莲藕人工采挖和机械采挖技术

刘义满　柯卫东　黄新芳

导读：随着农村劳动力结构的老龄化程度加剧，莲藕采挖困难与莲藕产业发展之间的矛盾越来越突出。因此，如何减轻莲藕采挖劳动强度、使莲藕采挖环节更加省力和高效，成了莲藕从业者不断思索和探讨解决的问题。莲藕机械采挖非常切合当前莲藕产业面临的实际问题。莲藕采挖机械化问题不解决，再过15年左右，估计莲藕会成为稀有蔬菜，价格会比肉贵。

莲藕（Nelumbo niucifera Gaertn.）是湖北省及武汉市的主要水生蔬菜，也是该地区的传统农产品、特色农产品及优势农产品，在农业增效、农民增收、农村环境改良及农业文化建设等方面发挥着重要作用。但是，在莲藕种植的各个环节中，莲藕产品采挖困难成了莲藕产业发展的重要限制因子之一。传统上，莲藕采挖完全依靠人工，劳动强度大，是最辛苦的生产环节，绝大多数情况下都是男性在从事此项工作。湖北农村有句俗话说，“男人五活只有三宗苦，下塘挖藕第一苦”，这句话的大意是说，在农村男人从事的主要劳动中，只有3种算得上是辛苦的劳动，而其中挖藕最辛苦。随着农村劳动力结构的老龄化程度加剧，莲藕采挖困难与莲藕产业发展之间的矛盾亦越来越突出。因此，减轻莲藕采挖劳动强度，使莲藕采挖环节更加省力和高效，成了莲藕从业者不断思索和探讨解决的问题。近10年来，通过有关教学、科研和技术推广部门及有关公司、企业、莲藕生产者和业余爱好者的努力，我国在莲藕采挖机械研制与开发方面取得了较好的成绩。

1 莲藕产品在地下的分布特点

莲藕产品器官是膨大的根状茎，其结构分为主藕、子藕（部分藕支还有孙藕），主藕又分为藕梢、主段藕及藕头。莲藕产品器官的形成，即主藕、子藕的发生与生长规律性很强，主藕节段数与子藕支数、子藕在主藕上的着生部位与子藕节段数、主藕与子藕分布方向和位置等均具有规律性。就莲藕产品器官的垂直分布而言，传统品种入泥较深，深者达1 m以上；现代品种入泥较浅，一般深30～50 cm。就莲藕产品器官群体的水平分布而言，不同的藕支在田间的分布没有明显的规律，呈随机分布。一般品种产量2 500 kg/667 m2、单个整藕质量3～4 kg计算[1]，则整藕分布密度为0.94～1.25支/m2，平均约1支/m2。至于单个整藕藕支，占地面积一般1 m2以下，水平着生，分布规律明显。只要找到藕支中的藕梢、藕头、主段藕、子藕及叶簪等任何一个部位，则很容易判断该藕支其他部位的大致分布位置。而且，藕支在地下分布位置与立叶着生也有明显的关系。采挖过程中，如何找到藕支在地下的确切分布位置，如何判断单个藕支在地下的分布状况，具有一定的技术性，也需要较丰富的实践经验。

2 采挖期的藕田及莲藕产品状态

根据采挖期莲藕田水量的多少，可以分为干田和带水田。干田指采挖前放干田水，由于干田土壤相对板结，一般采挖效率较低。不过，干田状态下，男女老幼均可下地采挖，相对便利一些，干田采挖的情况在西南地区及北方部分产区较多。带水田指采挖期间保持一定水量，根据采挖习惯、采挖方式及土壤质地等不同，田间保持的水量不同，一般保持水深3～30 cm，也有保持更深水深的。带水田的泥层松软，容易采挖，湖北及长江流域地区基本都是带水采挖。

根据采挖期莲藕产品状态，可分为菜用藕和种用藕（即菜藕和种藕），二者又可分别分为青荷藕和老熟藕。湖北地区菜用青荷藕采收期一般在6月中下旬至7月下旬（设施早熟栽培时可以提早到5月中下旬），菜用老熟藕采收期一般在8月上中旬至翌年4月下旬（采用“浅水栽培、深水越冬、延迟采收”模式时，采收期可以延迟到翌年6月中旬）；种用青荷藕与菜用青荷藕采收期一致（对青荷藕“采大留小”，其中的“大”即指相对较大的藕支，作菜用，“小”即指相对较小的藕支，作种用），种用老熟藕采收期一般在3月中旬至4月下旬。

传统上，不论干田还是带水田的莲藕，均采用人工采挖。近10年来，随着莲藕采挖机械的应用，机械采挖比例不断上升。不过，采挖机械主要在菜用青荷藕采收后期及菜用老熟藕采收中应用，并且只在带水田内进行，种藕仍以人工采挖为主。

3 莲藕人工采挖及挖藕工年龄结构分析

莲藕人工采挖时，使用的器具为专门的挖藕锹（图1、2），不同地区的挖藕锹形状有所不同，但大同小异，基本要求是便于翻挖藕周泥土和少量舀水。人工采挖的优点是可以保持藕支的完整，特别是种藕对藕支的完好程度要求较高，要求顶芽不受损伤，而且表皮机械伤要少、要小，目前大多采用人工采挖。人工采挖的缺点是劳动强度大，效率低。就劳动强度而言，以莲藕入泥深度30～50 cm计，则泥土翻挖量200～330 m3/667 m2。通常，人工采挖时每667 m2需要人工10～12个，每个人工平均挖藕200～250 kg，则每个人工翻挖的泥土量平均约25 m3。

应该说，由于莲藕采挖劳动强度过大，导致挖藕工新生力量来源缺乏，使得挖藕工年龄老化程度越来越明显[2]。2011年，笔者曾经在湖北省武汉市郊区的6个莲藕采挖现场调查过挖藕工的年龄，共调查56人，全部为男性，分别来自湖北省汉川市、鄂州市、武当山、嘉鱼县及武汉市新洲区，结果平均年龄51.16岁，最小的37岁，最大的67岁，其中45岁以上年龄的人占73.21%。与笔者所在工作单位有长期合作关系的湖北省汉川市的一个专业莲藕采挖队，共有成员40多人，1994年该采挖队成员中约有一半人年龄在30岁以下，但2014年该采挖队中年龄最小的为42岁（只有1人），其余都在45岁以上（其中50岁以上成员约占2/3）。也就是说，近20年来该采挖队基本没有新增加过年轻人，只有成员不断老病退出。挖藕工队伍后继乏人，是莲藕生产环节，甚至是整个莲藕产业必须面对的问题，实现机械化采收是未来莲藕产业发展中必须解决的关键性问题。

4 莲藕机械采挖

4.1 原理

所谓莲藕机械采挖，实际上是高压水冲挖采收，应用高压水切割、破碎、冲刷莲藕产品周围土壤，让莲藕自行浮出水面或借助人工取出。采用高压水冲挖代替人工翻挖，不仅可降低劳动强度，而且可提高劳动效率。

4.2 我国莲藕采挖机械发展历程

莲藕机械化采挖（高压水枪冲挖）技术，最早在日本开始应用，我国部分地区曾经引进利用过。日本挖藕机有不同型号，每667 m2采挖时间为2.5～4 h。不过，日本农民仍然以手持水枪冲挖、人工辅助掘取为主，每天采挖量500 kg以上[3，4]。

我国莲藕采挖机械研究始于20世纪 70年代，由当时的华中农学院（现华中农业大学）、武汉工学院（武汉理工大学前身之一）等大学和科研单位进行。当初设计思路是模仿人工采挖莲藕的动作，用机械手采挖，但样机试验效果差，采挖速度慢，莲藕损伤重，商品率低[5]。1984年，武汉工学院的李凡爱也发表过有关挖藕机研究的文章[6]。

1998年，武汉市科委（现武汉市科学技术局）立专项攻关，采用水压力冲刷原理研制出样机，并进行田间试验，但采藕效率低，存在伤藕问题[5]。

1999-2001年，武汉市农机服务总站、华中农业大学农业工程技术学院及江苏省南通市江华机械有限公司联合研制了4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机。该挖藕机由田间自走式水力作业机和岸边水泵机组 2部分组成，中间由供水软管连接。岸边水泵机组从有水源的田间取水。水力作业机前端配置喷枪，喷射高压水流，冲开泥土，莲藕露出。主喷管直径有30 mm、25 mm及20 mm 3种。喷杆由液压电器控制左右摆动，摆幅3 m，采挖效率约为

667 m2/天。4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机带履带式行走装置，作业部分与动力部分分开，结构松散、繁杂，机动性差，水力系统管路长，功耗损失大，仅能在小面积藕田作业，且挖取的莲藕完整率低，未推广应用[4，7]。

2002年，湖北省宜城市农业机械化管理办公室开发的船式自动挖藕机通过省级技术鉴定。船式自动挖藕机的动力机与掘挖机成一整体，工作时排水、挖藕、洗净等环节连续作业，一次完成。该挖藕机挖藕深度可达0.7 m，作业幅宽3.6 m，采藕无损伤[8]。

2002年，重庆北碚腾龙机械厂开发出腾龙牌

tlsj2-1型多功能水田掘藕机。据介绍，该机具有体积小、质量轻、需1～2人操作，挖藕速度50～75 kg/h[9]。

2004年，山东省微山县微山湖挖藕机械制造厂生产出4CW-2.6型船式挖藕机。4CW-2.6型船式挖藕机由动力机械、高压水泵、喷射装置、挖藕支架、行走控制系统、液压操作机构和船身组成。工作时，船体悬浮或半悬浮水中，在船内完成吸水、加压喷射、挖藕控制、行走等全部工序。该机工作宽幅2.6 m，适应水深0.3～1.3 m，采挖667 m2需2～3.3 h[10～12]。

2005年，湖北省襄樊市航鹰航空科技有限责任公司成功研制液压操纵水力挖藕机（4CWOJ-4000型船式自动挖藕机），曾被列为2006-2007年度湖北省农业科技计划项目。该机工作时可漂浮或半漂浮于带水藕田。船体外形尺寸5 500 mm×1 800 mm×600 mm，总质量2 000 kg以下，半漂浮状态下可在150 mm水深中工作。在陆地上可安装胶轮，在一般机耕路上转运。液压操纵水力挖藕机由柴油机、水泵、水力管路系统、液压系统、升降摆动机构、高低喷头采挖机构、液压驱动速度控制装置和船体等组成。其中，水泵（选用6SH-6型水泵）直接与柴油机（选用4102QB柴油机）相连，选用带液压泵接口的柴油机为整机提供液压动力，各种操作全部由液压控制。水力管路系统集中在船内，取水口开在船体两侧贴近船底处，吸入的水加压后引至船头的2排4组高低喷头内。高喷头冲刷表层泥土，低喷头冲刷莲藕。液压系统分别控制升降摆动机构和液压驱动速度控制装置，调整喷头工作高度，使高低喷头自动均衡地往复摆动，船体匀速向后行走，莲藕自动浮出水面。喷头升降摆动机构由翻转支架、升降滑动支架、水平摆动支架和喷头连接支架构成。其中，翻转支架由翻转油缸控制，选用1个LA50液压缸，行程400 mm，用于调节喷头的工作角度和在不工作时将整个喷头升降摆动机构翻于船内；升降滑动支架由升降油缸控制，选用1个LA50液压缸，行程600 mm，用于调节喷头的工作高度。翻转和升降油缸设定工作压力≤10 MPa；水平摆动支架内装有左、右2个喷头连接支架，由摆动液压缸控制，选用1个LA32型液压缸，行程400 mm，设定工作压力≤5 MPa，摆动频率为7～10次/min。高低喷头采用高、低2排（左右）4组喷头，每组4个喷嘴，喷嘴间距400 mm，低喷头与高喷头的相对高度在±200 mm范围内可调。高低喷头装在左、右2个喷头连接支架上，由摆动液压缸驱动，实现水平往复运动，作业幅宽为3.2 m。不安装低喷头时可将单排喷头改为每组7个喷嘴，作业幅宽可增加至5 m。选用LEE'S喷嘴设计，并参考了自激震振脉冲射流的工作原理。挖泥深度在加装高低喷头时可达0.5～0.8 m，不装高低喷头时为0.2～0.5 m。液压驱动行走装置安装在升降滑动支架上，可随喷头一同调节升降，选用一个QJM型低速大扭矩液压马达，设定工作压力≤10 MPa。驱动行走的液压马达输出扭矩154 N·m，转速在5～100 r/min范围内可调，通过链轮与驱动滚轮相连，使整机匀速行走。该机采挖速度为167～416 m2/h[4，13]。

2007年，南京农业大学设计出4SWJ-1型船式水力挖藕机，由动力输出装置、蓄水装置、牵引装置、摆动装置、工作执行机构和船体等6部分组成。动力输出装置主要由柴油机、输出轴和液压泵等构成；工作执行机构包括水泵、分水器和喷头等，其中分水器和喷头由消防软管连接，工作时水泵将高压水输送至喷头冲挖莲藕；牵引装置由液压马达提供动力，其输出轴与减速器采用链传动，通过改变液压马达排量来实现对行走速度的调节；摆动机构用来固定液压缸、滑道和分水器，通过高压喷头的左右摆动而达到一定的工作幅宽。4SWJ-1型船式水力挖藕机由柴油机提供动力，采用液压系统完成摆动及前进动作，可以保障挖藕机运行工位的稳定性和准确性。该型挖藕机的配套动力为杨动YSAD380型柴油机，水泵型号IS100-65-200A，液压泵型号CBN306，液压马达型号BM-50，液压缸型号HSG*01-50/dE，前进速度1.74 m/min，摆动频率12 r/min（摆幅0.2 m），作业幅宽120 cm，喷嘴直径12 mm[14]。

2008年，华中农业大学工程技术学院研制成功4CWO-3.2型船式挖藕机。4CWO-3.2型船式挖藕机包括船体和安装在船体上的动力机、水力装置、传动装置以及操作装置等。发动机动力经分动箱一部分传递给水泵，另一部分经锥齿轮箱传递给变速箱。水泵汲水并泵至喷嘴，喷嘴深入水下贴近泥面往复运动，切割、粉碎、推移泥土，使莲藕浮出水面。变速箱将动力传递给行走叶轮和双螺旋器，行走叶轮回转，驱动船体水平移动；双螺旋器回转，通过滑道和滑杆带动吊杆下端的喷嘴做往复移动。喷嘴在水下的位置、移动频率和角度均可调整。4CWO-3.2型船式挖藕机的喷嘴为圆锥形，喷嘴孔为圆柱形。喷嘴数为6个，喷嘴往复工作行程450 mm，移动速度0.09～0.18 m/s，工作周期5～10 s，最大工作幅宽3.2 m；选定的水泵为6SH-6型离心泵（流量126 m3/h，扬程84 m），满足作业要求（喷嘴出口水柱压力0.5～0.7 MPa）；选定的动力为QC490（DI）型直喷式柴油机，最大扭矩及相应转速为149.7 N·m和2 240 r/min，标定功率45.6 kW（可配置动力45～60 kW）。该机适宜水深0.2～1.8 m，最大挖藕深度0.8 m，作业行驶速度0.5～1.97 m/min，采挖速度100～400 m3/h[15，16]。

2009年，南京农业大学硕士研究生王维在导师姬长英的指导下，通过实施江苏省农机三项工程项目《田藕机械化生产及产业化开发》，成功研制4SWO-1.2型船式水力挖藕机。该机整体造价低于国内同类产品，挖藕效率为人工挖藕的10倍以上[4]。

2009年，湖北省武汉兴盛农机技术开发有限公司研制出浮筒鸭嘴式挖藕机。浮筒式挖藕机主要由底座、发动机、水泵、储压室、高压水枪和框架等构成。底座由浮筒、滤网和储水室焊接组成；水泵和发动机固定在框架上，高压水枪嵌装在底座预留空间，直接与水泵出水口连接；射流喷头安装在高压水枪底部。工作原理是发动机驱动水泵将藕田中的水经过滤后增压输送至高压水枪，而后经安装在高压水枪底部的射流喷头形成射流，反复冲刷泥土，直至莲藕自动浮出水面。在作业过程中，操作人员只需掌握框架扶手，把握方向，挖藕机靠射流喷头的液力驱动自走。武汉兴盛农机研发公司研制的浮筒鸭嘴式挖藕机体型小巧，移动便利，仅需1人操作，挖藕速度为100 kg/h以上。作业前要求清除田间藕秆和藕叶，作业适宜的藕田泥面平整度高低差不大于3 cm、水深20～30 cm、莲藕入泥深度不超过45 cm[17，18]。

另外，湖北、山东、河南、江苏、浙江、四川等地许多个人或公司也进行过挖藕机的研制或改制工作。

4.3 我国莲藕采挖机械的应用情况

从挖藕机的装置组成来看，主要有浮栽装置（船体或浮筒）、动力装置、高压水泵、分水器和高压喷嘴（喷头）、操作装置、行走装置等，其中动力装置和高压水泵通常组成水泵机组（又分为柴油水泵机组、汽油水泵机组和电动水泵机组）。根据挖藕机的浮栽装置，可分为船式挖藕机和浮筒式挖藕机，通常船式挖藕机的装置组成比较复杂，自动化程度较高，但在生产实践中应用较少；而浮筒式挖藕机的装置组成较为简单，自动化程度较低，但在生产中应用较多。莲藕产区在应用机械采挖时，对挖藕机械的实际应用情况大致可以分为4种：①船式挖藕机整体应用（图3），作业时自动移动，无外延长水管，操作人员不需下水即可作业[13]；②浮筒式挖藕机整体应用（图4），作业时自动移动，无外延长水管，操作人员需下水作业[17，18]；③水泵机组（或动力机与水泵分离）漂浮式应用（图5），可在藕田内漂浮移动，作业过程中按需固定，具外延长水管，操作人员需要下水手持喷头冲挖采收作业；④水泵机组（或动力机与水泵分离）岸基固定式应用（图6），在藕田岸边陆地固定，作业过程中按需移动，具外延长水管，操作人员需要下水手持喷头冲挖采收作业。

湖北地区应用较多的是水泵机组（或动力机与水泵分离）漂浮式应用和水泵机组（或动力机与水泵分离）岸基固定式应用，其中水泵机组（或动力机与水泵分离）漂浮式应用中的浮栽装置为支撑框架、浮筒或具有浮栽作用的塑料泡沫等，动力机采用柴油机或电动机，外延长水管（软管）一般长50 m、内径4 cm。每条外延长水管终端接1个喷头，喷头内径2 cm，由挖藕人在田间手持喷头冲挖采收莲藕。通常2 237.1 W的柴油机带动1个喷头，5 965.6 W的柴油机带动2个喷头（外延长水管由分水器与水泵连接）。由于采用了外延长水管，水泵或水泵机组可以设置在水体较深的局部地块，便于取水，而采挖人员只需手持喷头冲挖采挖莲藕，该机械对藕田适应性较强，缺点是操作人员需要下水作业，劳动强度仍然较大。一般每采挖667 m2需要2～3个标准工。

4.4 莲藕采挖机械发展方向

提高莲藕采挖效率的研究，主要应从品种、土壤或基质、藕田设施及采挖机械等4方面进行。就品种而言，在保障品种有较高的食用品质和商品品质的前提下，主要要求品种的农艺性状与采挖机械相适应，具有较高的机械适采性，如莲藕产品的垂直分布较浅（入泥较浅）、水平分布聚集性更好等；就土壤或基质而言，要求通过土壤选择与改良或基质配制与筛选，在满足莲藕生长发育的前提下，更有利于采挖机械性能的发挥；就农田设施而言，要求更加有利于挖藕机械行走和作业；就采挖机械而言，要求进一步提高机械的采挖效率和自动化、智能化及便利化水平，进一步提升采挖机械对莲藕品种农艺性状、种植土壤或基质以及对藕田设施的适应性，进一步提高采挖产品的完好率等。

从我国莲藕采挖机械的研制历程来看，最初考虑得比较复杂，设计上对自动化程度要求较高，但试制的样机或多或少有些不足之处。相对而言，自动化程度相对较高的挖藕机，实用中存在的问题也较多，应用得也较少；而自动化程度相对较低的挖藕机，应用中存在的问题也较少，用得也较多。但是，实际中使用得多，并不一定代表莲藕采挖机械发展的方向。笔者认为，未来莲藕采挖机械的性能方面，应该包括下面几个方面：①能适应不同的季节变化和天气变化；②能适应不同水深（15～180 cm）；③能适应较深的产品入泥深度（80 cm）；④能够自动行走；⑤具有较好的操控性能和舒适性，自动化、智能化及便利化程度较高，做到莲藕采挖操作人员不下水作业；⑥能够自行收集采挖的产品；⑦采挖的产品具有较高的完好率，藕表破损率和芽头损伤率低；⑧尽可能实现挖藕机功能的多样化。

从我国劳动力结构变化情况以及人们对生产省力化和高效化的要求来看，在开阔的浅水藕田或湖塘莲藕种植区，尽管目前的生产实践中莲藕船式采挖机应用程度较低，但自动化、智能化及便利化的船式采挖机应该是莲藕采挖机械发展的方向；在经济条件较好的莲藕种植区，笔者设想，设计建设较为完备的藕田设施，按照一定间隔（譬如5～8 m）建设固定轨道或硬化田埂（投入不会高于旱生蔬菜的温棚设施），以之作为莲藕采挖藕机械的行走轨道，实现轨道式行走采挖，则可能更加省力、高效和便利。目前，对于已经采用硬化池（田埂硬化和池底硬化）或软底池（田埂硬化和池底铺膜）种植莲藕的地区，可以考虑设计轨道行走式采挖机械。

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