油莎豆種植與收獲機械技術裝備研究現(xiàn)狀

邸志峰，李青龍，姜偉，張志起，張華*，李娜，崔中凱，周進

（1.山東省農業(yè)科學院，山東 濟南 250100；2.山東省農業(yè)機械科學研究院，山東濟南 250100）

油莎豆（Cyperus esculentus）又稱油沙草，是原產于非洲及地中海沿岸國家的一種草本植物，它具有適應性強、喜光、抗旱、耐高溫、耐鹽堿等性狀［1-3］。其塊莖生長于地下，外形與花生相似呈橢圓形，略小于花生；油脂含量高，富含膳食纖維、微量元素和抗氧化物質，有助于阻止細胞的退化、衰老，同時具有降低血壓、血脂、膽固醇的功效。據測定，油莎豆油莎豆富含淀粉（25%～40%）、油脂（20%～30%）和糖（15%～20%）［4］，還有蛋白質、膳食纖維，且膳食纖維具有高持水性和持油性［5-7］，另外還有有機酸、甾類化合物等功能性成分［8］。油莎豆又被稱為“地下核桃”，20 世紀50年代開始我國多地進行了試種推廣，但由于種植成本高、銷路窄導致產業(yè)發(fā)展緩慢，其中重要原因之一是油莎豆生產機械化程度較低。本文系統(tǒng)梳理我國油莎豆產業(yè)發(fā)展歷程，通過分析種植收獲技術與裝備現(xiàn)狀，明晰制約油莎豆生產機械化水平提高的關鍵問題，提出油莎豆產業(yè)健康發(fā)展的建議。

1 我國油莎豆產業(yè)發(fā)展歷程

20 世紀50年代，我國從前蘇聯(lián)引進油莎豆并在北京植物園試種成功；60年代中國科學院植物研究所從保加利亞引種栽培［1-3］，1975年左右中國科學院植物研究所北京植物園和中科院遺傳研究所分別從朝鮮引進大粒油莎豆進行種植，到70年代全國掀起了油莎豆種植小高潮。但由于種植成本高、市場銷路窄、機械化程度低、種植熱情迅速衰退。到本世紀初期，油莎豆種植一直處于低谷期。伴隨著人們對油莎豆經濟價值、生態(tài)價值的進一步認識，以及栽培和加工技術的進一步提高完善，我國許多省份又開始推廣擴大油莎豆種植規(guī)模，從2006年起我國新疆、內蒙、河北、吉林等多地開始小規(guī)模種植油莎豆（圖1、圖2）。農業(yè)部分別于2015年11 月和2016年6月發(fā)文《關于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結構調整的指導意見》和《全國種植業(yè)結構調整規(guī)劃（2016—2020年）》，建議適宜地區(qū)示范推廣種植油莎豆，以調整種植結構和增加新的食用油來源。在各種政策的推動下，近年來油莎豆種植面積持續(xù)增加，據統(tǒng)計，到2019年全國油莎豆種植面積約20 萬畝，最近幾年都維持在25 萬畝左右［9-11］。

圖1 油莎豆籽粒Fig.1 The grain of Cyperus esculentus

圖2 油莎豆植株Fig.2 The plant of Cyperus esculentus

2 油莎豆播種機械現(xiàn)狀

2.1 油莎豆播種要求

油莎豆種植對土壤要求不嚴格，紅、黃、沙壤，鹽堿地均可種植［12-13］。根據不同種植需求，油莎豆可純作、間作、套作或在果園行間種植。若在沙質土壤或者肥沃疏松土壤種植，則應主要用來收獲果實；種植在果園行間，既可改良土壤，遮陰抑制雜草，防止水土流失，改善果園微環(huán)境，又可提高經濟效益增加收入；油莎豆具有耐鹽堿特性，在鹽堿地推廣種植油莎豆是鹽堿地改良利用和提高種植效益的較好選擇；以收油沙草為主要目的則可因地制宜種植。油莎豆春、夏均可播種，生育期長短因各地氣候條件和播種期而異一般在120 d 左右［14］，北方生育期長，南方生育期短；一般3～4 月底春播，5 月中旬夏播，播前需要浸種催芽，行距40～45 cm，株距20～30 cm，播深3 cm，畝株數約5000～8000 株。

2.2 油莎豆播種機械

目前還未見有批量生產的專用油莎豆播種機產品，生產中使用的油莎豆播種機大都是簡易手推式播種機，或者是在現(xiàn)有機械式花生播種機基礎上簡單改進而來，國內部分單位進行了油莎豆播種機的研究，但大多在實驗樣機階段。簡易播種機播種精度不高、效率低；機械式花生排種器的排種精度不高、種子破損率較大［15］。油莎豆實現(xiàn)機械化播種可大量節(jié)省人工成本，提升作業(yè)效率，大幅提高種植經濟效益，油莎豆機械化播種技術發(fā)展慢成了制約油莎豆規(guī)?；l(fā)展的關鍵問題之一，制約了油莎豆產業(yè)的快速發(fā)展。

目前油莎豆播種大多采用手推式簡易播種機械進行播種（圖3）［16］。主要靠人力推動完成播種作業(yè)，通過更換不同排種器可滿足不同外形尺寸油莎豆播種，屬于半機械化產品。手推式播種機價格較低、操作簡單，播種精度差、作業(yè)效率較低，適于丘陵山區(qū)等小面積地塊使用。

圖3 手推式簡易播種機Fig.3 Hand push seeder

由于油莎豆外形呈不規(guī)則的球體，形狀和花生相似，在生產實踐中也經常采用改進后的機械式花生播種機進行播種，兩壟四行花生覆膜播種機是代表性產品（圖4A）。該機可一次完成起壟、施肥、播種、施藥、覆膜、膜上筑土等多項作業(yè)工序，播種行數4 行，播種深度3～5 cm，適應膜寬80～90 cm，穴距可選［17］。該機的特點是可以在膜上建立筑土帶，免去人工放苗，節(jié)省勞力，但在雨水較多地區(qū)使用可能造成出苗困難，受機械式排種器限制，排種精度不高。另外，油莎豆播種也可采用花生膜上打孔播種機［18］進行播種（圖4B）。

圖4 花生播種機Fig.4 Peanut planter

此類機械借助鴨嘴式排種器完成膜上打孔播種，可完全避免人工放苗，但排種穩(wěn)定性差，地膜易被撕裂，對播前整地質量和墑情要求高。

針對油莎豆的專用播種機研究甚少，2013年河北農業(yè)大學機電工程學院楊冬冬，張晉國等設計了一種氣吸式油莎豆精量播種機［19］，該機可與小型拖拉機配套使用一次完成開溝、播種、覆土、鋪膜等工序（圖5）。該機的核心部件是氣吸式排種器，工作時靠風機產生負壓油莎豆種子被吸附到排種盤上，種子隨排種盤轉動，當轉動到排種位置時不在承受負壓，靠自重落在種溝內。結合油莎豆外形尺新設計了專用的排種盤，且增加攪拌裝置，改善種子流動性，確保了充種率；通過加大輸種管與種子室接觸面積，避免了種子架空產生堵塞漏播，一定程度上解決油莎豆種子流動性差、易架空產生漏播的問題，經過試驗表明能夠滿足油莎豆播種需求。

圖5 氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機［19］Fig.5 Air suction Cyperus esculentus precision film laying seeder

2020年吉林省農業(yè)機械研究院彭飛等［20］，研制了一種氣吸式油莎豆精量免耕播種機（圖6）。采用牽引式連接，可以實現(xiàn)施肥、開溝、播種、覆土、鎮(zhèn)壓多道工序作業(yè)。該播種機動力來源于拖拉機，靠雙圓盤開溝器進行開溝，配備仿形輪，開溝深度2～6 cm，寬度2～4 cm；機架上裝有電力負壓風機高速旋轉產生負壓，風機通過軟管與真空室相連，種子在負壓作用下吸附到排種盤上，排種盤轉出真空室后負壓消失，在種子自重和清種器共同作用通過導種管落入種溝；在V 字形橡膠輪作用下進行鎮(zhèn)壓覆土；整機配備電子監(jiān)控系統(tǒng)，光電監(jiān)測株距距、漏播等指標，具有漏播報警，播種粒數顯示，作業(yè)面積統(tǒng)計等功能。該產品是吉林省重大科技專項研制產品，仍處于樣機階段，還需要持續(xù)試驗優(yōu)化改進。

圖6 氣吸式油莎豆精量免耕播種機［20］Fig.6 Air suction type refined no tillage planter for Cyperus escul?entus

總之，目前油莎豆播種大多是采用簡易手推式播種機或者是在不同類型花生播種機上經過簡單改裝后使用，少有針對油莎豆特點而設計的專用播種機。氣吸式排種器結構復雜，氣吸室密封狀態(tài)和油莎豆種子尺寸等對播種性能有較大影響，已有部分單位進行了研究，但仍處于試驗樣機階段，性能有待進一步提高。油莎豆雖然外形與花生類似，但其千粒重、孔隙度、休止角等物理特性與花生不同，為了滿足油莎豆產業(yè)快速發(fā)展需求，應加大對油莎豆的系統(tǒng)研究，開發(fā)播種質量好、效率高的專用播種機。

3 油莎豆收獲機械研究現(xiàn)狀

3.1 油莎豆收獲要求

油莎豆一般9 月下旬或10 月初，葉片大部分變黃，塊莖變硬且呈橘黃色或棕褐色方可收獲［21］。收獲過早塊莖發(fā)育不完全，籽粒不飽滿，收獲過晚會造成營養(yǎng)物質流失。油莎豆根系發(fā)達，塊莖埋于地下，塊莖與植株間相連的根莖較細、韌性低、易斷裂，收獲過程中極易發(fā)生落果現(xiàn)象。目前油莎豆收獲大部分以人工為主，收獲時用手或者耙等工具拔起，再用工具敲打根部使得油莎豆脫落，或者用工具將地面油沙草進行粉碎后用鐵鍬等工具將油莎豆挖掘出來，然后放入篩網中進行篩選［16，22-23］。

3.2 油莎豆收獲機械研究現(xiàn)狀

國外很少有油莎豆收獲機相關報道，目前只有西班牙某公司的油莎豆收獲機［24］，且均為拖拉機牽引式（圖7）。作業(yè)時靠挖掘鏟將油莎豆挖起送入滾筒篩進行分離，滾筒篩有單滾筒和雙滾筒兩種，經過滾筒篩分選后的油莎豆在輸送裝置作用下送入集糧車，此類型機械適合沙土地油莎豆的收獲，分離效果較好，不易堵塞。

圖7 西班牙油莎豆收獲機Fig.7 Cyperus esculentus harvester in Spanish

我國伴隨著70年代油莎豆種植熱潮，研制了多款油莎豆收獲機具。1974年西北植物研究所在江蘇淮陽農機修造廠試制了油莎豆收獲機［25］，該機為懸掛式收獲機，采用鏟篩聯(lián)合機構及半圓弧強制分離原理。挖掘部件采用鴨掌形，破土能力好，阻力??；采用離心式半圓弧強制分離機構，分離篩間隙大小對分離效果影響較大。該機型與人工收獲相比效率大大提高，適應于沙質土壤，對土壤水分要求嚴格。

1975年西北植物研究所機械研究組研制了油莎豆簡易篩選機［26］（圖8）。該機為人力腳踏式（配有0.6 kW 電機，只能在有電源地方使用），該機體積小結構簡單，操作方便靈活，且傳動件大多采用自行車標準件，更換篩網后還可用作多種作物的篩選。該機需多人操作，一人腳踏機器運轉，一人用鐵鍬將油莎豆鏟起拋入機器，機器兩側人手持油莎豆抖動摔打，一人捆草填土，工作效率比純人工提高5 倍左右，適于當時生產條件使用。

圖8 油莎豆簡易篩選機［26］Fig.8 Simple screening machine for Cyperus esculentus

1976年12 月廣西靈川縣召開了全國油莎豆收獲機現(xiàn)場會［27］，到會17 臺樣機（圖9～圖18）。沈陽市農機所研制了工農518-28I 型油莎豆收獲機，由大型八角錐形滾篩（兼作挖掘鏟）和攪拌滾軸組成，與東方紅-28 拖拉機配套（圖9）。彰武縣一中研制了遼寧518-12 型半化式油莎豆收獲機，與遼寧518-12 手扶拖拉機配套，有立式雙圓籠篩和雙層振動平篩組成，用人工鏟掘后喂入，經撕碎和篩選得到油莎豆（圖10）。沈陽市農機研究所研制的工農518-12Ⅳ型油莎豆收獲機，與518-12 手扶拖拉機配套（圖11）；該機收獲時，需要人工將地面莎草收割或粉碎，再由釘齒式回轉輸送帶把根、豆、土等沿傾斜條篩輸送撕碎，然后進入半圓弧篩進一步撕碎和分離，最后由兩層平篩完成分離清選。

圖9 工農518-28 I 型油莎豆收獲機［27］Fig.9 Gongnong 518-28 I Cyperus esculentus harvester

圖10 遼寧518-12 型半化式油莎豆收獲機［27］Fig.10 Liaoning 518-12 Semi mechanized harvester

圖11 工農518-12Ⅳ型油莎豆收獲機［27］Fig.11 Gongnong 518-28 ⅣCyperus esculentus harvester

邢臺地區(qū)農機所和華北農機學院共同研制的平篩式油莎豆收獲機，與鐵牛-55 拖拉機配套，由挖掘平鏟、輸送帶、撕碎機構、逐稿器和清選篩等組成（圖12）。由阜新市農機所和阜新縣西關大隊共同研制的遼寧518-12 型油莎豆收獲機，與遼寧518-12 拖拉機配套，由挖掘鏟、撕碎輥、抖動升運鏈、釘齒分離筒和平篩組成（圖13）。彰武縣農機所、阜新市農機化所、遼寧省農機化所等單位聯(lián)合研制的半圓弧篩式油莎豆收獲機［28］，與東方紅-75拖拉機配套，由挖掘鏟、扒土輪、半圓弧篩、錐形分離滾筒和平篩組成（圖14）。

圖12 平篩式油莎豆收獲機［27］Fig.12 Plansifter Cyperus esculentus harvester

圖13 遼寧518-12 型油莎豆收獲機［27］Fig.13 Liaoning 518-12 Cyperus esculentus harvester

圖14 半圓弧篩式油莎豆收獲機［27］Fig.14 Semicircular arc sieve harvester

湖南省輪隆回縣農具所研制了湘隆-62 型半化式油莎豆收獲機［27］（圖15）。該機由脫粒筒和振動平篩組成，采用165F 柴油機帶動，人工鏟掘喂入，機型小，重量輕，適于山區(qū)和小地塊搬運。

圖15 湘隆-62 型半化式油莎豆收獲機［27］Fig.15 Xianglong-62 Semi mechanized harvester

西北植物研究所研制了76-1、76-2 型2種油莎豆收獲機（圖16、圖17）。76-1 型由進料斗、撕碎機構、除雜篩、平篩和接豆箱等組成，由南泥灣-12手扶拖拉機帶動，工作時需要人工將油莎豆鏟掘喂入；76-2 型與12 馬力手扶拖拉機配套，由旋耕刀、三角葉片篩、撕碎輪和平篩組成，不需要人工鏟掘喂入，可節(jié)省勞動力，屬于76-1 升級型產品。

圖16 76-1 型油莎豆收獲機［27］Fig.16 76-1 Cyperus esculentus harvester

圖17 76-2 型油莎豆收獲機［27］Fig.17 76-2 Cyperus esculentus harvester

由湖北油料研究所研制的油-3Ⅱ型半化式油莎豆收獲機由脫粒滾筒和雙層平篩組成，靠165 柴油機帶動，工作時需要人工鏟掘喂入（圖18）。

圖18 油-3 Ⅱ型半化式油莎豆收獲機［27］Fig.18 You-3 ⅡSemi mechanized harvester

以上是我國上世紀70年代開展的油莎豆收獲機械相關研究工作和所研制的樣機，其中大部分需要人工挖掘后喂入，實質上是分離篩選機械，有少量機械可以免去人工鏟掘喂入，但受制于當時的技術條件，只是進行了少量的生產，并未形成批量產品。由于油莎豆并不是主要農作物，種植面積有限，上世紀80年代至本世紀初基本沒有專門進行油莎豆收獲技術相關研究報道。

近年來，隨著國家種植結構調整和其他一些相關政策得出臺，油莎豆產業(yè)又得到了重視，有不少企業(yè)紛紛開始研制各種類型的油莎豆收獲機以滿足產業(yè)發(fā)展需求。2010年，湖南省邵陽市農機研究所成功開發(fā)出一種小型多功能收獲機械［29］（圖19）。該機一定程度上解決了在粘性壤條件下土果分離差、振動篩篩孔易堵塞的難題，該機通過調整振動模塊和更換分選模塊，可以快速實現(xiàn)功能轉換，一機多用。整機體積小、重量輕、篩選干凈、破碎率低，是一種適于南方丘陵地區(qū)散戶使用的可移動式小型收獲機。

圖19 多功能收獲機［29］Fig.19 Multifunctional harvester［29］

2013年，河南省汝州市嚴瑞山等發(fā)明了一種油莎豆收獲機［30］（圖20）。在工作時由拖拉機連接懸掛架2、牽引架3 使油莎豆收獲機前進，切土輪1將土壤提前切開，減輕了拖拉機的動力消耗，挖掘鏟4 將地下生長的油莎豆挖出，送入輸送鏈板7，經由輸送鏈板7 把油莎豆送到入料口9，落入旋轉分離器11 之中，把油莎豆與土壤和其它雜物旋轉分離，土壤和雜物通過帶篩孔的下料溜槽16 落到機器外面，油莎豆被提升機15 輸送到裝豆箱8 中。但未見有相關實物產品報道。

圖20 一種油莎豆收獲機結構示意圖［30］Fig.20 Structural diagram of a Cyperus esculentus harvester

2019年吉林省農業(yè)機械研究院劉文亮等設計了一種油莎豆籽粒收獲機［31］，采用開式脫粒滾筒（圖21）。采用板齒、弓齒、釘齒組合式脫粒元件，綜合了板齒抓取能力強，弓齒可排出莖稈中籽粒，釘齒抓取能力強的特點；分離裝置采用柵格凹板篩，清選裝置采用編織篩，經過脫粒分離的油莎豆掉落到編織篩上，完成清選。

圖21 油莎豆脫粒滾筒［31］Fig.21 Threshing cylinder of Cyperus esculentus harvester

2019年吉林省農業(yè)機械研究院劉文亮等設計了一種立式軸流油莎豆脫粒分離裝置［32］（圖22、圖23）。解決了油莎豆收獲時起獲物含土量大，莖、豆、土高效分離困難，以及傳統(tǒng)滾筒篩分離效果差、結構大等問題。整機在工作時，油莎豆的混合物通過喂入機構進入固定在機架下端的進料殼體，油莎豆的混合物進入脫粒滾筒部件中，脫粒滾筒的下端有2 片螺旋葉片，在立輥主軸的帶動下，油莎豆混合物中的雜質隨著脫粒滾筒一起做高速旋轉，混合物中體積較大的雜草及其他雜物移動到上端，在離心力的作用下通過排料殼體排出；體積較小的油莎豆及碎土塊，在離心力的作用下通過轉動篩網進入最外層的外罩中，然后落入固定在機架上的鋼筋渦卷篩，篩網底部安裝有撥片，土隨著篩網轉動通過鋼筋渦卷篩落下，分離出來的油莎豆隨著撥片從出料口排出。該設計是一種固定式油莎豆脫粒分離裝置，可為自走式油莎豆開發(fā)設計提供了新思路。

圖22 立式軸流油莎豆脫粒分離裝置［32］Fig.22 Vertical axial flow threshing and separation device

圖23 脫粒滾筒示意圖［32］Fig.23 Structure diagram of threshing cylinder

2015年吉林省好易收農牧科技開發(fā)有限公司研發(fā)出兩種油莎豆收獲機［33］（圖24）。一種是單滾筒雙振油莎豆收獲機，一種是雙滾筒雙振油莎豆收獲機。兩種機型均為牽引式油莎豆收獲機，工作時挖掘鏟將油莎豆挖起由輸送裝置送入滾筒，在滾筒中完成摘豆和分離后，在斗式提升裝置作用下送入前部的及糧箱。

圖24 好易收油莎豆收獲機［33］Fig.24 Cyperus esculentus harvester of Haoyishou company

近年來，河南新鄉(xiāng)市地隆藥業(yè)機械有限公司在其藥材收獲機底盤上，開發(fā)了自走式油莎豆收獲機［34］（圖25）。收獲前應對地表油沙草進行處理，工作時靠前部的破土裝置將土壤松開，挖掘鏟將油莎豆鏟起送入鏈耙輸送裝置，在鏈式輸送裝置作用下送入到分離裝置進行根、豆、土及其余雜質的分離，完成分離的油莎豆在二級輸送裝置作用下進入到集糧箱，雜質被拋出。

圖25 地隆自走式油莎豆收獲機［34］Fig.25 Self propelled harvester of Dilong company

2019年一拖（黑龍江）東方工業(yè)園有限公司研發(fā)了自走式油莎豆收獲機［35］（圖26）。并于2019年初在齊齊哈爾市泰來縣舉行油莎豆收獲機現(xiàn)場演示會，該機以自走式谷物收獲機械技術基礎，結合馬鈴薯收獲和花生收獲機械技術，研發(fā)了自走式油莎豆收獲機，作業(yè)流程為“破土-挖掘-脫粒分離-收集”，經過現(xiàn)場試驗得到了參觀用戶好評。

圖26 一拖集團有限公司油莎豆收獲機［35］Fig.26 Cyperus esculentus harvester of YTO Group

4 展望與建議

油莎豆具有抗旱、耐澇、耐貧瘠、耐鹽堿等特性，適合大多數地區(qū)種植。近年來，其高產、油糧兼具的特性越來越得到廣大種植戶的認可，其耐鹽特性為鹽堿地改良和開發(fā)利用提供了新的作物品種。隨著種植規(guī)模的不斷擴大，種植和收獲機械技術裝備發(fā)展緩慢已成為制約油莎豆產業(yè)健康發(fā)展的主要因素之一。針對發(fā)展面臨的問題，建議做好以下幾方面工作。

（1）進行多種方式宣傳，促進人們對油莎豆價值的再認識。

雖然種植油莎豆投資少、回報率高經濟社會效益顯著，但農戶認可度低。急需要多方式、不同層面展開宣傳，使更多人們進一步認識并重視油莎豆的價值。通過技術扶持、大戶示范帶動等方式不斷增強農戶種植積極性，不斷擴大種植面積。同時，讓農機企業(yè)看到油莎豆廣闊的市場前景，將更多的資金、技術投入到油莎豆機械裝備的研發(fā)生產中，加速油莎豆生產機械化進程。

（2）全面開展基礎研究，為油莎豆機械設計提供理論支撐。

目前，對油莎豆的研究主要集中在化學成分、營養(yǎng)成分、栽培技術等研究，鮮有對油莎豆物理機械特性的研究。油莎豆籽粒的硬度、摩擦系數、休止角等物理機械特性參數直接決定排種器的工作原理方法的選擇；油莎豆與須根連接力、油莎豆破碎力學特性、油莎豆與雜草和土壤的分離機理等直接決定油莎豆收獲過程中關鍵部件的設計和工作參數的選擇。因此，必須全面開展油莎豆的基礎研究工作，為機械設計提供可靠的理論基礎，進而促進機械化生產水平的提高。

（3）加強農機農藝融合，進行種植收獲機械關鍵技術攻關。

隨著油莎豆種植規(guī)模的擴大，專用機械關鍵技術缺失已成為制約產業(yè)發(fā)展的瓶頸。農機農藝融合是實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)優(yōu)質、高產、高效的關鍵，是農業(yè)機械化發(fā)展的必由之路。因此，相關科研部門應充分研究油莎豆生產農藝要求，以油莎豆自身物理機械特性為基礎，分析現(xiàn)有播種和收獲機械工作原理和特點，以提高油莎豆播種、收獲質量和作業(yè)效率為目標，集成機、電、液、信息等多學科知識開展關鍵技術研究，研發(fā)新型油莎豆種植收獲裝備，為油莎豆產業(yè)健康發(fā)展提供裝備保障。