水生蔬菜產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)概況

李旭，王銳，廖劍，杜錚，舒虹杰，盧澤民

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，430345）

水生蔬菜是指在淡水中生長，產(chǎn)品可作蔬菜食用的維管束植物，包括蓮藕、子蓮、茭白、芋頭、荸薺、菱角、慈姑、水芹、蕹菜、芡實、莼菜、蒲菜、豆瓣菜、蔞蒿等。水生蔬菜作業(yè)環(huán)境比陸地蔬菜更為惡劣、勞動更密集，因而嚴(yán)重制約著水生蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近10 a來，通過各科研院校、農(nóng)機(jī)企業(yè)、技術(shù)推廣部門和種植農(nóng)戶的共同努力，水生蔬菜生產(chǎn)專用機(jī)械的研制與開發(fā)取得了較好的成績。

1 水生蔬菜生產(chǎn)機(jī)械

1.1 蓮藕生產(chǎn)機(jī)械

①蓮藕種植裝置 蚌埠市徐善種植農(nóng)民專業(yè)合作社發(fā)明了一種立體式蓮藕種植裝置，在單位空間內(nèi)可增加蓮藕的種植密度，延長光照時間，使得蓮藕生長速度加快，產(chǎn)量增加，提高了勞動生產(chǎn)效率，可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[1]。

②蓮藕施肥裝置 蓮藕種植戶目前采用的施肥方法是人工拋撒，速度慢，效率低，勞動強(qiáng)度大。安徽綠源漁業(yè)科技有限公司研制了一種蓮藕施肥裝置，利用水泵將肥料和水混合后經(jīng)噴頭噴出，種植人員只需拿著噴頭對著藕池均勻噴灑就能完成施肥，顯著降低了勞動強(qiáng)度，且速度快，效率高[2]。

③蓮藕收獲機(jī)械 目前主要通過高壓水流或氣流沖挖采收蓮藕[3]，挖藕機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為5類。

a.船式挖藕機(jī)。作業(yè)時自行移動，無外延長水管。山東微山縣微山湖挖藕機(jī)械制造廠生產(chǎn)的4CW-2.6型船式挖藕機(jī)，工作效率200.1～333.5m2/h，已在山東、江蘇、安徽、湖北等地推廣使用[4，5]。 湖北襄樊市航鷹航空科技有限責(zé)任公司研制的挖藕機(jī)[6，7]和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的4CWO-3.2型船式挖藕機(jī)[8，9]，采挖效率分別為 167～416、100～400m2/h。

b.浮筒式挖藕機(jī)。作業(yè)時自行移動，無外延長水管，操作人員需下水作業(yè)。最早的為日本Iwamoto等[10]發(fā)明的蓮藕挖掘裝置，直接使用藕田水作為高壓水泵水源，但仍需人手持高壓水管作業(yè)，挖掘機(jī)配有浮筒，在水面隨人一起移動。武漢興盛農(nóng)機(jī)技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的W-FPZ-1200C型浮筒鴨嘴式挖藕機(jī)[11]和山東臨沂梅工機(jī)械制造有限公司開發(fā)的DCE-1001D浮筒式挖藕機(jī)[12]，挖藕效率分別為166.8～250.1m2/h和200m2/h。山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研制的4W-100型自走式挖藕機(jī)，工作幅寬1m，挖掘深度小于60 cm[13]。

c.水泵機(jī)組漂浮式挖藕機(jī)?？稍谂禾飪?nèi)漂浮移動，作業(yè)過程中按需固定，有外延長水管，操作人員需下水作業(yè)。其代表為安徽四平食品開發(fā)有限公司設(shè)計的一種高壓水沖式挖藕機(jī)[14]。

d.水泵機(jī)組岸基式挖藕機(jī)。水泵機(jī)組在岸邊固定，作業(yè)時按需移動，有外延長水管，操作人員需下水作業(yè)。韓國的Lee[15，16]發(fā)明的高壓水力式蓮藕收獲機(jī)以及日本的Yamaguchi[17]公開的采用超聲波使土壤液化原理的蓮藕收獲機(jī)均屬此類。武漢市農(nóng)機(jī)服務(wù)總站、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和南通市江華機(jī)械有限公司聯(lián)合研制的4OZ-3型自走式水壓蓮藕挖掘機(jī)，工作幅寬3m，采挖效率667m2/d[18]。

e.滑板式挖藕機(jī)。其行走裝置為滑板，以利于機(jī)器在藕田中移動。韓國的Lee等[16]設(shè)計出一種高壓氣力式蓮藕收獲機(jī)，挖掘裝置由壓力室、機(jī)體、破碎裝置和控制單元等組成，挖掘裝置安裝于滑板上，將高壓氣體噴射到高硬度蓮藕培養(yǎng)土中，輕易完成蓮藕收獲。

另外，Ozasa[19]研制了一種蓮藕收獲機(jī)，由三角形履帶底盤、發(fā)動機(jī)、收獲裝置等組成，該機(jī)用于收獲在非透水性框體中由適當(dāng)厚度的培養(yǎng)土和水培養(yǎng)出來的蓮藕，通過簡單的收獲結(jié)構(gòu)和操作就能將蓮藕舀起。

1.2 蓮蓬采摘器

蓮蓬生長在水體中，用手采摘時采摘范圍小，需要不斷移動船體甚至涉水采摘，費時費力，效率低下，且可能造成蓮葉損傷。為此，姜琛[20]公開了一種漏斗形蓮蓬采集器，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉；喬建強(qiáng)[21]開發(fā)出一種蓮蓬采摘器，采摘到的蓮蓬落入采摘器的網(wǎng)袋內(nèi)，蓮蓬采摘一定量后，抬高網(wǎng)袋端，蓮蓬即可到達(dá)網(wǎng)袋底口，從網(wǎng)袋底口即可取出蓮蓬，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了采摘效率；浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計出一種便攜式蓮蓬采摘器，使用時，需將收集網(wǎng)扣合在蓮蓬上，剪斷葉柄后翻轉(zhuǎn)收集網(wǎng)完成蓮蓬采摘[22，23]；浙江理工大學(xué)研制出便攜式自動蓮蓬采收裝置，動力為直流電機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)各動作的配合，同時完成蓮蓬的采摘和收集工作[24]；黃江龍[25]發(fā)明了一種蓮蓬采摘、分離與篩分一體化自動設(shè)備，解決了現(xiàn)有蓮蓬采摘過程工序繁多、操作復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大等難題。

1.3 芋頭生產(chǎn)機(jī)械

①芋頭播種機(jī) a.通用芋頭播種機(jī)。芋頭在日本已基本達(dá)到全程機(jī)械化作業(yè)水平，種芋播種機(jī)可同時進(jìn)行起壟、播種、地膜覆蓋3項作業(yè)，作業(yè)效率3.7 h/1 000m2；地膜回收機(jī)作業(yè)效率0.4 h/1 000m2[26]。山東理工大學(xué)發(fā)明的轉(zhuǎn)筒式芋頭穴播機(jī)，可一次完成起壟、整平、開溝、播種、覆土等多種作業(yè)[27]。濰坊職業(yè)學(xué)院設(shè)計了一種多功能播種機(jī)，能完成芋頭、生姜、馬鈴薯等根莖類作物的刨溝、撒種、蓋土、施肥等工序[28]。于珊珊等[29]研發(fā)的芋頭播種機(jī)，開溝、施肥、排種、覆土、起壟、噴藥一次完成。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)出的芋頭直立播種機(jī)亦能達(dá)到播種要求[30]。

b.專用芋頭播種機(jī)。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出一種魔芋播種機(jī)，能保證播種后種芋種芽傾斜向上，固結(jié)一定數(shù)量種勺的傳動鏈穿過種箱，帶出的種芋經(jīng)輸種管掉入開溝器，輸種管內(nèi)壁螺旋排列的毛刷和塑土器能保證種芋種芽傾斜向上，提高了種芋的播種質(zhì)量和成活率[31]。

②芋頭收獲機(jī) a.通用芋頭收獲機(jī)。大致可以分為以下2類：一類是集中鋪放式芋頭收獲機(jī)。一般掛接于拖拉機(jī)后方，收獲后的芋頭被集中鋪放于機(jī)具后方地面。以山東曲阜為主的多家農(nóng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的薯類收獲機(jī)可實現(xiàn)芋頭的機(jī)械化采收[32～34]，作業(yè)效率可達(dá)4 002～6 670m2/h。廣西大學(xué)發(fā)明的帶莖稈分離裝置的芋頭收獲機(jī)以及農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出芋頭雙抖土收獲機(jī)，收獲效果亦較理想[35，36]。

另一類是芋頭聯(lián)合收獲機(jī)。收獲機(jī)集挖掘、輸送、篩分、果實收集為一體，機(jī)型較大，一般采用履帶底盤，挖掘裝置在履帶底盤前方。日本Ito[37]于2001年公開了一種芋頭分離器和芋頭收獲機(jī)，其分離器配備有芋頭分離和振動裝置，能將母芋和子芋分離，并篩分掉附著在芋頭上的泥土，其芋頭收割機(jī)行走裝置為履帶底盤，履帶底盤前方為挖掘部件，挖掘部件前方配有地輪，后方為運送裝置，履帶底盤上方為芋頭分離器。Shingo等[38]2009年公開了一種芋頭收獲機(jī)，其配有將挖掘部分挖出的芋頭運送至分離部分的運送裝置以及將子芋和母芋分離的分離裝置，分離裝置位于運送裝置的上側(cè)，輔助分離裝置位于分離裝置附近。

b.專用芋頭收獲機(jī)。寧德師范學(xué)院研發(fā)出檳榔芋采挖設(shè)備，檳榔芋經(jīng)松土機(jī)構(gòu)松土，抬升機(jī)構(gòu)抬舉后由夾持機(jī)構(gòu)夾持檳榔芋稈將檳榔芋拔出，克服了現(xiàn)有收獲技術(shù)損傷檳榔芋的缺陷[39]。

1.4 荸薺收獲機(jī)

荸薺挖掘勞動強(qiáng)度大、效率低、收獲成本高（人工成本高達(dá)3萬元/hm2）?，F(xiàn)有公開的荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)大致可分為2類。

①整層收獲 挖掘裝置將荸薺生長層泥土整層鏟起，再經(jīng)分離裝置進(jìn)行荸薺和泥土分離。焦忠等[40]和唐仲華等[41]發(fā)明的荸薺收獲機(jī)以及陜西科技大學(xué)設(shè)計的荸薺采收船[42～47]，荸薺損傷率較高。丁年生[48]、東北大學(xué)秦皇島分校[49]、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)[50]以及馬鎖才等[51]發(fā)明的荸薺收獲機(jī)，工作時均需用水沖洗，存在一定局限性。安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所的王川等[52，53]提出采用農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的模式，并開發(fā)出一種升運鏈?zhǔn)捷┧j收獲機(jī)，但該農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合模式尚處在探索階段。

②分層收獲 挖掘裝置分2層，上層鏟起無荸薺層泥土輸送至機(jī)具側(cè)邊或后方，下層鏟起荸薺集中層輸送至分離裝置進(jìn)行泥果分離。丁年生[54，55]和高峰等[56]設(shè)計的荸薺收獲機(jī)，荸薺損傷率較高。唐仲華等[57，58]公開的荸薺收獲設(shè)備，收獲前要曬田至泥土含水量低于20%，并將荸薺莖部割平地面。周曉明[59]2009年發(fā)明的荸薺挖掘機(jī)，輪式機(jī)動車牽引附著性能差，還存在泥果分離困難和莖稈纏繞等問題；2015年設(shè)計的履帶式荸薺挖掘機(jī)，需用水沖洗荸薺[60]；2016年研發(fā)的分層式荸薺挖掘機(jī)，泥果能有效分離，將采收后的田地平整[61]。

1.5 水芹耕種機(jī)械

曹國榮聯(lián)合揚州大學(xué)開發(fā)了水芹自動化農(nóng)業(yè)耕種機(jī)，作業(yè)者站在平臺上腳不沾地即可進(jìn)行開溝、播種、施肥和收割等工作，比傳統(tǒng)種植方式節(jié)約近八成人力成本[62]。

1.6 芡實生產(chǎn)機(jī)械

①芡實定植播種機(jī) 傳統(tǒng)芡實種植方式，一種是直接將芡實種子拋撒于水田，此無序播種方式長成的植株不利于種植和管理，同時影響芡實產(chǎn)量；一種是提前對芡實種子進(jìn)行催芽后移栽定植，在田間排布橫豎交錯的細(xì)線確定定植點，在定植點處插入細(xì)竹竿標(biāo)記位置，然后依靠人工將催芽后的種子播于細(xì)竹竿處，此法種植規(guī)范，便于管理和采摘，亦能使芡實收獲期提前，但工作量巨大。滁州學(xué)院研發(fā)出一種芡實定植播種機(jī)，育種盤可提前對種子進(jìn)行催芽處理，水槽不僅可以多帶種子，實現(xiàn)大面積播種，同時能防止種子長時間脫水降低生命力，調(diào)節(jié)播種電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)芡實種子逐粒定植[63]。

②芡實采收裝置 刺芡的果實、葉柄及葉均被尖刺覆蓋，不適宜人工直接采收，通常用鐮刀將其果實砍下，再用網(wǎng)兜撈起，或者待芡實充分成熟，果皮碎裂，種子散落到水中后，再在冬季統(tǒng)一從水底打撈。前者會因芡實管狀果柄內(nèi)進(jìn)水而致植株死亡，影響后期產(chǎn)量；后者不宜多茬采收，僅適合老熟芡實種子采收。為解決芡實采收難題，滁州學(xué)院陳志宏等[64]研發(fā)出一種機(jī)械傳動式芡實果實采收裝置，只需手握手柄和緊線手柄，向上提壓緊線手柄，縮小兩手柄之間的夾角，則齒輪傳動裝置會將鋼絲繩收起，帶動抓手裝置將芡實果實抓住并切下，并放在收集位置，釋放緊線手柄，抓手裝置失去鋼絲繩的拉力作用，芡實果實在重力的作用下脫落出來，完成采收。該裝置對不同大小果實的適應(yīng)性較好，可以有效提高采收效率，克服因果實有刺或采收技術(shù)問題而導(dǎo)致的果柄進(jìn)水問題。江西明湖農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司設(shè)計出一種氣吸式芡實種子采集裝置，采用氣吸原理，將芡實種子從果實內(nèi)吸附出來輸送至集種箱，顯著降低了采集難度，提高了采集效率[65]。

1.7 慈姑收獲機(jī)械

傳統(tǒng)的慈姑種植方法，生產(chǎn)過程中的育苗、定植、采收3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)均在水田中人工操作，機(jī)械化水平很低。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提出了一種慈姑覆膜壟作栽培方法，應(yīng)用起壟覆膜機(jī)、蔬菜移栽機(jī)、通用根莖作物收獲機(jī)完成種植到收獲各環(huán)節(jié)作業(yè)，大大提高了機(jī)械化水平[66]。吳愛兵[67]發(fā)明了一種慈姑自動收獲機(jī)器人，能在淺水田和淺水湖內(nèi)對慈姑進(jìn)行自動拔取、清洗、球莖與慈姑主體分離，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足。

1.8 菱角采摘機(jī)械

菱角垂生于密葉下水中，需全株拿起來倒翻，才能看見采摘，工作效率低。李榮等[68]設(shè)計出一種菱角收獲裝置，工作時，船體帶動菱角收獲裝置前行，菱角秧被打碎排出，菱角則被輸送至收獲機(jī)后置的菱角船內(nèi)。泉州市科茂利通智能科技有限公司開發(fā)的菱角采摘自動生產(chǎn)線和中國計量大學(xué)發(fā)明的菱角采摘船，其采菱過程仍由人工完成[69，70]。

1.9 莼菜生產(chǎn)機(jī)械

①莼菜種植機(jī)械 目前莼菜種植時的施肥方式，容易灼傷莼菜或造成水質(zhì)污染，影響莼菜膠質(zhì)的形成，從而影響莼菜的營養(yǎng)價值。重慶國農(nóng)環(huán)境科技股份有限公司研發(fā)出莼菜施肥裝置，能將肥丸逐個施放到莼菜穴土中，很好地保證了莼菜的商品品質(zhì)[71]。該公司還發(fā)明了莼菜水田光照調(diào)整結(jié)構(gòu)、莼菜水田采光及雨水引流結(jié)構(gòu)、莼菜膠質(zhì)形成促進(jìn)設(shè)備等一系列莼菜種植機(jī)械，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

②莼菜采摘器 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院開發(fā)了莼菜手動控制采摘器，采摘器分為采摘裝置和收集裝置，采摘裝置由握把、手柄、鋼絲、鋁合金管、彈簧、刀片支架和刀片組成，主刀片上設(shè)置刀片盒，完成剪切后莼菜落入刀片盒中，松開手柄，將莼菜轉(zhuǎn)至固定在船頭網(wǎng)兜中收集[72，73]。該采摘器在一定程度上降低了勞動強(qiáng)度，但工作效率并未提升。

1.10 藜蒿（蔞蒿）生產(chǎn)機(jī)械

①藜蒿（蔞蒿）扦插機(jī) 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出的藜蒿扦插機(jī)，可實現(xiàn)分苗、取苗、扦插等多項作業(yè)，行進(jìn)速度108mm/s，行距90mm，扦插10行，株距80～100mm，扦插深度50～60mm，扦插直立度≤10%[74，75]。

②藜蒿收割機(jī) 武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出一種小型自走式藜蒿收割機(jī)，行進(jìn)速度 2.2 km/h，工作幅寬 0.75 m，作業(yè)效率 1 334～1 667.5m2/h，曾在武漢市蔡甸區(qū)進(jìn)行了試用[76，77]。

2 存在的問題

由于水生蔬菜研究起步較晚，生產(chǎn)組織化、規(guī)?；潭鹊?，對機(jī)械化作業(yè)需求不夠強(qiáng)烈，政府與種植戶不夠重視，缺少持續(xù)的研發(fā)計劃與資金扶持，導(dǎo)致水生蔬菜機(jī)械裝備研究發(fā)展緩慢，且許多成果還停留在方案設(shè)計和樣機(jī)試制階段，實用性有待加強(qiáng)。