西南丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題

劉 偉， 謝守勇， 李明生， 劉凡一， 孫玉華

（西南大學工程技術(shù)學院，重慶 400715）

0 引言

我國馬鈴薯種植面積約0.667 億hm2，面積和產(chǎn)量均占世界的1/4 左右[1]。馬鈴薯是西南地區(qū)重要的糧食作物，西南地區(qū)的云南、貴州、四川、重慶等省（市）是我國重要的馬鈴薯產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國馬鈴薯種植面積的40%左右[2]。西南地區(qū)因地處丘陵山區(qū)，區(qū)域內(nèi)地勢復雜、海拔高度變化大、耕地分布零散，制約了馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化發(fā)展[3]。目前國內(nèi)外馬鈴薯機械化生產(chǎn)基本以中大型設(shè)備為載體，中大型設(shè)備主要應(yīng)用于土地平整、地塊面積大的北方一作區(qū)[4]。西南丘陵山區(qū)耕地細碎，主要使用小型機械進行種植與收獲，技術(shù)與裝備提升空間較大，是未來馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化推進工作的重點地區(qū)[5]。針對西南丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究關(guān)鍵生產(chǎn)問題并提出解決方案，推動西南丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)。

1 馬鈴薯生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 宜機化馬鈴薯品種

目前，國內(nèi)外馬鈴薯品種選育方面的研究集中在品質(zhì)、抗病性、環(huán)境適應(yīng)性、生長穩(wěn)定性及產(chǎn)量提升等方面。針對丘陵山區(qū)土壤特性及氣候特征，西南大學選育出的縉云薯2 號和華渝5 號，以及重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站選育出的渝馬鈴薯5 號和巫洋芋2 號等新品種，在云貴川渝不同海拔區(qū)域廣泛種植。

1.2 馬鈴薯生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術(shù)研究主要是通過機械化手段將先進的農(nóng)藝技術(shù)運用于生產(chǎn)實踐，最大程度地提升農(nóng)作物產(chǎn)量，節(jié)省人力物力，提高經(jīng)濟效益。

北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、西南一二季混作區(qū)和南方冬作區(qū)是我國馬鈴薯種植的4 個主要區(qū)域[6]。由于地處丘陵地區(qū)、耕地細碎、山地和陡坡種植面積占比高，西南一二季混作區(qū)無法采用大型機械，當前又缺乏適合南方生產(chǎn)作業(yè)的小型機械，因而西南地區(qū)馬鈴薯種植的機械化程度低，大部分采用人力作業(yè)。由于西南丘陵山區(qū)復雜的地理環(huán)境，不同馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)種植模式不一樣，種植技術(shù)多樣化導致全程機械化難度大。間作套種模式是按照不同的比例，在細碎的耕地資源中種植不同種類的農(nóng)作物，西南地區(qū)主要采用馬鈴薯、玉米間作套種模式，能有效提高單位面積產(chǎn)出與經(jīng)濟效益[7]。

1.3 馬鈴薯生產(chǎn)裝備現(xiàn)狀

1.3.1 播種作業(yè)技術(shù)及裝備

提升馬鈴薯產(chǎn)量和質(zhì)量的重點在于采用馬鈴薯專用播種技術(shù)與裝備以改善播種質(zhì)量[8]。馬鈴薯播種機主要由開溝裝置、施肥裝置、播深控制裝置、排種器、覆土起壟裝置及其他輔助部件組成。其中，馬鈴薯排種技術(shù)是影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)馬鈴薯種薯（切塊薯、整薯、微型薯）類型，國內(nèi)外具有代表性的馬鈴薯排種器可分為帶（鏈）勺式、氣力式、差動輸送帶式、轉(zhuǎn)盤式、針刺式、指夾式等[9]。

西南丘陵山區(qū)播種作業(yè)中，帶（鏈）勺式馬鈴薯排種器應(yīng)用最為廣泛，其工作可分為4 個過程，即取種、清種、攜種和排種。取種勺安裝在帶或者鏈條上，由帶或者鏈條帶動，自下而上運動，從種箱中舀取1～2顆種薯后，繼續(xù)向上運動至清種區(qū)域，清種裝置去除種勺內(nèi)多余種薯，保證每個種勺內(nèi)只有一個種薯，隨著帶或鏈條向上運動，翻越上帶輪或上鏈條輪，種薯從種勺中掉落在前一個種勺背部，隨著前一個種勺向下運動，種薯脫離種勺背部做拋物線運動落在播種區(qū)，完成一次播種作業(yè)[10]。

1.3.2 植保作業(yè)技術(shù)及裝備

根據(jù)行走動力方式的不同，丘陵山區(qū)傳統(tǒng)馬鈴薯植保施藥機械可分為人工施藥機具與機動式施藥機具。

人工施藥機具以背負式、腳踏式和擔架式為主，具有成本低、不受地形限制的優(yōu)點，但作業(yè)效率低、作業(yè)強度大、噴施質(zhì)量不易保證，對人體危害性大。根據(jù)不同的噴藥機構(gòu)，機動式施藥機分為風炮式、塔式、圓環(huán)式及柔性導管式等，以牽引懸掛方式安裝在動力行走機械上，極大提升了作業(yè)效率，減少農(nóng)民勞動強度，同時提高了農(nóng)藥噴施均勻度。

丘陵山區(qū)高低不平，地勢起伏大，大部分機動式施藥機具無法進地作業(yè)，80%以上的施藥工作仍然依靠人工完成，只有部分小型化、轉(zhuǎn)場能力強的裝備適用于丘陵山區(qū)植保作業(yè)。

1.3.3 收獲作業(yè)技術(shù)及裝備

根據(jù)技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)，馬鈴薯收獲機可分為輕簡型挖掘機、分段式收獲機和聯(lián)合收獲機[11]。在西南丘陵山區(qū)應(yīng)用較為廣泛的是輕簡型挖掘機和分段式收獲機。

輕簡型挖掘機結(jié)構(gòu)簡單，適用于疏松土質(zhì)單壟種植模式下的收獲，挖掘后在較短行程完成薯土分離與鋪放，分為振動挖掘式、撥輥推送式、圓盤柵式、防損鏈式等類型[12]。在收獲過程中，馬鈴薯表皮與分離篩的各部件產(chǎn)生碰撞沖擊與劇烈摩擦，承受各種靜載、剪切、擠壓、振動和沖擊載荷等作用，易使膠質(zhì)層破裂而產(chǎn)生損傷。

分段式收獲機作業(yè)工藝流程一般為殺秧?松土?挖掘?分離?鋪放?撿拾，殺秧和收獲作業(yè)分段進行，使用殺秧機和收獲機單獨作業(yè)。分段式收獲機一般包含松土限深裝置、挖掘裝置、切土切蔓裝置和薯土分離裝置等結(jié)構(gòu)。分段式收獲機種類較多，其薯土分離形式多樣，包括單段分離、兩段分離、一級振動分離和兩級振動分離等多種形式。馬鈴薯分段收獲機主要特點是殺秧、收獲分開作業(yè)，薯塊挖掘分離和鋪放后需人工撿拾，效率低、成本高、勞動強度大[13]。

1.3.4 田間轉(zhuǎn)運作業(yè)及設(shè)備

國內(nèi)丘陵山區(qū)田間轉(zhuǎn)運設(shè)備可分為簡易田間轉(zhuǎn)運車、牽引式田間轉(zhuǎn)運車和履帶式田間轉(zhuǎn)運車[14]。

簡易轉(zhuǎn)運車結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，工作效率低。牽引式田間轉(zhuǎn)運車由拖拉機牽引，操作方便，工作效率高，適用于平整大田。傳統(tǒng)履帶式田間轉(zhuǎn)運車上下坡貨廂傾斜引起貨物自然滑動易翻車，同時上坡耗能增加，下坡制動系統(tǒng)負擔大，發(fā)熱嚴重，安全性差。

2 馬鈴薯生產(chǎn)問題分析

2.1 宜機化品種短缺

針對丘陵山區(qū)宜機化品種短缺的問題，應(yīng)大量引進國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)宜機化品種，并結(jié)合當?shù)貎?yōu)秀品種進行選育。選育后的宜機化品種在薯塊外觀上，應(yīng)具有薯形規(guī)整、芽眼淺且分布均勻、薯皮易木栓化、抗壓傷、耐機械損傷的性狀；在種薯質(zhì)量上，應(yīng)具有大小分級、規(guī)格一致的特點。這些優(yōu)質(zhì)性狀能夠顯著改善馬鈴薯播種、收獲等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的漏播、高損傷現(xiàn)象，將為丘陵山區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展、促進農(nóng)民增收提供重要保障。

2.2 生產(chǎn)農(nóng)藝與機械化生產(chǎn)技術(shù)不匹配

目前，西南丘陵山區(qū)廣泛應(yīng)用的間作套種模式農(nóng)藝技術(shù)與當前機械化生產(chǎn)技術(shù)并不協(xié)調(diào)，開展西南丘陵山區(qū)馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術(shù)及區(qū)域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產(chǎn)模式，制定丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程，是西南地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的必然趨勢和當務(wù)之急?？紤]間作套作種植模式存在的問題，根據(jù)丘陵山區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的地理環(huán)境、土壤條件，宜采用凈作大壟雙行的種植模式，與傳統(tǒng)種植模式相比，該種植模式顯著提高光能和水肥利用率，可通過合理密植提高產(chǎn)量，充分發(fā)揮邊際效應(yīng)，具有保墑、保肥、保溫等優(yōu)點。

2.3 精量播種作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量較低

馬鈴薯機械化播種的作業(yè)質(zhì)量、效率是影響其產(chǎn)量的關(guān)鍵要素。國內(nèi)機型主要為中小型，自動化、智能化程度較低，機構(gòu)相對簡單，制造成本相對較低。西南丘陵地區(qū)地形復雜，土壤黏性大導致起壟高度低，降低了排種裝置的可靠性，導致漏播突出、株距均勻性差等問題。

基于現(xiàn)有切塊薯播種機結(jié)構(gòu)，研究排種器取種、送種運動特性，構(gòu)建切塊薯?排種裝置?土壤的互作模型，分析基于離散元模擬排種作業(yè)過程，明確切塊薯單粒排序落種作業(yè)機理，實現(xiàn)高速作業(yè)下切塊薯的均勻有序排種。研發(fā)實時漏播監(jiān)測補種機構(gòu)及控制系統(tǒng)，在現(xiàn)有排種技術(shù)基礎(chǔ)上進行精確補種裝置的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，基于單片機/PLC、傳感器、電磁等技術(shù)進行自動精確補薯控制技術(shù)研究，將先進制造技術(shù)融入排種器中，能夠提升馬鈴薯播種作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2.4 植保作業(yè)機動式機械進出場難

近年來，無人機植保技術(shù)因不受作物種類、地形限制影響，成為解決丘陵山地地面植保機械進出困難的有效選擇。但是無人機植保效果會受到溫度、濕度、飛行高度、飛行速度、風速、風向的影響。未來無人機植保技術(shù)應(yīng)該引入氣候監(jiān)測系統(tǒng)和飛行微控制系統(tǒng)，實時傳輸無人機工作數(shù)據(jù)，精確化控制無人機植保作業(yè)。

2.5 收獲作業(yè)高功耗及高損傷

西南丘陵山區(qū)黏重土壤具有通透性差、顆粒細小、透氣透水不良的特點，土壤的黏性、可塑性、濕脹性強，耕作阻力大，易起土垡?，F(xiàn)有的馬鈴薯收獲作業(yè)裝備作業(yè)功耗大、損傷率高。開展馬鈴薯種植土壤特性研究，融合機械、控制、信息和仿生等技術(shù)，使用仿生減阻、振動減阻等技術(shù)手段，實現(xiàn)黏重土壤下的低功耗挖掘。對機械收獲過程中容易導致馬鈴薯損傷的作業(yè)環(huán)節(jié)進行研究，從挖掘?篩土?輸送提升?收集等各環(huán)節(jié)降低收獲機械對馬鈴薯塊莖的損傷程度。

2.6 田間轉(zhuǎn)運作業(yè)設(shè)備適應(yīng)性差

簡易田間轉(zhuǎn)運車效率低；牽引式田間轉(zhuǎn)運車由拖拉機牽引，適用于平整大田；傳統(tǒng)履帶式田間轉(zhuǎn)運車的貨廂傾斜易引起貨物堆積，導致上坡耗能增加，下坡制動系統(tǒng)發(fā)熱量大，安全性差。針對丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲作業(yè)后田間轉(zhuǎn)運設(shè)備適應(yīng)性差的問題，宜采用帶液壓控制的履帶式田間轉(zhuǎn)運車，可通過調(diào)整油缸活塞桿的伸縮行程，保證貨廂在上下坡時處于水平狀態(tài)，防止貨物因重力自由滑動引起轉(zhuǎn)運車翻車、側(cè)翻等安全事故。

3 結(jié)束語

在國家“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略和糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的政策驅(qū)動下，提高馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化水平，未來應(yīng)該從以下方面展開以取得突破性的進展。

一是選育丘陵山區(qū)宜機化品種。加大宜機化品種優(yōu)良性狀研究力度，在典型區(qū)縣宣傳推廣宜機化品種，這些宜機化品種將為本地馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展、廣大馬鈴薯種植戶增收提供重要保障。

二是制定區(qū)域內(nèi)發(fā)展規(guī)劃。地理條件和農(nóng)藝多樣性嚴重阻礙了丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化進程，開展丘陵山區(qū)馬鈴薯機械化生產(chǎn)技術(shù)及區(qū)域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產(chǎn)模式，制定丘陵山區(qū)馬鈴薯全程機械化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程，將傳統(tǒng)的間作套種模式改為凈作大壟雙行模式，顯著提高光能和水肥利用率。

三是大力推進技術(shù)創(chuàng)新，尤其是工藝原理、機械結(jié)構(gòu)簡單的小型馬鈴薯生產(chǎn)機械。堅持農(nóng)機和農(nóng)藝相結(jié)合，注重農(nóng)機、農(nóng)藝技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，研發(fā)適合丘陵山區(qū)地理、氣候特點的性能可靠的馬鈴薯生產(chǎn)機械。研發(fā)適應(yīng)丘陵山區(qū)土壤黏性大的馬鈴薯排種裝置，可有效改善漏播突出、株距均勻性不高等問題。