國內外馬鈴薯種植機械研究現狀

李 洋，王 楠，蒲連影，郭 勇

(1.中機美諾科技股份有限公司，北京 100083；2.現代農裝科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

馬鈴薯原產于南美洲，是一種世界性經濟作物，其分布廣泛，容易栽培，據聯合國糧食及農業組織(FAO)數據統計，全世界157個國家均有種植，種植面積達到1 946萬hm2，年產量3.7億t。馬鈴薯營養豐富，不僅可以當作糧食、蔬菜食用，還可以用作飼料和工業原料，營養價值高于一般糧食作物，富含大量淀粉、多種維生素和氨基酸等成分，單位面積蛋白質產量分別是小麥的2倍、水稻的1.3倍、玉米的1.2倍，被世界公認為“第二面包”和“地下蘋果”。

在我國，馬鈴薯也是繼小麥、水稻、玉米之后的第4大糧食作物，據統計，2020年我國馬鈴薯種植面積580萬hm2以上，總產量2 000萬t左右，是世界上馬鈴薯種植面積及產量最大的國家，自2015年原農業部提出啟動馬鈴薯主糧化戰略以來，馬鈴薯產業發展迅速[1-4]。馬鈴薯種植機械化水平不高一直是制約馬鈴薯產業發展的重要因素之一，本文介紹了國內外馬鈴薯種植機械研究現狀，指出關鍵技術難題，為相關單位研發馬鈴薯種植機械提供參考。

1 國外研究現狀

國外對馬鈴薯種植機械的研究較早，19世紀90年代，農民就開始使用一些簡易的農具從事馬鈴薯播種作業，這些農具結構簡單，馬鈴薯播種需要耗費大量時間和人工。20世紀50年代以后，發達國家對馬鈴薯種植機械進行了多次技術革新，憑借豐富的基礎理論、技術積累和實踐經驗，對種植機不斷改進，種植機械化程度不斷提高，形成了完整的技術體系，目前正朝著大型化、智能化、精量化和多功能聯合型方向發展。無論是作業速度、生產效率、工作性能、播種質量，還是機具的通用性和適應性方面，整體水平都比較高，這對降低重播率、漏播率、種子損傷率，以及提高產量有很大的促進作用[5-7]。

目前，國際市場上的馬鈴薯種植機械種類很多，技術水平差別較大，根據國家可分為兩個梯隊，第1梯隊以德國、美國、荷蘭、比利時和挪威為代表，他們主要生產大中型馬鈴薯種植機械，普遍采用4行、6行或8行播種，可一次性完成旋耕整地、噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序，同時具有播種監控及施肥量、播種量自動控制技術，結構復雜，配備了液壓電控系統，產品價格昂貴。第2梯隊以意大利、日本和韓國為代表，主要生產中小型馬鈴薯種植機械，與第1梯隊的國家產品相比，其結構簡單、功能單一，但做工精細、可靠性高。這些國家生產的馬鈴薯種植機械在結構、傳動形式和機電液控制系統等方面都有自身特色，技術水平在國際上處于領先地位。

德國Grimme公司生產的GL860 Compacta杯式8行馬鈴薯種植機械(圖1)，機身可折疊，不僅能夠在大型農場實現高效率作業，還可以靈活快速地轉換作業地塊；采用模塊化設計，提供多種選配功能，可以適應在不平地塊作業。配套動力110 kW以上，載種量6 t，行距、株距可調，通過功能選配組合，該機可與動力驅動耙或旋耕機組合使用，集松土整地和播種于一體，可以一次完成整地、噴藥、施肥、開溝、播種、起壟培土和壓壟等多道工序，播種效率高，非常適合大面積播種作業。由于采用牽引式結構，自身尺寸較長，為此配備了有仿形功能的犁式開溝器，保證播種深度一致；采用圓盤培土器，可選配壟成型裝置；提供3種尺寸的種杯適用于不同規格的種薯；攪龍式施肥系統，配合傳動比的調整，可以滿足不同土質對施肥量的要求。該種植機械還可選配帶有ISOBUS功能的CCI智能控制終端(圖2)，以滿足不同用戶對自動化作業的要求。

圖1 Grimme GL860 Compacta馬鈴薯種植機Fig.1 Grimme GL860 Compacta potato planter

圖2 CCI智能控制終端Fig.2 CCI Intelligent control terminal

德國Grimme GL32F型杯式2行馬鈴薯施肥種植機(圖3)，配套動力47.8 kW以上，懸掛式，載種量0.6 t，載肥量0.5 t，行距、株距可調，最大施肥量1 500 kg/hm2；可以一次完成噴藥、施肥、開溝、播種、起壟培土和壓壟等工序。該機另一特點是可以將施肥部件拆除，作為單一種植機械使用，型號變更為GL32E(圖4)。

圖3 Grimme GL32F型馬鈴薯種植機Fig.3 Grimme GL32F potato planter

圖4 Grimme GL32E型馬鈴薯種植機Fig.4 Grimme GL32F potato planter

GB系列是Grimme生產的帶式馬鈴薯種植機，該機區別于杯式種植機，主要通過橡膠帶和泡沫帶的摩擦力夾持種薯完成投種作業，播種精度高，適合播種未經篩選的、大小不一的種薯；可以實現更高的驅動速度，最高作業速度可達10 km/h，也可用于苗床播種作業。配套動力58.8 kW以上，安裝了液壓控制系統，通過CCI智能控制終端進行操作。代表機型有2行懸掛式GB215型(圖5)、2行牽引式GB230型(圖6)、3行懸掛式GB330型(圖7)和4行牽引式GB430型(圖8)。上述馬鈴薯種植機械液壓控制系統都需拖拉機具備向其提供連續40 L/min以上的液壓輸出能力，且對操作者技術水平要求高，在國內應用較少。

圖5 Grimme GB215型馬鈴薯種植機Fig.5 Grimme GB215 potato planter

圖6 Grimme GB230型馬鈴薯種植機Fig.6 Grimme GB230 potato planter

圖7 Grimme GB330型馬鈴薯種植機Fig.7 Grimme GB330 potato planter

圖8 Grimme GB430型馬鈴薯種植機Fig.8 Grimme GB430 potato planter

美國Double L公司生產的9500系列馬鈴薯種植機(圖9)，配套動力88.2 kW以上，可選4行、6行或8行播種，一次作業完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序。美國Lockwood公司生產的506P型6行馬鈴薯種植機(圖10)在播種速度和精度方面與老款機型相比有很大改進，作業效率更高，由液壓控制系統自動控制。

圖9 Double L 9560型馬鈴薯種植機Fig.9 Double L 9560 potato planter

圖10 Lockwood 506P型馬鈴薯種植機Fig.10 Lockwood 506P potato planter

挪威Underhaug公司生產的UP3760型6行馬鈴薯種植機由液壓馬達提供動力，通過可編程控制器調節施肥量和播種株距，載種量6 t，肥箱容積2 t，可滿足超長距離播種作業；播種作業速度可達6 km/h以上，作業效率高。其他產品還有UP3740型4行馬鈴薯種植機(圖11)，采用同樣的液壓馬達驅動和電控系統，保證種植精度的同時，實現高效率作業。挪威Kverneland公司生產的馬鈴薯種植機以中、小型為主，可選配噴藥、施肥裝置；配備漏播監測、電子控制等電氣裝置，結構較復雜。同類水平的機具還有荷蘭APH集團生產的Marathon TH系列及Miedema CP系列馬鈴薯種植機，以及一些超大型機具，如Harriston 6行和8行種植機(圖12)。

圖11 Underhaug UP3740型馬鈴薯種植機Fig.11 Underhaug UP3740 potato planter

圖12 Harriston 6-Row型馬鈴薯種植機Fig.12 Harriston 6-Row potato planter

意大利Spedo公司生產的馬鈴薯種植機以小型機為主，機身結構緊湊、操作方便，一次作業可完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等工序，行距可在60～90 cm內進行多級調節，對播種面積的適用性好。

綜上所述，國外馬鈴薯種植機械結構復雜、實現多種功能集成且作業效率高，配備完善的液壓控制系統、漏播監測及報警系統；需要配套拖拉機功率大，要求操作人員素質高，產品銷售價格昂貴，導致作業成本高；多數采用牽引式，作業行數在6行以上，只適用于大面積播種地塊。

2 國內研究現狀

雖然我國馬鈴薯生產面積和產量均居世界第一，但是馬鈴薯機械化播種率只有20%左右。我國對馬鈴薯種植機械的研制工作起步較晚，20世紀50年代末至60年代初，國內開始研究馬鈴薯種植機械。為了滿足馬鈴薯產業發展需要，研制初期，我國引進了國外的一些馬鈴薯種植機械進行仿制，但由于國外馬鈴薯育種形成了標準化生產，絕大多數采用整薯播種，因此，種植機械的播種部件對標準種薯的適應性強，播種質量較高。而我國在馬鈴薯種植時，多為種薯切塊種植，在1塊或幾塊種薯同時進入播種部件時，出現重播、漏播等嚴重問題。為此，國家連續在“十五”、“十一五”科技攻關，“十二五”行業科技和“十三五”重點研發計劃4個五年計劃中都為馬鈴薯播種裝備設置了科研項目。

結合農藝要求，馬鈴薯機械化播種作業時，要求設備可以一次性完成噴藥、施肥、開溝、播種、覆土起壟和覆膜等作業。在提高播種質量和效率的同時，有利于后續的田間管理及收獲轉運等機械化作業。播種部件是馬鈴薯種植機械的核心部件，根據工作原理，可將播種部件分為勺式、氣力式、帶式、轉盤式和針刺式等。

①針刺式播種部件是馬鈴薯種植機較多采用的播種部件，其取種結構對種薯的大小適應性較好，既能播種整薯也能播種薯塊。但針刺式播種部件在取種時將刺針插入種薯，造成種薯破損，刺針上或種薯表皮上攜帶的病菌容易感染種薯，刺針在取種時也易損壞，目前已基本淘汰。②轉盤式播種部件對種薯形狀大小沒有要求，且播種過程不會對種薯造成損傷，漏播率和重播率低，但需依靠人工放種，勞動強度大。③帶式播種部件播種精度高，適合播種未經篩選的、大小不一的整薯，不適應國內大多數種植農藝要求；由于是仿制，關鍵技術應用不成熟，還需加大研發力度。④氣力式播種部件主要用于種植微型薯，播種部件結構復雜，對于微型薯的形狀大小、單體質量要求嚴格，播種前需要將微型薯按質量大小分類，不能混合在一起播種，否則無法控制漏播率和重播率。⑤勺式播種部件是目前世界上馬鈴薯種植機具應用最為廣泛的播種部件，結構簡單、調節方便，由驅動機構、多個取種碗和導種管、種箱、振動裝置和張緊機構等組成。其中取種勺通過種勺固定背板由螺栓固定在傳動鏈條或夾線橡膠帶上。勺式種植機具有可靠性高、造價低、株距可調和可適用于不同株行間距播種的要求等優點[8-9]。

目前，國內馬鈴薯種植機大都采用勺式播種裝置。如中機美諾科技股份有限公司生產的1240型懸掛式4行馬鈴薯種植機(圖13)，適用于大面積機械化作業，可一次完成噴藥、施肥、開溝、播種和起壟培土等作業；采用攪龍式施肥裝置，可滿足大施肥量作業要求，采用犁式開溝器和圓盤覆土器；勺式播種部件采用先進的勺帶驅動方式，減少打滑率；振動裝置可選裝機械式或高頻電機式，有效降低漏播率和重播率，提高播種精度；配有噴藥系統，可為馬鈴薯種在入土前進行消毒處理。配套動力88.2 kW以上，載種量1.5 t，載肥量0.6 t，行距80～90 cm可調，株距12～47 cm，施肥量0～1 800 kg/hm2，重播率<5%，漏播率<3%，作業效率可達1.0～1.8 hm2/h，適合大規模播種作業，有效減輕勞動強度，提高勞動生產率，降低生產成本，綜合效益高。與其類似的機型還有黑龍江德沃科技股份有限公司生產的2CMZ系列馬鈴薯施肥種植機(圖14)、山東希成農業機械科技有限公司生產的2CMX-4B型4行馬鈴薯種植機(圖15)[10]。

圖13 美諾1240型馬鈴薯種植機Fig.13 Menoble 1240 potato planter

圖14 德沃2CMZ型馬鈴薯種植機Fig.14 Dewo 2CMZ potato planter

圖15 希成2CMX-4B型馬鈴薯種植機Fig.15 Xicheng 2CMX-4B potato planter

青島洪珠農業機械有限公司生產的2CM-1/2型大壟雙行覆膜馬鈴薯種植機(圖16)，采用3點懸掛機構、鏈勺式播種裝置，中部設有補種座供工作人員補種時使用，后部除標準配置的起壟覆土裝置外，還設有鋪膜、鋪設滴灌管等裝置。其工作深度8～15 cm，播種行距24～28 cm，株距20～35 cm，施肥量0～1 200 kg/hm2，且這些參數均可調，提高了機具的適應性，配套動力22 kW以上。

圖16 洪珠2CM-1/2型馬鈴薯種植機Fig.16 Hongzhu 2CM-1/2 potato planter

對比國內外馬鈴薯種植機械發展現狀可知，我國現階段使用和生產的國產馬鈴薯種植機械還處于純機械式作業階段，在機械結構、作業性能方面，差距已經逐漸縮小，零部件的選材、制造工藝也逐漸接近發達國家水平，在價格上比進口種植機械有優勢。但是，在電控系統、液壓控制系統等研發方面成果較少，市場應用屬于空白狀態[11-13]。

3 關鍵技術難題

(1)針對我國馬鈴薯播種作業過程重播率、漏播率偏高的難點和瓶頸，無法滿足精密播種和高產要求的現狀，研究播種理論，分析播種部件投種過程，研究種薯的運動特征，實現單粒精量播種。

(2)針對施肥過程缺乏配混施肥技術的問題，開發均勻混肥裝置，控制不同元素肥料的供應量，實現多種肥料配混，實現按需施肥。馬鈴薯種肥播施與作業速度不同步造成播種排肥量不一致、穩定性差，實時獲得速度信息決策種肥同步施用控制，是解決這一問題的關鍵。

(3)依據現有配套動力拖拉機液壓系統的性能，為馬鈴薯種植機設計與之匹配的液壓控制系統。

4 結束語

論述了馬鈴薯種植機械的國內外研究現狀，分析了現有馬鈴薯種植機械在國內作業的基本情況和遇到的問題。國外馬鈴薯種植機械技術先進，但是價格昂貴，結構設計也不符合我國國情；國內馬鈴薯種植機械產品質量層次不齊，機具質量和適應性有待進一步提高。提出了國內馬鈴薯種植機械需解決的關鍵技術難題，為開發適合我國國情的馬鈴薯種植機械提供參考和發展方向。