè)的小型機械，因而西南地區(qū)馬鈴薯種植的機械化程度低，大部分采用人力作業(yè)。由于西南丘陵山區(qū)復雜的地理環(huán)境，不同馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)種植模式不一樣，種植技術多樣化導致全程機械化難度大。間作套種模式是按照不同的比例，在細碎的耕地資源中種植不同種類的農(nóng)作物，西南地區(qū)主要采用馬鈴薯、玉米間作套種模式，能有效提高單位面積產(chǎn)出與經(jīng)濟效益[7]。

1.3 馬鈴薯生產(chǎn)裝備現(xiàn)狀

1.3.1 播種作業(yè)技術及裝備

提升馬鈴薯產(chǎn)量和質量的重點在于采用馬鈴薯專用播種技術與裝備以改善播種質量[8]。馬鈴薯播種機主要由開溝裝置、施肥裝置、播深控制裝置、排種器、覆土起壟裝置及其他輔助部件組成。其中，馬鈴薯排種技術是影響播種質量的關鍵。根據(jù)馬鈴薯種薯（切塊薯、整薯、微型薯）類型，國內外具有代表性的馬鈴薯排種器可分為帶（鏈）勺式、氣力式、差動輸送帶式、轉盤式、針刺式、指夾式等[9]。

西南丘陵山區(qū)播種作業(yè)中，帶（鏈）勺式馬鈴薯排種器應用最為廣泛，其工作可分為4 個過程，即取種、清種、攜種和排種。取種勺安裝在帶或者鏈條上，由帶或者鏈條帶動，自下而上運動，從種箱中舀取1～2顆種薯后，繼續(xù)向上運動至清種區(qū)域，清種裝置去除種勺內多余種薯，保證每個種勺內只有一個種薯，隨著帶或鏈條向上運動，翻越上帶輪或上鏈條輪，種薯從種勺中掉落在前一個種勺背部，隨著前一個種勺向下運動，種薯脫離種勺背部做拋物線運動落在播種區(qū)，完成一次播種作業(yè)[10]。

1.3.2 植保作業(yè)技術及裝備

根據(jù)行走動力方式的不同，丘陵山區(qū)傳統(tǒng)馬鈴薯植保施藥機械可分為人工施藥機具與機動式施藥機具。

人工施藥機具以背負式、腳踏式和擔架式為主，具有成本低、不受地形限制的優(yōu)點，但作業(yè)效率低、作業(yè)強度大、噴施質量不易保證，對人體危害性大。根據(jù)不同的噴藥機構，機動式施藥機分為風炮式、塔式、圓環(huán)式及柔性導管式等，以牽引懸掛方式安裝在動力行走機械上，極大提升了作業(yè)效率，減少農(nóng)民勞動強度，同時提高了農(nóng)藥噴施均勻度。

丘陵山區(qū)高低不平，地勢起伏大，大部分機動式施藥機具無法進地作業(yè)，80%以上的施藥工作仍然依靠人工完成，只有部分小型化、轉場能力強的裝備適用于丘陵山區(qū)植保作業(yè)。

1.3.3 收獲作業(yè)技術及裝備

根據(jù)技術原理和結構，馬鈴薯收獲機可分為輕簡型挖掘機、分段式收獲機和聯(lián)合收獲機[11]。在西南丘陵山區(qū)應用較為廣泛的是輕簡型挖掘機和分段式收獲機。

輕簡型挖掘機結構簡單，適用于疏松土質單壟種植模式下的收獲，挖掘后在較短行程完成薯土分離與鋪放，分為振動挖掘式、撥輥推送式、圓盤柵式、防損鏈式等類型[12]。在收獲過程中，馬鈴薯表皮與分離篩的各部件產(chǎn)生碰撞沖擊與劇烈摩擦，承受各種靜載、剪切、擠壓、振動和沖擊載荷等作用，易使膠質層破裂而產(chǎn)生損傷。

分段式收獲機作業(yè)工藝流程一般為殺秧?松土?挖掘?分離?鋪放?撿拾，殺秧和收獲作業(yè)分段進行，使用殺秧機和收獲機單獨作業(yè)。分段式收獲機一般包含松土限深裝置、挖掘裝置、切土切蔓裝置和薯土分離裝置等結構。分段式收獲機種類較多，其薯土分離形式多樣，包括單段分離、兩段分離、一級振動分離和兩級振動分離等多種形式。馬鈴薯分段收獲機主要特點是殺秧、收獲分開作業(yè)，薯塊挖掘分離和鋪放后需人工撿拾，效率低、成本高、勞動強度大[13]。

1.3.4 田間轉運作業(yè)及設備

國內丘陵山區(qū)田間轉運設備可分為簡易田間轉運車、牽引式田間轉運車和履帶式田間轉運車[14]。

簡易轉運車結構簡單，制作成本低，工作效率低。牽引式田間轉運車由拖拉機牽引，操作方便，工作效率高，適用于平整大田。傳統(tǒng)履帶式田間轉運車上下坡貨廂傾斜引起貨物自然滑動易翻車，同時上坡耗能增加，下坡制動系統(tǒng)負擔大，發(fā)熱嚴重，安全性差。

2 馬鈴薯生產(chǎn)問題分析

2.1 宜機化品種短缺

針對丘陵山區(qū)宜機化品種短缺的問題，應大量引進國內外優(yōu)質宜機化品種，并結合當?shù)貎?yōu)秀品種進行選育。選育后的宜機化品種在薯塊外觀上，應具有薯形規(guī)整、芽眼淺且分布均勻、薯皮易木栓化、抗壓傷、耐機械損傷的性狀；在種薯質量上，應具有大小分級、規(guī)格一致的特點。這些優(yōu)質性狀能夠顯著改善馬鈴薯播種、收獲等關鍵環(huán)節(jié)的漏播、高損傷現(xiàn)象，將為丘陵山區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展、促進農(nóng)民增收提供重要保障。

2.2 生產(chǎn)農(nóng)藝與機械化生產(chǎn)技術不匹配

目前，西南丘陵山區(qū)廣泛應用的間作套種模式農(nóng)藝技術與當前機械化生產(chǎn)技術并不協(xié)調，開展西南丘陵山區(qū)馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術及區(qū)域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產(chǎn)模式，制定丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)技術規(guī)程，是西南地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的必然趨勢和當務之急?？紤]間作套作種植模式存在的問題，根據(jù)丘陵山區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的地理環(huán)境、土壤條件，宜采用凈作大壟雙行的種植模式，與傳統(tǒng)種植模式相比，該種植模式顯著提高光能和水肥利用率，可通過合理密植提高產(chǎn)量，充分發(fā)揮邊際效應，具有保墑、保肥、保溫等優(yōu)點。

2.3 精量播種作業(yè)效率及作業(yè)質量較低

馬鈴薯機械化播種的作業(yè)質量、效率是影響其產(chǎn)量的關鍵要素。國內機型主要為中小型，自動化、智能化程度較低，機構相對簡單，制造成本相對較低。西南丘陵地區(qū)地形復雜，土壤黏性大導致起壟高度低，降低了排種裝置的可靠性，導致漏播突出、株距均勻性差等問題。

基于現(xiàn)有切塊薯播種機結構，研究排種器取種、送種運動特性，構建切塊薯?排種裝置?土壤的互作模型，分析基于離散元模擬排種作業(yè)過程，明確切塊薯單粒排序落種作業(yè)機理，實現(xiàn)高速作業(yè)下切塊薯的均勻有序排種。研發(fā)實時漏播監(jiān)測補種機構及控制系統(tǒng)，在現(xiàn)有排種技術基礎上進行精確補種裝置的結構創(chuàng)新，基于單片機/PLC、傳感器、電磁等技術進行自動精確補薯控制技術研究，將先進制造技術融入排種器中，能夠提升馬鈴薯播種作業(yè)效率和作業(yè)質量。

2.4 植保作業(yè)機動式機械進出場難

近年來，無人機植保技術因不受作物種類、地形限制影響，成為解決丘陵山地地面植保機械進出困難的有效選擇。但是無人機植保效果會受到溫度、濕度、飛行高度、飛行速度、風速、風向的影響。未來無人機植保技術應該引入氣候監(jiān)測系統(tǒng)和飛行微控制系統(tǒng)，實時傳輸無人機工作數(shù)據(jù)，精確化控制無人機植保作業(yè)。

2.5 收獲作業(yè)高功耗及高損傷

西南丘陵山區(qū)黏重土壤具有通透性差、顆粒細小、透氣透水不良的特點，土壤的黏性、可塑性、濕脹性強，耕作阻力大，易起土垡?，F(xiàn)有的馬鈴薯收獲作業(yè)裝備作業(yè)功耗大、損傷率高。開展馬鈴薯種植土壤特性研究，融合機械、控制、信息和仿生等技術，使用仿生減阻、振動減阻等技術手段，實現(xiàn)黏重土壤下的低功耗挖掘。對機械收獲過程中容易導致馬鈴薯損傷的作業(yè)環(huán)節(jié)進行研究，從挖掘?篩土?輸送提升?收集等各環(huán)節(jié)降低收獲機械對馬鈴薯塊莖的損傷程度。

2.6 田間轉運作業(yè)設備適應性差

簡易田間轉運車效率低；牽引式田間轉運車由拖拉機牽引，適用于平整大田；傳統(tǒng)履帶式田間轉運車的貨廂傾斜易引起貨物堆積，導致上坡耗能增加，下坡制動系統(tǒng)發(fā)熱量大，安全性差。針對丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲作業(yè)后田間轉運設備適應性差的問題，宜采用帶液壓控制的履帶式田間轉運車，可通過調整油缸活塞桿的伸縮行程，保證貨廂在上下坡時處于水平狀態(tài)，防止貨物因重力自由滑動引起轉運車翻車、側翻等安全事故。

3 結束語

在國家“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略和糧食種植結構調整的政策驅動下，提高馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化水平，未來應該從以下方面展開以取得突破性的進展。

一是選育丘陵山區(qū)宜機化品種。加大宜機化品種優(yōu)良性狀研究力度，在典型區(qū)縣宣傳推廣宜機化品種，這些宜機化品種將為本地馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展、廣大馬鈴薯種植戶增收提供重要保障。

二是制定區(qū)域內發(fā)展規(guī)劃。地理條件和農(nóng)藝多樣性嚴重阻礙了丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化進程，開展丘陵山區(qū)馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術及區(qū)域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產(chǎn)模式，制定丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)技術規(guī)程，將傳統(tǒng)的間作套種模式改為凈作大壟雙行模式，顯著提高光能和水肥利用率。

三是大力推進技術創(chuàng)新，尤其是工藝原理、機械結構簡單的小型馬鈴薯生產(chǎn)機械。堅持農(nóng)機和農(nóng)藝相結合，注重農(nóng)機、農(nóng)藝技術協(xié)調發(fā)展，研發(fā)適合丘陵山區(qū)地理、氣候特點的性能可靠的馬鈴薯生產(chǎn)機械。研發(fā)適應丘陵山區(qū)土壤黏性大的馬鈴薯排種裝置，可有效改善漏播突出、株距均勻性不高等問題。