蓮藕人工采挖和機械采挖技術

劉義滿 柯衛東 黃新芳

蓮藕人工采挖和機械采挖技術

劉義滿 柯衛東 黃新芳

導讀：隨著農村勞動力結構的老齡化程度加劇，蓮藕采挖困難與蓮藕產業發展之間的矛盾越來越突出。因此，如何減輕蓮藕采挖勞動強度、使蓮藕采挖環節更加省力和高效，成了蓮藕從業者不斷思索和探討解決的問題。蓮藕機械采挖非常切合當前蓮藕產業面臨的實際問題。蓮藕采挖機械化問題不解決，再過15年左右，估計蓮藕會成為稀有蔬菜，價格會比肉貴。

1 蓮藕產品在地下的分布特點

蓮藕產品器官是膨大的根狀莖，其結構分為主藕、子藕（部分藕支還有孫藕），主藕又分為藕梢、主段藕及藕頭。蓮藕產品器官的形成，即主藕、子藕的發生與生長規律性很強，主藕節段數與子藕支數、子藕在主藕上的著生部位與子藕節段數、主藕與子藕分布方向和位置等均具有規律性。就蓮藕產品器官的垂直分布而言，傳統品種入泥較深，深者達1 m以上；現代品種入泥較淺，一般深30～50 cm。就蓮藕產品器官群體的水平分布而言，不同的藕支在田間的分布沒有明顯的規律，呈隨機分布。一般品種產量2 500 kg/667 m2、單個整藕質量3～4 kg計算[1]，則整藕分布密度為0.94～1.25支/m2，平均約1支/m2。至于單個整藕藕支，占地面積一般1 m2以下，水平著生，分布規律明顯。只要找到藕支中的藕梢、藕頭、主段藕、子藕及葉簪等任何一個部位，則很容易判斷該藕支其他部位的大致分布位置。而且，藕支在地下分布位置與立葉著生也有明顯的關系。采挖過程中，如何找到藕支在地下的確切分布位置，如何判斷單個藕支在地下的分布狀況，具有一定的技術性，也需要較豐富的實踐經驗。

圖1 蓮藕人工采挖器具———挖藕鍬

圖2 挖藕鍬在蓮藕人工采挖中的應用

2 采挖期的藕田及蓮藕產品狀態

根據采挖期蓮藕田水量的多少，可以分為干田和帶水田。干田指采挖前放干田水，由于干田土壤相對板結，一般采挖效率較低。不過，干田狀態下，男女老幼均可下地采挖，相對便利一些，干田采挖的情況在西南地區及北方部分產區較多。帶水田指采挖期間保持一定水量，根據采挖習慣、采挖方式及土壤質地等不同，田間保持的水量不同，一般保持水深3～30 cm，也有保持更深水深的。帶水田的泥層松軟，容易采挖，湖北及長江流域地區基本都是帶水采挖。

根據采挖期蓮藕產品狀態，可分為菜用藕和種用藕（即菜藕和種藕），二者又可分別分為青荷藕和老熟藕。湖北地區菜用青荷藕采收期一般在6月中下旬至7月下旬（設施早熟栽培時可以提早到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“淺水栽培、深水越冬、延遲采收”模式時，采收期可以延遲到翌年6月中旬）；種用青荷藕與菜用青荷藕采收期一致（對青荷藕“采大留小”，其中的“大”即指相對較大的藕支，作菜用，“小”即指相對較小的藕支，作種用），種用老熟藕采收期一般在3月中旬至4月下旬。

傳統上，不論干田還是帶水田的蓮藕，均采用人工采挖。近10年來，隨著蓮藕采挖機械的應用，機械采挖比例不斷上升。不過，采挖機械主要在菜用青荷藕采收后期及菜用老熟藕采收中應用，并且只在帶水田內進行，種藕仍以人工采挖為主。

3 蓮藕人工采挖及挖藕工年齡結構分析

蓮藕人工采挖時，使用的器具為專門的挖藕鍬（圖1、2），不同地區的挖藕鍬形狀有所不同，但大同小異，基本要求是便于翻挖藕周泥土和少量舀水。人工采挖的優點是可以保持藕支的完整，特別是種藕對藕支的完好程度要求較高，要求頂芽不受損傷，而且表皮機械傷要少、要小，目前大多采用人工采挖。人工采挖的缺點是勞動強度大，效率低。就勞動強度而言，以蓮藕入泥深度30～50 cm計，則泥土翻挖量200～330 m3/667 m2。通常，人工采挖時每667 m2需要人工10～12個，每個人工平均挖藕200～250 kg，則每個人工翻挖的泥土量平均約25 m3。

應該說，由于蓮藕采挖勞動強度過大，導致挖藕工新生力量來源缺乏，使得挖藕工年齡老化程度越來越明顯[2]。2011年，筆者曾經在湖北省武漢市郊區的6個蓮藕采挖現場調查過挖藕工的年齡，共調查56人，全部為男性，分別來自湖北省漢川市、鄂州市、武當山、嘉魚縣及武漢市新洲區，結果平均年齡51.16歲，最小的37歲，最大的67歲，其中45歲以上年齡的人占73.21%。與筆者所在工作單位有長期合作關系的湖北省漢川市的一個專業蓮藕采挖隊，共有成員40多人，1994年該采挖隊成員中約有一半人年齡在30歲以下，但2014年該采挖隊中年齡最小的為42歲（只有1人），其余都在45歲以上（其中50歲以上成員約占2/3）。也就是說，近20年來該采挖隊基本沒有新增加過年輕人，只有成員不斷老病退出。挖藕工隊伍后繼乏人，是蓮藕生產環節，甚至是整個蓮藕產業必須面對的問題，實現機械化采收是未來蓮藕產業發展中必須解決的關鍵性問題。

4 蓮藕機械采挖

4.1 原理

所謂蓮藕機械采挖，實際上是高壓水沖挖采收，應用高壓水切割、破碎、沖刷蓮藕產品周圍土壤，讓蓮藕自行浮出水面或借助人工取出。采用高壓水沖挖代替人工翻挖，不僅可降低勞動強度，而且可提高勞動效率。

4.2 我國蓮藕采挖機械發展歷程

蓮藕機械化采挖（高壓水槍沖挖）技術，最早在日本開始應用，我國部分地區曾經引進利用過。日本挖藕機有不同型號，每667 m2采挖時間為2.5～4 h。不過，日本農民仍然以手持水槍沖挖、人工輔助掘取為主，每天采挖量500 kg以上[3，4]。

我國蓮藕采挖機械研究始于20世紀70年代，由當時的華中農學院（現華中農業大學）、武漢工學院（武漢理工大學前身之一）等大學和科研單位進行。當初設計思路是模仿人工采挖蓮藕的動作，用機械手采挖，但樣機試驗效果差，采挖速度慢，蓮藕損傷重，商品率低[5]。1984年，武漢工學院的李凡愛也發表過有關挖藕機研究的文章[6]。

1998年，武漢市科委（現武漢市科學技術局）立專項攻關，采用水壓力沖刷原理研制出樣機，并進行田間試驗，但采藕效率低，存在傷藕問題[5]。

1999-2001年，武漢市農機服務總站、華中農業大學農業工程技術學院及江蘇省南通市江華機械有限公司聯合研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機。該挖藕機由田間自走式水力作業機和岸邊水泵機組2部分組成，中間由供水軟管連接。岸邊水泵機組從有水源的田間取水。水力作業機前端配置噴槍，噴射高壓水流，沖開泥土，蓮藕露出。主噴管直徑有30 mm、25 mm及20 mm 3種。噴桿由液壓電器控制左右擺動，擺幅3 m，采挖效率約為667 m2/天。4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機帶履帶式行走裝置，作業部分與動力部分分開，結構松散、繁雜，機動性差，水力系統管路長，功耗損失大，僅能在小面積藕田作業，且挖取的蓮藕完整率低，未推廣應用[4，7]。

2002年，湖北省宜城市農業機械化管理辦公室開發的船式自動挖藕機通過省級技術鑒定。船式自動挖藕機的動力機與掘挖機成一整體，工作時排水、挖藕、洗凈等環節連續作業，一次完成。該挖藕機挖藕深度可達0.7 m，作業幅寬3.6 m，采藕無損傷[8]。

2002年，重慶北碚騰龍機械廠開發出騰龍牌tlsj2-1型多功能水田掘藕機。據介紹，該機具有體積小、質量輕、需1～2人操作，挖藕速度50～75 kg/h[9]。

2004年，山東省微山縣微山湖挖藕機械制造廠生產出4CW-2.6型船式挖藕機。4CW-2.6型船式挖藕機由動力機械、高壓水泵、噴射裝置、挖藕支架、行走控制系統、液壓操作機構和船身組成。工作時，船體懸浮或半懸浮水中，在船內完成吸水、加壓噴射、挖藕控制、行走等全部工序。該機工作寬幅2.6 m，適應水深0.3～1.3 m，采挖667 m2需2～3.3 h[10～12]。

2005年，湖北省襄樊市航鷹航空科技有限責任公司成功研制液壓操縱水力挖藕機（4CWOJ-4000型船式自動挖藕機），曾被列為2006-2007年度湖北省農業科技計劃項目。該機工作時可漂浮或半漂浮于帶水藕田。船體外形尺寸5 500 mm×1 800 mm× 600 mm，總質量2 000 kg以下，半漂浮狀態下可在150 mm水深中工作。在陸地上可安裝膠輪，在一般機耕路上轉運。液壓操縱水力挖藕機由柴油機、水泵、水力管路系統、液壓系統、升降擺動機構、高低噴頭采挖機構、液壓驅動速度控制裝置和船體等組成。其中，水泵（選用6SH-6型水泵）直接與柴油機（選用4102QB柴油機）相連，選用帶液壓泵接口的柴油機為整機提供液壓動力，各種操作全部由液壓控制。水力管路系統集中在船內，取水口開在船體兩側貼近船底處，吸入的水加壓后引至船頭的2排4組高低噴頭內。高噴頭沖刷表層泥土，低噴頭沖刷蓮藕。液壓系統分別控制升降擺動機構和液壓驅動速度控制裝置，調整噴頭工作高度，使高低噴頭自動均衡地往復擺動，船體勻速向后行走，蓮藕自動浮出水面。噴頭升降擺動機構由翻轉支架、升降滑動支架、水平擺動支架和噴頭連接支架構成。其中，翻轉支架由翻轉油缸控制，選用1個LA50液壓缸，行程400 mm，用于調節噴頭的工作角度和在不工作時將整個噴頭升降擺動機構翻于船內；升降滑動支架由升降油缸控制，選用1個LA50液壓缸，行程600 mm，用于調節噴頭的工作高度。翻轉和升降油缸設定工作壓力≤10 MPa；水平擺動支架內裝有左、右2個噴頭連接支架，由擺動液壓缸控制，選用1個LA32型液壓缸，行程400 mm，設定工作壓力≤5 MPa，擺動頻率為7～10次/min。高低噴頭采用高、低2排（左右）4組噴頭，每組4個噴嘴，噴嘴間距400 mm，低噴頭與高噴頭的相對高度在±200 mm范圍內可調。高低噴頭裝在左、右2個噴頭連接支架上，由擺動液壓缸驅動，實現水平往復運動，作業幅寬為3.2 m。不安裝低噴頭時可將單排噴頭改為每組7個噴嘴，作業幅寬可增加至5 m。選用LEE'S噴嘴設計，并參考了自激震振脈沖射流的工作原理。挖泥深度在加裝高低噴頭時可達0.5～0.8 m，不裝高低噴頭時為0.2～0.5 m。液壓驅動行走裝置安裝在升降滑動支架上，可隨噴頭一同調節升降，選用一個QJM型低速大扭矩液壓馬達，設定工作壓力≤10 MPa。驅動行走的液壓馬達輸出扭矩154 N·m，轉速在5～100 r/min范圍內可調，通過鏈輪與驅動滾輪相連，使整機勻速行走。該機采挖速度為167～416 m2/h[4，13]。

2007年，南京農業大學設計出4SWJ-1型船式水力挖藕機，由動力輸出裝置、蓄水裝置、牽引裝置、擺動裝置、工作執行機構和船體等6部分組成。動力輸出裝置主要由柴油機、輸出軸和液壓泵等構成；工作執行機構包括水泵、分水器和噴頭等，其中分水器和噴頭由消防軟管連接，工作時水泵將高壓水輸送至噴頭沖挖蓮藕；牽引裝置由液壓馬達提供動力，其輸出軸與減速器采用鏈傳動，通過改變液壓馬達排量來實現對行走速度的調節；擺動機構用來固定液壓缸、滑道和分水器，通過高壓噴頭的左右擺動而達到一定的工作幅寬。4SWJ-1型船式水力挖藕機由柴油機提供動力，采用液壓系統完成擺動及前進動作，可以保障挖藕機運行工位的穩定性和準確性。該型挖藕機的配套動力為楊動YSAD380型柴油機，水泵型號IS100-65-200A，液壓泵型號CBN306，液壓馬達型號BM-50，液壓缸型號HSG*01-50/dE，前進速度1.74 m/min，擺動頻率12 r/min（擺幅0.2 m），作業幅寬120 cm，噴嘴直徑12 mm[14]。

2008年，華中農業大學工程技術學院研制成功4CWO-3.2型船式挖藕機。4CWO-3.2型船式挖藕機包括船體和安裝在船體上的動力機、水力裝置、傳動裝置以及操作裝置等。發動機動力經分動箱一部分傳遞給水泵，另一部分經錐齒輪箱傳遞給變速箱。水泵汲水并泵至噴嘴，噴嘴深入水下貼近泥面往復運動，切割、粉碎、推移泥土，使蓮藕浮出水面。變速箱將動力傳遞給行走葉輪和雙螺旋器，行走葉輪回轉，驅動船體水平移動；雙螺旋器回轉，通過滑道和滑桿帶動吊桿下端的噴嘴做往復移動。噴嘴在水下的位置、移動頻率和角度均可調整。4CWO-3.2型船式挖藕機的噴嘴為圓錐形，噴嘴孔為圓柱形。噴嘴數為6個，噴嘴往復工作行程450 mm，移動速度0.09～0.18 m/s，工作周期5～10 s，最大工作幅寬3.2 m；選定的水泵為6SH-6型離心泵（流量126 m3/h，揚程84 m），滿足作業要求（噴嘴出口水柱壓力0.5～0.7 MPa）；選定的動力為QC490（DI）型直噴式柴油機，最大扭矩及相應轉速為149.7 N·m和2 240 r/min，標定功率45.6 kW（可配置動力45～60 kW）。該機適宜水深0.2～1.8 m，最大挖藕深度0.8 m，作業行駛速度0.5～1.97 m/min，采挖速度100～400 m3/h[15，16]。

2009年，南京農業大學碩士研究生王維在導師姬長英的指導下，通過實施江蘇省農機三項工程項目 《田藕機械化生產及產業化開發》，成功研制4SWO-1.2型船式水力挖藕機。該機整體造價低于國內同類產品，挖藕效率為人工挖藕的10倍以上[4]。

2009年，湖北省武漢興盛農機技術開發有限公司研制出浮筒鴨嘴式挖藕機。浮筒式挖藕機主要由底座、發動機、水泵、儲壓室、高壓水槍和框架等構成。底座由浮筒、濾網和儲水室焊接組成；水泵和發動機固定在框架上，高壓水槍嵌裝在底座預留空間，直接與水泵出水口連接；射流噴頭安裝在高壓水槍底部。工作原理是發動機驅動水泵將藕田中的水經過濾后增壓輸送至高壓水槍，而后經安裝在高壓水槍底部的射流噴頭形成射流，反復沖刷泥土，直至蓮藕自動浮出水面。在作業過程中，操作人員只需掌握框架扶手，把握方向，挖藕機靠射流噴頭的液力驅動自走。武漢興盛農機研發公司研制的浮筒鴨嘴式挖藕機體型小巧，移動便利，僅需1人操作，挖藕速度為100 kg/h以上。作業前要求清除田間藕稈和藕葉，作業適宜的藕田泥面平整度高低差不大于3 cm、水深20～30 cm、蓮藕入泥深度不超過45 cm[17，18]。

另外，湖北、山東、河南、江蘇、浙江、四川等地許多個人或公司也進行過挖藕機的研制或改制工作。

圖3 船式挖藕機整體應用（照片引自參考文獻13）

圖4 浮筒式挖藕機整體應用（照片引自參考文獻18）

圖5 蓮藕采挖機械漂浮式應用

4.3 我國蓮藕采挖機械的應用情況

從挖藕機的裝置組成來看，主要有浮栽裝置（船體或浮筒）、動力裝置、高壓水泵、分水器和高壓噴嘴（噴頭）、操作裝置、行走裝置等，其中動力裝置和高壓水泵通常組成水泵機組（又分為柴油水泵機組、汽油水泵機組和電動水泵機組）。根據挖藕機的浮栽裝置，可分為船式挖藕機和浮筒式挖藕機，通常船式挖藕機的裝置組成比較復雜，自動化程度較高，但在生產實踐中應用較少；而浮筒式挖藕機的裝置組成較為簡單，自動化程度較低，但在生產中應用較多。蓮藕產區在應用機械采挖時，對挖藕機械的實際應用情況大致可以分為4種：①船式挖藕機整體應用（圖3），作業時自動移動，無外延長水管，操作人員不需下水即可作業[13]；②浮筒式挖藕機整體應用（圖4），作業時自動移動，無外延長水管，操作人員需下水作業[17，18]；③水泵機組（或動力機與水泵分離）漂浮式應用（圖5），可在藕田內漂浮移動，作業過程中按需固定，具外延長水管，操作人員需要下水手持噴頭沖挖采收作業；④水泵機組（或動力機與水泵分離）岸基固定式應用（圖6），在藕田岸邊陸地固定，作業過程中按需移動，具外延長水管，操作人員需要下水手持噴頭沖挖采收作業。

湖北地區應用較多的是水泵機組（或動力機與水泵分離）漂浮式應用和水泵機組（或動力機與水泵分離）岸基固定式應用，其中水泵機組（或動力機與水泵分離）漂浮式應用中的浮栽裝置為支撐框架、浮筒或具有浮栽作用的塑料泡沫等，動力機采用柴油機或電動機，外延長水管（軟管）一般長50 m、內徑4 cm。每條外延長水管終端接1個噴頭，噴頭內徑2 cm，由挖藕人在田間手持噴頭沖挖采收蓮藕。通常2 237.1 W的柴油機帶動1個噴頭，5 965.6 W的柴油機帶動2個噴頭（外延長水管由分水器與水泵連接）。由于采用了外延長水管，水泵或水泵機組可以設置在水體較深的局部地塊，便于取水，而采挖人員只需手持噴頭沖挖采挖蓮藕，該機械對藕田適應性較強，缺點是操作人員需要下水作業，勞動強度仍然較大。一般每采挖667 m2需要2～3個標準工。

4.4 蓮藕采挖機械發展方向

提高蓮藕采挖效率的研究，主要應從品種、土壤或基質、藕田設施及采挖機械等4方面進行。就品種而言，在保障品種有較高的食用品質和商品品質的前提下，主要要求品種的農藝性狀與采挖機械相適應，具有較高的機械適采性，如蓮藕產品的垂直分布較淺（入泥較淺）、水平分布聚集性更好等；就土壤或基質而言，要求通過土壤選擇與改良或基質配制與篩選，在滿足蓮藕生長發育的前提下，更有利于采挖機械性能的發揮；就農田設施而言，要求更加有利于挖藕機械行走和作業；就采挖機械而言，要求進一步提高機械的采挖效率和自動化、智能化及便利化水平，進一步提升采挖機械對蓮藕品種農藝性狀、種植土壤或基質以及對藕田設施的適應性，進一步提高采挖產品的完好率等。

從我國蓮藕采挖機械的研制歷程來看，最初考慮得比較復雜，設計上對自動化程度要求較高，但試制的樣機或多或少有些不足之處。相對而言，自動化程度相對較高的挖藕機，實用中存在的問題也較多，應用得也較少；而自動化程度相對較低的挖藕機，應用中存在的問題也較少，用得也較多。但是，實際中使用得多，并不一定代表蓮藕采挖機械發展的方向。筆者認為，未來蓮藕采挖機械的性能方面，應該包括下面幾個方面：①能適應不同的季節變化和天氣變化；②能適應不同水深（15～180 cm）；③能適應較深的產品入泥深度（80 cm）；④能夠自動行走；⑤具有較好的操控性能和舒適性，自動化、智能化及便利化程度較高，做到蓮藕采挖操作人員不下水作業；⑥能夠自行收集采挖的產品；⑦采挖的產品具有較高的完好率，藕表破損率和芽頭損傷率低；⑧盡可能實現挖藕機功能的多樣化。

圖6 蓮藕采挖機械岸基固定式應用

從我國勞動力結構變化情況以及人們對生產省力化和高效化的要求來看，在開闊的淺水藕田或湖塘蓮藕種植區，盡管目前的生產實踐中蓮藕船式采挖機應用程度較低，但自動化、智能化及便利化的船式采挖機應該是蓮藕采挖機械發展的方向；在經濟條件較好的蓮藕種植區，筆者設想，設計建設較為完備的藕田設施，按照一定間隔（譬如5～8 m）建設固定軌道或硬化田埂 （投入不會高于旱生蔬菜的溫棚設施），以之作為蓮藕采挖藕機械的行走軌道，實現軌道式行走采挖，則可能更加省力、高效和便利。目前，對于已經采用硬化池（田埂硬化和池底硬化）或軟底池（田埂硬化和池底鋪膜）種植蓮藕的地區，可以考慮設計軌道行走式采挖機械。

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[18]饒超翻.父子倆發明新型挖藕機[N].楚天金報，2006-11-30（31）.

補充說明：

本刊2014年第17期總第367期 （9月上）《大棚蠶豆—慈姑水旱輪作栽培技術》一文，補充基金項目：現代農業（蔬菜）科技綜合示范推廣項目（編號：SXGC[2013]136）；對給讀者帶來的不便深表歉意！

國家支撐計劃項目“水生蔬菜高效生產技術研究與示范”（2012BAD27B00）

劉義滿，武漢市蔬菜科學研究所，湖北省水生蔬菜科學研究所，武漢市洪山區張家灣街1號，430065，E-mail：Liuyiman63@163.com

柯衛東，黃新芳，武漢市蔬菜科學研究所，湖北省水生蔬菜科學研究所

2014-08-25