西南丘陵山區馬鈴薯全程機械化生產現狀及存在的問題

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

1 馬鈴薯生產現狀

1.1 宜機化馬鈴薯品種

目前，國內外馬鈴薯品種選育方面的研究集中在品質、抗病性、環境適應性、生長穩定性及產量提升等方面。針對丘陵山區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，以及重慶市農業技術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域廣泛種植。

1.2 馬鈴薯生產技術現狀

國內外馬鈴薯機械化生產技術研究主要是通過機械化手段將先進的農藝技術運用于生產實踐，最大程度地提升農作物產量，節省人力物力，提高經濟效益。

北方一作區、中原二作區、西南一二季混作區和南方冬作區是我國馬鈴薯種植的4 個主要區域[6]。由于地處丘陵地區、耕地細碎、山地和陡坡種植面積占比高，西南一二季混作區無法采用大型機械，當前又缺乏適合南方生產作業的小型機械，因而西南地區馬鈴薯種植的機械化程度低，大部分采用人力作業。由于西南丘陵山區復雜的地理環境，不同馬鈴薯生產區種植模式不一樣，種植技術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作物，西南地區主要采用馬鈴薯、玉米間作套種模式，能有效提高單位面積產出與經濟效益[7]。

1.3 馬鈴薯生產裝備現狀

1.3.1 播種作業技術及裝備

提升馬鈴薯產量和質量的重點在于采用馬鈴薯專用播種技術與裝備以改善播種質量[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，馬鈴薯排種技術是影響播種質量的關鍵。根據馬鈴薯種薯（切塊薯、整薯、微型薯）類型，國內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、轉盤式、針刺式、指夾式等[9]。

西南丘陵山區播種作業中，帶（鏈）勺式馬鈴薯排種器應用最為廣泛，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，繼續向上運動至清種區域，清種裝置去除種勺內多余種薯，保證每個種勺內只有一個種薯，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，完成一次播種作業[10]。

1.3.2 植保作業技術及裝備

根據行走動力方式的不同，丘陵山區傳統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、不受地形限制的優點，但作業效率低、作業強度大、噴施質量不易保證，對人體危害性大。根據不同的噴藥機構，機動式施藥機分為風炮式、塔式、圓環式及柔性導管式等，以牽引懸掛方式安裝在動力行走機械上，極大提升了作業效率，減少農民勞動強度，同時提高了農藥噴施均勻度。

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

1.3.3 收獲作業技術及裝備

根據技術原理和結構，馬鈴薯收獲機可分為輕簡型挖掘機、分段式收獲機和聯合收獲機[11]。在西南丘陵山區應用較為廣泛的是輕簡型挖掘機和分段式收獲機。

輕簡型挖掘機結構簡單，適用于疏松土質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，易使膠質層破裂而產生損傷。

分段式收獲機作業工藝流程一般為殺秧?松土?挖掘?分離?鋪放?撿拾，殺秧和收獲作業分段進行，使用殺秧機和收獲機單獨作業。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構。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，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 田間轉運作業及設備

國內丘陵山區田間轉運設備可分為簡易田間轉運車、牽引式田間轉運車和履帶式田間轉運車[14]。

簡易轉運車結構簡單，制作成本低，工作效率低。牽引式田間轉運車由拖拉機牽引，操作方便，工作效率高，適用于平整大田。傳統履帶式田間轉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，下坡制動系統負擔大，發熱嚴重，安全性差。

2 馬鈴薯生產問題分析

2.1 宜機化品種短缺

針對丘陵山區宜機化品種短缺的問題，應大量引進國內外優質宜機化品種，并結合當地優秀品種進行選育。選育后的宜機化品種在薯塊外觀上，應具有薯形規整、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；在種薯質量上，應具有大小分級、規格一致的特點。這些優質性狀能夠顯著改善馬鈴薯播種、收獲等關鍵環節的漏播、高損傷現象，將為丘陵山區馬鈴薯產業持續發展、促進農民增收提供重要保障。

2.2 生產農藝與機械化生產技術不匹配

目前，西南丘陵山區廣泛應用的間作套種模式農藝技術與當前機械化生產技術并不協調，開展西南丘陵山區馬鈴薯機械化生產技術及區域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產模式，制定丘陵山區馬鈴薯全程機械化生產技術規程，是西南地區馬鈴薯生產的必然趨勢和當務之急。考慮間作套作種植模式存在的問題，根據丘陵山區馬鈴薯生產的地理環境、土壤條件，宜采用凈作大壟雙行的種植模式，與傳統種植模式相比，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量，充分發揮邊際效應，具有保墑、保肥、保溫等優點。

2.3 精量播種作業效率及作業質量較低

馬鈴薯機械化播種的作業質量、效率是影響其產量的關鍵要素。國內機型主要為中小型，自動化、智能化程度較低，機構相對簡單，制造成本相對較低。西南丘陵地區地形復雜，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。

基于現有切塊薯播種機結構，研究排種器取種、送種運動特性，構建切塊薯?排種裝置?土壤的互作模型，分析基于離散元模擬排種作業過程，明確切塊薯單粒排序落種作業機理，實現高速作業下切塊薯的均勻有序排種。研發實時漏播監測補種機構及控制系統，在現有排種技術基礎上進行精確補種裝置的結構創新，基于單片機/PLC、傳感器、電磁等技術進行自動精確補薯控制技術研究，將先進制造技術融入排種器中，能夠提升馬鈴薯播種作業效率和作業質量。

2.4 植保作業機動式機械進出場難

近年來，無人機植保技術因不受作物種類、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應該引入氣候監測系統和飛行微控制系統，實時傳輸無人機工作數據，精確化控制無人機植保作業。

2.5 收獲作業高功耗及高損傷

西南丘陵山區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。現有的馬鈴薯收獲作業裝備作業功耗大、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，使用仿生減阻、振動減阻等技術手段，實現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環節進行研究，從挖掘?篩土?輸送提升?收集等各環節降低收獲機械對馬鈴薯塊莖的損傷程度。

2.6 田間轉運作業設備適應性差

簡易田間轉運車效率低；牽引式田間轉運車由拖拉機牽引，適用于平整大田；傳統履帶式田間轉運車的貨廂傾斜易引起貨物堆積，導致上坡耗能增加，下坡制動系統發熱量大，安全性差。針對丘陵山區馬鈴薯收獲作業后田間轉運設備適應性差的問題，宜采用帶液壓控制的履帶式田間轉運車，可通過調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，防止貨物因重力自由滑動引起轉運車翻車、側翻等安全事故。

3 結束語

在國家“馬鈴薯主糧化”戰略和糧食種植結構調整的政策驅動下，提高馬鈴薯生產全程機械化水平，未來應該從以下方面展開以取得突破性的進展。

一是選育丘陵山區宜機化品種。加大宜機化品種優良性狀研究力度，在典型區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業持續發展、廣大馬鈴薯種植戶增收提供重要保障。

二是制定區域內發展規劃。地理條件和農藝多樣性嚴重阻礙了丘陵山區馬鈴薯全程機械化進程，開展丘陵山區馬鈴薯機械化生產技術及區域差異性研究，探索本地化的全程機械化生產模式，制定丘陵山區馬鈴薯全程機械化生產技術規程，將傳統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。

三是大力推進技術創新，尤其是工藝原理、機械結構簡單的小型馬鈴薯生產機械。堅持農機和農藝相結合，注重農機、農藝技術協調發展，研發適合丘陵山區地理、氣候特點的性能可靠的馬鈴薯生產機械。研發適應丘陵山區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。