甘薯种植生产机械的研究

郑德慧 ，孙 涛 ，彭广耀 ，王晓兰 ，田 斐

（泰山职业技术学院，山东 泰安 271000）

1 我国甘薯种植生产机械的研发现状

1.1 我国甘薯种植生产机械研发的基础条件

一是技术基础。我国在农业机械化领域积累了丰富的技术经验和基础，已经具备了较为成熟的机械化技术平台，并在农业领域得到了广泛应用[1]。二是市场需求。甘薯需求量逐年增加，机械化生产成为当务之急，受到政策支持和市场需求驱动，其种植生产机械化研发有了基本的市场保障。三是人才支撑。国内一些高校、科研机构的研究人员以及工程技术人员等群体在甘薯种植生产机械化研发领域具有较高的技术素养和实践经验，为推进机械化生产提供了人才支撑。

1.2 我国甘薯种植生产机械研发的困境

一是相比其他作物如小麦、水稻等，甘薯种植生产机械化研发的机械类型相对较少，只有零散的一些机械设备，在整个甘薯种植生产全流程中的应用程度还相对较低。二是相比其他农作物，甘薯生长周期长，整个种植生产流程相对繁杂，目前甘薯种植生产仍然主要采用传统的人工操作，机械化程度较低。三是不同地域的甘薯种植环境及种植模式各异，机械化作业设备的适应性很差，难以在不同的甘薯种植区域推广使用[2]。四是在甘薯作业机械化技术创新研发方面，目前我国比较缺乏研究和创新的能力，很难在机械性能、智能化程度以及系统集成等方面进行创新，从而提高机械化生产水平。

2 国内外甘薯种植生产的主要机械化设备

针对甘薯种植生产的机械化发展需要，国内外机械化设备包括以下几大类。

2.1 甘薯种植机

甘薯种植机是专门用于甘薯种植的机械设备，可以自动完成种薯铲运、播种以及覆土等作业程序，特点为效率高、精度高、操作简便，适用于中大型甘薯种植。

2.2 甘薯除草机

甘薯除草机是专用于甘薯田间除草的机械设备，采用人工观察、机械操作的方式，达到清除甘薯生长期间所有杂草的目的。特点是耗时短、效率高、经济实用，适用于甘薯生长期、除草要求清晰的生产环节。

2.3 甘薯收获机

甘薯收获机是一种机械化的甘薯采收设备，结构简单、操作容易、效率高[3]。其中，单行切割式收获机，适用于甘薯均匀、单行排种、机械化程度较高的地区；双行摆锤绕行收获机，则适用于甘薯种植区域较宽、排种较密的生产情况。

2.4 甘薯加工设备

甘薯加工设备是专门用于甘薯初加工的机械设备，包括甘薯清洗机、甘薯切片机、甘薯碾压机等，适用于甘薯采收后的初加工环节，如清洗、切割、压碎等处理。

3 新时代我国甘薯种植生产机械研发的进展

甘薯种植生产机械在不断发展，不仅出现了很多结构相对简单、功能单一的小型机械，如甘薯剪苗机、甘薯移栽机等[4]，也研发出了很多结构复杂、功能多样的联合型作业机械，如耕整起垄联合作业机、联合收获机等。结合甘薯种植生产的基本步骤，当下甘薯种植生产机械研发的具体进展可表现为以下几方面。

3.1 育苗剪苗机械

薯块的萌芽数，以顶部最多，中部次之，尾部最少。排种时要分清头尾，不可倒排[5]。经过冬季贮藏的薯块，有的品种头尾形状不容易识别清楚，需要用肉眼观察其他性状去分清头尾。而且薯块大小差别较大，排种时最好大小分开，这些要求使得采用机械操作难度增加，所以目前国内育苗仍以人工为主，机械化程度较低。国内已研发了可变孔径自动育苗盘正压点种机，通过孔洞变化进行种的筛选，可实现排种和点种。剪苗机械方面，国内研制了甘薯剪苗机，由切割器进行剪苗，并经输送带运输到集苗袋或集苗箱。国外规模化种植区已使用剪苗机操作，缺点是不经筛选、不论大小统一剪掉，造成了一定的浪费和限制。

3.2 耕整起垄机械

发达国家甘薯起垄机发展比较成熟，可以将起垄、施肥结合在一起，从而增加甘薯产量[6]。我国地形复杂，各区域间差异很大，导致耕整起垄环节机械化差异较大，平原地区机械化水平可达90%左右，但丘陵盆地地区机械化程度较低。主要机型有单一功能的作业机以及联合作业机。联合作业机能够一次性完成施肥、旋耕、起垄、覆膜、镇压等多项作业。比较简单的机械一次作业可起1~2 垄，而在种植面积比较大的地区采用的大型起垄机，由大功率拖拉机牵引，可以一次起4~5 垄。综合来看，耕整起垄机械能较好地完成甘薯移栽前期准备工作，有利于提高种植效率。但目前的起垄机也存在一些问题，如起垄高度、平整度不够，垄体易塌陷，垄距和侧面斜度不规范等。

3.3 移栽机械

甘薯移栽是甘薯生产中的关键环节，也是用工量较大的环节。我国的甘薯机械移栽技术起步较晚，发展较快，但与发达国家依然存在一定差距，多借鉴国外的甜菜、烟草移栽机，适用的专业机型比较少。由于甘薯苗枝叶混杂，形态存在差异，至今自动分苗机构仍未获得突破性进展，所以甘薯移栽机械一直处于采用人工喂苗的半自动化状态。

目前常见移栽机有链夹式移栽机、吊篮式移栽机、导苗管式移栽机以及圆盘式移栽机[7]。链夹式移栽机是由人工将甘薯苗放置在链夹中，由链夹移动将甘薯苗栽种到土垄中。其优点是机械结构简单、成本低，苗的直立度好，株距和栽种深度稳定；缺点是在黏土和带砂砾的土地中，链夹容易卡死，作业效率低。吊篮式移栽机是由人工将苗放入到旋转的吊篮内，吊篮移动使苗落入土沟，然后覆土种植。其优点是不伤苗，缺点是机械结构较为复杂，作业速度较慢。导苗管式移栽机是人工将苗投入喂苗装置，喂苗装置打开时靠重力作用使苗进入导苗管，然后由导苗管将秧苗引入土沟，再进行覆土镇压。其优点是结构简单，适应性好，不伤苗，劳动强度低，而且株距和苗深度稳定；缺点是苗的直立度不是很好。圆盘式移栽机是靠传送带配合，先由人工将苗放置在传送带的槽里，传送带将苗输送到挠性圆盘上，再由圆盘将苗落入开好的土沟中。圆盘式移栽机结构简单，圆盘是由橡胶制成的，成本低但寿命较短；其对株距的适应性较强，但不稳定，不能很好地保证苗的直立度。

3.4 田间管理机械

不同种类、不同生长时期的甘薯的田间管理方式存在差异。如春薯的生长前期，田间管理主要是保全苗，促叶早发，早结薯，所以要追适量的速效氮肥[8]。田间管理机械技术相对较为成熟，一般使用通用机械，如除草机、喷雾机、植保无人机等[9]。但专门用于甘薯种植生产的、与甘薯种植模式相匹配的田间管理机械比较缺乏。通用机械在进行田间管理作业时，配备的拖拉机轮距与甘薯种植垄距存在不匹配问题，导致出现压垄、伤薯现象。

3.5 收获机械

甘薯收获环节比较重要的工作是杀秧收秧。杀秧也就是在甘薯收获前进行秧蔓清除工作。一般由拖拉机牵引，由运动刀具完成作业。现在我国研制的杀秧机械可以根据垄距来调整地轮的位置，并可以在地轮的一侧设置调节旋杆，通过转动调节旋杆实现对机架离地高度的调节，从而控制合理的秧茬高度。但也存在清理不彻底、调节不方便、秧蔓缠绕等问题。我国还研制出一种甘薯秧蔓回收机，可一次性完成秧蔓切割、输送、粉碎和收集工作，机械化程度更高。在甘薯收获方面，我国科学家自主成功创制小型自走式薯类联合收获机，可一次性完成挖掘、输送、去土、去残秧、清选、收集工作，填补了我国联合作业机械技术的空白，但成本较高，还未实现大规模推广应用。

4 我国甘薯种植生产机械未来发展方向

与人工作业相比，甘薯机械的使用可提高工效3倍，机械收获生产效率可提高4 倍，机械收获比人工收获节约较多成本。由此可见，推行甘薯生产全程机械化对于发展国内甘薯产业、增加农民收入有着至关重要的作用。针对我国甘薯种植生产现状，本着农机农艺结合、优化现有技术、攻克难点痛点的原则，未来我国甘薯种植生产机械应逐步朝着智能化、多功能化、高效化和精细化方向发展，通过新技术的研发和推广应用，实现甘薯产业的高速发展。

4.1 以智能化技术实现种植生产的降本提效

智能化现代科学技术已经高速发展起来，甘薯种植行业也要充分利用这些先进技术。比如我国已经试验在起垄时增加导航技术，可以使垄型更直，垄距更均匀规范，而且作业效率也大大提高。提高甘薯综合机械化水平的重点在于播种和收获两个环节，需进一步将新技术、新材料、新工艺融入到播种、收获机械中。以信息化、智能化技术提高机器作业效率，提高产量和存活率。收获环节将减少漏薯率、伤薯率作为后续研发的重点，将仿生技术、机器视觉、人工智能等技术，应用于联合收获机的挖掘、收集以及土、秧、薯分离过程，实现高效低损伤收获。结合种植情况发展联合收获机械，提升分段单一机械与联合收获机械化设备的智能化水平。

4.2 以精细化管理实现种植生产的规范模式

我国甘薯种植面积大，不同地区种植模式存在较大差异，比如种植流程、垄型规格以及栽种方法均存在不同。这给统一规范使用机械带来了限制，研发出的机械难以适应不同的种植生产模式，机械与实际种植生产难以匹配。为提高机械的利用率，地形相似的种植区可以根据我国甘薯种植情况，栽培研究适应性广、存活率高、产量高的优良薯苗，规范化垄型如垄体、垄距等，并改进优化种植流程方法，尽量实现种植标准化，制定标准化的甘薯生产农艺技术规程，从而提升甘薯机械的普遍应用性。

4.3 以高效化理念实现种植生产的绿色科学

要坚持“因地制宜、适应发展”的理念。我国甘薯种植地形差异大，有地势平坦的平原地区，也有地势复杂的丘陵地区，有的地区土壤中砂砾较多，有的地区土壤比较黏重。针对丘陵山地，需要解决小型动力与机械配套问题；针对砂砾土质，需要解决甘薯机械易损坏、机具负荷大等问题；对于黏重土壤的地区，注意解决土薯不易分离、筛面堵塞等问题。考虑到统一适配型甘薯种植机械应用存在一定的难度，应充分考虑现实种植环境，不必盲目追求机械的功能多样，优化发展一批中小型功能单一、成本低、易操作的机械，重点克服目前使用的小型甘薯种植机械的缺点与不足，更好地推进机械化发展进程。要坚持“绿色可持续发展”的理念[10]，可以增加机械运转的多种功能，使机械不仅可以用于种植、移栽、施肥、收获等基本环节，还能辅助农民完成田间除草和病虫害防治工作，适应多种气候和土壤条件，满足不同需求的种植模式，提高甘薯品质和产量的同时，促进现代绿色农业生态的建设与维护。

4.4 以多功能拓展突破种植生产的技术困境

要大力推进新技术应用，可以将人工智能、物联网、大数据、云计算等新技术广泛应用到甘薯种植中，实现甘薯种植管理与作业的智能化。以“攻克机械分苗取苗难题”为例，甘薯裸苗移栽中需要高效准确地分苗取苗，目前一般采用人工操作，难以实现机械化，这降低了生产效率，增加了生产成本。由于甘薯苗枝叶混杂无序的特点，一般机械难以分辨识别。为解决这个问题，可以考虑融合现代视觉识别系统并配合机械手操作，将符合标准的甘薯苗形态输入系统，由视觉识别系统进行扫描确认，再通过机械手进行分离、传递，机械手设置挠性外套保护，避免出现伤苗现象。以多功能拓展突破甘薯种植生产的技术困境，促进甘薯产业高质量发展。