甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械的研究

鄭德慧 ，孫 濤 ，彭廣耀 ，王曉蘭 ，田 斐

（泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000）

1 我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械的研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械研發(fā)的基礎(chǔ)條件

一是技術(shù)基礎(chǔ)。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，已經(jīng)具備了較為成熟的機(jī)械化技術(shù)平臺(tái)，并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。二是市場需求。甘薯需求量逐年增加，機(jī)械化生產(chǎn)成為當(dāng)務(wù)之急，受到政策支持和市場需求驅(qū)動(dòng)，其種植生產(chǎn)機(jī)械化研發(fā)有了基本的市場保障。三是人才支撐。國內(nèi)一些高校、科研機(jī)構(gòu)的研究人員以及工程技術(shù)人員等群體在甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械化研發(fā)領(lǐng)域具有較高的技術(shù)素養(yǎng)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為推進(jìn)機(jī)械化生產(chǎn)提供了人才支撐。

1.2 我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械研發(fā)的困境

一是相比其他作物如小麥、水稻等，甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械化研發(fā)的機(jī)械類型相對(duì)較少，只有零散的一些機(jī)械設(shè)備，在整個(gè)甘薯種植生產(chǎn)全流程中的應(yīng)用程度還相對(duì)較低。二是相比其他農(nóng)作物，甘薯生長周期長，整個(gè)種植生產(chǎn)流程相對(duì)繁雜，目前甘薯種植生產(chǎn)仍然主要采用傳統(tǒng)的人工操作，機(jī)械化程度較低。三是不同地域的甘薯種植環(huán)境及種植模式各異，機(jī)械化作業(yè)設(shè)備的適應(yīng)性很差，難以在不同的甘薯種植區(qū)域推廣使用[2]。四是在甘薯作業(yè)機(jī)械化技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)方面，目前我國比較缺乏研究和創(chuàng)新的能力，很難在機(jī)械性能、智能化程度以及系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行創(chuàng)新，從而提高機(jī)械化生產(chǎn)水平。

2 國內(nèi)外甘薯種植生產(chǎn)的主要機(jī)械化設(shè)備

針對(duì)甘薯種植生產(chǎn)的機(jī)械化發(fā)展需要，國內(nèi)外機(jī)械化設(shè)備包括以下幾大類。

2.1 甘薯種植機(jī)

甘薯種植機(jī)是專門用于甘薯種植的機(jī)械設(shè)備，可以自動(dòng)完成種薯鏟運(yùn)、播種以及覆土等作業(yè)程序，特點(diǎn)為效率高、精度高、操作簡便，適用于中大型甘薯種植。

2.2 甘薯除草機(jī)

甘薯除草機(jī)是專用于甘薯田間除草的機(jī)械設(shè)備，采用人工觀察、機(jī)械操作的方式，達(dá)到清除甘薯生長期間所有雜草的目的。特點(diǎn)是耗時(shí)短、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用于甘薯生長期、除草要求清晰的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2.3 甘薯收獲機(jī)

甘薯收獲機(jī)是一種機(jī)械化的甘薯采收設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、效率高[3]。其中，單行切割式收獲機(jī)，適用于甘薯均勻、單行排種、機(jī)械化程度較高的地區(qū)；雙行擺錘繞行收獲機(jī)，則適用于甘薯種植區(qū)域較寬、排種較密的生產(chǎn)情況。

2.4 甘薯加工設(shè)備

甘薯加工設(shè)備是專門用于甘薯初加工的機(jī)械設(shè)備，包括甘薯清洗機(jī)、甘薯切片機(jī)、甘薯碾壓機(jī)等，適用于甘薯采收后的初加工環(huán)節(jié)，如清洗、切割、壓碎等處理。

3 新時(shí)代我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械研發(fā)的進(jìn)展

甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械在不斷發(fā)展，不僅出現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、功能單一的小型機(jī)械，如甘薯剪苗機(jī)、甘薯移栽機(jī)等[4]，也研發(fā)出了很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的聯(lián)合型作業(yè)機(jī)械，如耕整起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)等。結(jié)合甘薯種植生產(chǎn)的基本步驟，當(dāng)下甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械研發(fā)的具體進(jìn)展可表現(xiàn)為以下幾方面。

3.1 育苗剪苗機(jī)械

薯塊的萌芽數(shù)，以頂部最多，中部次之，尾部最少。排種時(shí)要分清頭尾，不可倒排[5]。經(jīng)過冬季貯藏的薯塊，有的品種頭尾形狀不容易識(shí)別清楚，需要用肉眼觀察其他性狀去分清頭尾。而且薯塊大小差別較大，排種時(shí)最好大小分開，這些要求使得采用機(jī)械操作難度增加，所以目前國內(nèi)育苗仍以人工為主，機(jī)械化程度較低。國內(nèi)已研發(fā)了可變孔徑自動(dòng)育苗盤正壓點(diǎn)種機(jī)，通過孔洞變化進(jìn)行種的篩選，可實(shí)現(xiàn)排種和點(diǎn)種。剪苗機(jī)械方面，國內(nèi)研制了甘薯剪苗機(jī)，由切割器進(jìn)行剪苗，并經(jīng)輸送帶運(yùn)輸?shù)郊绱蚣缦?。國外?guī)?；N植區(qū)已使用剪苗機(jī)操作，缺點(diǎn)是不經(jīng)篩選、不論大小統(tǒng)一剪掉，造成了一定的浪費(fèi)和限制。

3.2 耕整起壟機(jī)械

發(fā)達(dá)國家甘薯起壟機(jī)發(fā)展比較成熟，可以將起壟、施肥結(jié)合在一起，從而增加甘薯產(chǎn)量[6]。我國地形復(fù)雜，各區(qū)域間差異很大，導(dǎo)致耕整起壟環(huán)節(jié)機(jī)械化差異較大，平原地區(qū)機(jī)械化水平可達(dá)90%左右，但丘陵盆地地區(qū)機(jī)械化程度較低。主要機(jī)型有單一功能的作業(yè)機(jī)以及聯(lián)合作業(yè)機(jī)。聯(lián)合作業(yè)機(jī)能夠一次性完成施肥、旋耕、起壟、覆膜、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)。比較簡單的機(jī)械一次作業(yè)可起1~2 壟，而在種植面積比較大的地區(qū)采用的大型起壟機(jī)，由大功率拖拉機(jī)牽引，可以一次起4~5 壟。綜合來看，耕整起壟機(jī)械能較好地完成甘薯移栽前期準(zhǔn)備工作，有利于提高種植效率。但目前的起壟機(jī)也存在一些問題，如起壟高度、平整度不夠，壟體易塌陷，壟距和側(cè)面斜度不規(guī)范等。

3.3 移栽機(jī)械

甘薯移栽是甘薯生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是用工量較大的環(huán)節(jié)。我國的甘薯機(jī)械移栽技術(shù)起步較晚，發(fā)展較快，但與發(fā)達(dá)國家依然存在一定差距，多借鑒國外的甜菜、煙草移栽機(jī)，適用的專業(yè)機(jī)型比較少。由于甘薯苗枝葉混雜，形態(tài)存在差異，至今自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)仍未獲得突破性進(jìn)展，所以甘薯移栽機(jī)械一直處于采用人工喂苗的半自動(dòng)化狀態(tài)。

目前常見移栽機(jī)有鏈夾式移栽機(jī)、吊籃式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)以及圓盤式移栽機(jī)[7]。鏈夾式移栽機(jī)是由人工將甘薯苗放置在鏈夾中，由鏈夾移動(dòng)將甘薯苗栽種到土壟中。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低，苗的直立度好，株距和栽種深度穩(wěn)定；缺點(diǎn)是在黏土和帶砂礫的土地中，鏈夾容易卡死，作業(yè)效率低。吊籃式移栽機(jī)是由人工將苗放入到旋轉(zhuǎn)的吊籃內(nèi)，吊籃移動(dòng)使苗落入土溝，然后覆土種植。其優(yōu)點(diǎn)是不傷苗，缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，作業(yè)速度較慢。導(dǎo)苗管式移栽機(jī)是人工將苗投入喂苗裝置，喂苗裝置打開時(shí)靠重力作用使苗進(jìn)入導(dǎo)苗管，然后由導(dǎo)苗管將秧苗引入土溝，再進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好，不傷苗，勞動(dòng)強(qiáng)度低，而且株距和苗深度穩(wěn)定；缺點(diǎn)是苗的直立度不是很好。圓盤式移栽機(jī)是靠傳送帶配合，先由人工將苗放置在傳送帶的槽里，傳送帶將苗輸送到撓性圓盤上，再由圓盤將苗落入開好的土溝中。圓盤式移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，圓盤是由橡膠制成的，成本低但壽命較短；其對(duì)株距的適應(yīng)性較強(qiáng)，但不穩(wěn)定，不能很好地保證苗的直立度。

3.4 田間管理機(jī)械

不同種類、不同生長時(shí)期的甘薯的田間管理方式存在差異。如春薯的生長前期，田間管理主要是保全苗，促葉早發(fā)，早結(jié)薯，所以要追適量的速效氮肥[8]。田間管理機(jī)械技術(shù)相對(duì)較為成熟，一般使用通用機(jī)械，如除草機(jī)、噴霧機(jī)、植保無人機(jī)等[9]。但專門用于甘薯種植生產(chǎn)的、與甘薯種植模式相匹配的田間管理機(jī)械比較缺乏。通用機(jī)械在進(jìn)行田間管理作業(yè)時(shí)，配備的拖拉機(jī)輪距與甘薯種植壟距存在不匹配問題，導(dǎo)致出現(xiàn)壓壟、傷薯現(xiàn)象。

3.5 收獲機(jī)械

甘薯收獲環(huán)節(jié)比較重要的工作是殺秧收秧。殺秧也就是在甘薯收獲前進(jìn)行秧蔓清除工作。一般由拖拉機(jī)牽引，由運(yùn)動(dòng)刀具完成作業(yè)?，F(xiàn)在我國研制的殺秧機(jī)械可以根據(jù)壟距來調(diào)整地輪的位置，并可以在地輪的一側(cè)設(shè)置調(diào)節(jié)旋桿，通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋桿實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)架離地高度的調(diào)節(jié)，從而控制合理的秧茬高度。但也存在清理不徹底、調(diào)節(jié)不方便、秧蔓纏繞等問題。我國還研制出一種甘薯秧蔓回收機(jī)，可一次性完成秧蔓切割、輸送、粉碎和收集工作，機(jī)械化程度更高。在甘薯收獲方面，我國科學(xué)家自主成功創(chuàng)制小型自走式薯類聯(lián)合收獲機(jī)，可一次性完成挖掘、輸送、去土、去殘秧、清選、收集工作，填補(bǔ)了我國聯(lián)合作業(yè)機(jī)械技術(shù)的空白，但成本較高，還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

4 我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械未來發(fā)展方向

與人工作業(yè)相比，甘薯機(jī)械的使用可提高工效3倍，機(jī)械收獲生產(chǎn)效率可提高4 倍，機(jī)械收獲比人工收獲節(jié)約較多成本。由此可見，推行甘薯生產(chǎn)全程機(jī)械化對(duì)于發(fā)展國內(nèi)甘薯產(chǎn)業(yè)、增加農(nóng)民收入有著至關(guān)重要的作用。針對(duì)我國甘薯種植生產(chǎn)現(xiàn)狀，本著農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合、優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)、攻克難點(diǎn)痛點(diǎn)的原則，未來我國甘薯種植生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)逐步朝著智能化、多功能化、高效化和精細(xì)化方向發(fā)展，通過新技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)甘薯產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

4.1 以智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)種植生產(chǎn)的降本提效

智能化現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)高速發(fā)展起來，甘薯種植行業(yè)也要充分利用這些先進(jìn)技術(shù)。比如我國已經(jīng)試驗(yàn)在起壟時(shí)增加導(dǎo)航技術(shù)，可以使壟型更直，壟距更均勻規(guī)范，而且作業(yè)效率也大大提高。提高甘薯綜合機(jī)械化水平的重點(diǎn)在于播種和收獲兩個(gè)環(huán)節(jié)，需進(jìn)一步將新技術(shù)、新材料、新工藝融入到播種、收獲機(jī)械中。以信息化、智能化技術(shù)提高機(jī)器作業(yè)效率，提高產(chǎn)量和存活率。收獲環(huán)節(jié)將減少漏薯率、傷薯率作為后續(xù)研發(fā)的重點(diǎn)，將仿生技術(shù)、機(jī)器視覺、人工智能等技術(shù)，應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)的挖掘、收集以及土、秧、薯分離過程，實(shí)現(xiàn)高效低損傷收獲。結(jié)合種植情況發(fā)展聯(lián)合收獲機(jī)械，提升分段單一機(jī)械與聯(lián)合收獲機(jī)械化設(shè)備的智能化水平。

4.2 以精細(xì)化管理實(shí)現(xiàn)種植生產(chǎn)的規(guī)范模式

我國甘薯種植面積大，不同地區(qū)種植模式存在較大差異，比如種植流程、壟型規(guī)格以及栽種方法均存在不同。這給統(tǒng)一規(guī)范使用機(jī)械帶來了限制，研發(fā)出的機(jī)械難以適應(yīng)不同的種植生產(chǎn)模式，機(jī)械與實(shí)際種植生產(chǎn)難以匹配。為提高機(jī)械的利用率，地形相似的種植區(qū)可以根據(jù)我國甘薯種植情況，栽培研究適應(yīng)性廣、存活率高、產(chǎn)量高的優(yōu)良薯苗，規(guī)范化壟型如壟體、壟距等，并改進(jìn)優(yōu)化種植流程方法，盡量實(shí)現(xiàn)種植標(biāo)準(zhǔn)化，制定標(biāo)準(zhǔn)化的甘薯生產(chǎn)農(nóng)藝技術(shù)規(guī)程，從而提升甘薯機(jī)械的普遍應(yīng)用性。

4.3 以高效化理念實(shí)現(xiàn)種植生產(chǎn)的綠色科學(xué)

要堅(jiān)持“因地制宜、適應(yīng)發(fā)展”的理念。我國甘薯種植地形差異大，有地勢平坦的平原地區(qū)，也有地勢復(fù)雜的丘陵地區(qū)，有的地區(qū)土壤中砂礫較多，有的地區(qū)土壤比較黏重。針對(duì)丘陵山地，需要解決小型動(dòng)力與機(jī)械配套問題；針對(duì)砂礫土質(zhì)，需要解決甘薯機(jī)械易損壞、機(jī)具負(fù)荷大等問題；對(duì)于黏重土壤的地區(qū)，注意解決土薯不易分離、篩面堵塞等問題?？紤]到統(tǒng)一適配型甘薯種植機(jī)械應(yīng)用存在一定的難度，應(yīng)充分考慮現(xiàn)實(shí)種植環(huán)境，不必盲目追求機(jī)械的功能多樣，優(yōu)化發(fā)展一批中小型功能單一、成本低、易操作的機(jī)械，重點(diǎn)克服目前使用的小型甘薯種植機(jī)械的缺點(diǎn)與不足，更好地推進(jìn)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程。要堅(jiān)持“綠色可持續(xù)發(fā)展”的理念[10]，可以增加機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的多種功能，使機(jī)械不僅可以用于種植、移栽、施肥、收獲等基本環(huán)節(jié)，還能輔助農(nóng)民完成田間除草和病蟲害防治工作，適應(yīng)多種氣候和土壤條件，滿足不同需求的種植模式，提高甘薯品質(zhì)和產(chǎn)量的同時(shí)，促進(jìn)現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)生態(tài)的建設(shè)與維護(hù)。

4.4 以多功能拓展突破種植生產(chǎn)的技術(shù)困境

要大力推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用，可以將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)廣泛應(yīng)用到甘薯種植中，實(shí)現(xiàn)甘薯種植管理與作業(yè)的智能化。以“攻克機(jī)械分苗取苗難題”為例，甘薯裸苗移栽中需要高效準(zhǔn)確地分苗取苗，目前一般采用人工操作，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，這降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。由于甘薯苗枝葉混雜無序的特點(diǎn)，一般機(jī)械難以分辨識(shí)別。為解決這個(gè)問題，可以考慮融合現(xiàn)代視覺識(shí)別系統(tǒng)并配合機(jī)械手操作，將符合標(biāo)準(zhǔn)的甘薯苗形態(tài)輸入系統(tǒng)，由視覺識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行掃描確認(rèn)，再通過機(jī)械手進(jìn)行分離、傳遞，機(jī)械手設(shè)置撓性外套保護(hù)，避免出現(xiàn)傷苗現(xiàn)象。以多功能拓展突破甘薯種植生產(chǎn)的技術(shù)困境，促進(jìn)甘薯產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。