甘薯機械化移栽分苗取苗技術研究現狀及展望

周洵澤 嚴偉 王云霞 劉宏俊 張文毅

摘要：甘薯機械化移栽是目前甘薯機械化種植的薄弱環節，由于薯苗生長過程中可能出現的莖稈彎曲及群體糾纏等物理特性，移栽過程中的分苗取苗技術已成為制約甘薯自動移栽機設計和發展而亟需解決的關鍵問題。通過闡述國內外甘薯分苗取苗技術的研究現狀，對目前投入使用的甘薯自動移栽機進行比較，得出現有甘薯自動移栽機存在人工參與度過高、甘薯分苗專用裝置少和地區差異大等問題。提出設立甘薯標準化育苗剪苗規范、細化移栽過程，加強視覺識別和信息技術的應用等發展建議，為甘薯機械化移栽分苗取苗技術的進一步發展提供參考依據。

關鍵詞：甘薯；裸苗；分苗；種植

中圖分類號：S223.93

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0035-06

Abstract： The mechanized transplanting of sweet potato is the weak link of the current mechanized sweet potato planting. Due to the physical characteristics such as stem bending and group entanglement which may occur during the growth of sweet potato seedlings， the technology of dividing seedlings and taking seedlings during the transplanting process has become a key problem which restricts the design and development of automatic sweet potato transplanters and needs to be solved urgently. This paper expounds the research status of sweet potato seedlings and harvesting technology at home and abroad， analyzes the problems existing in the sweet potato automatic transplanters currently in use， such as too high manual participation， few special devices for sweet potato seedling and great regional differences. This paper puts forward the relevant suggestions and countermeasures， such as establishing the standard of sweet potato seedling raising and cutting， refining the transplanting process， strengthening the application of visual identification and information technology， for the development direction of sweet potato automatic seedlings and harvesting technology.

Keywords： sweet potato； bare seedlings； dividing seedlings； planting

0引言

甘薯（Ipomoea batatas （L.） Lam.），又稱紅薯、地瓜、白薯、紅苕、番薯、山芋等，是一年或多年生蔓生雙子葉植物，屬于旋花科甘薯屬（Ipomoea）［1］。甘薯原產于南美洲及大、小安列斯群島，由于其性喜溫、不耐寒等特點，目前廣泛種植于北緯40°以南的亞熱帶及熱帶區域中120余個國家和地區［2］，其中，以亞洲種植面積最大，非洲及美洲分列第二第三［3］。鑒于甘薯適應性強，在栽種、生長過程中相較于其他作物綜合投入少，但在不同種植條件下仍能保持高產穩產，營養豐富的特點，不僅被世衛組織推薦為最佳食物，還是目前全球種植的主要作物之一，可用于作為鮮食產品、淀粉加工、食品加工、葉菜和觀賞等［4］。

自16世紀末甘薯從福建和廣東沿海傳入中國以來，中國一直穩居世界第一大甘薯生產國之位，據統計，近年來中國甘薯種植面積及總產量分別穩定在2 100 khm2和50 000 kt左右，以1/3世界甘薯種植面積實現世界甘薯總產量的60%左右，其中，2020年我國甘薯出產率約為21 t/hm2，遠超世界甘薯平均出產率的12 t/hm2［5］。此外，由于我國地域遼闊，甘薯種植分布較廣，不同地區甘薯種植會隨著氣候模式、甘薯生態型、栽培習慣、土壤類型等差異而存在區別，一般將甘薯種植區分為三大薯區：北方薯區、南方薯區以及長江中下游薯區［6］。

甘薯種植過程復雜，勞動強度較高，主要生產環節包括育苗、剪苗、起壟、移栽、田間管理等。其中，薯苗的培育，一般采用苗床育苗，且為減少甘薯受病毒的影響，在剪苗過程中采用高剪苗方式，來降低甘薯苗帶病概率，使得甘薯苗的移栽成為典型的裸苗移栽［7］。相比缽苗移栽，裸苗移栽過程中對于分苗取苗作業的要求更高，高效準確地裸苗分苗難以實現，目前廣泛采用的是半自動移栽機，即采用人工進行分苗作業，極大限制了自動移栽機的生產效率，增加了甘薯移栽生產成本。為此，分析國內外甘薯移栽相關裸苗分苗取苗技術發展現狀和存在問題，為進一步研發全自動分苗取苗裝置和甘薯自動移栽機構提供參考。

1國內外甘薯移栽機研究現狀

1.1國外甘薯移栽機研究現狀

目前，在日、美、韓等發達國家的甘薯生產過程中，已經基本實現了全面的機械化作業，大量田間工作依靠機械得以完成，勞動強度相較于傳統種植方式大大降低［8］。在自動移栽機的研究方面，由于各國地域特色不同，而存在較大的差異。

美國的甘薯種植主要集中在北卡羅萊納州、密西西比州、路易斯安娜州以及阿肯色州等南部州的大農場中，土壤以沙壤土為主，使得其主流的甘薯種植模式是大規模集約化生產，突出特點為種植機械的標準化、大型化，對我國以新疆、河南、河北等省為代表的北方薯區的規模化成片種植具有借鑒和指導作用。目前，美國主流使用的移栽機有兩種，主要區別在于一次移栽所栽插的壟數和移栽過程中人工選苗和分苗的分工不同。舊型號的移栽機采用拖拉機牽引，一組三人作業，一人駕駛兩人分苗，移栽過程中主要是單壟移栽為主；80年代初開發應用的新型高效移栽機則是采用多壟移栽同時進行，除駕駛員外隨行人員每人負責一壟，最高栽插速度可達每人70～80株/min，相比于舊型號產能提高一倍［9］。

日韓等國的甘薯種植受限于地形及土地面積原因，更多的是以小型化為主，在丘陵地區地形以及以火山土為主的土壤類型的限制下，日本的甘薯種植模式主要以覆膜栽插為主，注重農機與農藝相結合，對我國大多數的小規模、個體化的甘薯種植戶而言具有借鑒意義。日本井關農機生產的PVH1系列通用自走移栽機采用鉗夾式的移栽機構，不僅可以實現膜上移栽，還能夠完成斜插法和船形法等不同的甘薯移栽插方式［10］。

1.2國內甘薯移栽機研究現狀

我國國內甘薯種植地域差異較大，種植模式多樣，導致標準化、統一化的甘薯耕種收機械在我國難以得到大規模的推廣應用。2021年，國內甘薯耕種收綜合機械化率僅有26%，遠低于全國農作物平均耕種收綜合機械化率的70%。其中，甘薯起壟機械的機械化率在50%以上，收獲機械在30%以上，而移栽機械的機械化率不足3%，甘薯移栽機的發展成為甘薯耕種收機械化率提高的掣肘。

國內甘薯移栽機按照秧苗的輸送方式不同，可以分為傳送帶式、吊杯式、鏈夾式、鉗夾式等多種形式，分別適應不同情況下的甘薯移栽作業［11］。此外，在國家的大力支持下，甘薯移栽機構還出現了很多具有獨創性思維的結構和作業形式，如山西省農業科學院棉花研究所研制的脈沖式破膜注水移栽機［12］、河北農林科學院糧油作物研究所提出的一種甘薯橫插栽植方法及其移栽機械［13］，為甘薯移栽機構創新提出新的思路。

潘志國等［14］采用連桿機構和種苗運輸機構相配合設置，設計了一款手扶式的甘薯移栽機如圖1所示。在對甘薯苗的夾持機構選擇上，采用了合手式柔性護苗移栽機構，依靠曲柄連桿機構和凸輪等結構的綜合使用，完成夾取臂的弧形曲線的工作軌跡和同時開合的工作狀態的有效配合，完成將甘薯苗從送苗槽上取下后呈船型栽植至土壤中，降低甘薯苗的損傷率，提高甘薯苗移栽的穩定性和準確性，增加甘薯產量。

嚴偉等［1519］針對甘薯移栽工作，做了一系列的相關研究，設計了從移栽投苗機構到覆土鎮壓裝置的一整套的專利成果，并以此為基礎，研發了多款甘薯移栽機如圖2所示。其中，對于甘薯苗在移栽過程中的取苗栽植，采用的是以L型布置的柔性帶進行夾持傳輸。整體結構包括輸送帶和夾持帶兩部分，均布置有橫置帶段和豎直帶段兩部分，在輸送過程中，依靠人工分苗后將甘薯苗按輸送帶上設計的容置槽進行定位放置，隨著輸送帶的轉動，甘薯苗被帶入夾持帶和輸送帶的傾斜帶段區域，完成貼合夾持工作，在柔性帶的作用下，薯苗一直保持在容置槽內，并隨著柔性帶的轉動傳送至豎直帶段的下端，隨著豎直帶段末端夾持帶和輸送帶的分離，薯苗從容置槽中脫出，在自身重力的作用下，落入預定的栽植位置，進行后續的覆土工作。

吳亦鵬等［20］設計了一款具有覆膜兼開苗口功能的甘薯移栽裝置，在采用鏈夾式栽植機構完成甘薯苗的移栽后，配合覆膜裝置和切膜裝置，按栽植間距在膜上切割出苗口，從而實現在栽植后覆膜操作，避免了因先覆膜而導致的開穴及甘薯苗定位投放復雜化的問題，節省了勞動力，提高了工作效率。

綜上，我國目前甘薯移栽機的研究得到了快速的發展，但同時也面臨著和國外先進甘薯移栽機同樣的問題。無論是國內還是國外，目前甘薯移栽機的重點都停留在對甘薯苗栽插過程的結構設計，減少在栽插過程中的人工參與，提高甘薯苗的移栽效率，但從目前國內外對甘薯移栽機械的研究成果來看，甘薯的栽插速率已明顯高于人工分苗速率，如何提高在移栽過程中對甘薯苗的分苗取苗速率，成為甘薯移栽機效率提升所面臨的新挑戰。

2國內外甘薯裸苗分苗取苗技術發展現狀

裸苗移栽作為國內外種植棉花、蘆蒿、甘草、甘薯等作物的主要移栽形式，因其栽植農藝的特殊性及植株復雜的生物性狀，使得其分苗難度一直比缽苗和穴盤苗等更高。薯苗作為裸苗的標志性苗種之一，由于其自身的無序性，加之甘薯和蘆蒿、棉花等裸苗移栽作物相比，不需要帶根移栽，而是采用高剪苗的方式得到用于移栽的甘薯秧苗，使得甘薯秧苗存在葉片大、葉柄長，莖稈較細且不規則等特點，大大增加了甘薯苗分苗的難度，使得甘薯裸苗分苗取苗作業一直依賴人工完成，效率低，成本高。

2.1國外甘薯裸苗分苗取苗技術

國外甘薯裸苗移栽主要以人工手動分苗的半自動移栽為主，美國的甘薯裸苗移栽主要以鏈夾式裸苗移栽機為主，首先采用機器選取甘薯苗，再通過車輛牽引裸苗移栽機移動，可同時栽植數行，栽植效率大大提升。日本井關設計的小型自走形移栽機，是采用人工分苗取苗，將薯裸苗放在夾取苗的傳送帶上，然后將薯苗傳輸至插秧機構夾取點，最后栽植入地。國外對于甘薯裸苗的移栽機器十分稀缺，由于甘薯苗自身特性，大多數還是需要先手動分苗，再機械栽植，自動化分苗的研究進展十分緩慢。

2.2國內甘薯裸苗分苗取苗技術

目前，為促進甘薯產業發展，提高甘薯移栽作業效率，甘薯分苗取苗裝置研究成為重點，國內主流的裸苗分苗取苗裝置有以下幾大類：鏈帶式、外槽輪式、氣力式、振動式和夾取式等。在目前國內甘薯移栽機設計過程中，部分學者開展甘薯裸苗分苗取苗關鍵技術研究，其中以鏈帶式、氣力式及振動式甘薯裸苗分苗裝置為主，并取得一定成果。

武廣偉等［21］以鏈帶式為基礎，設計一款用于甘薯裸苗固定的苗帶，研制相應的送苗機構如圖3所示。其中，苗帶依靠上下兩層扣帶上的凹槽對甘薯苗進行定位，并通過其余位置的黏連層對定位后的甘薯苗進行固定，使得甘薯苗呈有序、等距排列，完成后的苗帶可以卷起形成苗帶卷，便于運輸和自動化有序送苗。該裝置解決了在移栽過程中由于人工分苗引起的效率瓶頸，將分苗作業和移栽作業分開進行，提高移栽效率，但在將甘薯苗安裝至苗帶上時，仍需依靠人工進行分苗、安裝作業，實際整體移栽過程所需勞動力情況并未得到改善。

玄冠濤等［22］從甘薯苗群體糾纏的特性出發，設計一種振動式的甘薯裸苗分苗裝置如圖4所示，將多株帶有莖葉交叉的甘薯苗投入分苗臺，由于分苗臺自身和水平方向呈一定夾角，使得甘薯苗在分苗臺上會隨著振動逐漸下落。分苗臺由四部分組成：首先是喂苗區域，采用凸點板結構以減緩薯苗的下滑速度；其次是分離區域，依靠褶皺狀隔板和壓板形成楔形的裸苗通道，使得薯苗在下落過程中分離，減少薯苗間彼此糾纏，實現初步分離；第三區域是改向區域，該區域中設置了多個折彎板，在薯苗下落過程中，經過折彎板的同時由于折彎板兩側重量不同而向一側傾斜，形成由水平下落向豎直下落的轉向；最后是分隔運輸區域，經過轉向的甘薯苗落入分苗槽中，順著分苗槽繼續豎直下落直到落入傳送裝置。

鑒于薯苗大小不同，對振動式甘薯裸苗分苗裝置分苗效果影響較大，張萬枝等［23］設計一款振動氣吸式甘薯裸苗自動分苗裝置如圖5所示。

該裝置由苗箱和傳送苗帶兩部分組成，其中，苗箱設置有振動器來施加一定的振動激勵，將成捆的甘薯裸苗振散，從而滑落至傳送苗帶；傳送苗帶為氣吸式傳送帶，苗帶整體外側面設有沿周向分布的苗槽，苗槽底部開設氣孔；在苗箱和傳送帶相交匯處，為苗箱的出料口，設置有可旋轉的毛刷輥和與吸風機相連的氣室，甘薯裸苗落至傳送帶上后，由于氣室內外壓差，經由苗槽上的氣孔被吸附在傳送帶上，毛刷輥的旋轉對苗槽外的甘薯苗進行阻隔，使得傳送帶上的苗槽內除被吸附的甘薯苗外無其余雜亂的甘薯裸苗，保證了甘薯分苗的單株化。

這兩種基于振動原理的甘薯裸苗分苗裝置從理論上而言，確實能夠實現甘薯裸苗的單株有序化分離。但從實際情況而言，甘薯苗的群體糾纏以及莖稈彎曲等特性隨著收割茬數的增加而變得更加復雜，單純依靠簡單的振動激勵，對甘薯裸苗的振散效果不佳，分苗效果和預期結果差距較大。

可見，甘薯苗分苗問題已經引起國內學者的高度關注，并進行了相關的探索和發展，但研究時間較短，對于甘薯苗葉片大、葉柄長、莖稈細以及群體糾纏現象嚴重等問題并沒有較好的解決方案，甘薯苗的單株化成為了對甘薯苗分苗和其他裸苗分苗相區別的最關鍵問題?，F有的分苗機構對于甘薯苗的姿態和群體糾纏等特性過度的理想化，與實際生產過程中所需要進行分苗的甘薯群體相去甚遠。如何進一步優化甘薯苗的分苗機構，實現甘薯苗的單株有序化分苗，是目前甘薯移栽作業過程乃至整個甘薯產業發展的重要因素。薯苗分苗取苗裝置分類方式見表1。

3存在問題和發展建議

3.1存在問題

3.1.1人工參與度較高

現階段甘薯移栽機設計多為半自動移栽機，只是實現自動栽植過程，取苗、喂苗過程仍然需要人工去完成，作業過程需要配備專門人員進行分苗喂苗，沒有將勞動力從甘薯移栽環節中完全解放出來。目前，甘薯移栽作業中分苗喂苗工作多以2人/壟的形式進行，雖在一定程度上提高了分苗效率，但由于人工分苗作業受勞動力因素影響較大，難以繼續提高分苗效率，對于甘薯移栽作業的快速發展造成了嚴重的阻礙。

3.1.2甘薯分苗專用裝置少

甘薯全自動移栽機的研制還處于設計研究階段，主要原因在于甘薯苗的機械化分苗作業難度較大。甘薯苗自身的無序、群體糾纏等特性以及葉片大小不一、葉柄長短不一、莖稈粗且不規則等特點，使得機械化分苗取苗工作難以實現，加上薯苗的育苗、分苗均沒有設立合適的規范和標準，更是導致薯苗的植株品質差異較大，影響到分苗取苗的精確度，使得甘薯專用分苗裝置的設計存在一定的難度，難以實現大面積的推廣及使用。此外，對薯苗特性特點的研究與利用匱乏和對更高效分苗手段的探索與應用不足，也使得甘薯專用分苗裝置的設計思路受到局限，難以推陳出新，針對性解決目前甘薯移栽中分苗作業所遇到的難題。

3.1.3地區差異較大

我國地域遼闊，不同地區地形、氣候等條件差異較大，使得甘薯的種植方式多樣，單一的移栽機構無法適應、實現通用。目前，國內采用的甘薯移栽機械大多由國外樣機或其余裸苗作物移栽機發展演變而來，一方面沒有考慮到我國各個甘薯產區的地理位置、起壟技術以及栽植方式的差異性；另一方面沒有明確甘薯和其余裸苗作物的區別，突出甘薯苗自身特點并加以運用。我國甘薯種植多以春薯為主，北方薯區由于氣候寒冷，大田種植，需進行覆膜移栽；南方薯區由于地形原因，多為小田種植；長江中下游薯區則是平原與丘陵兼顧，大小田種植均有分布［24］。這使三大薯區所需求的甘薯移栽機的功能需求差異較大，無法實現通用機型推廣，對甘薯移栽機設計提出更多挑戰。

3.2發展建議

我國土壤類型、地形條件、水肥條件以及氣候條件的不同，使得我國甘薯種植多樣化，無論是甘薯的品種還是甘薯的種植方式都有較大的不同。依據不同地區以及不同薯種的特點，從育苗階段開始設立標準化的育苗規范，實現工廠化育苗，為甘薯移栽起到輔助作用。此外，標準化育苗選苗能夠進一步和甘薯移栽機上的分苗機構相配合，逐步實現甘薯產業在不同地區的耕整地技術、種植技術、移栽技術分別相互配套，實現依據地域特性的農藝與農機相結合的發展。

當前我國甘薯移栽機以半自動移栽為主，存在移栽效率低、移栽成本高等現象，成為制約我國甘薯移栽發展的主要問題。對于甘薯苗的分苗難現象，主要問題在于甘薯苗自身特性以及甘薯苗收獲時的不規范導致，設立相關的標準化育苗剪苗規范，進一步研制移栽用甘薯苗的剪苗機構，可以初步解決由于群體糾纏引起的甘薯苗分苗困難的問題。其次，在對于甘薯自動移栽機的設計上來看，過分依賴于人工分苗的效率提升或是自動分苗機構的研制都將對甘薯自動移栽機的效率產生不利影響，可將移栽過程進一步分解，通過二次栽插的方式，將甘薯苗分苗難的問題由田間向車間內轉變，從而提高甘薯自動移栽機在田間的工作效率。

對于甘薯苗分苗問題，需要對甘薯苗的物理特性等進行研究，在了解其生長狀態及力學性質后，可以采用機械設備與視覺識別和信息技術等相結合方式，以智能化、信息化的手段實現甘薯苗的精確識別、定位、夾取和分離作業，最終實現甘薯苗在車間內的單株有序化分離，為甘薯移栽全自動化提供良好的基礎，推動甘薯產業的發展。

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