關鍵詞：荸薺采收；機械化收獲；分層式采收技術

0引言

荸薺是水田作物，俗稱馬蹄，一般5-6月育苗，7-8月種植，地下莖膨大至球狀成果實，11月一次年2月采收，球莖可在土中越冬；地上為叢生筆直細長草稈，荸薺成熟后逐漸枯萎[1]。我國荸薺種植面積約5萬hm2，是世界上最大的馬蹄罐頭出口國家[2]。

荸薺種植過程類似水稻，將種植田表層10～15cm土壤旋耕打碎后注水浸泡10d左右（也可先注水3～5cm后再旋耕碎土），插苗種植。荸薺根系生長分布較淺，球莖膨大成果，落果于水田軟硬泥土交替的位置，深度為10～15cm，其表層呈褐色革狀，內部為雪白脆甜果肉，一般直徑為5～8cm，產量為3.5t/hm2。由于荸薺特殊的生長環(huán)境，嚴重制約了荸薺采收機械化進程，目前未有成熟可行的荸薺采收機械。荸薺采收仍為傳統(tǒng)人工挖掘方式，平均每公頃每天需300人左右同時作業(yè)，工作效率低、強度大。

1采收技術研究現(xiàn)狀

荸薺采收方法主要有干收獲和濕收獲兩種，干收獲即將田地放水晾曬，然后翻土撿收；濕收獲即將田地注水浸泡，待上層泥土泡軟后進行采收。我國2007年開始研究荸薺采收機械，通過中國知網（CNKI）檢索，截至2023年3月底，我國擁有荸薺采收技術相關專利80余項、論文20余篇。系統(tǒng)分析相關文獻資料，總結得出荸薺機械化采收技術研究主要有3類。

1.1成熟機械仿生研究

在荸薺機械化采收設備研究過程中，黃寧等[3]模仿馬鈴薯、蓮藕等農作物收獲方式，設計了適用于荸薺的收獲機械，但由于泥土黏性大、土塊板結程度嚴重及果土親和力大等原因，導致該類設備出現(xiàn)挖掘機構入土困難、易打滑，以及荸薺果實破損率和漏收率高、果土分離難等現(xiàn)象。

1.2不分層式荸薺機械化采收技術

有學者提出通過耙齒、鏟刀等裝置將荸薺落果層及其上層泥土全部翻耕疏松，再通過振動篩、泥漿泵等裝置實現(xiàn)果土分離、果實清洗，通過傳送裝置收集果實。陳海峰等[4]設計了基于土壤液化后的荸薺采收船；丁年生[5]研發(fā)了由高壓水槍、鏟刀等組成的荸薺采收機；華中農業(yè)大學[6]設計了由挖掘、傳送、清洗和注水排水等裝置組成的水田荸薺采收機；馬鎖才等[7]研發(fā)了由履帶行走、水槍沖擊、篩網撿收和傳送帶等裝置組成的荸薺采收機。這一類荸薺采收設備作業(yè)前大部分需向田內注水浸泡，泡軟后的荸薺落果層上層泥土黏性大、泥土體量大，大大增加荸薺收獲難度。

1.3分層式荸薺機械化采收技術

有學者提出了分層式荸薺收獲技術，即通過排泥裝置將荸薺落果層上層泥土打松或排開，再通過荸薺挖掘刀具挖掘翻耕荸薺落果層，通過收集和傳送裝置等完成荸薺采收工作。柳州博實唯汽車科技有限公司[8]設計了由旋耕機、犁具和可伸縮滾筒等組成的荸薺采收機，旋耕機打碎上層泥土，犁具翻鏟荸薺落果層泥土并進入滾筒，實現(xiàn)果土分離并進行收集。貴港市嘉特電子科技有限公司[9]設計了雙層鏟兩級篩分型荸薺采收機，其上層鏟將荸薺落果層上層泥土鏟到設備一側，下層鏟鏟起荸薺落果層泥土，經傳送機構、篩分機構完成荸薺采收工作。安徽鑄星機械制造有限公司[10]研發(fā)了由履帶行走機構、排泥機構和挖掘機構組成的荸薺采收設備，并通過高壓噴水裝置完成果土分離。這一類荸薺采收設備能通過專用裝置將荸薺落果層上層泥土打松或排走，減輕后續(xù)荸薺挖掘作業(yè)難度，但由于荸薺種植田平整度不高、落果深度層次不齊等原因，該類設備也未進入實際生產應用階段。

2制約原因

學者持續(xù)10多年開展荸薺機械化采收設備的研究，然而基本都處于探索和試驗優(yōu)化階段，市場上還未出現(xiàn)適用于荸薺采收的成熟機械。實地考察江西省南昌市、浙江省余杭市和江蘇省丹陽市，走訪調研荸薺生長環(huán)境、挖掘現(xiàn)場和荸薺機械化采收技術研究人員，分析制約荸薺機械化采收的原因主要由以下4點[11-14]。

2.1黏性土壤特質影響果土分離

適宜荸薺生長的水田大部分為黏性土壤，與荸薺親和力大，在田水干涸過程中易板結成塊。同時由于南方氣候濕潤，雨水充沛，冬季氣溫偏低，荸薺采收時種植田不能完全干涸，土壤黏性增大，使荸薺和土壤分離難度加大。

2.2水田旋耕效果不佳導致落果不規(guī)律

荸薺采收機械的研制往往只關注采收階段，忽略了對采收過程影響較大的種植階段，尤其是對種植田的預處理工藝。荸薺種植田泥土打碎一般采用傳統(tǒng)的臥式旋耕機，該類旋耕機多為履帶式行走機構或輪輻式行走機構。旋耕效果不佳主要存在兩個方面：一是種植田泥土粉碎顆粒大小不均勻，存在大顆粒、硬顆粒土質，使荸薺生長畸形、大小不一；二是臥式旋耕機自平衡控制效果差，導致水田旋耕深度落差大、軟硬泥層交替位置不平，使荸薺落果層深度不統(tǒng)一，增加了荸薺采收機械化作業(yè)難度。

2.3果實覆蓋層泥土較厚增加采收難度

在荸薺采收時，覆蓋荸薺落果層泥土厚約15cm，夾雜荸薺干枯草稈，黏性大、板結程度高，在荸薺機械化收作業(yè)時，挖掘工作量大，容易出現(xiàn)挖掘刀具打滑、裝置擁堵和黏土堆積等情況，增加采收難度。

2.4荸薺挖掘專用工具研究不成熟

荸薺挖掘刀具在完成荸薺挖掘工作的同時，需保證荸薺果實的完整性。荸薺果實生長時的任意分布、果實較脆易破損、落果深度層次不齊及生長環(huán)境黏性土壤特性等，增加了機械化作業(yè)難度，到目前為止，市場上還未出現(xiàn)有效挖掘荸薺的專用刀具，影響了荸薺機械化挖掘設備的研究進程。

3荸薺采收機械研發(fā)建議

在荸薺采收機械的研究過程中，建議從荸薺種植田預處理和荸薺規(guī)?；N植著手，提高荸薺落果生長的整齊程度，降低荸薺采收機械的作業(yè)難度，從而順利完成荸薺機械化采收工作。

3.1加快荸薺種植集約化進程

由于沒有機械化作業(yè)設備、規(guī)范的種植田注水旋耕技術及成熟荸薺生長管理制度等原因，目前我國南方的荸薺種植業(yè)仍是小規(guī)模種植和零散戶經營為主，在某種程度上制約了荸薺采收機械化的進程。從目前文獻研究的情況來看，已開展研究的荸薺采收設備多為大中型機械設備，為方便此類設備機械化作業(yè)，政府應加大政策扶持力度，促進荸薺向著規(guī)模化種植、集約化經營方式轉移。

3.2規(guī)范荸薺種植田預處理工藝

荸薺種植田預處理的最好狀態(tài)是旋耕后的泥土顆粒較小，與田水充分混合后呈糊狀，并且旋耕后的軟泥層和未被旋耕的硬泥層分界面基本平齊。此種種植田預處理狀態(tài)可保證荸薺落果位置基本處于同一平面，旋耕均勻的軟泥層使荸薺在生長過程中均勻受力，保證果實生長大小基本一致，減少畸形果出現(xiàn)概率。為實現(xiàn)上述旋耕效果，本研究提出一種立式旋耕機頭裝置，其結構如圖1所示。

立式旋耕機頭可安裝在船式行走裝置上，機頭主軸可利用液壓馬達驅動，在荸薺種植田內注水浸泡后利用此類設備完成旋耕工作。船式行走裝置以田內水平面為基準，可保證行走過程中自動平衡。刀具工作時在垂直方向基本不受力，可始終保持旋耕深度統(tǒng)一，從而使水田軟硬泥層分界面處于同一水平面上，保證荸薺落果層基本平齊。立式旋耕機頭主動軸帶動3把刀具垂直插入田內旋轉，刀具旋轉過程中受力均勻、阻力小、速度高，可將土壤打成泥漿狀，促使果實生長勻稱、尺寸大小基本一致。

3.3采用分層式采收技術

在荸薺采收過程中，覆蓋在荸薺果實上層厚約15cm的黏性土壤，是影響荸薺實現(xiàn)機械化采收的最大因素，因此，荸薺機械化采收設備的研究，建議采用分層式采收技術。即利用專用裝置將荸薺上層覆蓋的泥土翻鏟或者排送至采收設備前進的側面，只在厚8～10cm的荸薺落果層開展荸薺挖掘、果土分離等工作，可大大減少荸薺采收的難度。為實現(xiàn)上述效果，本研究提出了絞籠式排泥裝置和犁式鏟刀排泥機構兩種荸薺落果層上層泥頭分離裝置。

3.3.1攪龍式排泥裝置

攪龍式排泥裝置適合基于濕收獲方法的荸薺采收，主要由主軸、攪龍葉片和攪龍滾筒等結構組成，如圖2所示。攪龍滾筒呈半圓筒形狀，攪龍葉片焊接固定在主軸上。工作時，攪龍式排泥裝置鋸齒狀平面深入荸薺種植田10cm左右，主軸旋轉帶動攪龍葉片旋轉，進入攪龍內的淤泥受到葉片擠壓作用，被傳送至攪龍一側，從而起到排除荸薺落果層上層泥土的作用，使荸薺落果層裸露出來。

3.3.2犁式鏟刀排泥機構

犁式鏟刀排泥機構適合基于干收獲方法的荸薺采收，犁式鏟刀底面平齊、刃口鋒利及鏟刀曲面模仿犁鏵曲面，結構如圖3所示。荸薺落果層上層泥土通過犁式鏟刀刃口實現(xiàn)分離，鏟刀凸脊配合鏟刀曲面將分離后的上層泥土鏟起后翻耕至兩側，從而使荸薺落果層裸露出來。

3.4研發(fā)專用采收工具

在荸薺挖掘過程中，荸薺果實破碎率和漏收率是兩個最需關注的參數(shù)。在規(guī)范荸薺種植田預處理工藝和分層式采收技術的基礎上，模仿馬鈴薯等機械采收裝置，采用犁式結構完成荸薺采收工作，即利用犁式刀具將荸薺落果層泥土從底部全部翻耕，然后再通過其他裝置進行泥土分離和果實收集工作。結合荸薺種植田黏性土壤特性，設計犁式專用挖掘刀具結構如圖4所示。

犁式刀具刀口平齊，貼在荸薺落果層底部，刀背光滑且有凸脊。刀具旋轉時將荸薺落果層泥土全部旋起，經過凸脊實現(xiàn)翻土與果土初步分離，通過刀具自身旋轉的攪動作用，實現(xiàn)果土二次分離。刀口緊貼荸薺落果層底部做切割工作，刀口和果實無實際接觸，基本保證果實的完整性，降低果實破碎率。

4效益分析

由實地調研可知，目前荸薺產量35000kg/hm2，市場收購價3元／kg左右，產值約10.5萬元/hm2。荸薺采收目前采用傳統(tǒng)的人工挖掘方式，每公頃每天需300人左右作業(yè)，每人每天勞務費用計100元，核算人力成本約3萬元/hm2；參考相關文獻，荸薺采收設備工作效率約為0.03hm2/h，設備作業(yè)成本約為300元／h，核算機械化作業(yè)成本約為1萬元/hm2 [15-16]。荸薺機械化采收作業(yè)方式相比人工采收作業(yè)方式，節(jié)約成本約為2萬元/hm2；另外，荸薺采收實現(xiàn)機械化作業(yè)，有利于荸薺種植業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，對解放勞動力、加快農業(yè)現(xiàn)代化建設具有促進意義。

5結束語

荸薺采收設備是荸薺種植業(yè)發(fā)展的重要保障，本研究結合荸薺現(xiàn)有采收技術，系統(tǒng)分析了制約荸薺采收機械化的原因，提出了荸薺采收機械化的解決方案，并就集約化種植、規(guī)范荸薺種植田預處理工藝、采用分層式采收技術及研發(fā)專用采收工具等方面提出了具體建議，設計了荸薺種植田上層泥土分離機構和荸薺挖掘專用刀具，為荸薺采收技術發(fā)展、設備研發(fā)和實驗開展奠定了堅實基礎。