甘薯種植農(nóng)藝及機械化種植技術研究*

趙海，劉新鑫，潘志國，李林，孫揚

(青島農(nóng)業(yè)大學，山東青島，266109)

0 引言

甘薯，又名山芋、番薯、紅薯、白薯等，不同地區(qū)有著不同的叫法[1]，其營養(yǎng)豐富，富含淀粉、蛋白質(zhì)、多種維生素、氨基酸，可以預防結(jié)腸癌和乳腺癌，食用價值高。我國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，甘薯年產(chǎn)量在1 000萬t左右。由于甘薯適應性好，故而甘薯的種植區(qū)域廣、產(chǎn)量高，但種植模式多樣，工序復雜，種植技術不成熟導致我國甘薯的機械化種植水平一直不高，種植的大多數(shù)環(huán)節(jié)都是由人工進行，而人工栽植費時費力，成本高，綜合效益低，阻礙了種植戶的積極性，嚴重制約了甘薯種植業(yè)的發(fā)展[2]。本文對國內(nèi)外甘薯種植機械進行對比分析，并結(jié)合我國的甘薯種植特點，得出國內(nèi)甘薯機械化種植所面臨的主要問題，并提出了未來甘薯機械化移栽的發(fā)展方向。

1 甘薯種植農(nóng)藝要求

甘薯移栽工序復雜，且多個步驟需要與相關農(nóng)藝結(jié)合才能有效提高產(chǎn)量。移栽前需要在施過肥的土地上進行旋耕碎土，能夠有效滅除田中的雜草，改善土壤條件，使土地表面更加平整；一般采用起壟種植的方式，可以有效的加深土層，為甘薯的生長提供良好的土壤環(huán)境[3]；在成型的壟上鋪設滴灌帶，覆蓋地膜[4]以便于維持土壤中的溫度以及水分含量，提供良好的生長環(huán)境，在膜上移栽難度大，需要與地方相關農(nóng)藝特點相結(jié)合，應根據(jù)當?shù)貤l件選擇合適的移栽方式，提高甘薯的產(chǎn)量。

1.1 甘薯種植模式

甘薯在不同地區(qū)的栽培方式有較大差異，但大多都進行起壟種植，一般采取單壟單行進行栽培，單壟單行的下壟寬700～800 mm，上壟寬200～300 mm，壟高300 mm較為合適。在壟上進行覆膜后能夠有效維持土壤的含水量及溫度，令甘薯的生長環(huán)境變得更加適宜，從而增加產(chǎn)量。移栽時的株距根據(jù)種植密度的不同也有些許差異，72 000株/hm2時株距一般在190 mm；51 000株/hm2時株距要大于200 mm；一般種植秧苗要有3個節(jié)栽入地下，長度在50～70 mm[5]。

1.2 甘薯栽插方式

由于甘薯種植地區(qū)分布廣泛，各地水土條件各不相同，導致各地的栽插方式也有所不同，不同移栽方式中秧苗移栽的角度和深淺各不相同，導致結(jié)薯點也不同，會直接影響甘薯的結(jié)薯數(shù)、大中薯率及產(chǎn)量[6]。目前常用的栽插方式有4種，分別是直插法、斜插法、平插法和船形法[7]。

1) 甘薯直插法是將秧苗垂直插入土中2～3節(jié)，深約100 mm，有1～2節(jié)露在土外，如圖1(a)所示。這種栽插方式秧苗入土較深，可以較多的吸收下層水分，因此其抗旱能力較強，成活率也較高。但由于入土節(jié)數(shù)較少，所以單株結(jié)薯數(shù)也較少，可以采取適當密植來彌補因單株結(jié)薯量少而導致產(chǎn)量變少的影響。

2) 甘薯斜插法是將秧苗傾斜插入土中2～3節(jié)，入土長度約為100 mm，2～3節(jié)露在土外，如圖1(b)所示。其抗旱能力與單株結(jié)薯數(shù)介于直插法與平插法之間，綜合性較好。

3) 甘薯平插法是將秧苗水平插入土中3～4節(jié)，2～3節(jié)露在土外，距離土面30～50 mm，如圖1(c)所示。由于秧苗的入土節(jié)數(shù)多，入土蓋土較淺，因此可結(jié)薯的節(jié)位較多，有利于早結(jié)薯，但是栽插較為費時且不耐旱，因而適合用于水肥條件好的薯地。

4) 甘薯船形法是將秧苗頭尾翹起，苗尖和各節(jié)葉子外露，入土部分呈船形而得名，秧苗入土深度在 50～70 mm，如圖1(d)所示。因入土節(jié)數(shù)較多，多數(shù)節(jié)位接近土表，有利于結(jié)薯，但薯苗中部入土深的部位結(jié)薯少而小。適用于土質(zhì)肥沃、無干旱威脅的地區(qū)。

(a) 直插法

2 甘薯種植機械研究與應用現(xiàn)狀

甘薯種植工序復雜，包含施肥、起壟、覆膜、栽植、澆水等工序，隨著甘薯種植機械化的發(fā)展出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、功能相對單一的甘薯起壟機、移栽機，以及結(jié)構(gòu)復雜、功能多樣的甘薯種植聯(lián)合作業(yè)機械。

2.1 甘薯起壟機

國外甘薯起壟機比較成熟，日本、韓國所設計的甘薯起壟機注重農(nóng)機農(nóng)藝相結(jié)合，將起壟、施肥合為一體，多為單壟或者雙壟作業(yè)，起壟時還可以提高土地的含肥量，增加甘薯產(chǎn)量；德國生產(chǎn)的GF400+旋耕起壟機也可一次完成旋耕碎土、起壟施肥工序，如圖2所示，單次可完形成四壟作業(yè)，這對我國大部分種植地區(qū)有著很高的借鑒價值。

圖2 GF400+旋耕起壟機

目前國內(nèi)起壟機械發(fā)展較快，生產(chǎn)廠家較多，機械起壟比人工起壟效果更好一些，但總體來說差異不大[8]。但甘薯起壟的壟型較大，而其他需要起壟種植的作物的壟型較小，因此需要專門研發(fā)針對于甘薯的起壟機械，其他作物的起壟機械可作為甘薯起壟機的參考。

近些年，由滕州某公司生產(chǎn)的甘薯多行聯(lián)合起壟覆膜機[9]，能夠高效率地完成甘薯的起壟覆膜和鋪設滴灌帶的工作。由中國計量大學現(xiàn)代科技學院研制的甘薯起壟覆膜機[10]能夠?qū)崿F(xiàn)起壟覆膜并鋪設滴灌帶以及膜上定穴的工序，機械化水平高。

由威海市農(nóng)業(yè)科學院研制的甘薯旋耕施肥起壟覆膜一體機[11]，在裝置中安裝了整形棍、覆膜棍和壓膜橡膠輪，改善了起壟時車輪對壟底的壓實程度，防止甘薯的下扎受阻，提高了起壟覆膜的效率和質(zhì)量，每條壟寬窄較為均勻，促進了標準化種植的發(fā)展。

河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)的新型膜上覆土多功能甘薯起壟機，將多道工序合為一體，可實現(xiàn)旋耕碎土、施肥、起壟、鋪設滴灌帶、覆膜、膜上覆土等多道工序，如圖3所示。

圖3 多功能甘薯起壟機

綜上所述，國外甘薯起壟機械的發(fā)展相對成熟，機械化程度高，歐美國家以大型機械為主，日韓以小型起壟機為主；國內(nèi)種植農(nóng)藝、地塊面積差別較大，除了完成旋耕起壟功能，根據(jù)實際需要，又增加了覆膜、鋪設滴灌帶等功能，國內(nèi)外機型均能較好地完成甘薯移栽前準備工作，在很大程度上提高甘薯種植的效率。

2.2 甘薯移栽機

國外甘薯移栽機主要以美國和日本為代表，其中美國甘薯移栽機采用鏈夾式裸苗移栽機，由于美國土地面積廣但人口少，移栽機以標準化、大型化為主，一次可栽插十幾行。日本、韓國的國土以丘陵山區(qū)為主，地塊小，注重農(nóng)機與農(nóng)藝的結(jié)合，能利用有限的土地資源獲得更大化的收益，且能夠?qū)崿F(xiàn)覆膜移栽[12]。日本秉持甘薯智能種植的理念設計了一款山地丘陵地區(qū)均適合的小型自走式移栽機，在經(jīng)過旋耕起壟整地后的田間進行甘薯裸苗移栽作業(yè)，如圖4所示，該機具的送苗帶和夾苗爪由間歇機構(gòu)帶動作業(yè)，其優(yōu)點是人工放苗能夠更加準確及時，夾取爪在夾取苗后往土里移栽至夾取爪離開土壤并進入下一棵甘薯苗的夾取準備工作的時間間隙比較短，在如此快速移栽的情況下能降低機具前進速度變化對移栽軌跡的影響。

圖4 自走式甘薯移栽機

國內(nèi)目前甘薯移栽機按照秧苗輸送方式可分為3種，分別是傳送帶式甘薯移栽機、吊杯式甘薯移栽機、鏈夾式甘薯移栽機[13]，其各存在優(yōu)劣。近些年來國內(nèi)甘薯移栽的研發(fā)力度加大，因此涌現(xiàn)出許多創(chuàng)意新穎的移栽機械，如甘薯脈沖式破膜注水移栽機、甘薯橫插栽植機械。

由山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所研制的甘薯脈沖式破膜注水移栽機[14]將地膜刺破并壓出一個穴，利用摩擦力讓破膜注水的輪子在起好的壟上移動，水從供水管進入注水輪再進入到開好的穴中，人工將甘薯苗放入穴中，壓實土壤完成移栽工作。其缺點是作業(yè)過程中，供水管無法閉合，造成水資源浪費，且不具備核心的甘薯苗移栽功能。

由河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所研制的甘薯橫插栽植機械[15]，獨創(chuàng)地在壟的長方向開一個長溝槽，另一側(cè)是開槽產(chǎn)生的小土丘，苗與壟的方向呈現(xiàn)一個夾角放置，之后土丘回填至溝槽中，從而完成甘薯的移栽。該方式易于實現(xiàn)機械化、標準化。

國內(nèi)外主要甘薯生產(chǎn)國移栽情況對比如表1所示。

表1 甘薯移栽情況對比Tab. 1 Comparison of sweet potato transplanting

綜上所述，美國甘薯移栽機效率高，日本的移栽機注重農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合，而我國上述甘薯移栽機并未與相關起壟整形機等進行集成，功能單一，工作時費時費力，多次進地對土地進行碾壓，容易對壟體造成破壞。無論是國內(nèi)還是國外都是由人工手動分苗喂苗，全程機械化移栽技術有待完善，主要由于甘薯秧苗枝葉交錯的物理特性使全自動移栽機械的研發(fā)變得困難，如何利用機器有效進行分苗、喂苗是下一步所需要研究的重點。

2.3 聯(lián)合作業(yè)機械

由南通某公司研制的2CGF系列甘薯復式移栽機(圖5)以及由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的甘薯旋耕起壟移栽聯(lián)合做業(yè)機都能夠一次完成旋耕碎土、施肥、起壟、移栽覆土工序，但也需要由人工進行分苗喂苗，影響作業(yè)效率；由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的另一臺牽引懸掛組配式可載水甘薯復式移栽機，除了能夠完成上述功能外還可以實現(xiàn)載水移栽，減小了轉(zhuǎn)彎時容易造成部件在土中的損傷[16-18]。

圖5 2CGF系列甘薯復式移栽機

青州某公司是生產(chǎn)多功能秧苗移栽機的專業(yè)廠家，在移栽方面有過多年的研究，其研制的合手式柔性護苗移栽機可以實現(xiàn)破膜移栽，秧苗在土中可以呈現(xiàn)傾斜狀[19]，能夠有效增加機械移栽的產(chǎn)量，但也需要人工分苗喂苗，移栽效率受到影響。

綜上所述，雖然國內(nèi)移栽機械能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，但依然采用人工進行分苗喂苗，這樣大大影響作業(yè)效率，因此實現(xiàn)全自動移栽是未來發(fā)展的趨勢也是難點。

3 甘薯栽插機械化面臨的主要問題

3.1 種植環(huán)境復雜多樣

我國甘薯種植區(qū)分布廣泛，因而各地種植模式多樣，地形復雜，甘薯秧苗種類繁多，不同品種及種植模式所需要的土質(zhì)、壟型、壟距也有所不同。地形也在影響著機械化的發(fā)展方向，丘陵地區(qū)大多是小塊作業(yè)，適用體積小、方便移動的機械，而平原大面積種植地區(qū)則適用標準化、大型化的移栽機械[20]。因此，甘薯移栽機械能夠適應多樣的種植環(huán)境是當下需要解決的問題之一。

3.2 甘薯裸苗移栽自動分苗困難

國內(nèi)的甘薯移栽多為裸苗移栽，然而利用機械自動進行分苗相對困難，目前甘薯自動分苗移栽仍是一項世界難題，國內(nèi)移栽機皆由人工手動分苗、喂苗，再由機器送苗，人工分苗的速度限制了機器移栽的速度，且勞動強度大，人工成本高，從而影響移栽效率和成本。因此完成自動機械分苗，實現(xiàn)自動移栽，是當下亟需解決的一個難題。

3.3 種植農(nóng)藝工序復雜

甘薯種植程序較多，需要對農(nóng)田進行旋耕、起壟、壓實、覆膜、移栽、澆水等多道工序。而起壟與移栽又需要與相關農(nóng)藝相結(jié)合，起壟后壟的坡角、壟型、緊實度要符合甘薯農(nóng)藝的要求；移栽則需要保證扦插時的角度和深淺一致，秧苗在土壤中呈現(xiàn)出船底形或水平形才能有效提高產(chǎn)量。目前甘薯移栽的機械化集程度低，現(xiàn)有機型僅能實現(xiàn)部分功能或分步進行，費時費力，勞動成本高，還增加了對土地的碾壓次數(shù)。

3.4 甘薯栽插技術不成熟

國內(nèi)甘薯移栽機械采用直插法較多，由于斜插法、平插法機械化移栽仿形較為困難，所以相關技術不成熟，船形法機械化移栽仿形難度最大，相關技術在不斷充實完善。在這4種移栽方式中船形法甘薯產(chǎn)量最高，斜插法、平插法產(chǎn)量居中，直插法產(chǎn)量最低。目前國內(nèi)移栽機械多為農(nóng)業(yè)的通用機械，采用直插法為主，并不能很好的與甘薯栽插農(nóng)藝相結(jié)合，因此研究甘薯專用的栽插關鍵技術是解決甘薯機械化移栽的基礎。

3.5 整地起壟質(zhì)量較低

目前，國內(nèi)甘薯起壟機仍存在著土壤耕層淺、起壟高度不達標、壟體緊實度差、壟側(cè)不規(guī)整、壟距不規(guī)范等問題，嚴重影響后續(xù)薯苗栽插及薯塊生長；究其原因主要由于機具的可靠性偏低且結(jié)構(gòu)強度差。如何提高起壟機的整地質(zhì)量，實現(xiàn)整地規(guī)范化、標準化是目前面臨的主要問題之一。

3.6 載水移栽效率低

在載水移栽(機具上帶水箱，邊栽邊澆)時，由于甘薯移栽后的需水量很大，一株的需水量在200～300 mL，若加大水箱容積則會大大增加拖拉機負荷，增大田間作業(yè)的難度，且水箱體積有限，作業(yè)中經(jīng)常停機加水，不僅會影響作業(yè)效率，還會增加作業(yè)成本[21]，例如2CGF-2甘薯復式移栽機將水箱澆水改為鋪設滴灌帶，提高了移栽效果。因此采用適合甘薯的澆水模式有助于甘薯相關機械的研發(fā)與推廣。

3.7 定向定位輸送難度大

甘薯移栽機械在輸送過程中秧苗位置不穩(wěn)定，易出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象，主要由于栽插裝置不能準確地夾取輸送過來的秧苗，因此盡可能地提高輸送的準確度以及夾取能力，從而降低漏苗率，但甘薯秧苗莖稈柔弱無規(guī)則，在輸送的過程中常常改變狀態(tài)，令其能夠?qū)崿F(xiàn)定向定位輸送存在一定困難。

3.8 膜上移栽難度大

甘薯種植時進行覆膜會提高膜下溫度，有利于甘薯的生長。但移栽后需要將苗露在膜外，進行機械化破膜移栽常出現(xiàn)膜的破損過大，降低覆膜作用效果，由于秧苗在土壤中并非常規(guī)樣式，實現(xiàn)常規(guī)膜上移栽的機械應用在甘薯的移栽上顯然不太合適，因此研發(fā)專用于甘薯的覆膜移栽機構(gòu)是很有必要的。

4 機械化移栽研究方向

4.1 農(nóng)機農(nóng)藝有機融合

應對農(nóng)機和農(nóng)藝進行有機的融合，進行融合后能夠有效增加農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)的產(chǎn)量及質(zhì)量，提高農(nóng)民收入[22]。甘薯的品種繁多、種植模式多樣且移栽工藝復雜，這些因素提高了甘薯機械化移栽的難度，只有對移栽有較為深入的了解才能實現(xiàn)農(nóng)機農(nóng)藝相結(jié)合，并增加機器的適用性。甘薯的移栽方式對產(chǎn)量的影響很大，這就需要與相關農(nóng)藝專家對移栽的關鍵部位進行研究優(yōu)化，促使農(nóng)機與農(nóng)藝有效結(jié)合，從而提高機械化作業(yè)的效率和產(chǎn)量。

4.2 提高移栽機的適應性

甘薯具有較好的抗貧瘠能力，所以甘薯在我國各地均有種植，然而各地水土環(huán)境不同，導致種植的土質(zhì)、壟型、壟距差異較大，然而國內(nèi)擁有的甘薯移栽機器大多是一些通用器械，難適應多變的栽插條件，從而限制了甘薯移栽機的發(fā)展進程。提高甘薯移栽機普適性，重點研究移栽機的可調(diào)性，適用不同地區(qū)的不同種植模式是未來的發(fā)展方向之一。

4.3 移栽機的共性技術研究

國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械在起壟、覆膜、定向定位輸送技術、扦插技術還存在不足之處，研究這些相關通用的共性技術可以減少其他類型機械研發(fā)所需要的時間及投入，提高機具研發(fā)速度。

4.4 甘薯移栽裝備集成

甘薯移栽前需要對土地進行施肥、旋耕、起壟和覆膜操作，栽插時需要進行扦插、覆土、鎮(zhèn)壓和澆水工作，移栽過程復雜。未來甘薯移栽機械應根據(jù)甘薯的相關農(nóng)藝要求，將旋耕、起壟、覆膜、移栽、澆水等工序進行系統(tǒng)集成，使機械一次進地作業(yè)能夠完成更多的工序，從而降低人工作業(yè)強度，提高播種效率，減少對土地的碾壓次數(shù)。

4.5 智能化技術的研究與應用

未來理想化機械作業(yè)在實現(xiàn)自動取苗喂苗后，能夠與導航定位技術、無人駕駛技術相結(jié)合，實現(xiàn)機械自動行駛、故障診斷、實時狀態(tài)監(jiān)測，智能識別是否栽插成功，并對漏栽的地方進行標注或者補栽，在機械發(fā)生故障之后自動檢測故障部位，提出維修建議，提高機械的智能化，降低人工操作的難度，節(jié)約勞動力，降低勞動強度，并在保證移栽效率的同時保證移栽質(zhì)量。

5 移栽機械亟需突破的關鍵技術

5.1 甘薯自動分苗技術

由于甘薯秧苗葉片較大，莖稈柔弱無規(guī)則，難以實現(xiàn)機械分苗，目前甘薯移栽機械依舊以半自動化為主，需由人工手工分苗、喂苗，從而限制了扦插效率，目前甘薯移栽機械的發(fā)展也陷入了瓶頸，自動分苗技術是完成甘薯移栽自動化作業(yè)的先決條件[23]。

5.2 定向定位輸送技術

可靠穩(wěn)定的定向定位輸送技術也是甘薯移栽機械未來發(fā)展急需突破的技術之一，使甘薯秧苗在播種時能夠精準的將秧苗輸送至移栽部位前，可保證栽插的準確度，降低漏苗概率，減少人工補栽的次數(shù)。

5.3 水平、船底栽插技術

甘薯移栽機械需要與相關農(nóng)藝相結(jié)合，目前移栽機對甘薯秧苗進行直插法、斜插法的栽插技術較為成熟，但對水平、船底型的栽插技術并不成熟，重點突破甘薯的水平、船底型移栽技術可以有效提高機械化移栽的效果，增加甘薯的產(chǎn)量。

6 結(jié)論

甘薯的種植農(nóng)藝要求較高，工序繁瑣復雜，而我國甘薯種植機械化程度低，相關技術不成熟，甘薯聯(lián)合作業(yè)機械的發(fā)展陷入了瓶頸，嚴重限制了甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來應以農(nóng)機與農(nóng)藝進行有機融合為基礎，針對甘薯種植模式多樣，提高機具的適應性，研究移栽機的共性技術與關鍵技術，并在移栽裝備研發(fā)上進行系統(tǒng)集成，進行創(chuàng)新和優(yōu)化設計。未來研究的重點在自動化分苗取苗，以此實現(xiàn)自動化移栽作業(yè)；提高輸送的精準度，降低漏苗率，提高機具的作業(yè)效率和質(zhì)量；研制符合我國甘薯主產(chǎn)區(qū)要求的多功能甘薯移栽機械，促進我國甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。