0 引言
薯类作物是土下果实非常重要的一类,主要包括马铃薯、甘薯、木薯以及其它芋(芋头、魔芋) 和薯蓣(山药、药用薯蓣)等.其中,最为重要且种植面积最大的是马铃薯和甘薯,它们既是重要的粮食作物,又是重要的工业原料、蔬菜和饲料.甘薯还是优质抗癌保健食品,两者种植面积和总产约占我国粮食作物的10% 左右.
马铃薯和甘薯机械化生产环节主要有起垄(或覆膜起垄)、播种(或移栽)、中耕植保、去秧蔓及挖掘收获等.其中,去秧蔓、挖掘收获等收获环节用工量最多、劳动强度最大,约占生产全程的 45% 左右.随着我国土地流转政策的推进和农村劳动力转移的加速,使得马铃薯和甘薯生产正朝着规模化、集约化方向发展.
1 主要薯类作物种植概况
1. 1 马铃薯和甘薯种植特性
马铃薯和甘薯有较大的相似性,两者分别为块茎和块根植物.马铃薯又名土豆、洋芋、藩芋、荷兰薯、山药蛋等,是仅次于小麦、水稻、玉米的第 4 大作物;甘薯又名山芋、红薯、白薯、地瓜等,两者的原产地都是南美洲,均广泛种植于世界各地,全世界有超过 2/3的国家和地区种植马铃薯,有超过 1/2 的国家和地区种植甘薯.
马铃薯和甘薯的种植方式有垄作和平作两种,目前两者都以垄作为主,以利于提高产量.我国大部分地区马铃薯种植采用单行或双行高垄栽培模式,垄高一般在 10 ~ 15cm,单行垄作行距 60cm 左右;双行垄作采用宽窄行,宽行 70 ~ 80cm,窄行 30 ~ 40cm,种植深度一般为 8 ~ 10cm[1].甘薯以高垄种植为主,种植规格有大垄单行、小垄单行、大垄双行,垄宽在 60 ~100cm,垄高为 25 ~ 33cm[2].甘 薯 平 均 质 量 超 过250g,生长深度约 20 ~ 28cm,结薯范围达 25 ~ 35cm.由于其体形大、质量重、生长深、结薯范围宽,收获时入土较深及负荷较大.
1. 2 全球马铃薯和甘薯种植概况
据联合国粮农组织统计,2012 年全球马铃薯种植面积约为 19. 20Mhm²,总产量为 365Mt.其中,亚洲收获面积最大,其次为欧洲.全世界马铃薯收获面积前10 位的国家分别为: 中国、俄罗斯、印度、乌克兰、美国、孟加拉国、波兰、白俄罗斯、秘鲁、尼日利亚.生产总量居前 10 的国家依次是: 中国 85. 86Mt、印度4 5 Mt、俄 罗 斯 2 9 . 5 3 Mt、乌 克 兰 2 3 . 2 5 Mt、美 国1 9 . 1 7 Mt、德国 1 0 . 6 7 Mt、波兰 9 . 0 9 Mt、孟加拉国8. 21Mt、白俄罗斯 6. 91Mt、荷兰 6. 77Mt.其中,中国、印度、俄罗斯、乌克兰 4 国产量约占世界的 50% ,如图1 所示.
2012 年,全球甘薯收获面积约为 8. 09Mhm²,总产量为 103Mt,主要集中在亚洲、非洲等.全世界甘薯收获面积前 10 位的国家分别为:中国、尼日利亚、坦桑利亚、乌干达、印尼、越南、马达加斯加、安哥拉、莫桑比克、巴布亚新几内亚.生产总量居世界前 10 的国家依次是:中国 73. 14Mt、尼日利亚 3. 4Mt、坦桑尼亚3. 02Mt、乌干达 2. 65Mt、印尼 2. 48Mt、越南 1. 42Mt、美国 1. 2Mt、埃塞俄比亚 1. 19Mt、印度 1. 1Mt、卢旺达 1.01Mt.其中,中国的产量远远大于其他国家,占世界总产量的 71% .
1. 3 国内马铃薯和甘薯种植概况
马铃薯和甘薯在我国的种植历史相当,始于 16世纪末,大约在明朝万历年间引入国内,距今已有 400年多的栽培历史.目前,马铃薯和甘薯的种植已遍及全国绝大部分省区,因适宜性强、产量高、营养丰富的特点,使得其成为宜粮、宜菜、宜饲、宜加工的多用途作物[3].
我国是薯类生产大国,据 FAO 统计,2012 年我国马 铃 薯 和 甘 薯 种 植 面 积 分 别 约 为 5. 43Mhm²和3. 47Mhm²,生产总量分别为 85. 86Mt 和 73. 14Mt,种植面积及产量均居世界第一,在保证国内粮食安全、能源安全和消除贫困中发挥重要作用.马铃薯在我国主要分布在北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区,主要省份有贵州、内蒙、甘肃、云南、四川、重庆、黑龙江、山西、陕西及湖北等.甘薯的主产区主要分布在黄淮海平原、长江流域和东南沿海,四川、河南、山东、重庆、广东、安徽等都是甘薯种植大省.现在甘薯种植区的划分在充分考虑气候条件、栽培技术及行政区划等因素下将全国划为 3 大区:北方春夏薯区 ( 占 45% )、长江中下游流域夏薯区 ( 占35%)、南方薯区(占 20% )[4].
虽然我国马铃薯和甘薯种植面积和总产量都位居世界第一,但单产水平与发达国家的差距还很大.
比如,我国马铃薯单产只有 15. 82t/hm²,而第 1 名新西兰的单产水平为 47. 5 t/hm²,是我国单产水平的 3倍.欧美发达国家马铃薯和甘薯产量之所以如此高,其中最重要的因素是薯种培育和机械化生产技术的应用.
2 主要薯类作物收获机械
2. 1 马铃薯和甘薯收获机械概况
薯类收获机械一般分为分段收获和联合收获两种.机械化分段收获即由多种不同设备分别完成割秧、挖掘、去土、捡拾、分选及集果等收获作业;分段收获设备通常有割秧机、挖掘犁、挖掘(收获)机及捡拾机等.分段收获设备中的挖掘(收获)机对生长深度、形体尺寸比较接近的不同作物具有一定的通用性和适应性,但对作物的标准化种植程度要求相对较高,如需保证行距一致和预留机收道(畦作)等,此外使用的设备多、下地次数多.
机械化联合收获是由一台设备一次完成去秧、挖掘、输送、去土、清选、收集等收获作业,而两段式联合收获一般还需配套收获前去秧蔓设备.薯类联合收获按收获机与底盘(拖拉机)配置方式不同,又可分为牵引式和自走式:牵引式对标准化种植有一定要求,且田间转弯半径较大;自走式结构复杂、价格昂贵.
2. 2 国外马铃薯和甘薯收获机械
欧美发达国家薯类机械化收获起步早、发展快、技术水平高.前苏联和美国在 20 世纪 40 年代初就开始研制并推广应用马铃薯收获机械,用 20 年时间基本实现马铃薯生产机械化;德国、法国、英国等欧洲国家以及日本和韩国等亚洲国家也在 20 世纪 70 -80年代相继实现了马铃薯生产机械化.发达国家薯类收获机械运用了大量的高新技术,如采用振动、液压技术进行挖掘;采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离;采用传感技术控制挖掘深度、马铃薯传运量以及分级装载;利用微机进行监控操作[5].
目前,发达国家马铃薯和甘薯机械化收获以联合收获为主,分为牵引式和自走式两种.代表机型有美国 Loganfarm Equipment CO. LTD 生产的能一次完成切蔓、挖 掘、分 离、筛 选、分 级、提 升、卸 料 等 作 业 的W9038 四行收获机,配套动力为 90 ~ 111. 9kW.该机型功能强大,但是体积大、能耗大,仅适合大型农场使用,不适合中小地块[6].加拿大 Willsie EquipmentSales Inc 生产的两行牵引式甘薯联合收获机需采用切蔓机先行去除甘薯茎叶,然后完成挖掘、输送、分拣、集果装箱等作业.德国格雷莫(GRIMME) 公司是马铃薯和甜菜收获机械的领先者,其 SE150 ― 6 型牵引式马铃薯联合收获机,可同时容纳 6 个人在作业平台上工作.新型 TECTRON415 全功能 4 行收获机,如图2 所示.其在配有 10t 料箱的同时还装备侧提升臂,从而使得该机可以实现不间断作业.同时,该机自动化程度极高、易操作(调头半径仅 1. 1m),可兼收马铃薯、胡萝卜以及甜菜等作物,利用效率更高[7].
亚洲生产薯类收获机械的国家以韩国和日本为代表,起步相对西方发达国家较晚,但发展速度比较快.由于受地形、种植规模等因素影响,韩国和日本的研发对象主要是一些小型薯类挖掘机.如韩国高山机械公司生产的小型单、双行马铃薯、甘薯挖掘机;日本从 1960 年便开始对根菜(青芋、萝卜、山药等)收获机械进行研究,目前也生产类似的小型收获机.上述机型比较适合中小地块适用.
2. 3 国内马铃薯和甘薯收获机械
我国大陆对马铃薯、甘薯收获机械的研制起步晚,发展慢,至今仍主要集中在中小型收获机的研制和推广上,大中型联合收获机的研制推广较少.建国初期,我国马铃薯和甘薯收获采用人工刨和犁耕挖掘的落后方式.20 世纪 60 年代中期,马铃薯收获机具的研制工作才逐步发展,国内农机部门引进了瑞士Samro Junior、英国 Johson、前苏联 KTH ― 2、波兰 RCF― 2 以及西德 VR ― 2 型马铃薯收获机,进行了生产性能试验研究和吸收消化.随着手扶拖拉机在 20 世纪 70 年代中期的大量推广与应用,与其相配套的马铃薯收获机的研制达到了高潮,并成功研制了鼠笼式马铃薯收获机[5].20 世纪 80 年代,我国又引进了配套动力为 30kW 的瑞士 SUPER B 型、西德 RM ― R 型马铃薯集条收获机.黑龙江省农业机械工程科学研究院以瑞士 SUPER B 型机为原型,设计出了 4UTL ―2 型块茎作物收获机,用于收获马铃薯和甜菜等.
到 20 世纪 90 年代中期,研制马铃薯收获机在国产小四轮拖拉机的大量推广应用下被重视起来.此后,因市场需求旺盛,小型振动式马铃薯收获机和升运链式马铃薯收获机先后投放市场.这些机型性能可靠、操作简单、实用性强[9].
近年来,国内马铃薯和甘薯收获机研发主要集中在中型和小型收获机以及少量动力不大、自动化程度不高的联合收获机方面,大型联合收获机仍旧完全依靠进口.代表机型有:中机美诺公司生产的 1700 和1710 系列马铃薯联合收获机,实现了国内中大型国产马铃薯联合收获机的突破.该机可一次性完成挖掘、输送分离、除秧及侧输出作业,并装有组合挖掘机构,保证挖掘深度一致.同时,该机采用浮动圆盘刀设计,更有效切断杂草,减少挖掘阻力;1710 在 1700 的基础上安装了侧提升臂,从而实现工作过程中升运装车,在马铃薯运输车的配合下,可 大 大 节 省 劳 动力[10],如图 3 所示.
甘肃农业大学工学院研制的 4UFD -1400 型马铃薯联合收获机能一次性完成马铃薯挖掘、土薯分离、杂草、茎秆及地膜的分离、薯块输送升运、薯块分级,以及收集装袋等工序,同时实现分级装袋,使得马铃薯收获的生产效率得到显着提高[11].同时,该机在设计时充分考虑中国国情,使得其可以方便地与 45 ~58. 8kW 拖拉机配套,满足中等地块的作业要求
农业部南京农业机械化研究所研发的 4GS -1500型甘薯宽幅收获机,适用于平原坝区和丘陵缓坡等大田块沙壤或沙浆黑土地作业,采用了两段式输送结构的升运系统,前段保障分离效果,后段保障输送效果,并安装了防缠绕装置和漏土栅,提高了生产率和作业质量.
总体看来,我国大陆马铃薯、甘薯等机械化收获技术的研发还处于发展初期,而联合收获设备仍以消化吸收为主,且种类稀少,减阻、降耗、防堵技术尚需进一步完善.
3 发展建议
3. 1 相互借鉴,一机多用
马铃薯、甘薯在种植生产方式上有许多相似之处,在挖掘收获技术方面可相互借鉴、吸收.在沙壤土区亦可设计制造一机多用的薯类作物收获机,在通用机架和部件的基础上,根据不同品种的马铃薯或甘薯更换其相对应的专用部件来实现作物的收获.
3. 2 推进农机与农艺融合建议不断优化我国薯类产业布局,并尽快制定出我国马铃薯和甘薯的发展规划及农机与农艺相融合技术方案,积极推进规模化和标准化种植,为机械作业创造条件.如培育根块短、生长集中、适宜机械化作业的品种,大力推广普及马铃薯和甘薯机械化种植模式,为实现全程机械化生产奠定基础.
3. 3 提高机具性能
薯类收获机械的工作条件恶劣,入土和与(接)触土部件较多,强度大、易腐蚀、易磨损.为提高机具适应性、可靠性、顺畅性,在设计时应从结构特性、制造工艺和材料处理等几方面综合分析.如采用虚拟仿真技术优化机身结构;对易损件可采用表面钝化及喷涂等技术,改善表面质量、提高寿命及减少维护费用[13]等.
3. 4 加强马铃薯和甘薯收获新机具的研究
随着我国马铃薯和甘薯生产向规模化、集约化、产业化种植方向发展,对能一次性完成切蔓、挖掘、分离、清选和输送等作业的中大型联合收获机的需求将渐趋迫切.应通过产学研有效合作,加快此类机型的研发进程,运用先进的设计制造理念,采用液压技术和电子技术,提高设备的技术性能和制造质量,有效缩小与发达国家差距.
参考文献:
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