馬鈴薯低損收獲技術

趙晉 黃赟 柳國光 徐錦大

摘 要： 馬鈴薯是重要的糧食作物，對于保障糧食安全具有積極作用，在其生產過程中，機械化收獲是促進高效生產的關鍵環節。目前，馬鈴薯機械化收獲過程中會造成薯塊損傷，進而容易引起薯塊腐爛，影響整體品質和產量，在一定程度上限制了馬鈴薯機械化收獲技術的推廣應用。闡述了國內外馬鈴薯收獲裝備研究狀況，探討分析了防纏繞、挖掘、薯土分離和集薯等收獲技術及其過程中存在的馬鈴薯機械損傷情況，以期提高馬鈴薯機收效果。

關鍵詞：馬鈴薯；低損收獲技術；機械化收獲

中圖分類號：S22文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0014-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.003

0 引言

馬鈴薯是根莖類作物，具有營養價值高、適應性強的特點，是重要的糧食作物，也可作為蔬菜、休閑食品、工業原料。馬鈴薯在全球廣泛種植，目前我國馬鈴薯總產量居世界首位[1]。馬鈴薯生產屬于勞動密集型作業，尤其是收獲環節，勞動強度大，雖然目前已有機械收獲，但仍以人工挖掘或分段收獲為主。統計顯示，2017 年我國馬鈴薯機收率21.88%，生產機械化水平遠低于水稻、小麥和玉米等糧食作物，機械化收獲技術發展空間巨大[2]?！蛾P于推進馬鈴薯產業開發的指導意見》中明確提出，將馬鈴薯作為主糧產品進行產業化開發，馬鈴薯機械化生產技術裝備作為保障安全生產的重要手段，其質量水平面臨更大挑戰[3]。

由于收獲機械的關鍵部件是金屬材料，在應用過程中，薯塊不可避免的會受到損傷，受損薯塊外觀商品性差且容易腐爛，不利于儲藏、加工和銷售，從而引起一定的產量損耗。隨著“減損就是增產，降耗就是增效”意識的不斷強化，節糧減損已成為提高糧食安全保障水平的重要方向。因此，馬鈴薯低損收獲技術的研究對于提高馬鈴薯品質、促進馬鈴薯生產開發乃至確保糧食安全具有重要意義。本研究闡述國內外馬鈴薯收獲裝備研究狀況，探討分析防纏繞、挖掘、薯土分離、集薯等收獲技術及其過程中存在的馬鈴薯機械損傷情況，以期提高馬鈴薯機收效果。

1 收獲裝備現狀

國外發達國家關于農業機械的研究起步早、水平高，直到20 世紀中葉，歐美國家，以及日本、韓國等先后實現了馬鈴薯機械化收獲，產品類型也由牽引式挖掘機逐步發展到自走式聯合收獲機[4]。目前，在美國、德國等多平原的國家，馬鈴薯機械化收獲多是采用聯合收獲機直接收獲馬鈴薯，在意大利、日本、韓國等多山地種植的國家，則通常采用挖掘機械配合具有分選功能的撿拾機進行分段收獲[3-4]。在馬鈴薯收獲機械品牌中，德國格力莫公司的TECTRON415 型全功能收獲機、比利時 AVR 公司的Espirit 機械收獲設備、波蘭 Akpil 公司的BULWA2-2 型馬鈴薯挖掘機等機型，自動化程度高、收獲效率高、制造技術水平高，在行業內具有較高的知名度[5-6]。

國內對于馬鈴薯收獲機械的研究始于20 世紀60年代，與歐美等發達國家相比，國內研發側重于中小機型，通過科研院所和制造企業的不斷探索，出現了一批具有代表性的產品。如中機美諾系列1700 型馬鈴薯收獲機，填補了我國大型馬鈴薯收獲機的空白[5-6]。洪珠4U-170 型馬鈴薯收獲機則適用于分段收獲，機型小巧、結構較簡單、性價比高，推廣應用較為廣泛，并且更適于丘陵山區、小田塊等地形使用[6]。

統計顯示，南方丘陵山區地塊面積占全國60% 以上，是我國馬鈴薯、甘薯等薯類作物的主要產區[7]。丘陵山區田塊小、坡度不一致、土壤黏性重易板結，不適宜采用大型聯合收獲機進行馬鈴薯收獲，同時，馬鈴薯種植品種多樣、種植模式各異，對機型專用性要求高。根據種植農藝條件，目前丘陵山區馬鈴薯收獲基本采用分段式收獲，而受限于地形地貌，現有馬鈴薯收獲機在實地應用中存在收獲效率低、薯土分離效果不佳、傷薯率和破皮率較高，這些現象限制了機械的廣泛應用，導致了馬鈴薯收獲機械化程度較平原地區低很多，制約著馬鈴薯產業的提升發展[8]。

2 收獲技術與損傷分析

傷薯率、破皮率和明薯率是評價馬鈴薯收獲機械性能的重要指標，在機械收獲過程中，殺秧、切土、挖掘、薯土分離和收集等工序都將對馬鈴薯損傷產生影響，碰撞、摩擦、剪切和碾壓是造成馬鈴薯出現損傷的主要原因[9]。研究顯示，70% 的馬鈴薯機械損傷是由收獲環節產生的，損傷形式主要表現為表皮破損、薯塊破裂、組織褐變等，這些損傷會導致馬鈴薯潰爛，無法儲藏和銷售，直接影響農戶的經濟效益[10]。近年來，國內外研究人員通過試驗、仿真等形式開展了較多關于馬鈴薯機械損傷機理的研究，探尋馬鈴薯受損情況與收獲機收獲工序間的關聯，以此改進收獲機關鍵結構、優化工作參數，進而提升整機工作性能和收獲效果[11]。

2.1 防纏繞技術

殺秧是馬鈴薯采收的前置工序，為了避免馬鈴薯藤蔓纏繞收獲機械，影響機械收獲，通常采用機具先對藤蔓進行切割清理，但是由于馬鈴薯種植深度差異，存在殺秧機具碰撞到位于淺土層的薯塊，甚至將其連著藤蔓拉出土層，進而致使薯塊破損。由于現有殺秧機具無法將壟溝底部的藤蔓清理干凈，有時會存在殺秧效果不理想，馬鈴薯殘藤、雜草較多，在后續薯土分離時，升運鏈輪容易被其纏繞引起積累堵塞，增加了機構運轉阻力，增大薯塊與升運機構間的碰撞程度，甚至造成機構損壞。王濤等[12] 設計的防纏裝置安裝在收獲機前端兩側，采用滑切方式切斷藤蔓，裝置由圓盤式切草刀、刀軸和軸承座等構成，通過鏈輪傳動系統驅動，兩側刀軸設有正反螺紋，圓盤刀所受摩擦力與圓盤刀轉向一致，切斷的藤蔓跟隨分離裝置掉落至后方或擋至于機架側板外。戰長齡等[13] 設計了兩種防纏繞裝置，其中被動式防纏繞裝置采用橫向旋轉式作業，主要由兩組帶有螺旋葉片的輥筒構成，主動式防纏繞裝置主要由輥筒、切刀、軸承、驅動齒輪及帶輪等構成，作業時兩組輥筒反方旋轉，田間試驗顯示防纏繞性能上，主動式優于被動式。

2.2 挖掘技術

挖掘是造成傷薯現象較嚴重的工序之一，由于馬鈴薯生長于土層下，挖掘效果受到挖掘鏟結構形式、入土角度、入土深度的影響。種植時的地壟彎曲、壟形坍塌、壟溝填沒等，容易導致挖掘鏟對行偏離、挖掘深度不均。若挖掘鏟入土深度過淺，會導致挖掘鏟運動軌跡與馬鈴薯生長區域位置重疊，造成薯塊的剪切損傷，或是壓土輪造成的薯塊碾壓損傷；挖掘鏟入土過深，則會增大土壤挖掘量，增加機械前進阻力，造成薯土分離時含土量過大，影響分篩效果，還可能導致薯塊重埋入土，降低明薯率[14-15]。因此，應加強挖掘深度控制技術的研究，以提升挖掘深度和位置的準確、穩定和可靠。李濤等[16] 設計的挖掘深度自動控制系統，采用傳感器、液壓和單片機等綜合控制技術，利用接觸式深度探測系統，可根據地壟高度實時調整挖掘深度。此外，挖掘鏟與薯土分離裝置間的合理銜接，挖掘鏟結構形式的優化，可提高薯土通過順暢性，減小挖掘阻力，減輕薯塊間的摩擦、碰撞損傷。近年來，仿生技術被大量應用在挖掘鏟形式的設計中，研究人員根據野豬、螻蛄、獾和田鼠等擅于掘土的動物拱嘴或爪趾外形，優化改進了挖掘鏟外形及其運動軌跡，相比原來的平面鏟形，具備更優的減阻性能[17-18]。

2.3 薯土分離技術

薯土分離是通過振動或抖動方式完成，分離薯土的同時向后運輸馬鈴薯，分離裝置形式主要有桿條升運鏈式、擺動篩式和撥輥推送式，其中以桿條升運鏈式應用最為廣泛[19-20]。馬鈴薯和土壤分離運輸的過程中不斷被向后上方拋甩，由此會在薯土分離裝置上產生跳動、翻滾和前后移動，薯塊與升運桿條之間、薯塊與薯塊之間都會存在相互摩擦、碰撞，由此會造成馬鈴薯表皮破損、內部組織損傷，升運鏈振動幅度越大，碰撞時的相對速度越大，損傷也越嚴重。武德勇[21]通過Hertz 接觸理論分析發現，損傷程度與馬鈴薯質量、跌落高度、馬鈴薯彈性模量和橡膠管厚度等因素相關，合理設置升運鏈傾角、抖動輪運動軌跡半徑和抖動軸轉速，優化提升升運鏈作業質量，可有效減少馬鈴薯在薯土分離環節中的損傷。如若整機機架空間不夠，會出現薯土堆積在分離運輸環節，影響通過順暢性，增大了馬鈴薯受損機率。

2.4 集薯技術

集薯過程中出現的薯塊跌落比較容易引起薯塊內部組織損傷，特別是采用二級或多級輸送集薯技術時，提升坡度大、輸送距離長，輸送分離裝置末端高度過高，薯塊下落時受到的沖擊更強，損傷程度也較重。增加尾篩裝置為馬鈴薯下落過程提供輔助緩沖，能夠減輕馬鈴薯的損傷程度[14]。不論是應用分段式收獲機后由人工撿拾套袋，還是應用聯合收獲機完成自動裝箱，收集過程中都會產生馬鈴薯間的相互碰撞損傷。

3 結束語

利用離散元仿真、有限元分析、試驗測試等多手段結合，開展對馬鈴薯機械損傷機理的研究，可為馬鈴薯收獲機械性能的提升改進提供理論依據。未來需要針對不同地域土壤性質，進一步明確馬鈴薯、土壤、機械裝置之間的動力學特性，提高馬鈴薯收獲機的通用性和可靠性，不斷推動我國馬鈴薯機械化收獲技術的進步。

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