主要薯類作物收獲機械及發展建議-藏刊網

0 引言

薯類作物是土下果實非常重要的一類,主要包括馬鈴薯、甘薯、木薯以及其它芋\\(芋頭、魔芋\\) 和薯蕷\\(山藥、藥用薯蕷\\)等.其中,最為重要且種植面積最大的是馬鈴薯和甘薯,它們既是重要的糧食作物,又是重要的工業原料、蔬菜和飼料.甘薯還是優質抗癌保健食品,兩者種植面積和總產約占我國糧食作物的10% 左右.

馬鈴薯和甘薯機械化生產環節主要有起壟\\(或覆膜起壟\\)、播種\\(或移栽\\)、中耕植保、去秧蔓及挖掘收獲等.其中,去秧蔓、挖掘收獲等收獲環節用工量最多、勞動強度最大,約占生產全程的 45% 左右.隨著我國土地流轉政策的推進和農村勞動力轉移的加速,使得馬鈴薯和甘薯生產正朝著規?；?、集約化方向發展.

1 主要薯類作物種植概況

1. 1 馬鈴薯和甘薯種植特性

馬鈴薯和甘薯有較大的相似性,兩者分別為塊莖和塊根植物.馬鈴薯又名土豆、洋芋、藩芋、荷蘭薯、山藥蛋等,是僅次于小麥、水稻、玉米的第 4 大作物;甘薯又名山芋、紅薯、白薯、地瓜等,兩者的原產地都是南美洲,均廣泛種植于世界各地,全世界有超過 2/3的國家和地區種植馬鈴薯,有超過 1/2 的國家和地區種植甘薯.

馬鈴薯和甘薯的種植方式有壟作和平作兩種,目前兩者都以壟作為主,以利于提高產量.我國大部分地區馬鈴薯種植采用單行或雙行高壟栽培模式,壟高一般在 10 ~ 15cm,單行壟作行距 60cm 左右;雙行壟作采用寬窄行,寬行 70 ~ 80cm,窄行 30 ~ 40cm,種植深度一般為 8 ~ 10cm[1].甘薯以高壟種植為主,種植規格有大壟單行、小壟單行、大壟雙行,壟寬在 60 ~100cm,壟高為 25 ~ 33cm[2].甘薯平均質量超過250g,生長深度約 20 ~ 28cm,結薯范圍達 25 ~ 35cm.由于其體形大、質量重、生長深、結薯范圍寬,收獲時入土較深及負荷較大.

1. 2 全球馬鈴薯和甘薯種植概況

據聯合國糧農組織統計,2012 年全球馬鈴薯種植面積約為 19. 20Mhm2,總產量為 365Mt.其中,亞洲收獲面積最大,其次為歐洲.全世界馬鈴薯收獲面積前10 位的國家分別為: 中國、俄羅斯、印度、烏克蘭、美國、孟加拉國、波蘭、白俄羅斯、秘魯、尼日利亞.生產總量居前 10 的國家依次是: 中國 85. 86Mt、印度4 5 Mt、俄羅斯 2 9 . 5 3 Mt、烏克蘭 2 3 . 2 5 Mt、美國1 9 . 1 7 Mt、德國 1 0 . 6 7 Mt、波蘭 9 . 0 9 Mt、孟加拉國8. 21Mt、白俄羅斯 6. 91Mt、荷蘭 6. 77Mt.其中,中國、印度、俄羅斯、烏克蘭 4 國產量約占世界的 50% ,如圖1 所示.

2012 年,全球甘薯收獲面積約為 8. 09Mhm2,總產量為 103Mt,主要集中在亞洲、非洲等.全世界甘薯收獲面積前 10 位的國家分別為:中國、尼日利亞、坦桑利亞、烏干達、印尼、越南、馬達加斯加、安哥拉、莫桑比克、巴布亞新幾內亞.生產總量居世界前 10 的國家依次是:中國 73. 14Mt、尼日利亞 3. 4Mt、坦桑尼亞3. 02Mt、烏干達 2. 65Mt、印尼 2. 48Mt、越南 1. 42Mt、美國 1. 2Mt、埃塞俄比亞 1. 19Mt、印度 1. 1Mt、盧旺達 1.01Mt.其中,中國的產量遠遠大于其他國家,占世界總產量的 71% .

1. 3 國內馬鈴薯和甘薯種植概況

馬鈴薯和甘薯在我國的種植歷史相當,始于 16世紀末,大約在明朝萬歷年間引入國內,距今已有 400年多的栽培歷史.目前,馬鈴薯和甘薯的種植已遍及全國絕大部分省區,因適宜性強、產量高、營養豐富的特點,使得其成為宜糧、宜菜、宜飼、宜加工的多用途作物[3].

我國是薯類生產大國,據 FAO 統計,2012 年我國馬鈴薯和甘薯種植面積分別約為 5. 43Mhm2和3. 47Mhm2,生產總量分別為 85. 86Mt 和 73. 14Mt,種植面積及產量均居世界第一,在保證國內糧食安全、能源安全和消除貧困中發揮重要作用.馬鈴薯在我國主要分布在北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區,主要省份有貴州、內蒙、甘肅、云南、四川、重慶、黑龍江、山西、陜西及湖北等.甘薯的主產區主要分布在黃淮海平原、長江流域和東南沿海,四川、河南、山東、重慶、廣東、安徽等都是甘薯種植大省.現在甘薯種植區的劃分在充分考慮氣候條件、栽培技術及行政區劃等因素下將全國劃為 3 大區:北方春夏薯區 \\( 占 45% \\)、長江中下游流域夏薯區 \\( 占35%\\)、南方薯區\\(占 20% \\)[4].

雖然我國馬鈴薯和甘薯種植面積和總產量都位居世界第一,但單產水平與發達國家的差距還很大.

比如,我國馬鈴薯單產只有 15. 82t/hm2,而第 1 名新西蘭的單產水平為 47. 5 t/hm2,是我國單產水平的 3倍.歐美發達國家馬鈴薯和甘薯產量之所以如此高,其中最重要的因素是薯種培育和機械化生產技術的應用.

2 主要薯類作物收獲機械

2. 1 馬鈴薯和甘薯收獲機械概況

薯類收獲機械一般分為分段收獲和聯合收獲兩種.機械化分段收獲即由多種不同設備分別完成割秧、挖掘、去土、撿拾、分選及集果等收獲作業;分段收獲設備通常有割秧機、挖掘犁、挖掘\\(收獲\\)機及撿拾機等.分段收獲設備中的挖掘\\(收獲\\)機對生長深度、形體尺寸比較接近的不同作物具有一定的通用性和適應性,但對作物的標準化種植程度要求相對較高,如需保證行距一致和預留機收道\\(畦作\\)等,此外使用的設備多、下地次數多.

機械化聯合收獲是由一臺設備一次完成去秧、挖掘、輸送、去土、清選、收集等收獲作業,而兩段式聯合收獲一般還需配套收獲前去秧蔓設備.薯類聯合收獲按收獲機與底盤\\(拖拉機\\)配置方式不同,又可分為牽引式和自走式:牽引式對標準化種植有一定要求,且田間轉彎半徑較大;自走式結構復雜、價格昂貴.

2. 2 國外馬鈴薯和甘薯收獲機械

歐美發達國家薯類機械化收獲起步早、發展快、技術水平高.前蘇聯和美國在 20 世紀 40 年代初就開始研制并推廣應用馬鈴薯收獲機械,用 20 年時間基本實現馬鈴薯生產機械化;德國、法國、英國等歐洲國家以及日本和韓國等亞洲國家也在 20 世紀 70 -80年代相繼實現了馬鈴薯生產機械化.發達國家薯類收獲機械運用了大量的高新技術,如采用振動、液壓技術進行挖掘;采用氣壓、氣流、光電技術進行碎土和分離;采用傳感技術控制挖掘深度、馬鈴薯傳運量以及分級裝載;利用微機進行監控操作[5].

目前,發達國家馬鈴薯和甘薯機械化收獲以聯合收獲為主,分為牽引式和自走式兩種.代表機型有美國 Loganfarm Equipment CO. LTD 生產的能一次完成切蔓、挖掘、分離、篩選、分級、提升、卸料等作業的W9038 四行收獲機,配套動力為 90 ~ 111. 9kW.該機型功能強大,但是體積大、能耗大,僅適合大型農場使用,不適合中小地塊[6].加拿大 Willsie EquipmentSales Inc 生產的兩行牽引式甘薯聯合收獲機需采用切蔓機先行去除甘薯莖葉,然后完成挖掘、輸送、分揀、集果裝箱等作業.德國格雷莫\\(GRIMME\\) 公司是馬鈴薯和甜菜收獲機械的領先者,其 SE150 ― 6 型牽引式馬鈴薯聯合收獲機,可同時容納 6 個人在作業平臺上工作.新型 TECTRON415 全功能 4 行收獲機,如圖2 所示.其在配有 10t 料箱的同時還裝備側提升臂,從而使得該機可以實現不間斷作業.同時,該機自動化程度極高、易操作\\(調頭半徑僅 1. 1m\\),可兼收馬鈴薯、胡蘿卜以及甜菜等作物,利用效率更高[7].

亞洲生產薯類收獲機械的國家以韓國和日本為代表,起步相對西方發達國家較晚,但發展速度比較快.由于受地形、種植規模等因素影響,韓國和日本的研發對象主要是一些小型薯類挖掘機.如韓國高山機械公司生產的小型單、雙行馬鈴薯、甘薯挖掘機;日本從 1960 年便開始對根菜\\(青芋、蘿卜、山藥等\\)收獲機械進行研究,目前也生產類似的小型收獲機.上述機型比較適合中小地塊適用.

2. 3 國內馬鈴薯和甘薯收獲機械

我國大陸對馬鈴薯、甘薯收獲機械的研制起步晚,發展慢,至今仍主要集中在中小型收獲機的研制和推廣上,大中型聯合收獲機的研制推廣較少.建國初期,我國馬鈴薯和甘薯收獲采用人工刨和犁耕挖掘的落后方式.20 世紀 60 年代中期,馬鈴薯收獲機具的研制工作才逐步發展,國內農機部門引進了瑞士Samro Junior、英國 Johson、前蘇聯 KTH ― 2、波蘭 RCF― 2 以及西德 VR ― 2 型馬鈴薯收獲機,進行了生產性能試驗研究和吸收消化.隨著手扶拖拉機在 20 世紀 70 年代中期的大量推廣與應用,與其相配套的馬鈴薯收獲機的研制達到了高潮,并成功研制了鼠籠式馬鈴薯收獲機[5].20 世紀 80 年代,我國又引進了配套動力為 30kW 的瑞士 SUPER B 型、西德 RM ― R 型馬鈴薯集條收獲機.黑龍江省農業機械工程科學研究院以瑞士 SUPER B 型機為原型,設計出了 4UTL ―2 型塊莖作物收獲機,用于收獲馬鈴薯和甜菜等.

到 20 世紀 90 年代中期,研制馬鈴薯收獲機在國產小四輪拖拉機的大量推廣應用下被重視起來.此后,因市場需求旺盛,小型振動式馬鈴薯收獲機和升運鏈式馬鈴薯收獲機先后投放市場.這些機型性能可靠、操作簡單、實用性強[9].

近年來,國內馬鈴薯和甘薯收獲機研發主要集中在中型和小型收獲機以及少量動力不大、自動化程度不高的聯合收獲機方面,大型聯合收獲機仍舊完全依靠進口.代表機型有:中機美諾公司生產的 1700 和1710 系列馬鈴薯聯合收獲機,實現了國內中大型國產馬鈴薯聯合收獲機的突破.該機可一次性完成挖掘、輸送分離、除秧及側輸出作業,并裝有組合挖掘機構,保證挖掘深度一致.同時,該機采用浮動圓盤刀設計,更有效切斷雜草,減少挖掘阻力;1710 在 1700 的基礎上安裝了側提升臂,從而實現工作過程中升運裝車,在馬鈴薯運輸車的配合下,可大大節省勞動力[10],如圖 3 所示.

甘肅農業大學工學院研制的 4UFD -1400 型馬鈴薯聯合收獲機能一次性完成馬鈴薯挖掘、土薯分離、雜草、莖稈及地膜的分離、薯塊輸送升運、薯塊分級,以及收集裝袋等工序,同時實現分級裝袋,使得馬鈴薯收獲的生產效率得到顯著提高[11].同時,該機在設計時充分考慮中國國情,使得其可以方便地與 45 ~58. 8kW 拖拉機配套,滿足中等地塊的作業要求

農業部南京農業機械化研究所研發的 4GS -1500型甘薯寬幅收獲機,適用于平原壩區和丘陵緩坡等大田塊沙壤或沙漿黑土地作業,采用了兩段式輸送結構的升運系統,前段保障分離效果,后段保障輸送效果,并安裝了防纏繞裝置和漏土柵,提高了生產率和作業質量.

總體看來,我國大陸馬鈴薯、甘薯等機械化收獲技術的研發還處于發展初期,而聯合收獲設備仍以消化吸收為主,且種類稀少,減阻、降耗、防堵技術尚需進一步完善.

3 發展建議

3. 1 相互借鑒,一機多用

馬鈴薯、甘薯在種植生產方式上有許多相似之處,在挖掘收獲技術方面可相互借鑒、吸收.在沙壤土區亦可設計制造一機多用的薯類作物收獲機,在通用機架和部件的基礎上,根據不同品種的馬鈴薯或甘薯更換其相對應的專用部件來實現作物的收獲.

3. 2 推進農機與農藝融合建議不斷優化我國薯類產業布局,并盡快制定出我國馬鈴薯和甘薯的發展規劃及農機與農藝相融合技術方案,積極推進規?；蜆藴驶N植,為機械作業創造條件.如培育根塊短、生長集中、適宜機械化作業的品種,大力推廣普及馬鈴薯和甘薯機械化種植模式,為實現全程機械化生產奠定基礎.

3. 3 提高機具性能

薯類收獲機械的工作條件惡劣,入土和與\\(接\\)觸土部件較多,強度大、易腐蝕、易磨損.為提高機具適應性、可靠性、順暢性,在設計時應從結構特性、制造工藝和材料處理等幾方面綜合分析.如采用虛擬仿真技術優化機身結構;對易損件可采用表面鈍化及噴涂等技術,改善表面質量、提高壽命及減少維護費用[13]等.

3. 4 加強馬鈴薯和甘薯收獲新機具的研究

隨著我國馬鈴薯和甘薯生產向規?；?、集約化、產業化種植方向發展,對能一次性完成切蔓、挖掘、分離、清選和輸送等作業的中大型聯合收獲機的需求將漸趨迫切.應通過產學研有效合作,加快此類機型的研發進程,運用先進的設計制造理念,采用液壓技術和電子技術,提高設備的技術性能和制造質量,有效縮小與發達國家差距.

參考文獻:

[1] 胡志超,王海鷗,胡良龍,等. 馬鈴薯機械化收獲技術概況與發展[J]. 農業機械,2007\\(4\\):63 -65.