我國甘蔗機(jī)械化種植的發(fā)展情況

董學(xué)虎 ，劉信鵬2※，李 明，牛釗君，陳繼色，韋麗嬌，黃偉華，葛 暢

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，湛江 524000；3.湛江市凱翔科技有限公司，湛江 524000)

0 引言

甘蔗作為我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一，是我國重要的糖料作物，占我國常年糖料面積的85%以上，其產(chǎn)糖量占食糖總量的90%以上。世界主要產(chǎn)糖國如澳大利亞、巴西、古巴等已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化種植，所用的種植機(jī)主要有整桿式、實(shí)時(shí)切種式和預(yù)切種式。整桿式甘蔗種植機(jī)將蔗種整桿地?cái)[放在由開溝器開出的溝內(nèi)；實(shí)時(shí)切種式種植機(jī)作業(yè)時(shí)，整桿蔗種被喂入切種器，切成蔗段后擺放在開出的溝內(nèi)；預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)采用預(yù)先切好的蔗段，喂入擺種機(jī)構(gòu)將蔗段擺放在溝內(nèi)。我國甘蔗種植目前還處于機(jī)械（或畜力）開溝、人工擺種作業(yè)階段，一些自主研發(fā)的機(jī)型和進(jìn)口機(jī)型正在推廣示范中[1-6]。

我國正在加快機(jī)械化甘蔗種植機(jī)與漏播檢測、標(biāo)記補(bǔ)位等智能化控制系統(tǒng)融合的步伐，以解決機(jī)械作業(yè)過程中遇到的漏播、排種不均勻等現(xiàn)象，提高了工作效率，減少了耗種量，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，為國內(nèi)甘蔗種植機(jī)向全自動(dòng)機(jī)械化種植的趨勢發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 我國甘蔗機(jī)械化種植技術(shù)的現(xiàn)狀

近年來，隨著我們國家有不少科研單位、高校、企業(yè)等通過自主研發(fā)或者是通過走引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)造的技術(shù)路線，研制出大量適合我國國情的甘蔗種植機(jī)，如整桿式、實(shí)時(shí)切種式、預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)，可以一次性完成開溝、施肥、淋水、切種、排種、消毒、覆土、蓋膜、培土、鎮(zhèn)壓等工序。甘蔗機(jī)械化種植在提高作業(yè)效率的同時(shí)，也為我國甘蔗機(jī)械化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.1 整桿式甘蔗種植機(jī)

整桿式甘蔗種植機(jī)能夠一次性完成開溝、整桿蔗種的喂入、施肥、擺種鋪放、覆土、覆膜等工序，整桿蔗種裝在種植機(jī)后面的蔗種種植箱內(nèi)，蔗種箱前設(shè)計(jì)一個(gè)喂入輥筒，這樣就可以將整桿的甘蔗種進(jìn)行有序的梳理、輸送，然后進(jìn)入落種倉內(nèi)再掉落在開好的溝內(nèi)。整桿式甘蔗種植機(jī)機(jī)械化程度高，在種植過程中的開溝、整桿蔗種喂入、施肥、擺種鋪放、覆土、蓋膜等工序，不需要人工輔助操作，就可以自動(dòng)化完成[7]。國內(nèi)代表機(jī)型主要有2CZY-2型甘蔗種植機(jī)，見圖1。

圖1 2CZY-2型甘蔗種植機(jī)

1.2 實(shí)時(shí)切種式甘蔗種植機(jī)

實(shí)時(shí)切種式甘蔗種植機(jī)主要由開溝器、種箱、切種器、覆土裝置、施肥裝置、噴灑農(nóng)藥裝置、淋水裝置和鋪膜裝置等組成。其中種箱是用來放置整桿蔗種的。切種器是把種箱輸送過來的整桿甘蔗種按一定的長度進(jìn)行切段。實(shí)時(shí)切種式甘蔗種植機(jī)主要的工作原理是通過開溝器首先在前面進(jìn)行破土開溝，施肥裝置在后面將肥料定量的排入開溝器開好的溝里，再由淋水裝置在開好的溝里進(jìn)行適量的淋水，然后人工將整桿的甘蔗種喂入種箱，由2對(duì)輸送膠輥將甘蔗種輸送到帶有切刀的旋轉(zhuǎn)滾刀座進(jìn)行等長度蔗種切割，經(jīng)過切種箱切割后的甘蔗，根據(jù)牽引機(jī)和甘蔗種植機(jī)的速度按一定規(guī)律把蔗種排落到開好的溝里，進(jìn)而由覆土裝置進(jìn)行覆土，噴灑農(nóng)藥裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，然后進(jìn)行覆膜、培土，最后再進(jìn)行鎮(zhèn)壓操作，這樣就基本完成了甘蔗種植全過程[8]。國內(nèi)代表機(jī)型如2CZX-2型甘蔗種植機(jī)，見圖2。由于這種實(shí)時(shí)切種式甘蔗種植機(jī)種植方式對(duì)人工連續(xù)向蔗種箱內(nèi)喂入蔗種的要求十分嚴(yán)格，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)經(jīng)過切刀的蔗種造成的傷芽率很高，會(huì)影響甘蔗的出芽率。在播種的過程中，如果喂入動(dòng)作稍有間斷，就容易出現(xiàn)漏播的現(xiàn)象，而且由于種植箱比較小，甘蔗種植機(jī)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)補(bǔ)種現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致工作效率不是很高。

圖2 2CZX-2型甘蔗種植機(jī)

1.3 預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)

預(yù)切種式甘蔗種植模式，多采用單芽段、雙芽段、多芽段等蔗種，首先將整桿的蔗種切割成等長的蔗種段，每個(gè)蔗種段上留有一個(gè)蔗節(jié)，使用相應(yīng)的藥水對(duì)其消毒，這種處理技術(shù)使其具有發(fā)芽率高、成活率較高、病蟲害少、分蘗率高、糖分含量和產(chǎn)量高等優(yōu)勢，再經(jīng)過預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)進(jìn)行排種種植。以槽輪式甘蔗健康種苗種植機(jī)為例，主要由開溝器、施肥箱、排種箱、覆土裝置、覆膜裝置、噴灑農(nóng)藥裝置、培土裝置等構(gòu)成，見圖3。其工作模式主要是把需要種植的甘蔗種由人工或者機(jī)器預(yù)先砍成一段一段等長的符合甘蔗種植要求的蔗種，然后進(jìn)行相應(yīng)的消毒處理。開始種植時(shí)，通過開溝器在前面進(jìn)行破土開溝，施肥裝置在后面將肥料定量地排入開好的溝里，淋水裝置在溝里進(jìn)行適量的淋水，排種箱排好的蔗種按作業(yè)機(jī)行進(jìn)的速度將蔗種按與之匹配的速度排落到開好的溝里，然后覆土裝置進(jìn)行覆土，覆膜裝置進(jìn)行覆膜，這樣基本完成了甘蔗種植的全過程[9]。預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)的種植模式需要人工把預(yù)先切好的甘蔗種一次性倒入排種箱，對(duì)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度要求相對(duì)較低。這種種植模式對(duì)甘蔗蔗種的傷芽率相對(duì)較低，是科研單位、高校、企業(yè)目前重點(diǎn)研發(fā)投入的方向，例如中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所和八一農(nóng)墾大學(xué)聯(lián)合研制的槽輪式甘蔗健康種苗種植機(jī)[10]。

圖3 槽輪式甘蔗健康種苗種植機(jī)

在機(jī)械化種植過程中會(huì)遇到卡種、漏播、排種不均勻、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度高等問題，針對(duì)以上甘蔗機(jī)械化種植過程中遇到的問題，可以結(jié)合具有相應(yīng)功能的智能化控制模塊系統(tǒng)來解決。

2 智能化技術(shù)在甘蔗種植機(jī)方面的應(yīng)用

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)以上甘蔗種植機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中出現(xiàn)的漏播、排種均勻度差、排種速度與作業(yè)機(jī)速度不一致等問題，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王美美老師結(jié)合當(dāng)前智能化技術(shù)，研制出一套實(shí)時(shí)切種式甘蔗種植機(jī)的漏播監(jiān)測與標(biāo)記系統(tǒng)[11，12]，如圖4所示。該系統(tǒng)運(yùn)用光幕傳感器對(duì)下落蔗種的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)該甘蔗種植機(jī)發(fā)生漏播時(shí)，光幕傳感器會(huì)把采集的信號(hào)信息傳遞給單片機(jī)，再由單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送起、停信號(hào)，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾輪向相反的方向旋轉(zhuǎn)，以此帶動(dòng)裝載箱內(nèi)石灰向相反方向運(yùn)動(dòng)，通過下落的石灰對(duì)相應(yīng)的甘蔗種植機(jī)漏播的位置進(jìn)行標(biāo)記，然后由人工進(jìn)行補(bǔ)種。但排種均勻性較差、漏播率較高等問題依然存在，針對(duì)存在的問題王美美老師又提出將GPS信號(hào)接收器與光幕傳感器應(yīng)用于種植機(jī)上[13-16]，結(jié)合已開發(fā)的田間作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，能更準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實(shí)時(shí)監(jiān)測甘蔗種植時(shí)的漏播及行距均勻性情況，進(jìn)一步提高了種植機(jī)排種均勻度、降低漏播率．通過標(biāo)記裝置，對(duì)漏播的蔗種的位置進(jìn)行標(biāo)記[17-24]，見圖5。

圖4 完善前的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖5 完善后的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合預(yù)切種式單芽段甘蔗種植機(jī)[23]，在廣東省湛江農(nóng)墾廣墾農(nóng)機(jī)服務(wù)有限公司的試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間甘蔗種植試驗(yàn)，見圖6—7。

圖6 單芽段甘蔗田間種植實(shí)驗(yàn)

圖7 甘蔗田間漏播檢測系統(tǒng)

通過對(duì)裝有GPS、漏播檢測與標(biāo)記裝置的單芽段甘蔗種植機(jī)進(jìn)行單因素和多因素實(shí)驗(yàn)，將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)組合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化結(jié)合智能化控制系統(tǒng)來解決實(shí)踐過程中遇到的問題。為全自動(dòng)機(jī)械化種植發(fā)展提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。

3 我國甘蔗機(jī)械化種植存在的問題

雖然我國在甘蔗機(jī)械化種植過程中使用的機(jī)械化裝備已經(jīng)得到了跨越式的突破，在技術(shù)領(lǐng)域也得到了大幅度的進(jìn)步和提升，但在推廣甘蔗機(jī)械化種植機(jī)時(shí)，還存在以下客觀性問題：①大部分甘蔗種植區(qū)的種植模式還是依靠密集型人工配合種植。②由于預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)配套機(jī)械裝備不完善，沒能避免切種時(shí)對(duì)蔗種的傷芽。③甘蔗機(jī)械化種植模式和人工種植相比，種植過程中易出現(xiàn)漏播、排種不均勻現(xiàn)象。④蔗種在蔗種箱內(nèi)進(jìn)行排種，可視、可控程度低，大部分環(huán)節(jié)還需人工操作，易出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。⑤甘蔗種植機(jī)對(duì)種植土地要求比較高，如果種植地的坡度過大或者有凹凸不平的地勢，就不能保證種植的效果，對(duì)地塊的適應(yīng)性比較低。⑥由于機(jī)械裝置生產(chǎn)成本比較高，所以很多種植戶沒能一次性買進(jìn)。⑦購買者對(duì)機(jī)具性能和操作不熟悉。

4 對(duì)策及建議

1）對(duì)于甘蔗種漏播現(xiàn)象，可以在預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)或?qū)崟r(shí)切種式甘蔗種植機(jī)上加裝漏播監(jiān)測、標(biāo)記裝置系統(tǒng)，以改善漏播現(xiàn)象。

2）針對(duì)行距不均勻現(xiàn)象，可以通過在甘蔗種植機(jī)上加裝可折疊收起的劃行器或驅(qū)地輪裝置進(jìn)行解決，或者通過智能化控制實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的行距控制或修正。

3）對(duì)甘蔗機(jī)械化種植的技術(shù)及裝備進(jìn)一步完善，使其向自動(dòng)化、智能化、小型化、中型化、大型化、低成本的趨勢發(fā)展，以解決山地、丘陵、平原地區(qū)對(duì)甘蔗種植機(jī)的市場需求。

4）進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)的配套設(shè)備，特別是與甘蔗機(jī)械化種植相關(guān)的智能化識(shí)別與智能化控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)。

5）進(jìn)一步了解種植戶對(duì)種植機(jī)械的農(nóng)藝要求，研發(fā)生產(chǎn)與農(nóng)藝要求一致的機(jī)械化裝置。

6）建立種植、管理、培訓(xùn)的合作社機(jī)制，有利于機(jī)械化設(shè)備的統(tǒng)一購買，及相關(guān)人員的使用操作技術(shù)培訓(xùn)，培養(yǎng)種植戶的成本核算技能和管理技能，以進(jìn)一步提高農(nóng)戶收益。

7）與相關(guān)高校、科研單位、企業(yè)建立技術(shù)人員流動(dòng)咨詢與交流站，把目前適合當(dāng)?shù)氐南冗M(jìn)技術(shù)傳授給種植戶的同時(shí)，也把種植戶的問題意見收集起來，為今后的研發(fā)和生產(chǎn)提供寶貴的參考素材[25]。

5 總結(jié)

甘蔗機(jī)械化種植技術(shù)是提高甘蔗快速高效種植的主要措施之一，甘蔗機(jī)械化種植程度的高低，直接影響作業(yè)的效率和種植技術(shù)的推廣應(yīng)用。針對(duì)目前機(jī)械化作業(yè)過程中遇到的卡種、漏播、排種不均勻等現(xiàn)象，通過融合智能化控制模塊與系統(tǒng)，對(duì)上述問題進(jìn)行探索性解決，為進(jìn)一步研究甘蔗種植機(jī)向全自動(dòng)機(jī)械化方向發(fā)展提供參考依據(jù)。